3D DRAM是什么?它將如何顛覆DRAM原有結(jié)構(gòu)?J8Resmc
摩爾定律放緩,DRAM工藝將重構(gòu)J8Resmc
1966年的秋天,跨國(guó)公司IBM研究中心的Robert H. Dennard發(fā)明了動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM),而在不久的將來(lái),這份偉大的成就為半導(dǎo)體行業(yè)締造了一個(gè)影響巨大且市場(chǎng)規(guī)模超千億美元的產(chǎn)業(yè)帝國(guó)。J8Resmc
DRAM的誕生為PC端、移動(dòng)端、服務(wù)器端等需要處理大容量數(shù)據(jù)的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ),包括個(gè)人電腦(1981年由IBM研發(fā))、智能手機(jī)、商用服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等應(yīng)用領(lǐng)域。從2000年之后,個(gè)人電腦、智能手機(jī)等應(yīng)用的爆發(fā)式增長(zhǎng),使DRAM在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器市場(chǎng)中占據(jù)著舉足輕重的地位。J8Resmc
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的成長(zhǎng),DRAM早已成為半導(dǎo)體主流存儲(chǔ)器之一,并成為了目前最常見(jiàn)的內(nèi)存產(chǎn)品,還形成了由三星、SK海力士、美光等三大巨頭為主導(dǎo)的市場(chǎng)格局。J8Resmc
從本質(zhì)上講,DRAM是一種易失性的、基于電容的、破壞性讀取形式的存儲(chǔ)器。DRAM的存儲(chǔ)單元是由一個(gè)用于存儲(chǔ)電荷的電容器和一個(gè)用于訪(fǎng)問(wèn)電容器的晶體管組成,由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔,因此可以實(shí)現(xiàn)極高的集成密度。J8Resmc
DRAM可存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù),能在處理數(shù)據(jù)的同時(shí)自行刷新和刪除數(shù)據(jù),相比于SRAM,DRAM的成本更低,存儲(chǔ)器密度更高。但DRAM也有一些缺點(diǎn),比如讀寫(xiě)速度比SRAM慢,耗電量也較大。并且在現(xiàn)實(shí)中,晶體管會(huì)有漏電電流的現(xiàn)象,這導(dǎo)致電容上所存儲(chǔ)的電荷數(shù)量并不足以正確地判別數(shù)據(jù),而導(dǎo)致數(shù)據(jù)毀損,所以在DRAM工作時(shí),需要定時(shí)刷新電路,克服電容漏電問(wèn)題。J8Resmc
數(shù)十年來(lái),摩爾定律一直是業(yè)界崇尚的黃金法則,也一直是半導(dǎo)體性能和成本的驅(qū)動(dòng)因素。早前的DRAM可以滿(mǎn)足業(yè)界需求,但隨著摩爾定律推進(jìn)速度放緩,DRAM工藝也步入了技術(shù)瓶頸期。J8Resmc
從技術(shù)進(jìn)度上看,目前DRAM芯片工藝已經(jīng)突破到了10nm級(jí)別。2022年11月中旬,美光已實(shí)現(xiàn)1β DRAM(第五代10nm級(jí)別DRAM)量產(chǎn),據(jù)悉,該公司正在對(duì)下一代1γ(gamma)工藝進(jìn)行初步的研發(fā)設(shè)計(jì)。而三星的技術(shù)路線(xiàn)圖預(yù)計(jì),2023年進(jìn)入1b nm(第五代10nm級(jí)別DRAM)工藝階段。針對(duì)DRAM芯片,隨著晶體管尺寸越來(lái)越小,芯片上集中的晶體管就越多,這意味著一片芯片能實(shí)現(xiàn)更高的內(nèi)存容量。J8Resmc
雖然10nm還不是DRAM的最后極限,但多年來(lái)DRAM的擴(kuò)展速度明顯放緩,新的DRAM節(jié)點(diǎn)也只是縮小一小部分,3D DRAM順勢(shì)成為了存儲(chǔ)廠(chǎng)商迫切想突破DRAM工藝更高極限的新路徑。J8Resmc
平面升立體,3D DRAM跳出原框架J8Resmc
由上文可知,DRAM工藝突破放緩的原因主要在于存儲(chǔ)單元的簡(jiǎn)潔結(jié)構(gòu)——由一個(gè)用于存儲(chǔ)電荷的電容器和一個(gè)用于訪(fǎng)問(wèn)電容器的晶體管組成。業(yè)界的思路也就是顛覆這種結(jié)構(gòu),并輔以特殊的材料,從而走向創(chuàng)新。J8Resmc
便于增強(qiáng)我們理解這種創(chuàng)新方式的,便是能與DRAM相媲美的存儲(chǔ)器技術(shù)NAND Flash,后者早已抵達(dá)3D世界,并且如今還跨至4D空間。J8Resmc
當(dāng)前對(duì)于克服DRAM物理局限性有著一定的緊迫性。此前,業(yè)界一直在嘗試減小電路線(xiàn)寬,來(lái)提高DRAM芯片的密度。通常來(lái)說(shuō),線(xiàn)寬越小,晶體管越多,集成度越高,功耗越低,速度越快。J8Resmc
此方法的確是達(dá)到了效果,但隨著線(xiàn)寬進(jìn)入10nm范圍,電容器漏電和干擾等物理限制的問(wèn)題卻明顯增加。為了補(bǔ)救這種情況,業(yè)界還引入了high-k材料和極紫外(EUV)設(shè)備等新材料和新設(shè)備。但顯然,在制造10nm或更先進(jìn)的小型芯片中,現(xiàn)有的這些技術(shù)讓芯片制造商顯得心有余而力不足。J8Resmc
在大環(huán)境需求和供給的沖突逼迫下,讓DRAM平面2D升至3D逐漸成為了業(yè)界追求技術(shù)突破的共識(shí)。J8Resmc
所謂3D DRAM,其實(shí)是一種將存儲(chǔ)單元(Cell)堆疊至邏輯單元上方的新型存儲(chǔ)方式,從而可以在單位晶圓面積上實(shí)現(xiàn)更高的容量。J8Resmc
針對(duì)3D DRAM的構(gòu)想,BeSang公司曾經(jīng)向外公布了3D Super-DRAM技術(shù)方案。據(jù)官網(wǎng)介紹,平面DRAM是內(nèi)存單元數(shù)組與內(nèi)存邏輯電路分占兩側(cè),3D DRAM則是將內(nèi)存單元數(shù)組堆棧在內(nèi)存邏輯電路的上方,因此裸晶尺寸會(huì)變得比較小,每片晶圓的裸晶產(chǎn)出量也會(huì)更多。J8Resmc
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△圖片來(lái)源:BeSangJ8Resmc
而平面DRAM的工藝微縮會(huì)越來(lái)越困難,其中的關(guān)鍵要素是儲(chǔ)存電容的高深寬比。通常來(lái)說(shuō),儲(chǔ)存電容的高深寬比會(huì)隨著組件工藝微縮而呈現(xiàn)倍數(shù)增加。所以從原理上看,3D DRAM可以有效解決平面DRAM當(dāng)前的困境。J8Resmc
而令業(yè)界關(guān)心的成本問(wèn)題,3D DRAM使用的3D堆棧技術(shù)將實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用儲(chǔ)存電容,可有效降低單位成本。未來(lái),DRAM從傳統(tǒng)2D發(fā)展至3D立體,將是大勢(shì)所趨,這對(duì)于存儲(chǔ)器市場(chǎng)來(lái)說(shuō),也將迎來(lái)一種擁有全新結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)芯片。J8Resmc
未來(lái)增長(zhǎng)動(dòng)力,大廠(chǎng)在蓄力3D DRAMJ8Resmc
新技術(shù)發(fā)展前期,大都是艱難而緩慢的,然而這并不能阻擋企業(yè)追逐創(chuàng)新技術(shù)的步伐。在技術(shù)布局方面,美光早已開(kāi)始部署3D DRAM的研發(fā),是目前3D DRAM專(zhuān)利數(shù)較多的。J8Resmc
而三星于2021年在其DS部門(mén)內(nèi)建立了下一代工藝開(kāi)發(fā)研究團(tuán)隊(duì),開(kāi)始研究。在2022年SAFE論壇上,三星列出了Samsung Foundry 的整體3DIC歷程,并表示將準(zhǔn)備用一種邏輯堆棧芯片SAINT-D,來(lái)處理DRAM堆疊問(wèn)題,其設(shè)計(jì)目的是想將八個(gè)HBM3芯片集成到一個(gè)巨大的中介層芯片上。近期,三星高管表示正在加速3D DRAM的商業(yè)化。不過(guò),目前上述企業(yè)都沒(méi)有披露該技術(shù)的更多信息。J8Resmc
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△圖片來(lái)源:三星官網(wǎng)J8Resmc
通往3D DRAM道路的技術(shù)中,這里要特別提到的是HBM(High Bandwidth Memory,高帶寬存儲(chǔ)器)和無(wú)電容式IGZO(indium-gallium-zinc-oxide)技術(shù)。J8Resmc
HBM方面,2014年,AMD、SK海力士共同開(kāi)發(fā)出HBM技術(shù),該技術(shù)使用TSV(Through Silicon Via,硅穿孔)技術(shù)將數(shù)個(gè)DRAM芯片堆疊起來(lái),大幅提高了容量和數(shù)據(jù)傳輸速率,自此便開(kāi)啟了DRAM 3D化發(fā)展道路。J8Resmc
后期在三星、美光、NVIDIA、Synopsys等企業(yè)的加速競(jìng)賽下,HBM內(nèi)存技術(shù)已從HBM、HBM2、HBM2E升級(jí)至HBM3標(biāo)準(zhǔn)(第四代HBM)。J8Resmc
TrendForce集邦咨詢(xún)認(rèn)為,AI需求持續(xù)帶動(dòng)HBM存儲(chǔ)器成長(zhǎng),并預(yù)估2023~2025年HBM市場(chǎng)年復(fù)合成長(zhǎng)率有望成長(zhǎng)至40~45%以上。J8Resmc
IGZO方面,2004年,IGZO氧化物被東京工業(yè)大學(xué)的細(xì)野教授發(fā)現(xiàn)并發(fā)表在《自然》雜志上。在2020 IEDM(International ElectronDevices Meeting)上,美國(guó)和比利時(shí)的獨(dú)立研究小組IMEC展示了無(wú)電容器DRAM。J8Resmc
據(jù)當(dāng)時(shí)消息顯示,這款DRAM具有兩個(gè)IGZO-TFTs,沒(méi)有存儲(chǔ)電容,這種2T0C(2 Transistor -0 Capacitor) DRAM架構(gòu)有望克服經(jīng)典1T1C DRAM密度縮放的關(guān)鍵障礙,即小單元中Si晶體管的大截止電流尺寸,以及存儲(chǔ)電容器消耗的大面積。在2021 IEDM上,IMEC再次展示了無(wú)電容DRAM,在第一次的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),保留率和耐久性都有了提高。J8Resmc
同時(shí),據(jù)中科院微電子研究所的官網(wǎng)信息顯示,在2021 IEDM上,中科院微電子研究所李泠研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華為/海思團(tuán)隊(duì)首次提出了新型CAA。該結(jié)構(gòu)有效減小了器件面積,且支持多層堆疊,通過(guò)將上下兩個(gè)CAA器件直接相連,每個(gè)存儲(chǔ)單元的尺寸可減小至4F2,使IGZO-DRAM擁有了密度優(yōu)勢(shì)。J8Resmc
2022年,華為與中科院微電子研究所聯(lián)合提出基于基于銦鎵鋅氧IGZO-FET(由In、Ga、Zn、O組成的透明氧化物)的CAA(Channel-All-Around)構(gòu)型晶體管3D DRAM技術(shù),此成果有望克服傳統(tǒng)1T1C結(jié)構(gòu)DRAM的微縮挑戰(zhàn)。J8Resmc
2023年1月,針對(duì)平面結(jié)構(gòu)IGZO-DRAM的密度問(wèn)題,中科院微電子所微電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士團(tuán)隊(duì)在垂直環(huán)形溝道結(jié)構(gòu)(CAA)IGZO FET的基礎(chǔ)上,研究了第二層器件堆疊前層間介質(zhì)層工藝的影響,驗(yàn)證了CAA IGZO FET在2T0C DARM應(yīng)用中的可靠性。該研究成果有助于推動(dòng)實(shí)現(xiàn)4F2 IGZO 2T0C-DRAM單元。J8Resmc
業(yè)界認(rèn)為,HBM的出現(xiàn)開(kāi)啟了DRAM 3D化發(fā)展道路,無(wú)電容IGZO-DRAM也成為了實(shí)現(xiàn)高密度3D DRAM的合適候選者。但很多技術(shù)現(xiàn)還在探索中,最終能否使DRAM實(shí)現(xiàn)3D堆疊,開(kāi)始新的技術(shù)方向,還暫未可知。J8Resmc
不過(guò),從工藝上看,三星當(dāng)前量產(chǎn)的最尖端DRAM線(xiàn)寬為12nm工藝,美光已經(jīng)量產(chǎn)了10nm DRAM芯片??紤]到目前DRAM線(xiàn)寬微縮至10nm將面臨的情況,業(yè)界認(rèn)為3~4年后新型DRAM商業(yè)化將成為一種必然,而不是一種方向。J8Resmc
從應(yīng)用領(lǐng)域上看,近年來(lái),雖然消費(fèi)終端市場(chǎng)的蕭條讓存儲(chǔ)器市場(chǎng)步入冬季,但汽車(chē)電子、AI服務(wù)器等其他領(lǐng)域?qū)Υ鎯?chǔ)器的需求仍然不缺。而針對(duì)新型DRAM的未來(lái),三星電子半導(dǎo)體研究所副社長(zhǎng)兼工藝開(kāi)發(fā)室負(fù)責(zé)人Lee Jong-myung于3月10日在韓國(guó)首爾江南區(qū)三成洞韓國(guó)貿(mào)易中心舉行的“IEEE EDTM 2023”上表示,3D DRAM被認(rèn)為是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來(lái)增長(zhǎng)動(dòng)力。J8Resmc
目前3D DRAM的市場(chǎng)格局暫不清晰??傮w而言,對(duì)DRAM芯片來(lái)說(shuō),3D DRAM將是一個(gè)新的起點(diǎn),對(duì)存儲(chǔ)商來(lái)說(shuō),這是一次可以搶占下一個(gè)戰(zhàn)略高地的機(jī)會(huì)。J8Resmc
責(zé)編:Elaine