在筆者看來，市場對新興存儲器并不友善，盡管人們仍然希望存內計算（copute in memory）能夠重振基于電阻、相變和其他特性的新型存儲器。

不過，這并沒有阻止存儲器的研發(fā)，當前的新興存儲器領域的大部分研究現(xiàn)在都集中在鐵電存儲器（ferroelectric memories）上，如IEDM內存分委會約有三分之一的研究人員從事FeRAM研發(fā)。其中鋯酸鉿 (HZO：hafnium zirconate) 和其他材料的極化（正或負）可以通過施加電壓來控制。

存儲技術委員會主席兼首爾國立大學教授 Sang Bum Kim 在 IEDM會議上也指出，F(xiàn)eRAM 比 DRAM 慢，但比 NAND 快。而且它們真的很小。不過，他們還有很多材料問題需要解決，其循環(huán)耐力和保持力（cycling endurance and retention）仍然沒有達到應有的水平。

從IEDM的統(tǒng)計數據看來，中國的FeRAM研究已經達到了一相當高的水平。例如，來自北京大學的一個研究小組考慮了一個棘手的問題，那就是如何在 HZO 晶體中保持正斜方相（orthorhombic phase），這是鐵電效應所需的相。“我們系統(tǒng)地表征了 La 摻雜 HfO2 器件中出色的鐵電性。觀察到超過 38 nm 的大單晶斜方晶相。實現(xiàn)了超快速和高可靠性的偏振切換。”中國研究人員在報告說。

如何在鐵電材料中保持O-phase這一挑戰(zhàn)促使英特爾創(chuàng)建了一個復雜的模型，該模型著眼于電場循環(huán)過程中的相變。英特爾表示：“擁有一個可以描述所有這些階段的統(tǒng)一理論框架對于更好地理解場循環(huán)過程中的潛在物理機制以及探索基于氧化鉿薄膜（hafnia-based thin films）的混合階段的設備設計非常重要?！?/p>

中國團隊的新型存儲器研究

正如前文所說，中國北京大學團隊在IEDM 2022上發(fā)布了一些研究進展。北京大學集成電路學院也撰文分享了其在新型存儲器及可靠性研。需要強調一下，本章節(jié)內的主要內容都是引自北京大學集成電路學院的新聞稿，僅供讀者學習，其內容版權歸北京大學所有。

DRAM作為存儲器市場的主力軍，傳統(tǒng)的1T1C結構在10nm節(jié)點附近面臨巨大的瓶頸。后道兼容的寬禁帶氧化物半導體基2T0C DRAM，具有極低的關態(tài)漏電流，熱預算低，與硅基后道工藝兼容，可以在數據保持時間、功耗與密度上實現(xiàn)突破。然后，氧化物半導體特殊的滲流輸運機制導致了其高閾值電壓與高開態(tài)電流不可兼得，從而需要負保持電壓來實現(xiàn)高數據保持時間，并且寫入速度也遠低于當前主流水平。

針對上述問題，吳燕慶研究員、黃如院士團隊對基于寬禁帶氧化物半導體IGZO的晶體管載流子遷移率與源漏接觸進行優(yōu)化，實現(xiàn)了閾值電壓在100 pA*W/L的標準下大于1.2V，同時輸出電流在過驅動電壓為1V下達到24 mA/mm，柵壓為0時的關態(tài)電流在常溫和85℃下均小于10-19A/mm。2T0C DRAM單元成功實現(xiàn)了10 ns的超快寫入速度，以及室溫斷電情況下數據保持時間大于10ks和85℃下保持時間大于7ks，分別為之前同類工作的10倍與100倍。此外，通過調節(jié)寫入管的字線和位線電壓，成功在常溫和85℃下實現(xiàn)了具有超高區(qū)分度和線性度的3-bit存儲，并可通過電壓協(xié)同調節(jié)進一步擴展存儲容量。該工作展示了寬禁帶氧化物半導體在三維集成的大容量、高密度、非易失DRAM方向應用的潛力。

氧化鉿基薄膜鐵電材料由于其與硅基工藝的兼容性，近年來受到廣泛的關注和研究。如何通過摻雜適合的元素以制備出具有優(yōu)異鐵電性的薄膜材料，是鉿基鐵電材料的重要問題。此外，如何在ns量級脈沖下獲得足夠的極化翻轉量也是實現(xiàn)高速非易失存儲的關鍵。針對以上問題，吳燕慶研究員、黃如院士團隊提出了通過鑭元素摻雜氧化鉿薄膜提升鐵電性的方法，系統(tǒng)研究了其鐵電回滯特性以及翻轉特性。實驗表征到超過38nm的大尺寸正交鐵電相（O相）單晶，在5ns脈沖下實現(xiàn)了文獻中最高的超過60mC/cm2的極化翻轉量，實現(xiàn)了1.3×104A/cm2的最高翻轉電流。提出了新的反映翻轉特性的參數-翻轉電導G，并測量到了最高的1.03×104S/cm2的翻轉電導。

鉿基鐵電晶體管（FeFET），由于其與CMOS工藝兼容性好、可微縮性強和低功耗等優(yōu)勢，在嵌入式和存儲級內存等存儲器應用領域具有廣泛的前景。針對鉿基FeFET耐久性低（<106）的問題，唐克超研究員、黃如院士課題組從硅溝道FeFET的器件原理出發(fā)，提出了鐵電層-中間層協(xié)同優(yōu)化的耐久性改善新方法；結合第一性原理計算的理論預測，選取了Al:HfO2鐵電層和Al2O3中間層的材料組合，具有較低的電荷俘獲密度和較長的俘獲時間常數，利于耐久性的提升。優(yōu)化后器件的耐久性超過5×109，超過通常報道的FeFET耐久性三個數量級以上，并具有10年以上的保持特性。研究成果對高耐久性的硅溝道FeFET提供了重要指導。

針對FeFET寫后讀延遲和循環(huán)操作中存儲窗口退化機理不清晰的問題，王潤聲教授、黃如院士課題組與合作者首次對不同應力條件下器件中缺陷的物理性質進行了全面的實驗研究。通過eMSM、DMP和RTN等先進表征方法，發(fā)現(xiàn)寫后讀延遲和存儲窗口退化的可靠性根源分別來自兩種不同的缺陷，并揭示了它們在循環(huán)電應力下的動力學行為變化，為厘清FeFET的缺陷物理本質、改善器件可靠性提供了重要的依據。

四層鐵電容器堆棧

根據 Intel 在最近的技術會議上也發(fā)表了相關論文，很明顯，Intel 正在緊追 FeRAM，以此作為提供快速、密集、嵌入式 L4 緩存的一種方式。在 IEDM 2022 上，英特爾研究員 Shriram Shivaraman 發(fā)表了題為“Hafnia-Based FeRAM: A Path Toward Ultra-High Density for Next-Generation High-Speed Embedded Memory”的受邀論文。該演示文稿描述了創(chuàng)建具有四層 FeRAM 電容器堆疊層的嵌入式存儲器的能力，這表明堆疊電容器可以實現(xiàn)與傳統(tǒng) AFE（anti ferroelectric）溝槽電容器相同的行為，并且架構變化不會影響 AFE 電容器的結晶和電氣特性。

負責 imec 鐵電項目的 imec研究員 Jan Van Houdt 則對此持謹慎態(tài)度。當被問及（正交）O-phase是否難以在 HZO 中保持時，Van Houdt 說：“我們仍在努力優(yōu)化材料。

他接著指出，我們絕對希望擁有一種在加工過程中穩(wěn)定的材料，一種在使用壽命結束前保持相同相組成的材料，雖然我們現(xiàn)在還沒有。但它將是一種動態(tài)材料，隨溫度而變化，隨循環(huán)而變化。如果我們在設備上做一些壓力測試，它就會改變。這是一個不便的事實，我們不能完全控制材料的成分。與 DRAM 電容器中的常規(guī)電介質或其他控制非常好的材料完全不同。

Van Houdt 說，一個樂觀的事實是原子級沉積 (ALD) 與鋯酸鉿 (HZO) 薄膜配合得很好。“有了鋯酸鉿，我們就有了 ALD，這讓 imec 看到了希望。我想我們會成功的。但以何種形式，這仍在爭論中。有一件事是肯定的，不再只是學術界在研究這個了。它已經轉向業(yè)界?！?圖 1 顯示了 HZO 設備中的相數或極化可能性。

正如IL（interfacial）層在 CMOS 邏輯中起著至關重要的作用一樣，imec 研究人員在 IEDM 2022 上展示了界面工程（ interfacial engineering）工作，研究了 IL 種子（seed）層和覆蓋（cap）層如何“顯著改善”基于 La 摻雜 HZO 的鐵電電容器，包括鐵電響應和剩余極化 (PR：remnant polarization)。

imec 團隊在具有 TiN 頂部和底部電極的BL( bilayer) 和/或TL (trilayer) 配置中創(chuàng)建了 1 nm TiO2seed層和/或 2nm Nb2O5cap層?！拔覀冋故玖?Nb2O5cap 如何通過在 HZO 中注入氧氣來促進從（(anti-FE）四方相（tetragonal）到（FE）正交相（orthorhombic phase）的轉變，并發(fā)現(xiàn) TiO2seed層有利于改善 HZO 內部的晶粒取向，從而帶來更高的 2PR 和減少的喚醒。最后，根據所使用的 Hf 和 Zr 的前體（ precursors），我們展示了兩種 trilayer器件的耐久性高達 1011次循環(huán)，其在1.8 MV/cm能獲得約為30μC/cm2的2PR。在3 MV/cm的時候，歷經 3x106的循環(huán)以后，更是獲得了一個創(chuàng)紀錄的66.5μC/cm2的2PR?！盫an Houdt 說。

imec 團隊成員 J. Bizin davyi 表示，Bilayer 和trilayer堆疊可以成功組合以提高鐵電性，同時仍具有出色的耐用性。

從IGZO 氧化物半導體受益

有趣的是，日本研究人員在 IEDM 上展示了將 FeRAM 電容器與基于銦鎵鋅氧化物 (IGZO) 的氧化物半導體制成的控制設備相結合的工作，IGZO 是會議上的另一個熱門話題。Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd.（日本厚木）描述了一種使用氧化物半導體場效應晶體管 (OSFET) 和鐵電電容器的 FeRAM，“利用 OSFET 的高擊穿電壓，即使柵極長度成比例 ” 。這家以研發(fā)為導向的公司報告稱，其 FeRAM 具有前所未有的尺寸——0.06μm2，實現(xiàn)了 10 ns 的寫入時間，在 85°C 下的保留時間為 1,000 分鐘或更長時間。在2.5V的工作電壓，它更是展現(xiàn)出了108的耐受循環(huán)。

“這種內存具有較高的運行速度、非易失性以及較高的重復寫入耐久性，因此將成為未來新興內存的候選者，”SEL在其論文中寫道。

新加坡國立大學的一篇論文還在 BEOL 兼容的非易失性開關中結合了 IGZO 器件和鐵電 HZO 電容器，這是一種 FPGA 類型的器件，NUS 團隊稱之為 MemTransistor（圖 2）。Soitec聲稱首次展示了與 BEOL 兼容的“3D Fin-Gate 氧化物半導體 Fe-FET。

三星追逐MRAM

除了鐵電存儲器外，MRAM 在 IEDM 2022 上也受到關注，三星在兩個背靠背的演示中詳細介紹了其 MRAM 進展。J.H. Park 詳細介紹了三星在 STT-MRAM 方面的大量工作，他說，與 SRAM 相比，STT-MRAM 在速度、尺寸和耐用性方面具有許多優(yōu)勢?！?/p>

在接下來的演講中，T.Y. Lee 描述了“用于非易失性 RAM 應用的世界上最節(jié)能的 MRAM 技術”。將磁隧道結 (MTJ) 縮小到 14 納米 FinFET 節(jié)點，可使面積縮小 33%，讀取時間加快 2.6 倍（圖 3）?！癕RAM 具有用作低泄漏工作存儲器的良好潛力，”Lee 說。

三星的研究人員聲稱，他們開發(fā)的這個產品是有史以來最小、最節(jié)能的非易失性隨機存取存儲器。

該團隊采用了該公司的 28 納米嵌入式 MRAM，并將磁性隧道結擴展到 14 納米 FinFET 邏輯工藝。論文摘要涉及該團隊生產的獨立存儲器，其寫入能量要求為每位 25pJ，以每秒 54MB 的數據速率進行讀取的有源功率要求為 14mW，寫入的有源功率要求為 27mW。循環(huán)是1014個周期，當縮放到 16Mbit 設備時，芯片將占用 30 平方毫米。

按照三星所說，該研究的目標之一是證明嵌入式 MRAM 作為緩存存儲器適用于依賴大型數據集和分析的應用程序（例如邊緣 AI）的適用性。




審核編輯：劉清