DRAM，开启30年“新赌局”

作者：丰宁

DRAM制程如何突破?10nm？这曾是困扰行业的共同课题。

近日，SK海力士带来了它的答案。

本周，2025年IEEE VLSI?研讨会在日本东京举行，会议上SK海力士提出了未来30年的新?DRAM?技术路线图。

SK?海力士表示，4F2?VG和3D DRAM技术将应用于10nm及以下级内存。

至于10nm DRAM如何成为制程技术的难点？未来30年DRAM市场为什么依赖3D？4F2?VG技术又是什么？笔者在下文一一说明。

?01、1c DRAM，龙头齐聚

一直以来，各大内存厂商将上一代DRAM芯片按照1X、1Y、1Z进行工艺区分，1Xnm工艺相当于16-19nm制程工艺、1Ynm相当于14-16nm制程工艺，1Znm工艺相当于12-14nm制程工艺。而新一代的1a、1b和1c则分别代表14-12nm、12-10nm以及10nm及以下制程工艺。

为什么说10nm，是DRAM技术进程中的绊脚石？

随着10nm制程的临近，使其在晶圆上定义电路图案已经接近基本物理定律的极限。由于工艺完整性、成本、单元泄漏、电容、刷新管理和传感裕度等方面的挑战，DRAM存储单元的缩放正在放缓。

法国分析机构Yole指出，即使通过光刻EUV?工艺，平面缩放也不足以在整个下一个十年提供所需的位密度改进。

1c DRAM及接下来的发展很难，但这扇大门已被存储三大原厂叩响。

去年8月，SK海力士宣布完成第六代10nm级（1c）工艺DRAM?开发。当时SK海力士就曾强调：随着10nm级DRAM技术的世代相传，微细工艺的难度也随之加大。其中需要注意的一个点是，早在2021年SK海力士就已经开始将EUV应用于其10nm级第四代DRAM。

今年2月，美光宣布已向生态系统合作伙伴及特定客户出货专为下一代?CPU?设计的?1γ（1-gamma）第六代（10?纳米级）DRAM?节点?DDR5?内存样品。

三星的第六代10纳米级1c DRAM制程开发进度出现了延迟，预计完成时间从2024年年底推迟至2025年6月。这也意味着，本月或许就能看到三星新成果的推出。

此前韩媒报道，在下一代的HBM4内存开发上，三星和SK海力士正计划使用1c制程的DRAM。

而随着1c纳米制程DRAM?商业化，EUV光刻制造成本将快速攀升。现在来看，1c?DRAM技术的发展似乎变得紧迫起来。接下来该怎么走？如何走？

3D DRAM便是那个最被看好的选手。

3D DRAM可降低成本、最大限度地降低功耗并提高速度。

SK?海力士表示，采用VG?或3D DRAM?制程设计，可将EUV?制程成本降一半。

上图可见，再往后的10nm以下节点，将分别命名为0a、0b、0c、0d，其中打头的0a工艺预计2027年底-2028年初量产(月产能超过2万块晶圆)，0d则要到2032年。

如果说2030年DRAM市场将高度依赖3D，毫不夸张。

那么，4F2?VG DRAM技术又是什么？

4F2?VG DRAM的设计灵感来源于NAND闪存，采用了混合键合技术。这是一种经过大量研究的单元阵列结构，其中晶体管以垂直方式堆叠，也就是3D DRAM。三星将这种3D DRAM?称为“垂直通道晶体管”（vertical channel transistor，简称VCT）。

4F?结构从下而上依序为源极（source）、闸极（gate）、汲极（drain）和电容器（capacitor）。字元线（Word Line）连接到闸极，位元线（Bit Line）则连接到源极。

4F2?VG?将传统?DRAM?中的平面栅极结构调整为垂直方向，可最大限度减少单一数据存储单元的面积占用，同时有助于实现高集成度、高速度和低功耗。

那么4F?是如何由来的呢？是否存在6F?和8F?？是的。

8F??：如上图所示，早期DRAM采用8F? RCAT结构，位线跨4格，字线跨2格，总面积8F?（F为最小特征尺寸），但源极无法直接与字线连接，需留白，单元实际占4格位线宽度。虽结构简单，位线与字线留白却限制存储密度提升。

6F??：自130纳米及以下制程起，6F? BCAT结构登场，单元布局优化为位线3格、字线2格，大幅提升单元密度。然而，随线路宽度缩小到10纳米级，物理极限致电流泄漏、信号干扰频发，平面棋盘格排列单元难以为继。

4F?：为高效利用有限面积，竖起水平排列单元或垂直堆叠单元阵列成必然选择。4F?结构将源极、栅极、漏极转为垂直结构，下层源极接位线，其上栅极连字线，再往上堆叠漏极与电容器，减少电气干扰，面积缩小约30%。

不过4F2结构的内存芯片早在10多年前就有研发了，刚进入DDR3时代就有厂商计划使用，只是一直没有取得实际的进展，制造难度也非常大。

?02、三星，也紧盯4F2?DRAM

盯上4F2?DRAM的，可不只是SK海力士。

早在2023年，三星就组建了一个开发团队，目的是进一步推进4F2结构DRAM的应用，并将其量产应用于10纳米以下的DRAM制程。

三星电子表示，多家公司正致力于将技术过渡至4F? 垂直通道晶体管?DRAM，但需要克服一些技术上的挑战，包括开发氧化物通道材料和铁电体等新材料。业内人士认为，三星计划?2025?年即将推出的?4F??DRAM?的首批样品可能仅仅是内部发布试制样品。半导体设备制造商东京电子则估计，采用?VCT?和?4F? 技术的?DRAM?将在?2027?年至?2028?年间问世。

相较于在DRAM单元结构上向z方向发展的VCT DRAM，三星电子还聚焦在VS-CAT（Vertical Stacked-Cell Array Transistor，垂直堆叠单元阵列晶体管）DRAM上，该技术类似3D NAND一样堆叠多层DRAM。

除通过堆叠提升容量外，VS-CAT DRAM?还能降低电流干扰。三星电子预计其将采用存储单元和外围逻辑单元分离的双晶圆结构，因为延续传统的单晶圆设计会带来严重的面积开销。

在分别完成存储单元晶圆和逻辑单元晶圆的生产后，需要进行晶圆对晶圆（W2W）混合键合，才能得到?VS-CAT DRAM成品。

据悉，目前三星电子已在内部实现了16层堆叠的VS-CAT DRAM。

?03、有了HBM，就足够了？

读到这里，可能有读者会问：HBM?不也是?3D DRAM?吗？用HBM不就够了吗?为什么还要研究3D？答案是单单依赖HBM，还存在不足。

最直观的两点：1、HBM产量不足。2、HBM成本过高。

通往3D?DRAM，主要有这样两条路径，HBM采用的是最直接的方法，垂直堆叠多个?DRAM?芯片，并使用硅通孔（TSV）技术垂直连接各层芯片，各层?DRAM?通过微凸点与逻辑芯片相连。

常见的HBM芯片为4和8高以及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AI，这是值得的。

另一种方式是单片堆叠?DRAM，将多个?DRAM?芯片堆叠在一起，但连接方式可能有所不同。部分单片堆叠技术采用混合键合技术，两个晶圆的金属键合焊盘以及相邻介电材料直接连接，这种方式下没有?HBM?结构中芯片之间的导电凸块，且存储器芯片厚度更薄，堆叠高度整体降低。

作为一种自然延伸，单片堆叠芯片只需少量额外步骤，自然这少量的额外步骤也会导致很多困难。

?04、3D DRAM，2030年见分晓

有机构预测，到2030?年，全球?3D DRAM?市场规模有望增长到?1000?亿美元。

正是看到了这样的发展前景，以存储芯片三巨头为代表的厂商都在发力，进行相关技术和产品的研发。其中三星对该技术最为关注的，投入也最大。

三星通过VCT技术将晶体管垂直排列，使单元面积缩小30%，并结合铪锆氧化物（HZO）材料优化电荷存储性能。目前其已成功研发128Gb容量的3D X-DRAM样品，目标2030年前将单颗芯片容量扩展至1Tb。

据悉，三星电子在美国硅谷开设了一个新的研发实验室，主要进行3D DRAM?研发。据悉，该实验室隶属于硅谷的?Device Solutions America (DSA)?部门，负责监督三星电子在美国的半导体生产，并专注于新一代?DRAM?产品的开发。

除了要在2025?年量产，三星电子还要在?2027~2028?年将相关制程节点缩小到?8nm~9nm，目前，最先进的?DRAM?制程约为?12nm。

SK海力士去年在“VLSI 2024”大会上展示了5层堆叠3D DRAM原型，并宣布实现了56.1%的良率。

其研究论文，指出实验中的3D DRAM显示出与目前使用的2D DRAM相似的特性，这是海力士首次披露其3D DRAM开发的具体数据和运行特性。此外，海力士还在研究将IGZO材料应用于3D DRAM，以解决带宽和延迟方面的挑战。IGZO是由铟、镓、氧化锌组成的金属氧化物材料，大致分为非晶质IGZO和晶化IGZO。

美光在2019年就开始了3D DRAM的研究工作。截止2022年8月，美光已获得了30多项3D DRAM专利。相比之下，美光专利数量是三星和SK海力士这两家韩国芯片制造商的两三倍。美光于?2023?年末在?IEEE IEDM?会议上披露了其?32Gb 3D NVDRAM（非易失性?DRAM）研发成果。不过根据外媒?Blocks & Files?从两位受采访的行业分析师处得到的消息，这一突破性的新型内存基本不可能走向商业化量产道路，但其展现的技术进展有望出现在未来内存产品之中。

除了大厂，有些创业公司也在进行3D DRAM?开发。

例如，美国公司NEO Semiconductor?推出了一种名为?3D X-DRAM?的技术，旨在克服?DRAM?的容量限制。3D X-DRAM?的单元阵列结构类似于?3D NAND Flash，采用了?FBC?技术，它可以通过添加层掩模形成垂直结构，从而实现高良率、低成本和显著的密度提升。

据NEO 介绍，3D X-DRAM 技术可以跨 230 层实现 128Gb 的密度，是当前 DRAM 密度的 8 倍。NEO 提出了每 10 年容量增加 8 倍的目标，计划在 2030~2035 年实现 1Tb 的容量，比目前 DRAM 的容量增加 64 倍。