微電子所在面向存內計算的多比特2T0C DRAM研究中取得重要進展

為解決現代計算系統中（如云計算和人工智能）的“內存墻”帶寬局限、高效計算瓶頸和制造工藝尺寸微縮等問題，一種結合新型非晶態氧化銦鎵鋅（IGZO）薄膜材料的無電容（2T0C）DRAM結構，有望取代傳統1T1C DRAM成為關鍵性的新興技術路線。目前，大量研究工作集中于通過器件結構和工藝優化來提升IGZO 3D DRAM的保留時間和操作速度，但現有IGZO TFTs器件普遍存在性能均一性及閾值調控難題，導致了較小的DRAM存儲窗口及較大的存儲陣列中多級信號誤讀的可能，限制了面向存內計算技術的多比特DRAM實現。

針對上述關鍵技術挑戰，微電子所先導中心殷華湘、許高博研究員團隊和北京超弦存儲器研究院合作，提出了一種氧輔助氫自適應摻雜（OHAD）工藝方法以優化IGZO薄膜材料，通過溝道雜質鈍化與源漏穩定摻雜，實現了正向閾值調控（+0.23V）與驅動特性提升（+216%）的同步優化，同時將閾值與驅動電流的分布標準差分別縮減至25mV和1.5μA/μm，達到同類器件最佳水平。基于OHAD優化后的晶體管，團隊成功在IGZO 2T0C DRAM單元中實現16個存儲狀態的完全分離，在國際上首次實現真實4比特存儲讀出，將多比特保持時間提升到1000秒以上，為高密度3D DRAM的發展與多比特高性能DRAM存內計算技術的實現提供了一種低成本的基礎創新方法。

基于該研究成果的文章“First Demonstration of True 4-bit Memory with Record High Multibit Retention >10³s and Read Window >10⁵ by Hydrogen Self-Adaptive-Doping for IGZO DRAM Arrays”入選2023 IEDM主流DRAM Session，得到來自三星、美光、華為海思、圣母大學、國立臺灣大學等國際知名單位的學者的廣泛關注。微電子所博士生顏剛平為第一作者，微電子所許高博研究員、殷華湘研究員為通訊作者。

圖1 （a）IGZO氧輔助氫自適應摻雜方法與器件優化機制，（b）性能與均一性優化示意圖

圖2 4比特讀出電流保持時間示意圖與統計分布圖