3D DRAM正加速商业化

3月16日消息，据韩国媒体businesskorea报道，全球DRAM领导厂商三星电子和SK海力士正在加快推进3D DRAM的商业化。有业内人士认为，3D DRAM将改变存储器行业的游戏规则。不过，在DRAM行业排名第三的美光自2019年以来就已经开始了3D DRAM的研究，获得的专利数量是这两家韩国芯片制造商的两到三倍。

所谓3D DRAM，是一种打破了当前陈旧的范式的，具有新结构的存储芯片。

如下图所示，传统的DRAM 被组织为一组存储体，其中包括排列成行和列阵列的存储元件。存储器阵列以存储器子阵列的分层结构分组，以实现高效布线和降低功耗。每个存储单元都被建模为晶体管电容器对，数据作为电荷存储在电容器中。每个子阵列中的各个单元也被连接到本地字线和本地位线。这个微型一电容一晶体管设计使其非常适合将大量存储单元封装到小面积中以实现高密度和高存储容量。而事实上，也有数十亿个 DRAM 单元可以被压缩到一个内存芯片上。

然而，在传统的DRAM制造中，产业几乎都是采用电路和存储器堆叠在同一平面的方法来生产DRAM，芯片制造商通过减小单元尺寸或间距来提高 DRAM 的性能。然而，他们达到了在有限空间内增加cell数量的物理极限。另一个问题是，如果电容器变得越来越薄，它们可能会崩溃。

所以，和3D NAND Flash一样往高空发展的3D DRAM成为了目标。

按照semiengineering在一篇报道中所说，通往 3D 的DRAM有两条道路，其中最直接的方法是保留当前的DRAM 技术并将多个芯片堆叠在彼此之上。这是用于高带宽存储器(HBM)的高级封装方法。常见的 HBM 芯片为 4 和 8 高，预计很快会达到 16 高。与基本 DRAM 相比，这是一种更昂贵的方法，因为在封装中堆叠die需要付出努力，但对于需要大量附近内存的应用程序（如人工智能），这是值得的。

除了这种方法外，单片堆叠的DRAM则是大家的另一个选择，相信这也是所有厂商追逐的最终目标。作为一种自然延伸，单片堆叠芯片只需少量额外步骤，但是这少量的额外步骤会导致很多困难。而为了实现这个目标，有分析人士认为3D DRAM 可以效仿3D NAND Flash，将cell翻转。因为DRAM 单元具有较小的 2D 区域，但具有较大的垂直方向电容器，使其很高且难以分层堆叠。而且，随着 2D 尺寸越来越小，电容器越来越薄，它必须加长以保持足够的电荷。

但是，如果将其翻转到一边并旋转 90 度，则可以使用每层位线的阶梯设计对单元进行分层。这样，在 DRAM 制造过程中用于制作层的光刻图案化工艺可用于所有层——所谓的共享图案化——进而简化了制造工艺。

同时，研究者们也开始探索无电容的3D DRAM，当中就包括Dynamic Flash Memory、VLT技术、Z-RAM和基于IGZO-FET等技术的方案。不过目前，三星、SK海力士和美光并没有透露其3D DRAM技术细节。

据韩国半导体行业消息人士3月12日透露，三星电子和SK海力士的主要半导体高管最近在半导体会议等一些官方活动中引用了3D DRAM作为克服DRAM微处理物理限制的方法。

3月10日，在首尔COEX举行的IEEE EDTM 2023上，三星电子半导体研究中心副总裁兼工艺开发办公室负责人Lee Jong-myung表示：“3D DRAM被认为是半导体行业未来的增长动力。”负责SK海力士未来技术研究院的SK海力士副总裁Cha Seon-yong也在3月8日表示，“到明年左右，3D DRAM的电气特性细节将被揭示，从而决定其发展方向。”

2021年左右，韩国半导体制造商正式开始讨论3D DRAM开发。三星电子当时就在其DS部门成立了下一代工艺开发团队，开始进行研究。

3D DRAM是一种具有新结构的存储器芯片，打破了当前陈旧的模式。现有的DRAM产品开发侧重于通过减少电路线宽来提高集成度，但随着线宽进入10nm范围，电容器电流泄漏和干扰等物理限制显著增加。为了防止这种情况，引入了新的材料和设备，如高介电常数（高K）沉积材料和极紫外（EUV）设备。但半导体行业认为，制造10纳米或更先进芯片的小型化将给芯片制造商带来巨大挑战。

三星电子和SK海力士今年将大规模生产的尖端DRAM的线宽为12纳米。考虑到DRAM小型化的线宽正在减少一纳米的现状，三到四年后，采用新结构的DRAM的商业化将成为一种必要，而不是一种选择。

三星电子和SK海力士可能会加快3D DRAM技术的商业化。与现有的DRAM市场不同，3D DRAM市场没有绝对的领导者，因此快速的大规模生产技术开发至关重要。由于ChatGPT等人工智能的激活，对高性能和高容量存储器半导体的需求增加，也有必要及时做出反应。

3D DRAM领域的技术竞争也在升温。根据半导体技术分析公司TechInsights的数据，在存储器半导体市场排名第三的美光公司正在积极为蓝海市场做准备，在2022年8月前获得了30多项3D DRAM专利技术。与三星电子持有的不到15项DRAM专利和SK海力士持有的约10项相比，美光获得的3D DRAM相关专利是这两家韩国芯片制造商的两到三倍。三星电子和SK海力士分别位列全球DRAM市场的第一和第二位。

编辑：芯智讯-林子