分析丨DRAM技術(shù)受阻，如何走出瓶頸？

從DRAM誕生至今，行業(yè)已經(jīng)擁有3家1X節(jié)點的制造商，其存儲容量超過4Gb，他們?nèi)栽谥圃炀哂邢嗤渲玫拇鎯卧?/p>

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)時代。

 
DRAM技術(shù)受阻

每個新的DRAM技術(shù)節(jié)點都能生產(chǎn)出比其前一代更小、更緊湊的芯片，使得每個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)計算機(jī)體系的馮-諾依曼架構(gòu)，存儲器帶寬與計算需求之間的存儲墻問題日益突出。

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對于堆疊的物體，關(guān)鍵是構(gòu)建一個好的電容器，同時最大限度地減少對相鄰位單元的干擾。

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，堆疊多層是不切實際的，這意味著需要一個新的位單元進(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)，將不會看到HBM結(jié)構(gòu)中芯片之間的導(dǎo)電凸塊，并且存儲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)也更難實現(xiàn)。

混合鍵合技術(shù)對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，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/mm²的存儲密度，half pitch為14.3nm，超越了三星1z制程工藝0.299 Gb/mm²的存儲密度，是當(dāng)前業(yè)內(nèi)存儲密度最高的產(chǎn)品。

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

隨著數(shù)據(jù)量增加以及對器件性能要求的提升，在實現(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)點以后，通過三代工藝去制造DRAM，這就是1Xnm，1Ynm和1Znm。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前全球DRAM的市場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%。三家合計占了全行業(yè)近95%的市場份額。

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DRAM都將采用EUV工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

10納米級DRAM是今年1月，由美光首次出貨的，這給市場帶來了不小的震動。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工藝對于器件的高效率、以及超小型化會產(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)時可能面臨產(chǎn)量問題。

EUV的一個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。

作者 | 方文

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：《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時代！》

電子產(chǎn)品世界：《EUV技術(shù)開啟DRAM市場新賽程》

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)》