紫光国芯：采用3D混合键合技术的异质集成嵌入式DRAM

近日，西安紫光国芯半导体有限公司（以下简称“紫光国芯”）在第63届国际电子器件大会（IEDM 2020）上公开发表了技术论文——《采用3D混合键合技术具有34GB/s/1Gb带宽和0.88pJ/b能效接口的异质集成嵌入式LPDDR4/LPDDR4X DRAM》（A Stacked Embedded DRAM Array for LPDDR4/4Xusing Hybrid Bonding 3D Integration with 34GB/s/1Gb 0.88pJ/b Logic-to-MemoryInterface）。该论文的发表，是紫光国芯在超高带宽、超低功耗DRAM方向技术积累和持续创新的最新突破。

受限于传统计算机体系的冯-诺依曼架构，存储器带宽与计算需求之间的鸿沟（即“存储墙”问题）日益突出。采用硅通孔(TSV)技术的高带宽存储器(HBM)是业界给出的一个可选解决方案，但其每数据管脚的工作频率仍然较高(约4Gbps)，存在功耗较大的缺点。比如HBM采用了x10um级微凸块(Micro-Bump)堆叠DRAM，其数据IO数量有限且寄生电容和功耗较大，进而限制了带宽的增加。 西安紫光国芯依托多年对存储器和ASIC体系结构的深入研究，开发完成了异质集成嵌入式DRAM平台（SeDRAM），提供了业界最高的单位带宽和能效，并设计实现了完全兼容国际JEDEC标准的的4Gbit LPDDR4芯片。

图1. SeDRAM技术流程示意图 紫光国芯在论文中介绍了SeDRAM平台的实现流程（如图1）：首先，流片生产不同工艺下的DRAM存储晶圆（DRAM Wafer）和搭载有外围电路的逻辑晶圆（Logic Wafer），并通过平坦化、曝光和刻蚀等异质集成工艺，在两张晶圆上分别制成用于后续步骤的接触孔（LTVIA和LBVIA）；然后，将逻辑晶圆翻转，通过 Cu-Cu 互连的方式，将两张晶圆直接键合；最后，将逻辑晶圆减薄至约3um厚度，并从逻辑晶圆背面开口完成PAD制作。 相比于HBM的微凸块(MicroBump)工艺，通过直接键合方式的异质集成工艺，接触孔可达110,000个/mm2，实现了百倍量级的密度提升，而且连接电阻低至0.5欧姆。从而实现了从逻辑电路到存储阵列之间每Gbit高达34GB/s的带宽和0.88pJ/bit的能效。

图2. 采用SeDRAM技术开发的4Gb LPDDR4产品的晶圆（左）和版图（右） 紫光国芯开发的4Gbit LPDDR4是业内首款异质集成的标准接口DRAM产品（如图2）。该产品为双通道，数据位宽X16，在每颗芯片中集成超过64,000个异质集成接触孔。在晶圆测试阶段，该产品表现出优异性能，读取时间超过测试机台能支持的最快时钟周期0.56ns。在颗粒测试阶段，该产品在包括高温（95℃），高压（VDD2=1.2v, VDD1=2v）以及低压（VDD2=1.05v, VDD1=1.65v）在内的多个测试条件下，通过了业界最高水平4266Mbps数据率的测试。该产品在高温测试条件下，保持时间达到96ms，与同等DRAM工艺下的传统平面产品相比更具优势。

图3. 4Gb LPDDR4产品的读取时间测试结果（左）和数据保持时间测试结果（右） 感谢武汉新芯和台湾力积电分别支持逻辑芯片及异质集成、和存储芯片代工合作，论文得以在IEDM 2020顺利发表，这是紫光国芯在超高带宽、超低功耗DRAM方向技术积累和持续创新的最新突破。通过4Gbit LPDDR4产品的开发，SeDRAM平台不仅为传统DRAM产品的开发提供了新路径，更为人工智能（AI）和高性能计算（HPC）等领域的高带宽、高能效需求提供了有效解决方案。

原文标题：西安紫光国芯在IEDM 2020发表 异质集成嵌入式DRAM（SeDRAM）论文

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责任编辑：haq