長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)正在加速?gòu)腄RAM的技術(shù)追趕者向技術(shù)引領(lǐng)者轉(zhuǎn)變

在今日舉辦的中國(guó)閃存技術(shù)峰會(huì)（CFMS）上，長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)副總裁、未來(lái)技術(shù)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人平爾萱博士做了題為《DRAM技術(shù)趨勢(shì)與行業(yè)應(yīng)用》的演講，披露了DRAM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)。

作為中國(guó)DRAM產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)正在加速?gòu)腄RAM的技術(shù)追趕者向技術(shù)引領(lǐng)者轉(zhuǎn)變，用自主研發(fā)的DRAM技術(shù)和專利，引領(lǐng)中國(guó)實(shí)現(xiàn)DRAM零的突破。

DRAM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

平爾萱博士在會(huì)上表示，我們現(xiàn)在所處的數(shù)據(jù)社會(huì)是在IC的支撐下建立起來(lái)的，其中馮諾依曼架構(gòu)則是這些數(shù)據(jù)計(jì)算的基礎(chǔ)。這個(gè)架構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器DRAM中，CPU以一定的規(guī)則獲取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算，然后將結(jié)果通過(guò)外圍設(shè)備，比如顯示器呈現(xiàn)出來(lái)。

“隨著數(shù)據(jù)量的增加，處理數(shù)據(jù)的能力要加強(qiáng)，因此需要強(qiáng)大的CPU，同時(shí)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)容量也要增強(qiáng)，并且讀寫速度也要增加。因此近來(lái)對(duì)DRAM的要求也必須持續(xù)提高。DRAM的前景是十分看好”，平爾萱博士強(qiáng)調(diào)。IBS首席執(zhí)行官 Handel Jones日前在上海出席一場(chǎng)技術(shù)論壇時(shí)也表示，DRAM將于2020年迎來(lái)復(fù)蘇，增長(zhǎng)9.87%，這也從側(cè)面印證了平博士的觀點(diǎn)。

平博士在會(huì)上介紹道，所謂DRAM，是基于電容存儲(chǔ)電荷為原理的緊密鋪排的陣列。這個(gè)陣列通過(guò)一系列外圍電路管理從而讀寫里面存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。自上世紀(jì)60年代發(fā)明以來(lái)，DRAM容量和尺寸獲得了飛速的發(fā)展。與過(guò)往相比，今天，一個(gè)面積小于指甲蓋的DRAM里可容納80億存儲(chǔ)單元，按照8個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一個(gè)字母，那就意味著一個(gè)芯片可能存8億個(gè)字母。并且這些數(shù)據(jù)可以以6Gb/sec 的速度，在幾秒內(nèi)完成讀寫。而在這些改變背后，是DRAM技術(shù)多次“進(jìn)化”的結(jié)果。

從平博士的介紹我們得知，DRAM技術(shù)在發(fā)明之后的幾十年里，經(jīng)歷了從早期簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)，變化成為了向空間爭(zhēng)取表面積的溝槽式電容及堆疊式電容的架構(gòu)。這主要與容量的提升需求和制造方法的局限性有關(guān)。

平博士解釋道，早期的DRAM芯片，由于線寬比較大，因此有足夠的平面面積可制造出足夠的電容值。然而隨著線寬的減少，表面積逐漸減少，過(guò)往的技術(shù)不能滿足所需電容值，因此DRAM開(kāi)始走向空間結(jié)構(gòu)，爭(zhēng)取更多的表面積，演變出向上和向下兩種技術(shù)發(fā)展路線，并且共存了接近三十年。而最終以堆疊式架構(gòu)勝出。

“造成這個(gè)結(jié)局的一個(gè)重要原因是溝槽式架構(gòu)面臨幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：其一是溝槽式只限于單面表面積，堆疊式可用雙面表面積，溝槽式架構(gòu)很快就達(dá)到了刻蝕深寬比極限；其二是高介質(zhì)材料的應(yīng)用受到溝槽式中高溫制程的限制。傳統(tǒng)材料SiO ，Al2O3可以在高溫下有低漏電的特性，因此比較適合溝槽式架構(gòu)，但像HfO，ZrO這些高介解常數(shù)材料漏電在高于600℃的溫度下增加許多，不能用于溝槽式架構(gòu)中需高溫處理的三極管制造中。”

平博士還提到，在DRAM技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程中，曾經(jīng)的DRAM巨頭奇夢(mèng)達(dá)提出的埋入式電柵三極管概念也給整個(gè)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的貢獻(xiàn)。他表示，這個(gè)技術(shù)同樣是利用空間，將三極管的性能提升，這種提升隨著線寬的減少越來(lái)越被需要。而近代DRAM產(chǎn)品都沿用這個(gè)概念。

“回看堆疊式架構(gòu)的發(fā)展歷史以及展望將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)就可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在DRAM沿用密集排布電容及埋入式字線三極管，乃至今后3-5代DRAM”，平博士說(shuō)。

DRAM未來(lái)的發(fā)展探索

在談到DRAM技術(shù)未來(lái)的發(fā)展時(shí)，平博士首先強(qiáng)調(diào)，DRAM是有它的極限的。我們通過(guò)改進(jìn)，可以將極限推遲。如導(dǎo)入EUV及HKMG三極管以縮小線寬及加強(qiáng)外圍電路性能，就是DRAM產(chǎn)業(yè)的一個(gè)選擇，這在未來(lái)幾年將可以維持DRAM技術(shù)發(fā)展，滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求。

首先在EUV方面，平博士指出，EUV是繼193納米 Immersion Scanner后又一個(gè)光刻機(jī)革命。它可滿足工藝精準(zhǔn)度在持續(xù)微縮中不斷增加的要求。而DRAM又是一個(gè)十分密集堆疊的設(shè)計(jì)，且對(duì)信號(hào)要求十分嚴(yán)格，任何小的偏離都會(huì)對(duì)信號(hào)造成損失。那就意味著EUV技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)DRAM技術(shù)的延展有很大的作用：如將線寬進(jìn)一步減少以增加存儲(chǔ)密度。

“EUV主要是針對(duì)陣列。但外圍線路的增強(qiáng)及微縮也是近來(lái)DRAM技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)機(jī)會(huì)”，平博士補(bǔ)充說(shuō)。

他表示，在DRAM幾乎一半的外圍線路中，有一半是邏輯線路用的。在過(guò)往，這部分的CMOS一直都是用傳統(tǒng)的SiON/Poly Si Gate堆棧的。但這個(gè)堆棧在32/28納米階段碰到了瓶頸：一方面是SiON厚度已到極限，不能再薄了；另一方面，Poly Si作為半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電率也不足了，出現(xiàn)了嚴(yán)重的元器件性能不足。如在高端的圖顯DDR中，芯片性能速度明顯不足，這就需要引進(jìn)更先進(jìn)的HKMG CMOS提供更好性能。隨著DDR5的到來(lái)，HKMG CMOS的使用會(huì)越來(lái)越現(xiàn)實(shí)。

“由于DRAM制程中有電容這一段，因此HGMG制程的選擇需與電容制程匹配。所謂的Gate First制程就可被選擇為DRAM邏輯線路CMOS制程”，平博士說(shuō)。他進(jìn)一步表示，通過(guò)引入HKMG，不但可以推動(dòng)存儲(chǔ)密度進(jìn)一步提高，接口速度也同步獲得了提升。

“為了繼續(xù)發(fā)展DRAM技術(shù)，我們還需要在新材料、新架構(gòu)上進(jìn)行更多探索，并與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行合作”，平博士說(shuō)。他最后指出，回顧過(guò)去幾十年的DRAM發(fā)展，證明IDM是發(fā)展DRAM的必然選擇，而這正是長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)從一開(kāi)始建立就堅(jiān)持的。

從平博士的介紹中我們可以看到，基于授權(quán)所得的奇夢(mèng)達(dá)相關(guān)技術(shù)和從全球招攬的極具豐富經(jīng)驗(yàn)的人才，長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)借助先進(jìn)的機(jī)臺(tái)已經(jīng)把原本奇夢(mèng)達(dá)的46納米 DRAM平穩(wěn)推進(jìn)到了10納米級(jí)別。公司目前也已然開(kāi)始了在EUV、HKMG和GAA等目前還沒(méi)有在DRAM上實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)探索。

正如前面所述，這些技術(shù)將會(huì)給DRAM帶來(lái)一個(gè)巨大的提升。這也會(huì)讓長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)有機(jī)會(huì)從一個(gè)技術(shù)追隨者轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)技術(shù)并駕齊驅(qū)、甚至全球領(lǐng)先的中國(guó)DRAM玩家。