三星基于EUV的1z纳米DRAM量产 背后技术细节揭秘

2021年02月20日 11:40 次阅读 稿源:芯东西 条评论

三星电子近期将极紫外(EUV)光刻技术应用在基于1z-nm工艺的DRAM上,并且完成了量产。半导体分析机构TechInsights拆解了分别采用EUV光刻技术和ArF-i光刻技术的三星1z-nm工艺DRAM,它认为该技术提升了三星的生产效率,并减小了DRAM的核心尺寸。

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TechInsights还将三星的与美光的1z-nm工艺DRAM进行了对比,三星的DRAM在芯片超单元尺寸(Cell Size)方面同样较小。

一、三款1z-nm DRAM芯片使用EUV技术,核心尺寸缩小18%

三星在2019年末大批量生产了100万颗采用1x-nm工艺和EUV技术的DRAM。紧接着在去年年初,三星电子首次宣布将研发分别使用了ArF-i技术和EUV技术的1z-nm DRAM。如今,三星已经在量产的1z-nm DRAM上应用了EUV技术。

目前三星对采用1z-nm工艺的8GB DDR4、12GB LPDDR5和16GB LPDDR5进行了EUV技术升级。

12GB LPDDR5和16GB LPDDR5 DRAM已经应用在三星Galaxy S21 5G系列的手机中,其中S21、S21+和S21 Ultra 三款手机于2021年1月发布。

三星Galaxy S21 Ultra的RAM中使用的是12GB LPDDR5芯片,而S21和S21+手机的RAM组件中使用了16GB LPDDR5芯片。

TechInsights称,三星1z-nm工艺的生产效率比以前的1y-nm工艺高出15%以上。D/R(Design Rule)从1y-nm工艺的17.1nm降低到1z-nm工艺的15.7nm,核心尺寸也从53.53mm2减小到43.98mm2,比之前缩小了约18%。


▲三星1y-nm与1z-nmDRAM参数对比

三星电子将其最先进的1z-nm工艺与EUV光刻技术集合在了12GB LPDDR5芯片上,而同样基于1z-nm工艺的16 GB LPDDR5芯片则使用了非EUV光刻技术。

电子行业媒体EETimes猜测,很可能三星最初开发的LPDDR5产品是采用ArF-i和EUV光刻技术混合的SNLP(Storage Node Landing Pad)/BLP(Bit Line Pad)技术,现在它生产的所有1z-nm工艺LPDDR5芯片都是基于EUV光刻技术,其芯片可能由它在韩国平泽市的第二条生产线进行制造。

三星在12GB LPDDR5芯片上采用了EUV光刻技术,其关键尺寸约为40nm,S/A(sense amplifier circuitry)区域线宽为13.5nm。通过使用EUV技术,可以改善S/A区域中BLP封装技术的线边缘粗糙度(LER),并减少了桥接/短路缺陷。


▲采用了EUV技术(右)与没有采用EUV(左)的1z-nm DRAM BLP对比

二、美光暂不使用EUV技术,超单元尺寸仅有0.00197µm2

与美光1z-nm DRAM0.00204µm2的超单元尺寸相比,三星的1z-nm DRAM超单元尺寸只有0.00197µm2。三星1z-nm DRAM的D/R为15.7nm,美光的则是15.9nm。


▲三星、美光1z-nm工艺DRAM参数对比

目前美光对基于1z-nm工艺的DRAM,均使用基于ArF-i的光刻技术,并且宣布暂时不会在1α-nm和1β-nm的DRAM中采用EUV光刻技术。而三星将在1α-nm、1β-nm DRAM上继续使用EUV技术。

三星的DRAM超单元尺寸和D/R正在随着技术的进步而越变越小。三星DRAM超单元尺寸变化如下图所示,包括从3x-nm到1z-nm DRAM尺寸。


▲三星DRAM尺寸趋势

三星DRAM的D/R趋势则如下图所示。虽然DRAM超单元的尺寸和D/R缩放变得越来越难,但是三星仍将1z-nm DRAM的D/R减小到15.7nm,比1y-nm工艺缩小了8.2%。


▲三星DRAM D/R趋势

结语:三星技术领先,美光、SK海力士伺机而动

因为存储芯片行业存在成本高昂、供求敏感、周期时间较长等特性,美光等其他厂商因成本原因对EUV技术比较保守。但是三星作为世界存储芯片龙头,对待EUV技术较为积极,一直在探索EUV技术在存储芯片方面应用的道路,现在已经在这一方向上取得了领先优势。

不过在2020年DRAM强力的市场涨幅和IC Insights等研究机构对市场的积极预期背景下,美光、SK海力士等存储芯片厂商或许会加大在新技术、工艺制程方面的投入,同时利用成熟技术的成本优势,与三星进行竞争。

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