在高性能計(jì)算系統(tǒng)，特別是 AI 服務(wù)器中，內(nèi)存（DRAM）的容量和帶寬指標(biāo)越來越重要，因?yàn)樘幚砥餍枰幚砭蘖繑?shù)據(jù)，傳統(tǒng) DRAM 已經(jīng)無法滿足需求。目前，HBM 是當(dāng)紅炸子雞。

相對(duì)于傳統(tǒng) DRAM，HBM 的制造要復(fù)雜很多，它需要將多個(gè) DRAM 裸片堆疊在一起，這就需要用到較為先進(jìn)的封裝技術(shù)了。

隨著技術(shù)進(jìn)步和市場需求的變化，HBM 堆棧的密度也在增加，有機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，按照當(dāng)下的勢頭發(fā)展下去，將從 2022 年的 16GB 增加到 2027 年的 48GB，DRAM 大廠美光更加樂觀，預(yù)計(jì) 2026 年將出現(xiàn) 64GB 的 HBMNext（HBM4），堆疊層數(shù)能達(dá)到 16，這樣，使用 16 個(gè) 32Gb 的 DRAM 裸片就可以構(gòu)建 64GB 的 HBM 模塊，這需要存儲(chǔ)器制造商進(jìn)一步縮小 DRAM 裸片的間距，需要用到新的生產(chǎn)技術(shù)，特別是更好的封裝技術(shù)。

通常情況下，HBM 堆棧使用硅通孔（TSV）垂直連接多個(gè) DRAM 裸片，這種帶有 TSV 的堆疊架構(gòu)允許非常寬的內(nèi)存接口（1024 位）、高達(dá) 36GB、64GB 的內(nèi)存容量，并可實(shí)現(xiàn)超過 1TB/s 的帶寬。

生產(chǎn) HBM 堆疊芯片比生產(chǎn)傳統(tǒng)的 DRAM 要復(fù)雜得多。首先，用于 HBM 的 DRAM 裸片與典型 DRAM（例如 DDR4、DDR5）完全不同，內(nèi)存生產(chǎn)商必須制造出足量的 DRAM 裸片，并對(duì)它們進(jìn)行測試，然后將它們封裝在預(yù)先測試好的高速邏輯芯片層之上，最后測試整個(gè)封裝。這個(gè)過程既昂貴又耗時(shí)。

以最新量產(chǎn)的 HBM3E 為例，其芯片尺寸大約是同等容量 DDR5 的兩倍，除了邏輯層和 DRAM 層，還需要一個(gè)接口層，如此復(fù)雜的封裝堆棧，會(huì)影響良率。因此，隨著 HBM 的發(fā)展，堆疊層數(shù)不斷增多，封裝復(fù)雜度也在增加，其制造難度越來越大，且良率難以提升。

3D DRAM 接力

HBM 并不是高性能計(jì)算系統(tǒng)用內(nèi)存的最終形態(tài)，從各大存儲(chǔ)器廠商的研發(fā)方向來看，在存算一體徹底解決「存儲(chǔ)墻」問題、相關(guān)芯片技術(shù)成熟并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)之前，3D DRAM 將是 HBM 的繼任者。

傳統(tǒng) DRAM 需要復(fù)雜的讀寫數(shù)據(jù)操作流程，而 3D DRAM 可以通過垂直堆疊的存儲(chǔ)單元直接存取和寫入數(shù)據(jù)，顯著提高了存取速度。3D DRAM 的優(yōu)勢不僅包括高容量和快速數(shù)據(jù)訪問，還具有低功耗和高可靠性特點(diǎn)，可以滿足各種應(yīng)用需求。

這里先簡單介紹一下 DRAM 的基本結(jié)構(gòu)。

DRAM 單元電路由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成，晶體管負(fù)責(zé)傳輸電流，使信息（位）能夠被寫入或讀取，電容器則用于存儲(chǔ)位。

DRAM 由被稱為「位線 (BL)」的導(dǎo)電材料組成，位線提供注入晶體管的載流子（電流）。晶體管就像一個(gè)閘門，可以打開（接通）或關(guān)閉（斷開），以保持或停止電流在器件內(nèi)的流動(dòng)。這種柵極狀態(tài)由施加在被稱為「字線 (WL)」的接觸導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上的電壓偏置來定義，如果晶體管導(dǎo)通，電流將流過晶體管到達(dá)電容器，并存儲(chǔ)在電容器中。

電容器需要有較高的深寬比，這意味著它的高度遠(yuǎn)大于寬度。在一些早期的 DRAM 中，電容器的有源區(qū)被嵌入到硅襯底中，在最近幾代 DRAM 中，電容器則是在晶體管頂部進(jìn)行加工。

3D DRAM 是將 DRAM 單元垂直堆疊，是一種具有全新結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)芯片，打破了原有的模式，它有些類似已經(jīng)成熟的 3D NAND 單元垂直堆疊，但制造難度比 3D NAND 大。3D DRAM 不是簡單地將 2D DRAM 組件堆疊在一起，也不同于 HBM，需要重新設(shè)計(jì) DRAM 架構(gòu)，需要用到一些先進(jìn)的晶體管制造技術(shù)和先進(jìn)封裝技術(shù)。

3D DRAM 設(shè)計(jì)重點(diǎn)是解決制程節(jié)點(diǎn)微縮和多層堆疊的難題，另外，還有電容器和晶體管微縮，以及單元間連接和通孔陣列，還要制定相應(yīng)的工藝規(guī)格。通過垂直堆疊，3D DRAM 芯片將單位面積的容量增加 3 倍。3D DRAM 與 HBM 在設(shè)計(jì)和制造層面都是不一樣的。

據(jù) The Elec 報(bào)道，三星和 SK 海力士都已將混合鍵合確定為未來制造 3D DRAM 的關(guān)鍵封裝技術(shù)。據(jù)悉，三星計(jì)劃在 2025 年推出 3D DRAM 芯片，SK 海力士還沒有確定具體時(shí)間。目前，三星和 SK 海力士使用微凸塊來連接 DRAM 模塊，混合鍵合技術(shù)可以通過使用硅通孔垂直堆疊芯片，以消除對(duì)微凸塊的需求，從而顯著減少芯片厚度。

制造 3D DRAM，要解決幾個(gè)問題

為了推進(jìn) DRAM 制程微縮，需要將 2D DRAM 組件側(cè)放并堆疊起來，但這會(huì)面臨一些難題：水平方向需要橫向刻蝕，但由于凹槽尺寸差異很大，橫向刻蝕非常困難；在堆?？涛g和填充工藝中需要使用不同的材料，這給制造帶來了困難；連接不同 3D 組件時(shí)存在集成難題。

在制造 3D DRAM 時(shí)，需要縮短電容器 (Cap) 的長度（電容器的長度不能和高度一樣），并進(jìn)行堆疊，以提升單位面積的存儲(chǔ)單元數(shù)量。

圖：2D DRAM 架構(gòu)垂直定向視圖（左圖），將其翻轉(zhuǎn)并將結(jié)構(gòu)堆疊在一起（右圖）的做法不可行的主要原因是需要刻蝕橫向空腔，并將其以不同的橫向深度填充到硅有源區(qū)中。

上圖表示的結(jié)構(gòu)不變，將其順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90 度，結(jié)構(gòu)將處于自上而下的視圖中。在這個(gè)方向上，可以堆疊納米薄片。但是，這種情況下，原始設(shè)計(jì)顯示的區(qū)域非常密集，因此，位線和電容器需要自上而下地進(jìn)行工藝處理，并且距離很近。要實(shí)現(xiàn)這種方向的 3D 堆疊，需要重新設(shè)計(jì)架構(gòu)。

除了要設(shè)計(jì)新架構(gòu)，還必須改變 3D DRAM 的金屬化和連接性，需要設(shè)計(jì)新方法來促使電流通過中央的位線堆疊，包括連接各層的水平 MIM（金屬－絕緣層－金屬）電容器陣列，以及將柵極包裹在晶體管周圍（柵極全包圍）。其原理是，當(dāng)電流通過時(shí)，只有目標(biāo)位線（層）被激活，在被激活的層中，電流可以連接到正確的晶體管。

還有硅通孔陣列問題。為了避免 3D NAND 中使用的臺(tái)階式結(jié)構(gòu)的局限性，需要引入穿過硅堆棧層且可以在特定層停止（每層一個(gè)通孔）的通孔陣列結(jié)構(gòu)，將接觸點(diǎn)置于存儲(chǔ)單元內(nèi)部。溝槽制作完成后，可以引入只存在于側(cè)墻的隔離層。

高溝槽用于引入刻蝕介質(zhì)以去除硅，然后在空溝槽中引入導(dǎo)電金屬。其結(jié)果是，頂部的每個(gè)方格（下面最后三張圖片中的淺綠色和紫色方框）只與下面的一層連接。

工藝方面，需要獨(dú)特且創(chuàng)新的工藝，3D DRAM 是一種前沿設(shè)計(jì)，要想實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，采用的工藝和設(shè)計(jì)是從未見過或嘗試過的。

3D 封裝助陣

以上介紹的是 3D DRAM 在芯片設(shè)計(jì)和制造工藝方面的挑戰(zhàn)和解決思路，相應(yīng)的裸片制造出來后，需要更適合、更先進(jìn)的封裝技術(shù)，將這些 DRAM 裸片和邏輯等功能部分有機(jī)地結(jié)合在一起，才能使應(yīng)用效能最大化。

越需要用到先進(jìn)封裝的地方，說明被封裝的裸片越小，封裝在一起的整體復(fù)雜度越高，3D DRAM 則充分涵蓋了這兩點(diǎn)。先進(jìn)封裝包括 2.5D 和 3D 封裝，2.5D 難以滿足 3D DRAM 封裝要求，必須采用垂直堆疊超小型構(gòu)建塊（DRAM 裸片），并通過硅通孔實(shí)現(xiàn)互連的 3D 封裝。

在 2.5D 封裝中，邏輯單元、內(nèi)存或其它類型的芯片使用倒裝芯片方法水平堆疊在硅中介層上，用微凸塊連接不同芯片的電子信號(hào)，通過中介層中的硅通孔連接到下面的金屬凸塊，然后封裝到 IC 基板上，在芯片和基板之間建立更緊密的互連。從側(cè)面看，雖然芯片是堆疊的，但本質(zhì)仍然是水平封裝（傳統(tǒng)芯片封裝都是水平的）。不過，與傳統(tǒng)封裝相比，2.5D 封裝中的裸片大小和間距小了很多，接近 3D 封裝。

3D 封裝要將多個(gè)裸片（面朝下）堆疊在一起，直接使用硅通孔垂直堆疊，將上方和下方不同裸片的電子信號(hào)連接起來，實(shí)現(xiàn)真正的垂直封裝。目前，越來越多的 CPU、GPU 和內(nèi)存開始采用 3D 封裝技術(shù)。

到了 3D 封裝階段，混合鍵合技術(shù)幾乎是必選項(xiàng)。

混合鍵合是芯片封裝工藝中使用的芯片鍵合技術(shù)之一，常用的商用技術(shù)是「Cu-Cu 混合鍵合」。使用 Cu-Cu 混合鍵合，金屬觸點(diǎn)嵌入到介電材料中，通過熱處理工藝，這兩種材料結(jié)合在一起，利用固態(tài)銅金屬的原子擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)鍵合。這種方法解決了以前倒裝芯片鍵合工藝中遇到的挑戰(zhàn)。

混合鍵合不是唯一的先進(jìn)封裝技術(shù)，但它提供了最高密度的垂直堆疊。封裝中的微凸起占用的體積使得堆棧太高，無法放入帶有 GPU 或 CPU 的封裝中，混合鍵合不僅會(huì)縮小 DRAM 裸片的高度，還可以更容易地從封裝中去除多余的熱量，因?yàn)檫@種封裝各層之間的熱阻較小。

與倒裝芯片鍵合相比，混合鍵合具有多種優(yōu)勢，它允許實(shí)現(xiàn)超高的 I/O 數(shù)量和更長的互連長度，通過使用介電材料代替底部填料進(jìn)行粘接，消除了填充成本。此外，與晶圓上的芯片鍵合相比，混合鍵合的厚度最小，這對(duì)于需要堆疊多層芯片的 3D DRAM 封裝特別友好，因?yàn)榛旌湘I合可以顯著降低整體厚度。

三大廠商的 3D DRAM 制造進(jìn)展

目前，三星、SK 海力士和美光這三大存儲(chǔ)芯片廠商都在研發(fā) 3D DRAM，相應(yīng)的制造工藝和封裝技術(shù)也在同步開發(fā)中。

美光從 2019 年起就開始了 3D DRAM 的研究，擁有 30 多項(xiàng)與 3D DRAM 相關(guān)的專利，獲得的專利數(shù)量是三星和 SK 海力士的 2~3 倍。

近些年，三星一直在進(jìn)行 3D DRAM 的研究，并推出了業(yè)界首個(gè) 12 層 3D-TSV 技術(shù)。

2023 年，在日本舉行的「VLSI 研討會(huì)」上，三星電子發(fā)表了一篇包含 3D DRAM 研究成果的論文，并展示了 3D DRAM 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。

據(jù)消息人士稱，2023 年 5 月，三星電子在其半導(dǎo)體研究中心內(nèi)組建了一個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)，大規(guī)模生產(chǎn) 4F2 結(jié)構(gòu) DRAM。由于 DRAM 單元尺寸已達(dá)到極限，三星想將 4F2 應(yīng)用于 10nm 級(jí)工藝或更先進(jìn)制程的 DRAM。如果三星的 4F2 DRAM 存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)研究成功，在不改變制程的情況下，裸片面積可比現(xiàn)有 6F2 DRAM 存儲(chǔ)單元減少約 30%。

據(jù)悉，三星已經(jīng)將 3D DRAM 堆疊至 16 層。

SK 海力士正在為將來的 DRAM 開發(fā) IGZO 通道材料，它可以改善 DRAM 的刷新特性。據(jù)悉，IGZO 薄膜晶體管憑借其適中的載流子遷移率、極低的漏電流以及基板尺寸的可擴(kuò)展性，在顯示面板行業(yè)長期得到應(yīng)用。它可以成為未來 DRAM 可堆疊通道材料的候選方案。

最近，在夏威夷舉行的 VLSI 2024 峰會(huì)上，SK 海力士發(fā)布了 3D DRAM 的最新研究成果，其 5 層堆疊的 3D DRAM 良率已達(dá) 56.1%。此外，SK 海力士的實(shí)驗(yàn)性 3D DRAM 在性能上已展現(xiàn)出與 2D DRAM 相媲美的特性，但是，在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之前，仍需進(jìn)行大量的技術(shù)驗(yàn)證和優(yōu)化工作。

結(jié)語

作為芯片行業(yè)的大宗商品，DRAM 本來就具有龐大的市場份額，如今，在高性能計(jì)算需求的推動(dòng)下，各種新的內(nèi)存技術(shù)和產(chǎn)品依次出現(xiàn)，給這一本來就很熱鬧的市場增添了更多看點(diǎn)。

隨著 AI 服務(wù)器的發(fā)展，HBM 迅速走紅，相關(guān)芯片的制造和封裝是當(dāng)下產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)話題。隨著應(yīng)用的發(fā)展和技術(shù)水平的提升，未來幾年，3D DRAM 很可能會(huì)替代當(dāng)下 HBM 的行業(yè)地位，因此，相關(guān)芯片制造和半導(dǎo)體設(shè)備廠商都在研發(fā)上投入越辣越多的資源，不斷蓄力。

就芯片制造和封裝而言，3D DRAM 還需要繼續(xù)攻關(guān)，距離量產(chǎn)還有一段時(shí)間。對(duì)此，SK 海力士指出，雖然 3D DRAM 有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，但在?shí)現(xiàn)商業(yè)化之前仍然需要做大量工作。目前，3D DRAM 表現(xiàn)出的性能特征依然很不穩(wěn)定，需要達(dá)到 32~192 層堆疊的存儲(chǔ)單元才能廣泛使用。