近日，筆者寫到了存儲(chǔ)芯片產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷的寒冬。其中，DRAM產(chǎn)品歷經(jīng)全球性的市場(chǎng)價(jià)格雪崩，“雪崩”之下，利潤(rùn)下瀉、庫(kù)存堆積，成為橫在DRAM巨頭面前的一項(xiàng)難題。

為避免DRAM芯片再大幅跌價(jià)，諸如SK海力士、美光等多家供應(yīng)商已開始積極減產(chǎn)，預(yù)估2023年第一季DRAM價(jià)格跌幅可因此收斂至13-18%，但仍不見(jiàn)下行周期的終點(diǎn)。

然而，在市場(chǎng)因素之外，從工藝制程的演進(jìn)和技術(shù)角度來(lái)看，DRAM產(chǎn)業(yè)似乎也正面臨瓶頸及一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。

DRAM縮放速度放緩

對(duì)DRAM芯片來(lái)說(shuō)，隨著晶體管尺寸越來(lái)越小，芯片上集成的晶體管就越多，也就代表一片芯片能實(shí)現(xiàn)更高的內(nèi)存容量。

從DRAM三巨頭工藝尺寸的發(fā)展歷程來(lái)看，三星、SK海力士、美光在2016-2017年進(jìn)入1X(16nm-19nm)階段，2018-2019年為1Y(14nm-16nm)，2020年處于1Z(12nm-14nm)時(shí)代。后續(xù)，行業(yè)廠商朝著1α、1β、1γ等技術(shù)階段繼續(xù)邁進(jìn)。

目前，各大廠家繼續(xù)向10nm逼近，目前最新的1α節(jié)點(diǎn)仍處于10+nm階段。

2022年10月，三星在Samsung Foundry Forum 2022活動(dòng)上公布DRAM技術(shù)路線圖，預(yù)計(jì)2023年進(jìn)入1β工藝階段，即第五代10nm級(jí)別DRAM產(chǎn)品。同年12月，三星開發(fā)出首款采用12nm級(jí)工藝技術(shù)打造的16Gb DDR5 DRAM。

2022年11月，美光將1β DRAM產(chǎn)品送往客戶的產(chǎn)品驗(yàn)證流水線，率先進(jìn)入了1β節(jié)點(diǎn)，這意味著將DRAM芯片的晶體管工藝又向精密處推進(jìn)一步，來(lái)到了10納米級(jí)別的第五代。且正在對(duì)下一代1γ工藝進(jìn)行初步的研發(fā)設(shè)計(jì)。??

DRAM工藝制程演進(jìn)至10+nm，繼續(xù)向10nm逼近。

近日，TechInsights高級(jí)技術(shù)研究員Jeongdong Choe博士在一場(chǎng)內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)中表示，DRAM單元縮小到10nm的設(shè)計(jì)規(guī)則 (D/R) 一直在進(jìn)行中。主要的DRAM廠商一直在開發(fā)下一代，這意味著DRAM單元D/R可能會(huì)進(jìn)一步縮小到個(gè)位數(shù)納米時(shí)代。

然而，從DDR1到DDR5的演變來(lái)看，DDR的能耗越來(lái)越低，傳輸速度越來(lái)越快、存儲(chǔ)容量也越來(lái)越大；而從制程工藝的進(jìn)展來(lái)看，早前產(chǎn)品的更新時(shí)間大致在3到5年更新一代。在步入20nm以內(nèi)的制程后，DRAM在制程上的突破進(jìn)展呈現(xiàn)放緩趨勢(shì)。????

尤其是隨著10nm制程的臨近，使其在晶圓上定義電路圖案已經(jīng)接近基本物理定律的極限。由于工藝完整性、成本、單元泄漏、電容、刷新管理和傳感裕度等方面的挑戰(zhàn)，DRAM存儲(chǔ)單元的縮放正在放緩。

此外，從當(dāng)前技術(shù)看，6F? DRAM單元是存儲(chǔ)行業(yè)的設(shè)計(jì)主流，cell由1T+1C(1晶體管+1電容)構(gòu)成——這種DRAM單元結(jié)構(gòu)將在未來(lái)幾代產(chǎn)品上延續(xù)。但如果存儲(chǔ)廠商保持6F2 DRAM單元設(shè)計(jì)以及1T+1C結(jié)構(gòu)，2027年或2028年10nm D/R將是DRAM的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

因此，DRAM單元微縮還面臨若干挑戰(zhàn)：

圖案化：如何創(chuàng)建越來(lái)越密集的圖案。

電容器：從圓柱體演變?yōu)橹鶢罱Y(jié)構(gòu)，需要對(duì)高深寬比進(jìn)行構(gòu)圖。

電阻/電容：位線和字線需要提高電阻/電容才能提高訪問(wèn)速度。

外圍（Peri）晶體管：從含氧化硅的多晶硅柵到高K金屬柵（HKMG）的演變。

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其實(shí)早在2021年2月舉行的SPIE高級(jí)光刻會(huì)議上，應(yīng)用材料也曾強(qiáng)調(diào)DRAM的微縮正在放緩，需要新的解決方案來(lái)繼續(xù)提高密度。

DRAM制程微縮困境何解？

業(yè)界很早就關(guān)注到了DRAM存儲(chǔ)在制程微縮上面臨的困境，但即使這樣，存儲(chǔ)巨頭們?nèi)栽谙冗M(jìn)技術(shù)上不斷追趕，追求更小的 DRAM 單元尺寸仍然很活躍并且正在進(jìn)行中。

從先進(jìn)的DRAM單元設(shè)計(jì)中可以看到一些創(chuàng)新技術(shù)，例如High-k介電材料、HKMG、柱狀電容器工藝等都陸續(xù)被應(yīng)用到先進(jìn)的DRAM 單元設(shè)計(jì)中去。

High-k介電材料

高介電常數(shù)前驅(qū)體（High-k）主要用于45nm及以下半導(dǎo)體制造工藝流程，應(yīng)用于存儲(chǔ)、邏輯芯片的CVD和ALD沉積成膜技術(shù)中，形成集成電路中的電容介質(zhì)或柵極電介質(zhì)，解決器件微縮及漏電問(wèn)題，可減少漏電至傳統(tǒng)工藝的10倍左右，大幅提升良率。

DRAM的技術(shù)發(fā)展路徑本質(zhì)是以微縮制程來(lái)提高存儲(chǔ)密度，芯片制程越先進(jìn)，尤其是20nm以下存儲(chǔ)、邏輯芯片制造光刻工藝中最主流的雙重微影技術(shù)，驅(qū)動(dòng)氧化硅及氮化硅、High-k、金屬前驅(qū)體的單位用量大幅提升。

同時(shí)，電容是電容器表面積和介電常數(shù)的函數(shù)，還與介電材料厚度成反比。因此，增大電容器表面積、增大介電常數(shù)以及降低介電材料的厚度是改善電容器的存儲(chǔ)性能的三種方法，而隨著制程微縮，電容的深寬比倍數(shù)增加，需要單位價(jià)值量更高的High-k材料降低高深寬比刻蝕產(chǎn)生的各種缺陷，延緩工藝向極端深寬比方向發(fā)展的步伐。

High-k材料的應(yīng)用可以延緩 DRAM 采用極端深寬比的步伐，提高器件性能。伴隨 DRAM 技術(shù)的進(jìn)步和芯片制程提升，DRAM 制造過(guò)程中需要用到更多 High-k材料，使用High-k材料替代SiO2/SiON作為柵介質(zhì)能夠大幅減小柵漏電流，在滿足性能和功耗要求的同時(shí)允許器件尺寸進(jìn)一步微縮，達(dá)到降低柵漏電流和提高器件可靠性的雙重目的。

據(jù)悉，常見(jiàn)的High-K材料包括Al2O3、HfO2、ZrO2、HfZrO4、TiO2、Sc2O3-Y2O3、La2O3、Lu2O3、Nb2O5、Ta2O5等。

DRAM 線寬越細(xì)，High-k材料用的越多。未來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對(duì)High-K材料的需求將攀升。

High-k金屬柵極外圍晶體管（HKMG）工藝

先了解一下DRAM的基本結(jié)構(gòu)，組成DRAM的晶體管有以下幾種：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元晶體管、恢復(fù)數(shù)據(jù)的核心晶體管、涉及控制邏輯和數(shù)據(jù)輸入／輸出的外圍晶體管。隨著技術(shù)的進(jìn)步，單元晶體管在提高DRAM存儲(chǔ)容量方面取得了一些技術(shù)突破。

然而，原來(lái)的核心晶體管和外圍晶體管特性越來(lái)越不適合DRAM的應(yīng)用要求，成為了發(fā)展瓶頸。

特別是對(duì)于外圍晶體管而言，只有實(shí)現(xiàn)工藝尺寸的進(jìn)一步微縮，才能提高性能，在需要快速提高性能的高端產(chǎn)品中尤為如此。因此，需要一種全新的解決方案來(lái)克服微縮基于多晶硅柵極／SiON的晶體管時(shí)存在的限制。

此時(shí)，高k金屬柵極晶體管（HKMG，High-k Metal Gate）工藝就是一個(gè)理想方案。

HKMG工藝的最大特點(diǎn)就是介電常數(shù)高，HKMG以金屬氧化物作為柵極電介質(zhì)，與傳統(tǒng)柵極結(jié)構(gòu)相比，可以減少柵極漏電流，降低工作電壓，并提高晶體管可靠性。

以往，HKMG工藝主要用于邏輯芯片，特別是CPU、GPU等處理器。近些年，隨著市場(chǎng)需求的發(fā)展，眾多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)內(nèi)存性能的要求越來(lái)越高，DRAM制程工藝演進(jìn)到了20nm范圍內(nèi)。此時(shí)，高性能與低功耗的矛盾逐漸凸出，而HKMG是解決這一矛盾體的有效方法。

借助HKMG，一層薄薄的高k薄膜可取代晶體管柵極中現(xiàn)有的SiON柵氧化層，以防止泄漏電流和可靠性降低。此外，通過(guò)減小厚度，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)微縮，從而顯著減少泄漏，并改善基于多晶硅/SiON的晶體管的速度特性。不僅可以提高內(nèi)存速度，還可降低功耗。??

因此，HKMG成為了存儲(chǔ)大廠追逐的焦點(diǎn)。

2021年，三星電子首次將HKMG工藝用于DDR5，并推動(dòng)了商業(yè)化進(jìn)程。

看到對(duì)手在PC、服務(wù)器用DRAM上采用了HKMG工藝，SK海力士更進(jìn)一步，將該工藝用在了對(duì)功耗要求更高的移動(dòng)設(shè)備DRAM上。

SK海力士的LPDDR5X DRAM是首款在低功耗應(yīng)用中使用HKMG成功批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，通過(guò)大尺度微縮，同時(shí)利用全新HKMG晶體管構(gòu)建塊的優(yōu)勢(shì)，晶體管的性能獲得顯著提升；考慮到HKMG的固有特性和針對(duì)HKMG優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，可以有效控制泄漏電流，較之Poly/SiON，速度提高33%，功耗降低25%。

但為了將DRAM的多晶硅柵極／SiON轉(zhuǎn)換為HKMG柵極，也需要對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行更改，必須對(duì)HKMG材料、工藝和集成流程進(jìn)行優(yōu)化，以適合新材料和新工藝。具體來(lái)看，要開發(fā)出一套復(fù)雜的工藝，來(lái)解決兼容性、新材料控制、經(jīng)濟(jì)高效的工藝解決方案以及設(shè)計(jì)與測(cè)試優(yōu)化等問(wèn)題。

總之，通過(guò)將HKMG整合、優(yōu)化成為適用于DRAM工藝的形式，開發(fā)出新平臺(tái)，并通過(guò)包括試點(diǎn)操作在內(nèi)的預(yù)驗(yàn)證工藝來(lái)確保方案可行，從而實(shí)現(xiàn)將HKMG工藝用于DRAM量產(chǎn)。

柱狀電容器

做出DRAM中的晶體管難，做出其中的電容器更難。電容器是兩片導(dǎo)體中夾著一層絕緣材料（電介質(zhì)），電容的大小正比于導(dǎo)體的面積。在存儲(chǔ)器件小型化的情況下，每一個(gè)電容占晶片的面積已經(jīng)很小了。

但如果制造出的電容太小，電荷就會(huì)過(guò)早泄露掉，或者讀取時(shí)信號(hào)太弱而發(fā)生錯(cuò)誤，所以電容必須在垂直方向發(fā)展以取得更大的面積。

目前，圓柱型結(jié)構(gòu)是DRAM單元電容器集成化的主流，但SK海力士和三星采用了偽柱狀電容器/單面柱狀電容器結(jié)構(gòu)，其中單元電容器只有外表面為圓柱狀，由此幾年后，DDR5、GDDR7、LPDDR6、HBM3產(chǎn)品將普及到市場(chǎng)。同時(shí)，業(yè)界還正在探索超薄電容介質(zhì)、柱狀電容器等技術(shù)方法。

除了上述提到的創(chuàng)新技術(shù)之外，EUV光刻、3D DRAM、無(wú)電容DRAM等技術(shù)的發(fā)展和出現(xiàn)，也在推動(dòng)DRAM產(chǎn)業(yè)不斷向前。

EUV技術(shù)

目前DRAM使用最為成熟的光刻技術(shù)是193nm的DUV光刻機(jī)，EUV光刻機(jī)使用13.5nm 波長(zhǎng)，可通過(guò)減少光罩次數(shù)來(lái)進(jìn)一步壓低成本，提高精度和產(chǎn)能。在工藝制程達(dá)到14nm后，采用EUV的經(jīng)濟(jì)性開始顯現(xiàn)，而DUV需使用多重曝光技術(shù)才能形成更細(xì)線寬的電路，因此成本上處于劣勢(shì)。

另一方面，使用EUV設(shè)備，可以減少4~5個(gè)工序，能夠顯著降低生產(chǎn)成本。此外，可以減少重復(fù)雕刻電路工作的多重圖案化工藝，同時(shí)提高圖案化精度以提高性能和良率。產(chǎn)品開發(fā)周期也可以縮短。 

目前DRAM廠商仍可通過(guò)工藝改進(jìn)使用DUV生產(chǎn)10+nm DRAM，未來(lái) DRAM生產(chǎn)轉(zhuǎn)向EUV將是必然。在DRAM中引入EUV之后，能帶來(lái)多方面的優(yōu)勢(shì)。????

隨著DRAM芯片制程愈發(fā)先進(jìn)，利用EUV光刻邁入到10nm工藝路線已經(jīng)成為確信的一步。

三星、SK海力士分別于2020年和2021年引入EUV技術(shù)來(lái)制造DRAM；對(duì)比前兩家早早加碼EUV，美光方面則稍晚一些。

據(jù)了解，美光另辟蹊徑，采用其先進(jìn)的多重曝光技術(shù)和浸潤(rùn)式光刻技術(shù)，以最高精度在微小面積上形成圖案，縮小器件尺寸從而提供更大容量，成功繞開了其它芯片公司必須使用的EUV光刻機(jī)。不過(guò)，美光計(jì)劃從2024年將EUV納入DRAM開發(fā)路線圖，其Fab A3廠將會(huì)率先導(dǎo)入EUV設(shè)備，為1γ DRAM早日量產(chǎn)做準(zhǔn)備。

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DRAM領(lǐng)域聚焦制程迭代，隨著工藝來(lái)到10nm及以下，價(jià)格高昂的EUV光刻技術(shù)開始成為廠商們比拼的關(guān)鍵利器。

3D DRAM

EUV光刻機(jī)能解決眼下的難題，但面對(duì)物理基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)技術(shù)的瓶頸，DRAM廠商的長(zhǎng)遠(yuǎn)命題是材料和架構(gòu)的突破。

其中，通過(guò)遷移到3D來(lái)顛覆平面DRAM技術(shù)，成為了DRAM廠商解決困境的共識(shí)。

DRAM工藝之所以提升越來(lái)越難，還需要回歸到它的結(jié)構(gòu)上。DRAM是基于一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器的存儲(chǔ)單元。

其擴(kuò)展是在一個(gè)平面上，將每個(gè)存儲(chǔ)單元像拼圖一樣拼接起來(lái)。要想提升DRAM工藝，電容器的縮放是一個(gè)挑戰(zhàn)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是電容到數(shù)字線的電荷共享，要考慮用多少時(shí)間將電荷轉(zhuǎn)移到數(shù)字線上、數(shù)字線有多長(zhǎng)。

既然在一個(gè)平面內(nèi)塞入更多存儲(chǔ)單元很困難，那么將多個(gè)平面疊起來(lái)成為新的技術(shù)思路。3D DRAM，一種將存儲(chǔ)單元堆疊至邏輯單元上方，以實(shí)現(xiàn)在單位晶圓面積上產(chǎn)出更多產(chǎn)量的新型存儲(chǔ)方式。除了晶圓的裸晶產(chǎn)出量增加外，使用3D堆疊技術(shù)也能因?yàn)榭芍貜?fù)使用儲(chǔ)存電容而有效降低 DRAM的單位成本。

當(dāng)前在存儲(chǔ)器市場(chǎng)，能和DRAM“分庭抗禮”的NAND Flash早在2015年就已步入3D堆疊，并已經(jīng)朝著200+層堆疊過(guò)渡，然而DRAM市場(chǎng)卻仍處于探索階段，為了使3D DRAM能夠早日普及并量產(chǎn)，各大廠商和研究院所也在努力尋找突破技術(shù)。

其中，HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲(chǔ)器）技術(shù)可以說(shuō)是DRAM從傳統(tǒng)2D向立體3D發(fā)展的主要代表產(chǎn)品，開啟了DRAM 3D化道路。

HBM主要是通過(guò)硅通孔（TSV）技術(shù)進(jìn)行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內(nèi)帶寬的限制，將數(shù)個(gè)DRAM裸片垂直堆疊，裸片之間用TVS技術(shù)連接。

從技術(shù)角度看，HBM充分利用空間、縮小面積，正契合半導(dǎo)體行業(yè)小型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，并且突破了內(nèi)存容量與帶寬瓶頸，被視為新一代DRAM解決方案。

寫在最后

面對(duì)DRAM市場(chǎng)的蕭條，行業(yè)廠商唯有持續(xù)研發(fā)推出1β、1γ...或更先進(jìn)制程的DRAM產(chǎn)品，以創(chuàng)新技術(shù)在逆境中站穩(wěn)腳跟。

除了上述提到的High-k介電材料、HKMG、柱狀電容器、EUV技術(shù)及3D DRAM之外，研究者們也開始在鐵電材料電容器、無(wú)電容DRAM等方面下功夫，試圖借此解決DRAM芯片當(dāng)前的難題。

總體而言，無(wú)論是哪種方法均遵循著兩種路徑，要么是在先進(jìn)制程上下功夫，要么是在先進(jìn)封裝上苦心鉆研。兩條路徑相輔相成，缺一不可。