动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)是集成电路最大的单品市场。自发明之日起，DRAM一直沿用一个硅基晶体管加一个电容（1T1C）的单元结构，通过不断缩小单元面积提升存储密度。随着器件微缩，单元晶体管的漏电流成为最大的技术挑战之一。以铟镓锌氧化物（Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO）为代表的非晶氧化物半导体（Amorphous Oxide Semiconductor）兼具宽禁带和高迁移率，成为DRAM晶体管理想的沟道材料，以此制造的晶体管具有很高的开关比，可满足单元晶体管对漏电流的要求。由于非晶薄膜可以在较低温度下通过沉积技术形成，因此有望以膜层堆叠的方式实现单片三维集成， 这一特点为DRAM制造技术的发展提供了一种全新的可能。
北京超弦存储器研究院赵超研究员和王桂磊研究员在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）上发表了题为“Amorphous oxide semiconductor for monolithic 3D DRAM: an enabler or passer-by？”的展望文章，综述了非晶氧化物在3D DRAM领域应用探索的热点进展，重点分析了非晶氧化物3D DRAM要成为商业现实所面临的几大关键挑战，为未来基于非晶氧化物材料的存储技术特别是多比特DRAM技术的发展，提供了新思路。北京超弦存储器研究院副研究员毛淑娟为第一作者。
图1 （a）DRAM 1T1C和2T0C存储单元；（b）AOS能带与输运机制；（c）IGZO单片三维存储；（d）2T0C多比特存储；（e）纳米尺度下氧化物器件性能提升策略。
据该文介绍，非晶氧化物3D DRAM面临着诸多技术挑战。首先，是如何降低金属-非晶氧化物界面接触电阻率。当前，金属-非晶氧化物界面接触电阻率（10-6 - 10-4 Ω·cm2）远高于金属-硅接触（10-9 - 10-8 Ω·cm2），当非晶氧化物器件微缩至纳米尺度，该电阻将限制器件驱动电流的提升。其次，是非晶氧化物晶体管的可靠性。非晶氧化物晶体管的阈值电压对材料中的缺陷密度极度敏感，要解决可靠性问题，就必须找到避免在工艺和使用过程中引入过多缺陷的方法，使器件达到应用需要的使用寿命。由于非晶氧化物的导电机理为氧空位在禁带中的能级， 载流子迁移率直接依赖于氧空位的数量，器件迁移率与可靠性之间存在对冲关系，因此，能否在可接受的稳定性前提下保持足够大的迁移率是非晶氧化物晶体管成败的关键。
文章指出，非晶氧化物DRAM研究虽处于初期阶段，距离商业应用尚有很长的距离，但其展现出的广阔前景十分诱人。如果非晶氧化物材料和器件研究最后能够达到目标，将开启一个3D DRAM技术发展的崭新时代。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwad290
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