再添一把火，3D DRAM渐入佳境

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

三星多面出击，这次是3D DRAM。

业内消息人士表示，全球最大的存储芯片制造商三星在美国创建了一个新的研究实验室，专注于开发下一代三维（3D）DRAM。

据消息人士透露，新实验室由总部位于硅谷的美国设备解决方案公司（DSA）运营，该公司负责监督三星在美国的半导体芯片生产，并将致力于开发升级的DRAM，以使三星能够引领全球3D内存芯片市场。

据韩联社报道，2023年10月，这家韩国科技巨头表示，它正在为10nm以下制程的DRAM准备新的3D结构，它可实现更大的单芯片容量，据悉，可以超过100吉比特。

三星于 2013 年在业界首次成功将3D垂直 NAND 闪存芯片商业化。

由于企业和消费者支出放缓，全球半导体行业的收入在 2023 年下降了8.8%。根据Counterpoint Research的数据，人工智能为半导体行业带来了积极的消息，成为关键的内容和收入驱动因素，尤其是在2024下半年。

三星受到DRAM和NAND存储市场放缓的影响，其收入同比下降38%。存储市场主要受到个人电脑、服务器和智能手机市场需求疲软以及整个市场供过于求和库存过剩的打击。

大厂蓄力3D DRAM

在技术布局方面，美光早已开始部署3D DRAM的研发，是3D DRAM专利数较多的。而三星于2021年在其DS部门内建立了下一代工艺开发研究团队，开始研究。在2022年SAFE论坛上，三星列出了Samsung Foundry 的整体3DIC历程，并表示将准备用一种逻辑堆栈芯片SAINT-D，来处理DRAM堆叠问题，其设计目的是想将八个HBM3芯片集成到一个巨大的中介层芯片上。近期，三星高管表示正在加速3D DRAM的商业化。不过，目前上述企业都没有披露该技术的更多信息。

通往3D DRAM道路的技术中，这里要特别提到的是HBM（High Bandwidth Memory，高带宽存储器）和无电容式IGZO（indium-gallium-zinc-oxide）技术。

HBM方面，2014年，AMD、SK海力士共同开发出HBM技术，该技术使用TSV（Through Silicon Via，硅穿孔）技术将数个DRAM芯片堆叠起来，大幅提高了容量和数据传输速率，自此便开启了DRAM 3D化发展道路。

后期在三星、美光、英伟达、Synopsys等企业的加速竞赛下，HBM内存技术已从HBM、HBM2、HBM2E升级至HBM3标准（第四代HBM）。

TrendForce（集邦咨询）认为，AI需求持续带动HBM存储器增长，并预估2023~2025年HBM市场年复合成长率有望成长至40~45%以上。

IGZO方面，2004年，IGZO氧化物被东京工业大学的细野教授发现并发表在《自然》杂志上。在2020 IEDM（International ElectronDevices Meeting）上，美国和比利时的独立研究小组IMEC展示了无电容器DRAM。

当时消息显示，这款DRAM具有两个IGZO-TFTs，没有存储电容，这种2T0C(2 Transistor -0 Capacitor) DRAM架构有望克服经典1T1C DRAM密度缩放的关键障碍，即小单元中Si晶体管的大截止电流尺寸，以及存储电容器消耗的大面积。在2021 IEDM上，IMEC再次展示了无电容DRAM，在第一次的基础上进行了改进，保留率和耐久性都有了提高。

据中科院微电子研究所的官网信息显示，在2021 IEDM上，中科院微电子研究所李泠研究员团队联合华为/海思团队首次提出了新型CAA。该结构有效减小了器件面积，且支持多层堆叠，通过将上下两个CAA器件直接相连，每个存储单元的尺寸可减小至4F2，使IGZO-DRAM拥有了密度优势。

2022年，华为与中科院微电子研究所联合提出基于基于铟镓锌氧IGZO-FET（由In、Ga、Zn、O组成的透明氧化物）的CAA（Channel-All-Around）构型晶体管3D DRAM技术，此成果有望克服传统1T1C结构DRAM的微缩挑战。

2023年1月，针对平面结构IGZO-DRAM的密度问题，中科院微电子所微电子重点实验室刘明院士团队在垂直环形沟道结构（CAA）IGZO FET的基础上，研究了第二层器件堆叠前层间介质层工艺的影响，验证了CAA IGZO FET在2T0C DARM应用中的可靠性。该研究成果有助于推动实现4F2 IGZO 2T0C-DRAM单元。

业界认为，HBM的出现开启了DRAM 3D化发展道路，无电容IGZO-DRAM也成为了实现高密度3D DRAM的合适候选者。但很多技术现还在探索中，最终能否使DRAM实现3D堆叠，开始新的技术方向，还暂未可知。

不过，从工艺上看，三星当前量产的最尖端DRAM线宽为12nm工艺，美光已经量产了10nm DRAM芯片。考虑到目前DRAM线宽微缩至10nm将面临的情况，业界认为3~4年后新型DRAM商业化将成为一种必然。

从应用领域上看，近年来，虽然消费终端市场的萧条让存储器市场步入冬季，但汽车电子、AI服务器等其他领域对存储器的需求仍然不缺。而针对新型DRAM的未来，三星电子半导体研究所副社长兼工艺开发室负责人Lee Jong-myung于2023年3月在韩国首尔江南区三成洞韩国贸易中心举行的“IEEE EDTM 2023”上表示，3D DRAM被认为是半导体产业的未来增长动力。

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