破解DRAM技術困局，為何非3D不可？大廠研發進展如何？

從目前公開的DRAM（內存）技術來看，業界認為，3D DRAM是DRAM技術困局的破解方法之一，是未來內存市場的重要發展方向。

3D DRAM與3D NAND是否異曲同工？如何解決尺寸限制等行業技術痛點？

為什么是3D DRAM？

所謂3D DRAM，是一種打破了當前陳舊的范式的，具有新結構的存儲芯片。

如下圖所示，傳統的DRAM 被組織為一組存儲體，其中包括排列成行和列陣列的存儲元件。存儲器陣列以存儲器子陣列的分層結構分組，以實現高效布線和降低功耗。每個存儲單元都被建模為晶體管電容器對，數據作為電荷存儲在電容器中。每個子陣列中的各個單元也被連接到本地字線和本地位線。這個微型一電容一晶體管設計使其非常適合將大量存儲單元封裝到小面積中以實現高密度和高存儲容量。而事實上，也有數十億個 DRAM 單元可以被壓縮到一個內存芯片上。

然而，在傳統的DRAM制造中，產業幾乎都是采用電路和存儲器堆疊在同一平面的方法來生產DRAM，芯片制造商通過減小單元尺寸或間距來提高 DRAM 的性能。然而，他們達到了在有限空間內增加cell數量的物理極限。另一個問題是，如果電容器變得越來越薄，它們可能會崩潰。

所以，和3D NAND Flash一樣往高空發展的3D DRAM成為了目標。

按照semiengineering在一篇報道中所說，通往 3D 的DRAM有兩條道路，其中最直接的方法是保留當前的DRAM 技術并將多個芯片堆疊在彼此之上。這是用于高帶寬存儲器(HBM)的高級封裝方法。常見的 HBM 芯片為 4 和 8 高，預計很快會達到 16 高。與基本 DRAM 相比，這是一種更昂貴的方法，因為在封裝中堆疊die需要付出努力，但對于需要大量附近內存的應用程序（如人工智能），這是值得的。

除了這種方法外，單片堆疊的DRAM則是大家的另一個選擇，相信這也是所有廠商追逐的最終目標。作為一種自然延伸，單片堆疊芯片只需少量額外步驟，但是這少量的額外步驟會導致很多困難。而為了實現這個目標，有分析人士認為3D DRAM 可以效仿3D NAND Flash，將cell翻轉。因為DRAM 單元具有較小的 2D 區域，但具有較大的垂直方向電容器，使其很高且難以分層堆疊。而且，隨著 2D 尺寸越來越小，電容器越來越薄，它必須加長以保持足夠的電荷。

但是，如果將其翻轉到一邊并旋轉 90 度，則可以使用每層位線的階梯設計對單元進行分層。這樣，在 DRAM 制造過程中用于制作層的光刻圖案化工藝可用于所有層——所謂的共享圖案化——進而簡化了制造工藝。

同時，研究者們也開始探索無電容的3D DRAM，當中就包括Dynamic Flash Memory、VLT技術、Z-RAM和基于IGZO-FET等技術的方案。但從目前的消息看來，三大存儲巨頭（三星、SK海力士和美光）并沒有披露更多的細節。

但毫無疑問，這都是他們前進的方向。


業界持續發力3D DRAM

DRAM市場高度集中，目前主要由三星電子、SK海力士和美光科技等廠商主導，值得一提的是，這三家共同占據了DRAM整個市場的93%以上。

據TrendForce集邦咨詢研究顯示，在2023年第三季度DRAM市場中，三星的市占率為38.9%，居位全球第一、其次是SK海力士（34.3%）、美光科技（22.8%）。

據業界人士預計，3D DRAM市場將在未來幾年快速增長，到2028年將達到1000億美元。

目前，3D DRAM處于早期研發階段，包括三星等各方正在加入研發戰局，競爭激烈，以引領這一快速增長的市場。


三星：4F2 DRAM

三星從2019年開始了3D DRAM的研究，并在這一年的10月宣布開發出業界首個12層 3D-TSV（硅通孔）技術。2021年，三星在其DS部門內建立了下一代工藝開發研究團隊，專注該領域研究。

在2022年的SAFE論壇上，三星列出了Samsung Foundry 的整體3DIC歷程，并表示將準備用一種邏輯堆棧芯片SAINT-D，來處理DRAM堆疊問題，其設計目的是想將八個HBM3芯片集成到一個巨大的中介層芯片上。

2023年5月，據《The Elec》引用知情人士消息稱，三星電子在其半導體研究中心內組建了一個開發團隊，以量產4F2結構DRAM，其目標是將4F2應用于10納米或以下節點的DRAM制程，因為以目前的技術預計會面臨線寬縮減的極限。報道稱，如果三星4F2 DRAM存儲單元結構研究成功，在不改變節點的情況下，與現有的6F2 DRAM存儲單元結構相比，芯片DIE面積可以減少30%左右。

同年10月，三星電子在“內存技術日”活動上宣布,計劃在下一代10納米或更低的DRAM中引入新的3D結構，而不是現有的2D平面結構。該計劃旨在克服3D垂直結構縮小芯片面積的限制并提高性能，將一顆芯片的容量增加100G以上。

三星電子去年在日本舉行的“VLSI研討會”上發表了一篇包含3D DRAM研究成果的論文，并展示了作為實際半導體實現的3D DRAM的詳細圖像。

據《The Economictimes Times》報道，三星電子于近日稱已在美國硅谷開設了一個新的R&D研究實驗室，專注于下一代3D DRAM芯片的開發。該實驗室位于硅谷Device Solutions America（DSA）運營之下，負責監督三星在美國的半導體生產，并致力于開發新一代的DRAM產品。


SK海力士：將IGZO作為3D DRAM的下一代通道材料

SK海力士認為，3D DRAM可以解決帶寬和延遲方面的挑戰，并已在2021年開始研究。

據韓媒《BusinessKorea》去年報道，SK海力士提出了將IGZO作為3D DRAM的新一代通道材料。

IGZO是由銦、鎵、氧化鋅組成的金屬氧化物材料，大致分為非晶質-IGZO和晶化IGZO（c-IGZO），其中，c-IGZO是一種物理、化學穩定的材料，在半導體工藝過程中可保持均勻的結構，SK海力士研究的正是這種材料。

據業界人士表示，IGZO 的最大優勢是其低待機功耗，這種特點適合要求長續航時間的DRAM芯晶體管。通過調節In、Ga、ZnO等三個成分的組成比，很容易實現。


NEO：3D X-DRAM密度可提高8倍

美國存儲器技術公司NEO Semiconductor推出其突破性技術 3D X-DRAM，為解決DRAM 容量瓶頸。

3D X-DRAM是第一個基于無電容器浮體單元（FBC）技術的類似3D NAND的DRAM單元陣列結構。其技術邏輯與3D NAND Flash類似，通過堆疊層數提高存儲器容量，類似3D NAND Flash芯片的FBC 技術，增加一層光罩就形成垂直結構，有良率高、成本低、密度大幅提升等優點。

據 Neo 的估計，3D X-DRAM技術可以實現 230層128 Gb 密度，這是當今 DRAM 密度的 8 倍。NEO提出，每10年容量提升8倍的目標，將在2030到2035年間實現1Tb的容量，較現DRAM核心容量達64倍提升，滿足ChatGPT等AI應用對高性能和大容量存儲器半導體的增長需求。

NEO聯合創始人兼首席執行官Andy Hsu認為，3D X-DRAM將是半導體行業未來絕對的增長動力。


日本研究團隊：BBCube 3D，比DDR5高30倍

日本東京理工大學研究團隊提出了一種名為BBCube的3D DRAM 堆棧設計技術，該技術可以讓處理單元和動態隨機存取存儲器(DRAM)之間更好地集成。

BBCube 3D最顯著的方面是實現了處理單元和DRAM之間的三維而非二維連接。該團隊使用創新的堆疊結構，其中處理器管芯位于多層DRAM之上，所有組件通過硅通孔（TSV）互連。

BBCube 3D 的整體結構緊湊、沒有典型的焊料微凸塊以及使用 TSV 代替較長的電線，共同有助于實現低寄生電容和低電阻，在各方面改善了該器件的電氣性能。

該研究團隊評估了新體系結構的速度，并將其與兩種最先進的存儲器技術（DDR5和HBM2E）進行了比較。研究人員稱，BBCube 3D有可能實現每秒1.6兆字節的帶寬，比DDR5高30倍，比HBM2E高4倍。

此外，由于BBCube具有低熱阻和低阻抗等特性，3D集成可能出現的熱管理和電源問題可得到緩解，新技術在顯著提高帶寬的同時，比特訪問能量分別為DDR5和HBM2E的1/20和1/5。


NAND 與DRAM依然是存儲主角

根據Yole Group調查機構的數據顯示，在2022年獨立記憶體（Stand-alone Memory）整體市場達到了1440億美元。其中DRAM占比55.4%，NAND占比40.8%。剩下的NOR、(NV)SRAM/FRAM、EEPROM、新型非易失存儲(PCM, ReRAM and STT-MRAM)等占比3.8%。

2023整體存儲市場將達到800億美元。預計2024年市場需求將基本復蘇。特別在預測2028存儲市場中，整體市場將會有10%的增長，市場達到2560億美元。看到DRAM和NAND的比例依然是占據絕對的地位，預計在2028年DRAM達到上升12%，NAND市場會上升8%，NOR市場會上升5%，剩下的存儲器市場份額基本不會有太大的變化。

從NAND市場營收/合約價來看，2023年也是近幾年的最低點了，其實從2023年9月份開始，價格已經開始上揚了，目前很多廠家都提升了合約價，2024年這些價格會繼續攀升。2023年沒有囤貨的，只能望價格哀嘆了！