什么是DRAM？DRAM存儲單元電路讀寫原理

什么是DRAM？

DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器）在日常生活中還有一個(gè)親切稱呼叫內(nèi)存條，利用電容儲存電荷多少來存儲數(shù)據(jù)，需要定時(shí)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(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、服務(wù)器內(nèi)存等。

DRAM歷史與發(fā)展：早期存儲器的發(fā)展史 ???

?1942年，世界上第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ATANASOFF-BERRY COMPUTER（ABC）誕生，使用再生電容磁鼓存儲器存儲數(shù)據(jù)。 ????1946年，隨機(jī)存取存儲器（RAM）問世，靜電記憶管能在真空管內(nèi)使用靜電荷存儲大約4000字節(jié)數(shù)據(jù)。 ????1947年，延遲線存儲器被用于改良雷達(dá)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(jī)存取存儲器（RAM）的早期版本。 ????1951年，磁帶首次被用于計(jì)算機(jī)上存儲數(shù)據(jù)，在UNIVAC計(jì)算機(jī)上作為主要的I/O設(shè)備，稱為UNIVACO ，這就是商用計(jì)算機(jī)史上的第一臺磁帶機(jī)。 ????

1956年，世界上第一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)在了IBM的RAMAC 305計(jì)算機(jī)中，標(biāo)志著磁盤存儲時(shí)代的開始。該計(jì)算機(jī)是第一臺提供隨機(jī)存取數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，同時(shí)還使用了磁鼓和磁芯存儲器。 ????1965年，美國物理學(xué)家Russell發(fā)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(fā)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(fā)明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard發(fā)明了動(dòng)態(tài)隨機(jī)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(shù)。DRAM的出現(xiàn)解決了磁芯存儲器體積龐大，運(yùn)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(nèi)存模塊中使輸出增加一倍的技術(shù)，是目前主流的內(nèi)存技術(shù)。LPDDR具有低功耗的特性，主要應(yīng)用于便攜設(shè)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(jì)算的領(lǐng)域。 ???

?云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的興起，服務(wù)器的數(shù)據(jù)容量和處理速度在不斷提高，推動(dòng)了DDR技術(shù)的升級迭代，目前市場上主流技術(shù)規(guī)范為DDR4和LPDDR4，DDR5技術(shù)即將進(jìn)入商用領(lǐng)域。

DRAM未來技術(shù)及制程 ??

??DRAM從2D架構(gòu)轉(zhuǎn)向3D架構(gòu)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(shí)現(xiàn)在單位晶圓面積上產(chǎn)出上更多的產(chǎn)量,這里主要通過改變電容設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，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(fā)展路徑：采用鐵電材料的設(shè)計(jì)電容（ferro capacitor）以延長DRAM位元格儲存電荷的時(shí)間延長。具有改善DRAM的資料保存時(shí)間（retention time），減小刷新的負(fù)擔(dān)、快速開啟或關(guān)閉低功耗模式、實(shí) 現(xiàn)更低的備用功耗，以及進(jìn)一步推動(dòng)DRAM的規(guī)模化等優(yōu)點(diǎn)。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(nèi)的硅基晶體管，以大幅降低儲存單元的面積。

DRAM存儲單元結(jié)構(gòu) 內(nèi)存芯片基本單元結(jié)構(gòu)（DRAM Memory Cell Circuit)

WL(X)：字節(jié)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(shù)據(jù)出入輸出線(Data In/Out); ??

??Transistor : 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(MOS)晶體管開關(guān); ???

?Capacitor: 電荷儲能單元即電容。 ????

備注：內(nèi)存芯片中每個(gè)單元都有以字節(jié)線和比特線組合的獨(dú)立地址。以2016年主流4GB單面8芯片內(nèi)存條為例，每粒內(nèi)存芯片有4G個(gè)獨(dú)立地址。

DRAM存儲單元電路讀寫原理

上圖，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(fā)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(gè)bit 數(shù)據(jù)，在同一個(gè)時(shí)期可以同時(shí)進(jìn)行1bit 的讀取或者寫入操作。

如上，DRAM2188芯片引腳圖。

上圖，2188內(nèi)部架構(gòu)。 ????DRAM2188內(nèi)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）。

如上，存儲（讀?。┝鞒虉D。

1)通過地址總線將行地址傳輸?shù)降刂芬_ 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(jìn)行寫入操作 5)列地址通過地址總線傳輸?shù)降刂芬_ 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(gè)時(shí)候Dout 引腳知道需要向外輸出數(shù)據(jù)。 8) /RAS 和/CAS 都不被激活，這樣就可以進(jìn)行下一個(gè)周期的數(shù)據(jù)操作了。其實(shí)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(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn)

上圖，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(gè)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

上圖，深槽蝕刻制程。

上圖，介電層上下基板制程。

上圖，BS形成制程。

MOS管工藝簡介： ????這就是一個(gè) NMOS 的結(jié)構(gòu)簡圖，一個(gè)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(jù)設(shè)計(jì)一步步“蓋”起來，大致要經(jīng)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(kuò)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