3D Super-DRAM是什么?為何需要這種技術(shù)?

為了要延長(zhǎng)DRAM這種內(nèi)存的壽命，在短時(shí)間內(nèi)必須要采用3D DRAM解決方案。什么是3D超級(jí)DRAM (Super-DRAM)?為何我們需要這種技術(shù)?以下請(qǐng)見(jiàn)筆者的解釋。

平面DRAM是內(nèi)存單元數(shù)組與內(nèi)存邏輯電路分占兩側(cè)，3D Super-DRAM則是將內(nèi)存單元數(shù)組堆棧在內(nèi)存邏輯電路的上方，因此裸晶尺寸會(huì)變得比較小，每片晶圓的裸晶產(chǎn)出量也會(huì)更多;這意味著3D Super-DRAM的成本可以低于平面DRAM。

3D Super-DRAM與平面DRAM結(jié)構(gòu)比較

3D Super-DRAM重復(fù)使用了運(yùn)用于平面DRAM的經(jīng)證實(shí)生產(chǎn)流程與組件架構(gòu);當(dāng)我們比較平面與3D兩種DRAM，儲(chǔ)存電容以及內(nèi)存邏輯電路應(yīng)該會(huì)是一樣的，它們之間的唯一差別是單元晶體管。平面DRAM正常情況下會(huì)采用凹型晶體管(recessed transistor)，3D Super-DRAM則是利用垂直的環(huán)繞閘極晶體管(Surrounding Gate Transistor，SGT)

3D Super-DRAM架構(gòu)

平面DRAM最重要也最艱難的挑戰(zhàn)，是儲(chǔ)存電容的高深寬比。如下圖所示，儲(chǔ)存電容的深寬比會(huì)隨著組件制程微縮而呈倍數(shù)增加;換句話(huà)說(shuō)，平面DRAM的制程微縮會(huì)越來(lái)越困難。根據(jù)我們的了解，DRAM制程微縮速度已經(jīng)趨緩，制造成本也飆升，主要就是因?yàn)閮?chǔ)存電容的微縮問(wèn)題;這個(gè)問(wèn)題該如何解決?

平面DRAM儲(chǔ)存電容深寬比會(huì)隨制程微縮而增加

平面DRAM的儲(chǔ)存電容恐怕無(wú)法變化或是修改，但是如果使用內(nèi)存單元3D堆棧技術(shù)，除了片晶圓的裸晶產(chǎn)出量可望增加四倍，也能因?yàn)榭芍貜?fù)使用儲(chǔ)存電容，而節(jié)省高達(dá)數(shù)十億美元的新型儲(chǔ)存電容研發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)，并加快產(chǎn)品上市時(shí)程。

垂直SGT與凹型晶體管有什么不同?兩者都有利于源極(source)與汲極(drain)間距離的微縮，因此將泄漏電流最小化;但垂直SGT能從各種方向控制閘極，因此與凹型晶體管相較，在次臨限漏電流(subthreshold)特性的表現(xiàn)上更好。

垂直SGT與凹型晶體管特性比較

眾所周知，絕緣上覆硅(SOI)架構(gòu)在高溫下的接面漏電流只有十分之一;而垂直SGT的一個(gè)缺點(diǎn)，是沒(méi)有逆向偏壓(back-bias)特性可以利用。整體看來(lái)，垂直SGT與凹型晶體管都能有效將漏電流最小化。

接著是位線(xiàn)寄生效應(yīng)(parasiTIcs)的比較。平面DRAM的埋入式位線(xiàn)能減少儲(chǔ)存電容與位線(xiàn)之間的寄生電容;垂直SGT在最小化寄生電容方面也非常有效，因?yàn)槲痪€(xiàn)是在垂直SGT的底部。而因?yàn)榇怪盨GT與埋入式晶體管的位線(xiàn)都是采用金屬線(xiàn)，位線(xiàn)的串聯(lián)電阻能被最小化;總而言之，垂直SGT與凹型晶體管的性能與特征是幾乎相同的。

垂直SGT與凹型晶體管的寄生電容比較

不過(guò)垂直SGT與凹型晶體管比起來(lái)簡(jiǎn)單得多，前者只需要兩層光罩，節(jié)省了3~4層光罩步驟;舉例來(lái)說(shuō)，不用源極與汲極光照，也不需要凹型閘極光罩、字符線(xiàn)(word line)光罩，以及埋入式位線(xiàn)光罩。如果你有3D Super-DRAM制造成本高昂的印象，這是不正確的;3D Super-DRAM的制程與結(jié)構(gòu)，還有組件的功能性與可靠度都已成功驗(yàn)證。

垂直SGT需要的光罩層數(shù)較少

下圖是3D Super-DRAM與平面DRAM相較的各種優(yōu)點(diǎn)摘要：