DRAM 制程難以突破10nm，挑戰(zhàn)越來越大
2019-11-22 13:00:53 EETOP
DRAM用于系統(tǒng)中的主存儲器，當(dāng)今最先進(jìn)的設(shè)備基于大約18nm至15nm的工藝。DRAM的物理極限約為10nm。研發(fā)部門正在努力擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)，并最終以新的存儲類型取代它。
但是，到目前為止，還沒有直接的替代方法。在采用新解決方案之前，供應(yīng)商將繼續(xù)規(guī)模DRAM和擠出更多的性能,盡管目前1 xnm節(jié)點(diǎn)政權(quán)的循序漸進(jìn)的步驟。并且在未來的節(jié)點(diǎn)上，部分但不是全部DRAM制造商將實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)光刻到極紫外（EUV）光刻的重大轉(zhuǎn)變。
無論有無EUV，DRAM供應(yīng)商都面臨更高的成本和其他挑戰(zhàn)。但是，DRAM是系統(tǒng)中存儲/存儲層次結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分。在層次結(jié)構(gòu)的第一層中，SRAM被集成到處理器中以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪問。下一層DRAM用于主存儲器。
DRAM行業(yè)是一個(gè)巨大而艱難的市場。由于市場價(jià)格壓力，DRAM供應(yīng)商正處于低迷之中。然而，OEM仍希望更快的DRAM具有更大的帶寬，以跟上5G和機(jī)器學(xué)習(xí)等新的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的沖擊。
作為響應(yīng)，DRAM供應(yīng)商正在朝著新的更快的帶寬規(guī)范發(fā)展。但是供應(yīng)商不再按照傳統(tǒng)的速度擴(kuò)展或縮小DRAM，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，DRAM的比例大約為30％。實(shí)際上，DRAM縮放正在減慢，這會影響面積密度和成本。在DRAM中，節(jié)點(diǎn)由存儲單元的有源或主體的半節(jié)距來指定。
如今，供應(yīng)商正在以1xnm節(jié)點(diǎn)機(jī)制交付三款先進(jìn)的DRAM產(chǎn)品。這三代DRAM沒有指定數(shù)字節(jié)點(diǎn)。業(yè)界將它們簡稱為1xnm，1ynm和1znm。
然后，在研發(fā)中，供應(yīng)商在路線圖上又?jǐn)U展了三代DRAM，全部都是1xnm節(jié)點(diǎn)制。這些被稱為1anm，1bnm和1cnm。1anm DRAM計(jì)劃于2021年或更早推出。
總而言之，DRAM在擴(kuò)展方面僅取得了適度的增長，并停留在1xnm節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。但是與普遍看法相反，DRAM并沒有失去動力。“我們還沒有做完，我們不認(rèn)為路線圖已經(jīng)完全結(jié)束了。” 美光科技公司DRAM產(chǎn)品工程高級總監(jiān)Debra Bell說。“幾年來我們的視線很清晰，我們還有其他想法。我們正在討論并對此進(jìn)行評估。”
盡管如此，業(yè)界在擴(kuò)展此存儲器方面仍面臨若干挑戰(zhàn)。目前尚不清楚DRAM是否可以擴(kuò)展到10nm以上。盡管如此，在這個(gè)舞臺上仍有大量狂熱的活動:
在研發(fā)中，廠商正在研究將DRAM擴(kuò)展到10nm以上的技術(shù)。此外，DRAM廠應(yīng)商正在開發(fā)幾種可以替代DRAM和閃存的新存儲器。
DRAM前景隨著IC市場的長期不景氣，2019年全球DRAM銷售額預(yù)計(jì)將達(dá)到620億美元，低于2018年的994億美元。根據(jù)VLSI Research的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2019年整個(gè)IC市場將下降12.9％。
但是，現(xiàn)在代工業(yè)務(wù)正在升溫，顯示出復(fù)蘇跡象。IBS首席執(zhí)行官漢德爾·瓊斯（Handel Jones）表示：“在DRAM方面，明年我們會迅速回升。” “正在發(fā)生的是價(jià)格正在穩(wěn)定。”
此外，DRAM在服務(wù)器和智能手機(jī)等系統(tǒng)中繼續(xù)增長。美光公司表示，智能手機(jī)的平均DRAM內(nèi)容將從2018年的3GB增加到2019年的4GB。AI，數(shù)據(jù)和視頻的爆炸式增長推動了這一增長，而AI，數(shù)據(jù)和視頻的爆炸式增長需要更多的內(nèi)存來幫助在系統(tǒng)中存儲和傳輸信息。
同時(shí)，根據(jù)TrendForce的數(shù)據(jù)，在DRAM市場上，三星在2019年第二季度以45.5％的份額領(lǐng)先，緊隨其后的是SK海力士（28.7％）和美光（20.5％）。幾家中國臺灣DRAM供應(yīng)商所占份額很小。
在2019年，中國的DRAM供應(yīng)商將進(jìn)入市場，但一段時(shí)間內(nèi)不會成為一個(gè)因素。中國內(nèi)地供應(yīng)商長鑫存儲技術(shù)有限公司將在年底前量產(chǎn)DRAM。另一個(gè)公司清華紫光集團(tuán)也正在積極開展DRAM業(yè)務(wù)。
但是，DRAM是系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。DRAM既快速又便宜，但也有一些缺點(diǎn)。DRAM和SRAM是易失性存儲技術(shù)，這意味著在系統(tǒng)電源關(guān)閉時(shí)它們會丟失數(shù)據(jù)。相比之下，閃存是非易失性的，這意味著在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)它會保留數(shù)據(jù)。
DRAM本身基于一個(gè)晶體管，一個(gè)電容器（1T1C）存儲單元架構(gòu)。數(shù)據(jù)作為電荷存儲在電容器中，該電容器被指定為“ 0”或“ 1”。晶體管控制對數(shù)據(jù)的訪問。
DRAM的微小電容設(shè)計(jì)使其非常適合將眾多存儲單元封裝到很小的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)高密度和高存儲容量。實(shí)際上，數(shù)十億個(gè)DRAM單元可以被壓縮到單個(gè)存儲芯片上，” Lam Research的高級技術(shù)總監(jiān)Alex Yoon解釋說。
DRAM單元以固定方式組織。這些單元成排排列，并具有位線結(jié)構(gòu)，該位線結(jié)構(gòu)連接到稱為字線的存儲地址中。該地址提供了一種識別數(shù)據(jù)存儲位置的方法，字線形成了一條電氣路徑，使該行上的所有存儲單元都可以同時(shí)被激活以進(jìn)行存儲（寫）或檢索（讀）。”
圖1：單個(gè)存儲單元和陣列。
但是，隨著時(shí)間的流逝，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電容器將泄漏或放電。因此，電容器中存儲的數(shù)據(jù)必須每64毫秒刷新一次，這會消耗系統(tǒng)功耗。
在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上縮放或縮小DRAM單元也變得越來越困難。Applied Materials存儲器技術(shù)董事總經(jīng)理Gill Lee 在博客中說：“有了DRAM，幾何橫向縮放仍在繼續(xù)，但是它正在放緩，并且如3D NAND一樣，需要進(jìn)一步的材料創(chuàng)新。”
電容器的縮放是一個(gè)障礙，長寬比是一個(gè)挑戰(zhàn)。DRAM的另一個(gè)關(guān)鍵的擴(kuò)展挑戰(zhàn)是電容到數(shù)字線的電荷共享。這是你的計(jì)時(shí)規(guī)格的組合，你需要多少時(shí)間將電荷移到數(shù)字線上，然后你可以使數(shù)字線上多長。所有這些因素都影響到了規(guī)模化，以及規(guī)模化帶來的挑戰(zhàn)。
DRAM基于堆疊式電容器架構(gòu)，其中電容器被連接并駐留在凹陷的溝道陣列晶體管結(jié)構(gòu)上。
電容器是垂直的圓柱狀結(jié)構(gòu)。在圓柱體內(nèi)部，電容器結(jié)合了金屬-絕緣體-金屬（MIM）材料疊層。該絕緣體基于二氧化鋯高k材料，從而使該結(jié)構(gòu)可在低泄漏時(shí)保持其電容。
在DRAM制造流程中，首先制造晶體管，然后制造電容器。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，目標(biāo)是保持或增加圓柱形電容器內(nèi)部的體積。但是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，電容器都會收縮，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的體積減小。這等于存儲電容器中的單元電容較小。
在20nm工藝下，該行業(yè)在電容器規(guī)模化方面遇到了障礙。作為回應(yīng)，三星開發(fā)了一種新的20納米蜂窩電容單元布局技術(shù)。
傳統(tǒng)上，微小的圓形電容器單元并排放置在結(jié)構(gòu)的表面上。相比之下，三星將表面的電容單元交錯(cuò)排列，類似于蜂窩狀布局。這樣就可以使用直徑更大的更高電容器。使用相同的介電材料，蜂窩結(jié)構(gòu)的單元電容比以前的版本大21％。
擴(kuò)展DRAM
利用晶圓廠中的這些技術(shù)和其他技術(shù)，三星，美光和SK海力士擴(kuò)展了DRAM，并超越了20nm。
這并不容易。例如，將電容器孔排列整齊是一個(gè)挑戰(zhàn)。在高縱橫比下蝕刻電容器也很困難。“ALD和干蝕刻都很困難，”TechInsights分析師鄭東哲(Jeongdong Choe)說。“但是非常薄和均勻的高k介電沉積在按比例縮小的DRAM單元陣列上變得越來越重要。”
從2016年開始，供應(yīng)商開始采用1xnm節(jié)點(diǎn)制，其中供應(yīng)商在路線圖中擁有三種DRAM產(chǎn)品（1xnm，1ynm和1znm）。最初，將1xnm節(jié)點(diǎn)定義為具有17nm至19nm的DRAM，1ynm是14nm至16nm，1znm是11nm至13nm。
今天，一些供應(yīng)商已經(jīng)放寬了擴(kuò)展規(guī)格，在市場上造成了一些混亂。有些DRAM符合這些規(guī)格，而另一些則不符合。最重要的是，DRAM單元大小略有不同，大約為6F2。單元格大小等于特征(F)的大小乘以4的平方。
總的來說，供應(yīng)商們正在以增量的方式向1xnm節(jié)點(diǎn)體系下移動，有時(shí)是一納米一納米的前進(jìn)。即便如此，供應(yīng)商仍能在一定程度上減小晶片尺寸。
2016年，三星發(fā)布了業(yè)界首個(gè)1xnm DRAM，即18nm器件。8Gbit器件比2xnm器件快30％，功耗更低。它還包含DDR4接口標(biāo)準(zhǔn)。雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）技術(shù)在設(shè)備的每個(gè)時(shí)鐘周期兩次傳輸數(shù)據(jù)。DDR4的最高運(yùn)行速度為3200Mbps。
如今，與此同時(shí)，DRAM供應(yīng)商正在向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)1ynm擴(kuò)展設(shè)備。通常基于15納米及以上工藝的1納米DRAM將占今年出貨量的大部分。
SK Hynix最近推出了16Gbit 1ynm DRAM，其密度是先前8Gbit版本的兩倍。該設(shè)備還采用了新的DDR5接口標(biāo)準(zhǔn)。
最初，DDR5支持5200Mbps，比DDR4快60％。DDR5最高可支持6,400Mbps。
其他公司也正在發(fā)售DDR5 DRAM。移動版本稱為LPDDR5。DDR4仍然是主流技術(shù)，盡管出于多種原因需要DDR5 / LPDDR5。
多年來，處理器供應(yīng)商已轉(zhuǎn)向多核CPU體系結(jié)構(gòu)。但是，每個(gè)單元內(nèi)存帶寬幾乎沒有跟上。
OEM希望DRAM具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。這就是DDR5的合適地方。“在這里，您可以獲得帶寬和容量。我們希望能夠通過CPU內(nèi)核進(jìn)行擴(kuò)展。考慮一下CPU內(nèi)核數(shù)。在過去十年中，它已經(jīng)上漲了約8倍。顯然，內(nèi)存必須緊跟潮流，才能跟上整體計(jì)算性能的步伐。”三星銷售與營銷高級副總裁Jim Elliott在最近的一次演講中表示。
同時(shí)，下一個(gè)戰(zhàn)場發(fā)生在下一個(gè)節(jié)點(diǎn)-1znm。美光是第一家出貨1znm DRAM的供應(yīng)商，其次是三星和SK Hynix。這些設(shè)備基于DDR4或DDR5規(guī)范。
每個(gè)供應(yīng)商都聲稱在1znm具有領(lǐng)導(dǎo)地位。但并非所有部分都一樣，并且縮放規(guī)格也有所不同。
除了1znm之外，供應(yīng)商在路線圖上還擁有三層以上規(guī)模的DRAM（1anm，1bnm和1cnm）。供應(yīng)商尚未透露這些零件的細(xì)節(jié)，這些零件仍處于1xnm節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。
供應(yīng)商在1anm至更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)工藝采取了不同的途徑。在那些節(jié)點(diǎn)處，特征較小，且具有更多的遮罩層。為了簡化過程，DRAM行業(yè)首次將EUV投入生產(chǎn)。
例如，SK Hynix計(jì)劃在1anm使用EUV，該技術(shù)將于2021年面世。“三星在1z完成了對DRAM的EUV測試。但是，他們不會將EUV用于1z量產(chǎn)。相反，他們也許可以將其用于1a或1b批量產(chǎn)品。” TechInsights的Choe說。
EUV光刻機(jī)使用13.5nm波長，EUV是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，比投入生產(chǎn)所需的時(shí)間更長。
不過，最近，三星和臺積電已經(jīng)在7nm邏輯節(jié)點(diǎn)上投入了EUV的生產(chǎn)，而R＆D則為5nm。DRAM是EUV的下一個(gè)產(chǎn)品。“使用EUV，您可以獲得更好的保真度。這些掩模層堆疊得越多，得到的圖像就越模糊。” VLSI Research首席執(zhí)行官Dan Hutcheson說道。
但是，并非所有人都轉(zhuǎn)向EUV。在先進(jìn)的DRAM節(jié)點(diǎn)上，美光計(jì)劃將193nm浸沒式光刻和SADP擴(kuò)展到1bnm。
這不是什么大驚喜。美光以盡可能延長給定的光刻技術(shù)而聞名。VLSI的Hutcheson說：“他們已經(jīng)學(xué)會了如何極其節(jié)儉地使用工具，以及如何從中獲得更多的生命。” “他們推動自己比任何人都更加努力。”
擴(kuò)展DRAM將需要超過EUV。今天的1T1C DRAM可能會再延長幾年，但可能會在12nm到10nm的范圍內(nèi)耗盡。
因此，業(yè)界正在尋找以4F2單元尺寸將DRAM擴(kuò)展到10nm以上的方法。TechInsights的Choe說：“垂直門以及無電容器的1T DRAM單元是4F2的候選產(chǎn)品。”
DRAM的替代品
同時(shí)，多年來，業(yè)界一直在開發(fā)幾種可以替代DRAM和閃存的下一代存儲器類型。
如今，供應(yīng)商正在發(fā)售相變存儲器（PCM），ReRAM和STT-MRAM。其他內(nèi)存技術(shù)也在研發(fā)中。
下一代存儲器具有快速，非易失性和無限的耐用性。但是這些新存儲器還依賴于奇特的材料和復(fù)雜的轉(zhuǎn)換機(jī)制，因此它們需要花費(fèi)更長的時(shí)間來開發(fā)。另外，新的內(nèi)存類型更昂貴。
每個(gè)新的內(nèi)存類型都不同。PCM以非晶相和結(jié)晶相存儲信息。STT-MRAM利用電子自旋的磁性。ReRAM通過改變材料的電阻來工作。
如今，PCM和STT-MRAM設(shè)備用于SSD的某些部分。在系統(tǒng)的某些但并非全部部分中，它們代替了DRAM。因此，可以肯定地說它們并沒有完全取代DRAM。
UMC產(chǎn)品營銷總監(jiān)David Hideo Uriu表示：“目前，我們看不到任何可以直接替代DRAM的下一代存儲器。” “我們確實(shí)看到通過使用MRAM替代SRAM 。但是對于持久替換DRAM的目標(biāo)，我們只能看到“混合緩存” DRAM / MRAM組件。”
結(jié)論
可以肯定的是，下一代內(nèi)存類型很有希望。但是這些產(chǎn)品仍處于早期階段。
在此之前，DRAM仍然存在并且運(yùn)轉(zhuǎn)良好，并且至少在可預(yù)見的將來，它可能還會存在。但是究竟有多久仍是一個(gè)未知數(shù)。
DRAM制造商正在進(jìn)入下一階段的擴(kuò)展，但是隨著存儲技術(shù)接近其物理極限，他們面臨著一些挑戰(zhàn)。
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