氧化物半导体存储器：BEOL兼容技术进展与挑战

近年来，氧化物半导体因其与后端互连工艺（BEOL）的兼容性，在新型存储架构中展现出巨大潜力，成为实现逻辑与存储一体化集成的关键材料。本文综述了基于氧化物半导体沟道的BEOL存储器件的最新研究进展，涵盖类DRAM的1T-1C单元、无电容增益单元（2T-0C）以及非易失性铁电场效应晶体管（FeFET）。重点探讨了氧化物沟道材料的优化策略，包括接触电阻降低、阈值电压调控、可靠性提升等，并分析了p型氧化物半导体的挑战与突破。这些研究为下一代高密度、低功耗存储技术提供了重要参考。

引言

随着生成式人工智能（如大语言模型）的快速发展，计算范式正向数据为中心迁移，对存储器的带宽、容量和能效提出了更高要求。氧化物半导体（OS）沟道材料因其超低漏电流和低温工艺兼容性，成为BEOL集成存储单元的理想选择。基于OS的存储器件支持单元覆盖外设（COP）设计，可与先进CMOS逻辑单片集成，从而优化存储层次。目前，n型氧化物材料如IGZO、InWO等已取得显著进展，而p型材料的开发仍是研究热点。表I总结了当前三类主要的BEOL兼容OS存储器：

表 I： 基于氧化物半导体（OS）沟道的主要BEOL兼容存储器类型

（1）采用超低漏电n型氧化物半导体晶体管的类DRAM 1T-1C结构；

（2）由n型与p型氧化物晶体管构成的无电容增益单元（2T-0C或nT-0C）；

（3）基于Hf系铁电介质与n型氧化物沟道的铁电场效应晶体管（FeFET）。

本文将回顾这些存储单元的技术进展，探讨材料与器件优化的关键问题，并展望未来发展方向。

用于类DRAM 1T-1C的n型OS晶体管

近期，采用n型氧化物晶体管的1T-1C存储芯片在先进逻辑平台上成功验证，展现出良好的晶圆厂兼容性和卓越性能（见图1(a)）。该芯片在0.75 V工作电压下实现8 ns随机周期和128 ms保持时间，并在85℃下具备多年可靠性（见图1(b)）。通过COP结构将存储阵列单片集成于CMOS逻辑之上，有效缩短了信号路径，提升了密度和能效。n型氧化物材料的成熟度对此突破至关重要。

图 1：（a）COP结构BEOL 1T-1C存储器的截面TEM图；（b）存储芯片的Shmoo图，显示良好性能裕量。

为满足严苛需求，需解决三大挑战：（1）在短沟道（LG < 30 nm）器件中通过接触电阻（RC）优化实现高驱动电流（ION）；（2）阈值电压（VT）调控以平衡漏电与电路功能；（3）工艺与钝化控制以降低VT波动。图2总结了优化策略。

图 2： n型OS晶体管性能优化策略示意图。

降低接触电阻（RC）是提升ION的关键。通过减轻刻蚀损伤和优化接触中间层（IL），可降低肖特基势垒，实现RC低于500 Ω·μm（见图3(a)-(b)）。

图 3：（a）RC优化前后的ID–VG特性对比；（b）TLM提取的RC值，优化后低于500 Ω·μm。

与硅基器件不同，OS晶体管的VT调控需精确控制沟道中金属离子、氧空位和氢含量。图4展示了通过成分调控实现的宽VT范围，但存在VT与ION的权衡，需持续优化。

图 4： 通过OS沟道成分调控实现的VT可调性，显示VT与ION的权衡。

可靠性（PBTI/NBTI）对氢高度敏感。采用表面处理和钝化可降低氢含量，如图5的SIMS剖面所示。

图 5： OS沟道的SIMS深度剖面，显示钝化后氢含量降低。

优化后的1T-1C芯片在85℃下经过10¹⁴次循环后，误码率（BER）仍低于1 ppm（图6）。图7展示了300 mm晶圆上VT的均匀分布，验证了工艺稳健性。表II显示，在最短栅长下实现了正VT下的高ION。

图 6： 1T-1C芯片耐久性测试，85℃下10¹⁴次循环后BER < 1 ppm。

图 7： 300 mm晶圆上n型OS器件VT的累积分布。

2T-0C增益单元中的p型OS晶体管

无电容2T-0C增益单元（GC）由写管和读管组成，可实现非破坏读出。基于OS的GC已在n–n和n–p配置中验证。n型OS的超低漏电使其适合写管，而p型沟道因电容耦合弱更适合读管，以提供更大感测窗口。p型OS材料研究仍具挑战，SnO因热稳定性和独特能带结构而受关注。然而，需提升迁移率、降低接触电阻、减小迟滞并实现可调VT和高ION/IOFF比。

图8展示了实验室尺度背栅SnO器件的ID–VG曲线、GI-XRD和TEM，显示良好结晶度，迁移率约2 cm²/V·s。

表 II： 1T OS器件性能基准。

图9(a)显示了300 mm晶圆上SnO器件的ID–VG曲线，ION/IOFF约10⁴，迁移率约1 cm²/V·s，迟滞<500 mV。这些器件采用背栅工艺，通过PVD沉积SnO，并优化接触。图10展示了不同氧分压和总压强对VT–ION的影响，表明渗流输运可能。接触优化通过降低表面陷阱和提升局部载流子浓度，实现了RC降低约5倍（图11）。

图 8： 典型SnO器件特性：(a) ID–VG曲线，(b) GI-XRD，(c)-(d) TEM图像。

具有高耐久性的1T OS-FeFET

采用Hf₁₋ₓZrₓO铁电层的FeFET因电场驱动写入机制，具备高速低功耗潜力。OS沟道与铁电介质均可ALD沉积，利于三维集成。但集成面临弱擦除和耐久性退化问题。近期，0.009 μm²的OS-FeFET器件实现40 μA/μm导通电流、30 ns操作、85℃下1000 s保持和10¹²次循环耐久（图12）。关键工程包括：调节Zr含量优化HZO相结构（图13），协同优化厚度与成分调控VT（图14），界面工程抑制氧空位（图15），HZO掺杂阻隔氧空位扩散（图16）。多电平操作可进一步提升密度，但需改善均匀性。

图 12： OS-FeFET耐久性测试，10¹²次循环后性能稳定。

结论

基于氧化物半导体的存储技术为高密度能效系统提供了变革机遇。n型OS已取得显著进展，但p型材料的突破将拓展其应用边界。未来需持续优化材料与工艺，推动OS存储器在数据中心等场景的实用化。

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