基于IGZO TFT与HZO铁电电容的单片三维集成高密度非易失性SRAM研究

本文创新性地采用单片三维集成（M3D）技术，将氧化铟镓锌（IGZO）薄膜晶体管（TFT）与Hf0.5 Zr0.5 O2 （HZO）铁电电容器（FeCap）垂直堆叠，实现了具有2晶体管（2T）占位面积的非易失性静态随机存储器（nvSRAM）。该器件在0.9V低工作电压下展现出0.28V保持噪声容限（HNM）、0.45V写入噪声容限（WNM）和85℃下105 秒数据保持能力，为后段制程（BEOL）兼容的高密度存储提供了新范式。

　　

M3D集成技术突破SRAM传统局限
静态随机存储器（SRAM）虽具有高速访问和低工作电压优势，但传统6晶体管（6T）结构的固有缺陷——数据易失性和大单元面积制约其发展。研究团队通过单片三维集成（M3D）技术，在后段制程（BEOL）兼容的≤400℃低温工艺下，将IGZO TFT与HZO铁电电容器垂直堆叠，构建出4晶体管-2电容（4T2C）架构的非易失性SRAM（nvSRAM），有效面积较传统6T SRAM缩减67%。

材料创新与器件优化
采用钨（W）电极的7nm HZO铁电电容器展现出45 μC/cm²
的高剩余极化强度（2P_r
），经300℃氧退火后仍保持稳定性能。IGZO TFT通过溅射功率调控和SiO₂
介电层优化，获得15.8 cm²
/Vs饱和迁移率和>10⁸
开关比。三维堆叠的器件经TEM-EDS证实各层界面清晰，元素扩散可忽略。

非易失性功能验证
在0.9V工作电压下，4T2C nvSRAM成功实现数据写入/保持/读取全功能操作。通过铁电电容极化状态存储数据，在85℃老化10⁵
秒后仍能准确召回。独特的"存储-召回"机制使器件在断电时自动保存数据，上电后快速恢复，解决了传统SRAM的易失性问题。

性能参数与设计空间
噪声容限测试显示HNM达0.28V，WNM为0.45V，RNM保持0.26V。仿真分析表明：当FeCap面积<10⁵
nm²
且IGZO迁移率>100 cm²
/Vs时，写入速度可突破10ns；通过调节FeCap与TFT电流平衡（V_FeCap
=V_g
=V_d
=V_dd
）可优化RNM。静态功耗低至3.2fW，较180nm硅基6T SRAM显著降低。

技术前瞻与应用潜力
该研究为CPU缓存、FPGA嵌入式存储等需要高密度非易失存储的场景提供了创新解决方案。未来可通过开发垂直沟道晶体管和三维FeCap进一步突破集成度极限，结合新型氧化物半导体材料提升操作速度，推动"超越摩尔"定律的存储技术发展。