《電子技術(shù)應(yīng)用》
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DRAM技術(shù)受阻,如何走出瓶頸,?

2021-10-25
來源:Ai芯天下
關(guān)鍵詞: DRAM 三星 SK海力士 美光

前言:

DRAM誕生至今,,行業(yè)已經(jīng)擁有3家1X節(jié)點(diǎn)的制造商,其存儲(chǔ)容量超過4Gb,,他們?nèi)栽谥圃炀哂邢嗤渲玫拇鎯?chǔ)單元,。

三星SK海力士,、美光在2016-2017年進(jìn)入1Xnm(16nm-19nm)階段,,2018-2019年為1Ynm(14nm-16nm),,2020年處于1Znm(12nm-14nm)時(shí)代。

DRAM技術(shù)受阻

每個(gè)新的DRAM技術(shù)節(jié)點(diǎn)都能生產(chǎn)出比其前一代更小,、更緊湊的芯片,,使得每個(gè)晶片能夠集成更多的芯片,抵消了引入新技術(shù)所增加的制造成本,。

從技術(shù)和性能角度來看,,DRAM面臨的主要是帶寬和延遲方面的挑戰(zhàn)。

由于受限于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系的馮-諾依曼架構(gòu),,存儲(chǔ)器帶寬與計(jì)算需求之間的存儲(chǔ)墻問題日益突出,。

新技術(shù)1:3D DRAM

隨著DRAM擴(kuò)展速度放緩,圖案化成本的增加以及可能達(dá)到的物理極限,,使得在二維上進(jìn)行縮放更具挑戰(zhàn)性,。

①對(duì)于堆疊的物體,關(guān)鍵是構(gòu)建一個(gè)好的電容器,,同時(shí)最大限度地減少對(duì)相鄰位單元的干擾,。

②堆疊層將出現(xiàn)在生產(chǎn)線后端 (BEOL),而生產(chǎn)線的后端需要在低溫下處理,,這具有較大挑戰(zhàn)性,。

③由于電流電容太深,堆疊多層是不切實(shí)際的,,這意味著需要一個(gè)新的位單元進(jìn)行堆疊,,但無電容器位單元同樣很難構(gòu)建。

新技術(shù)2:晶圓減薄工藝

晶圓減薄工藝和混合鍵合技術(shù)的結(jié)合為DRAM開辟了新的可能性,。

晶圓減薄工藝有利于后續(xù)封裝工藝的要求以及芯片的物理強(qiáng)度,,散熱性和尺寸要求。

薄晶圓的生產(chǎn)和混合鍵合將大大降低TSV阻抗,,它還會(huì)增加數(shù)據(jù)帶寬,,降低熱阻,最終增加互連密度,。

如果使用這種技術(shù),,將不會(huì)看到HBM結(jié)構(gòu)中芯片之間的導(dǎo)電凸塊,并且存儲(chǔ)器芯片的厚度將薄十倍,,這將導(dǎo)致堆疊高度的整體降低,。

新技術(shù)3:混合鍵合技術(shù)

與現(xiàn)有的堆疊和鍵合方法相比,混合鍵合可以提供更高的帶寬和更低的功耗,,但該技術(shù)也更難實(shí)現(xiàn),。

混合鍵合技術(shù)對(duì)分離過程中可能出現(xiàn)的芯片邊緣缺陷很敏感,這導(dǎo)致在晶圓切割過程后需要進(jìn)行新的檢查,,DRAM制造商要求在后端封裝領(lǐng)域進(jìn)行亞微米缺陷檢測(cè),,這在原來是前所未有的,。

缺陷控制至關(guān)重要,考慮到這些工藝使用已知的昂貴優(yōu)良裸片,,失敗成本很高,。

目前混合鍵合技術(shù)正在發(fā)展,Global Foundry,、英特爾,、三星、臺(tái)積電,、聯(lián)電以及Imec和Leti等廠商都在致力于銅混合鍵合封裝技術(shù)的研發(fā),。

目前還沒有一種新方法可以真正取代DRAM。

美光成批量出貨1α DRAM產(chǎn)品的廠商

近年來,,在原廠之間的技術(shù)角逐之中,,美光可謂成績(jī)亮眼,無論在DRAM還是NAND領(lǐng)域都可謂“一馬當(dāng)先”,,不僅率先批量生產(chǎn)176層3D NAND Flash,,也是第一個(gè)宣布批量出貨1α DRAM產(chǎn)品的廠商。

另外,,在DRAM領(lǐng)域,,美光更是三家內(nèi)存原廠中唯一在1α制程中沒有導(dǎo)入EUV工藝的廠商。

美光最新1α制程產(chǎn)品擁有0.315Gb/mm?的存儲(chǔ)密度,,half pitch為14.3nm,,超越了三星1z制程工藝0.299 Gb/mm?的存儲(chǔ)密度,是當(dāng)前業(yè)內(nèi)存儲(chǔ)密度最高的產(chǎn)品,。

近十年中,,DRAM芯片中也使用了High-K工藝,使得DRAM性能提升的同時(shí)降低功耗,。

隨著數(shù)據(jù)量增加以及對(duì)器件性能要求的提升,,在實(shí)現(xiàn)1α以下DRAM技術(shù)的發(fā)展過程中將面臨許多挑戰(zhàn)。

DRAM制造進(jìn)入EUV新時(shí)代

隨著產(chǎn)品的技術(shù)更新,,半導(dǎo)體行業(yè)開始將代表著技術(shù)革新工藝節(jié)點(diǎn)的每一代產(chǎn)品用標(biāo)注英文字母的方式命名,。

在進(jìn)入20nm節(jié)點(diǎn)以后,通過三代工藝去制造DRAM,,這就是1Xnm,,1Ynm和1Znm。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,,目前全球DRAM的市場(chǎng)份額主要控制在三星,、SK海力士和美光手中。

參考2020年Q3的市場(chǎng)份額占比,,三星占據(jù)41.3%,,SK海力士占28.2%,美光占25%,。

三家合計(jì)占了全行業(yè)近95%的市場(chǎng)份額,。

如今,SK海力士已經(jīng)成為全球第二家采用EUV光刻技術(shù)量產(chǎn)LPDDR產(chǎn)品的公司,,未來1a納米級(jí)DRAM都將采用EUV工藝進(jìn)行生產(chǎn),。

10納米級(jí)DRAM是今年1月,由美光首次出貨的,,這給市場(chǎng)帶來了不小的震動(dòng),。

不過,美光將使用現(xiàn)有的氟化氬(ArF)工藝而不是EUV來生產(chǎn)該產(chǎn)品,。

與EUV工藝相比,,現(xiàn)有的Arf工藝對(duì)于器件的高效率、以及超小型化會(huì)產(chǎn)生不利的影響,。

不過,,過去多年稍顯保守的美光也宣布,將在2024年生產(chǎn)基于EUV的DRAM,。

至此,,三大DRAM大廠都跨入了EUV時(shí)代。

EUV技術(shù)也面臨不少問題

EUV技術(shù)在DRAM中的應(yīng)用讓增加傳輸速率的同時(shí)減少了20%的功耗,,這將減少二氧化碳的排放,,有利于踐行綠色發(fā)展觀。

然而,,EUV設(shè)備和所需的基礎(chǔ)設(shè)施是昂貴的,。此外,芯片公司在首次采用該技術(shù)時(shí)可能面臨產(chǎn)量問題,。

EUV的一個(gè)主要問題是狹窄的工藝窗口,;此外,當(dāng)今的電容器間距極限大于40nm,,這也是當(dāng)前電容器圖案化的EUV極限,。將來將需要更小的間距,并且工藝可變性需要提高30%以上,,才能實(shí)現(xiàn)縮放,。

EUV不足夠解決DRAM的微縮問題,這可能需要在3至5年后,,引入一種新的DRAM架構(gòu),。

當(dāng)中涉及的一個(gè)有趣的選擇是3D化,那就是將電容器從垂直結(jié)構(gòu)變?yōu)槎询B的水平結(jié)構(gòu),。

為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo),,供應(yīng)商在 1anm 及以后采用不同的路徑,。在這些節(jié)點(diǎn)上,特征更小,,掩膜層更多,。

結(jié)尾:

目前,10nm進(jìn)入第四階段,,三星已于2020年上半年完成首批1anm制程DRAM的出貨,,2021年美光、SK海力士也開始量產(chǎn)第四代10nm級(jí)DRAM產(chǎn)品,。

后續(xù),,行業(yè)廠商將朝著1α、1β,、1γ等技術(shù)新階段發(fā)展,。

部分資料參考:半導(dǎo)體行業(yè)觀察:《DRAM如何走出技術(shù)困局?》,,閃存市場(chǎng):《美光:下一代DRAM技術(shù)面臨哪些困境,?》,半導(dǎo)體設(shè)備與材料:《DRAM技術(shù)的未來發(fā)展路徑》《DRAM,,進(jìn)入EUV時(shí)代,!》電子產(chǎn)品世界:《EUV技術(shù)開啟DRAM市場(chǎng)新賽程》,手機(jī)中國:《SK海力士:采用EUV技術(shù)的第四代10nmDRAM正式量產(chǎn)》

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