DRAM微缩技术详解,1nm的距离有多远?

2019-10-10来源: 半导体行业观察关键字:DRAM  微缩
大多数读者应该知道Intel 的处理器、TSMC生产的SoC(System on Chip)等逻辑半导体的相关工艺,也明白到这些规则只不过对产品的命名罢了。那么,DRAM中提到的1X(18nm)、1Y(17nm)、1Z(16nm)等又都意味着什么?


在本文中,我们就此讨论一下所谓的“XXnm”的DRAM的真正意义。那么,所谓“XXnm”指的是哪里的尺寸呢?在谈论这个之前,我们先来聊一下当下的DRAM现状。
 
现在是2019年的下半年,最先进的DRAM正在由1X(18nm)向1Y(17nm)推进。而且,预计在2019年末量产1Z(16nm)。也就是说,DRAM是1nm1nm地实现微缩,为什么DRAM厂家执着于这“1nm的微缩”呢?


先说结论,“1nm微缩”如果“登场”得晚的话,年度销售额将会有1兆日元(约人民币670亿元)的差异。要理解这个,我们要首先理解DRAM的构造和变迁。


DRAM的构造和变迁

如图1所示,DRAM 是由一个晶体管和一个电容(Capacitor)构成的,晶体管处于“ON”的状态,电容储存电荷。也就是说,根据电容是否有电荷,进行“1”或者“0”的存储动作。

image.png
图1,DRAM的构造及变迁。(图片出自:《日本半导体历史馆》)


如图1 所示,4K-1M比特的DRAM是平面型(Planar型),然而,大于1M比特的话,电容就会变成像蘑菇形状一样的“堆栈型”(Stack型)、或者3层鳍状(Fin)构造(图1 的上半部分)、或者“沟槽型”(Trench型),即在晶体管下面的硅基板上凿孔,把侧壁当做晶体管(图1 的下半部分),由此就产生了下面的内容。


DRAM也遵循摩尔定律,每两年集成度就会扩大2倍。因此,晶体管、电容分别微缩了70%。但是,即使有微缩,电容也需要存储一定量的电荷。如果电荷过少,“1”和“0”的区别就会变得模糊,会对存储功能产生影响。

也就是说,DRAM的微缩难就难在--“即使实现微缩,也要保证电容存储的电荷保持一定”。为此,把平面型改为“堆栈型”、“沟槽型”,通过确保电容的面积从而保持一定的电荷量。

目前,DRAM市场被韩国三星电子、SK海力士(SK Hynix)、美国的美光科技(Micron Technology)三家公司垄断。这三家公司都采用了图1中右上角的“气缸型(sylinder )”,已经没有任何一家厂商采用“沟槽型”了。

也就是说,三家DRAM厂商都在晶体管上堆积绝缘膜、凿孔、形成电容。其结果,由于“即使微缩、也要存储一定的电荷”的缘故,对于DRAM厂商来说,每年“深挖细微孔”都是他们最重大的技术研发。

现在的DRAM构造和最细微的地方


现在的DRAM 构造如图2所示。笔者在2000年前后,曾在日立、Elpida(尔必达)从事256M-1G比特DRAM的研发工作,电容孔的直径、深度(高度)比(也就是“Aspect Ratio”,)曾是10-12。那时曾经“叫苦连天”地喊出“孔的加工太难了,已经极限了,已经不行了”!

image.png

图2 ,DRAM构造。(图片出自:Rick Merritt,《从折叠手机3D DRAM,SEMI event》(EE Times Japan、2019年1月21日),原始图片出自东京电子TEL.)


据说现在DRAM的“Aspect Ratio”(已经达到40-45。能够加工出深度(高度)比如此大的孔,深切感受到人类了不起的睿智!

在图2 的DRAM中,从下侧开始我们可以依次看到,分离各个cell的浅槽隔离(Shallow Trench Isolation)、晶体管的Gate(字线Wordline)、位线(bitline)、电容、接触孔(contact hole)、金属配线等。

其中,最细微的地方是哪里?如果说“18nm的DRAM”,18nm又在何处?


问题的答案通过图3中的DRAM的平面图来说明。首先,在硅上挖出沟槽,用绝缘膜填充沟槽后形成浅槽隔离(Shallow Trench Isolation)。其次,形成作为晶体管Gate的字线(Wordline)。接着,继续形成位线(bitline)。

image.png

图3,DRAM的平面图。(图片出自:jbpress)


其中,最细微的部分是浅槽隔离(Shallow Trench Isolation,STI),“18nm的DRAM”其实指的就是相当于“浅槽隔离(STI)”的间距的1/2(称为“Half Pitch”)的尺寸。也就是说,说起“○○nm的DRAM”,DRAM的“浅槽隔离(STI)”的1/2间距才是真正的nm尺寸。


DRAM的微缩推移及未来预测


如图4是关于DRAM的微缩如何发展、今后的预测。

image.png

图4,DRAM的微缩推移、未来的预测。(图片出自;笔者根据ITRS、IRDS的数据编纂而成。)

截止到2016年,以美国半导体工业协会(SIA)、日本的电子信息技术产业协会(JEITA)为中心,策划了“国际半导体技术蓝图(ITRS:International Technology Roadmap for Semiconductors)”,并且刊载了DRAM的细微性。


该技术蓝图被认为是为了Intel的处理器而制作的,背地里甚至曾被揶揄为“Intel Technology Roadmap for Semiconductors”!


ITRS在2016年寿终正寝,取而代之的是美国本土的电气电子工学学会(IEEE),并发布了名为“International Roadmap for Devices and Systems(IRDS)”的新技术蓝图。其中也登载了DRAM的微缩特性。
 
再看一下图4,截止到ITRS存在的2016年,从36nm到20nm,DRAM的微缩以对数函数的形式几乎呈现直线发展。但是,进入2017年以及以后的IRDS时代,可以看出,DRAM的微缩发展比ITRS的预测还要慢!

但是,尽管如此,据预测,DRAM还会以1-2nm的速度进行微缩的发展。那么,对于DRAM来说,1nm的微缩具有什么意义呢?

DRAM厂商拘泥于1nm的理由


2012年-2013年期间,比较了三星电子和美光的2G比特的DRAM(如图5),同一时期,三星电子公布说“28nm”、美光公布说“32nm”。但是,怎么看三星都在数字上“打了马虎眼”,其实二者的细微差异仅仅只有1-2nm。


image.png

图5,三星电子和美光的2G比特的DRAM的比较。(图片出自:jbpress)


仅仅1-2nm的差距,就对DRAM的芯片尺寸造成了很大影响。实际上,三星电子的2G的DRAM是45m㎡,美光的是60m㎡。

于是,三星可以从直径为30cm(12inch)的硅晶圆上获得1570个DRAM, 美光可以获得1024个。假设两者的良率为90%,三星可以获得1413个芯片,美光可以取数921个芯片,其差约为500个左右。

假设一个DRAM为4美金,对于一颗硅晶圆,三星电子和美光的销售额差距约为2000美金。假设两家公司在月产能为50万颗硅晶圆的量产工厂生产DRAM,其差距就是10亿美金,1年(12个月)下来,其差异会扩大到120亿美金。1美金换算成110日元的话,一年就是1兆2,100亿日元。

总之,对于DRAM的1-2nm的细微性的差异,1年下来,就会产生超过1兆日元(约人民币670亿元)的销售额的差异。这就是DRAM厂商“拘泥”于这细微的1nm的理由!

实际上,这种情况也存在于处理器、SoC等逻辑半导体方面。因此,无论哪里的尖端半导体厂商,都“卯足了劲”要实现哪怕仅有1nm的微缩!

2016年以后,Intel停滞在14nm、没有进展,2019年下半年开始批量生产10nm工艺的处理器。这里的“14nm”、“10nm”都是Intel的“商品品名”。另一方面,三星电子、美光似乎也提前了IRDS,在2019年末预计要开始量产1Z(16nm)工艺的16G比特的DRAM。DRAM的浅槽隔离(STI)的“半间距(Half Pict)”其实是16nm。

最快在2020年上半年,可能会发布搭载了Intel的10nm处理器、16nm工艺的16G比特的DRAM的PC!


对于DRAM的1nm,你了解了吗?


关键字:DRAM  微缩 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qrs/ic476720.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:内存现货市场行情洞察报告
下一篇:混合多云平台,进一步释放IBM z15的弹性和价值

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

FL2440 (2) 裸板程序 SDRAM
以下是jz2440的head.s文件,在FL2440可以使用,不做更改.注意这是NANDFLASH启动方式,FL2440开发板上的J5和J2都要插上.@*************************************************************************@ File:head.S@ 功能:设置SDRAM,将程序复制到SDRAM,然后跳到SDRAM继续执行@*************************************************************************        .equ 
发表于 2019-10-09
研调:DRAM价明年或反弹,大陆投片量估占全球低于3%
集邦科技存储器储存研究(DRAMeXchange)表示,今年8月DRAM合约价与前月持平,DDR4 8GB均价来到25.5美元,而9月合约价格虽然仍在议定中,但继续持平可能性高。展望2020年,因3大DRAM原厂采获利导向,资本支出预估将较今年缩减至少10%,明年产出年成长亦是近10年来新低,仅12.5%,为价格反弹奠定一定基础。就市场面观察,随日本政府批准关键半导体原料出口,7月开始的日韩贸易问题已正式落幕,但期间OEM客户受不确定因素与预期心理影响,纷纷拉高备货库存,使DRAM原厂高库存水位逐步下降,朝正常水位迈进。此外,第3季适逢传统旺季,加上美国将在12月初开始对部分大陆出口的电子产品课征关税,也产生提前出货效应,需求力道
发表于 2019-09-27
物联网、5G以及人工智能的演进,兆易创新迎来巨大增长潜力
,兆易创新董事长、长鑫存储董事长兼首席执行官朱一明公开宣布,长鑫存储投产的8Gb DDR4通过了多个国内外大客户的验证,今年底正式交付,另有一款供移动终端使用的低功耗产品也即将投产,这或许将助力兆易创新规划之中的DRAM产品的真正落地。 兆易创新是同类型闪存芯片公司中唯一一家fabless公司,无晶圆厂的设计公司的优势是专注度,何卫表示,兆易创新可以专注地进行产品设计研发,将产品做到极致,这是其他任何一家IDM所不具备的。 截至2019 年,兆易创新闪存芯片累计出货超过 100 亿颗,MCU 产品累计出货超过 3 亿颗。兆易创新立足已有的 Flash 业务和 MCU 业务,积极整合新加入的基于触控和指
发表于 2019-09-26
物联网、5G以及人工智能的演进,兆易创新迎来巨大增长潜力
长鑫存储填补了国内DRAM的空白,集成电路项目已签约
世界制造业大会上,长鑫存储引人注目。总投资超过2200亿元的合肥长鑫集成电路制造基地项目在合肥签约,其中长鑫12英寸存储器晶圆制造基地项目总投资约1500亿元。 长鑫存储技术有限公司是中国第一家投入量产的DRAM芯片设计制造一体化企业,长鑫晶圆项目由合肥市产业投资(控股)集团有限公司和北京兆易创新科技股份有限公司合作投资,长鑫存储负责管理和运营,是中国大陆唯一拥有完整技术、工艺和生产运营团队的DRAM项目。  芯片被誉为“现代工业粮食”。长鑫存储是中国第一家投入量产的动态随机存取存储芯片(DRAM)设计制造一体化企业,其“亮剑”芯片之巅对于推动中国在这一高端芯片产业上逐步实现独立自主,带动上下游产业链
发表于 2019-09-23
长鑫存储填补了国内DRAM的空白,集成电路项目已签约
第26章 FMC—扩展外部SDRAM—零死角玩转STM32-F429系列
本章参考资料:《STM32F4xx 中文参考手册2》、《STM32F4xx规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。关于SDRAM存储器,请参考前面的"常用存储器介绍"章节,实验中SDRAM芯片的具体参数,请参考其规格书《IS42-45S16400J》来了解。26.1 SDRAM控制原理STM32控制器芯片内部有一定大小的SRAM及FLASH作为内存和程序存储空间,但当程序较大,内存和程序空间不足时,就需要在STM32芯片的外部扩展存储器了。STM32F429系列芯片扩展内存时可以选择SRAM和SDRAM,由于SDRAM的"容量/价格"比较
发表于 2019-09-20
第26章 FMC—扩展外部SDRAM—零死角玩转STM32-F429系列
已到10nm级别,长鑫存储谈未来DRAM技术之路
在深圳举办的中国闪存技术峰会上,长鑫存储副总裁、未来技术评估实验室负责人平尔萱博士进行了《DRAM技术趋势与行业应用》的演讲。平尔萱博士表示,随着数据量的增加,数据处理能力就需要相应的加强,因此需要更强大的CPU,同时存储器的数据容量、读写速度也需要加强。因此近年来对DRAM的要求也在持续提高。今年5月15日,长鑫存储董事长兼CEO朱一明曾表示,从技术来源角度,合肥长鑫与奇梦达合作,并结合了长鑫自己的技术。通过与奇梦达合作,将一千多万份有关DRAM的技术文件(约2.8TB数据)收归囊中。在此次会议上,平尔萱博士对奇梦达DRAM也有提及。他表示,在DRAM技术的演进过程中,曾经的DRAM巨头奇梦达提出的埋入式电栅三极管概念给整个
发表于 2019-09-20
小广播
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved