三维单片集成二维晶体管与垂直阻变存储器的高密度存储研究进展

作者及发表信息
本项研究由上海交通大学密西根学院的Maosong Xie、Yueyang Jia、Rui Yang等学者主导，合作单位包括西安交通大学微电子学院、斯坦福大学电气工程系等。研究成果于2023年发表在《Nature Communications》期刊，标题为《Monolithic 3D integration of 2D transistors and vertical RRAMs in 1T–4R structure for high-density memory》。

学术背景
随着云计算、人工智能和边缘计算等数据密集型应用的发展，传统存储架构面临延迟高、能耗大等问题。尽管三维（3D）堆叠技术（如硅通孔TSV）可提升集成密度，但其成本高且可靠性受限。此外，传统CMOS器件横向尺寸微缩放缓，限制了片上存储容量。因此，本研究提出了一种基于二维（2D）半导体材料二硫化钼（MoS₂）晶体管与三维垂直阻变存储器（vertical RRAM, VRRAM）的单片集成方案，旨在实现逻辑层与存储层的细粒度三维集成，降低热预算（thermal budget），提升存储密度与能效。

研究流程与方法

1. 材料制备与器件设计

   • MoS₂生长与转移：通过化学气相沉积（CVD）在850°C下生长单层MoS₂，随后采用150°C低温水辅助转移技术将其转移至预制备的衬底上，避免高温工艺对底层器件的影响。
     
   • VRRAM结构设计：采用钛/铂（Ti/Pt）电极与氧化铪（HfOₓ）阻变层构建3D垂直结构，通过原子层沉积（ALD）实现5 nm HfOₓ的保形覆盖，形成底部两层（L1/L2）和顶部两层（L3/L4）VRRAM。
     

2. 单片集成工艺

   • 低温工艺：所有工艺温度≤300°C，确保顶层器件加工不损伤底层器件性能。
     
   • 中间层晶体管集成：在底部VRRAM上沉积55 nm HfO₂作为栅介质，通过电子束光刻定义MoS₂晶体管的源漏电极（Ti/Au），并利用氧化铝（AlOₓ）作为界面钝化层。
     

3. 电学表征与多态存储验证

   • 阻变特性测试：通过直流I-V扫描和脉冲测试验证四层VRRAM的阻变均匀性，每层器件支持50次稳定开关循环，高阻态（HRS）与低阻态（LRS）的电阻比>10³。
     
   • 多级存储实现：通过调节复位电压或脉冲数量，每层VRRAM可实现4-8个稳定电阻态，结合四层堆叠，单片结构总存储状态达16种。
     

4. 电路级建模与性能评估

   • 器件模型构建：基于HSPICE平台，采用BSIM4模型拟合MoS₂晶体管的I-V特性，结合紧凑型RRAM模型模拟并行编程行为。
     
   • 系统级仿真：使用NVSim工具对比1T–1R（单晶体管单电阻）与1T–nR（单晶体管多电阻）结构的性能。结果显示，1T–4R结构可减少87.3%面积、70.6%读取延迟及72.8%能耗。
     

主要结果
1. 器件性能：四层VRRAM的开关电压（Set/Reset）分布均匀，循环耐久性>10⁶次，85°C下数据保持时间>10⁴秒。
2. 并行编程能力：MoS₂晶体管可驱动最多8层VRRAM并行写入（Set）或9层并行擦除（Reset），通过调节栅压控制电流合规性（compliance current）。
3. 热稳定性验证：拉曼光谱与电学测试证实，顶层器件加工后底层MoS₂晶体管的阈值电压（Vth）与载流子迁移率未发生劣化。

结论与价值
本研究首次实现了2D MoS₂晶体管与3D VRRAM的单片集成，提出了一种低热预算（≤300°C）、高密度的1T–nR存储架构。其科学价值在于：
1. 材料创新：利用2D材料的低温转移特性，突破了传统硅基3D集成的热瓶颈。
2. 架构优势：垂直堆叠的VRRAM单元密度较平面结构提升4-8倍，为存算一体（in-memory computing）提供了硬件基础。
3. 应用潜力：适用于高带宽、低功耗的AI加速器与边缘计算设备，例如可集成于CMOS逻辑层上方，实现异构三维系统。

研究亮点
1. 低温工艺兼容性：全流程≤300°C，支持更多逻辑/存储层的垂直扩展。
2. 多级存储与并行操作：通过电阻态调制与晶体管驱动优化，实现高密度与低能耗的平衡。
3. 跨尺度建模：从器件级电学测试到系统级仿真，完整验证了1T–nR架构的可行性。

其他价值
- 技术普适性：该方案可扩展至其他二维材料（如WS₂）与氧化物阻变体系（如TaOₓ）。
- 工业参考意义：为3D NAND与DRAM的下一代存储技术提供了替代路径。

（注：专业术语如RRAM（阻变存储器）、HSPICE（电路仿真工具）、ALD（原子层沉积）等在首次出现时标注英文原词。）