前言：

從DRAM誕生至今，行業(yè)已經擁有3家1X節(jié)點的制造商，其存儲容量超過4Gb，他們仍在制造具有相同配置的存儲單元。

三星、SK海力士、美光在2016－2017年進入1Xnm（16nm－19nm）階段，2018－2019年為1Ynm（14nm－16nm），2020年處于1Znm（12nm－14nm）時代。

DRAM技術受阻

每個新的DRAM技術節(jié)點都能生產出比其前一代更小、更緊湊的芯片，使得每個晶片能夠集成更多的芯片，抵消了引入新技術所增加的制造成本。

從技術和性能角度來看，DRAM面臨的主要是帶寬和延遲方面的挑戰(zhàn)。

由于受限于傳統計算機體系的馮－諾依曼架構，存儲器帶寬與計算需求之間的存儲墻問題日益突出。

新技術1：3D DRAM

隨著DRAM擴展速度放緩，圖案化成本的增加以及可能達到的物理極限，使得在二維上進行縮放更具挑戰(zhàn)性。

①對于堆疊的物體，關鍵是構建一個好的電容器，同時最大限度地減少對相鄰位單元的干擾。

②堆疊層將出現在生產線后端 （BEOL），而生產線的后端需要在低溫下處理，這具有較大挑戰(zhàn)性。

③由于電流電容太深，堆疊多層是不切實際的，這意味著需要一個新的位單元進行堆疊，但無電容器位單元同樣很難構建。

新技術2：晶圓減薄工藝

晶圓減薄工藝和混合鍵合技術的結合為DRAM開辟了新的可能性。

晶圓減薄工藝有利于后續(xù)封裝工藝的要求以及芯片的物理強度，散熱性和尺寸要求。

薄晶圓的生產和混合鍵合將大大降低TSV阻抗，它還會增加數據帶寬，降低熱阻，最終增加互連密度。

如果使用這種技術，將不會看到HBM結構中芯片之間的導電凸塊，并且存儲器芯片的厚度將薄十倍，這將導致堆疊高度的整體降低。

新技術3：混合鍵合技術

與現有的堆疊和鍵合方法相比，混合鍵合可以提供更高的帶寬和更低的功耗，但該技術也更難實現。

混合鍵合技術對分離過程中可能出現的芯片邊緣缺陷很敏感，這導致在晶圓切割過程后需要進行新的檢查，DRAM制造商要求在后端封裝領域進行亞微米缺陷檢測，這在原來是前所未有的。

缺陷控制至關重要，考慮到這些工藝使用已知的昂貴優(yōu)良裸片，失敗成本很高。

目前混合鍵合技術正在發(fā)展，Global Foundry、英特爾、三星、臺積電、聯電以及Imec和Leti等廠商都在致力于銅混合鍵合封裝技術的研發(fā)。

目前還沒有一種新方法可以真正取代DRAM。

美光成批量出貨1α DRAM產品的廠商

近年來，在原廠之間的技術角逐之中，美光可謂成績亮眼，無論在DRAM還是NAND領域都可謂“一馬當先”，不僅率先批量生產176層3D NAND Flash，也是第一個宣布批量出貨1α DRAM產品的廠商。

另外，在DRAM領域，美光更是三家內存原廠中唯一在1α制程中沒有導入EUV工藝的廠商。

美光最新1α制程產品擁有0．315Gb／mm?的存儲密度，half pitch為14．3nm，超越了三星1z制程工藝0．299 Gb／mm?的存儲密度，是當前業(yè)內存儲密度最高的產品。

近十年中，DRAM芯片中也使用了High－K工藝，使得DRAM性能提升的同時降低功耗。

隨著數據量增加以及對器件性能要求的提升，在實現1α以下DRAM技術的發(fā)展過程中將面臨許多挑戰(zhàn)。

DRAM制造進入EUV新時代

隨著產品的技術更新，半導體行業(yè)開始將代表著技術革新工藝節(jié)點的每一代產品用標注英文字母的方式命名。

在進入20nm節(jié)點以后，通過三代工藝去制造DRAM，這就是1Xnm，1Ynm和1Znm。

統計數據顯示，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41．3％，SK海力士占28．2％，美光占25％。

三家合計占了全行業(yè)近95％的市場份額。

如今，SK海力士已經成為全球第二家采用EUV光刻技術量產LPDDR產品的公司，未來1a納米級DRAM都將采用EUV工藝進行生產。

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。

不過，美光將使用現有的氟化氬（ArF）工藝而不是EUV來生產該產品。

與EUV工藝相比，現有的Arf工藝對于器件的高效率、以及超小型化會產生不利的影響。

不過，過去多年稍顯保守的美光也宣布，將在2024年生產基于EUV的DRAM。

至此，三大DRAM大廠都跨入了EUV時代。

EUV技術也面臨不少問題

EUV技術在DRAM中的應用讓增加傳輸速率的同時減少了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設備和所需的基礎設施是昂貴的。此外，芯片公司在首次采用該技術時可能面臨產量問題。

EUV的一個主要問題是狹窄的工藝窗口；此外，當今的電容器間距極限大于40nm，這也是當前電容器圖案化的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，才能實現縮放。

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。

當中涉及的一個有趣的選擇是3D化，那就是將電容器從垂直結構變?yōu)槎询B的水平結構。

為了實現以上目標，供應商在 1anm 及以后采用不同的路徑。在這些節(jié)點上，特征更小，掩膜層更多。

結尾：

目前，10nm進入第四階段，三星已于2020年上半年完成首批1anm制程DRAM的出貨，2021年美光、SK海力士也開始量產第四代10nm級DRAM產品。

后續(xù)，行業(yè)廠商將朝著1α、1β、1γ等技術新階段發(fā)展。

部分資料參考：半導體行業(yè)觀察：《DRAM如何走出技術困局？》，閃存市場：《美光：下一代DRAM技術面臨哪些困境？》，半導體設備與材料：《DRAM技術的未來發(fā)展路徑》《DRAM，進入EUV時代！》電子產品世界：《EUV技術開啟DRAM市場新賽程》，手機中國：《SK海力士：采用EUV技術的第四代10nmDRAM正式量產》

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