Что под капотом чипа DRAM, этапы развития технологии / Хабр

Что дальше?

Переход на чипы с емкостью 16 Гбит — это важный шаг, но он далеко не последний, несмотря на то, что как и с обычной КМОП-технологией, плотность упаковки DRAM уже приближается к физическим пределам. На рисунке ниже вы можете видеть все основные конструкции ячейки динамической памяти.

В “первой фазе” развития DRAM ячейка была полностью плоской, и память принципиально не отличалась от обычной КМОП-технологии. Во второй фазе ученые и технологи приложили множество усилий, исследовав и внедрив, кажется, все возможные варианты трехмерного конденсатора — но чип памяти при этом, как и в первой фазе, содержит один слой транзисторов и один слой конденсаторов.

Таких технологий хватит еще на какое-то время, но уже не за горами третья фаза, в которой плотность упаковки должна будет еще вырасти. Станет ли транзистор вертикальным? Появятся ли на одном чипе несколько слоев ячеек памяти? Этого мы пока не знаем, но точно понятно, что менее интересно не станет!

Для получения дополнительной информации о продукции Kingston обращайтесь на официальный сайт компании.

Конденсатор над транзистором

Разрез ячейки памяти с конденсатором, расположенным над транзистором.

Для того, чтобы расположить конденсатор над транзистором, потребовалось добавить в технологию два проводящих слоя и тонкий диэлектрик между ними. По технологическим причинам оказалось удобнее сделать проводящие слои не металлическими, а поликремниевыми — точно так же, как из поликремния делаются затворы транзисторов.

Применение поликремниевых конденсаторов позволило уменьшить площадь ячейки памяти в два раза. Это, в сочетании с дальнейшим прогрессом в проектных нормах, позволило не только успешно освоить чипы с 1 Мбит на кристалле, но и довести емкость чипов памяти до 4 Мбит.

Примерно в это же время наметилось и важное изменение не только во внутренней структуре чипов DRAM, но и в том, как они использовались. Во-первых, стал стремительно расти рынок персональных компьютеров — появились дешевые и мощные процессоры, такие как Motorola 68000 и Intel 80286.

Во-вторых, если ранние чипы памяти выпускались просто в корпусах для поверхностного монтажа и впаивались в платы мэйнфреймов, то производители и пользователи персональных компьютеров хотели большей гибкости. Так появились модули и разъемы SIMM, одним из пионеров коммерциализации которых на растущем рынке ПК стала основанная в 1987 году компания Kingston Technology.

На 4 Мбит на кристалле аппетиты пользователей, разумеется, не закончились, но ужимать площадь конденсаторов стало уже некуда. Выходом стало не горизонтальное, а вертикальное расположение конденсатора, показанное на рисунке ниже. Принципиально это почти такая же структура из двух слоев поликремния и диэлектриком между ними, но только не плоская, а в виде воронки.

Встроенная DRAM Nintendo Wii, проектные нормы транзисторов — 45 нм.

Изменений хватило для того, чтобы разместить на кристалле до 64 Мбит памяти, но и этого тоже в конечном счете оказалось мало. “Воронки” конденсаторов в конечном счете превратились в высокие тонкие цилиндры, занимающие минимум места не только в длину, но и в ширину.

Вот так выглядят эти цилиндрические конденсаторы.

Когда перестало хватать и этого, технологи научились делать поверхность обкладок не гладкой, а зернистой, таким образом, в несколько раз увеличивая ее площадь. Эта технология называется HSG — hemispherical grain (полусферические зерна). Дальше в ход, как и у транзисторов, пошли high-k диэлектрики, позволившие увеличить емкость за счет большей диэлектрической проницаемости и сделать еще несколько шагов, к емкостям уже в несколько Гигабит на кристалле.

Разрез цилиндрического конденсатора с полусферическими зернами.

У продолжающегося роста плотности упаковки, тем временем, сменился главный драйвер — после мэйнфреймов и персональных компьютеров пришло время мобильных устройств, чрезвычайно требовательных не только к функциональным характеристикам памяти, но также и к ее физическому объему, энергопотреблению и тепловыделению. Все эти факторы еще повысили важность дальнейшего совершенствования DRAM, хотя казалось, что важнее уже некуда.

Конденсатор под транзистором

Параллельно развивалось и другое направление, предполагающее размещение конденсатора под транзистором. Точнее, не “под”, а все еще рядом, но только не горизонтально, а вертикально. В кремнии рядом с транзистором формируется углубление, по-английски называемое “trench”, а по-русски “канавка”.

Создание большой вертикальной структуры потребовало значительного прогресса во многих технологиях микроэлектронного производства. Например, крайне нетривиальной задачей и сейчас является создание отвесной, а не наклонной стенки, а также равномерного тонкого слоя оксида на ее поверхности.

Кроме того, возникли и схемотехнические сложности в виде дополнительных путей утечки, причем на этот раз не просто в землю, а из одного бита в другой — по подложке, имеющей довольно высокое, но ненулевое сопротивление. Тем не менее, после некоторой доводки такая структура позволила довести емкость чипов памяти аж до 64 Мбит.

Появилась и еще одна, совершенно неожиданная проблема. Свинцовый припой, используемый для корпусирования чипов, содержит, как это ни удивительно, свинец. А свинец всегда содержит небольшие примеси урана, являющегося источником альфа-излучения. Альфа-частицы в тех количествах, в которых их производит свинец, не опасны, в том числе потому, что они имеют очень короткую длину пробега и не выходят за пределы корпуса микросхемы.

А вот внутри корпуса они способны достигать активного слоя кремния и, при взаимодействии с ним, генерировать электрический заряд, то есть перезаписывать информацию в ячейках памяти, оказавшихся на пути. Звучит весьма экзотически, но эта проблема оказалась серьезным препятствием при разработке и коммерциализации уже самой первой памяти с канавочными конденсаторами, и в дальнейшем борьба с ней привела к дальнейшим технологическим изменениям в ячейке. И от свинцового припоя в корпусах, разумеется, тоже стали избавляться.

Встроенная DRAM процессора IBM Power 7 . Обратите внимание, насколько глубоки канавки конденсаторов и насколько велик их технологический разброс.

Решением проблем и альфа-частиц, и утечек из одного конденсатора в другой стало перемещение заземленной линии из внутренней части канавки во внешнюю. Таким образом, заземленной линией стала подложка кристалла, а утечки из земли в землю не страшны, равно как и появление в линии земли “лишнего” заряда от альфа-частиц.

Платой за такое элегантное решение стала необходимость отделить от подложки транзистор доступа, но к тому времени уже появились технологии с тремя карманами и эпитаксиальными слоями, так что больших сложностой не было. Ячейки подобного вида до сих пор в ходу, начиная от чипов емкостью 64 Мбит и до самых новых кристаллов, содержащих уже 16 Гбит!

Мы в Kingston тоже не остаемся в стороне от прогресса и уже начали внедрение самых современных чипов емкостью 16 Гбит. Kingston начала поставки модулей RDIMM емкостью 64 ГБ в декабре прошлого года, а в июле 2020 года также обновила всю линейку продуктов Server Premier, добавив в неё решения на базе 16-гигабитной памяти общей емкостью 16 или 32 Гигабайта.

Купить дрпмэ, дроссель, дроссель дрпмэ 100х350, дроссель дрпмэ 25х25, дроссель регулируемый, регулирующий дроссель, дроссель клапан регулирующий, омский ниид, омский ниид оао, омский ниид официальный сайт цена в иркутске, выгодное предложение, низкая цена