一文詳解1α工藝技術(shù)

近日，美光發(fā)布了用于DRAM的新型1α制造工藝。并計(jì)劃首先將其用來制造DDR4和LPDDR4存儲器，并在之后將其用于生產(chǎn)他們所有類型的DRAM。如今，擴(kuò)展DRAM已經(jīng)變得異常困難。但據(jù)介紹，該制造技術(shù)有望顯著降低DRAM成本。這個(gè)神秘的“1α”會有多神奇？我們一起來看看。

芯片制造的目標(biāo)就是縮小電路以在芯片上容納更多的晶體管或存儲單元。60年前，第一批芯片的元件——晶體管可以用肉眼看到。現(xiàn)在相同的組件只有幾納米寬。那是它的十億分之一！

更小的晶體管開關(guān)速度更快，能耗更少，而且，通過純粹的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，制造成本也更低。跳到我們最新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，它是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的。它在性能、能效和制造成本方面都會有重大改進(jìn)。

想象一下，如果汽車以同樣的速度進(jìn)步的話。他們可以在一眨眼的功夫從0加速到60英里/小時(shí)，只需要幾滴燃料就可以環(huán)游地球。

現(xiàn)在，制造芯片這個(gè)事是復(fù)雜的。制造一個(gè)現(xiàn)代芯片需要一千多個(gè)獨(dú)立的過程和測量步驟——所有這些步驟都必須近乎完美。這些步驟是在先進(jìn)的設(shè)備上完成，這些機(jī)器由數(shù)百家專業(yè)公司生產(chǎn)，使用超純材料，在巨大的潔凈室中進(jìn)行，那里的空氣中顆粒比月球上的空氣還要少。

由于這種復(fù)雜性，行業(yè)往往遵循類似的節(jié)奏從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。并通過芯片上最小的特征來引用它們。例如，在很久之前，我們還處于180納米節(jié)點(diǎn)，大約十年前，我們已在22納米節(jié)點(diǎn)上。

但是幾年前，在內(nèi)存世界里發(fā)生了一件有趣的事情。我們不再討論確切的數(shù)字，而是開始使用像1x， 1y和1z這樣的術(shù)語。特別是DRAM，節(jié)點(diǎn)的名稱通常對應(yīng)于存儲單元陣列中活動(dòng)區(qū)域的一半間距的大小——“半間距”。至于1α，你可以把它看作是第四代的10nm級別，其半節(jié)距從10到19nm。當(dāng)我們從1x納米到1y 1z和1α?xí)r，這個(gè)尺寸會變得越來越小。我們從1x開始，但隨著我們繼續(xù)縮小并命名下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們到達(dá)了羅馬字母表的末尾。這就是為什么我們改用希臘字母α，β的緣故。

從尺寸的角度來看，我們說的小到底有多?。?/p>

芯片在直徑300mm的硅片上可一次制造數(shù)百個(gè)。每個(gè)芯片都有指甲蓋那么大。如今，一個(gè)晶體管在一個(gè)典型的存儲芯片上，能有著80億比特的存儲空間。

限制光刻

半導(dǎo)體行業(yè)每年或每隔二十年就會收縮設(shè)備。我們知道如何在只有一個(gè)原子厚的材料薄膜上進(jìn)行刻蝕，我們也會有選擇地去除材料的能力。那么，現(xiàn)在有什么不同呢？

也許最困難的挑戰(zhàn)是定義晶圓片上的電路模式。第一部分叫做光刻（用光在石頭上寫字！）。它類似于前數(shù)碼攝影的過程，光線通過一個(gè)小的透明版的照片照射到光敏紙上。在我們的案例中，我們使用巴士大小的機(jī)器，通過放置在透明方形石英上稱為光掩模的模式照射深紫外光。但原理是一樣的。

這是一個(gè)物理問題。多虧了 “瑞利準(zhǔn)則”，或者衍射極限，這讓人們認(rèn)為不可能投射出一個(gè)小于所用光波長一半的特征的圖像。只是不可能制造出足夠銳利的光束來做出精確的圖案。在我們的例子中，波長是193nm，所以我們的工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于衍射極限。

現(xiàn)在有一種新的光刻工具，它使用更小的32 nm波長的極紫外線（EUV），但由于一些復(fù)雜的原因，我們認(rèn)為它還沒有準(zhǔn)備好。其中一個(gè)原因是波長太短，光線不能穿過玻璃，所以傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡不起作用。15年前，人們認(rèn)為EUV光刻技術(shù)可以用于32納米節(jié)點(diǎn)。EUV的時(shí)代將會到來，但它不是1α在微米級別的正確解決方案。

“愚弄”光線，違背瑞利準(zhǔn)則

我們使用許多技術(shù)來繞過衍射極限。第一種方法是修改光掩模上的圖案，使其形成尖銳的特征。目前最先進(jìn)的技術(shù)被稱為計(jì)算光刻技術(shù)，它使用大量的處理能力從晶圓上所需的圖案有效地進(jìn)行反向工程掩模。

第二是利用水對光的衍射比空氣小這一事實(shí)，使晶圓在水下暴露。實(shí)際上，我們用一滴水來取代最終鏡頭和晶圓片表面之間的氣隙。這種方法可以使我們達(dá)到40nm以下，這是一個(gè)很大的改進(jìn)，但并不是一直都能成功。

多重圖案

解決分辨率的方法是添加一系列非光刻步驟，神奇地將一個(gè)“大”特征變成兩個(gè)，成為四個(gè)特征，每個(gè)特征的大小都是原來的四分之一。有很多不同的方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但我必須指出，早在2007年，美光是第一個(gè)使用雙模式開發(fā)閃存的公司。

這樣簡化了很多工作，基本的想法是用步進(jìn)器創(chuàng)造特征，在這些特征的側(cè)面涂上不同的材料，然后去掉原來的特征（sacrificial features）。得到Voilà -兩個(gè)半尺寸的功能！重復(fù)這個(gè)過程，我們有了所需的 1α的四個(gè)特征大小。

清洗和重復(fù)

現(xiàn)在我們知道我們可以精確地繪制出我們需要的微小特征，但我們離一個(gè)完整的模具還有很長的路要走，更不用說大批量生產(chǎn)了。我們只是為一層的功能做了輪廓，要知道每個(gè)芯片中有幾十層。自豪的是，我們可以精確地將層層對齊，這稱之為疊加。準(zhǔn)確無誤地做到這一點(diǎn)是讓整個(gè)過程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

然后，我們必須把圖案轉(zhuǎn)換成有功能的電路設(shè)備，比如控制讀寫數(shù)據(jù)的晶體管，以及能夠存儲代表“1”和“0”的電荷的又高又瘦的電容器。這一過程意味著要精確控制材料的組成以及這些材料的機(jī)械和電學(xué)特性，而且每次都要做完全相同的事情。

我們不僅整合了我們自己的創(chuàng)新，而且與供應(yīng)商合作伙伴緊密合作。我們正在將最新和最先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域：新材料（如更好的導(dǎo)體和更好的絕緣體），以及用于沉積、修改或選擇性去除或蝕刻這些材料的新機(jī)械。

我們已經(jīng)將晶圓廠發(fā)展成一個(gè)以AI驅(qū)動(dòng)、高度自動(dòng)化的智能工廠。正如我前面提到的，要在晶圓廠內(nèi)制造一個(gè)現(xiàn)代化的芯片，需要一千多步驟，每一步都必須完美。

半導(dǎo)體制造不像制造汽車。你不能返回并修復(fù)流程中早期引入的缺陷。任何缺陷都被埋在后面的層下面。成功的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)，以及從數(shù)據(jù)中獲得的洞察力。來自幾十萬個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)涌入我們10千萬億字節(jié)的制造執(zhí)行系統(tǒng)。我們每天通過檢查系統(tǒng)輸入100多萬張圖像，并使用深度學(xué)習(xí)在問題發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)問題。芯片制造可能是地球上最復(fù)雜的工程了。

我們是怎么做到的？

美光的工程團(tuán)隊(duì)是如何能夠在短時(shí)間內(nèi)將1α節(jié)點(diǎn)拉下來，并將我們置于行業(yè)前沿的。答案就在美光數(shù)萬名工程師和科學(xué)家身上。

從我們的技術(shù)開發(fā)、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品和測試工程人員到制造和質(zhì)量，這是所有相關(guān)學(xué)科之間協(xié)作精神的證明。這也證明了我們的團(tuán)隊(duì)成員的熱情和堅(jiān)韌，以永久的“全員待命”模式運(yùn)作，這使美光走在DRAM技術(shù)的前沿。
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