DRAM迎來3D時代？

3D DRAM 是一種具有新結(jié)構(gòu)的存儲芯片，打破了當(dāng)前陳舊的范式?，F(xiàn)有的 DRAM 產(chǎn)品開發(fā)側(cè)重于通過減小電路線寬來提高集成度，但隨著線寬進(jìn)入 10 納米范圍，電容器電流泄漏和干擾等物理限制顯著增加。為了防止這種情況，引入了高介電常數(shù)（高 K）沉積材料和極紫外（EUV）設(shè)備等新材料和設(shè)備。但半導(dǎo)體行業(yè)認(rèn)為，微型化制造 10 納米或更先進(jìn)的芯片將對芯片制造商造成巨大挑戰(zhàn)。

一家加利福尼亞公司 NEO 推出了一種解決方案，可以用于通過 3D 堆疊技術(shù)提高 DRAM 芯片密度。據(jù)稱新的存儲芯片將大大提高 DRAM 容量，同時仍需要低成本、低維護(hù)的制造工作。NEO 表示，3D X-DRAM 是世界上第一個用于 DRAM 內(nèi)存的類 3D NAND 技術(shù)，該解決方案旨在解決 DRAM 的容量瓶頸，同時取代「整個 2D DRAM 市場」。該公司表示其解決方案優(yōu)于競爭產(chǎn)品，因?yàn)樗犬?dāng)今市場上的其他選擇更方便。

NEO 解釋說，3D X-DRAM 采用基于無電容器浮體單元技術(shù)的類 3D NAND DRAM 單元陣列結(jié)構(gòu)。3D X-DRAM 芯片可以用目前用于 3D NAND 芯片的相同方法制造，因?yàn)樗鼈冎恍枰粋€掩模來定義位線孔并在孔內(nèi)形成單元結(jié)構(gòu)。

這種單元結(jié)構(gòu)簡化了工藝步驟，為 3D 系統(tǒng)內(nèi)存制造提供了「高速、高密度、低成本、高良率的解決方案」。NEO 估計(jì)其新的 3D X-DRAM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn) 128 Gb 的密度和 230 層，比現(xiàn)在的 DRAM 密度高 8 倍。

NEO 表示，全行業(yè)正在努力將 3D 堆疊解決方案引入 DRAM 市場。借助 3D X-DRAM，芯片制造商可以利用當(dāng)前「成熟」的 3D NAND 工藝，而無需存儲行業(yè)內(nèi)的學(xué)術(shù)論文和研究人員提出的更奇特的工藝。

NEO 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官、擁有 120 多項(xiàng)美國專利的 Andy Hsu 表示，3D X-DRAM 顯然是新興 3D DRAM 市場中的領(lǐng)先解決方案。這是一種非常簡單且成本低廉的制造和擴(kuò)展解決方案，它可能會蓬勃發(fā)展，尤其是在對高密度 DIMM 模塊有著迫切需求的服務(wù)器市場。

NEO 表示，有關(guān) 3D X-DRAM 的相關(guān)專利申請已于 2023 年 4 月 6 日隨美國專利申請公布一起公布。該公司預(yù)計(jì)該技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，在 2030 年代中期密度從 128Gb 線性增加到 1Tb。

大廠 3D DRAM 的動作

存儲巨頭在 3D DRAM 產(chǎn)品研發(fā)方面仍處于早期階段。

美光自 2019 年就已經(jīng)開始了 3D DRAM 的研究，三星電子和 SK 海力士也在加速 3D DRAM 的商業(yè)化。

2021 年，韓國半導(dǎo)體廠商正式開始談 3D DRAM 的開發(fā)。恰逢三星電子于 2021 年在其 DS 部門內(nèi)建立了下一代工藝開發(fā)團(tuán)隊(duì)開始研究。

「3D DRAM 被認(rèn)為是半導(dǎo)體行業(yè)未來的增長動力，」三星電子半導(dǎo)體研究中心副總裁兼工藝開發(fā)辦公室負(fù)責(zé)人 Lee Jong-myung 在 3 月 10 日于首爾 COEX 舉行的 IEEE EDTM 2023 上表示負(fù)責(zé) SK 海力士未來技術(shù)研究所的 SK 海力士副總裁 Cha Seon-yong 也在 3 月 8 日表示，「到明年左右，有關(guān) 3D DRAM 電氣特性的細(xì)節(jié)將被披露，確定他們的發(fā)展方向?！?/span>

三星電子和 SK 海力士今年量產(chǎn)的尖端 DRAM 線寬為 12 納米?？紤]到目前 DRAM 線寬微縮一納米的現(xiàn)狀，新結(jié)構(gòu) DRAM 的商品化將成為一種必然，而不是一種選擇，三四年后。

三星電子和 SK 海力士可能會加速 3D DRAM 技術(shù)的商業(yè)化。

與現(xiàn)有的 DRAM 市場不同，3D DRAM 市場并沒有絕對的領(lǐng)導(dǎo)者，因此快速量產(chǎn)技術(shù)開發(fā)至關(guān)重要。還需要及時應(yīng)對由于 ChatGPT 等人工智能的激活而導(dǎo)致的對高性能和大容量存儲器半導(dǎo)體的需求增加。

3D DRAM 領(lǐng)域的技術(shù)競爭也在升溫。據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)分析公司 TechInsights 稱，在內(nèi)存半導(dǎo)體市場排名第三的美光正積極準(zhǔn)備藍(lán)海市場，到 2022 年 8 月獲得 30 多項(xiàng) 3D DRAM 專利技術(shù)。相比不到 15 項(xiàng) DRAM 三星電子持有的專利和 SK 海力士持有的大約 10 項(xiàng)專利，美光獲得的 3D DRAM 相關(guān)專利是這兩家韓國芯片制造商的兩到三倍。三星電子和 SK 海力士分列全球 DRAM 市場第一和第二位。

3D DRAM 可能是革命性的

2013 年閃迪推出的 3D NAND 曾為 NAND 產(chǎn)業(yè)帶來了革命性的改變，10 年過去，176 層的 3D NAND 已經(jīng)開始生產(chǎn)，230 層產(chǎn)品即將推出，300 層的產(chǎn)品正在開發(fā)。然而，DRAM 在平面時代停滯不前。

三星今年發(fā)表了一篇名為「通過第三維進(jìn)行 DRAM 縮放的持續(xù)演進(jìn)——垂直堆疊 DRAM」的論文，論文中指出：「在過去的幾十年里，通過縮小每單位面積的存取晶體管和電容器，DRAM 的密度得到了顯著提高。然而，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 10 nm 工藝節(jié)點(diǎn)的縮小設(shè)備越來越多地帶來工藝和可靠性挑戰(zhàn)。隨著閃存技術(shù)通過 3D NAND 取得了關(guān)鍵性的成功創(chuàng)新，DRAM 技術(shù)也可能采用垂直堆疊存儲單元。垂直堆疊 DRAM (VS-DRAM) 通過增加層數(shù)以及減小晶體管的尺寸來繼續(xù)提高芯片上的位密度。」