電子巨頭低調(diào)發(fā)力，3D DRAM或在未來3年成為主要方向
三星電子半導(dǎo)體研究所副社長兼工藝開發(fā)室負(fù)責(zé)人Lee Jong-myung于3月10日在韓國首爾江南區(qū)三成洞韓國貿(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)的未來增長動力。
考慮到目前DRAM線寬微縮至1nm將面臨的情況，業(yè)界認(rèn)為3~4年后新型DRAM商品化將成為一種必然，而不是一種方向。
與現(xiàn)有的DRAM市場不同，3D DRAM市場上目前還沒有絕對的領(lǐng)導(dǎo)者，因此快速量產(chǎn)才是至關(guān)重要的。隨著ChatGPT等人工智能（AI）應(yīng)用產(chǎn)品的活躍，市場對高性能、大容量存儲半導(dǎo)體的需求將會增加。
01
為什么是3D DRAM？
所謂3D DRAM，是一種打破了當(dāng)前陳舊的范式的，具有新結(jié)構(gòu)的存儲芯片。
如下圖所示，傳統(tǒng)的DRAM 被組織為一組存儲體，其中包括排列成行和列陣列的存儲元件。存儲器陣列以存儲器子陣列的分層結(jié)構(gòu)分組，以實(shí)現(xiàn)高效布線和降低功耗。每個存儲單元都被建模為晶體管電容器對，數(shù)據(jù)作為電荷存儲在電容器中。每個子陣列中的各個單元也被連接到本地字線和本地位線。這個微型一電容一晶體管設(shè)計(jì)使其非常適合將大量存儲單元封裝到小面積中以實(shí)現(xiàn)高密度和高存儲容量。而事實(shí)上，也有數(shù)十億個 DRAM 單元可以被壓縮到一個內(nèi)存芯片上。
然而，在傳統(tǒng)的DRAM制造中，產(chǎn)業(yè)幾乎都是采用電路和存儲器堆疊在同一平面的方法來生產(chǎn)DRAM，芯片制造商通過減小單元尺寸或間距來提高 DRAM 的性能。然而，他們達(dá)到了在有限空間內(nèi)增加cell數(shù)量的物理極限。另一個問題是，如果電容器變得越來越薄，它們可能會崩潰。
所以，和3D NAND Flash一樣往高空發(fā)展的3D DRAM成為了目標(biāo)。
按照semiengineering在一篇報(bào)道中所說，通往 3D 的DRAM有兩條道路，其中最直接的方法是保留當(dāng)前的DRAM 技術(shù)并將多個芯片堆疊在彼此之上。這是用于高帶寬存儲器(HBM)的高級封裝方法。常見的 HBM 芯片為 4 和 8 高，預(yù)計(jì)很快會達(dá)到 16 高。與基本 DRAM 相比，這是一種更昂貴的方法，因?yàn)樵诜庋b中堆疊die需要付出努力，但對于需要大量附近內(nèi)存的應(yīng)用程序（如人工智能），這是值得的。
除了這種方法外，單片堆疊的DRAM則是大家的另一個選擇，相信這也是所有廠商追逐的最終目標(biāo)。作為一種自然延伸，單片堆疊芯片只需少量額外步驟，但是這少量的額外步驟會導(dǎo)致很多困難。而為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，有分析人士認(rèn)為3D DRAM 可以效仿3D NAND Flash，將cell翻轉(zhuǎn)。因?yàn)镈RAM 單元具有較小的 2D 區(qū)域，但具有較大的垂直方向電容器，使其很高且難以分層堆疊。而且，隨著 2D 尺寸越來越小，電容器越來越薄，它必須加長以保持足夠的電荷。
但是，如果將其翻轉(zhuǎn)到一邊并旋轉(zhuǎn) 90 度，則可以使用每層位線的階梯設(shè)計(jì)對單元進(jìn)行分層。這樣，在 DRAM 制造過程中用于制作層的光刻圖案化工藝可用于所有層——所謂的共享圖案化——進(jìn)而簡化了制造工藝。
同時，研究者們也開始探索無電容的3D DRAM，當(dāng)中就包括Dynamic Flash Memory、VLT技術(shù)、Z-RAM和基于IGZO-FET等技術(shù)的方案。但從目前的消息看來，三大存儲巨頭（三星、SK海力士和美光）并沒有披露更多的細(xì)節(jié)。
但毫無疑問，這都是他們前進(jìn)的方向。
02
3D DRAM或在未來3年成為主要方向
自2010年至今，3D DRAM的可能性一直在探索階段，目前已有一些3D DRAM技術(shù)出現(xiàn)在市場上或?qū)嶒?yàn)室中，如HBM、HMC、基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM等。三星、SK海力士對3D DRAM加速商業(yè)化有助于推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。
HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲器）技術(shù)可以說是DRAM從傳統(tǒng)2D向立體3D發(fā)展的主要代表產(chǎn)品，開啟了DRAM 3D化道路。它主要是通過硅通孔（Through Silicon Via, 簡稱“TSV”）技術(shù)進(jìn)行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內(nèi)帶寬的限制，將數(shù)個DRAM裸片垂直堆疊，裸片之間用TVS技術(shù)連接。HBM的優(yōu)點(diǎn)是帶寬高、功耗低、封裝體積小，適合用于高性能計(jì)算、圖形處理等領(lǐng)域。HBM的缺點(diǎn)是成本高、制造復(fù)雜、熱管理困難等。
HMC（混合存儲立方體）是一種將多層DRAM芯片堆疊在一起，并通過TSV和微銅柱連接到一個邏輯層上的技術(shù)。HMC的優(yōu)點(diǎn)是帶寬高、功耗低、可擴(kuò)展性強(qiáng)，適合用于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。HMC的缺點(diǎn)是成本高、兼容性差、供應(yīng)鏈不穩(wěn)定等。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展是以混合內(nèi)存立方體聯(lián)盟(Hybrid Memory Cube Consortium；HMCC)為主導(dǎo)，成員包括主要的內(nèi)存制造商，如美光(Micron)、海力士(SK Hynix)和三星(Samsung)，以及像是Altera、Arm、IBM、微軟(Microsoft)、Open-Silicon和賽靈思(Xilinx)等開發(fā)商。
而讓HMC和HBM高階內(nèi)存得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于采用了TSV，但這一技術(shù)也使得制造成本大幅增加。
基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM是一種利用IGZO（氧化物半導(dǎo)體）材料制作CAA（電容器輔助接入）晶體管，并將其與DRAM芯片堆疊在一起的技術(shù)?；贗GZO的CAA晶體管3D DRAM的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無電容結(jié)構(gòu)，從而提高存儲密度和信噪比，降低漏電和刷新頻率，適合用于移動設(shè)備等領(lǐng)域。基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM的缺點(diǎn)是目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未量產(chǎn)或商用。
根據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)分析公司TechInsights的數(shù)據(jù)，在內(nèi)存半導(dǎo)體市場排名第三的美光公司正在積極準(zhǔn)備藍(lán)海市場，在2022年8月前獲得30多項(xiàng)3D DRAM的專利技術(shù)。與三星電子持有的不到15項(xiàng)DRAM專利和SK海力士持有的約10項(xiàng)專利相比，美光獲得的3D DRAM相關(guān)專利是這兩家韓國芯片制造商的兩到三倍。
美光公司從2019年開始進(jìn)行3D DRAM研究，三星電子在2021年通過在其DS部門內(nèi)建立一個下一代工藝開發(fā)團(tuán)隊(duì)開始研究。
在今年，三星電子和SK海力士將大規(guī)模生產(chǎn)生產(chǎn)線寬為12納米的尖端DRAM。
可見，隨著現(xiàn)在DRAM的小型化已經(jīng)越來越困難，線寬的縮小只能按一納米的情況發(fā)展，新結(jié)構(gòu)的DRAM商業(yè)化發(fā)展將成為必然，從現(xiàn)在起到未來的三到四年內(nèi)，這將成為制造商們發(fā)展的主要方向，而不是一種選擇。
03
巨頭們低調(diào)發(fā)力
在2021年接受semiengineering采訪的時候，三大存儲巨頭都沒有回應(yīng)關(guān)于他們3D DRAM方案的事情。但是Yole在2022年年初曾經(jīng)報(bào)道，三星電子準(zhǔn)備開發(fā)世界上第一個 3D DRAM，并正在加速 3D DRAM 的研發(fā)。
按照Yole的介紹，三星電子已經(jīng)開始開發(fā)一種用于堆疊cell的技術(shù)，一種與高帶寬存儲器 (HBM) 大不相同的堆疊概念。此外，三星電子也在考慮增加DRAM晶體管的柵極（current gate）和溝道（current path）之間的接觸面。這意味著三側(cè)接觸FinFet技術(shù)和四側(cè)接觸環(huán)柵（GAA）技術(shù)可以用于DRAM生產(chǎn)。當(dāng)柵極和溝道之間的接觸面增加時，晶體管可以更精確地控制電流。
在2022年9月接受日本eetimes采訪的時候，美光公司也確認(rèn)正在探索3D DARM的方案。
美光表示，3D DRAM 正在被討論作為繼續(xù)擴(kuò)展 DRAM 的下一步。為了實(shí)現(xiàn) 3D DRAM，整個行業(yè)都在積極研究，從制造設(shè)備的開發(fā)、先進(jìn)的 ALD（原子層沉積）、選擇性氣相沉積、選擇性蝕刻，再到架構(gòu)的討論。
美光同時強(qiáng)調(diào)，3D DRAM目前碰到的主要問題仍然存在于成本和技術(shù)方面。技術(shù)挑戰(zhàn)存在于廣泛的領(lǐng)域，包括設(shè)備和結(jié)構(gòu)、制造工藝、制造設(shè)備、材料和架構(gòu)。“為了從平面DRAM轉(zhuǎn)向3D DRAM，需要所有領(lǐng)域的創(chuàng)新。此外，這種轉(zhuǎn)變需要在成本曲線和性能與 DRAM 縮放路線圖相交的地方實(shí)現(xiàn)?！泵拦夥矫鎻?qiáng)調(diào)。
為此美光坦言，該行業(yè)繼續(xù)擴(kuò)展平面并尋找推進(jìn) DRAM 路線圖的方法。此外，新的內(nèi)存架構(gòu)的開發(fā)也在進(jìn)行中，因此DRAM在系統(tǒng)中的角色正在發(fā)生變化，或許有可能在更長時間內(nèi)維持平面型?！霸谶@一點(diǎn)上，內(nèi)存制造商正在投資（平面和 3D）以預(yù)期拐點(diǎn)以保持 DRAM 的持續(xù)擴(kuò)展，雖然DRAM的每個節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展變得越來越困難，但至少在接下來的幾年里，傳統(tǒng)的擴(kuò)展將繼續(xù)下去?！泵拦夥矫娼又f。
Yole則表示，美光提交了與三星電子不同的 3D DRAM 專利申請。美光的方法是在不放置cell的情況下改變晶體管和電容器的形狀。
至于SK海力士的3D DRAM方案，網(wǎng)上并沒有看到太多介紹。不過Yole強(qiáng)調(diào)，SK海力士正在大力投入其中。除此以外，Applied Materials 和 Lam Research 等全球半導(dǎo)體設(shè)備制造商也開始開發(fā)與 3D DRAM 相關(guān)的解決方案。
具體到三大存儲巨頭在3D DRAM的表示，據(jù)businesskorea引述TechInsights 的數(shù)據(jù)顯示，美光自2019年就已經(jīng)開始了3D DRAM的研究，獲得的專利數(shù)量是這兩家韓國芯片制造商的兩到三倍。
TechInsights進(jìn)一步指出，在內(nèi)存半導(dǎo)體市場排名第三的美光正積極準(zhǔn)備藍(lán)海市場，截止2022 年 8 月將獲得 30 多項(xiàng) 3D DRAM 專利技術(shù)。相比之下，三星的3D DRAM專利不到 15 項(xiàng) ，而SK 海力士持有的大約 10 項(xiàng)專利。
此外，國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)甚至企業(yè)都在投入到3D DRAM的研發(fā)當(dāng)中。中科院微電子所就曾經(jīng)撰文表示，針對平面結(jié)構(gòu)IGZO-DRAM的密度問題，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)（Channel-All-Around, 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。
寫在最后
如前面美光所說，3D DRAM的未來還有很多的不確定性，Yole甚至認(rèn)為這個技術(shù)要到2029或2030年才能到來。
另一個分析機(jī)構(gòu)Techinsights則表示，如果現(xiàn)在的DRAM廠商還保持1T+1C結(jié)構(gòu)的6F2 DRAMcell設(shè)計(jì)，到2027年或2028年亮相的10nm D/R將是最后一代的DRAM新技術(shù)。屆時的DRAM單元縮放將面臨諸如3D DRAM、row hammer scaling (circuit)、低功耗設(shè)計(jì)等挑戰(zhàn) 、刷新時間縮放（ refresh time scaling）和管理、低延遲、新work-function材料、HKMG 晶體管和片上 ECC等工藝技術(shù)的挑戰(zhàn)。
imec則指出，包括電阻式 RAM、磁存儲器（類似 MRAM）、相變存儲器 (PCM) 和鐵電存儲器在內(nèi)的新興存儲器已被研究用于替代經(jīng)典存儲器和存儲解決方案（靜態(tài) RAM (SRAM)、DRAM 和 NAND-Flash），或填補(bǔ)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)中快速且昂貴的 DRAM 與緩慢且廉價的 NAND 之間的空白（所謂的存儲類內(nèi)存）。
“然而，大多數(shù)新興存儲器都難以在市場上得到采用。這導(dǎo)致內(nèi)存公司重新關(guān)注擴(kuò)展動態(tài)內(nèi)存的 DRAM 和存儲的 NAND 閃存——以滿足傳統(tǒng)的密度需求?！眎mec說。
也就是說，對于DRAM廠商來說，探索如何提升密度，會是他們很長一段時間需要努力的方向。
