DRAM迈入3D时代！3D Super-DRAM是什么？

amao · 发表于 2017-3-20 17:15

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3D Super-DRAM是什么？为何需要这种技术？

就算3D NAND的每位元成本与平面NAND相比较还不够低，NAND快闪存储器已经成功地由平面转为3D，而DRAM还是维持2D架构；在此同时，DRAM制程的微缩也变得越来越困难，主要是因为储存电容的深宽比(aspect ratio)随着元件制程微缩而呈倍数增加。

因此，为了要延长DRAM这种存储器的寿命，在短时间内必须要采用3D DRAM解决方案。什么是3D超级DRAM (Super-DRAM)？为何我们需要这种技术？以下请见笔者的解释。

平面DRAM是存储器单元阵列与存储器逻辑电路分占两侧，3D Super-DRAM则是将存储器单元阵列堆叠在存储器逻辑电路的上方，因此裸晶尺寸会变得比较小，每片晶圆的裸晶产出量也会更多；这意味着3D Super-DRAM的成本可以低于平面DRAM。

3D Super-DRAM与平面DRAM结构比较

3D Super-DRAM重复使用了运用于平面DRAM的经证实生产流程与元件架构；当我们比较平面与3D两种DRAM，储存电容以及存储器逻辑电路应该会是一样的，它们之间的唯一差别是单元电晶体。平面DRAM正常情况下会采用凹型电晶体(recessed transistor)，3D Super-DRAM则是利用垂直的环绕闸极电晶体(Surrounding Gate Transistor，SGT)

3D Super-DRAM架构

平面DRAM最重要也最艰难的挑战，是储存电容的高深宽比。如下图所示，储存电容的深宽比会随着元件制程微缩而呈倍数增加；换句话说，平面DRAM的制程微缩会越来越困难。根据我们的了解，DRAM制程微缩速度已经趋缓，制造成本也飙升，主要就是因为储存电容的微缩问题；这个问题该如何解决？

平面DRAM储存电容深宽比会随制程微缩而增加

平面DRAM的储存电容恐怕无法变化或是修改，但是如果使用存储器单元3D堆叠技术，除了片晶圆的裸晶产出量可望增加四倍，也能因为可重复使用储存电容，而节省高达数十亿美元的新型储存电容研发成本与风险，并加快产品上市时程。

垂直SGT与凹型电晶体有什么不同？两者都有利于源极(source)与汲极(drain)间距离的微缩，因此将泄漏电流最小化；但垂直SGT能从各种方向控制闸极，因此与凹型电晶体相较，在次临限漏电流(subthreshold)特性的表现上更好。

垂直SGT与凹型电晶体特性比较

众所周知，绝缘上覆矽(SOI)架构在高温下的接面漏电流只有十分之一；而垂直SGT的一个缺点，是没有逆向偏压(back-bias)特性可以利用。整体看来，垂直SGT与凹型电晶体都能有效将漏电流最小化。

接着是位元线寄生效应(parasitics)的比较。平面DRAM的埋入式位元线能减少储存电容与位元线之间的寄生电容；垂直SGT在最小化寄生电容方面也非常有效，因为位元线是在垂直SGT的底部。而因为垂直SGT与埋入式电晶体的位元线都是采用金属线，位元线的串联电阻能被最小化；总而言之，垂直SGT与凹型电晶体的性能与特征是几乎相同的。

垂直SGT与凹型电晶体的寄生电容比较

不过垂直SGT与凹型电晶体比起来简单得多，前者只需要两层光罩，节省了3~4层光罩步骤；举例来说，不用源极与汲极光照，也不需要凹型闸极光罩、字元线(word line)光罩，以及埋入式位元线光罩。如果你有3D Super-DRAM制造成本高昂的印象，这是不正确的；3D Super-DRAM的制程与结构，还有元件的功能性与可靠度都已成功验证。