就算3D NAND的每位元成本與平面NAND相比較還不夠低,NAND快閃記憶體已經成功地由平面轉為3D,而DRAM還是維持2D架構;在此同時,DRAM製程的微縮也變得越來越困難,主要是因為儲存電容的深寬比(aspect ratio)隨著元件製程微縮而呈倍數增加。

因此,為了要延長DRAM這種記憶體的壽命,在短時間內必須要採用3D DRAM解決方案。什麼是3D超級DRAM (Super-DRAM)?為何我們需要這種技術?以下請見筆者的解釋。

平面DRAM是記憶體單元陣列與記憶體邏輯電路分佔兩側,3D Super-DRAM則是將記憶體單元陣列堆疊在記憶體邏輯電路的上方,因此裸晶尺寸會變得比較小,每片晶圓的裸晶產出量也會更多;這意味著3D Super-DRAM的成本可以低於平面DRAM。

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3D Super-DRAM與平面DRAM結構比較

3D Super-DRAM重複使用了運用於平面DRAM的經證實生產流程與元件架構;當我們比較平面與3D兩種DRAM,儲存電容以及記憶體邏輯電路應該會是一樣的,它們之間的唯一差別是單元電晶體。平面DRAM正常情況下會採用凹型電晶體(recessed transistor),3D Super-DRAM則是利用垂直的環繞閘極電晶體(Surrounding Gate Transistor,SGT)

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3D Super-DRAM架構

平面DRAM最重要也最艱難的挑戰,是儲存電容的高深寬比。如下圖所示,儲存電容的深寬比會隨著元件製程微縮而呈倍數增加;換句話說,平面DRAM的製程微縮會越來越困難。根據我們的了解,DRAM製程微縮速度已經趨緩,製造成本也飆升,主要就是因為儲存電容的微縮問題;這個問題該如何解決?

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平面DRAM儲存電容深寬比會隨製程微縮而增加

平面DRAM的儲存電容恐怕無法變化或是修改,但是如果使用記憶體單元3D堆疊技術,除了片晶圓的裸晶產出量可望增加四倍,也能因為可重複使用儲存電容,而節省高達數十億美元的新型儲存電容研發成本與風險,並加快產品上市時程。

垂直SGT與凹型電晶體有什麼不同?兩者都有利於源極(source)與汲極(drain)間距離的微縮,因此將洩漏電流最小化;但垂直SGT能從各種方向控制閘極,因此與凹型電晶體相較,在次臨限漏電流(subthreshold)特性的表現上更好。

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垂直SGT與凹型電晶體特性比較

眾所周知,絕緣上覆矽(SOI)架構在高溫下的接面漏電流只有十分之一;而垂直SGT的一個缺點,是沒有逆向偏壓(back-bias)特性可以利用。整體看來,垂直SGT與凹型電晶體都能有效將漏電流最小化。

接著是位元線寄生效應(parasitics)的比較。平面DRAM的埋入式位元線能減少儲存電容與位元線之間的寄生電容;垂直SGT在最小化寄生電容方面也非常有效,因為位元線是在垂直SGT的底部。而因為垂直SGT與埋入式電晶體的位元線都是採用金屬線,位元線的串聯電阻能被最小化;總而言之,垂直SGT與凹型電晶體的性能與特徵是幾乎相同的。

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垂直SGT與凹型電晶體的寄生電容比較

不過垂直SGT與凹型電晶體比起來簡單得多,前者只需要兩層光罩,節省了3~4層光罩步驟;舉例來說,不用源極與汲極光照,也不需要凹型閘極光罩、字元線(word line)光罩,以及埋入式位元線光罩。如果你有3D Super-DRAM製造成本高昂的印象,這是不正確的;3D Super-DRAM的製程與結構,還有元件的功能性與可靠度都已成功驗證。

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垂直SGT需要的光罩層數較少

下圖是3D Super-DRAM與平面DRAM相較的各種優點摘要:

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編譯:Judith Cheng

(參考原文: Why 3D Super-DRAM?,by Sang-Yun Lee,本文作者為3D Super-DRAM 技術供應商BeSang執行長)