每1纳米对DRAM的意义

大多数读者应该知道Intel 的处理器、TSMC生产的SoC（System on Chip）等逻辑半导体的相关工艺，也明白到这些规则只不过对产品的命名罢了。那么，DRAM中提到的1X（18nm）、1Y（17nm）、1Z（16nm）等又都意味着什么？

在本文中，我们就此讨论一下所谓的“XXnm”的DRAM的真正意义。那么，所谓“XXnm”指的是哪里的尺寸呢？在谈论这个之前，我们先来聊一下当下的DRAM现状。

现在是2019年的下半年，最先进的DRAM正在由1X（18nm）向1Y（17nm）推进。而且，预计在2019年末量产1Z（16nm）。也就是说，DRAM是1nm1nm地实现微缩，为什么DRAM厂家执着于这“1nm的微缩”呢？

先说结论，“1nm微缩”如果“登场”得晚的话，年度销售额将会有1兆日元（约人民币670亿元）的差异。要理解这个，我们要首先理解DRAM的构造和变迁。

DRAM的构造和变迁

如图1所示，DRAM 是由一个晶体管和一个电容（Capacitor）构成的，晶体管处于“ON”的状态，电容储存电荷。也就是说，根据电容是否有电荷，进行“1”或者“0”的存储动作。

图1，DRAM的构造及变迁。（图片出自：《日本半导体历史馆》）

如图1 所示，4K-1M比特的DRAM是平面型（Planar型），然而，大于1M比特的话，电容就会变成像蘑菇形状一样的“堆栈型”（Stack型）、或者3层鳍状（Fin）构造（图1 的上半部分）、或者“沟槽型”（Trench型），即在晶体管下面的硅基板上凿孔，把侧壁当做晶体管（图1 的下半部分），由此就产生了下面的内容。

DRAM也遵循摩尔定律，每两年集成度就会扩大2倍。因此，晶体管、电容分别微缩了70%。但是，即使有微缩，电容也需要存储一定量的电荷。如果电荷过少，“1”和“0”的区别就会变得模糊，会对存储功能产生影响。

也就是说，DRAM的微缩难就难在--“即使实现微缩，也要保证电容存储的电荷保持一定”。为此，把平面型改为“堆栈型”、“沟槽型”，通过确保电容的面积从而保持一定的电荷量。

目前，DRAM市场被韩国三星电子、SK海力士（SK Hynix）、美国的美光科技（Micron Technology）三家公司垄断。这三家公司都采用了图1中右上角的“气缸型（sylinder ）”，已经没有任何一家厂商采用“沟槽型”了。

也就是说，三家DRAM厂商都在晶体管上堆积绝缘膜、凿孔、形成电容。其结果，由于“即使微缩、也要存储一定的电荷”的缘故，对于DRAM厂商来说，每年“深挖细微孔”都是他们最重大的技术研发。

现在的DRAM构造和最细微的地方

现在的DRAM 构造如图2所示。笔者在2000年前后，曾在日立、Elpida（尔必达）从事256M-1G比特DRAM的研发工作，电容孔的直径、深度（高度）比（也就是“Aspect Ratio”，）曾是10-12。那时曾经“叫苦连天”地喊出“孔的加工太难了，已经极限了，已经不行了”！

图2 ，DRAM构造。（图片出自：Rick Merritt，《从折叠手机3D DRAM，SEMI event》（EE Times Japan、2019年1月21日），原始图片出自东京电子TEL.）

据说现在DRAM的“Aspect Ratio”（已经达到40-45。能够加工出深度（高度）比如此大的孔，深切感受到人类了不起的睿智！

在图2 的DRAM中，从下侧开始我们可以依次看到，分离各个cell的浅槽隔离（Shallow Trench Isolation）、晶体管的Gate（字线Wordline）、位线（bitline）、电容、接触孔（contact hole）、金属配线等。

其中，最细微的地方是哪里？如果说“18nm的DRAM”，18nm又在何处？

问题的答案通过图3中的DRAM的平面图来说明。首先，在硅上挖出沟槽，用绝缘膜填充沟槽后形成浅槽隔离（Shallow Trench Isolation）。其次，形成作为晶体管Gate的字线（Wordline）。接着，继续形成位线（bitline）。

图3，DRAM的平面图。（图片出自：jbpress）

其中，最细微的部分是浅槽隔离（Shallow Trench Isolation，STI），“18nm的DRAM”其实指的就是相当于“浅槽隔离（STI）”的间距的1/2（称为“Half Pitch”）的尺寸。也就是说，说起“○○nm的DRAM”，DRAM的“浅槽隔离（STI）”的1/2间距才是真正的nm尺寸。

DRAM的微缩推移及未来预测

如图4是关于DRAM的微缩如何发展、今后的预测。

图4，DRAM的微缩推移、未来的预测。（图片出自;笔者根据ITRS、IRDS的数据编纂而成。）

截止到2016年，以美国半导体工业协会（SIA）、日本的电子信息技术产业协会（JEITA）为中心，策划了“国际半导体技术蓝图（ITRS：International Technology Roadmap for Semiconductors）”，并且刊载了DRAM的细微性。

该技术蓝图被认为是为了Intel的处理器而制作的，背地里甚至曾被揶揄为“Intel Technology Roadmap for Semiconductors”！

ITRS在2016年寿终正寝，取而代之的是美国本土的电气电子工学学会（IEEE），并发布了名为“International Roadmap for Devices and Systems（IRDS）”的新技术蓝图。其中也登载了DRAM的微缩特性。

再看一下图4，截止到ITRS存在的2016年，从36nm到20nm，DRAM的微缩以对数函数的形式几乎呈现直线发展。但是，进入2017年以及以后的IRDS时代，可以看出，DRAM的微缩发展比ITRS的预测还要慢！

但是，尽管如此，据预测，DRAM还会以1-2nm的速度进行微缩的发展。那么，对于DRAM来说，1nm的微缩具有什么意义呢？

DRAM厂商拘泥于1nm的理由

2012年-2013年期间，比较了三星电子和美光的2G比特的DRAM（如图5），同一时期，三星电子公布说“28nm”、美光公布说“32nm”。但是，怎么看三星都在数字上“打了马虎眼”，其实二者的细微差异仅仅只有1-2nm。

图5，三星电子和美光的2G比特的DRAM的比较。（图片出自：jbpress）

仅仅1-2nm的差距，就对DRAM的芯片尺寸造成了很大影响。实际上，三星电子的2G的DRAM是45m㎡，美光的是60m㎡。

于是，三星可以从直径为30cm（12inch）的硅晶圆上获得1570个DRAM， 美光可以获得1024个。假设两者的良率为90%，三星可以获得1413个芯片，美光可以取数921个芯片，其差约为500个左右。

假设一个DRAM为4美金，对于一颗硅晶圆，三星电子和美光的销售额差距约为2000美金。假设两家公司在月产能为50万颗硅晶圆的量产工厂生产DRAM，其差距就是10亿美金，1年（12个月）下来，其差异会扩大到120亿美金。1美金换算成110日元的话，一年就是1兆2，100亿日元。

总之，对于DRAM的1-2nm的细微性的差异，1年下来，就会产生超过1兆日元（约人民币670亿元）的销售额的差异。这就是DRAM厂商“拘泥”于这细微的1nm的理由！

实际上，这种情况也存在于处理器、SoC等逻辑半导体方面。因此，无论哪里的尖端半导体厂商，都“卯足了劲”要实现哪怕仅有1nm的微缩！

2016年以后，Intel停滞在14nm、没有进展，2019年下半年开始批量生产10nm工艺的处理器。这里的“14nm”、“10nm”都是Intel的“商品品名”。另一方面，三星电子、美光似乎也提前了IRDS，在2019年末预计要开始量产1Z（16nm）工艺的16G比特的DRAM。DRAM的浅槽隔离（STI）的“半间距（Half Pict）”其实是16nm。

最快在2020年上半年，可能会发布搭载了Intel的10nm处理器、16nm工艺的16G比特的DRAM的PC！