聊聊DRAM的原理、结构、工艺挑战、未来发展

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-09-19 10:38:36 971

1. DRAM的基本概念

DRAM（Dynamic Random-Access Memory）是一种存储数据的半导体器件，广泛应用于计算机和其他电子设备中。

图：存储芯片分类

与SRAM（静态随机存取存储器）不同，DRAM需要周期性地刷新来保持存储的数据，这就是“动态”的含义。每个DRAM单元由一个电容器和一个晶体管组成。

图：DRAM和SRAM优劣势对比

图：利用DRAM做成的内存条

2. DRAM单元结构

每个DRAM存储单元主要由两个部分构成：

电容器：用于存储数据，电容器可以充电（表示“1”）或放电（表示“0”）。

晶体管：作为开关，用于控制电容器的充放电状态，从而读写数据。

图：DRAM单元结构

3. 数据存储原理

写入数据：当需要写入数据时，电路会通过晶体管控制电容器的充放电状态，将“1”或“0”写入存储单元。

读取数据：读取操作时，通过控制晶体管，将电容器中的电荷状态（电压）读出，判断是“1”还是“0”。

图：DRAM结构

4. 刷新操作

由于电容器存在漏电现象，电荷会逐渐消散。因此，DRAM需要定期刷新（通常每隔几毫秒）来重新充电，从而保持数据的正确性。这一操作由专用的刷新电路完成。

5. DRAM的工艺挑战

工艺缩减：随着技术节点的缩小（如从38nm到19nm再到更小节点），每个存储单元的尺寸大幅减小，这给晶体管和电容器的制造带来了巨大的挑战。需要精确控制蚀刻、氧化、掺杂等工艺步骤，以确保单元的可靠性和性能。

设计规则缩减：设计规则的缩减要求更严格的布局和布线，以避免干扰和信号完整性问题。

漏电控制：工艺优化中，特别关注晶体管的漏电控制，以提高DRAM的效率和可靠性。

图：多次曝光工艺流程

6. DRAM的可靠性和性能优化

可靠性：通过优化工艺参数（如离子注入条件、热处理时间）和改进电路设计，减少电容器漏电和晶体管的亚阈值电流，从而提升DRAM的可靠性。

性能：不断优化晶体管特性（如阈值电压调整）和电容器材料（如高K介质的应用），提高DRAM的存储速度和能效比。

7. 未来的发展趋势

3D DRAM是一种通过堆叠多个存储层和使用垂直互联技术来增加存储密度和性能的先进DRAM技术。

随着3D集成技术的发展，DRAM正在从二维平面结构向三维堆叠结构演进，能够在有限的面积内集成更多的存储单元，提高存储密度。此外，低功耗和高速度将是未来DRAM技术发展的重要方向。

图片来源：Samsung