先进制程DRAM抛弃了EUV？

作者：畅秋 

来源：半导体行业观察

DRAM制程工艺进入20nm以后，由于制造难度越来越高，内存芯片制造厂商对工艺的定义已经不是具体的线宽，而是分成了1x、1y、1z，大体来讲，1x-nm制程相当于16~19nm、1y-nm相当于14~16nm，而1z-nm则相当于12~14nm。

2019年3月，三星宣布研发出第三代1z-nm的8Gb DDR4，而且无需使用极紫外光刻（EUV）设备和工艺（未大规模采用，但在一些关键环节很可能还是需要用到EUV的）。

另一家巨头美光科技则是在今年8月宣布大规模生产1z-nm 16Gb DDR4，其也未使用EUV。

在三星、美光之后，SK海力士也推出了16Gb DDR4内存芯片，预计明年开始大规模出货。在能效方面，SK海力士称其1z-nm工艺与上一代的1y-nm 8Gb DRAM相比，生产效率提升了27%；功耗降低了40%。SK海力士透露，他们在1z-nm制程上引入了新设计思路，提高了芯片的稳定性。SK海力士在新闻稿中特别提到：1z-nm制程工艺不会使用EUV。

而从这三家巨头的发展来看，采用1z-nm制程的LPDDR5、HBM3等也将很快推出。

与当前被广泛使用的193nm波长深紫外光DUV工艺相比，EUV设备的波长为13.5nm，这在很大程度上提升了该种设备的制造难度，目前，一台EUV光刻机的价格超过1亿美元。

除了购机的CAPEX成本外，EUV设备在实际应用当中还要面临很多技术和成本挑战及障碍，这些都使得生产效率偏低，提升起来非常困难。因此，在现阶段，芯片制造商，特别是先进DRAM厂商，与高性能的CPU、GPU、手机SoC，以及FPGA相比，DRAM对成本更加敏感，因此，相应的芯片制造商会都尽可能地避免使用EUV，即使用，也会控制在一定范围内。

目前，主要的DRAM厂商，如三星、美光和SK海力士，它们最先进的1z-nm制程工艺都没有大规模使用EUV。因此，EUV要想大面积普及，还需要在性能和综合成本方面有所提升。

那么，在不使用EUV设备的情况下，顶级的DRAM厂商的先进制程工艺及其产品具体是什么样的？下面就来看一下吧。

今年3月，三星电子宣布推出第三代1z-nm的8Gb DDR4，该公司表示，最新的8Gb DDR4是在采用1y-nm工艺的第二代芯片量产后16个月内开发的。据悉，该1z-nm 8Gb DDR4与上一代1y-nm相比，生产效率提升了20%多，这意味着在相同的良率和生产周期情况下，生产成本将显着降低。三星称2020年即可实现大规模量产，主要用于企业服务器和高端PC。

三星表示，开发1z-nm DRAM为IT行业过渡到下一代DRAM（如DDR5、LPDDR5和GDDR6）铺平了道路。

传统上，三星不会透露新存储芯片的制程工艺细节，因此，目前还没有其最新DRAM芯片几何形状的具体数据信息，但结合1z-nm制程节点的特征来看，可以推测其最小线宽会低于15 nm。

而在不使用EUV的情况下，三星会继续使用ArF（氟化氩）浸没式光刻工具，在浸没式光刻的情况下，超薄节点需要多patterning处理，因此，三星很可能是将这种方法与各种技巧结合使用，以确保芯片良率和性能。

这里要强调的是，三星只是未大规模使用EUV制造DRAM芯片，但在一些环节上，离开了EUV还是寸步难行。

今年6月，有知情人士透露，三星电子将首次在DRAM上使用EUV。

据悉，三星将EUV首先应用在接触位线的BLP层上。位线基本上用作中央数据通道。通过这样做，芯片制造商可以减少构图步骤，从而降低成本。

三星的B-die内存采用的是20nm制程工艺，而新的A-die和M-die会使用三星1z-nm工艺，存储密度更大，B-die的单die容量只有8Gb，而A-die则可以做到16Gb或32Gb，也就是2GB或4GB的容量，这使得单面32GB的内存将成为可能。

如下图所示，美光科技从2017年第三季度开始在1x-nm节点进行了五个季度的生产之后，从2019年第一季度的1y-nm节点迅速转移到了2019年第三季度的1z-nm节点。

根据Information Network的报告，截至2019年9月，美光9％的DRAM采用20nm制程，在1y-nm节点上，美光的产量占15％，略低于SK海力士，但领先于三星。而该公司量产的DRAM中有6％采用了最先进的1z-nm制程工艺。

与上一代1y-nm相比，美光的1z-nm 16Gb DDR4产品可提供更高的位密度，性能增强的同时，降低了成本。

随着扩展新制造技术的难度越来越大（在工程和财务方面都有挑战），美光与所有DRAM制造商一样，将推出更先进10nm级节点制程，在1z-nm之后，还计划引入至少三个10nm级的制程，分别是1α-nm、1β-nm和1γ-nm（希腊字母γ，不是英文中的y）。这些将通过使用逐渐减小的单元尺寸来增加芯片产量。例如13 nm、12 nm和10~11nm。

迄今为止，美光宣布的所有10nm级节点均依赖于具有双，三或四patterning的深紫外光刻（DUV），而多patterning需要更多的工艺步骤，这会延长生产周期，因此需要更多的光刻工具和洁净室空间来维持现有的产量。

以目前每12个月增加一个新节点的速度，如果所有节点均按计划进行，就引入新节点而言，美光的多patterning路线图至少可以扩展到2023年。而按照每种新工艺技术至少要使用三到四年的规律计算，可以肯定地说，美光计划在未来很多年内使用多patterning的DUV技术。

同时，该公司承认有在物理和成本方面面临着极大的挑战，特别是1β-nm工艺与四patterning浸没式光刻技术方面，因此，这些前沿制程工艺将带给市场什么还有待观察。

在使用EUV这个问题上，美光正在评估ASML的Twinscan NXE步进扫描以及使用极紫外光刻技术生产所需的其他设备的功能，并正在评估这些工具何时才能制造DRAM。

用于DRAM制造的话，EUV不仅在逻辑上面临挑战，而且在一致性和成本方面也面临着挑战，美光认为：目前，EUV工具只有在发射高剂量的EUV辐射（在单一patterning情况下）时，才能保证可接受的均匀性，这会将芯片成本提高到不可接受的水平。因此，美光没有立即使用EUV的计划，但正在密切关注其演变和发展。

SK海力士于今年10月宣布，已成功开发出采用1z-nm 制程工艺的DDR4 DRAM，该DDR4 DRAM在单个芯片上实现16Gb，并将于2020年开始规模量产。

SK海力士表示，与上一代制程工艺产品（1y-nm）相比，1z-nm产品将使DRAM生产率提高约27％。另外，为了最大化电容并改善电容器的稳定性，该公司采用了先前工艺中未使用的新材料，并且未使用昂贵的EUV曝光系统，还称具有成本竞争力。

据悉，该1z-nm制程DRAM的数据传输速度达3200Mbps，与采用1y-nm制程的8Gb DRAM芯片组成的相同容量模块相比，它提高了电源效率，降低了约40％的功耗。

该公司还透露，计划将1z-nm制程工艺应用于各种应用，例如下一代移动DRAM LPDDR5和高性能DRAM HBM3。

SK海力士此次宣布的最大关注点是：至少在1z-nm工艺中不会引入EUV。据熟悉韩国半导体行业的人士称，该公司已在其利川总部安装了至少两台用于研究和开发的EUV曝光设备，目前正在同一地点进行建设，并将于2020年下半年完成。EUV有望在2021年全面引入到DRAM生产中，因为M16厂的厂房预计将专门用于DRAM EUV工艺。另外，有传言说，ASML已经为其定制了EUV曝光系统。

另外，竞争对手三星已经为逻辑电路和代工厂引入了EUV，据说华城在建的EUV厂房将在2020年全面投入使用。三星也正在考虑将EUV全面引入DRAM生产中，但尚未透露具体计划。ASML计划在2020年总共交付35个EUV曝光系统，并承认其中一些旨在大规模生产DRAM。但是，目前只有三星，SK海力士和美光这三家主要的DRAM公司，预计每家公司迟早会在1α-nm代制程全面使用EUV。

下图给出了对2020年三星、SK海力和美光的预测。美光将从1x-nm（2019年为70％，2020年43％），1y-nm（15％至27％）和1z-nm（6％至28％），过渡到更先进的1α-nm制程（2020年有望实现2％占比）。

目前，行业DRAM三巨头都没有大规模使用EUV，但随着制程工艺的提升，节点的进一步微缩，同时，EUV的性能和成本也在不断优化，DRAM将迎来EUV爆发期。

DRAM制造商采用EUV的可能性极有可能与逻辑芯片制造商（TSMC，三星代工厂）相似。最初，EUV设备仅用于几层，随着制程节点、层数逐渐增加，将全面转向EUV设备。ASML估计，在DRAM芯片制造方面，每月每启动100,000个晶圆制造项目，一层就需要1.5到2个EUV系统，因此，DRAM制造商需要考虑根据容量和产能来规划相关设备。

需要注意的是，工厂必须为EUV设备做好准备，因为这些步进扫描系统在物理上比DUV设备要大。这就是为什么SK海力士将在京畿道利川市附近建造一个独立的晶圆厂（称为M16），就是要为EUV做好准备。我们不知道美光的新洁净室是否可以用于下一代光刻设备？拭目以待吧。