三星电子和SK海力士的主要半导体高管最近在一些官方活动,如半导体会议上,将3D DRAM作为克服DRAM微处理的物理限制的一种方式。

电子工程专辑讯 近日,据韩国半导体行业的消息人士在3月12日透露,三星电子和SK海力士的主要半导体高管最近在一些官方活动,如半导体会议上,将3D DRAM作为克服DRAM微处理的物理限制的一种方式。

"3D DRAM被认为是半导体行业未来的增长动力,"三星电子半导体研究中心副总裁兼工艺开发办公室主任Lee Jong-myung于3月10日在首尔COEX举行的IEEE EDTM 2023上说。负责SK Hynix未来技术研究所的SK Hynix副总裁Cha Seon-yong也在3月8日说:"到明年左右,关于3D DRAM的电气特性的细节将被揭示,决定其发展方向。"

三星电子和SK海力士正在加快3D DRAM的商业化进程,据说这将改变存储器行业的游戏规则。

3D DRAM是将存储单元(Cell)堆叠至逻辑单元上方以实现在单位晶圆面积上产出上更多的产量,从这方面来说,3D DRAM 可以有效解决平面DRAM最重要也最艰难的挑战,那就是储存电容的高深宽比。

储存电容的深宽比通常会随着组件工艺微缩而呈倍数增加,也就是说,平面DRAM的工艺微缩会越来越困难。3D DRAM可以提高存储密度和性能,同时克服传统DRAM在电路线宽缩小后面临的电容器漏电和干扰等物理限制。3D DRAM还可以减少功耗和成本,提高可靠性和稳定性。

因此,可以认为DRAM从2D架构转向3D架构是未来的主要趋势之一。

因为现有的DRAM产品开发的重点是通过减少电路线宽来提高集成度。线宽是指半导体器件中最小的特征尺寸,通常是晶体管的栅极长度。线宽越小,晶体管越多,集成度越高,功耗越低,速度越快。

但随着线宽进入10纳米范围,电容电流泄漏和干扰等物理限制明显增加。为了防止这种情况,新的材料和设备,如高介电常数(高K)沉积材料和极紫外(EUV)设备被引入。但半导体行业认为,为制造10纳米或更先进的芯片而进行的小型化将给芯片制造商带来巨大挑战。

3D DRAM或在未来3年成为主要方向

自2010年至今,3D DRAM的可能性一直在探索阶段,目前已有一些3D DRAM技术出现在市场上或实验室中,如HBM、HMC、基于IGZO的CAA晶体管3D DRAM等。三星、SK海力士对3D DRAM加速商业化有助于推进该技术的发展。

HBM(High Bandwidth Memory,高带宽存储器)技术可以说是DRAM从传统2D向立体3D发展的主要代表产品,开启了DRAM 3D化道路。它主要是通过硅通孔(Through Silicon Via, 简称“TSV”)技术进行芯片堆叠,以增加吞吐量并克服单一封装内带宽的限制,将数个DRAM裸片垂直堆叠,裸片之间用TVS技术连接。HBM的优点是带宽高、功耗低、封装体积小,适合用于高性能计算、图形处理等领域。HBM的缺点是成本高、制造复杂、热管理困难等。

HMC(混合存储立方体)是一种将多层DRAM芯片堆叠在一起,并通过TSV和微铜柱连接到一个逻辑层上的技术。HMC的优点是带宽高、功耗低、可扩展性强,适合用于服务器、网络等领域。HMC的缺点是成本高、兼容性差、供应链不稳定等。这项技术的发展是以混合内存立方体联盟(Hybrid Memory Cube Consortium;HMCC)为主导,成员包括主要的内存制造商,如美光(Micron)、海力士(SK Hynix)和三星(Samsung),以及像是Altera、Arm、IBM、微软(Microsoft)、Open-Silicon和赛灵思(Xilinx)等开发商。

而让HMC和HBM高阶内存得以实现的关键在于采用了TSV,但这一技术也使得制造成本大幅增加。

基于IGZO的CAA晶体管3D DRAM是一种利用IGZO(氧化物半导体)材料制作CAA(电容器辅助接入)晶体管,并将其与DRAM芯片堆叠在一起的技术。基于IGZO的CAA晶体管3D DRAM的优点是可以实现无电容结构,从而提高存储密度和信噪比,降低漏电和刷新频率,适合用于移动设备等领域。基于IGZO的CAA晶体管3D DRAM的缺点是目前还处于实验阶段,尚未量产或商用。

根据半导体技术分析公司TechInsights的数据,在内存半导体市场排名第三的美光公司正在积极准备蓝海市场,在2022年8月前获得30多项3D DRAM的专利技术。与三星电子持有的不到15项DRAM专利和SK海力士持有的约10项专利相比,美光获得的3D DRAM相关专利是这两家韩国芯片制造商的两到三倍。

美光公司从2019年开始进行3D DRAM研究,三星电子在2021年通过在其DS部门内建立一个下一代工艺开发团队开始研究。

在今年,三星电子和SK海力士将大规模生产生产线宽为12纳米的尖端DRAM。

可见,随着现在DRAM的小型化已经越来越困难,线宽的缩小只能按一纳米的情况发展,新结构的DRAM商业化发展将成为必然,从现在起到未来的三到四年内,这将成为制造商们发展的主要方向,而不是一种选择。

DRAM 市场竞争一直很激烈。三大 DRAM 制造商分别是三星、SK海力士和美光,它们在市场上占据主导地位。然而,与现有的 DRAM 市场不同,3D DRAM 市场目前还没有绝对的领导者。因此快速的大规模生产技术发展是最重要的。此外,还必须及时应对因ChatGPT等人工智能(AI)市场需求增长而导致的对高性能和高容量存储半导体需求的增加。

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