c動態(tài)隨機存取存儲器(dynamicrandom access memory, DRAM)廣泛應用于云服務器、電腦、手機等電子設備,在內存計算領域展現出延遲低、帶寬高、運算速度快、集成密度大和生產工藝成熟等特點。
過去幾十年中,依靠生產工藝的不斷微縮和集成度的持續(xù)提高,內存芯片上存儲單元的數量呈指數式增長?,F在,20nm是業(yè)界比較成熟的節(jié)點,而基于技術節(jié)點1x(16~19nm)和1y(14~16nm)的產品已在各大DRAM制造商中投入生產。
DRAM的進一步發(fā)展需要克服10 nm以及更高技術節(jié)點帶來的限制,科技創(chuàng)新變得比以往任何時候都更為關鍵。目前,三星、美光和海力士三家主要廠商已經發(fā)布了D1z(13~15nm)和D1a(11~13nm)技術,并應用于DDR4、DDR5和LPDDR5產品中。
基于德國DRAM制造商奇夢達的技術和專利,長鑫存儲在合肥建成一座12英寸晶圓廠,開啟了DRAM芯片的研發(fā)之路。2019年9月,長鑫正式投產8GB DDR4 DRAM塊,成為中國第一個自主研發(fā)DRAM芯片的廠家,并能夠與國際主流技術相媲美。目前長鑫存儲已經量產 16nm DDR5 DRAM。
DRAM 概述
組成結構:DRAM由外圍邏輯電路與存儲矩陣構成。
特點:易失,需刷新,與NAND相比,速度快但容量小,與SRAM相比,速度慢但容量大。
應用:DRAM憑借其在存取速度和存取容量方面的折衷性能,實現在核心處理器和外部存儲器之間形成緩存空間。
在DRAM的制造中以電容定義的方法區(qū)分,主要分為堆棧式(Stack)和深溝槽式(Trench)電容器兩大類型。在2000年初,DRAM產業(yè)曾發(fā)生過溝槽式與堆疊式的架構大戰(zhàn)。溝槽式DRAM的電容在柵極下方,堆疊式DRAM的電容器則在柵極上方,是這兩種DRAM最大的差異。隨著工藝節(jié)點越往前推進,由于深孔刻蝕與沉積的難度,溝槽式DRAM的采用者越來越少。
堆疊電容器DRAM器件結構
溝槽電容器DRAM器件結構
DRAM工作原理
典型的DRAM結構單元由1個場效應晶體管和1個存取電容器(1T-1C)組成。接入晶體管的柵極端連接到字線(WL),漏極端通過位線觸點(BLC)連接到位線(BL),另一端通過存儲節(jié)點(SNC)連接到電容器。將接入晶體管作為開關,可以使電容器存儲正/負電荷,從而存儲比特數據。當晶體管關閉時,會向電容器上施加工作偏壓。當晶體管被接通時,存儲的電荷流入位線,產生一個電位變化,可以被連接到位線的放大器放大和檢測,實現存儲器數據信息的讀取。
DRAM 基本單元示意圖
DRAM單元電容材料的發(fā)展
隨著DRAM存儲電容尺寸的減小,為了減小漏電流和提高電容值,電容材料堆疊從傳統(tǒng)的SIS(semiconductor insulator semiconductor)發(fā)展為現在的MIM (metal insulator metal)。
MIM電容堆疊以H-K材料作為電容的電介質,如 SrTiO3(STO), ZrO2, HfO2, Al2O3, Ta2O5, BaxSr1-xTiO3(BST), ZrO2/Al2O3/ZrO2等材料;以金屬材料作為電容電極,如金屬極板多采用 TiN,WN,W,TiN/W,TiN/Si, Ru, RuO2 , SrRuO3(SRO),TaN, Pt等材料。