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[導讀]近年來在DRAM的工藝節點上,美光一直處於先行者的位置。近期在第四代DRAM工藝製程的研發中,美光也率先實現了突破並開始量產1α DRAM產品。

對於半導體器件而言, 製程工藝的縮放將帶來效能提升和成本下降的多重利好,所以對於工藝製程向更小節點追求是整個行業的目標。但隨着工藝節點的逐步縮減,小到一定的尺寸後,挑戰並不來自於幾何約束,而進入到了更微觀的領域——因為電荷的尺寸本身並不會改變,所以工藝製程到10nm以下後面臨的電荷積累的問題尤為突出。除此外,生產設備本身的計量水平的挑戰也變得尤為突出。而對於DRAM器件而言,縮放的難度比起CPU等更為困難,因此在今天之前僅從數字上看,DRAM的工藝製程也對應着略落後於CPU的製程。但最近美光於業界內率先實現了DRAM工藝製程的突破,將DRAM的工藝躍進到了第四代——1α。對此筆者專門與美光DRAM製程集成副總裁Thy Tran女士進行了採訪,Thy Tran針對這一最新的DRAM工藝進行了詳細的解讀。

*美光DRAM製程集成副總裁Thy Tran*

Micron 1α 的產品進入到用户的消費市場後,給終端用户的最直觀的體驗提升是什麼?

Thy Tran:美光的創新帶來了業界功耗最低的移動DRAM,與上一代1z美光移動DRAM相比,實現了15%的節能。這使得5G移動用户可以在智能手機上進行更多任務操作,而不會犧牲續航。這一點很重要,因為智能手機的關鍵在於便攜性,儘管用户希望手機能更快地執行更多的任務,但也不願意犧牲續航或外形尺寸。例如,有些手機現在可以同時用兩個攝像頭拍攝視頻。這對於像視頻博主這樣的人來説很有用,他們可以只使用一台設備同時攝錄周圍的環境和自己。然而,同時錄製多個視頻意味着要處理的數據量增加一倍,功耗也會隨之增加一倍。如果為此續航會降低一半,或者手機要做得更大以容納更大的電池,用户就不會覺得這一功能有什麼用。在這種情況下,功耗降低15%為移動用户創造了對消費者來説更友好的體驗。

1α還為PC市場提供了更節能的DDR4和LPDDR4解決方案,對於當前在家工作和在家學習的環境,筆記本電腦需要更長的續航時間,這為其帶來了移動性優勢。我們的汽車客户也在使用我們的移動低功耗DRAM,例如LPDDR4和LPDDR5,因此他們也能受益於這種節能特性。

低能耗對電動汽車和自動駕駛汽車尤其有利。隨着ADAS和AI等數據密集型汽車技術的興起,現代聯網汽車目前運行的代碼超過1億行,每秒需要進行數百萬億次的運算,與數據中心的計算性能水平不相上下。這些汽車,或者稱之為車輪上的數據中心,需要管理高性能計算,但不能讓司機不斷地為電動汽車充電或者加油以滿足高耗電應用需求——因此,1α DRAM的能效也將有助於降低能耗,幫助自動駕駛汽車以更低的排放實現綠色交通的承諾。

汽車所需的密集計算和處理帶來的另一獨特挑戰是,所有的能量都會產生物理熱量。在數據中心,我們可以通過風扇和水冷卻等方式來管理熱量,但在汽車中,熱量很難釋放出來。從用户體驗的角度來看,司機們不願意聽到車內有嘈雜的風扇聲,而且,對於成本敏感的汽車,水冷卻並不實用。通過降低能耗,我們的1α低功耗DRAM還將減少自動駕駛汽車和智能汽車中多餘的熱量,實現對駕駛員來説更友好和更環保的體驗。


普通工藝製程我們通常用40nm、22nm、7nm等數字直接來表示,在內存中使用1x、1y和1z等。請給我們分享下這種製程的節點的表達,與實際的“nm”有何關係?為何在DRAM上要採用不一樣的工藝節點表達方式?

Thy Tran:存儲行業在節點與節點間往往遵循類似的規律。例如,在本世紀初我們處在180nm節點。大約十年前,我們來到22nm節點。

正如您所知,幾年前,我們在內存行業不再使用確切的數字,而是開始使用1x、1y和1z之類的術語。其原因很複雜,但很大程度上是因為確切的數字與性能沒有很好的相關性。電路結構是三維的,使用線性的衡量方式並不適合。因此,每一個新字母都代表一個新的製程,表示性能有了很大的提高。

特別是對於DRAM,節點的名稱通常對應於最小特徵尺寸,即內存單元陣列激活區的“半間距”的尺寸。對於1α,您可以將其視為10nm級別的第四代製程,其半間距在10nm到19nm之間。從1x納米到1y、1z和1α,這一尺寸變得越來越小。我們是從1x開始的,但隨着節點的不斷縮小,要不斷命名下一節點,就達到了羅馬字母表的末尾。所以我們改用希臘字母alpha、beta、gamma等等。


EUV目前無法應用於DRAM生產的原因是什麼?何時EUV可以滿足DRAM生產需求?

關於EUV,我們專有的創新多重曝光(multi-patterning)製程能夠滿足目前的性能和成本要求。通過我們的製程解決方案和先進的控制能力,我們可以滿足技術節點的要求。

此外,EUV未必是製程發展的關鍵促成因素,而且目前EUV設備的性能也不如先進的浸潤式光刻技術。雖然EUV技術還在改進,但其成本和性能仍然落後於當前的多重曝光和先進的浸潤式光刻技術。其中一個原因是,EUV波長太短,光線不能透過玻璃,因此在進行EUV光刻時,傳統的光學透鏡不起作用。我們正在不斷評估EUV,相信在未來三年內,EUV會取得必要的進展,在成本和性能上能夠與先進的間距倍增和浸潤式技術相競爭。當該技術符合我們的要求時,我們會在適當的時候引入。

目前,美光擁有先進的光刻能力和間距倍增方法,可滿足曝光要求,並擁有前沿的技術,以確保良好的層間堆疊。

美光的1α是如何突破物理極限的?之後的beta,gamma...將如何繼續實現製程的縮進?

一些物理限制和挑戰包括:實現足夠大的單元存儲節點電容、陣列雜散(電阻和電容)以及曝光(即確定晶圓上的電路圖案)等傳統挑戰。我們使用的製程和設備解決方案大大縮小了電路中的圖案和特徵尺寸,同時仍然滿足電氣要求,從而使我們能夠不斷向前邁進。

光刻能力決定了我們如何確定曝光流程。我們使用193nm浸潤式光刻機和配備最新計算光刻技術的先進光刻掩膜板,從而實現了40nm以下製程。

為進一步發展,我們使用了四重曝光,這是一系列非光刻步驟,將一個大的特徵尺寸分成兩個,然後再分成四個特徵尺寸,每個特徵尺寸是原始特徵尺寸的四分之一。早在2007年,美光就率先採用雙重曝光開發了閃存產品。

採用這一製程,我們可以精確地曝光出需要的細微特徵尺寸,但是離一個完整的裸片還有很長的路要走,更不用説大批量生產了。我們只是剛剛勾畫出一層的特徵尺寸,而每個芯片有幾十層。非常自豪的是,我們能夠精確地控制層間的疊加。準確無誤地做到這一點是讓整個過程順利進行的關鍵。

然後我們必須把電路圖案轉變成功能電路器件,比如控制讀寫數據的晶體管以及可以存儲代表1和0的電荷的高而薄的電容。這個過程意味着必須精確地控制材料構成以及這些材料的機械和電性能,並且每次都完全相同。

我們充分發揮圓晶廠、實驗室和合作夥伴的先進和創新優勢,使這一切成為可能,並克服了DRAM擴展(或縮小)帶來的物理挑戰。我們對這個節點還採取了不同的方法,使風險承受能力更強。我們不是被動地等待數據以證明新技術可行,而是先行承擔了更多的風險,然後開始確定緩解和降低風險的方法。這種基於工程知識和創新能力來博弈新方法的模式,使我們能夠更積極地實現1α目標,同時為將來的節點應用這些新方法奠定了可擴展的基礎。

展望未來,我們希望在後續節點(如beta和gamma)中繼續這一創新,同樣把重點放在製程改進上,並借鑑之前節點的經驗教訓。我們甚至利用從NAND團隊那裏學到的製程經驗,他們最近推出了世界上第一款176層3D NAND,取得了業界領先的成就。此外,值得注意的是,我們的1α里程碑是通過技術開發、設計、產品和測試工程、製造和質量等各方面的協作來實現的——這是我們第一次進行如此全面的多學科協作,我們1α節點的領先優勢充分證明了其可行性。我們希望通過同樣的整體合作,在未來的節點上繼續突破,使美光始終站在DRAM行業創新的最前沿。

*Quad patterning process flow (圖片來源: Lam Research)*

1α工藝的製造過程中是否有引入新類型的設備?

我們的創新和創舉無處不在:新材料,包括更好的導體、更好的絕緣體;用於沉積的新設備,修改或者有選擇地去除、蝕刻這些材料。美光的領導團隊非常願意投資提升我們的節點領導優勢,並提供了資源和新設備,全方位增強我們的製程能力。

我們還將我們稱之為晶圓廠的製造工廠發展成人工智能驅動的高度自動化工廠,不可不謂之奇蹟。美光在世界各地擁有數以萬計的科學家和工程師,致力於開發大家每天使用的內存、存儲和加速器技術。我們設計電路、光掩膜技術、製程技術和封裝技術,涉及從硅片到系統的各個領域。此外,美光擁有世界上最先進的智能工廠,世界經濟論壇將我們新加坡和台灣地區工廠加入其Global Lighthouse Network(全球燈塔工廠網絡),該網絡包括了在應用第四次工業革命技術方面發揮了領導作用的很多領先製造商。

美光是否有佈局在DRAM的替代產品上?如果有的話,哪種產品和技術會是一種更有可能的更好的選擇?

對於應用,內存和存儲技術有一個典型的性能與容量三角關係。三角形的頂部是DRAM,對於要求最苛刻的易失性應用,DRAM在數據延遲和耐久性方面是最好的。三角形的底部是閃存技術(TLC、QLC),它們是塊存儲應用的最佳選擇。隨着大量資本投資於創新設計,我們認為DRAM和NAND未來十年仍然會佔據這種架構的頂部和底部。

美光不斷探索新興的內存技術,但我們的研究(如下所示)表明,DRAM仍然最適合低延遲易失性應用。MRAM,例如STTRAM,具有易於與邏輯半導體制程集成的優點,然而,STTRAM的數據延遲和能耗稍高於DRAM,耐久性也差一些,並且在密度方面還存在設計實現難點。因此,業界是否採用Logic+STTRAM還有待觀察。RRAM是一種有趣的低延遲塊存儲技術,但目前還難以確定其面密度的經濟性是否能帶來廣泛的市場部署。

總的來説,新內存技術的研究和創新是非常激動人心的,但要趕超DRAM和NAND尚需時日。

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劉巖軒

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