三星EUV微影製程D1z記憶體揭密

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blog-details  March 15, 2021     blog-details  Jeongdong Choe,TechInsights

三星EUV微影製程D1z記憶體揭密

經過幾個⽉的漫⻑等待之後,三星電⼦(Samsung Electronics)採⽤極紫外光(EUV)微影製 程的D1z DRAM終於量產了!

三星電⼦在今年稍早發表了號稱業界⾸創,同時分別採⽤氟化氬浸潤式微影(ArF-i)製程與 EUV微影技術的D1z DRAM,⽽TechInsights很興奮地宣佈,我們針對三星最新/最先進 D1z DRAM的拆解分析有⼀些「新發現」,並確認了該技術的⼀些細節。

三星電⼦已經開發了D1z 8Gb DDR4、D1z 12Gb LPDDR5與16Gb LPDDR5 DRAM元 件,並號稱性能更⾼;我們發現後⾯兩款(LPDDR5)元件都應⽤於三星在2021年1⽉剛上市 的Galaxy S21 5G系列(包括S21 5G、S21+ 5G與S21 Untra 5G)智慧型⼿機中。12Gb的 LPDDR5晶片被應⽤於Galaxy S21 Ultra 5G的SM-G998B/DS 12GB RAM,16Gb的 LPDDR5晶片則可⾒於S21 5G與S21+ 5G的8GB RAM中。

在D1z技術節點部份,三星的D1z 12Gb LPDDR5比前⼀代的D1y 12Gb版本在產量上多了 15%,設計規則(D/R)則從(前⼀代D1y製程) 17.1奈米,微縮⾄15.7奈米。整體裸晶尺⼨也 減少,從53.53mm2 (D1y)縮⼩⾄43.98mm2 (D1z),新⼀代晶片比前⼀代約縮⼩18%。

detail
Items Samsung LPDDR5 Chips
Memory Capacity 8 Gb 12 Gb 12 Gb 16 Gb
Tech Node D1y D1y D1z D1z
Parent Product Example Xiaomi Mi 10 Xiaomi Mi 10 Samsung Galaxy
S21 Ultra 5G
Samsung Galaxy
S21/S21+ 5G
DRAM Component Example K3LK3K30EM-BGCN K3LK4K40BM-BGCN K3LK4K40CM-BGCP K3LK7K70BM-BGCP
Die Size 39.12 mm2 53.53 mm2 43.98 mm2 61.20 mm2
Bit Densoty (Die) 0.205 Gb/mm2 0.224 Gb/mm2 0.273 Gb/mm2 0.261 Gb/mm2
Cell Size 0.00231 µm2 0.00231 µm2 0.00197 µm2 0.00197 µm2
D/R 17.1 nm 17.1 nm 15.7 nm 15.7 nm
EUV Lithography Applied No No Yes (BLP) No

表1:8Gb、12Gb與16Gb的三星D1y與D1z LPDDR5晶片比較。

晶片標記為K4L6E165YB的16Gb LPDDR DRAM晶片則是採⽤非EUV技術。三星似乎是在 ⼀開始同時開發在SNLP (storage node landing pad)/BLP (bit line pad)採⽤ArF-i與EUV 兩種微影技術的D1z LPDDR5,現在則是全⾯以EUV SNLP/BLP微影⽣產D1z LPDDR5。

2019年底,三星發表了採⽤D1x EUV微影技術的100萬個模組樣品,現在已經針對全球 DRAM產業與市場推出採⽤EUV微影技術的⼤量⽣產(HVM) DRAM產品。三星電⼦的D1z 晶片應該是在韓國平澤市(Pyeongtaek)的第⼆條⽣產線製造。

圖1:比較三星的DRAM儲存單元BLP圖案:(a)是不採⽤EUV微影技術的版本,(b)是採⽤ EUV微影技術的版本。

在D1z 12Gb LPDDR5元件的製程整合上,三星電⼦只在⼀層光罩上採⽤EUV微影技術,單⼀SNLP (在記憶體單元陣列上)/BLP (在S/A感測放⼤器電路區)的臨界尺⼨(CD/pitch)約40奈米,S/A區域的BLP線寬為13.5奈米。

圖1顯⽰的是三星採⽤ArF-i微影技術的D1z 16Gb LPDDR5晶片(a)與採⽤EUV微影技術的 D1z 12Gb LPDDR5晶片(b)的S/A BLP圖案比較。藉由利⽤EUV微影,在S/A區域的BLP線 的邊緣粗糙度(edge roughness,LER)有所改善,可能也因此減少橋接/短路缺陷。

Device Micron D1z Samsung D1z Samsung D1z
Memory Capacity 16 Gb 12 Gb 16 Gb
Tech Node D1z D1z D1z
Parent Product Example MT53E1G32D2NP-046_WT:A (LPDDR4) K3LK4K40CM-BGCP (LPDDR5) K3LK7K70BM-BGCP (LPDDR5)
Die Size 68.34 mm2 43.98 mm2 61.20 mm2
Bit Densoty (Die) 0.234 Gb/mm2 0.273 Gb/mm2 0.261 Gb/mm2
Cell Size 0.00204 µm2 0.00197 µm2 0.00197 µm2
D/R 15.9 nm 15.7 nm 15.7 nm
EUV Lithography Applied No Yes (BLP) No

表2:D1z DRAM比⼀比:美光D1z LPDDR4 vs. 三星D1z LPDDR5。

比較來⾃美光(Micron)的D1z競爭產品(表2),三星的記憶體單元(0.00197μm2,美光為 0.00204μm2 )與D/R (三星為15.7奈米,美光為15.9奈米)尺⼨更⼩。美光D1z p產品是在 所有光罩步驟都採⽤ArF-i微影,可能在⼀段時間內都不會採⽤EUV微影,包括D1α與 D1β。

圖2:三星DRAM (從D3x到D1z)記憶體單元尺⼨變化趨勢。

三星從D3x到D1z的DRAM記憶體單元尺⼨與D/R趨勢變化分別如圖2與圖3所⽰。DRAM 記憶體單元與D/R微縮近年變得越來越艱難,但三星還是將D1z的D/R縮⼩到15.7奈米,比 前⼀代D1y減少了8.2%。

圖3:三星DRAM (從D3x到D1z)設計規則變化趨勢。

三星將繼續為下⼀代DRAM產品增加採⽤EUV微影的光罩層數,像是預計2021年量產的 D1a與2022年量產的D1b。


Tags:  Samsung    memory    reverse engineering  

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