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DRAM工藝快追上CPU了

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DRAM工藝快追上CPU了

HKMG是何方神圣?

文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

近期,DRAM制造工藝又實現(xiàn)了一次突破,這次操作來自于SK海力士,該公司宣布,已成功開發(fā)出全球首款采用HKMG(High-K Metal Gate)工藝的LPDDR5X內(nèi)存,采用1αnm制程,該款LPDDR5X與上一代產(chǎn)品相比,功耗降低了25%,數(shù)據(jù)傳輸速率提高了33%,并在JEDEC設(shè)定的1.01V-1.12V超低電壓范圍內(nèi)運行。

LPDDR5X用于以手機為代表的移動設(shè)備,它與PC、服務(wù)器用DRAM不同,對低功耗要求很高,同時,性能又不能下降太多,通過采用HKMG工藝,可以更好地保證提高性能地同時,又降低功耗。

以往,HKMG工藝主要用于邏輯芯片,特別是CPU、GPU等處理器,近些年,隨著市場需求的發(fā)展,特別是5G通信、汽車智能化、VR/AR和使用AI的邊緣計算等應(yīng)用場景對內(nèi)存性能的要求越來越高,DRAM制程工藝演進(jìn)到了10nm-20nm范圍,此時,高性能與低功耗的矛盾逐漸凸出,而HKMG是解決這一矛盾體的有效方法,首先是應(yīng)用于非移動設(shè)備用DRAM,如服務(wù)器中的DRAM,代表企業(yè)是三星,如今,HKMG被引入移動設(shè)備用DRAM,也就是LPDDR,也是一個標(biāo)志性的跨越。

HKMG是何方神圣?

早期,集成電路晶體管柵極材料用的是鋁,采用的相關(guān)配套結(jié)構(gòu)是鋁金屬/二氧化硅,后來發(fā)展到了多晶硅柵,采用的配套結(jié)構(gòu)是多晶硅柵/二氧化硅,之后又經(jīng)過一段時間的發(fā)展,升級到了多晶硅柵/SiON,2007年,HKMG橫空出世。

提起HKMG工藝的由來,不得不提到集成電路傳統(tǒng)霸主英特爾,2007年初,英特爾宣布在45nm制程節(jié)點處利用新型High-k(高介電常數(shù))介質(zhì)材料HfO2(二氧化鉿)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)SiON作為柵介質(zhì)層,以改善柵極漏電流問題,同時利用金屬柵代替多晶硅柵,開發(fā)出了HKMG工藝。之所以是45nm,是因為半導(dǎo)體制程按照摩爾定律發(fā)展到這個節(jié)點時,晶體管中最先達(dá)到極限的是柵極電介質(zhì),傳統(tǒng)的柵極電介質(zhì)已無法滿足晶體管性能提高、體積縮小的要求,易產(chǎn)生漏電流等問題,造成晶體管可靠性下降,而高K金屬柵則可以解決這一問題。HKMG工藝的最大特點就是介電常數(shù)高,HKMG以金屬氧化物作為柵極電介質(zhì),與傳統(tǒng)柵極結(jié)構(gòu)相比,可以減少柵極漏電流,降低工作電壓,并提高晶體管可靠性。這是20世紀(jì)60年代以來,晶體管技術(shù)的重大突破,也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一項重要創(chuàng)新。

可用作高K金屬柵極電介質(zhì)的金屬氧化物需要具備禁帶寬度高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、可制造薄膜材料、與硅元素兼容、兼容CMOS工藝等特點。HfO2是主流的高K金屬柵極電介質(zhì)材料,在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但HfO2存在高溫穩(wěn)定性較弱、與硅兼容性較差、沉積薄膜易產(chǎn)生缺陷等缺點,新的高K金屬柵極電介質(zhì)還在開發(fā)過程中。另外,鉿基材料與多晶硅柵的兼容性一直是一個問題,所以需要采用金屬柵。

當(dāng)然,采用HKMG技術(shù),對于金屬柵極是有要求的,金屬柵極的選擇受到多種因素的影響,具體就不在此詳述了。

DRAM大廠聚焦HKMG

近些年,三星電子,SK海力士、美光這三大存儲芯片廠商競相開發(fā)10nm-20nm制程級別DRAM,相繼引入了EUV光刻設(shè)備,這在以前只會用于制造各種CPU等處理器,可見市場應(yīng)用對DRAM要求越來越高,使得這三大廠商必須在制程工藝方面下更多功夫,因此,繼 EUV之后,HKMG成為了另一個焦點。

2021年,三星電子首次將HKMG工藝用于DDR5,并推動了商業(yè)化進(jìn)程。當(dāng)時,三星電子曾經(jīng)表示,HKMG DDR5內(nèi)存模塊的功耗比傳統(tǒng)工藝減少了約13%,計劃根據(jù)下一代計算市場的客戶需求,適時將該內(nèi)存商業(yè)化。但是,三星一直沒有公開該款DRAM的商用化案例。今年,TechInsights透露了相關(guān)信息,該芯片已經(jīng)應(yīng)用于一家中國臺灣高性能內(nèi)存模塊制造商的產(chǎn)品,據(jù)悉,該款DRAM是16Gb的DDR5,采用了HKMG工藝制造。

作為三星電子的老對手,DRAM大廠SK海力士自然不會坐視三星在DRAM技術(shù)方面領(lǐng)先,看到對手在PC、服務(wù)器用DRAM上采用了HKMG工藝,SK海力士更進(jìn)一步,將該工藝用在了對功耗要求更高的移動設(shè)備DRAM上,也就是前文提到的LPDDR5X。

那么,SK海力士是如何做到的呢?

首先要了解一下DRAM的基本結(jié)構(gòu),組成DRAM的晶體管有以下幾種:存儲數(shù)據(jù)的單元晶體管(Cell Transistor),恢復(fù)數(shù)據(jù)的核心晶體管(Core Transistor),涉及控制邏輯和數(shù)據(jù)輸入/輸出的外圍晶體管(Peripheral Transistor)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,單元晶體管在提高DRAM存儲容量方面取得了一些技術(shù)突破。然而,原來的核心晶體管和外圍晶體管特性越來越不適合DRAM的應(yīng)用要求,成為了發(fā)展瓶頸,特別是對于外圍晶體管而言,只有實現(xiàn)工藝尺寸的進(jìn)一步微縮,才能提高性能,在需要快速提高性能的高端產(chǎn)品中尤為如此。因此,需要一種全新的解決方案來克服微縮基于多晶硅柵極/SiON的晶體管時存在的限制,此時,HKMG工藝就是一個理想方案。

為了將DRAM的多晶硅柵極/SiON轉(zhuǎn)換為HKMG柵極,需要對相關(guān)工藝進(jìn)行更改,還必須對HKMG材料、工藝和集成流程進(jìn)行優(yōu)化,以適合新材料和新工藝。具體來看,要開發(fā)出一套復(fù)雜的工藝(具體情況不得而知,因為這是SK海力士的核心競爭力,屬于絕對的商業(yè)機密),來解決以下幾個問題。

一是要解決兼容性問題。與多晶硅柵極/SiON相比,HKMG的熱穩(wěn)定性較弱,由于DRAM需要在高溫下進(jìn)行特殊處理,以實現(xiàn)單元陣列結(jié)構(gòu),這與邏輯芯片(CPU、GPU等)采用的HKMG工藝有很大不同。因此,DRAM中HKMG工藝的特殊性會導(dǎo)致其可靠性下降,這就必須對HKMG工藝和DRAM集成工藝進(jìn)行優(yōu)化,以解決可靠性下降問題。

二是新材料控制。需要引入工藝控制措施,例如針對新材料的測量方案,以防止現(xiàn)有器件受到新材料和新工藝的影響。

三是要開發(fā)具有成本效益的工藝??赏ㄟ^工藝集成優(yōu)化,最大限度地減少因引入新材料和新工藝而導(dǎo)致的成本增加。

四是設(shè)計與測試優(yōu)化。隨著柵極材料的變化,晶體管特性和可靠性與傳統(tǒng)多晶硅柵極/SiON截然不同,為了最大限度地發(fā)揮HKMG的優(yōu)勢,增強可靠性,需要新設(shè)計方案,并優(yōu)化相關(guān)測試。

總之,通過將HKMG整合、優(yōu)化成為適用于DRAM工藝的形式,開發(fā)出新平臺,并通過包括試點操作在內(nèi)的預(yù)驗證工藝來確保方案可行,從而實現(xiàn)將HKMG工藝用于DRAM量產(chǎn)。

結(jié)語

以往,具備低漏電、高性能特性的先進(jìn)制程工藝多用于邏輯芯片,特別是PC、服務(wù)器和智能手機用CPU,如今,這些工藝開始在以DRAM為代表的存儲器中應(yīng)用,再加上EUV等先進(jìn)設(shè)備和工藝的“互通”,邏輯芯片和存儲器的制程節(jié)點和制造工藝越來越相近。

在上世紀(jì)60年代,當(dāng)CPU剛開始批量生產(chǎn)的時候,其制造工藝就是基于當(dāng)時的存儲器SRAM的工藝,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,應(yīng)用系統(tǒng)的變遷對CPU的要求不斷提高,相應(yīng)的制程工藝隨摩爾定律快速發(fā)展。相對而言,存儲器對制程的要求沒有CPU那么高,但隨著應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展,特別是大數(shù)據(jù)和AI的演進(jìn),原有存儲器制程的發(fā)展節(jié)奏難以滿足應(yīng)用要求了。因此,存儲器制程工藝緊追了上來,目前已經(jīng)十分接近以CPU為代表的邏輯芯片了。

這樣的發(fā)展也使得CPU和DRAM之間的工藝壁壘變小了,這也在一定程度上迎合了存算一體發(fā)展趨勢,也就是將CPU、AI等功能集成進(jìn)DRAM。HKMG工藝在DRAM上的應(yīng)用可以進(jìn)一步促進(jìn)存算一體的發(fā)展。

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。

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近期,DRAM制造工藝又實現(xiàn)了一次突破,這次操作來自于SK海力士,該公司宣布,已成功開發(fā)出全球首款采用HKMG(High-K Metal Gate)工藝的LPDDR5X內(nèi)存,采用1αnm制程,該款LPDDR5X與上一代產(chǎn)品相比,功耗降低了25%,數(shù)據(jù)傳輸速率提高了33%,并在JEDEC設(shè)定的1.01V-1.12V超低電壓范圍內(nèi)運行。

LPDDR5X用于以手機為代表的移動設(shè)備,它與PC、服務(wù)器用DRAM不同,對低功耗要求很高,同時,性能又不能下降太多,通過采用HKMG工藝,可以更好地保證提高性能地同時,又降低功耗。

以往,HKMG工藝主要用于邏輯芯片,特別是CPU、GPU等處理器,近些年,隨著市場需求的發(fā)展,特別是5G通信、汽車智能化、VR/AR和使用AI的邊緣計算等應(yīng)用場景對內(nèi)存性能的要求越來越高,DRAM制程工藝演進(jìn)到了10nm-20nm范圍,此時,高性能與低功耗的矛盾逐漸凸出,而HKMG是解決這一矛盾體的有效方法,首先是應(yīng)用于非移動設(shè)備用DRAM,如服務(wù)器中的DRAM,代表企業(yè)是三星,如今,HKMG被引入移動設(shè)備用DRAM,也就是LPDDR,也是一個標(biāo)志性的跨越。

HKMG是何方神圣?

早期,集成電路晶體管柵極材料用的是鋁,采用的相關(guān)配套結(jié)構(gòu)是鋁金屬/二氧化硅,后來發(fā)展到了多晶硅柵,采用的配套結(jié)構(gòu)是多晶硅柵/二氧化硅,之后又經(jīng)過一段時間的發(fā)展,升級到了多晶硅柵/SiON,2007年,HKMG橫空出世。

提起HKMG工藝的由來,不得不提到集成電路傳統(tǒng)霸主英特爾,2007年初,英特爾宣布在45nm制程節(jié)點處利用新型High-k(高介電常數(shù))介質(zhì)材料HfO2(二氧化鉿)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)SiON作為柵介質(zhì)層,以改善柵極漏電流問題,同時利用金屬柵代替多晶硅柵,開發(fā)出了HKMG工藝。之所以是45nm,是因為半導(dǎo)體制程按照摩爾定律發(fā)展到這個節(jié)點時,晶體管中最先達(dá)到極限的是柵極電介質(zhì),傳統(tǒng)的柵極電介質(zhì)已無法滿足晶體管性能提高、體積縮小的要求,易產(chǎn)生漏電流等問題,造成晶體管可靠性下降,而高K金屬柵則可以解決這一問題。HKMG工藝的最大特點就是介電常數(shù)高,HKMG以金屬氧化物作為柵極電介質(zhì),與傳統(tǒng)柵極結(jié)構(gòu)相比,可以減少柵極漏電流,降低工作電壓,并提高晶體管可靠性。這是20世紀(jì)60年代以來,晶體管技術(shù)的重大突破,也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一項重要創(chuàng)新。

可用作高K金屬柵極電介質(zhì)的金屬氧化物需要具備禁帶寬度高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、可制造薄膜材料、與硅元素兼容、兼容CMOS工藝等特點。HfO2是主流的高K金屬柵極電介質(zhì)材料,在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但HfO2存在高溫穩(wěn)定性較弱、與硅兼容性較差、沉積薄膜易產(chǎn)生缺陷等缺點,新的高K金屬柵極電介質(zhì)還在開發(fā)過程中。另外,鉿基材料與多晶硅柵的兼容性一直是一個問題,所以需要采用金屬柵。

當(dāng)然,采用HKMG技術(shù),對于金屬柵極是有要求的,金屬柵極的選擇受到多種因素的影響,具體就不在此詳述了。

DRAM大廠聚焦HKMG

近些年,三星電子,SK海力士、美光這三大存儲芯片廠商競相開發(fā)10nm-20nm制程級別DRAM,相繼引入了EUV光刻設(shè)備,這在以前只會用于制造各種CPU等處理器,可見市場應(yīng)用對DRAM要求越來越高,使得這三大廠商必須在制程工藝方面下更多功夫,因此,繼 EUV之后,HKMG成為了另一個焦點。

2021年,三星電子首次將HKMG工藝用于DDR5,并推動了商業(yè)化進(jìn)程。當(dāng)時,三星電子曾經(jīng)表示,HKMG DDR5內(nèi)存模塊的功耗比傳統(tǒng)工藝減少了約13%,計劃根據(jù)下一代計算市場的客戶需求,適時將該內(nèi)存商業(yè)化。但是,三星一直沒有公開該款DRAM的商用化案例。今年,TechInsights透露了相關(guān)信息,該芯片已經(jīng)應(yīng)用于一家中國臺灣高性能內(nèi)存模塊制造商的產(chǎn)品,據(jù)悉,該款DRAM是16Gb的DDR5,采用了HKMG工藝制造。

作為三星電子的老對手,DRAM大廠SK海力士自然不會坐視三星在DRAM技術(shù)方面領(lǐng)先,看到對手在PC、服務(wù)器用DRAM上采用了HKMG工藝,SK海力士更進(jìn)一步,將該工藝用在了對功耗要求更高的移動設(shè)備DRAM上,也就是前文提到的LPDDR5X。

那么,SK海力士是如何做到的呢?

首先要了解一下DRAM的基本結(jié)構(gòu),組成DRAM的晶體管有以下幾種:存儲數(shù)據(jù)的單元晶體管(Cell Transistor),恢復(fù)數(shù)據(jù)的核心晶體管(Core Transistor),涉及控制邏輯和數(shù)據(jù)輸入/輸出的外圍晶體管(Peripheral Transistor)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,單元晶體管在提高DRAM存儲容量方面取得了一些技術(shù)突破。然而,原來的核心晶體管和外圍晶體管特性越來越不適合DRAM的應(yīng)用要求,成為了發(fā)展瓶頸,特別是對于外圍晶體管而言,只有實現(xiàn)工藝尺寸的進(jìn)一步微縮,才能提高性能,在需要快速提高性能的高端產(chǎn)品中尤為如此。因此,需要一種全新的解決方案來克服微縮基于多晶硅柵極/SiON的晶體管時存在的限制,此時,HKMG工藝就是一個理想方案。

為了將DRAM的多晶硅柵極/SiON轉(zhuǎn)換為HKMG柵極,需要對相關(guān)工藝進(jìn)行更改,還必須對HKMG材料、工藝和集成流程進(jìn)行優(yōu)化,以適合新材料和新工藝。具體來看,要開發(fā)出一套復(fù)雜的工藝(具體情況不得而知,因為這是SK海力士的核心競爭力,屬于絕對的商業(yè)機密),來解決以下幾個問題。

一是要解決兼容性問題。與多晶硅柵極/SiON相比,HKMG的熱穩(wěn)定性較弱,由于DRAM需要在高溫下進(jìn)行特殊處理,以實現(xiàn)單元陣列結(jié)構(gòu),這與邏輯芯片(CPU、GPU等)采用的HKMG工藝有很大不同。因此,DRAM中HKMG工藝的特殊性會導(dǎo)致其可靠性下降,這就必須對HKMG工藝和DRAM集成工藝進(jìn)行優(yōu)化,以解決可靠性下降問題。

二是新材料控制。需要引入工藝控制措施,例如針對新材料的測量方案,以防止現(xiàn)有器件受到新材料和新工藝的影響。

三是要開發(fā)具有成本效益的工藝??赏ㄟ^工藝集成優(yōu)化,最大限度地減少因引入新材料和新工藝而導(dǎo)致的成本增加。

四是設(shè)計與測試優(yōu)化。隨著柵極材料的變化,晶體管特性和可靠性與傳統(tǒng)多晶硅柵極/SiON截然不同,為了最大限度地發(fā)揮HKMG的優(yōu)勢,增強可靠性,需要新設(shè)計方案,并優(yōu)化相關(guān)測試。

總之,通過將HKMG整合、優(yōu)化成為適用于DRAM工藝的形式,開發(fā)出新平臺,并通過包括試點操作在內(nèi)的預(yù)驗證工藝來確保方案可行,從而實現(xiàn)將HKMG工藝用于DRAM量產(chǎn)。

結(jié)語

以往,具備低漏電、高性能特性的先進(jìn)制程工藝多用于邏輯芯片,特別是PC、服務(wù)器和智能手機用CPU,如今,這些工藝開始在以DRAM為代表的存儲器中應(yīng)用,再加上EUV等先進(jìn)設(shè)備和工藝的“互通”,邏輯芯片和存儲器的制程節(jié)點和制造工藝越來越相近。

在上世紀(jì)60年代,當(dāng)CPU剛開始批量生產(chǎn)的時候,其制造工藝就是基于當(dāng)時的存儲器SRAM的工藝,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,應(yīng)用系統(tǒng)的變遷對CPU的要求不斷提高,相應(yīng)的制程工藝隨摩爾定律快速發(fā)展。相對而言,存儲器對制程的要求沒有CPU那么高,但隨著應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展,特別是大數(shù)據(jù)和AI的演進(jìn),原有存儲器制程的發(fā)展節(jié)奏難以滿足應(yīng)用要求了。因此,存儲器制程工藝緊追了上來,目前已經(jīng)十分接近以CPU為代表的邏輯芯片了。

這樣的發(fā)展也使得CPU和DRAM之間的工藝壁壘變小了,這也在一定程度上迎合了存算一體發(fā)展趨勢,也就是將CPU、AI等功能集成進(jìn)DRAM。HKMG工藝在DRAM上的應(yīng)用可以進(jìn)一步促進(jìn)存算一體的發(fā)展。

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