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DRAM 制程難以突破10nm,挑戰越來越大

2019-11-22 13:00:53 來源:EETOP
DRAM制造商正進入下一個擴展階段,但隨著內存技術接近物理極限,他們面臨著一些挑戰。

DRAM用于系統中的主存儲器,當今最先進的設備基于大約18nm至15nm的工藝。DRAM的物理極限約為10nm。研發部門正在努力擴展這項技術,并最終以新的存儲類型取代它。

但是,到目前為止,還沒有直接的替代方法。在采用新解決方案之前,供應商將繼續規模DRAM和擠出更多的性能,盡管目前1 xnm節點政權的循序漸進的步驟。并且在未來的節點上,部分但不是全部DRAM制造商將實現從傳統光刻到極紫外(EUV)光刻的重大轉變。

無論有無EUV,DRAM供應商都面臨更高的成本和其他挑戰。但是,DRAM是系統中存儲/存儲層次結構的關鍵部分。在層次結構的第一層中,SRAM被集成到處理器中以實現快速數據訪問。下一層DRAM用于主存儲器。

DRAM行業是一個巨大而艱難的市場。由于市場價格壓力,DRAM供應商正處于低迷之中。然而,OEM仍希望更快的DRAM具有更大的帶寬,以跟上5G和機器學習等新的數據密集型應用的沖擊。

作為響應,DRAM供應商正在朝著新的更快的帶寬規范發展。但是供應商不再按照傳統的速度擴展或縮小DRAM,在每個節點上,DRAM的比例大約為30%。實際上,DRAM縮放正在減慢,這會影響面積密度和成本。在DRAM中,節點由存儲單元的有源或主體的半節距來指定。

如今,供應商正在以1xnm節點機制交付三款先進的DRAM產品。這三代DRAM沒有指定數字節點。業界將它們簡稱為1xnm,1ynm和1znm。

然后,在研發中,供應商在路線圖上又擴展了三代DRAM,全部都是1xnm節點制。這些被稱為1anm,1bnm和1cnm。1anm DRAM計劃于2021年或更早推出。

總而言之,DRAM在擴展方面僅取得了適度的增長,并停留在1xnm節點狀態。但是與普遍看法相反,DRAM并沒有失去動力。“我們還沒有做完,我們不認為路線圖已經完全結束了。” 美光科技公司DRAM產品工程高級總監Debra Bell說。“幾年來我們的視線很清晰,我們還有其他想法。我們正在討論并對此進行評估。”

盡管如此,業界在擴展此存儲器方面仍面臨若干挑戰。目前尚不清楚DRAM是否可以擴展到10nm以上。盡管如此,在這個舞臺上仍有大量狂熱的活動:

  • 來自中國的DRAM供應商將在今年進入市場。
  • 供應商正在交付具有下一個接口規格的DDR5 DRAM,稱為DDR5,它可以加快設備中的數據傳輸速率。
  • 在未來的DRAM節點上,三星和SK海力士計劃采用EUV進行DRAM生產。但是,美光科技計劃在先進的DRAM節點上擴展當今先進的光刻技術。
  • 在研發中,廠商正在研究將DRAM擴展到10nm以上的技術。此外,DRAM廠應商正在開發幾種可以替代DRAM和閃存的新存儲器。

DRAM前景隨著IC市場的長期不景氣,2019年全球DRAM銷售額預計將達到620億美元,低于2018年的994億美元。根據VLSI Research的數據,預計2019年整個IC市場將下降12.9%。

但是,現在代工業務正在升溫,顯示出復蘇跡象。IBS首席執行官漢德爾·瓊斯(Handel Jones)表示:“在DRAM方面,明年我們會迅速回升。” “正在發生的是價格正在穩定。”

此外,DRAM在服務器和智能手機等系統中繼續增長。美光公司表示,智能手機的平均DRAM內容將從2018年的3GB增加到2019年的4GB。AI,數據和視頻的爆炸式增長推動了這一增長,而AI,數據和視頻的爆炸式增長需要更多的內存來幫助在系統中存儲和傳輸信息。

同時,根據TrendForce的數據,在DRAM市場上,三星在2019年第二季度以45.5%的份額領先,緊隨其后的是SK海力士(28.7%)和美光(20.5%)。幾家中國臺灣DRAM供應商所占份額很小。

在2019年,中國的DRAM供應商將進入市場,但一段時間內不會成為一個因素。中國內地供應商長鑫存儲技術有限公司將在年底前量產DRAM。另一個公司清華紫光集團也正在積極開展DRAM業務。

但是,DRAM是系統中的關鍵器件。DRAM既快速又便宜,但也有一些缺點。DRAM和SRAM是易失性存儲技術,這意味著在系統電源關閉時它們會丟失數據。相比之下,閃存是非易失性的,這意味著在系統關閉時它會保留數據。

DRAM本身基于一個晶體管,一個電容器(1T1C)存儲單元架構。數據作為電荷存儲在電容器中,該電容器被指定為“ 0”或“ 1”。晶體管控制對數據的訪問。

DRAM的微小電容設計使其非常適合將眾多存儲單元封裝到很小的區域,以實現高密度和高存儲容量。實際上,數十億個DRAM單元可以被壓縮到單個存儲芯片上,” Lam Research的高級技術總監Alex Yoon解釋說。

DRAM單元以固定方式組織。這些單元成排排列,并具有位線結構,該位線結構連接到稱為字線的存儲地址中。該地址提供了一種識別數據存儲位置的方法,字線形成了一條電氣路徑,使該行上的所有存儲單元都可以同時被激活以進行存儲(寫)或檢索(讀)。” 

圖1:單個存儲單元和陣列。

但是,隨著時間的流逝,當晶體管關閉時,電容器將泄漏或放電。因此,電容器中存儲的數據必須每64毫秒刷新一次,這會消耗系統功耗。

在每個節點上縮放或縮小DRAM單元也變得越來越困難。Applied Materials存儲器技術董事總經理Gill Lee 在博客中說:“有了DRAM,幾何橫向縮放仍在繼續,但是它正在放緩,并且如3D NAND一樣,需要進一步的材料創新。”

電容器的縮放是一個障礙,長寬比是一個挑戰。DRAM的另一個關鍵的擴展挑戰是電容到數字線的電荷共享。這是你的計時規格的組合,你需要多少時間將電荷移到數字線上,然后你可以使數字線上多長。所有這些因素都影響到了規模化,以及規模化帶來的挑戰。

DRAM基于堆疊式電容器架構,其中電容器被連接并駐留在凹陷的溝道陣列晶體管結構上。

電容器是垂直的圓柱狀結構。在圓柱體內部,電容器結合了金屬-絕緣體-金屬(MIM)材料疊層。該絕緣體基于二氧化鋯高k材料,從而使該結構可在低泄漏時保持其電容。

在DRAM制造流程中,首先制造晶體管,然后制造電容器。在每個節點處,目標是保持或增加圓柱形電容器內部的體積。但是在每個節點處,電容器都會收縮,這可能導致結構內部的體積減小。這等于存儲電容器中的單元電容較小。

在20nm工藝下,該行業在電容器規模化方面遇到了障礙。作為回應,三星開發了一種新的20納米蜂窩電容單元布局技術。

傳統上,微小的圓形電容器單元并排放置在結構的表面上。相比之下,三星將表面的電容單元交錯排列,類似于蜂窩狀布局。這樣就可以使用直徑更大的更高電容器。使用相同的介電材料,蜂窩結構的單元電容比以前的版本大21%。

為了在工廠中制造這些結構,三星使用了193nm浸沒式光刻和自對準雙圖案(SADP)工藝。先在表面上構圖出孔,然后再蝕刻。重復該過程。沉積金屬,然后使用原子層沉積(ALD)沉積高k材料。

擴展DRAM

利用晶圓廠中的這些技術和其他技術,三星,美光和SK海力士擴展了DRAM,并超越了20nm。

這并不容易。例如,將電容器孔排列整齊是一個挑戰。在高縱橫比下蝕刻電容器也很困難。“ALD和干蝕刻都很困難,”TechInsights分析師鄭東哲(Jeongdong Choe)說。“但是非常薄和均勻的高k介電沉積在按比例縮小的DRAM單元陣列上變得越來越重要。”

從2016年開始,供應商開始采用1xnm節點制,其中供應商在路線圖中擁有三種DRAM產品(1xnm,1ynm和1znm)。最初,將1xnm節點定義為具有17nm至19nm的DRAM,1ynm是14nm至16nm,1znm是11nm至13nm。

今天,一些供應商已經放寬了擴展規格,在市場上造成了一些混亂。有些DRAM符合這些規格,而另一些則不符合。最重要的是,DRAM單元大小略有不同,大約為6F2。單元格大小等于特征(F)的大小乘以4的平方。

總的來說,供應商們正在以增量的方式向1xnm節點體系下移動,有時是一納米一納米的前進。即便如此,供應商仍能在一定程度上減小晶片尺寸。

2016年,三星發布了業界首個1xnm DRAM,即18nm器件。8Gbit器件比2xnm器件快30%,功耗更低。它還包含DDR4接口標準。雙倍數據速率(DDR)技術在設備的每個時鐘周期兩次傳輸數據。DDR4的最高運行速度為3200Mbps。

如今,與此同時,DRAM供應商正在向下一個節點1ynm擴展設備。通常基于15納米及以上工藝的1納米DRAM將占今年出貨量的大部分。

SK Hynix最近推出了16Gbit 1ynm DRAM,其密度是先前8Gbit版本的兩倍。該設備還采用了新的DDR5接口標準。

最初,DDR5支持5200Mbps,比DDR4快60%。DDR5最高可支持6,400Mbps。

其他公司也正在發售DDR5 DRAM。移動版本稱為LPDDR5。DDR4仍然是主流技術,盡管出于多種原因需要DDR5 / LPDDR5。

多年來,處理器供應商已轉向多核CPU體系結構。但是,每個單元內存帶寬幾乎沒有跟上。

OEM希望DRAM具有更快的數據傳輸速率。這就是DDR5的合適地方。“在這里,您可以獲得帶寬和容量。我們希望能夠通過CPU內核進行擴展。考慮一下CPU內核數。在過去十年中,它已經上漲了約8倍。顯然,內存必須緊跟潮流,才能跟上整體計算性能的步伐。”三星銷售與營銷高級副總裁Jim Elliott在最近的一次演講中表示。

同時,下一個戰場發生在下一個節點-1znm。美光是第一家出貨1znm DRAM的供應商,其次是三星和SK Hynix。這些設備基于DDR4或DDR5規范。

每個供應商都聲稱在1znm具有領導地位。但并非所有部分都一樣,并且縮放規格也有所不同。

除了1znm之外,供應商在路線圖上還擁有三層以上規模的DRAM(1anm,1bnm和1cnm)。供應商尚未透露這些零件的細節,這些零件仍處于1xnm節點狀態。

供應商在1anm至更遠的節點工藝采取了不同的途徑。在那些節點處,特征較小,且具有更多的遮罩層。為了簡化過程,DRAM行業首次將EUV投入生產。

例如,SK Hynix計劃在1anm使用EUV,該技術將于2021年面世。“三星在1z完成了對DRAM的EUV測試。但是,他們不會將EUV用于1z量產。相反,他們也許可以將其用于1a或1b批量產品。” TechInsights的Choe說。

EUV光刻機使用13.5nm波長,EUV是一項復雜的技術,比投入生產所需的時間更長。

不過,最近,三星和臺積電已經在7nm邏輯節點上投入了EUV的生產,而R&D則為5nm。DRAM是EUV的下一個產品。“使用EUV,您可以獲得更好的保真度。這些掩模層堆疊得越多,得到的圖像就越模糊。” VLSI Research首席執行官Dan Hutcheson說道。

但是,并非所有人都轉向EUV。在先進的DRAM節點上,美光計劃將193nm浸沒式光刻和SADP擴展到1bnm。

這不是什么大驚喜。美光以盡可能延長給定的光刻技術而聞名。VLSI的Hutcheson說:“他們已經學會了如何極其節儉地使用工具,以及如何從中獲得更多的生命。” “他們推動自己比任何人都更加努力。”

擴展DRAM將需要超過EUV。今天的1T1C DRAM可能會再延長幾年,但可能會在12nm到10nm的范圍內耗盡。

因此,業界正在尋找以4F2單元尺寸將DRAM擴展到10nm以上的方法。TechInsights的Choe說:“垂直門以及無電容器的1T DRAM單元是4F2的候選產品。”

這里存在一些挑戰,特別是對于類似于3D結構的垂直柵極溝道晶體管。三星首席工程師Dongsoo Woo在最近的演講中說:“問題在于字線到字線的耦合以及位線到位線的耦合。”

DRAM的替代品

同時,多年來,業界一直在開發幾種可以替代DRAM和閃存的下一代存儲器類型。

如今,供應商正在發售相變存儲器(PCM),ReRAM和STT-MRAM。其他內存技術也在研發中。

下一代存儲器具有快速,非易失性和無限的耐用性。但是這些新存儲器還依賴于奇特的材料和復雜的轉換機制,因此它們需要花費更長的時間來開發。另外,新的內存類型更昂貴。

每個新的內存類型都不同。PCM以非晶相和結晶相存儲信息。STT-MRAM利用電子自旋的磁性。ReRAM通過改變材料的電阻來工作。

如今,PCM和STT-MRAM設備用于SSD的某些部分。在系統的某些但并非全部部分中,它們代替了DRAM。因此,可以肯定地說它們并沒有完全取代DRAM。

UMC產品營銷總監David Hideo Uriu表示:“目前,我們看不到任何可以直接替代DRAM的下一代存儲器。” “我們確實看到通過使用MRAM替代SRAM 。但是對于持久替換DRAM的目標,我們只能看到“混合緩存” DRAM / MRAM組件。”

STT-MRAM本身正在取得進展。“ MRAM技術將繼續改善并更接近永久性存儲器的目標。MRAM是最接近DRAM速度和性能的技術。“鑒于讀取數據的速度接近DRAM,某些應用程序可能能夠將其用作某些DRAM的替代品。再次,以“混合”形式,DRAM將用于緩存MRAM存儲區域并提高性能,從而在某些應用中替代DRAM。”

結論

可以肯定的是,下一代內存類型很有希望。但是這些產品仍處于早期階段。

在此之前,DRAM仍然存在并且運轉良好,并且至少在可預見的將來,它可能還會存在。但是究竟有多久仍是一個未知數。

DRAM制造商正在進入下一階段的擴展,但是隨著存儲技術接近其物理極限,他們面臨著一些挑戰。 

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