三星基于EUV的1z纳米DRAM量产，背后技术细节揭秘

　　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 1y-nm 与 1z-nmDRAM 参数对比

　　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nm。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。

　　▲采用了 EUV 技术(右)与没有采用 EUV(左)的 1z-nm DRAM BLP 对比

　　二、美光暂不使用 EUV 技术，超单元尺寸仅有 0。00197µ；m2

　　与美光 1z-nm DRAM0。00204µ；m2 的超单元尺寸相比，三星的 1z-nm DRAM 超单元尺寸只有 0。00197µ；m2。三星 1z-nm DRAM 的 D/R 为 15。7nm，美光的则是 15。9nm。

　　▲三星、美光 1z-nm 工艺 DRAM 参数对比

　　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 1&alpha；-nm 和 1&beta；-nm 的 DRAM 中采用 EUV 光刻技术。而三星将在 1&alpha；-nm、1&beta；-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 尺寸趋势

　　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%。

　　▲三星 DRAM D/R 趋势

　　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。