文章摘要
【关 键 词】 单片3D集成、内存计算、IGZO材料、器件优化、低功耗设计
单片3D集成技术因其在内存计算应用和提升电路密度方面的潜力而受到关注。内存计算架构通过减少数据在内存与逻辑组件间的移动来降低机器学习任务的能耗。在传统架构中，高密度、高带宽的内存靠近逻辑电路也能提高计算速度并降低电阻损耗。
然而，将器件集成到CMOS电路上层面临诸多限制，尤其是后端制程（BEOL）温度需控制在400°C以下以避免铜扩散。铟基氧化物半导体材料，如氧化铟镓锌（IGZO），因其满足这一温度要求且具备良好的电路性能而成为研究重点。IGZO具有宽带隙、极低漏电和高迁移率，但导通电流不足的问题仍待解决。
优化IGZO器件的关键在于减少界面散射和控制源漏电阻。原子层沉积（ALD）技术与3D集成尺寸兼容，提供了更大的成分灵活性。例如，普渡大学研究人员通过超循环制造的IGZO器件实现了优异的亚阈值摆幅和开/关电流比。三星研究人员通过调整In:Ga:Zn比例，实现了超过22 μA/μm的导通电流。
IGZO器件性能还受底部氧化物中氢浓度的影响。氢迁移到沟道中会导致金属-氧键断裂，减少底部氧化物中的氢可降低沟道中的氢，使阈值电压向正方向移动。此外，IGZO与器件触点之间的夹层也至关重要，需避免触点金属氧化以降低器件电阻。
氧化物半导体的工艺挑战之一是氧含量的控制。IGZO中的氧空位可能导致阈值电压不稳定。新加坡国立大学研究人员通过在IGZO通道顶部放置氧化铟锡（ITO）覆盖层，使用锡满足悬空氧键，改善了阈值电压、迁移率和亚阈值摆幅。
IGZO适用于多种器件结构，如堆叠纳米片器件和垂直集成晶体管。清华大学研究人员展示了具有C形垂直通道的器件，采用类似3D NAND的集成方案制造。三星研究人员实现了1T1C垂直IGZO DRAM单元，通过测量不同条件下的传输曲线，提取了源极和漏极电阻的单独值。
对于机器学习应用，imec研究人员演示了2T1C单元，其中一个晶体管将值写入存储电容器，该值作为第二个读取晶体管的栅极电压。此外，极低漏电流的IGZO晶体管可用于无电容器2T0C设计，其中读取晶体管的栅极电容器用作存储元件。
总之，IGZO晶体管在内存计算、低功耗设计等领域具有应用潜力。通过优化器件结构和工艺，有望进一步提升IGZO晶体管的性能，推动单片3D集成技术的发展。
原文和模型
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【原文作者】 半导体行业观察
【摘要模型】 moonshot-v1-32k
【摘要评分】 ★★★★☆
