DRAM工艺快追上CPU了

文|半导体财富纵横

近期，DRAM制造工艺又实现了一次打破，这次操纵来自于SK海力士，该公司公布，已乐成开拓出全球首款回收HKMG（High-K Metal Gate）工艺的LPDDR5X内存，回收1αnm制程，该款LPDDR5X与上一代产物对比，功耗低落了25%，数据传输速率提高了33%，并在JEDEC设定的1.01V-1.12V超低电压范畴内运行。

LPDDR5X用于以手机为代表的移动设备，它与PC、处事器用DRAM差异，对低功耗要求很高，同时，机能又不能下降太多，通过回收HKMG工艺，可以更好地担保提高机能地同时，又低落功耗。

以往，HKMG工艺主要用于逻辑芯片，出格是CPU、GPU等处理惩罚器，近些年，跟着市场需求的成长，出格是5G通信、汽车智能化、VR/AR和利用AI的边沿计较等应用场景对内存机能的要求越来越高，DRAM制程工艺演进到了10nm-20nm范畴，此时，高机能与低功耗的抵牾逐渐凸出，而HKMG是办理这一抵牾体的有效方式，首先是应用于非移动设备用DRAM，如处事器中的DRAM，代表企业是三星，如今，HKMG被引入移动设备用DRAM，也就是LPDDR，也是一个符号性的超过。

早期，集成电路晶体管栅极质料用的是铝，回收的相关配套布局是铝金属/二氧化硅，厥后成长到了多晶硅栅，回收的配套布局是多晶硅栅/二氧化硅，之后又颠末一段时间的成长，进级到了多晶硅栅/SiON，2007年，HKMG横空出世。

提起HKMG工艺的由来，不得不提到集成电路传统霸主英特尔，2007年头，英特尔公布在45nm制程节点处操作新型High-k（高介电常数）介质质料HfO2（二氧化铪）来取代传统SiON作为栅介质层，以改进栅极泄电流问题，同时操作金属栅取代多晶硅栅，开拓出了HKMG工艺。之所以是45nm，是因为半导体制程凭据摩尔定律成长到这个节点时，晶体管中最先到达极限的是栅极电介质，传统的栅极电介质已无法满意晶体管机能提高、体积缩小的要求，易发生泄电流等问题，造成晶体管靠得住性下降，而高K金属栅则可以办理这一问题。HKMG工艺的最大特点就是介电常数高，HKMG以金属氧化物作为栅极电介质，与传统栅极布局对比，可以淘汰栅极泄电流，低落事情电压，并提高晶体管靠得住性。这是20世纪60年月以来，晶体管技能的重大打破，也是半导体财富的一项重要创新。

可用作高K金属栅极电介质的金属氧化物需要具备禁带宽度高、物理化学性质不变、热不变性好、可制造薄膜质料、与硅元素兼容、兼容CMOS工艺等特点。HfO2是主流的高K金属栅极电介质质料，在半导体财富获得遍及应用。但HfO2存在高温不变性较弱、与硅兼容性较差、沉积薄膜易发生缺陷等缺点，新的高K金属栅极电介质还在开拓进程中。别的，铪基质料与多晶硅栅的兼容性一直是一个问题，所以需要回收金属栅。

虽然，回收HKMG技能，对付金属栅极是有要求的，金属栅极的选择受到多种因素的影响，详细就不在此详述了。

近些年，三星电子，融易新媒体，SK海力士、美光这三大存储芯片厂商竞相开拓10nm-20nm制程级别DRAM，相继引入了EUV光刻设备，这在以前只会用于制造各类CPU等处理惩罚器，可见市场应用对DRAM要求越来越高，使得这三大厂商必需在制程工艺方面下更多工夫，因此，继 EUV之后，HKMG成为了另一个核心。

2021年，三星电子首次将HKMG工艺用于DDR5，并敦促了贸易化历程。其时，三星电子曾经暗示，HKMG DDR5内存模块的功耗比传统工艺淘汰了约13%，打算按照下一代计较市场的客户需求，当令将该内存贸易化。可是，三星一直没有果真该款DRAM的商用化案例。本年，TechInsights透露了相关信息，该芯片已经应用于一家中国台湾高机能内存模块制造商的产物，据悉，该款DRAM是16Gb的DDR5，回收了HKMG工艺制造。

作为三星电子的老敌手，DRAM大厂SK海力士自然不会坐视三星在DRAM技能方面领先，看到敌手在PC、处事器用DRAM上回收了HKMG工艺，SK海力士更进一步，将该工艺用在了对功耗要求更高的移动设备DRAM上，也就是前文提到的LPDDR5X。

那么，SK海力士是如何做到的呢？

首先要相识一下DRAM的根基布局，构成DRAM的晶体管有以下几种：存储数据的单位晶体管(Cell Transistor)，规复数据的焦点晶体管(Core Transistor)，涉及控制逻辑和数据输入/输出的外围晶体管(Peripheral Transistor)。跟着技能的进步，单位晶体管在提高DRAM存储容量方面取得了一些技能打破。然而，本来的焦点晶体管和外围晶体管特性越来越不适合DRAM的应用要求，成为了成长瓶颈，出格是对付外围晶体管而言，只有实现工艺尺寸的进一步微缩，才气提高机能，在需要快速提高机能的高端产物中尤为如此。因此，需要一种全新的办理方案来降服微缩基于多晶硅栅极/SiON的晶体管时存在的限制，此时，HKMG工艺就是一个抱负方案。