实现最优化DRAM布局，Hynix 8F2架构解密

DRAM市场继续承受着很大的价格压力，而需求放缓和最近完工车间的产能过剩使问题更加恶化，这也曾导致DRAM成本超过售价。在Young Choi最近发表的“DRAM架构：8F2与6F2的比较” (《电子工程专辑》在2008年5月16-31日期刊登了题为《揭密DRAM架构 — 8F2 vs. 6F2》的文章) 一文中详细讨论了8F2折叠位线和6F2开放位线架构的效率。文章指出，6F2单元优势的25%将转换成约13%的芯片面积减少，最重要的是，12英寸晶圆的总切割面积可以增加15%。因此，似乎有足够理由驱使领先的DRAM制造商采用6F2架构来保持其竞争力。

图1：采用微型探针测量现代66nm 128MB SDRAM的SEM图。用于探测的可用接触面积比人的发丝直径还小1000倍。

然而，现代(Hynix)这家DRAM制造商则坚持成为这一趋势的例外，因为其最近发布了8F2架构的66nm SDRAM设计HY5PS1G831CFP-Y5。该器件将与三星更高效的6F2单元设计技术进行竞争。现代公司的最新产品(也是市场上最先进的DRAM器件之一)将利于其保持其市场地位。

三星的128MB DDR2 SDRAM采用稍大一些的68nm CMOS工艺技术制造，尽管采用的是开放位线6F2架构，但裸片尺寸与前者非常接近。现代的66nm 128B DRAM(配置为128Mb?8)采用的设计令人印象非常深刻，其裸片面积只大4%。

三星的128MB SDRAM结构是16Mbit×8个IO×8个存储块，工作在单1.8V电压V_DDQ，可实现双倍数据速率传送，最高速率可达800Mbps/pin(DDR2-800)。现代的128MB SDRAM结构是128Mbit?8个存储块，同样工作在1.8V电压。

Semiconductor Insights公司对三星和现代的这两款器件所用工艺技术作了详细分析，并发现两者的通用工艺架构非常类似。两种器件采用的S-RCAT(球状凹沟道阵列晶体管)单元晶体管结构有一些区别，但两种器件都使用MIM存储单元。由于工艺构造非常相似，而单元架构又迥然不同，因此需要用其它的评估方法来衡量这两种产品的相似性和差异。

图2：微型探针装置：DRAM单元晶体管的特性测量。

单元晶体管特性

与具有相似栅极长度的传统平面阵列晶体管相比，三星和现代的DRAM器件使用的S-RCAT结构具有更好的电气特性，如漏极到源极的击穿电压(BVDS)、结点漏电流和单元接触电阻等。因此S-RCAT可以有效地增加沟道长度而不增加占用面积，从而减少待机时的功耗。

DRAM器件使用S-RCAT的最显著效果是数据保持时间的改进。通过简单地增加凹沟道深度和保持相同的基底渗杂度，该技术可以非常方便地扩展到亚60nm节点。正因为此，三星和现代这两款DRAM器件是Semiconductor Insights公司迄今分析的市场上最先进的器件。

图3：三星68nm(6F2)和现代66nm(8F2)128MB DRAM设计的比较。

为了定量地理解这些器件是如何搭建的，特别是器件适应各种极端工作温度的情况，Semiconductor Insights公司开发出一种专门的工艺。为了测量这种器件的单元晶体管特性(TC)，这种工艺先从裸片上剥离晶体管，然后对它们进行分层以便暴露出探针接触点。

在典型的逻辑器件上或存储器件的外围中测量TC需要专门的微型探针和样品制备技术，这种公认的测量方法已有效执行了许多年。微型探针要与连接晶体管源极、漏极和栅极的金属塞子充分接触。

在测量DRAM单元晶体管时，微型探针接触的是多晶硅塞子，而不是金属。这使得晶体管特性的测量极具挑战性，并且每次测量的结果很难重复，因为探针接触电阻每次都不一样(部分原因是塞子上固有的氧化物)。只有极少数的技术服务提供商成功地在DRAM单元晶体管上实现了有意义的测量，特别是在多种温度环境下。

鉴于这些器件有很大的相似性，单元晶体管特性方面的电气性能最吸引人们的兴趣。Semiconductor Insights公司最近在室温以及高对比温度(-20℃和80℃)条件下对这两款DRAM做的分析结果相当有趣。

现代器件的线性门限电压V_t-lin约高15%，即使它的S-RCAT电介质要比三星器件薄7%左右。门限电压差异在所测温度范围内是比较一致的，因此这种差异可能是由于晶体管架构中的渗杂浓度差异引起的。

这次分析还对与温度有关的漏电流I_off做了评估。两款器件的漏电流大致相当：低温时的漏电流差异不是十分显著。

不论是从结构还是从性能的角度看，三星和现代的DRAM器件都非常相似。三星通过采用6F2开放位线架构来缩小管芯尺寸。而现代则保持了8F2折叠位线的设计，并选择版图优化的方法，使管芯尺寸只有仅仅69.6mm₂，只比三星的67平方毫米稍大一些。

我们将密切关注三星和现代的技术演进，并了解现代是否能再次成功地缩小8F2架构。

作者：John Boyd

　　　公司工艺技术分析师

　　　Semiconductor Insights公司

　　　Email:johnb@semiconductor.com