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。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。

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。

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 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%。

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。