DRAM,走向3D
DRAM,走向3D早前的DRAM可以满足业界需求,但随着摩尔定律推进速度放缓,DRAM技术工艺也逐渐步入了瓶颈期。从技术角度上看,随着晶体管尺寸越来越小,芯片上集成的晶体管就越多,这意味着一片芯片能实现更高的内存容量。目前DRAM芯片工艺已经突破到了10nm级别。虽然10nm还不是DRAM的最后极限,但多年来随着DRAM制程节点不断缩小,工艺完整性、成本、电容器漏电和干扰、传感裕度等方面的挑战愈发明显,要在更小的空间内实现稳定的电荷存储和读写操作变得日益困难。据TechInsights分析,通过增高电容器减小面积以提高位密度(即进一步减小单位存储单元面积)的方法即将变得不可行。上图显示,半导体行业预计能够在单位存储单元面积达到约10.4E-4µm2前(也就是大约2025年)维持2DDRAM架构。之后,空间不足将成为问题,这将提升对垂直架构,也就是3DDRAM的需求。另一方面,随着数据量爆炸性增长,尤其是云计算、人工智能、大数据分析等领域对高速、大容量、低延迟内存的需求持续攀升,市场对更高密度、更低功耗、更大带宽的DRAM产品有着强烈需求。在市场需求和技术创新的驱动下,3DDRAM成为了业界迫切想突破DRAM工艺更高极限的新路径。3DDRAM,迎来新进展传统的内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧的2DDRAM存储相比,3DDRAM是一种将存储单元(Cell)堆叠至逻辑单元上方的新型存储方式,从而可以在单位晶圆面积上实现更高的容量。采用3DDRAM结构可以加宽晶体管之间的间隙,减少漏电流和干扰。3DDRAM技术打破了内存技术的传统范式。这是一种新颖的存储方法,将存储单元堆叠在逻辑单元之上,从而在单位芯片面积内实现更高的容量。3DDRAM的优势不仅在于容量大,其数据访问速度也快。传统的DRAM在读取和写入数据时需要经过复杂的操作流程,而3DDRAM可以直接通过垂直堆叠的存储单元读取和写入数据,极大地提高了访问速度。此外,3DDRAM还具有低功耗、高可靠性等特点,使其在各种应用场景中都具有显著优势。十多年来,业界一直致力于这个方向,特别是受到3DNAND商业和功能成功的推动。迄今为止,许多3DDRAM概念已经提出并申请了专利,一些主要DRAM厂商正在进行晶圆级测试。3DDRAM技术的专利族趋势,2009年-2023年预测走势图能看到,自2019年以来,美国申请的专利数量急剧增加,这或许意味着3DDRAM正在迎来新的进展。行业主要厂商正在逐渐加大对3DDRAM技术的开发投入,并且通过专利保护的方式为未来的市场竞争和技术主导权做准备。这种策略反映出3DDRAM技术的战略重要性和潜在的巨大商业价值。厂商,竞逐3DDRAM三星电子雄心勃勃,加速3DDRAM商业化自2019年以来,三星电子一直在进行3DDRAM的研究,并于同年10月宣布了业界首个12层3D-TSV技术。2021年,三星在其DS部门内建立了下一代工艺开发研究团队,专注3DDRAM领域研究。2022年,三星准备通过逻辑堆叠芯片SAINT-D解决DRAM堆叠问题,该设计旨在将8个HBM3芯片集成在一个巨大的中介层芯片上。图源:三星官网2023年5月,三星电子在其半导体研究中心内组建了一个开发团队,大规模生产4F2结构DRAM。由于DRAM单元尺寸已达到极限,三星想将4F2应用于10nm级工艺或更先进制程的DRAM。据报道,如果三星的4F2DRAM存储单元结构研究成功,在不改变制程的情况下,裸片面积可比现有6F2DRAM存储单元减少约30%。同年10月,三星电子宣布计划在下一代10nm或更低的DRAM中引入新的3D结构,旨在克服3D垂直结构缩小芯片面积的限制并提高性能,将一颗芯片的容量增加100G以上。今年早些时候,三星电子还在美国硅谷开设了一个新的R&D研究实验室,专注于下一代3DDRAM芯片的开发。能看到,三星电子聚焦3DDRAM市场,一直在开发新技术。在近日举行的Memcon2024上,三星电子再次公布了其关于3DDRAM开发的雄心勃勃计划,并明确表示将在2030年前实现这一技术的商业化。图源SemiconductorEngineering三星电子副社长李时宇在会上详细介绍了4F2SquareVCTDRAM及3DDRAM的研发进展,显示出三星在紧凑型高密度内存领域的领先地位。4F2SquareVCTDRAM是一种基于VCT(垂直沟道晶体管)技术的紧凑型DRAM设计。上文提到,4F2SquareVCTDRAM通过垂直堆叠技术,将DRAM单元尺寸比现有的6F2SquareDRAM减少约30%,在提高能效的同时大幅降低了单元面积。然而,实现这一技术并非易事。三星指出,4F2SquareVCTDRAM的开发需要极高的制造精度和更优质的生产材料,还需要解决新材料的应用问题,如氧化沟道材料和铁电体的研发。相较于在DRAM单元结构上向z方向发展的VCTDRAM,三星电子还聚焦在VS-CAT(VerticalStacked-CellArrayTransistor,垂直堆叠单元阵列晶体管)DRAM上,该技术类似3DNAND一样堆叠多层DRAM。除通过堆叠提升容量外,VS-CATDRAM还能降低电流干扰。三星电子预计其将采用存储单元和外围逻辑单元分离的双晶圆结构,因为延续传统的单晶圆设计会带来严重的面积开销。在分别完成存储单元晶圆和逻辑单元晶圆的生产后,需要进行晶圆对晶圆(W2W)混合键合,才能得到VS-CATDRAM成品。据悉,目前三星电子已在内部实现了16层堆叠的VS-CATDRAM。三星电子还在会议上探讨了将BSPDN背面供电技术用于3DDRAM内存的可能性,认为该技术有助于于未来对单个内存bank的精细供电调节。尽管东京电子预测VCTDRAM的商用化要到2027年才能实现,但三星内部对3DDRAM的商业化充满信心,计划在2025年内部发布4F2Square工艺,并逐步推进3DDRAM的研发,预计在2030年之前推出市场。SK海力士:聚焦3DDRAM新一代沟道材料SK海力士也在积极研发3DDRAM。SK海力士表示,3DDRAM可以解决带宽和延迟方面的挑战,并已在2021年开始研究。据韩媒BusinessKorea去年的报道,SK海力士提出了将IGZO作为3DDRAM的新一代沟道材料。IGZO是由铟、镓、氧化锌组成的金属氧化物材料,大致分为非晶质IGZO和晶化IGZO。其中,晶化IGZO是一种物理、化学稳定的材料,在半导体工艺过程中可保持均匀的结构,SK海力士研究的正是这种材料,其最大优势是其低待机功耗,这种特点适合要求长续航时间的DRAM芯晶体管,改善DRAM的刷新特性。据透露,SK海力士将会在今年披露3DDRAM电气特性的相关细节,到时候公司将会明确3DDRAM的发展方向。美光:专利数量遥遥领先3DDRAM领域的技术竞争正在加剧。据TechInsights称,美光在2019年就开始了3DDRAM的研究工作。截止2022年8月,美光已获得了30多项3DDRAM专利。相比之下,美光专利数量是三星和SK海力士这两家韩国芯片制造商的两三倍。在2022年9月接受采访的时候,美光公司确认正在探索3DDARM的方案。美光表示,3DDRAM正在被讨论作为继续扩展DRAM的下一步。为了实现3DDRAM,整个行业都在积极研究,从制造设备的开发、先进的ALD、选择性气相沉积、选择性蚀刻,再到架构的讨论。美光的3DDRAM方案,网上并没有看到太多介绍。不过据Yole强调,美光提交了与三星电子不同的3DDRAM专利申请。美光的方法是在不放置Cell的情况下改变晶体管和电容器的形状。除此以外,AppliedMaterials和LamResearch等全球半导体设备制造商也开始开发与3DDRAM相关的解决方案。NEO:推出3DX-DRAM技术除了存储三巨头之外,还有行业相关公司也在进行3DDRAM的开发。例如,美国存储器技术公司NEOSemiconductor推出了一种名为3DX-DRAM的技术,旨在克服DRAM的容量限制。3DX-DRAM的单元阵列结构类似于3DNANDFlash,采用了FBC(无电容器浮体单元)技术,它可以通过添加层掩模形成垂直结构,从而实现高良率、低成本和显著的密度提升。图源:NE...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433790.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1433790.htm
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