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为什么我们要把DRAM做成3D的?

时间:2017-03-17 作者:Sang-Yun Lee 阅读:
3D Super-DRAM是什么?为何需要这种技术?
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本文作者Sang-Yun Lee为3D Super-DRAM 技术供应商BeSang首席执行官

就算3D NAND的每位成本与平面NAND相比较还不够低,NAND闪存已经成功地由平面转为3D,而DRAM还是维持2D架构;在此同时,DRAM工艺的微缩也变得越来越困难,主要是因为储存电容的深宽比(aspect ratio)随着组件工艺微缩而呈倍数增加。

因此,为了要延长DRAM这种内存的寿命,在短时间内必须要采用3D DRAM解决方案。什么是3D超级DRAM (Super-DRAM)?为何我们需要这种技术?以下请见笔者的解释。

平面DRAM是内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧,3D Super-DRAM则是将内存单元数组堆栈在内存逻辑电路的上方,因此裸晶尺寸会变得比较小,每片晶圆的裸晶产出量也会更多;这意味着3D Super-DRAM的成本可以低于平面DRAM。

20170316 3Dmemory NT03P1
3D Super-DRAM与平面DRAM结构比较

3D Super-DRAM重复使用了运用于平面DRAM的经证实生产流程与组件架构;当我们比较平面与3D两种DRAM,储存电容以及内存逻辑电路应该会是一样的,它们之间的唯一差别是单元晶体管。平面DRAM正常情况下会采用凹型晶体管(recessed transistor),3D Super-DRAM则是利用垂直的环绕闸极晶体管(Surrounding Gate Transistor,SGT)

20170316 3Dmemory NT03P2
3D Super-DRAM架构

平面DRAM最重要也最艰难的挑战,是储存电容的高深宽比。如下图所示,储存电容的深宽比会随着组件工艺微缩而呈倍数增加;换句话说,平面DRAM的工艺微缩会越来越困难。根据我们的了解,DRAM工艺微缩速度已经趋缓,制造成本也飙升,主要就是因为储存电容的微缩问题;这个问题该如何解决?
20170316 3Dmemory NT03P3
平面DRAM储存电容深宽比会随工艺微缩而增加

平面DRAM的储存电容恐怕无法变化或是修改,但是如果使用内存单元3D堆栈技术,除了片晶圆的裸晶产出量可望增加四倍,也能因为可重复使用储存电容,而节省高达数十亿美元的新型储存电容研发成本与风险,并加快产品上市时程。

垂直SGT与凹型晶体管有什么不同?两者都有利于源极(source)与汲极(drain)间距离的微缩,因此将泄漏电流最小化;但垂直SGT能从各种方向控制闸极,因此与凹型晶体管相较,在次临限漏电流(subthreshold)特性的表现上更好。

20170316 3Dmemory NT03P4
垂直SGT与凹型晶体管特性比较

众所周知,绝缘上覆硅(SOI)架构在高温下的接面漏电流只有十分之一;而垂直SGT的一个缺点,是没有逆向偏压(back-bias)特性可以利用。整体看来,垂直SGT与凹型晶体管都能有效将漏电流最小化。

接着是位线寄生效应(parasitics)的比较。平面DRAM的埋入式位线能减少储存电容与位线之间的寄生电容;垂直SGT在最小化寄生电容方面也非常有效,因为位线是在垂直SGT的底部。而因为垂直SGT与埋入式晶体管的位线都是采用金属线,位线的串联电阻能被最小化;总而言之,垂直SGT与凹型晶体管的性能与特征是几乎相同的。
20170316 3Dmemory NT03P5
垂直SGT与凹型晶体管的寄生电容比较

不过垂直SGT与凹型晶体管比起来简单得多,前者只需要两层光罩,节省了3~4层光罩步骤;举例来说,不用源极与汲极光照,也不需要凹型闸极光罩、字符线(word line)光罩,以及埋入式位线光罩。如果你有3D Super-DRAM制造成本高昂的印象,这是不正确的;3D Super-DRAM的工艺与结构,还有组件的功能性与可靠度都已成功验证。
20170316 3Dmemory NT03P6
垂直SGT需要的光罩层数较少

下图是3D Super-DRAM与平面DRAM相较的各种优点摘要:
20170316 3Dmemory NT03P7

编译:Judith Cheng

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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