DRAM内存是怎么制作的?

DRAM内存是怎么制作的?

1.内存的工作原理

PC中常见的内存条,这一类内存属于动态随机访问存储器DRAM(DynamicRandomAccessMemory),它的基本存储单元非常简单易懂,由一个N型场效应电晶体(NMOSFET)和一个电容组成(如下图)。在这里可以把电晶体看成一个理想的开关。

当NMOS电晶体打开时,检测电容放电造成的电压改变就是读取0/1的过程,向电容注入不同电荷就是写入过程;NMOS电晶体关闭时,电荷保存在电容上,处于存储状态。

DRAM的优势在于其结构简单,面积小,所以在同样面积内可以塞入更多存储单元,存储密度高,现在内存条的容量都顶得上多年前的硬碟了。大家可以自己算算一根2Gb的内存里面有多少这样的单元。缺点则是:

1.每次读取都是破坏性的,电容放电后电荷就尼玛没有了啊,所以还要重新写入一遍啊!!!

2.电容还尼玛会漏电啊,一般写入后几十个微秒之后就漏得没法检测了(现在的电容一般是25pF),整个阵列都要不停的刷新,就是把已经存储的内容读一次再写进去,期间什么都不能做啊!!!

3.电容太小导致很多问题,比如速度不能太快啊,会被宇宙粒子打到然后就尼玛中和了啊!!!!

4.没有电的时候存储的内容就丢掉了,这直接导致大量停电导致的文档丢失等杯具。。。。。

(使得存储器能够在无电时保留信息,台湾人施敏大师和一个韩国人发明了快闪记忆体Flashmemory。半导体业已经贡献过两个诺贝尔物理学奖:电晶体和集成电路,施敏怕是这个行业中仅存的还有机会拿奖的人,他的合作者早早挂了甚至连专利费都没拿多少。当年我居然傻乎乎的放弃了施大师亲自授的半导体器件课,亏死了)

。。。。。。。。。。(还有很多恶心的槽,不一一吐了)

为了准确快速读写内存阵列中大量的单元,大量外围电路自然是少不了的(DRAM设计应用中的难点其实是这些外围电路),下图是一张最最简化的概括:

简要介绍便是如此,想深入了解的同学可以研究下

当然去学校里修这门课更好,或者干脆进一家半导体公司。。。。。

2.如何用半导体工艺制作以上的电路?

DRAM制造工艺是通用的集成电路制作工艺的子集,这个问题就可以转化为「集成电路是如何制造的?」而这个问题就比较复杂了,我争取用「盖楼」这个大家都能理解的例子讲清楚。

集成电路从其横切面来看,是分层的,基本使用同种材料实现类似功能,层与层之间通过通孔(via)做电学连接,如下图:

这一结构其实很像一座楼房,晶片制造的过程也有点像盖楼的过程,非常简化的步骤如下:

1.设计图,也就是晶片的版图(layout);版图是一幅分层的俯视图,包含了每一层的物理形状信息和层与层间的位置连接关系。版图被转化成掩模(mask),每张掩模则是某一层的俯视图,一颗晶片往往有几十张掩模。晶片的每层是被同时制作的,就像盖楼是必须3楼盖好才能盖4楼。(本来想放一些自己手头上的版图和掩模给大家看看,涉及版权等问题,有兴趣的同学自己搜吧)

2.平整土地。这个没什么说的,绝大部分晶片都是从平整的芯圆(wafer)开始的,要对芯圆进行清洗啊什么的

3.地基和底层。这是在制造过程中最关键最复杂的一步,因为所有重要的有源器件(activedevice)如电晶体都是在电路的最底层。首先要划线(光照Photolithography)界定哪里要挖掉哪里要保留,然后挖坑(ecthing刻蚀),在需要的地方做固化(离子注入Ion

Implantation),盖墙铺管道什么的(化学沉积和物理沉积CVD&PVD)等等。具体步骤十分复杂,往往需要十几张掩模才能完成,不过大家可以自行脑补一座大楼怎么从地上长出来的。

4.高层。较高的层就相对简单了,还是划线决定(光照Photolithography)哪里要做墙或柱子,哪里是空间,再沉积金属把这些东西长出来。这些层次基本都是铜或铝金属连接,少有复杂器件。

5.封顶。做一层金属化合物固化保护,当然要把连接点(PAD)露出来。

6.清洗,切割。这一步盖楼是没有的。。。。一块300毫米直径的晶圆上可能有成百上千块晶片,像切蛋糕一样切下来。

7.封装。有点像外立面装修,然后给整座楼通水通电通气。一块小小的硅晶片就变成了我们经常看到的样子,需要的信号和电源被连接到一个个焊球或针脚上。封装是一门很大的学问,对晶片的电气性能影响巨大。

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