三星基於EUV的1z納米DRAM量產背後技術細節揭秘
三星電子近期將極紫外（EUV）光刻技術應用在基於1z-nm工藝的DRAM上，並且完成了量產。半導體分析機構TechInsights拆解了分別採用EUV光刻技術和ArF-i光刻技術的三星1z-nm工藝DRAM，它認為該技術提升了三星的生產效率，並減小了DRAM的核心尺寸。
TechInsights還將三星的與美光的1z-nm工藝DRAM進行了對比，三星的DRAM在芯片超單元尺寸（Cell Size）方面同樣較小。
一、三款1z-nm DRAM芯片使用EUV技術，核心尺寸縮小18%
三星在2019年末大批量生產了100萬顆採用1x-nm工藝和EUV技術的DRAM。緊接著在去年年初，三星電子首次宣布將研發分別使用了ArF-i技術和EUV技術的1z-nm DRAM。如今，三星已經在量產的1z-nm DRAM上應用了EUV技術。
目前三星對採用1z-nm工藝的8GB DDR4、12GB LPDDR5和16GB LPDDR5進行了EUV技術升級。
12GB LPDDR5和16GB LPDDR5 DRAM已經應用在三星Galaxy S21 5G系列的手機中，其中S21、S21+和S21 Ultra三款手機於2021年1月發布。
三星Galaxy S21 Ultra的RAM中使用的是12GB LPDDR5芯片，而S21和S21+手機的RAM組件中使用了16GB LPDDR5芯片。
TechInsights稱，三星1z-nm工藝的生產效率比以前的1y-nm工藝高出15％以上。D/R（Design Rule）從1y-nm工藝的17.1nm降低到1z-nm工藝的15.7nm，核心尺寸也從53.53mm 2減小到43.98mm 2，比之前縮小了約18％。
▲三星1y-nm與1z-nmDRAM參數對比
三星電子將其最先進的1z-nm工藝與EUV光刻技術集合在了12GB LPDDR5芯片上，而同樣基於1z-nm工藝的16 GB LPDDR5芯片則使用了非EUV光刻技術。
電子行業媒體EETimes猜測，很可能三星最初開發的LPDDR5產品是採用ArF-i和EUV光刻技術混合的SNLP（Storage Node Landing Pad）/BLP（Bit Line Pad）技術，現在它生產的所有1z-nm工藝LPDDR5芯片都是基於EUV光刻技術，其芯片可能由它在韓國平澤市的第二條生產線進行製造。
三星在12GB LPDDR5芯片上採用了EUV光刻技術，其關鍵尺寸約為40nm，S/A（sense amplifier circuitry）區域線寬為13.5nm。通過使用EUV技術，可以改善S/A區域中BLP封裝技術的線邊緣粗糙度（LER），並減少了橋接/短路缺陷。
▲採用了EUV技術（右）與沒有採用EUV（左）的1z-nm DRAM BLP對比
二、美光暫不使用EUV技術，超單元尺寸僅有0.00197µm 2
與美光1z-nm DRAM0.00204µm 2的超單元尺寸相比，三星的1z-nm DRAM超單元尺寸只有0.00197µm 2。三星1z-nm DRAM的D/R為15.7nm，美光的則是15.9nm。
▲三星、美光1z-nm工藝DRAM參數對比
目前美光對基於1z-nm工藝的DRAM，均使用基於ArF-i的光刻技術，並且宣布暫時不會在1α-nm和1β-nm的DRAM中採用EUV光刻技術。而三星將在1α-nm、1β-nm DRAM上繼續使用EUV技術。
三星的DRAM超單元尺寸和D/R正在隨著技術的進步而越變越小。三星DRAM超單元尺寸變化如下圖所示，包括從3x-nm到1z-nm DRAM尺寸。
▲三星DRAM尺寸趨勢
三星DRAM的D/R趨勢則如下圖所示。雖然DRAM超單元的尺寸和D/R縮放變得越來越難，但是三星仍將1z-nm DRAM的D/R減小到15.7nm，比1y-nm工藝縮小了8.2％。
▲三星DRAM D/R趨勢
結語：三星技術領先，美光、SK海力士伺機而動
因為存儲芯片行業存在成本高昂、供求敏感、週期時間較長等特性，美光等其他廠商因成本原因對EUV技術比較保守。但是三星作為世界存儲芯片龍頭，對待EUV技術較為積極，一直在探索EUV技術在存儲芯片方面應用的道路，現在已經在這一方向上取得了領先優勢。
不過在2020年DRAM強力的市場漲幅和IC Insights等研究機構對市場的積極預期背景下，美光、SK海力士等存儲芯片廠商或許會加大在新技術、工藝製程方面的投入，同時利用成熟技術的成本優勢，與三星進行競爭。