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三星揭秘存儲(chǔ)技術(shù)新藍(lán)圖:DRAM與NAND閃存如何突破極限?

   時(shí)間:2025-05-24 12:46:57 來源:ITBEAR編輯:快訊團(tuán)隊(duì) IP:北京 發(fā)表評(píng)論無障礙通道

在半導(dǎo)體技術(shù)的最前沿,三星近期分享了DRAM與NAND閃存領(lǐng)域的突破性進(jìn)展,揭示了存儲(chǔ)技術(shù)從平面到三維的演變之路。

回溯至1990年代,DRAM單元的選擇晶體管主要依賴于平面n溝道MOSFET。然而,隨著21世紀(jì)的到來,短溝道效應(yīng)與關(guān)斷漏電流問題日益凸顯,迫使工程師們探索新的晶體管結(jié)構(gòu)。一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生,它能在不縮短溝道長(zhǎng)度的前提下,實(shí)現(xiàn)晶體管在橫向方向上的微型化,從而助力DRAM單元面積的持續(xù)縮減。光刻技術(shù)的不斷進(jìn)步,更是為這一進(jìn)程按下了加速鍵。

進(jìn)入2010年代,DRAM單元陣列的布局迎來了革命性的改進(jìn)。傳統(tǒng)上,DRAM單元的尺寸與設(shè)計(jì)規(guī)則中的特征尺寸F密切相關(guān),理論上最小的單元面積應(yīng)為4F2,但實(shí)際操作中難以實(shí)現(xiàn)。通過優(yōu)化布局,工程師們成功將單元面積從8F2縮減至6F2,即便在加工尺寸保持不變的情況下,也實(shí)現(xiàn)了25%的面積縮減。這一“6F2”布局至今仍是大容量DRAM的主流標(biāo)準(zhǔn)。

在“6F2”布局的基礎(chǔ)上,字線與溝道被巧妙地嵌入到襯底中,源極與漏極則采用水平布局。單元晶體管的垂直結(jié)構(gòu)從襯底開始,依次包括字線、溝道、位線觸點(diǎn)、電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)觸點(diǎn)、位線以及單元電容器。字線與位線的間距分別優(yōu)化為2F與3F。

進(jìn)入10nm時(shí)代(即1X代及以后),DRAM單元在保持基本結(jié)構(gòu)的同時(shí),通過改進(jìn)電容結(jié)構(gòu)、字線材料等細(xì)節(jié),連續(xù)迭代了七代,依次命名為“1X→1Y→1Z→1A→1B→1C→1D”。然而,下一代“0A”代(即10nm以下的第一代)預(yù)計(jì)將打破“6F2”布局的限制,轉(zhuǎn)向更為緊湊的“4F2”布局。

實(shí)現(xiàn)“4F2”布局的關(guān)鍵在于垂直溝道晶體管(VCT)的應(yīng)用。在這一結(jié)構(gòu)中,位線、溝道(側(cè)面伴有字線)以及電容器垂直排列于基板之上。三星發(fā)明的S2CAT(自對(duì)準(zhǔn)2間距單元陣列晶體管)結(jié)構(gòu),正是這一理念的杰出代表。

除了提高內(nèi)存密度,三星還探索了三維DRAM(3D DRAM)的可能性。通過垂直堆疊DRAM單元,實(shí)現(xiàn)了容量的顯著提升。VS-CAT(垂直堆疊單元陣列晶體管)技術(shù),正是這一領(lǐng)域的又一創(chuàng)舉。

與此同時(shí),NAND閃存的發(fā)展也經(jīng)歷了從平面到三維的轉(zhuǎn)型。面對(duì)小型化帶來的干擾與電荷量減少問題,3D NAND閃存應(yīng)運(yùn)而生。通過將單元串轉(zhuǎn)換為垂直方向,不僅大幅提升了電荷存儲(chǔ)量,還有效降低了相鄰單元間的干擾。

三星在3D NAND閃存領(lǐng)域同樣取得了顯著進(jìn)展,成功將“多值存儲(chǔ)”技術(shù)推向標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格,即在一個(gè)單元中存儲(chǔ)三位數(shù)據(jù)。通過增加堆疊層數(shù)與優(yōu)化布局,實(shí)現(xiàn)了密度與容量的快速增加。

然而,3D NAND閃存同樣面臨著挑戰(zhàn)。隨著堆疊層數(shù)的增加,蝕刻難度與相鄰單元間的干擾問題日益凸顯。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),三星等廠商正在嘗試使用鐵電膜等新材料,以期降低編程電壓、抑制閾值電壓波動(dòng),并提升多值存儲(chǔ)的可靠性。

在全球技術(shù)交流的舞臺(tái)上,來自不同企業(yè)和專家的分享同樣引人注目。IMEC的純金屬柵極技術(shù)、鎧俠的多級(jí)編碼技術(shù)、應(yīng)用材料公司的快速外延生長(zhǎng)技術(shù)等,均為存儲(chǔ)技術(shù)的未來發(fā)展提供了新的思路。

在DRAM領(lǐng)域,NEO Semiconductor的3D X-DRAM技術(shù)、Macronix International的改進(jìn)型3D DRAM技術(shù),以及半導(dǎo)體能源實(shí)驗(yàn)室的氧化物半導(dǎo)體單片堆疊技術(shù),均展現(xiàn)了三維存儲(chǔ)技術(shù)的無限潛力。

鐵電存儲(chǔ)器與電阻式存儲(chǔ)器等領(lǐng)域的創(chuàng)新同樣引人注目。美光科技的高性能鐵電存儲(chǔ)器、佐治亞理工學(xué)院的非揮發(fā)性電容器制造工藝、GLOBALFOUNDRIES的互補(bǔ)FeFET存儲(chǔ)器技術(shù)等,均為存儲(chǔ)技術(shù)的多元化發(fā)展注入了新的活力。

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