聊聊DRAM的原理、結構、工藝挑戰、未來發展

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-09-19 10:38:36 914

1. DRAM的基本概念

DRAM（Dynamic Random-Access Memory）是一種存儲數據的半導體器件，廣泛應用于計算機和其他電子設備中。

圖：存儲芯片分類

與SRAM（靜態隨機存取存儲器）不同，DRAM需要周期性地刷新來保持存儲的數據，這就是“動態”的含義。每個DRAM單元由一個電容器和一個晶體管組成。

圖：DRAM和SRAM優劣勢對比

圖：利用DRAM做成的內存條

2. DRAM單元結構

每個DRAM存儲單元主要由兩個部分構成：

電容器：用于存儲數據，電容器可以充電（表示“1”）或放電（表示“0”）。

晶體管：作為開關，用于控制電容器的充放電狀態，從而讀寫數據。

圖：DRAM單元結構

3. 數據存儲原理

寫入數據：當需要寫入數據時，電路會通過晶體管控制電容器的充放電狀態，將“1”或“0”寫入存儲單元。

讀取數據：讀取操作時，通過控制晶體管，將電容器中的電荷狀態（電壓）讀出，判斷是“1”還是“0”。

圖：DRAM結構

4. 刷新操作

由于電容器存在漏電現象，電荷會逐漸消散。因此，DRAM需要定期刷新（通常每隔幾毫秒）來重新充電，從而保持數據的正確性。這一操作由專用的刷新電路完成。

5. DRAM的工藝挑戰

工藝縮減：隨著技術節點的縮小（如從38nm到19nm再到更小節點），每個存儲單元的尺寸大幅減小，這給晶體管和電容器的制造帶來了巨大的挑戰。需要精確控制蝕刻、氧化、摻雜等工藝步驟，以確保單元的可靠性和性能。

設計規則縮減：設計規則的縮減要求更嚴格的布局和布線，以避免干擾和信號完整性問題。

漏電控制：工藝優化中，特別關注晶體管的漏電控制，以提高DRAM的效率和可靠性。

圖：多次曝光工藝流程

6. DRAM的可靠性和性能優化

可靠性：通過優化工藝參數（如離子注入條件、熱處理時間）和改進電路設計，減少電容器漏電和晶體管的亞閾值電流，從而提升DRAM的可靠性。

性能：不斷優化晶體管特性（如閾值電壓調整）和電容器材料（如高K介質的應用），提高DRAM的存儲速度和能效比。

7. 未來的發展趨勢

3D DRAM是一種通過堆疊多個存儲層和使用垂直互聯技術來增加存儲密度和性能的先進DRAM技術。

隨著3D集成技術的發展，DRAM正在從二維平面結構向三維堆疊結構演進，能夠在有限的面積內集成更多的存儲單元，提高存儲密度。此外，低功耗和高速度將是未來DRAM技術發展的重要方向。

圖片來源：Samsung