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中国大陆存储业发展历程

时间:2019-10-10 作者:赵元闯 阅读:
50多年的发展历程,存储市场可谓是腥风血雨,全球存储器玩家由上百家到今天的寡头局面,只剩下东芝、三星、SK海力士、美光、英特尔等五个大人和华邦、华亚、旺宏等几个小孩。而在近三年时间,中国相继攻克了3D NAND Flash和DRAM技术,中国大陆解决了存储器有无的问题;下一步要解决就是良率的提升以及产能爬坡的问题,要注意性能指标和良率的关系;还有就是要解决下一代技术的研发问题。

本文授权转自“芯思想 SEMI-NEWS”xiUEETC-电子工程专辑

本文中的存储器包括DRAM、SRAM、EPROM、Flash和新型存储器(MRAM、PRAM、RRAM)产品。xiUEETC-电子工程专辑

1966年,IBM公司托马斯·沃森研究中心(Thomas Watson Research Center)的研究人员时年34岁的罗伯特·登纳德(Robert Dennard)博士提出了用金属氧化物半导体(MOS)晶体管,来制作存储器芯片的设想,同年研发成功1T/1C结构(一个晶体管加一个电容)的DRAM,并在1968年获得专利。1968年仙童半导体(Fairchild)推出首个DRAM,其字节只有256bit;1969年先进内存系统公司(Advanced Memory System Inc.)正式推出首款1K DRAM;1970年英特尔推出首款可大规模生产的1K DRAM芯片C1103,使得1bit只要1美分,从此开创了DRAM时代。xiUEETC-电子工程专辑

1984年东芝公司工程师舛冈富士雄(Fujio Masuoka)首先提出了快速闪存存储器(Flash Memory)的概念,未得到东芝及日本社会的重视。英特尔看到了快速闪存存储器的潜力,与东芝签订了交叉授权许可协议,改良了舛冈富士雄发明的技术,在1988年成功实现NOR批量生产和低价格;舛冈富士雄在1987年再次提出NAND的概念,仅3年时间就获得成功,1994年东芝将NAND实现产业化。2015年开始从2D NAND进入3D NAND时代。xiUEETC-电子工程专辑

50多年的发展历程,存储市场可谓是腥风血雨,全球存储器玩家由上百家到今天的寡头局面,只剩下东芝、三星、SK海力士、美光、英特尔等五个大人和华邦、华亚、旺宏等几个小孩。xiUEETC-电子工程专辑

2016年是中国大陆存储器产业发展的元年,晋华集成、合肥长鑫和长江存储分别成立于2月26日、6月13日、7月26日,短短5个月,中国大陆三大存储器公司相继成立。xiUEETC-电子工程专辑

而2019年可谓是中国大陆公司全面进军存储器市场的元年。首先是长江存储32层3D NAND Flash进入量产阶段,接着在9月2日宣布64层3D NAND Flash投产;然后是9月20日合肥长鑫宣布中国大陆第一座12英寸DRAM工厂投产,并宣布首个19纳米工艺制造的8Gb DDR4。xiUEETC-电子工程专辑

三年时间,中国相继攻克了3D NAND Flash和DRAM技术,中国大陆解决了存储器有无的问题;下一步要解决就是良率的提升以及产能爬坡的问题,要注意性能指标和良率的关系;还有就是要解决下一代技术的研发问题。xiUEETC-电子工程专辑

下面我们一起来回顾中国大陆存储器产业发展历程。xiUEETC-电子工程专辑

1956年是中国科学技术发展史上的关键一年。1月,中央提出“向科学进军”的口号。在周恩来总理亲自主持制定的1956-1967年十二年科学技术发展远景规划中,把半导体、计算机、自动化和电子学这四个在国际上发展迅速而国内急需发展的高新技术列为四大紧急措施。在“重点发展、迎头赶上”和“以任务带学科”的方针指引下,中国的知识分子、技术人员在海外回国的一批半导体学者带领下,凭藉知识和实验室发展到实验性工厂和生产性工厂,在外界封锁的环境下,从零开始建立起自己的半导体行业。xiUEETC-电子工程专辑

1958年7月,成功拉制成我国第一根硅单晶,并在此基础上,提高材料质量和改进技术工艺,于1959年实现了硅单晶的实用化。xiUEETC-电子工程专辑

1958年8月,为研制高技术专用109计算机,我国第一个半导体器件生产厂成立,命名为“109厂”,作为高技术半导体器件和集成电路研制生产中试厂。1963年制造出国产硅平面型晶体管。1966年109厂与上海光学仪器厂协作,研制成功我国第一台65型接触式光刻机,由上海无线电专用设备厂进行生产并向全国推广。1969年109厂与丹东精密仪器厂协作,研制成功全自动步进重复照相机,套刻精度达3微米,后由北京700厂批量生产并向全国推广。xiUEETC-电子工程专辑

随着研究的深入,我国逐步在外延工艺,光刻技术等领域取得了进展,打下了我国硅集成电路研究的基础。xiUEETC-电子工程专辑

1975年,北京大学物理系半导体研究小组完成硅栅NMOS、硅栅PMOS、铝栅NMOS三种技术方案,在109厂采用硅栅NMOS技术,试制出中国大陆第一块1K DRAM,比美国、日本要晚五年。xiUEETC-电子工程专辑

1978年,中国科学院半导体研究所成功研制4K DRAM,1979年在109厂成功投产,平均成品率达28%。xiUEETC-电子工程专辑

1980年,中国科学院半导体研究所成功研制16K DRAM,1981年在109厂成功投产。xiUEETC-电子工程专辑

1985年,中国科学院微电子中心成功研制64K DRAM,当年在江南无线电器材厂(742厂)成功投产。xiUEETC-电子工程专辑

1990年11月,清华大学李志坚院士研制成功具有我国独立自主版权、在性能指标上达到世界先进水平的1兆位汉字只读存储器(1M ROM)芯片,突破国外对先进科技的禁运,满足国家的战略需求。1兆位汉字只读存储器芯片就是用点阵技术描述一个汉字,再由两个芯片形成一级汉字库,这样会加快运算速度,这个成果后来推广到了无锡华晶。xiUEETC-电子工程专辑

1993年,无锡华晶采用2.5微米工艺制造出中国大陆第一块256K DRAM。xiUEETC-电子工程专辑

在1990年代,NEC在中国大陆成立了两家合资公司生产DRAM。NEC在中国的两大DRAM合资项目最终虽然以失败告终,但是为中国培养了第一批半导体存储器制造人才。xiUEETC-电子工程专辑

1991年,NEC和首钢合资成立了首钢NEC,1995年开始采用6英寸1.2微米工艺生产4M DRAM(后来升级到16M),不过在经历了1997年DRAM全球大跌价的“劫难”后,首钢NEC便一蹶不振,陷入亏损境地,在2000年的增资扩股中,NEC获得了50.3%的控股权,沦为NEC在海外的一个代工基地,退出了DRAM产业。xiUEETC-电子工程专辑

1997年,NEC和华虹集团合资成立华虹NEC,1999年9月开始采用8英寸0.35微米工艺技术生产当时主流的64M DRAM内存芯片,但在2001年后随着NEC退出DRAM市场,华虹开始转型,于2004年开始晶圆代工,退出了DRAM产业。xiUEETC-电子工程专辑

进入21世纪,中芯国际2004年在北京建设中国大陆第一座12英寸晶圆厂(Fab4),2006年大规模量产80纳米工艺,为奇梦达、尔必达代工生产DRAM。2008年由于中芯国际业务调整,退出了DRAM存储器业务。到此中国大陆企业完全退出了DRAM存储器制造业务。xiUEETC-电子工程专辑

2003年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠团队率先在国内开展相变存储器的研发。xiUEETC-电子工程专辑

2004年,中国科学院微电子研究所刘明院士团队率先开展阻变存储器(RRAM)的研究。xiUEETC-电子工程专辑

2006年,海力士与意法半导体合资的8英寸和12英寸产线正式投产DRAM,目前已经成为SK海力士在全球最大的DRAM生产基地。SK海力士无锡基地为中国存储产业培养了一批制造人才。xiUEETC-电子工程专辑

2005年,兆易创新成立,初期以SRAM起家;2008年12月180纳米3.0V SPI NOR Flash量产;2009年11月130纳米3.0V SPI NOR Flash量产;2011年2月90纳米3.0V SPI NOR Flash量产;2011年6月90纳米1.8V SPI NOR Flash量产,进入手机产业链;2013年4月65纳米1.8V SPI NOR Flash量产。兆易创新在NAND方面也早已开始布局,2013年3月全球首颗SPI NAND Flash量产,采用WSON8封装。目前,兆易创新NOR Flash在开发的有55纳米、45纳米,而NAND也在从38纳米推向24纳米。xiUEETC-电子工程专辑

2006年,中国科学院物理研究所韩秀峰研究组完成的“新型磁随机存取存储器(MRAM)原理型器件”通过了中科院的鉴定。xiUEETC-电子工程专辑

2006年,武汉新芯成立,最初决定生产DRAM,孰料工厂还未完工,就遭遇全球DRAM价格崩盘。于是果断转向NOR闪存产品。2008年9月,武汉新芯牵手飞索半导体(Spansion),其后飞索半导体向武汉新芯转移65nm、43nm、32nm相关生产工艺及技术,武汉新芯成为飞索半导体的重要生产基地,为其提供NOR Flash产品代工。xiUEETC-电子工程专辑

2006年,镇江隆智成立,从事NOR闪存立品研发,2012年并入飞索。其团队离开后,成立了众多NOR闪存公司,包括博观、芯泽、恒烁、博雅和豆萁。xiUEETC-电子工程专辑

2009年,浪潮集团收购德国奇梦达西安设计公司成立西安华芯,保住了一个从事DRAM设计十年以上的工程师团队,现在是紫光存储的子公司。该团队拥有从产品立项、指标定义、电路设计、版图设计到硅片、颗粒、内存条测试及售前售后技术支持等全方位技术积累,所开发DRAM产品的工艺技术包括从110nm、90nm、80nm和70nm的沟槽技术到65nm、46nm、45nm、38 nm和25nm的叠层工艺技术,叠层工艺技术均为代工生产。同时公司进行了38 nm和24nm NAND产品开发。xiUEETC-电子工程专辑

2011年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究组研制成功我国第一款具有自主知识产权的相变存储器(PCRAM)芯片,存储容量为8Mb。并实现了相变材料制备工艺与中芯国际标准CMOS工艺的无缝对接,使我国的相变存储器芯片研发条件达到了国际先进水平。xiUEETC-电子工程专辑

2014年,中国科学院微电子研究所刘明院士团队电荷俘获存储器相关技术和专利转移到武汉新芯进行产业化开发。xiUEETC-电子工程专辑

2014年,武汉新芯与赛普拉斯(Cypress)组建了联合研发团队,开始了3D NAND项目的研发工作。2015年5月11日,宣布其3D NAND项目研发取得突破性进展,第一个存储测试芯片通过存储器功能的电学验证。xiUEETC-电子工程专辑

2015年8月,武岳峰创投收购美商存储IC设计公司矽成(ISSI),矽成主要致力于95纳米与65纳米利基型DRAM产品设计与研发,是存储芯片国产替代进程中竞争力较强的企业。即将并入北京君正。xiUEETC-电子工程专辑

2015年底,中芯国际和中国科学院微电子研究所达成合作开发嵌入式RRAM技术战略合作,双方基于中芯国际28纳米PolySiON及高介电常数金属闸极(HKMG)制造平台,合力开发嵌入式RRAM成套工艺以及面向嵌入式应用的系列模型、电路等IP解决方案,以应对物联网、可穿戴设备以及工业电子等日益增长的市场需求。2017年在中芯国际28nm平台上完成了工艺流程的开发与验证,并在此基础上设计实现了规模为1Mb的测试芯片。xiUEETC-电子工程专辑

2016年,武汉新芯和中国科学院微电子研究所联合研发完成测试芯片的设计并顺利实现国内首款具有完整读写功能的大容量产品级三维存储(3D NAND)测试芯片的成功流片,标志着我国首次自主研发的三维存储器芯片原型设计得到成功验证;2017年国内首款具有完整读写功能的大容量产品级三维存储(3D NAND)成功流片并通过测试,芯片性能达到当前业界主流指标。xiUEETC-电子工程专辑

2016年2月26日,晋华集成由福建省电子信息集团、及泉州、晋江两级政府共同出资设立,初期晋华集成与联电开展技术合作,专注于DRAM领域。xiUEETC-电子工程专辑

2016年6月13日,合肥长鑫由合肥产投牵头成立,主攻DRAM方向。xiUEETC-电子工程专辑

2016年7月26日,长江存储成立,首个NAND Flash生产线在武汉建设,一期投资240亿美元,一号厂房于2017年9月封顶。xiUEETC-电子工程专辑

2017年,中国科学院微电子研究所与北京航空航天大学联合成功制备国内首个80纳米自旋转磁随机存储器芯片(STT-MRAM)器件,对我国存储器产业的技术突破形成了具有实际意义的推动作用。xiUEETC-电子工程专辑

2018年,兆易创新和Rambus宣布合作建立合资企业合肥睿科(Reliance Memory),进行RRAM技术的商业化。xiUEETC-电子工程专辑

2018年4月11日,长江存储开始搬入机台设备,在同日举行的“2018供应商大会”上宣布,32层3D NAND芯片已经接获首笔订单,数量达10776颗芯片,将应用在8Gb USD卡上;2018年4季度量产32层3D 64Gb NAND Flash。xiUEETC-电子工程专辑

2018年,合肥长鑫建成中国大陆第一座12英寸DRAM生产厂,7月16日,进行了控片投片总结会,并宣布正式投产电性片。合肥长鑫是我国三大存储器项目第一个宣布投片的项目。xiUEETC-电子工程专辑

2018年8月,长江存储在FMS2018会议上展示了名为Xtacking的3D NAND堆叠技术,使得3D NANDFlash具备I/O高性能以及更高的存储密度。xiUEETC-电子工程专辑

2018年,晋华集成厂房完成建设和部分设备机台入厂,但由于和美光的诉讼,10月遭遇美国制裁,现在处于维持设备运转状态。xiUEETC-电子工程专辑

2019年8月,时代芯存宣布发布首颗基于相变材料的2Mb EEPROM产品“溥元611”。xiUEETC-电子工程专辑

2019年9月2日,长江存储宣布64层256Gb TLC 3D NAND Flash投产。xiUEETC-电子工程专辑

2019年9月20日,合肥长鑫宣布正式投产。在短短的三年内,合肥长鑫在元件、光罩、设计、制造和测试领域都积累了许多的技术和经验。除了自主研发外,合肥长鑫也积极贯彻稳健的技术合作路线,强调技术来源的合法合规以及合作互利共赢。通过与拥有深厚技术积累的奇梦达合作,在合规输入技术的基础上建立了严谨合规的研发体系,并结合当前先进设备完成了大幅度的工艺改进。目前公司采用19纳米的8Gb DDR4已经投产,第四季8Gb LPDDR4/4X也将正式投产。xiUEETC-电子工程专辑

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责编:Amy GuanxiUEETC-电子工程专辑

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