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DRAM(动态随机存储器)的原理及芯片实现

最新更新时间:2022-12-17
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什么是DRAM?

DRAM(动态随机存储器) 在日常生活中还有一个亲切称呼叫 内存条, 利用电容储存电荷多少来存储数据,需要定时刷新电路克服电容漏电问题,读写速 度比SRAM慢,常用于容量大的主存储器,如计算机、智能手机、服务器内存等。

DRAM内部结构

DRAM实物模组

DRAM历史与发展:早期存储器的发展史

1942年, 世界上第一台电子数字计算机ATANASOFF-BERRY COMPUTER(ABC)诞生,使用再生电容 磁鼓存储器存储数据。

1946年, 随机存取存储器(RAM)问世,静电记忆管能在真空管内使用静电荷存储大约4000字节数据。

1947年, 延迟线存储器被用于改良雷达声波。延迟线存储器是一种可以重刷新的存储器,仅能顺序存取 。同年磁芯存储器诞生,这是随机存取存储器(RAM)的早期版本。

1951年, 磁带首次被用于计算机上存储数据,在UNIVAC计算机上作为主要的I/O设备,称为UNIVACO ,这就是商用计算机史上的第一台磁带机。

1956年, 世界上第一个硬盘驱动器出现在了IBM的RAMAC 305计算机中,标志着磁盘存储时代的开始。该计算机是第一台提供随机存取数据的计算机,同时还使用了磁鼓和磁芯存储器。

1965年, 美国物理学家Russell发明了只读式光盘存储器(CD-ROM),1966年提交了专利申请。1982 年,索尼和飞利浦公司发布了世界上第一部商用CD音频播放器CDP-101,光盘开始普及。

1966年, DRAM被发明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard发明了动态随机存取 存储器(DRAM),并于1968年申请了专利。

1970年, Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103,彻底颠覆了磁存储技术。DRAM的出现解决 了磁芯存储器体积庞大,运行速度慢,存储密度低及能耗较高等问题。

DRAM分类

DRAM 主要可以分为 DDR(Double Data Rate)系列、LPDDR(Low Power Double Data Rate)系列和GDDR(Graphics Double Data Rate)系列、HBM系列。

DDR 是内存模块中使输出增加一倍的技术,是目前主流的内存技术。 LPDDR 具有低功耗的特性,主要应用于便携设备。 GDDR一般会匹配使用高性能显卡共同使用, 适用于具有高带宽图形计算的领域。

云计算、大数据的兴起,服务器的数据容量和处理速度在不断提高,推动了DDR技术的升级 迭代,目前市场上主流技术规范为DDR4和LPDDR4,DDR5技术即将进入商用领域。

DRAM未来技术及制程

DRAM从2D架构转向3D架构是未来的主要趋势之一。 3D DRAM是将存储单元(Cell)堆叠至逻辑单元 上方以实现在单位晶圆面积上产出上更多的产量,这里主要通过改变电容设计实现,从平面电容到深槽电容再到堆叠电容,相较于普通的平面DRAM,3D DRAM可以有效降低 DRAM的单位成本。

其他发展路径:采用铁电材料的设计电容 (ferro capacitor)以延长DRAM位元格储存电荷的时间延长。具有改善DRAM的资料保存时间(retention time),减小刷新的负担、快速开启或关闭低功耗模式、实 现更低的备用功耗,以及进一步推动DRAM的规模化等优点。使用低漏电流沉积的薄膜晶体管(thin-film transistor),例如氧化铟镓锌,来取代DRAM位元格内的硅基晶体管,以大幅降低储存单元的面积。

DRAM存储单元电路蚀刻剖面演变

DRAM存储单元结构

内存芯片基本单元结构(DRAM Memory Cell Circuit)


WL(X):字节线(Word Line),X地址寻址线(Row Address);

BL(Y):比特线(Bit Line),Y地址寻址线(Column Address)和数据出入输出线(Data In/Out);

Transistor : 金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管开关;

Capacitor: 电荷储能单元即电容。

备注:内存芯片中每个单元都有以字节线和比特线组合的独立地址。以2016年主流4GB单面8芯片内存条为例,每粒内存芯片有4G个独立地址。


DRAM存储单元电路读写原理

存储单元电路






DRAM芯片工作原理

最早、最简单也是最重要的一款DRAM 芯片是Intel 在1979 年发布的 2188 ,这款芯片是16Kx1 DRAM 18 线DIP 封装。“16K x 1”的部分意思告诉我们这款芯片可以存储16384个bit 数据,在同一个时期可以同时进行1bit 的读取或者写入操作。

DRAM2188芯片引脚图

2188内部架构

DRAM2188内部 有/RAS(Row Address Strobe:行地址脉冲选通器)引脚控制的行地址门闩线路(Row Address Latch)和由/CAS(Column Address Strobe:列地址脉冲选通器)引脚控制的列地址门闩线路(ColumnAddress Latch)。

存储(读取)流程图

1)通过地址总线将行地址传输到地址引脚
2)/RAS 引脚被激活,这样行地址被放入到行地址选通电路中
3) 行地址解码器( Row Address Decoder)选择正确的形式然后送到传感放大器( sense amps)
4)/WE 引脚被确定不被激活,所以DRAM 知道它不会进行写入操作
5)列地址通过地址总线传输到地址引脚
6)/CAS 引脚被激活,这样列地址被放入到列地址选通电路中
7)/CAS 引脚同样还具有/OE 引脚的功能,所以这个时候Dout 引脚知道需要向外输出数据。
8) /RAS 和/CAS 都不被激活,这样就可以进行下一个周期的数据操作了。
其实DRAM 写入的过程和读取过程是基本一样的,所以如果你真的理解了上面的过程就能知道写入过程了,所以这里就不赘述了。(只要把第4 步改为/WE 引脚被激活就可以了)。

DRAM存储单元电路的半导体芯片实现

存储单元单路芯片剖面图

存储电容的蚀刻流程:

以深槽电容器制程为例分为3个阶段;

(1)深槽蚀刻制程 (2)电容介电层及上下基板制程 (3)埋藏式连接带BS的形成

深槽刻蚀制程

介电层上下基板制程

BS形成制程

MOS管工艺简介:

这就是一个 NMOS 的结构简图,一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样,在一定的地基(衬底)上依据设计一步步“盖”起来,大致要经过以下步骤:

(1)单晶硅切片,研磨,抛光 (2)清洗后,再生长一层二氧化硅 (3)一次光刻 (4)扩散工艺掺杂 (5)二次光刻 (6)真空镀铝 (7)反刻电极 (8)合金 (9)挑选管芯焊盘,键合引线 (10)中测 (11)封装 (12)终测

MOS管剖面结构图

MOS管立体芯片图

end


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