Исследовательские группы во всем мире ведут активные работы по поиску альтернатив классической DRAM-ячейке, развитие которой все сильнее ограничивается физическими и технологическими барьерами. Одной из наиболее перспективных концепций считается безконденсаторная DRAM-ячейка архитектуры 2T0C (2 транзистора, без конденсатора), способная обеспечить дальнейшее масштабирование плотности памяти и создать основу для монолитной 3D DRAM.

Ограничения традиционной DRAM

Классическая DRAM-ячейка строится на архитектуре 1T1C и занимает площадь порядка 6F², где F — минимальный технологический размер. Хранение информации осуществляется за счет заряда в отдельном конденсаторе, размещение которого становится все более сложным по мере уменьшения геометрических размеров.

Дополнительной проблемой является трудность вертикального масштабирования: формирование высокоаспектных конденсаторов усложняет производство и ограничивает возможности многослойной интеграции.

Архитектура 2T0C и площадь 4F²

В архитектуре 2T0C отдельный накопительный конденсатор отсутствует. Хранение данных осуществляется за счет паразитной емкости и зарядовых эффектов в транзисторных структурах.

Типовая ячейка состоит из двух транзисторов — одного для записи и одного для чтения — что позволяет реализовать ячейку площадью порядка 4F², то есть примерно в 1,5 раза меньше, чем у традиционной 6F² 1T1C-ячейки.

Такое сокращение площади достигается благодаря применению вертикально-канальных транзисторов и компоновок с двойным затвором (dual-gate), где элементы могут размещаться друг над другом, формируя компактную объемную структуру.

Роль оксидных полупроводников (IGZO)

Ключевым элементом современных 2T0C-реализаций является использование тонкопленочных транзисторов на основе оксида индия-галлия-цинка (IGZO). По сравнению с кремнием IGZO обладает существенно меньшим током утечки, что критически важно для безконденсаторных DRAM-ячеек. Низкая утечка позволяет удерживать заряд в ячейке в течение сотен секунд, даже при повышенных температурах (до 85 °C).

Дополнительным преимуществом IGZO является возможность формирования транзисторов при относительно низких температурах, что делает такие структуры совместимыми с BEOL-процессами и, следовательно, пригодными для наращивания слоев памяти поверх логических схем.

,

изображение - Институт микроэлектроники Китайской академии наук. Показана схема и картинка массива памяти 4F² 2T0C, полученная на электронном микроскопе

Экспериментальные результаты и прототипы

На уровне исследовательских прототипов продемонстрированы следующие характеристики:

• Площадь ячейки: порядка 4F²
• Архитектура: вертикальные IGZO-транзисторы с двойным затвором
• Тип ячейки: 2T0C
• Многоуровневое хранение (MLC): до 4 бит информации в одной ячейке
• Время записи: десятки наносекунд (порядка 50 нс)
• Удержание данных: сотни секунд при температуре до 85 °C

В ряде работ применяются самовыравнивающиеся технологические подходы, включая процессы формирования металлических электродов с in-situ окислением, что позволяет повысить повторяемость параметров и уменьшить вариабельность ячеек.

Монолитная 3D DRAM как ключевое преимущество

Основным стратегическим преимуществом 2T0C-архитектуры является возможность создания монолитной 3D DRAM, в которой слои памяти формируются непосредственно на одном кристалле, без склеивания готовых чипов, как это делается в современных HBM-решениях. Такой подход потенциально снижает энергопотребление, увеличивает пропускную способность и упрощает интеграцию функций «обработки в памяти» (Processing-in-Memory, PiM).

Участники исследований и промышленный контекст

Значительный вклад в развитие данной технологии внесли международные исследовательские центры, включая imec (Бельгия), а также научные группы в Китае — в частности, Институт микроэлектроники Китайской академии наук (IME CAS) в сотрудничестве с рядом университетов и профильных академий. Эти работы демонстрируют жизнеспособность вертикальных 4F² 2T0C-ячеек, однако пока остаются на уровне лабораторных и предсерийных прототипов.

Крупные производители памяти — Samsung, SK hynix и другие — также исследуют пути перехода к ячейкам меньшей площади и 3D-архитектурам, включая использование оксидных каналов. Однако коммерческих продуктов DRAM на основе IGZO-2T0C на сегодняшний день не анонсировано.

💎 Перспективы развития

В краткосрочной перспективе наиболее вероятным сценарием остается внедрение 4F²-архитектур с сохранением конденсатора (2T1C) в традиционных DRAM-чипах. Безконденсаторные 2T0C-ячейки рассматриваются как следующий этап эволюции, реализация которого потребует дополнительных лет исследований, отработки технологических процессов и подтверждения надежности на промышленных объемах.

Таким образом, 2T0C-DRAM с вертикальными IGZO-транзисторами сегодня представляет собой одну из наиболее перспективных, но все еще исследовательских технологий, способных в будущем радикально изменить подход к масштабированию и трехмерной интеграции.

--

За новостями наземного и спутникового телекома удобно следить в телеграм-канале abloud62. Региональные новости телекома, новости искусственного интеллекта и ЦОД вы найдете в канале abloudRealTime, новости микроэлектроники можно найти в моем канале RUSmicro, также подключайтесь к каналу Бойко про телеком ВКонтакте

теги: горизонты технологий микроэлектроники память техпроцессы IGZO 4F² 2T0C 3D DRAM

--