为什么我们要把DRAM做成3D的？

本文作者Sang-Yun Lee为3D Super-DRAM 技术供应商BeSang首席执行官

就算3D NAND的每位成本与平面NAND相比较还不够低，NAND闪存已经成功地由平面转为3D，而DRAM还是维持2D架构；在此同时，DRAM工艺的微缩也变得越来越困难，主要是因为储存电容的深宽比(aspect ratio)随着组件工艺微缩而呈倍数增加。

因此，为了要延长DRAM这种内存的寿命，在短时间内必须要采用3D DRAM解决方案。什么是3D超级DRAM (Super-DRAM)？为何我们需要这种技术？以下请见笔者的解释。

平面DRAM是内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧，3D Super-DRAM则是将内存单元数组堆栈在内存逻辑电路的上方，因此裸晶尺寸会变得比较小，每片晶圆的裸晶产出量也会更多；这意味着3D Super-DRAM的成本可以低于平面DRAM。

3D Super-DRAM与平面DRAM结构比较

3D Super-DRAM重复使用了运用于平面DRAM的经证实生产流程与组件架构；当我们比较平面与3D两种DRAM，储存电容以及内存逻辑电路应该会是一样的，它们之间的唯一差别是单元晶体管。平面DRAM正常情况下会采用凹型晶体管(recessed transistor)，3D Super-DRAM则是利用垂直的环绕闸极晶体管(Surrounding Gate Transistor，SGT)

3D Super-DRAM架构

平面DRAM最重要也最艰难的挑战，是储存电容的高深宽比。如下图所示，储存电容的深宽比会随着组件工艺微缩而呈倍数增加；换句话说，平面DRAM的工艺微缩会越来越困难。根据我们的了解，DRAM工艺微缩速度已经趋缓，制造成本也飙升，主要就是因为储存电容的微缩问题；这个问题该如何解决？

平面DRAM储存电容深宽比会随工艺微缩而增加

平面DRAM的储存电容恐怕无法变化或是修改，但是如果使用内存单元3D堆栈技术，除了片晶圆的裸晶产出量可望增加四倍，也能因为可重复使用储存电容，而节省高达数十亿美元的新型储存电容研发成本与风险，并加快产品上市时程。

垂直SGT与凹型晶体管有什么不同？两者都有利于源极(source)与汲极(drain)间距离的微缩，因此将泄漏电流最小化；但垂直SGT能从各种方向控制闸极，因此与凹型晶体管相较，在次临限漏电流(subthreshold)特性的表现上更好。

垂直SGT与凹型晶体管特性比较

众所周知，绝缘上覆硅(SOI)架构在高温下的接面漏电流只有十分之一；而垂直SGT的一个缺点，是没有逆向偏压(back-bias)特性可以利用。整体看来，垂直SGT与凹型晶体管都能有效将漏电流最小化。

接着是位线寄生效应(parasitics)的比较。平面DRAM的埋入式位线能减少储存电容与位线之间的寄生电容；垂直SGT在最小化寄生电容方面也非常有效，因为位线是在垂直SGT的底部。而因为垂直SGT与埋入式晶体管的位线都是采用金属线，位线的串联电阻能被最小化；总而言之，垂直SGT与凹型晶体管的性能与特征是几乎相同的。

垂直SGT与凹型晶体管的寄生电容比较

不过垂直SGT与凹型晶体管比起来简单得多，前者只需要两层光罩，节省了3~4层光罩步骤；举例来说，不用源极与汲极光照，也不需要凹型闸极光罩、字符线(word line)光罩，以及埋入式位线光罩。如果你有3D Super-DRAM制造成本高昂的印象，这是不正确的；3D Super-DRAM的工艺与结构，还有组件的功能性与可靠度都已成功验证。

垂直SGT需要的光罩层数较少

下图是3D Super-DRAM与平面DRAM相较的各种优点摘要：

编译：Judith Cheng

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基于3D-NAND闪存的超高密度、高能效内容寻址存储器设计

中国科学 出版社

所提出的 CAM 设计结构基于 3D-NAND 闪存阵列，具有 k×n 个 m 位存储字。图片来源：中国科学出版社

随着大数据和人工智能的快速发展，模式识别、视频处理、数据库引擎、网络路由器等数据密集型计算应用急剧增加，对海量数据资源的存储和处理提出了严格的要求。

由于与随机存取存储器（RAM）不同的工作方案以及高并行性和快速速度的强大功能，内容寻址存储器（CAM）为数据密集型计算系统提供了出色的解决方案。然而，现有的基于 CMOS 的传统 CAM 设计由于电路面积过大以及随着技术的缩小而产生的待机功耗，阻碍了数据密集型计算系统的进一步发展。

北京大学的杨浩章和合著者提出了一种新型的基于 3D-NAND 的超高密度和低功耗 CAM 设计，用于数据密集型计算。具体意义和新颖性总结如下：

1) 所提出的 CAM 设计采用字线方向上两个相邻的 NAND 晶体管构成一个 CAM 单元。CAM 单元中存储的数据由两个晶体管的阈值电压共同决定。当采用16层3D-NAND阵列时，能耗（ 0.196 fJ/bit/search）低于基于SRAM的传统TCAM（32 nm技术为0.58 fJ/bit/search），而单元密度是其157倍由于 3D 堆叠功能，该值高于此值。

2）提出了一种基于3D-NAND闪存的多级CAM设计，以提高单元密度并扩展功能，该设计在一个CAM单元中存储多个逻辑状态。仿真结果显示，4 级 CAM 设计的完全匹配情况和 1 位不匹配情况之间存在较大窗口 (>0.6 V)，验证了其可行性。还分析了3D-NAND层数以及寄生电阻和电容对多级CAM设计性能的影响，为改进工艺和材料提供了指导。

该研究发表在《科学·中国·信息科学》杂志上。

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