当前和未来的DRAM技术和微缩：EUVL, HKMG, 3D DRAM和材料（II）

继续上一篇博客《当前和未来的DRAM技术和微缩：EUVL, HKMG, 3D DRAM和材料（I）》，本篇文章将会讨论DRAM外围晶体管微缩、EUVL、3D DRAM以及材料。

DRAM外围晶体管微缩

在DRAM上的HKMG新技术方面，三星处于领先地位。三星首先在D1x的GDDR6芯片上应用了HKMG，然后在D1y的DDR5芯片上也应用了HKMG。现在，美光和SK海力士紧随其后。三星HKMG DRAM栅极结构分别显示了镧掺杂（La-doped）和铝掺杂（Al-doped）的NMOS和PMOS晶体管，并且两者都使用了TiN WF层。三星的新HKMG DRAM PMOS晶体管使用SiGe的外延层通道（epi-channel），而美光则保留了硅通道（si-channel）（表1）。HKMG氧化物的等效氧化厚度EOT为1.5 nm，与传统的SiON/SiO栅极氧化物相同。

DRAM HKMG材料是基于HfSiON而并非HfO₂。众所周知，与HfO₂相比，HfSiON在高热预算（thermal budget）中是稳定的。三星在LVP区域采用SiGe/Si外延层通道，利用SiGe与Si之间的频带偏移来调制阈值电压(V_th)，而美光在低压PMOS晶体管上没有进行任何频带偏移工程，而是采用硅通道来保持阈值电压。此外，在LVN栅极材料和界面层(如La₂O₃)中没有检测到La，这意味着美光使用的是HfSiON/SiON栅极氧化物，没有任何NMOS Vth调制工程。为了调制NMOS的阈值电压，三星还添加了镧掺杂层。我们知道镧原子在界面处扩散并形成偶极子，这些偶极子降低了晶体管的Vth。由于TiN沉积剖面(LaCl3地层)的潜在异常，Micron可能会跳过镧的使用。三星为此成功优化了TiN沉积工艺，包括用于HK介电介质的无氧等离子体PR条工艺。HKMG DRAM技术将很快应用于低功耗DRAM器件。

表1：HKMG DRAM对比；美光vs.三星

未来DRAM原型的3D DRAM

TechInsights指出，DRAM的微缩速度最近非常缓慢，业界可能需要寻找一种新的架构来继续推动更多的内存位。解决平面微缩限制的最可能的方法是转移到3D DRAM，如3D GAA NAND。虽然我们可以通过使用3D封装解决方案(如HBM器件或混合DRAM晶圆键合技术)来实现这一目标，但3D DRAM单元结构将是进一步扩展DRAM规模的有希望的候选方案之一。迄今为止，许多3D DRAM概念已经提出并申请了专利，一些主要DRAM厂商正在进行晶圆级测试。电容器现在是水平的，因此需要足够的层来抵消横向足迹的增加。图1显示了3D DRAM技术的专利族趋势。自2019年以来，美国申请的专利数量急剧增加，增加了两倍或更多，这意味着该行业需要3D DRAM等下一个原型来进一步扩展DRAM。从占用空间的角度来看，可能需要超过16层的3D DRAM堆叠工艺来取代当前的2D DRAM。

图1：3D DRAM技术的专利族趋势，2009年- 2022年以及2023年预测

EUVL和新材料

对于DRAM上的EUV光刻技术，主要的DRAM厂商都有自己的策略、基础设施和计划。三星已经在其系统逻辑工艺晶圆厂投入了大量资金，因此他们可以扩展EUVL应用(图2)。SK海力士最近在D1a DRAM器件等DRAM上采用了EUVL，并将在下一代中继续使用EUVL。美光可能推迟采用EUVL用于D1γ。

在开发3D DRAM的同时，采用铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜晶体管(TFTs)的2T0C无电容DRAM单元将成为DRAM单元的另一个候选产品。对于一种新的高k单元电容器，钛酸锶(STO)/Ru通常带隙低于3.5eV，被考虑用于高k介电层，以取代基于AlO和ZrO的结构。在这种情况下，由于钌（Ru）的高功函数通过确保电极和电介质之间的高导带偏移来积极影响漏电流密度，因此钌将可被作为一种选择。

图2：采用了三星电子最先进的D1a DRAM工艺模块EUVL

DRAM将会在几年内微缩到个位数技术节点。谁将引领未来的DRAM市场？现在是为他们做准备的最重要、最关键的时刻！