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拆解SDRAM存儲(chǔ)器，三星與SK海力士與眾不同

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　　根據(jù)拆解分析機(jī)構(gòu)Techinsights最近對(duì)目前市面上先進(jìn)DRAM存儲(chǔ)器單元（cell）技術(shù)所做的詳細(xì)比較分析發(fā)現(xiàn)，雖然已有部分預(yù)測(cè)指出DRAM存儲(chǔ)器單元將在30納米制程遭遇微縮極限，但各大DRAM制造商仍將持續(xù)朝2x納米甚至1x納米節(jié)點(diǎn)前進(jìn)。

　　Techinsights最近分析了包括三星（Samsung）、SK海力士（Hynix）、美光 （Micron）/南亞（Nanya）與爾必達(dá)（Elpida）已量產(chǎn)的3x納米SDRAM存儲(chǔ)器單元陣列結(jié)構(gòu)之制程技術(shù)與元件架構(gòu)，推論該技術(shù)仍有進(jìn)一步微縮的空間，而共同解決方案是結(jié)合埋入式字線（buried wordlines,b-WL）與鰭狀存取晶體管（fin-shaped access transistors）。

　　Techinsights指出，在DRAM單元架構(gòu)發(fā)展時(shí)程表上，目前的低3x納米節(jié)點(diǎn)在制程技術(shù)整合上的最重要元素，是如何有效提升存取MOSFET的通道長度（channel length），以及如何將DRAM單元陣列上的儲(chǔ)存電容區(qū)域（storage capacitor area）微縮。

　　而擁有鞍型（saddle shaped）──或大型鰭式（bulky fin-type）──通道配置的埋入式金屬字元線，是推動(dòng)3x/2x納米存取晶體管繼續(xù)微縮的關(guān)鍵解決方案，因?yàn)榫邆淇刂屏己玫拈撝惦妷海╰hreshold voltage）以及超低泄漏電流；此外，該種架構(gòu)的元件具備較大通道寬度與長度，對(duì)短通道效應(yīng)與較高的啟動(dòng)電流（on-current）有較佳的免疫力。

　　上述四家存儲(chǔ)器廠商都是采用類似的制程生產(chǎn)內(nèi)凹（recess）、鰭式晶體管；該種鰭狀晶體管如下圖所示。美光與SK海力士的大型鰭式晶體管外觀有點(diǎn)類似梯形，而根據(jù)整合通道寬度與長度的估計(jì)，美光/南亞的單元晶體管通道寬度最大，爾必達(dá)晶體管的通道長度是最長的。

比較三星、SK海力士、美光/南亞與爾必達(dá)四家廠商的存儲(chǔ)器單元晶體管架構(gòu)

　　在埋入式字元線柵極材料部分，三星是采用電阻高于鎢（tungsten,化學(xué)符號(hào)為W）的TiN金屬，與其他三家廠商不同；在字元線堆疊部分，所有廠商的存儲(chǔ)器元件都是采用以鎢為基礎(chǔ)的材料，不過鎢層與多晶硅層之間的屏障材料，則各家廠商都不相同。

　　為了微縮儲(chǔ)存電容，金屬-絕緣-金屬（metal-insulator-metal ,MIM）電容器需要相對(duì)應(yīng)于約當(dāng)次1納米厚度二氧化硅（SiO2）的特定電容量，以及高K電介質(zhì)（high-k dielectrics）、超低泄漏電流，以及高度保角（highly conformal）沉積方法。

　　在二氧化鋯（ZrO2）層之間加入一層超薄的三氧化二鋁（Al2O3），以及W/TiN電極，是制作3x納米存儲(chǔ)器單元的關(guān)鍵解決方案。Techinsights指出，所有存儲(chǔ)器大廠都通過采用相同的TiN （陽極）-ZrO2-Al2O3-ZrO2-TiN （底層電極）多層堆疊電容──稱為ZAZ-TIT電容，來克服3x納米存儲(chǔ)器單元的制造挑戰(zhàn)（如下圖）。

各家廠商的存儲(chǔ)器單元電容結(jié)構(gòu)

　　在二氧化鋯層之間加入薄薄的三氧化二鋁，是為了抑制泄漏電流；該電介質(zhì)在3D圓柱狀電容器節(jié)點(diǎn)的物理厚度，則是制程進(jìn)一步微縮的另一個(gè)挑戰(zhàn)。大多數(shù)3x納米DRAM單元電容器，是采用整體厚度約7~9納米的多層式電介質(zhì)，這意味著未來1x納米DRAM單元架構(gòu)將會(huì)迫切需要進(jìn)一步縮減該物理性電介質(zhì)厚度。

　　多數(shù)廠商在TiN頂部電容器上采用硅鍺（SiGe）層，除了美光/南亞是采用鎢層。SK海力士采用了雙層式的多晶硅插栓（plug），來連結(jié)儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)與汲極區(qū)（drain region），爾必達(dá)則是采用雙層W/TiN與多晶硅插栓。

　　采用機(jī)械強(qiáng)化儲(chǔ)存高度（Mechanically Enhanced Storage Height,MESH）結(jié)構(gòu)可增加存儲(chǔ)器單元的高度，以支撐電容器；三星、SK海力士與爾必達(dá)在這部分都是采用單層氮化物，美光/南亞則是采用雙層氮化物來支撐圓柱狀電容。根據(jù)估算，SK海力士的SDRAM20單元比其他廠商元件擁有更大的存儲(chǔ)器單元電容量。

　　Techinsights的拆解分析也發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)埋入式字元線SDRAM元件，在陣列區(qū)（array region）都是采用三阱制程（triple well process）；這種技術(shù)是在p型基板上，將一個(gè)p型阱（p-well）嵌入到n型阱（n-well）中。

　　不過美光/南亞的31納米SDRAM單元陣列，則是采用“四阱（quadruple well）”制程，也就是在一個(gè)較深的p型阱上，將一個(gè)較淺的p型阱嵌入較深的n型阱，該較深的p型阱則是位于輕微摻雜（lightly doped）的塊狀n型基板內(nèi)。

　　由該種6F2 存儲(chǔ)器陣列單元的布局圖來看，不同廠商元件的活性（active）/淺溝渠隔離（Shallow trench isolation,STI）形狀、傾斜角度（slanted angle）與字元線沉積各自不同，如下圖所示。

各家廠商6F2 存儲(chǔ)器單元陣列布局圖比較

　　三星與SK海力士擁有相同的交錯(cuò)虛線（staggered dash-line）形式活性區(qū)布局設(shè)計(jì)，與美光/南亞的直線式活性區(qū)布局不同，但前者需要額外的隔離字元線。美光/南亞元件的活性區(qū)圖案傾斜角度比其他廠商都大，這意味著記憶體單元的儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)觸點(diǎn)（storage node contact）與STI間距（pitch）有更大的空間可以利用。

　　為應(yīng)對(duì)來自智能手機(jī)、平板等非PC裝置對(duì)DRAM的強(qiáng)勁需求，以及PC用DRAM市場(chǎng)的穩(wěn)定成長，DRAM存儲(chǔ)器單元架構(gòu)的進(jìn)一步微縮確實(shí)有其必要。

　　拜新一代半導(dǎo)體制程與元件設(shè)計(jì)技術(shù)之賜──包括高數(shù)值孔徑氟化氬（high-NA ArF）浸潤式微影技術(shù)與雙重圖形（double patterning）、大型鞍鰭式晶體管（bulky saddle-fin transistors ）與埋入式字元線等──DRAM單元陣列可望持續(xù)朝30納米甚至20納米節(jié)點(diǎn)以下微縮。

　　有一種無電容（capacitor-less） DRAM單元架構(gòu)，包括將浮體單晶體管DRAM （1T-DRAM）結(jié)合絕緣上覆硅（SOI）技術(shù)，正在針對(duì)20納米以下制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)；同時(shí)，所謂的1T-1C（單晶體管-單電容） DRAM存儲(chǔ)器單元制程整合技術(shù)也已經(jīng)足夠成熟，可運(yùn)用于20納米甚至20納米以下節(jié)點(diǎn)，只要產(chǎn)業(yè)界能開發(fā)出、并進(jìn)一步最優(yōu)化電容電介質(zhì)。

　　擁有較大的通道長度與寬度之無捕陷（Trap-free）超高介電值（ultra high-k）材料與更深的埋入式字元線架構(gòu)也有其必要；為了邁向1x納米DRAM存儲(chǔ)器單元陣列，產(chǎn)業(yè)界將會(huì)需要鎖定替代性的單元設(shè)計(jì)架構(gòu)，例如42 、垂直單元架構(gòu)，以及用薄體SOI無電容單元（thin-body SOI capacitor-less cel）取代目前具備圓柱形電容的埋入式字元線鞍鰭式FET.