平面→立體，3D DRAM重定存儲器游戲規(guī)則？

近日，外媒《BusinessKorea》報(bào)道稱，三星的主要半導(dǎo)體負(fù)責(zé)人最近在半導(dǎo)體會議上表示正在加速3D DRAM商業(yè)化，并認(rèn)為3D DRAM是克服DRAM物理局限性的一種方法，據(jù)稱這將改變存儲器行業(yè)的游戲規(guī)則。

3D DRAM是什么？它將如何顛覆DRAM原有結(jié)構(gòu)？

壹
摩爾定律放緩，DRAM工藝將重構(gòu)

1966年的秋天，跨國公司IBM研究中心的Robert H. Dennard發(fā)明了動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM），而在不久的將來，這份偉大的成就為半導(dǎo)體行業(yè)締造了一個影響巨大且市場規(guī)模超千億美元的產(chǎn)業(yè)帝國。

DRAM的誕生為PC端、移動端、服務(wù)器端等需要處理大容量數(shù)據(jù)的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，包括個人電腦（1981年由IBM研發(fā)）、智能手機(jī)、商用服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等應(yīng)用領(lǐng)域。從2000年之后，個人電腦、智能手機(jī)等應(yīng)用的爆發(fā)式增長，使DRAM在半導(dǎo)體存儲器市場中占據(jù)著舉足輕重的地位。

經(jīng)過數(shù)十年的成長，DRAM早已成為半導(dǎo)體主流存儲器之一，并成為了目前最常見的內(nèi)存產(chǎn)品，還形成了由三星、SK海力士、美光等三大巨頭為主導(dǎo)的市場格局。

從本質(zhì)上講，DRAM是一種易失性的、基于電容的、破壞性讀取形式的存儲器。DRAM的存儲單元是由一個用于存儲電荷的電容器和一個用于訪問電容器的晶體管組成，由于設(shè)計(jì)簡潔，因此可以實(shí)現(xiàn)極高的集成密度。

DRAM可存儲大量的數(shù)據(jù)，能在處理數(shù)據(jù)的同時自行刷新和刪除數(shù)據(jù)，相比于SRAM，DRAM的成本更低，存儲器密度更高。但DRAM也有一些缺點(diǎn)，比如讀寫速度比SRAM慢，耗電量也較大。并且在現(xiàn)實(shí)中，晶體管會有漏電電流的現(xiàn)象，這導(dǎo)致電容上所存儲的電荷數(shù)量并不足以正確地判別數(shù)據(jù)，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)毀損，所以在DRAM工作時，需要定時刷新電路，克服電容漏電問題。

數(shù)十年來，摩爾定律一直是業(yè)界崇尚的黃金法則，也一直是半導(dǎo)體性能和成本的驅(qū)動因素。早前的DRAM可以滿足業(yè)界需求，但隨著摩爾定律推進(jìn)速度放緩，DRAM工藝也步入了技術(shù)瓶頸期。

從技術(shù)進(jìn)度上看，目前DRAM芯片工藝已經(jīng)突破到了10nm級別。2022年11月中旬，美光已實(shí)現(xiàn)1β DRAM（第五代10nm級別DRAM）量產(chǎn)，據(jù)悉，該公司正在對下一代1γ（gamma）工藝進(jìn)行初步的研發(fā)設(shè)計(jì)。而三星的技術(shù)路線圖預(yù)計(jì)，2023年進(jìn)入1b nm（第五代10nm級別DRAM）工藝階段。針對DRAM芯片，隨著晶體管尺寸越來越小，芯片上集中的晶體管就越多，這意味著一片芯片能實(shí)現(xiàn)更高的內(nèi)存容量。

雖然10nm還不是DRAM的最后極限，但多年來DRAM的擴(kuò)展速度明顯放緩，新的DRAM節(jié)點(diǎn)也只是縮小一小部分，3D DRAM順勢成為了存儲廠商迫切想突破DRAM工藝更高極限的新路徑。

貳
平面升立體，3D DRAM跳出原框架

由上文可知，DRAM工藝突破放緩的原因主要在于存儲單元的簡潔結(jié)構(gòu)——由一個用于存儲電荷的電容器和一個用于訪問電容器的晶體管組成。業(yè)界的思路也就是顛覆這種結(jié)構(gòu)，并輔以特殊的材料，從而走向創(chuàng)新。

便于增強(qiáng)我們理解這種創(chuàng)新方式的，便是能與DRAM相媲美的存儲器技術(shù)NAND Flash，后者早已抵達(dá)3D世界，并且如今還跨至4D空間。

當(dāng)前對于克服DRAM物理局限性有著一定的緊迫性。此前，業(yè)界一直在嘗試減小電路線寬，來提高DRAM芯片的密度。通常來說，線寬越小，晶體管越多，集成度越高，功耗越低，速度越快。

此方法的確是達(dá)到了效果，但隨著線寬進(jìn)入10nm范圍，電容器漏電和干擾等物理限制的問題卻明顯增加。為了補(bǔ)救這種情況，業(yè)界還引入了high-k材料和極紫外（EUV）設(shè)備等新材料和新設(shè)備。但顯然，在制造10nm或更先進(jìn)的小型芯片中，現(xiàn)有的這些技術(shù)讓芯片制造商顯得心有余而力不足。

在大環(huán)境需求和供給的沖突逼迫下，讓DRAM平面2D升至3D逐漸成為了業(yè)界追求技術(shù)突破的共識。

所謂3D DRAM，其實(shí)是一種將存儲單元（Cell）堆疊至邏輯單元上方的新型存儲方式，從而可以在單位晶圓面積上實(shí)現(xiàn)更高的容量。

針對3D DRAM的構(gòu)想，BeSang公司曾經(jīng)向外公布了3D Super-DRAM技術(shù)方案。據(jù)官網(wǎng)介紹，平面DRAM是內(nèi)存單元數(shù)組與內(nèi)存邏輯電路分占兩側(cè)，3D DRAM則是將內(nèi)存單元數(shù)組堆棧在內(nèi)存邏輯電路的上方，因此裸晶尺寸會變得比較小，每片晶圓的裸晶產(chǎn)出量也會更多。

△圖片來源：BeSang

而平面DRAM的工藝微縮會越來越困難，其中的關(guān)鍵要素是儲存電容的高深寬比。通常來說，儲存電容的高深寬比會隨著組件工藝微縮而呈現(xiàn)倍數(shù)增加。所以從原理上看，3D DRAM可以有效解決平面DRAM當(dāng)前的困境。

而令業(yè)界關(guān)心的成本問題，3D DRAM使用的3D堆棧技術(shù)將實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用儲存電容，可有效降低單位成本。未來，DRAM從傳統(tǒng)2D發(fā)展至3D立體，將是大勢所趨，這對于存儲器市場來說，也將迎來一種擁有全新結(jié)構(gòu)的存儲芯片。

叁
未來增長動力，大廠在蓄力3D DRAM

新技術(shù)發(fā)展前期，大都是艱難而緩慢的，然而這并不能阻擋企業(yè)追逐創(chuàng)新技術(shù)的步伐。在技術(shù)布局方面，美光早已開始部署3D DRAM的研發(fā)，是目前3D DRAM專利數(shù)較多的。

而三星于2021年在其DS部門內(nèi)建立了下一代工藝開發(fā)研究團(tuán)隊(duì)，開始研究。在2022年SAFE論壇上，三星列出了Samsung Foundry 的整體3DIC歷程，并表示將準(zhǔn)備用一種邏輯堆棧芯片SAINT-D，來處理DRAM堆疊問題，其設(shè)計(jì)目的是想將八個HBM3芯片集成到一個巨大的中介層芯片上。近期，三星高管表示正在加速3D DRAM的商業(yè)化。不過，目前上述企業(yè)都沒有披露該技術(shù)的更多信息。

△圖片來源：三星官網(wǎng)

通往3D DRAM道路的技術(shù)中，這里要特別提到的是HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲器）和無電容式IGZO（indium-gallium-zinc-oxide）技術(shù)。

HBM方面，2014年，AMD、SK海力士共同開發(fā)出HBM技術(shù)，該技術(shù)使用TSV（Through Silicon Via，硅穿孔）技術(shù)將數(shù)個DRAM芯片堆疊起來，大幅提高了容量和數(shù)據(jù)傳輸速率，自此便開啟了DRAM 3D化發(fā)展道路。

后期在三星、美光、NVIDIA、Synopsys等企業(yè)的加速競賽下，HBM內(nèi)存技術(shù)已從HBM、HBM2、HBM2E升級至HBM3標(biāo)準(zhǔn)（第四代HBM）。

TrendForce集邦咨詢認(rèn)為，AI需求持續(xù)帶動HBM存儲器成長，并預(yù)估2023~2025年HBM市場年復(fù)合成長率有望成長至40~45%以上。

IGZO方面，2004年，IGZO氧化物被東京工業(yè)大學(xué)的細(xì)野教授發(fā)現(xiàn)并發(fā)表在《自然》雜志上。在2020 IEDM（International ElectronDevices Meeting）上，美國和比利時的獨(dú)立研究小組IMEC展示了無電容器DRAM。

據(jù)當(dāng)時消息顯示，這款DRAM具有兩個IGZO-TFTs，沒有存儲電容，這種2T0C(2 Transistor -0 Capacitor) DRAM架構(gòu)有望克服經(jīng)典1T1C DRAM密度縮放的關(guān)鍵障礙，即小單元中Si晶體管的大截止電流尺寸，以及存儲電容器消耗的大面積。在2021 IEDM上，IMEC再次展示了無電容DRAM，在第一次的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，保留率和耐久性都有了提高。

同時，據(jù)中科院微電子研究所的官網(wǎng)信息顯示，在2021 IEDM上，中科院微電子研究所李泠研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華為/海思團(tuán)隊(duì)首次提出了新型CAA。該結(jié)構(gòu)有效減小了器件面積，且支持多層堆疊，通過將上下兩個CAA器件直接相連，每個存儲單元的尺寸可減小至4F2，使IGZO-DRAM擁有了密度優(yōu)勢。

2022年，華為與中科院微電子研究所聯(lián)合提出基于基于銦鎵鋅氧IGZO-FET（由In、Ga、Zn、O組成的透明氧化物）的CAA（Channel-All-Around）構(gòu)型晶體管3D DRAM技術(shù)，此成果有望克服傳統(tǒng)1T1C結(jié)構(gòu)DRAM的微縮挑戰(zhàn)。

2023年1月，針對平面結(jié)構(gòu)IGZO-DRAM的密度問題，中科院微電子所微電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士團(tuán)隊(duì)在垂直環(huán)形溝道結(jié)構(gòu)（CAA）IGZO FET的基礎(chǔ)上，研究了第二層器件堆疊前層間介質(zhì)層工藝的影響，驗(yàn)證了CAA IGZO FET在2T0C DARM應(yīng)用中的可靠性。該研究成果有助于推動實(shí)現(xiàn)4F2 IGZO 2T0C-DRAM單元。

業(yè)界認(rèn)為，HBM的出現(xiàn)開啟了DRAM 3D化發(fā)展道路，無電容IGZO-DRAM也成為了實(shí)現(xiàn)高密度3D DRAM的合適候選者。但很多技術(shù)現(xiàn)還在探索中，最終能否使DRAM實(shí)現(xiàn)3D堆疊，開始新的技術(shù)方向，還暫未可知。

不過，從工藝上看，三星當(dāng)前量產(chǎn)的最尖端DRAM線寬為12nm工藝，美光已經(jīng)量產(chǎn)了10nm DRAM芯片?？紤]到目前DRAM線寬微縮至10nm將面臨的情況，業(yè)界認(rèn)為3~4年后新型DRAM商業(yè)化將成為一種必然，而不是一種方向。

從應(yīng)用領(lǐng)域上看，近年來，雖然消費(fèi)終端市場的蕭條讓存儲器市場步入冬季，但汽車電子、AI服務(wù)器等其他領(lǐng)域?qū)Υ鎯ζ鞯男枨笕匀徊蝗?。而針對新型DRAM的未來，三星電子半導(dǎo)體研究所副社長兼工藝開發(fā)室負(fù)責(zé)人Lee Jong-myung于3月10日在韓國首爾江南區(qū)三成洞韓國貿(mào)易中心舉行的“IEEE EDTM 2023”上表示，3D DRAM被認(rèn)為是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來增長動力。

目前3D DRAM的市場格局暫不清晰?？傮w而言，對DRAM芯片來說，3D DRAM將是一個新的起點(diǎn)，對存儲商來說，這是一次可以搶占下一個戰(zhàn)略高地的機(jī)會。