三星新設內存研發(fā)機構：建立下一代3D DRAM技術(shù)優(yōu)勢

三星稱(chēng)其已經(jīng)在美國硅谷開(kāi)設了一個(gè)新的內存研發(fā)（R&D）機構，專(zhuān)注于下一代3D DRAM芯片的開(kāi)發(fā)。該機構將在設備解決方案部門(mén)美國分部（DSA）的硅谷總部之下運營(yíng)，由三星設備解決方案部門(mén)首席技術(shù)官、半導體研發(fā)機構的主管Song Jae-hyeok領(lǐng)導。

全球最大的DRAM制造商

自1993年市場(chǎng)份額超過(guò)東芝以來(lái)，三星在隨后的30年里，一直是全球最大的DRAM制造商，市場(chǎng)份額要明顯高于其他廠(chǎng)商，但仍需要不斷開(kāi)發(fā)新的技術(shù)、新的產(chǎn)品，以保持他們在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢。

三星去年9月推出了業(yè)界首款且容量最高的32 Gb DDR5 DRAM芯片，采用12nm級工藝打造，可生產(chǎn)出1TB的內存產(chǎn)品，鞏固了三星在DRAM技術(shù)方面的領(lǐng)導地位。

Gb即兆位（G bit），是DRAM密度單位，與GB（G Byte）不同。一根內存條有多枚DRAM芯片，這些DRAM顆粒組合起來(lái)就是Rank（內存區塊），大家常見(jiàn)的邏輯容量主要包括8GB、16GB、32GB這些，但也有128GB的服務(wù)器級內存，其中就使用了不等數量的DRAM芯片。

基于2013年全球首款3D垂直結構NAND（3D V-NAND）商業(yè)化的成功經(jīng)驗，三星也計劃將3D結構用于DRAM。

在去年10月舉行的「內存技術(shù)日」活動(dòng)上，三星宣布計劃在下一代10nm或更低的DRAM中引入新的3D結構，而不是現有的2D平面結構 —— 該計劃旨在克服3D垂直結構縮小芯片面積的限制并提高性能，能將一顆芯片的容量增加100G以上。另外，三星去年在日本舉行的「VLSI研討會(huì )」上發(fā)表了一篇包含3D DRAM研究成果的論文，并展示了作為實(shí)際半導體實(shí)現的3D DRAM的詳細圖像。

分析師預計，3D DRAM市場(chǎng)將在未來(lái)幾年快速增長(cháng)，到2028年將達到1000億美元。三星和其他主要內存芯片制造商正在激烈競爭，以引領(lǐng)這一快速增長(cháng)的市場(chǎng)。

3D DRAM將是主要發(fā)展方向

目前，DRAM是具有單元密集排列在單個(gè)平面上的2D結構，芯片制造商通過(guò)縮小單元尺寸或間距來(lái)提高DRAM的性能。但隨著(zhù)線(xiàn)寬進(jìn)入10nm范圍后，即使是通過(guò)光刻EUV工藝也不足以為整個(gè)未來(lái)十年提供所需的位密度改進(jìn)，新結構的DRAM商業(yè)化發(fā)展將成為必然，從現在起到未來(lái)的三到四年內，這將成為制造商們發(fā)展的主要方向，而不是一種選擇。因此，3D DRAM已經(jīng)被主要設備供應商和領(lǐng)先的DRAM制造商考慮作為長(cháng)期擴展的潛在解決方案。

3D DRAM是將存儲單元（Cell）堆疊至邏輯單元上方以實(shí)現在單位晶圓面積上產(chǎn)出上更多的產(chǎn)量，從這方面來(lái)說(shuō)，3D DRAM可以有效解決平面DRAM最重要也最艱難的挑戰，那就是儲存電容的高深寬比。

儲存電容的深寬比通常會(huì )隨著(zhù)組件工藝微縮而呈倍數增加，也就是說(shuō)平面DRAM的工藝微縮會(huì )越來(lái)越困難。3D DRAM可以提高存儲密度和性能，同時(shí)克服傳統DRAM在電路線(xiàn)寬縮小后面臨的電容器漏電和干擾等物理限制；還可以減少功耗和成本，提高可靠性和穩定性。

當前在存儲器市場(chǎng)，能和DRAM“分庭抗禮”的NAND Flash早在2015年就已步入3D堆疊，并開(kāi)始朝著(zhù)100+層堆疊過(guò)渡，然而DRAM市場(chǎng)卻仍處于探索階段，為了使3D DRAM能夠早日普及并量產(chǎn)，各大廠(chǎng)商和研究院所也在努力尋找突破技術(shù)。

DRAM市場(chǎng)競爭一直很激烈。三大DRAM制造商分別是三星、SK海力士和美光，它們在市場(chǎng)上占據主導地位。然而，與現有的DRAM市場(chǎng)不同，3D DRAM市場(chǎng)目前還沒(méi)有絕對的領(lǐng)導者，因此快速的大規模生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展是最重要的。此外，還必須及時(shí)應對因ChatGPT等人工智能（AI）市場(chǎng)需求增長(cháng)而導致的對高性能和高容量存儲半導體需求的增加。

HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲器）技術(shù)可以說(shuō)是DRAM從傳統2D向立體3D發(fā)展的主要代表產(chǎn)品，開(kāi)啟了DRAM 3D化道路。它主要是通過(guò)硅通孔（Through Silicon Via，簡(jiǎn)稱(chēng)“TSV”）技術(shù)進(jìn)行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內帶寬的限制，將數個(gè)DRAM裸片垂直堆疊，裸片之間用TVS技術(shù)連接。從技術(shù)角度看，HBM充分利用空間、縮小面積，正契合半導體行業(yè)小型化、集成化的發(fā)展趨勢，并且突破了內存容量與帶寬瓶頸，被視為新一代DRAM解決方案。

三星的3D DRAM方案

存儲器行業(yè)正在通過(guò)增加同一區域的集成度來(lái)大力開(kāi)發(fā)具有卓越性能的3D DRAM。據報道，三星已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)一種躺著(zhù)堆疊單元的技術(shù)：這是與HBM不同的概念，后者是通過(guò)將多個(gè)模具堆疊在一起產(chǎn)生的。

此外，三星還在考慮增加DRAM晶體管的柵極（電流門(mén)）和通道（電流路徑）之間的接觸面，當柵極和通道之間的接觸面增加時(shí)，晶體管可以更精確地控制電流的流動(dòng)。這意味著(zhù)三面接觸的FinFet技術(shù)和四面接觸的Gate-all-around（GAA）技術(shù)可以用于DRAM生產(chǎn)。

據了解，美光和SK海力士也在考慮開(kāi)發(fā)3D DRAM。美光提交了一份與三星不同的3D DRAM的專(zhuān)利申請，是在不鋪設單元的情況下改變晶體管和電容器的形狀。Applied Materials和Lam Research等全球半導體設備制造商也開(kāi)始開(kāi)發(fā)與3D DRAM有關(guān)的解決方案。

然而，由于開(kāi)發(fā)新材料的困難和物理限制，3D DRAM的商業(yè)化還需要一些時(shí)間。業(yè)內人士預測，3D DRAM將在2025年左右問(wèn)世。