DRAM(動態隨機存儲器)的原理及芯片實現

什么是DRAM？

DRAM（動態隨機存儲器） 在日常生活中還有一個親切稱呼叫 內存條， 利用電容儲存電荷多少來存儲數據，需要定時刷新電路克服電容漏電問題，讀寫速 度比SRAM慢，常用于容量大的主存儲器，如計算機、智能手機、服務器內存等。

DRAM內部結構

DRAM實物模組

DRAM歷史與發展：早期存儲器的發展史

1942年， 世界上第一臺電子數字計算機ATANASOFF-BERRY COMPUTER（ABC）誕生，使用再生電容 磁鼓存儲器存儲數據。

1946年， 隨機存取存儲器（RAM）問世，靜電記憶管能在真空管內使用靜電荷存儲大約4000字節數據。

1947年， 延遲線存儲器被用于改良雷達聲波。延遲線存儲器是一種可以重刷新的存儲器，僅能順序存取 。同年磁芯存儲器誕生，這是隨機存取存儲器（RAM）的早期版本。

1951年， 磁帶首次被用于計算機上存儲數據，在UNIVAC計算機上作為主要的I/O設備，稱為UNIVACO ，這就是商用計算機史上的第一臺磁帶機。

1956年， 世界上第一個硬盤驅動器出現在了IBM的RAMAC 305計算機中，標志著磁盤存儲時代的開始。 該計算機是第一臺提供隨機存取數據的計算機，同時還使用了磁鼓和磁芯存儲器。

1965年， 美國物理學家Russell發明了只讀式光盤存儲器（CD-ROM），1966年提交了專利申請。 1982 年，索尼和飛利浦公司發布了世界上第一部商用CD音頻播放器CDP-101，光盤開始普及。

1966年， DRAM被發明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard發明了動態隨機存取 存儲器（DRAM），并于1968年申請了專利。

1970年， Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103，徹底顛覆了磁存儲技術。DRAM的出現解決 了磁芯存儲器體積龐大，運行速度慢，存儲密度低及能耗較高等問題。

DRAM分類

DRAM 主要可以分為 DDR（Double Data Rate）系列、LPDDR（Low Power Double Data Rate）系列和GDDR（Graphics Double Data Rate）系列、HBM系列。

DDR 是內存模塊中使輸出增加一倍的技術，是目前主流的內存技術。 LPDDR 具有低功耗的特性，主要應用于便攜設備。 GDDR一般會匹配使用高性能顯卡共同使用， 適用于具有高帶寬圖形計算的領域。

云計算、大數據的興起，服務器的數據容量和處理速度在不斷提高，推動了DDR技術的升級 迭代，目前市場上主流技術規范為DDR4和LPDDR4，DDR5技術即將進入商用領域。

DRAM未來技術及制程

DRAM從2D架構轉向3D架構是未來的主要趨勢之一。 3D DRAM是將存儲單元（Cell）堆疊至邏輯單元 上方以實現在單位晶圓面積上產出上更多的產量,這里主要通過改變電容設計實現，從平面電容到深槽電容再到堆疊電容，相較于普通的平面DRAM，3D DRAM可以有效降低 DRAM的單位成本。

其他發展路徑：采用鐵電材料的設計電容 （ferro capacitor）以延長DRAM位元格儲存電荷的時間延長。 具有改善DRAM的資料保存時間（retention time），減小刷新的負擔、快速開啟或關閉低功耗模式、實 現更低的備用功耗，以及進一步推動DRAM的規?；葍烖c。使用低漏電流沉積的薄膜晶體管（thin-film transistor），例如氧化銦鎵鋅，來取代DRAM位元格內的硅基晶體管，以大幅降低儲存單元的面積。

DRAM存儲單元電路蝕刻剖面演變

DRAM存儲單元結構

內存芯片基本單元結構（DRAM Memory Cell Circuit)

WL(X)：字節線(Word Line)，X地址尋址線（Row Address）；

BL(Y)：比特線（Bit Line),Y地址尋址線（Column Address)和數據出入輸出線(Data In/Out);

Transistor : 金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管開關;

Capacitor: 電荷儲能單元即電容。

備注：內存芯片中每個單元都有以字節線和比特線組合的獨立地址。以2016年主流4GB單面8芯片內存條為例，每粒內存芯片有4G個獨立地址。

DRAM存儲單元電路讀寫原理

存儲單元電路

DRAM芯片工作原理

最早、最簡單也是最重要的一款DRAM 芯片是Intel 在1979 年發布的 2188 ，這款芯片是16Kx1 DRAM 18 線DIP 封裝?！?6K x 1”的部分意思告訴我們這款芯片可以存儲16384個bit 數據，在同一個時期可以同時進行1bit 的讀取或者寫入操作。

DRAM2188芯片引腳圖

2188內部架構

DRAM2188內部 有/RAS(Row Address Strobe：行地址脈沖選通器)引腳控制的行地址門閂線路（Row Address Latch）和由/CAS(Column Address Strobe：列地址脈沖選通器)引腳控制的列地址門閂線路（ColumnAddress Latch）。

存儲（讀?。┝鞒虉D

1)通過地址總線將行地址傳輸到地址引腳 2)/RAS 引腳被激活，這樣行地址被放入到行地址選通電路中 3) 行地址解碼器（ Row Address Decoder）選擇正確的形式然后送到傳感放大器（ sense amps） 4)/WE 引腳被確定不被激活，所以DRAM 知道它不會進行寫入操作 5)列地址通過地址總線傳輸到地址引腳 6)/CAS 引腳被激活，這樣列地址被放入到列地址選通電路中 7)/CAS 引腳同樣還具有/OE 引腳的功能，所以這個時候Dout 引腳知道需要向外輸出數據。 8) /RAS 和/CAS 都不被激活，這樣就可以進行下一個周期的數據操作了。 其實DRAM 寫入的過程和讀取過程是基本一樣的，所以如果你真的理解了上面的過程就能知道寫入過程了，所以這里就不贅述了。（只要把第4 步改為/WE 引腳被激活就可以了）。

DRAM存儲單元電路的半導體芯片實現

存儲單元單路芯片剖面圖

存儲電容的蝕刻流程：

以深槽電容器制程為例分為3個階段；

（1）深槽蝕刻制程 （2）電容介電層及上下基板制程 （3）埋藏式連接帶BS的形成

深槽刻蝕制程

介電層上下基板制程

BS形成制程

MOS管工藝簡介：

這就是一個 NMOS 的結構簡圖，一個看起來很簡單的三端元器件。具體的制造過程就像搭建積木一樣，在一定的地基（襯底）上依據設計一步步“蓋”起來，大致要經過以下步驟：

（1）單晶硅切片，研磨，拋光 （2）清洗后，再生長一層二氧化硅 （3）一次光刻 （4）擴散工藝摻雜 （5）二次光刻 （6）真空鍍鋁 （7）反刻電極 （8）合金 （9）挑選管芯焊盤，鍵合引線 （10）中測 （11）封裝 （12）終測

MOS管剖面結構圖

MOS管立體芯片圖