3D DRAM時代即將到來，泛林集團這樣構(gòu)想3D DRAM的未來架構(gòu)

SEMulator3D將在半導(dǎo)體器件設(shè)計和制造中發(fā)揮重要作用

作者：泛林集團 Semiverse Solutions 部門 SEMulator3D?應(yīng)用工程總監(jiān)Benjamin Vincent

(資料圖片)

動態(tài)隨機存取存儲器 (DRAM) 是一種集成電路，目前廣泛應(yīng)用于需要低成本和高容量內(nèi)存的數(shù)字電子設(shè)備，如現(xiàn)代計算機、顯卡、便攜式設(shè)備和游戲機。

技術(shù)進步驅(qū)動了DRAM的微縮，隨著技術(shù)在節(jié)點間迭代，芯片整體面積不斷縮小。DRAM也緊隨NAND的步伐，向三維發(fā)展，以提高單位面積的存儲單元數(shù)量。（NAND指“NOT AND”，意為進行與非邏輯運算的電路單元。）

這一趨勢有利于整個行業(yè)的發(fā)展，因為它能推動存儲器技術(shù)的突破，而且每平方微米存儲單元數(shù)量的增加意味著生產(chǎn)成本的降低。

DRAM技術(shù)的不斷微縮正推動向使用水平電容器堆疊的三維器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

行業(yè)由2D DRAM發(fā)展到3D DRAM預(yù)計需要多長時間？以目前的技術(shù)能力來看，需要5到8年。與半導(dǎo)體行業(yè)的許多進步一樣，下一階段始于計劃。或者說，在DRAM領(lǐng)域，下一階段始于架構(gòu)。

泛林集團正在使用SEMulator3D^?計算機仿真軟件構(gòu)想3D DRAM的架構(gòu)，來探索DRAM的未來。SEMulator3D^?計算機仿真軟件通常通過模擬實際晶圓制造的過程來虛擬加工半導(dǎo)體器件。以下是我們對3D DRAM架構(gòu)的設(shè)想，涉及六個方面：

微縮問題

堆疊挑戰(zhàn)

面積縮小

創(chuàng)新連接

通孔陣列

工藝要求

微縮問題

DRAM單元電路由一個晶體管和一個電容器組成。晶體管負責(zé)傳輸電流，使信息（位）能夠被寫入或讀取，而電容器則用于存儲位。

DRAM結(jié)構(gòu)由被稱為“位線(BL)”的導(dǎo)電材料/結(jié)構(gòu)組成，位線提供注入晶體管的載流子（電流）。晶體管就像一個閘門，可以打開（接通）或關(guān)閉（斷開），以保持或停止電流在器件內(nèi)的流動。這種柵極狀態(tài)由施加在被稱為“字線(WL)”的接觸導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上的電壓偏置來定義。如果晶體管導(dǎo)通，電流將流過晶體管到達電容器，并存儲在電容器中。

電容器需要有較高的深寬比，這意味著它的高度遠大于寬度。在一些早期的DRAM中，電容器的有源區(qū)被嵌入到硅襯底中。在最近幾代DRAM中，電容器則是在晶體管頂部進行加工。

一個區(qū)域內(nèi)可存儲的位數(shù)或者說單位存儲單元的平均面積對微縮至關(guān)重要。目前（見上圖D1z），每個存儲單元的面積約為20.4E-4μm²。很快，通過增高電容器減小面積以提高位密度（即進一步減小單位存儲單元面積）的方法將變得不可行，因為用于電容器制造的刻蝕和沉積工藝無法處理極端（高）的深寬比。

上圖顯示，半導(dǎo)體行業(yè)預(yù)計能夠在單位存儲單元面積達到約10.4E-4μm²前（也就是大約5年后）維持2D DRAM架構(gòu)。之后，空間不足將成為問題，這很可能提升對垂直架構(gòu)也就是3D DRAM的需求。

堆疊挑戰(zhàn)

為了推進DRAM微縮，很自然地需要將2D DRAM組件側(cè)放并堆疊起來。但這面臨幾個難題：

水平方向需要橫向刻蝕，但由于凹槽尺寸差異很大，橫向刻蝕非常困難。

在堆?？涛g和填充工藝中需要使用不同的材料，這給制造帶來了困難。

連接不同3D組件時存在集成難題。

最后，為了讓這一方案更具競爭力，需要縮短電容器(Cap)的長度（電容器的長度不能和高度一樣）并進行堆疊，以提升單位面積的存儲單元數(shù)量。

2D DRAM架構(gòu)垂直定向視圖（左圖）。將其翻轉(zhuǎn)并將結(jié)構(gòu)堆疊在一起（右圖）的做法不可行的主要原因是需要刻蝕橫向空腔，并將其以不同的橫向深度填充到硅有源區(qū)中。

想象一下，上圖表示的結(jié)構(gòu)不變，將其順時針旋轉(zhuǎn)90度，結(jié)構(gòu)將處于自上而下的視圖中。在這個方向上，可以堆疊納米薄片。但同樣，這種情況下，原始設(shè)計顯示的區(qū)域非常密集，因此位線和電容器需要自上而下地進行工藝處理，并且距離很近。要實現(xiàn)這種方向的堆疊 (3D)，需要重新設(shè)計架構(gòu)。

重新構(gòu)想的架構(gòu)

我們的團隊使用泛林集團SEMulator3D進行了幾處更改，在減小硅區(qū)域的同時為電容器的工藝處理提供更多空間，從而縮小納米薄片的面積。

首先，我們將位線移到了納米薄片的另一側(cè)，使電流通過晶體管柵極穿過整個納米薄片，這能夠從總體上增加電容器工藝處理的空間，并減小硅區(qū)域的面積。

其次，我們引入柵極全包圍晶體管，以進一步縮小硅有源區(qū)。此外，我們還將曾經(jīng)又窄又高的電容器變得又短又寬。之所以能夠做到這一點，是因為把位線移到架構(gòu)的中心，從而獲得了更多空間。

最后，我們通過在位線接觸點兩側(cè)放置晶體管/電容器的方式增加每個位線接觸點的晶體管/電容器數(shù)量（沒有理由將每條位線的晶體管數(shù)量限制在兩個以內(nèi)）。之后，就可以堆疊這種重新配置（如上圖自上而下的視圖所示）的納米薄片了。

堆疊3D DRAM的第一次迭代有28層高（上圖），將比現(xiàn)在的D1z高兩個節(jié)點（單位存儲單元面積約13E-4μm²）。當(dāng)然，層數(shù)越多，位數(shù)越多，密度也就越大。

創(chuàng)新連接

3D DRAM的新架構(gòu)只是一個開始。除了配置之外，還必須就金屬化和連接性做出改變。

我們在設(shè)計中提出了幾種新的方法來促使電流通過中央的位線堆疊，包括連接各層的水平MIM（金屬－絕緣層－金屬）電容器陣列，以及將柵極包裹在硅晶體管周圍（柵極全包圍）。其原理是，當(dāng)電流通過時，只有目標(biāo)位線（層）被激活。在被激活的層中，電流可以連接到正確的晶體管。

28層3D納米薄片的關(guān)鍵組件包括：

一疊柵極全包圍納米薄片硅晶體管

兩排晶體管之間的位線層

24 個垂直字線

位線層和晶體管之間、晶體管和電容器之間的互連

水平MIM（金屬－絕緣層－金屬）電容器陣列

通孔陣列

為了避免3D NAND中使用的臺階式結(jié)構(gòu)的局限性，我們建議引入穿過硅堆棧層且可以在特定層停止（每層一個通孔）的通孔陣列結(jié)構(gòu)，將接觸點置于存儲單元內(nèi)部。溝槽制作完成后，我們引入只存在于側(cè)墻的隔離層。

高溝槽用于引入刻蝕介質(zhì)以去除硅，然后在空溝槽中引入導(dǎo)電金屬。其結(jié)果是，頂部的每個方格（下面最后三張圖片中的淺綠色和紫色方框）只與下面的一層連接。

位線接觸圖形化

工藝要求

這一虛擬工藝中涉及到的幾個模塊需要獨特且創(chuàng)新的工藝。迄今為止，對于此類路徑的探索，變量都是通過物理測試發(fā)現(xiàn)和完善的。使用Semulator3D，我們可以實現(xiàn)對這些參數(shù)的虛擬優(yōu)化調(diào)整。

我們的實驗使工藝要求方面對規(guī)格的要求非常嚴(yán)格?？涛g和沉積專家可能會對我們的模型要求感到震驚：例如，在我們的架構(gòu)中，需要刻蝕和填充關(guān)鍵尺寸為30nm、深度為2μm的溝槽。

3D DRAM是一種前沿設(shè)計，要求采用從未見過或嘗試過的工藝和設(shè)計，這是從概念走向原型的唯一途徑。我們可以進一步推進實驗，以了解不同晶圓之間的工藝差異。

未來趨勢

3D DRAM技術(shù)有望成為推動DRAM微縮的關(guān)鍵因素。單位存儲單元面積和電容器尺寸（長度）之間的適當(dāng)平衡需要通過各種工藝/設(shè)計優(yōu)化來確定，就如上述的這些方案。

通過虛擬加工新架構(gòu)設(shè)計的原型，測試不同存儲密度下的不同DRAM設(shè)計方案，并為可以幫助制造未經(jīng)測試器件技術(shù)的單位工藝提升規(guī)格要求，SEMulator3D可以在制造中發(fā)揮重要作用。

這項研究是未來技術(shù)評估的起點，有助于確定詳細的工藝和設(shè)備規(guī)格要求、可制造性和良率分析，并因此助力工藝可用性和變異性、技術(shù)性能以及面積和成本方面的分析。

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