EUV技術(shù)開啟DRAM市場新賽程
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SK海力士公司在7月12日表示，本月已經(jīng)開始生產(chǎn)10納米8Gb LPDDR4移動(dòng)DRAM —— 他們將在該內(nèi)存芯片生產(chǎn)中應(yīng)用極紫外（EUV）工藝，這是SK海力士首次在其DRAM生產(chǎn)中應(yīng)用EUV。
本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202107/427051.htm根據(jù)SK海力士的說法，比起前一代規(guī)格的產(chǎn)品，第四代在一片晶圓上產(chǎn)出的DRAM數(shù)量增加了約25%，成本競爭力很高。新的芯片將在今年下半年開始供應(yīng)給智能手機(jī)制造商，并且還將在2022年初開始生產(chǎn)的DDR5芯片中應(yīng)用10納米EUV。
世界第三大DRAM制造商SK海力士發(fā)布聲明，正式啟用EUV光刻機(jī)閃存內(nèi)存芯片，批量生產(chǎn)采用新一代10納米級第4代（1a）微細(xì)工藝的8Gbit（千兆位）LPDDR4。這則簡短資訊在半導(dǎo)體圈子中引發(fā)熱議，這預(yù)示著國際之間，新一輪半導(dǎo)體尖端技術(shù)的革新競爭正式開始。
DRAM制造進(jìn)入EUV新時(shí)代
從原理層面上看，一個(gè)最簡單的、存儲(chǔ)一個(gè)Bit信息的DRAM Storage Cell的結(jié)構(gòu)主要是由存儲(chǔ)電容（Storage Capacitor）、訪問晶體管（Access Transistor）、字線（Wordline）以及位線（Bitline）四部分組成。
其中，存儲(chǔ)電容通過存儲(chǔ)在其中的電荷的多和少，或者說電容兩端電壓差的高和低來表示邏輯上的1和0；訪問晶體管的導(dǎo)通和截止決定了允許或禁止對存儲(chǔ)所存儲(chǔ)的信息的讀取和改寫；字線決定了訪問晶體管的導(dǎo)通或者截止；位線則是外界訪問存儲(chǔ)電容的唯一通道。
對于一種這樣設(shè)計(jì)的器件，如何縮小其工藝尺寸，就成為了降低DRAM成本和尺寸的關(guān)鍵。
回顧DRAM過去多年的發(fā)展，在歷經(jīng)了2008年的40nm級別、2010年的30nm級別的推進(jìn)后，自2016年以來就一直在10nm級別（19nm到10nm或1X）徘徊，三大存儲(chǔ)廠商（三星、SK海力士和美光）也都推出了多代的工藝。當(dāng)中的每一次升級，都涉及在某些維度上減小DRAM單元尺寸，以實(shí)現(xiàn)增加密度和降低功耗的目的。
了解DRAM演進(jìn)歷史的人都知道，工藝的競爭是永恒的旋律。隨著產(chǎn)品的技術(shù)更新，半導(dǎo)體行業(yè)開始將代表著技術(shù)革新工藝節(jié)點(diǎn)的每一代產(chǎn)品用標(biāo)注英文字母的方式命名。在進(jìn)入20nm節(jié)點(diǎn)以后，通過三代工藝去制造DRAM，這就是1Xnm，1Ynm和1Znm。而這次SK量產(chǎn)的1anm DRAM則是第四代產(chǎn)品。
SK海力士對10納米級第四代DRAM實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)對整個(gè)世界半導(dǎo)體市場都有著重要意義，它標(biāo)志著采用EUV設(shè)備進(jìn)行高精度DRAM的批量生產(chǎn)成為可能。
三大廠商先后出招
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前全球DRAM的市場份額主要控制在三星、SK海力士和美光手中。參考2020年Q3的市場份額占比，三星占據(jù)41.3%，SK海力士占28.2%，美光占25%。三家合計(jì)占了全行業(yè)近95%的市場份額。
在看到了EUV的機(jī)會(huì)后，三星、SK海力士和美光這三大DRAM大廠已經(jīng)先后進(jìn)入了EUV DRAM市場，或者至少已經(jīng)公布了公司的EUV DRAM規(guī)劃。其中，三星是當(dāng)中的先頭兵。
在DRAM領(lǐng)域，三星是最先宣布EUV DRAM進(jìn)展的公司。得益于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，早在去年3月份，三星便對外宣布基于EUV的第一代10nm DRAM（D1x）已完成其客戶評估，首批交付的模塊達(dá)到了100萬塊量級。
僅僅過去半年之后，三星再次放出消息稱，其位于韓國平澤的第二條生產(chǎn)線已開始量產(chǎn)業(yè)界首款采用EUV技術(shù)的16Gb LPDDR5，帶寬高達(dá)6400Mbps。三星估計(jì)，使用EUV工藝生產(chǎn)DDR5內(nèi)存，其12英寸D1a晶圓的生產(chǎn)效率會(huì)比舊有的D1x工藝的生產(chǎn)力提升一倍。
三星總結(jié)了采用EUV技術(shù)生產(chǎn)DRAM的好處 —— 首先，可以用更小、更精細(xì)的形式繪制電路；其次，大幅節(jié)省了掩模成本和光刻處理步驟；第三，在相同的表面積中能夠存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)；此外，芯片能耗更令人滿意。
如今，SK海力士已經(jīng)成為全球第二家采用EUV光刻技術(shù)量產(chǎn)LPDDR產(chǎn)品的公司。SK海力士表示，在此前生產(chǎn)1y納米級產(chǎn)品過程中曾部分采用了EUV技術(shù)，事先完成了對其穩(wěn)定性的驗(yàn)證，此次量產(chǎn)確保了EUV工藝技術(shù)的穩(wěn)定性，未來1a納米級DRAM都將采用EUV工藝進(jìn)行生產(chǎn)。
相比之下，美光顯得比較謹(jǐn)慎。10納米級DRAM是今年1月，由美光首次出貨的，這給市場帶來了不小的震動(dòng)。不過，美光將使用現(xiàn)有的氟化氬（ArF）工藝而不是EUV來生產(chǎn)該產(chǎn)品。與EUV工藝相比，現(xiàn)有的Arf工藝對于器件的高效率、以及超小型化會(huì)產(chǎn)生不利的影響。
不過，過去多年稍顯保守的美光也宣布，將在2024年生產(chǎn)基于EUV的DRAM。至此，三大DRAM大廠都跨入了EUV時(shí)代。
半導(dǎo)體行業(yè)正在準(zhǔn)備迎接新的飛躍，全球DRAM市場領(lǐng)頭羊三星電子和SK海力士即將開啟“EUV DRAM”時(shí)代。
隨著制程工藝的提升，節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步微縮，EUV的性能和成本正在不斷優(yōu)化，DRAM將迎來EUV時(shí)代只是早晚的問題。
以EUV的引入來實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的領(lǐng)先，對存儲(chǔ)器廠商來說也是無可厚非?？紤]到DRAM產(chǎn)品的同質(zhì)性，通過引入更高制程來獲得性能差異，從而獲得市占率，是一條已經(jīng)驗(yàn)證過無數(shù)次的絕招。
三星電子和海力士正尋求通過自己的EUV DRAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)差異化，這可能會(huì)導(dǎo)致市場的寡頭壟斷結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而這種情況本不可能改變。EUV DRAM將進(jìn)一步擴(kuò)大韓國半導(dǎo)體企業(yè)與中國半導(dǎo)體企業(yè)之間的差距。
只是這樣將促使行業(yè)競爭更趨白熱化，后進(jìn)者如中國國內(nèi)的DRAM廠商，如果要有所突破，勢必面臨更大的壓力。
不過光刻機(jī)廠商ASML估計(jì)，在DRAM芯片制造方面，每月每啟動(dòng)100,000個(gè)晶圓制造項(xiàng)目，一層就需要1.5到2個(gè)EUV系統(tǒng)。因此，DRAM制造商需要考慮根據(jù)容量和產(chǎn)能來規(guī)劃相關(guān)設(shè)備。
EUV光刻機(jī)技術(shù)
為什么是EUV？所謂EUV，也就是Extreme ultraviolet lithography的簡稱。EUV光刻機(jī)技術(shù)是指在極紫外光下，通過反射投影光學(xué)系統(tǒng)，將反射掩模上的圖形投影成像在硅片表面的光刻膠上。這種技術(shù)的精細(xì)度極高，可以減少多種圖形制作中的重復(fù)步驟，提高圖形分辨率。
因?yàn)榻鼛啄甑目萍几偁?，大家對這個(gè)使用在荷蘭光刻機(jī)大廠ASML新型光刻機(jī)的技術(shù)并不陌生。得益于其波長特性以及先進(jìn)的設(shè)計(jì)，EUV光刻機(jī)近年來被廣泛應(yīng)用到先進(jìn)工藝邏輯芯片的生產(chǎn)中。
但其實(shí)根據(jù)ASML在2018年的規(guī)劃，這也是一種會(huì)被存儲(chǔ)領(lǐng)域采用的新技術(shù)。
SK海力士方面表示，多年來，半導(dǎo)體光刻設(shè)備取得了許多進(jìn)步，采用具有高數(shù)值孔徑 (NA) 的大透鏡或使用短波長光作為光源。然而，隨著柵極長度減小到30nm以下，現(xiàn)有沉浸式ArF光刻設(shè)備的圖案化能力達(dá)到了極限。
按照SK海力士的說法，半導(dǎo)體行業(yè)一直在準(zhǔn)備以EUV光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)10納米級規(guī)模的工藝。通過利用13.5nm波長的光，EUV光刻機(jī)較之現(xiàn)有的193nm的ArF實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的半導(dǎo)體電路圖案，而無需進(jìn)行多重圖案化。借助這種方式，能將處理步驟的數(shù)量減少了，因此制造時(shí)間比當(dāng)前的多重圖案化技術(shù)（如四重圖案化技術(shù)(QPT)）更短，從而使EUV成為迄今為止唯一的突破。
三星方面也表示，EUV能夠幫助繪制更精細(xì)的電路，因此可以讓芯片在相同的表面積內(nèi)存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。同時(shí)，使電路更精細(xì)意味著更多的邏輯門能夠安裝在單個(gè)芯片中。通過這樣的方式，就可以讓芯片變得更強(qiáng)大，更節(jié)能。在部署EUV后，芯片的表面積得到了更有效的利用，為此業(yè)內(nèi)的人爭先恐后地為自己的生產(chǎn)線完善這項(xiàng)技術(shù)。
另外，EUV技術(shù)在DRAM中的應(yīng)用讓增加傳輸速率的同時(shí)減少了20%的功耗，這將減少二氧化碳的排放，有利于踐行綠色發(fā)展觀。
然而，EUV設(shè)備和所需的基礎(chǔ)設(shè)施是昂貴的。此外，芯片公司在首次采用該技術(shù)時(shí)可能面臨產(chǎn)量問題。
雖然EUV能夠給DRAM供應(yīng)商帶來不少好處，但為DRAM實(shí)施EUV面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn)：局部臨界尺寸均勻性（Local Critical Dimension Uniformity：LCDU），因?yàn)檫@種變化會(huì)改變電氣性能和蝕刻縱橫比；孔尺寸– EUV對孔尺寸敏感，并且加工窗口狹窄；薄抗蝕劑– EUV抗蝕劑非常薄，需要硬化。
EUV的一個(gè)主要問題是狹窄的工藝窗口；此外，當(dāng)今的電容器間距極限大于40nm，這也是當(dāng)前電容器圖案化的EUV極限。將來將需要更小的間距，并且工藝可變性需要提高30％以上，才能實(shí)現(xiàn)縮放。
EUV不足夠解決DRAM的微縮問題，這可能需要在3至5年后，引入一種新的DRAM架構(gòu)。當(dāng)中涉及的一個(gè)有趣的選擇是3D化，那就是將電容器從垂直結(jié)構(gòu)變?yōu)槎询B的水平結(jié)構(gòu)。
當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)正處于后復(fù)蘇時(shí)期，各個(gè)半導(dǎo)體廠商都不敢輕易擴(kuò)大自身產(chǎn)能，而是致力于制程技術(shù)優(yōu)化來增加對市場的供應(yīng)能力，利用EUV光刻機(jī)進(jìn)行先進(jìn)芯片的生產(chǎn)也被看作未來半導(dǎo)體市場的發(fā)展方向。
與三星、SK海力士等DRAM巨頭廠商相比，我國DRAM產(chǎn)業(yè)還處在發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)鏈相對薄弱。SK海力士對運(yùn)用EUV光刻機(jī)技術(shù)進(jìn)行1anm DRAM量產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，將拉開與其它廠商間的差距，搶占更多的市場份額，這會(huì)給我國的DRAM市場帶來強(qiáng)烈的沖擊。
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