三星、SK海力士加速3D DRAM商业化，明年揭露细节方向

电子工程专辑讯近日，据韩国半导体行业的消息人士在3月12日透露，三星电子和SK海力士的主要半导体高管最近在一些官方活动，如半导体会议上，将3DDRAM作为克服DRAM微处理的物理限制的一种方式。

"3DDRAM被认为是半导体行业未来的增长动力，"三星电子半导体研究中心副总裁兼工艺开发办公室主任LeeJong-myung于3月10日在首尔COEX举行的IEEEEDTM2023上说。负责SKHynix未来技术研究所的SKHynix副总裁ChaSeon-yong也在3月8日说："到明年左右，关于3DDRAM的电气特性的细节将被揭示，决定其发展方向。"

三星电子和SK海力士正在加快3DDRAM的商业化进程，据说这将改变存储器行业的游戏规则。

3DDRAM是将存储单元（Cell）堆叠至逻辑单元上方以实现在单位晶圆面积上产出上更多的产量，从这方面来说，3DDRAM可以有效解决平面DRAM最重要也最艰难的挑战，那就是储存电容的高深宽比。

储存电容的深宽比通常会随着组件工艺微缩而呈倍数增加，也就是说，平面DRAM的工艺微缩会越来越困难。3DDRAM可以提高存储密度和性能，同时克服传统DRAM在电路线宽缩小后面临的电容器漏电和干扰等物理限制。3DDRAM还可以减少功耗和成本，提高可靠性和稳定性。

因此，可以认为DRAM从2D架构转向3D架构是未来的主要趋势之一。

因为现有的DRAM产品开发的重点是通过减少电路线宽来提高集成度。线宽是指半导体器件中最小的特征尺寸，通常是晶体管的栅极长度。线宽越小，晶体管越多，集成度越高，功耗越低，速度越快。

但随着线宽进入10纳米范围，电容电流泄漏和干扰等物理限制明显增加。为了防止这种情况，新的材料和设备，如高介电常数（高K）沉积材料和极紫外（EUV）设备被引入。但半导体行业认为，为制造10纳米或更先进的芯片而进行的小型化将给芯片制造商带来巨大挑战。

3DDRAM或在未来3年成为主要方向

自2010年至今，3DDRAM的可能性一直在探索阶段，目前已有一些3DDRAM技术出现在市场上或实验室中，如HBM、HMC、基于IGZO的CAA晶体管3DDRAM等。三星、SK海力士对3DDRAM加速商业化有助于推进该技术的发展。

HBM（HighBandwidthMemory，高带宽存储器）技术可以说是DRAM从传统2D向立体3D发展的主要代表产品，开启了DRAM3D化道路。它主要是通过硅通孔（ThroughSiliconVia,简称“TSV”）技术进行芯片堆叠，以增加吞吐量并克服单一封装内带宽的限制，将数个DRAM裸片垂直堆叠，裸片之间用TVS技术连接。HBM的优点是带宽高、功耗低、封装体积小，适合用于高性能计算、图形处理等领域。HBM的缺点是成本高、制造复杂、热管理困难等。

HMC（混合存储立方体）是一种将多层DRAM芯片堆叠在一起，并通过TSV和微铜柱连接到一个逻辑层上的技术。HMC的优点是带宽高、功耗低、可扩展性强，适合用于服务器、网络等领域。HMC的缺点是成本高、兼容性差、供应链不稳定等。这项技术的发展是以混合内存立方体联盟(HybridMemoryCubeConsortium；HMCC)为主导，成员包括主要的内存制造商，如美光(Micron)、海力士(SKHynix)和三星(Samsung)，以及像是Altera、Arm、IBM、微软(Microsoft)、Open-Silicon和赛灵思(Xilinx)等开发商。

而让HMC和HBM高阶内存得以实现的关键在于采用了TSV，但这一技术也使得制造成本大幅增加。

基于IGZO的CAA晶体管3DDRAM是一种利用IGZO（氧化物半导体）材料制作CAA（电容器辅助接入）晶体管，并将其与DRAM芯片堆叠在一起的技术。基于IGZO的CAA晶体管3DDRAM的优点是可以实现无电容结构，从而提高存储密度和信噪比，降低漏电和刷新频率，适合用于移动设备等领域。基于IGZO的CAA晶体管3DDRAM的缺点是目前还处于实验阶段，尚未量产或商用。

根据半导体技术分析公司TechInsights的数据，在内存半导体市场排名第三的美光公司正在积极准备蓝海市场，在2022年8月前获得30多项3DDRAM的专利技术。与三星电子持有的不到15项DRAM专利和SK海力士持有的约10项专利相比，美光获得的3DDRAM相关专利是这两家韩国芯片制造商的两到三倍。

美光公司从2019年开始进行3DDRAM研究，三星电子在2021年通过在其DS部门内建立一个下一代工艺开发团队开始研究。

在今年，三星电子和SK海力士将大规模生产生产线宽为12纳米的尖端DRAM。

可见，随着现在DRAM的小型化已经越来越困难，线宽的缩小只能按一纳米的情况发展，新结构的DRAM商业化发展将成为必然，从现在起到未来的三到四年内，这将成为制造商们发展的主要方向，而不是一种选择。

DRAM市场竞争一直很激烈。三大DRAM制造商分别是三星、SK海力士和美光，它们在市场上占据主导地位。然而，与现有的DRAM市场不同，3DDRAM市场目前还没有绝对的领导者。因此快速的大规模生产技术发展是最重要的。此外，还必须及时应对因ChatGPT等人工智能（AI）市场需求增长而导致的对高性能和高容量存储半导体需求的增加。