长鑫科技宣布在DRAM器件、4F²架构和混合键合方向上的技术积累取得重大突破,海外三大存储厂股价随之走弱。按长鑫科技总裁的表态,首代4F²产品定位于DDR5 RDIMM,预计年底推出。官方用词是“推出”而非“量产”,目前尚无产品规格、良率和出货规模信息,年底的产品更可能是发布、送样或小批量验证。
要理解这条消息的分量,得先回到DRAM最基本的存储单元。每个单元由一个晶体管加一个电容构成,电容负责存电荷代表0或1,晶体管充当开关。单元排成矩阵后,横向的字线负责选中哪一行,纵向的位线负责传输数据。问题在于,晶体管关断时衬底并非完全绝缘,会有少量电子漏过,电容越小越容易漏电,而衬底越短漏电风险越高——这正是限制存储密度继续提升的关键瓶颈之一。
目前主流DRAM采用6F²布局:晶体管平躺在硅片表面,字线埋进硅里形成U形沟道以抑制短沟道漏电,位线在上、电容在最上层。由于电容的接触点必须从相邻两根位线之间的缝隙穿过,还要与两侧位线保持绝缘距离,位线间距只能放宽到3F,字线间距为2F,单元面积就是2F×3F=6F²。
4F²的起点是晶体管形态的改变:从水平长条改为竖直长管,栅极从只在沟道上方铺一层,改为环绕整个沟道一圈,这就是长鑫自研的VSG(Vertical Surrounded Gate,垂直环绕栅极)晶体管。这一改动带来三重影响。其一,沟道长度由硅柱高度决定,与占地面积脱钩,不必再以缩短沟道为代价换取密度。其二,栅极整圈包住硅柱,电场从四周同时作用,关断更彻底,漏电和功耗更低,电荷保持时间更长、刷新频率可下降。其三,电容、位线、字线可以垂直叠放,电容接触点不必再从位线之间穿过,位线间距得以压到2F,单元面积缩为2F×2F=4F²。
换算下来,同一工艺节点下4F²单元面积比6F²缩小约三分之一,相同面积可多放约50%的存储单元。但这是阵列层面的理论值:一颗DRAM裸片上还有感测放大器、译码器、字线驱动等外围电路,这部分面积不随单元架构缩小,单元更密后外围电路反而更难塞进阵列旁边。因此整颗芯片的容量密度提升会低于50%,媒体报道的“单颗芯片存储密度提升30%~50%”大致反映了这一折扣。行业因此倾向把外围电路做在另一片晶圆上、再通过混合键合叠到DRAM阵列下方,长鑫强调的“DRAM与CMOS工艺解耦+晶圆级混合键合”正是为此。
另一层意义在于对EUV的依赖下降。据UBS估计,首代4F²带来的制程精度放宽约30%,相当于省出约两代制程进步;UBS还估计首代4F²节点的电容壁尺寸大致与1c节点相当。对受出口管制、无法使用EUV的长鑫而言,这一点尤为关键:6F²继续微缩越来越依赖EUV或更复杂的多重曝光,而4F²可以不缩小线宽就拿到密度提升。同时设计规则放宽后,电容不必做得那么“细高”,高深宽比刻蚀等工艺压力相应减轻。
需要强调的是,6F²向4F²的结构改变是一次性红利,首代4F²之后各家仍需沿缩小F的路线继续提升制程精度。4F²也并非长鑫独有,垂直沟道晶体管的研究在业内已持续多年,随着6F²微缩难度加大、混合键合等集成手段成熟,4F²重新成为行业公认的下一代路线。据产业调研,三大厂都在评估4F²,部分厂商已把导入时间提前。
从各家节奏看,三星进度相对领先但路线出现摇摆:据韩媒The Elec 4月报道,三星3月已用10a工艺生产出晶圆,并在测试中确认了可正常工作的芯片,计划年内完成开发、2027年进行质量测试、2028年转入量产线,此后10b、10c两代也将沿用这一结构。SK海力士大概率晚一个节点,仍希望0a节点继续沿用6F²,计划到0b节点才导入4F²和垂直晶体管;据The Bell 8月报道,海力士1d节点计划今年12月完成开发,而三星原计划今年9月完成开发,海力士在1d这一代就比三星晚约3个月完成开发、量产准备晚约半年。美光路线尚不明朗,迄今未公开披露4F²导入计划:2025年有韩媒报道称美光可能跳过4F²直接投入3D DRAM,UBS今年1月的产业调研则认为美光近期已把4F²重新放回路线图,0a节点将转向4F²,预计约在2030年下半年量产。
4F²的工程难点同样不小。一是浮体效应:位线埋在硅柱底部,把硅柱与下方硅片底座隔开,硅柱中段的P型硅处于“悬空”状态,电荷会在硅柱中积累而无法自然导走,造成阈值电压漂移,进而导致数据丢失或错误,业内正研究增加背栅等方式加以抑制。二是制造顺序的挑战:新架构下位线埋在硅柱下方,而硅柱需要高质量单晶硅,一种路线是在位线之上外延生长硅柱,但外延的产能和均匀性都是难题;另一种是背面工艺,先在晶圆正面做出硅柱,再把晶圆翻过来继续加工。
对投资者而言,这条消息的看点不在单点技术本身,而在于它可能改变供给曲线。市场担忧的逻辑是:一项技术壁垒一旦被中国厂商突破,量产速度往往很快;而4F²本身又是直接提升单位产出的架构,两者叠加,意味着国内DRAM的有效供给可能比此前预期增长得更快。不过,从“推出”到规模量产之间仍隔着良率爬坡、外围电路集成和客户验证等多道关卡,年底产品的实际形态与出货规模,才是判断这一突破产业含义的关键观察点。