挑战越来越大,DRAM 制程难以突破10nm

jackzhang

DRAM制造商正进入下一个扩展阶段，但随着内存技术接近物理极限，他们面临着一些挑战。

DRAM用于系统中的主存储器，当今最先进的设备基于大约18nm至15nm的工艺。DRAM的物理极限约为10nm。研发部门正在努力扩展这项技术，并最终以新的存储类型取代它。

但是，到目前为止，还没有直接的替代方法。在采用新解决方案之前，供应商将继续规模DRAM和挤出更多的性能,尽管目前1 xnm节点政权的循序渐进的步骤。并且在未来的节点上，部分但不是全部DRAM制造商将实现从传统光刻到极紫外（EUV）光刻的重大转变。

无论有无EUV，DRAM供应商都面临更高的成本和其他挑战。但是，DRAM是系统中存储/存储层次结构的关键部分。在层次结构的第一层中，SRAM被集成到处理器中以实现快速数据访问。下一层DRAM用于主存储器。

DRAM行业是一个巨大而艰难的市场。由于市场价格压力，DRAM供应商正处于低迷之中。然而，OEM仍希望更快的DRAM具有更大的带宽，以跟上5G和机器学习等新的数据密集型应用的冲击。

作为响应，DRAM供应商正在朝着新的更快的带宽规范发展。但是供应商不再按照传统的速度扩展或缩小DRAM，在每个节点上，DRAM的比例大约为30％。实际上，DRAM缩放正在减慢，这会影响面积密度和成本。在DRAM中，节点由存储单元的有源或主体的半节距来指定。

如今，供应商正在以1xnm节点机制交付三款先进的DRAM产品。这三代DRAM没有指定数字节点。业界将它们简称为1xnm，1ynm和1znm。

然后，在研发中，供应商在路线图上又扩展了三代DRAM，全部都是1xnm节点制。这些被称为1anm，1bnm和1cnm。1anm DRAM计划于2021年或更早推出。

总而言之，DRAM在扩展方面仅取得了适度的增长，并停留在1xnm节点状态。但是与普遍看法相反，DRAM并没有失去动力。“我们还没有做完，我们不认为路线图已经完全结束了。” 美光科技公司DRAM产品工程高级总监Debra Bell说。“几年来我们的视线很清晰，我们还有其他想法。我们正在讨论并对此进行评估。”

尽管如此，业界在扩展此存储器方面仍面临若干挑战。目前尚不清楚DRAM是否可以扩展到10nm以上。尽管如此，在这个舞台上仍有大量狂热的活动:

• 来自中国的DRAM供应商将在今年进入市场。
• 供应商正在交付具有下一个接口规格的DDR5 DRAM，称为DDR5，它可以加快设备中的数据传输速率。
• 在未来的DRAM节点上，三星和SK海力士计划采用EUV进行DRAM生产。但是，美光科技计划在先进的DRAM节点上扩展当今先进的光刻技术。
• 在研发中，厂商正在研究将DRAM扩展到10nm以上的技术。此外，DRAM厂应商正在开发几种可以替代DRAM和闪存的新存储器。
• DRAM前景随着IC市场的长期不景气，2019年全球DRAM销售额预计将达到620亿美元，低于2018年的994亿美元。根据VLSI Research的数据，预计2019年整个IC市场将下降12.9％。
  

但是，现在代工业务正在升温，显示出复苏迹象。IBS首席执行官汉德尔·琼斯（Handel Jones）表示：“在DRAM方面，明年我们会迅速回升。” “正在发生的是价格正在稳定。”

此外，DRAM在服务器和智能手机等系统中继续增长。美光公司表示，智能手机的平均DRAM内容将从2018年的3GB增加到2019年的4GB。AI，数据和视频的爆炸式增长推动了这一增长，而AI，数据和视频的爆炸式增长需要更多的内存来帮助在系统中存储和传输信息。

同时，根据TrendForce的数据，在DRAM市场上，三星在2019年第二季度以45.5％的份额领先，紧随其后的是SK海力士（28.7％）和美光（20.5％）。几家中国台湾DRAM供应商所占份额很小。

在2019年，中国的DRAM供应商将进入市场，但一段时间内不会成为一个因素。中国内地供应商长鑫存储技术有限公司将在年底前量产DRAM。另一个公司清华紫光集团也正在积极开展DRAM业务。

但是，DRAM是系统中的关键器件。DRAM既快速又便宜，但也有一些缺点。DRAM和SRAM是易失性存储技术，这意味着在系统电源关闭时它们会丢失数据。相比之下，闪存是非易失性的，这意味着在系统关闭时它会保留数据。

DRAM本身基于一个晶体管，一个电容器（1T1C）存储单元架构。数据作为电荷存储在电容器中，该电容器被指定为“ 0”或“ 1”。晶体管控制对数据的访问。

DRAM的微小电容设计使其非常适合将众多存储单元封装到很小的区域，以实现高密度和高存储容量。实际上，数十亿个DRAM单元可以被压缩到单个存储芯片上，” Lam Research的高级技术总监Alex Yoon解释说。

DRAM单元以固定方式组织。这些单元成排排列，并具有位线结构，该位线结构连接到称为字线的存储地址中。该地址提供了一种识别数据存储位置的方法，字线形成了一条电气路径，使该行上的所有存储单元都可以同时被激活以进行存储（写）或检索（读）。”

图1：单个存储单元和阵列。

但是，随着时间的流逝，当晶体管关闭时，电容器将泄漏或放电。因此，电容器中存储的数据必须每64毫秒刷新一次，这会消耗系统功耗。

在每个节点上缩放或缩小DRAM单元也变得越来越困难。Applied Materials存储器技术董事总经理Gill Lee 在博客中说：“有了DRAM，几何横向缩放仍在继续，但是它正在放缓，并且如3D NAND一样，需要进一步的材料创新。”

电容器的缩放是一个障碍，长宽比是一个挑战。DRAM的另一个关键的扩展挑战是电容到数字线的电荷共享。这是你的计时规格的组合，你需要多少时间将电荷移到数字线上，然后你可以使数字线上多长。所有这些因素都影响到了规模化，以及规模化带来的挑战。

DRAM基于堆叠式电容器架构，其中电容器被连接并驻留在凹陷的沟道阵列晶体管结构上。

电容器是垂直的圆柱状结构。在圆柱体内部，电容器结合了金属-绝缘体-金属（MIM）材料叠层。该绝缘体基于二氧化锆高k材料，从而使该结构可在低泄漏时保持其电容。

在DRAM制造流程中，首先制造晶体管，然后制造电容器。在每个节点处，目标是保持或增加圆柱形电容器内部的体积。但是在每个节点处，电容器都会收缩，这可能导致结构内部的体积减小。这等于存储电容器中的单元电容较小。

在20nm工艺下，该行业在电容器规模化方面遇到了障碍。作为回应，三星开发了一种新的20纳米蜂窝电容单元布局技术。

传统上，微小的圆形电容器单元并排放置在结构的表面上。相比之下，三星将表面的电容单元交错排列，类似于蜂窝状布局。这样就可以使用直径更大的更高电容器。使用相同的介电材料，蜂窝结构的单元电容比以前的版本大21％。

为了在工厂中制造这些结构，三星使用了193nm浸没式光刻和自对准双图案（SADP）工艺。先在表面上构图出孔，然后再蚀刻。重复该过程。沉积金属，然后使用原子层沉积（ALD）沉积高k材料。

扩展DRAM

利用晶圆厂中的这些技术和其他技术，三星，美光和SK海力士扩展了DRAM，并超越了20nm。

这并不容易。例如，将电容器孔排列整齐是一个挑战。在高纵横比下蚀刻电容器也很困难。“ALD和干蚀刻都很困难，”TechInsights分析师郑东哲(Jeongdong Choe)说。“但是非常薄和均匀的高k介电沉积在按比例缩小的DRAM单元阵列上变得越来越重要。”

从2016年开始，供应商开始采用1xnm节点制，其中供应商在路线图中拥有三种DRAM产品（1xnm，1ynm和1znm）。最初，将1xnm节点定义为具有17nm至19nm的DRAM，1ynm是14nm至16nm，1znm是11nm至13nm。

今天，一些供应商已经放宽了扩展规格，在市场上造成了一些混乱。有些DRAM符合这些规格，而另一些则不符合。最重要的是，DRAM单元大小略有不同，大约为6F2。单元格大小等于特征(F)的大小乘以4的平方。

总的来说，供应商们正在以增量的方式向1xnm节点体系下移动，有时是一纳米一纳米的前进。即便如此，供应商仍能在一定程度上减小晶片尺寸。

2016年，三星发布了业界首个1xnm DRAM，即18nm器件。8Gbit器件比2xnm器件快30％，功耗更低。它还包含DDR4接口标准。双倍数据速率（DDR）技术在设备的每个时钟周期两次传输数据。DDR4的最高运行速度为3200Mbps。

如今，与此同时，DRAM供应商正在向下一个节点1ynm扩展设备。通常基于15纳米及以上工艺的1纳米DRAM将占今年出货量的大部分。

SK Hynix最近推出了16Gbit 1ynm DRAM，其密度是先前8Gbit版本的两倍。该设备还采用了新的DDR5接口标准。

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

其他公司也正在发售DDR5 DRAM。移动版本称为LPDDR5。DDR4仍然是主流技术，尽管出于多种原因需要DDR5 / LPDDR5。

多年来，处理器供应商已转向多核cpu体系结构。但是，每个单元内存带宽几乎没有跟上。

OEM希望DRAM具有更快的数据传输速率。这就是DDR5的合适地方。“在这里，您可以获得带宽和容量。我们希望能够通过CPU内核进行扩展。考虑一下CPU内核数。在过去十年中，它已经上涨了约8倍。显然，内存必须紧跟潮流，才能跟上整体计算性能的步伐。”三星销售与营销高级副总裁Jim EllIOTt在最近的一次演讲中表示。

同时，下一个战场发生在下一个节点-1znm。美光是第一家出货1znm DRAM的供应商，其次是三星和SK Hynix。这些设备基于DDR4或DDR5规范。

每个供应商都声称在1znm具有领导地位。但并非所有部分都一样，并且缩放规格也有所不同。

除了1znm之外，供应商在路线图上还拥有三层以上规模的DRAM（1anm，1bnm和1cnm）。供应商尚未透露这些零件的细节，这些零件仍处于1xnm节点状态。

供应商在1anm至更远的节点工艺采取了不同的途径。在那些节点处，特征较小，且具有更多的遮罩层。为了简化过程，DRAM行业首次将EUV投入生产。

例如，SK Hynix计划在1anm使用EUV，该技术将于2021年面世。“三星在1z完成了对DRAM的EUV测试。但是，他们不会将EUV用于1z量产。相反，他们也许可以将其用于1a或1b批量产品。” TechInsights的Choe说。

EUV光刻机使用13.5nm波长，EUV是一项复杂的技术，比投入生产所需的时间更长。

不过，最近，三星和台积电已经在7nm逻辑节点上投入了EUV的生产，而R＆D则为5nm。DRAM是EUV的下一个产品。“使用EUV，您可以获得更好的保真度。这些掩模层堆叠得越多，得到的图像就越模糊。” VLSI Research首席执行官Dan Hutcheson说道。

但是，并非所有人都转向EUV。在先进的DRAM节点上，美光计划将193nm浸没式光刻和SADP扩展到1bnm。

这不是什么大惊喜。美光以尽可能延长给定的光刻技术而闻名。VLSI的Hutcheson说：“他们已经学会了如何极其节俭地使用工具，以及如何从中获得更多的生命。” “他们推动自己比任何人都更加努力。”

扩展DRAM将需要超过EUV。今天的1T1C DRAM可能会再延长几年，但可能会在12nm到10nm的范围内耗尽。

因此，业界正在寻找以4F2单元尺寸将DRAM扩展到10nm以上的方法。TechInsights的Choe说：“垂直门以及无电容器的1T DRAM单元是4F2的候选产品。”

这里存在一些挑战，特别是对于类似于3D结构的垂直栅极沟道晶体管。三星首席工程师Dongsoo Woo在最近的演讲中说：“问题在于字线到字线的耦合以及位线到位线的耦合。”

DRAM的替代品

同时，多年来，业界一直在开发几种可以替代DRAM和闪存的下一代存储器类型。

如今，供应商正在发售相变存储器（PCM），ReRAM和STT-MRAM。其他内存技术也在研发中。

下一代存储器具有快速，非易失性和无限的耐用性。但是这些新存储器还依赖于奇特的材料和复杂的转换机制，因此它们需要花费更长的时间来开发。另外，新的内存类型更昂贵。

每个新的内存类型都不同。PCM以非晶相和结晶相存储信息。STT-MRAM利用电子自旋的磁性。ReRAM通过改变材料的电阻来工作。

如今，PCM和STT-MRAM设备用于SSD的某些部分。在系统的某些但并非全部部分中，它们代替了DRAM。因此，可以肯定地说它们并没有完全取代DRAM。

UMC产品营销总监David Hideo Uriu表示：“目前，我们看不到任何可以直接替代DRAM的下一代存储器。” “我们确实看到通过使用MRAM替代SRAM 。但是对于持久替换DRAM的目标，我们只能看到“混合缓存” DRAM / MRAM组件。”

STT-MRAM本身正在取得进展。“ MRAM技术将继续改善并更接近永久性存储器的目标。MRAM是最接近DRAM速度和性能的技术。“鉴于读取数据的速度接近DRAM，某些应用程序可能能够将其用作某些DRAM的替代品。再次，以“混合”形式，DRAM将用于缓存MRAM存储区域并提高性能，从而在某些应用中替代DRAM。”

结论

可以肯定的是，下一代内存类型很有希望。但是这些产品仍处于早期阶段。

在此之前，DRAM仍然存在并且运转良好，并且至少在可预见的将来，它可能还会存在。但是究竟有多久仍是一个未知数。

DRAM制造商正在进入下一阶段的扩展，但是随着存储技术接近其物理极限，他们面临着一些挑战。

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waxgun5

nice artical

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liaojie

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vastsky

不知道最终制程能推进到多少nm