存储芯片品类以及生产工艺的基本常识
存储芯片大类主要分DRAM(内存,断电丢数据)、NAND Flash(闪存,断电保留数据),二者都属于半导体存储器,但器件原理、制造核心难点、工艺天花板完全不一样;另外还有新型高带宽衍生产品HBM、HBF,是在DRAM/NAND基础上做的堆叠集成。
一、DRAM(动态随机存储器,电脑/服务器内存、HBM的基础裸片)
基础单元:1个晶体管 + 1个电容(1T1C)。靠电容里面保存电荷代表0/1;电容会漏电,必须定时刷新。
DRAM的核心矛盾:要在极小的单元面积内,维持足够电荷量,漏电必须压到极低,单元一致性要求极高,容错率很低。
DRAM分两大器件架构路线,这是最关键的分水岭:
1. BWL埋入字线 + 沟槽电容(长鑫路线,源自奇梦达)
电容是向下往硅衬底深挖沟槽来储存电荷。
✅优点:早期节点单元面积小,工艺成熟,用来做普通DDR、LPDDR消费级/服务器内存,可以稳定量产。
❌天花板:制程不断微缩,沟槽深度越来越大、孔径越来越小,深宽比急剧上升。刻蚀很难保证沟槽侧壁光滑、底部不畸变;介质薄膜沉积、漏电控制难度指数上涨。LPDDR6基本摸到这条路线的物理上限。
👉拓展HBM:HBM不是在晶圆内部做薄膜堆叠,是把做好的DRAM晶圆切割成裸片,用TSV硅通孔多层堆叠封装。裸片本身的单元漏电、一致性短板,再叠加TSV、键合缺陷,只要任意一层裸片失效,整颗HBM报废,良率衰减非常严重。
2. BWL埋入字线 + 堆叠电容(三星、SK海力士、美光主流路线)
电容向上在硅表面堆叠生长,不用深挖硅衬底。深宽比压力可控,微缩迭代空间更大,更容易持续缩小单元、做更高密度,是高端DRAM、HBM长期迭代的底层架构。
一句话区分两条DRAM路线:沟槽电容向下挖,越挖越难;堆叠电容向上堆,迭代空间更宽裕。
二、3D NAND Flash(固态硬盘、U盘、手机闪存,HBF的基础裸片)
早期是2D平面NAND,现在商用全部是3D NAND。单元是电荷俘获型晶体管,一串存储单元垂直堆叠在硅片上方,不是平铺在硅表面。
核心工艺难点不在平面光刻微缩,而在:多层氧化硅/氮化硅薄膜交替沉积,然后一次性刻蚀一根贯穿上百层薄膜的高深宽比垂直通道孔。孔不能歪、不能断、上下孔径均匀,薄膜应力控制是重中之重。
3D NAND两大架构:
1. CnA(CMOS on Array 传统架构)
存储阵列和外围逻辑电路做在同一张晶圆。
缺点:阵列工艺和逻辑工艺诉求冲突,互相牵制。层数越高,薄膜应力、晶圆翘曲问题越严重,迭代到很高层数越来越吃力。
2. Xtacking(晶栈,长江存储自研架构)
解耦!把存储阵列晶圆、外围逻辑晶圆分开独立制造。
- 阵列晶圆:专心做几百层薄膜堆叠、刻蚀垂直通道孔,只优化存储单元;
- 逻辑晶圆:单独用适合逻辑电路的工艺做译码、驱动电路;
两片各自优化完成后,用高密度铜铜混合键合把两片晶圆贴合互联。
✅优势:消除同片晶圆工艺互相妥协的矛盾,堆叠层数提升的阻力大幅下降,这是长存能稳定做到294层的底层原因。
重要补充:Xtacking是集成架构思路,不是只适用于NAND。江城实验室已经把这套“阵列/逻辑双晶圆分离+铜铜键合”思路迁移到DRAM完成中试验证;但架构不能消除存储单元本身的物理极限。
重点区分两个“堆叠”,全网博主最容易混淆:
①3D NAND堆叠:晶圆制造阶段,在单硅片内部沉积上百层薄膜(晶圆内堆叠)
②HBM堆叠:晶圆做好DRAM裸片之后,封装环节把多块裸片叠在一起,TSV互联(封装堆叠)
完全两套工艺,不能混为一谈!
三、HBM 和 HBF(高带宽衍生产品,很多自媒体混淆)
1. HBM:基于DRAM裸片做封装堆叠。本质还是DRAM,易失性存储,纳秒级延迟,支持高频随机读写。GPU训练、热KV缓存必须用它。
短板:容量小、单价昂贵;堆叠层数越高,综合良率越难控制。
2. HBF:长江存储基于Xtacking的3D NAND开发的高带宽闪存。非易失,微秒级延迟,随机写入弱、擦写次数有限。
定位:近GPU大容量存储,存放模型权重、冷KV缓存。不能替代HBM,二者互补。
存储芯片品类以及生产工艺的基本常识 存储芯片大类主要分DRAM(内存,断电丢数据)、NAND Flash(闪存,断电保留数据),二者都属于半导体存储器,但器件原理、制造核心难点、工艺天花板完全不一样;另外还有新型高带宽衍生产品HBM、HBF,是在DRAM/NAND基础上做的堆叠集成。 一、DRAM
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