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實現最佳化DRAM佈局 Hynix微型化8F2架構揭密

上網時間: 2008年07月24日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DRAM  SDRAM 

DRAM市場持續承受著莫大的價格壓力,而需求的減緩和新廠的產能過剩使得問題更加惡化,有時也導致了DRAM成本比售價更高。在Young Choi最近發表的《揭密DRAM設計:8F2與6F2架構比較》一文中詳細討論了8F2折疊位元線和6F2開放位元線架構的效率。該文指出,6F2單元中約25%的優勢將可換來晶片面積減少約13%,最重要的是,每片12吋晶圓的總切割面積可以增加15%。

因此,這也就是為什麼主要的DRAM製造商們多採用6F2架構以保持其競爭力。

然而,DRAM製造商海力士(Hynix)則是在此趨勢下的一個例外,特別是該公司最近還發佈了8F2架構的66nm SDRAM設計HY5PS1G831CFP-Y5。該元件足以與三星(Samsung)具更高效率的6F2單元設計技術相互競爭。海力士的這項最新產品(也是市場上最先進的DRAM元件之一)將有利於其保持市場地位。

三星的1Gb DDR2 SDRAM採用稍大一些的68nm CMOS製程技術製造,儘管採用的是開放位元線6F2架構,但其晶片尺寸與Hynix的設計非常接近。Hynix的66nm 1Gb DRAM(配置為128Mbx8)晶片面積只稍大了4%,其設計令人印象深刻。

三星的1Gb SDRAM採用16Mbit×8個I/O×8個儲存區塊(band)的架構,可工作在單一1.8V電壓VDDQ下,並實現雙倍數據速率的傳送,最高速率可達800Mbps/pin(DDR2-800)。Hynix的1Gb SDRAM架構則採用128Mbx8個儲存區塊的配置,但同樣工作於1.8V電壓。

Semiconductor Insights公司對於三星和Hynix的這兩款元件所用的製程技術作了詳細分析,最後也發現二者的通用製程架構非常類似。兩種元件都採用了球狀凹槽通道陣列電晶體(S-RCAT)單元電晶體結構,但彼此卻有一點不同;同時,兩種元件也都使用金屬-絕緣層-金屬(MIM)儲存單元。由於製程構造非常相似,而單元架構卻迥然不同,因此需要用其它的評估方法來衡量這兩種產品的相似性和差異。

圖1:採用微型探針測量Hynix公司66nm 1Gb SDRAM的SEM圖。用於探測的可用接觸面積比一根頭髮的直徑還小1,000倍。
圖1:採用微型探針測量Hynix公司66nm 1Gb SDRAM的SEM圖。用於探測的可用接觸面積比一根頭髮的直徑還小1,000倍。

單元電晶體特性

相較於具有相似閘長度的傳統平面陣列電晶體,三星和Hynix在其DRAM元件中所使用的S-RCAT結構具有更好的電氣特性,如汲極到源極的擊穿電壓(BVDS)、結點漏電流和單元接觸電阻等。因此,S-RCAT可以有效地增加通道長度而不增加佔用面積,因而減少待機時的功耗。

在DRAM元件使用S-RCAT的最顯著效果是數據保持時間的改善。透過簡單地增加凹槽通道深度並保持相同的基底摻雜濃度,該技術可以非常方便地擴展到次60nm節點。因此,三星和Hynix的這兩款DRAM元件可說是Semiconductor Insights公司迄今所分析的元件中最先進的了。

為了釐清這些元件是如何建構的,特別是那些專為適應各種極端工作溫度而製造的元件,Semiconductor Insights公司開發出一種專用程序。為了測量這種元件的單元電晶體特性(TC),這種程序是先從晶片上剝離電晶體,然後對它們進行分層以便暴露出探針接觸點。

要在典型的邏輯元件上或記憶體的週邊中測量TC,必須採用專門的微型探針和樣品準備技術,這種測量方法已有效地行之多年了。微型探針必須與連接電晶體源極、汲極和閘極的金屬插槽充分接觸。

在測量DRAM單元電晶體時,微型探針接觸的是多晶矽插槽,而不是金屬。由於探針接觸阻抗每次都不一樣(部份原因是插槽上原生的氧化物),而使得電晶體特性的測量極具挑戰性,並可能導致該測量結果很難重複應用在其它測試上。只有極少數的技術服務供應商成功地在DRAM單元電晶體上實現了有意義的測量,特別是在多種溫度環境下。

圖2:微型探針建置:DRAM單元電晶體的特性量測。
圖2:微型探針建置:DRAM單元電晶體的特性量測。

鑒於這些元件彼此間存在很大的相似性,單元電晶體特性方面的電氣性能最吸引人們的興趣。Semiconductor Insights公司最近在室溫以及高對比溫度(-20℃和80℃)條件下對這兩款DRAM所做的分析結果也相當有趣。

雖然Hynix的S-RCAT電介質比三星元件更薄約7%左右,但Hynix元件的線性閾值電壓Vt-lin卻高出15%。閾值電壓差異在所測溫度範圍內是比較一致的,因此這種差異可能是由於電晶體架構中的摻雜濃度差異所引起的。

這次分析還對與溫度有關的漏電流Ioff做了評估。兩款元件的漏電流大致相當:低溫時的漏電流差異並不十分顯著。

不論是從結構或是從性能的角度看,三星和Hynix的DRAM元件都非常相似。三星公司採用了6F2開放位元線架構的方式來縮小尺寸;而Hynix則保持了8F2折疊位元線的設計,並選擇最佳化佈局的方法,實現了僅69.6mm2的尺寸,只比三星晶片的67 mm2稍大一點。

我們將密切關注三星和Hynix的技術演進,並瞭解Hynix是否能成功地一步縮小8F2架構。

圖3:三星68nm(6F2)和Hynix 66nm(8F2)1Gb DRAM設計比較。
圖3:三星68nm(6F2)和Hynix 66nm(8F2)1Gb DRAM設計比較。

作者:John Boyd

製程技術分析師

Semiconductor Insights公司





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