01、DRAM的生產制造

　　DRAM原理較為簡單，其挑戰是在不增加功耗的前提下，滿足高容量、高性能、大帶寬、低延遲的需求。其制造技術也沒有動不動就5nm、3nm、 2nm的邏輯芯片那么復雜。與邏輯芯片制程相比，*的不同是DRAM中電容工藝需要采用高溫工序。

　　DRAM產業畢竟也是屬于技術密集型，需要百億級美元的持續投入，也是非常具有挑戰性的。近年來，DRAM技術節點越過了1Xnm(16nm-19nm)階段、1Ynm(14nm-16nm)階段，現在進入1Znm(12nm-14nm)階段，迎來了EUV光刻機時代。

　　DRAM的技術進展，圖片來源：SK-海力士

　　2021年7月，韓國SK海力士公司宣布利用EUV光刻大規模生產LP DDR4(low power DDR4)內存。顧名思義，LP DDR指的是低功耗雙倍數據傳輸率。

　　2021年10月，韓國三星電子公司開始采用EUV光刻大規模生產14nm DDR5內存，用于5G、云計算、大數據以及人工智能等高速應用場景。連DRAM三巨頭中最為保守的美光公司也宣布將在中國臺灣地區的新廠引進EUV光刻機，并于2024年實現DRAM量產。

　　那么，為什么三星電子不采用5nm工藝制造DRAM呢?

　　答案很簡單，EUV光刻機的使用將提高高端DRAM量產的性能、生產效率和良率，并降低成本。

　　通常認為，隨著技術節點的推進，在傳統1T1C架構下，單位元件面積不斷減小，如何保證電容能夠存儲足夠的電荷、防止相鄰存儲單元之間的耦合，是DRAM技術面臨的兩大技術瓶頸。

　　因此，DRAM的天花板大約是10nm。當然，這個答案也不是那么*的，如果有一天，DRAM突然有能力走到10nm以下，也不用那么驚訝。

　　眾所周知，基于多重曝光的方法，193nm步進掃描投影光刻機目前是7nm技術節點以上的邏輯芯片量產的主流光刻手段。比如，14nm技術節點的邏輯芯片量產通常使用水浸沒式193nm光刻機，而不是EUV光刻機。但是，多重曝光的水浸沒式193nm光刻質量和生產效率畢竟不如單次EUV光刻。

　　UV光刻所需的EUV掩模制造成本極高，單塊成本可達200萬美元以上。單種類型的14nm邏輯芯片需求量通常不大，如果采用EUV光刻機量產14nm技術節點的邏輯芯片，單個芯片所需分擔的EUV掩模費用令人難以接受。

　　標準型DRAM芯片需求量遠遠大于單種類型邏輯芯片，采用EUV光刻機量產1Znm(12nm-14nm)DRAM，可以獲得更好的光刻圖形保真性、更高的生產效率，單個DRAM 所需分擔的EUV掩模費用也完全可以接受。也就是說，使用EUV光刻機量產DRAM具有更高的性價比。因此，三星電子和SK海力士目前均已采用EUV光刻機量產高端DRAM。<_o3a_p>

　　材料架構技術創新也是先進DRAM技術發展的重要途徑。如上所述，DRAM技術發展的物理極限是10nm。其原因是1T1C平面架構中，儲存電容縮放所導致的泄漏問題。為此，業界一方面正在探索探索超薄電容介質、柱狀電容器等技術方法。另一方面，更為重要的是從傳統2D DRAM架構向3D DRAM架構發展的技術路徑。

　　比如高帶寬存儲器(High Bandwidth Memory，HBM)基于3D堆疊工藝，通過存儲芯片堆疊形成立方體結構，縮小空間，降低功耗，提高帶寬。適用于AI、云計算、超級計算機等高儲存器帶寬需求的應用場景。

　　HBM：從 2D 架構轉向 3D 架構演變，圖片來源：SK海力士

　　其基本思路是，既然一個平面內排列更多的1T1C存儲單元變得越來越困難，那就加持先進封裝技術。比如，利用硅穿孔(Through Silicon Via，TSV)技術將數個DRAM芯片堆疊起來。像建造摩天大樓一樣，將存儲單元堆疊至邏輯單元上方，即所謂的3D堆疊，從而實現單位面積上更高的存儲容量。

　　至此，在EUV光刻和3D堆疊技術的加持下，傳統的基于1T1C架構的DRAM技術發展應該說達到相當*、相當成熟的程度。<_o3a_p>

　　但是，學術界和產業界最近在思考，如何進一步縮短數據從DRAM芯片傳遞到CPU的時間，即突破所謂的“內存墻”困境。既然造成DRAM 10nm天花板的瓶頸問題是儲存電容縮放所導致的泄漏問題，那么，能不能把電容這朵烏云拋掉，實現無電容DRAM存儲材料和架構?

　　02、撥開電容這朵烏云

　　有“全球半導體產業背后頭腦”之稱的比利時微電子研究中心(IMEC)在2020年IEDM會議(國際電子器件會議)上，展示了一種2T0C DRAM架構。該架構僅有2個晶體管，無電容。

　　無電容的2T0C DRAM架構，圖片來源：2020 IEDM會議

　　在2021年IEDM 上，一款全新的基于銦鎵鋅氧化物(IGZO，indium-gallium-zinc-oxide)無電容器DRAM架構被提出。基于IGZO材料，華為、佐治亞理工、圣母大學、羅徹斯特理工學院的研究者也提出了新型的無電容DRAM架構。<_o3a_p>

　　IGZO是日本東京工業大學前沿研究機構·元素戰略研究中心的細野秀雄教授發明的，是一種新型半導體材料。用做高性能薄膜晶體管溝道材料。適用于顯示面板產業。從2011年開始，IGZO專利池已對三星電子、日本佳能等10多家企業進行了授權。

　　2004年，細野秀雄教授在《自然》雜志上*報道了柔性透明IGZO薄膜晶體管，應用于顯示面板產業。如果將來基于IGZO材料的無電容DRAM架構獲得應用的話，真的是當之無愧的“日本百年一遇的發明家”。

　　2008年，他在國際*發現了在26K溫度下具有超導特性的鐵基化合物，并于同年被《Science》評選為“世界十大科技進展”之一，掀起了全球高溫超導體的*次研究熱潮，包括許多中國學者。比如，中國“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”項目2013年曾獲國家自然科學獎一等獎。

　　鐵基超導的發現和IGZO材料的發明都可以成為獲諾貝爾獎的理由。2013年開始，細野秀雄教授就一直被稱為諾貝爾獎有力候選者。但是，與日本作家村上春樹一樣，目前仍然在陪跑諾貝爾獎。

　　撥開電容這朵烏云，仰望半導體存儲器蒼穹，無電容DRAM存儲材料和架構能否釀成了一場DRAM江湖的大風暴呢?目前尚不得而知。