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长鑫DRAM投产,首次公开源自奇梦达的技术细节

时间:2019-09-20 作者:刘于苇 阅读:
长鑫曾表示将在年底生产首颗 8Gb DDR4 芯片,不过9月20日,长鑫宣布12英寸DRAM生产线已经提前投产,据悉投产的DDR4芯片通过了多个国内外大客户验证,今年底会正式交付,这将有助于替代进口DRAM。同时在CFMS2019上,长鑫存储副总裁、未来技术评估实验室负责人平尔萱博士首次公开这家本土DRAM企业的技术细节,以及他们对DRAM技术现状和未来的看法……
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作为此前国产存储器三大探路者之一的长鑫存储(CXMT),在福建晋华被卷入“技术涉美”风波被迫停摆后,曾一度是国内唯一的DRAM自研企业。虽然紫光集团近期也进入DRAM业务,但从进度上看,长鑫仍然是本土的DRAM一哥。

上半年,长鑫曾表示将在年底生产首颗 8Gb DDR4 芯片,这是中国第一颗自主研发的 DRAM 内存芯片,采用国际主流的19nm工艺。不过在今天(9月20日),长鑫宣布12英寸DRAM生产线已经投产,据悉已投产的DDR4芯片通过了多个国内外大客户的验证,今年底会正式交付。同时,供移动终端使用的低功耗产品LPDDR4X也即将正式投产,目前国产品牌手机出货占全球四成以上,这将有助于替代进口DRAM,也标志着我国在DRAM存储芯片领域实现突破。

带着疑问:长鑫技术从哪来?

长鑫存储董事长兼CEO朱一明先生曾在上海举办的GSA MEMORY+峰会上发表《中国存储技术发展与解决方案》主题演讲,指出长鑫的技术源自奇梦达(Qimonda),并结合了长鑫自己的技术。通过与奇梦达合作,将一千多万份有关DRAM的技术文件(约2.8TB数据)收归囊中,目前共有1万6千个专利申请。但随后传出长鑫对部分技术进行更改,排除涉美技术的消息,《电子工程专辑》也特地撰文分析了这件事,但大家对长鑫采用的DRAM技术来源和细节仍十分好奇。

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在日前于深圳举办的中国闪存市场峰会(CFMS2019)上,长鑫存储副总裁、未来技术评估实验室负责人平尔萱博士做了题为《DRAM技术趋势与行业应用》的演讲,首次公开这家本土DRAM企业的技术细节,以及他们对DRAM技术现状和未来的看法。
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长鑫存储副总裁、未来技术评估实验室负责人平尔萱博士

DRAM技术的过去

平尔萱博士表示,“我们现在的信息社会是由大量数据组成的,这些数据通常需要运算才能变成对社会、对人类有用的信息。而支撑数据的就是IC产业和冯诺依曼架构,在这个架构中,数据存储在DRAM中,CPU按照一定的规矩去将里面的数据提取出来然后进行运算,最后在外围设备,比如显示屏上显示出来。”

DRAM是什么?平博士介绍到,DRAM其实是一个基于电容存储电荷原理规则的阵列,通过外围电路管理读写里面存储的数据。现在的DRAM已经能够在一个指甲大小的面积上做到80亿存储单元,按每8个存储单元可以存储一个字母来算,80亿存储单元可以存8亿个字母,这些字母能够在几秒钟之内读写完毕。
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“这让DRAM现在还没有任何东西可以取代,因为DRAM的读取速度是最快的。”平博士说到。

DRAM在60年代被发明出来,70年代开始进入市场,50年来变化很多。随着近些年数据量的增加,CPU的计算能力要加强,存储器的容量和读取速度也需要增强,对DRAM的要求也会提高。早期的DRAM芯片,由于线宽比较大,因此有足够的平面面积可制造出足够的电容值,普遍采用的平面结构。到后面随着线宽的减少,表面积逐渐减少,过往的技术不能满足所需电容值,所以演化出向空间发展争取表面积的结构,分别是向下发展的沟槽式,以及向上发展的堆叠式。
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在前30年,这两个技术并存,但后来堆叠式逐渐成为主流。这是因为“沟槽式架构面临几个技术难点,主要是从面积考虑,沟槽式只限于单面表面积,堆叠式则能用内表面、外表面的双面表面积做电容,沟槽式架构很快就达到了刻蚀深宽比极限,而堆叠式可以做到比他高一倍的电容值。其二是高介质材料的应用受到沟槽式中高温制程的限制。”

揭秘:奇梦达也有堆栈式,只是没来得及用

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当时业界对长鑫技术的疑问,主要在于都认为奇梦达只有沟槽式技术,而长鑫却用的是堆栈式。平博士表示,奇梦达确实提出过“埋入式电栅三极管”( Buried Word Line Transistor)的堆叠式概念,并给整个产业带来巨大贡献。他表示,这个技术同样是利用空间,将三极管的性能提升,这种提升随着线宽的减少越来越被需要,而近代DRAM产品都沿用这个概念。
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2008年,堆叠式技术成为DRAM主流,奇梦达当时基于Buried Word Line的46nm工艺产品已经完成研发,与上一代58nm工艺相比,晶圆数量增加100%。不过2008年的金融危机让DRAM价格断崖式下滑,奇梦达的Buried Word Line技术还没来得及进入量产,就在2009年破产,之后Buried Word Line技术被雪藏。
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看看堆叠式DRAM架构的发展历史以及发展趋势就可以发现,现在DRAM沿用密集排布电容及埋入式字线三极管,当时从30nm工艺开始流行,随后微缩成20nm,一直影响了好几代产品。在这之后DRAM技术有了更多改变,比如说引入HKMG三极管使外围线路功能增加,还比如说引入EUV极紫外光刻机使得微缩可以延续、DRAM信号得到加强。

DRAM 技术一直在往前进

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平博士表示,DRAM 技术一直在往前进,从双重图案对准(SADP)走向四重图案对准(SAQP)技术,从内外双面电容逐渐走到外部的单面积电容,也就是柱状电容。
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此外,先进工艺已经走到 7nm 和 5nm,DRAM 工艺技术也要往下走到 10nm 以下,开发环绕式三节晶体管结构 GAA(Gate-all-around),还有开发新型的存储器技术等,整个来看,未来存储技术还有很多新的变局和成果延伸。

剩下的剧情我们也猜到了,长鑫通过授权获得了奇梦达的Buried Word Line相关技术,借助从全球招揽的人才和先进制造装备,把奇梦达的46nm平稳推进到了10nm。据平博士介绍,公司目前已经开始了HKMG、EUV和GAA等新技术的探索。
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DRAM生产离不开Fab,过去几十年间,全球各大Fab经历了风风雨雨,也包括中国。长鑫从2016年开始选择IDM模式,自己建造工厂、自己开发技术。目前长鑫的一期厂房设计月产能12万片12英寸晶圆,装机月产能2万片,正在评估年底月产能4万片的可行性。

平博士称:“我们已接近世界先进技术,并以赶超他们为目标。”

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本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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