Inside 1α -世界上最先进的DRAM工艺技术

Micron recently announced 我们的存储芯片采用了世界上最先进的DRAM工艺技术. 这个过程被称为“1α”(1- α)。. 这是什么意思，它有多神奇?

芯片制造的历史就是缩小电路以在芯片上容纳更多的晶体管或存储单元. Sixty years ago, 第一批芯片有元件——晶体管之类的——你可以用肉眼看到. 现在这些相同的组件只有几纳米宽. That’s a billion times smaller!

Smaller transistors switch faster, use less energy and, through pure economy of scale, are cheaper to make. 跳跃到我们最新的技术节点, by the way, 是当今世界上最先进的——没有什么不同吗. 它在性能、能效和制造成本方面都有重大改进.

想象一下，如果汽车也以同样的速度发展. 它们可以在一眨眼的时间内从每小时0英里加速到60英里，只用几滴燃料就能环绕地球飞行.

现在，委婉地说，制造芯片很复杂. 制造一个现代芯片需要超过一千个独立的过程和测量步骤——所有这些都必须几乎是完美的. 这些步骤在机器上执行, known as tools, 由数百家专业公司制造, using ultra-pure materials, 在巨大的洁净室里，空气中的颗粒比月球上的少.

由于这种复杂性，行业倾向于从一个节点到另一个节点遵循类似的节奏. 我们把这些节点称为“节点”，并通过芯片上最小的特征来指代它们. 例如，在本世纪初，我们正处于180纳米(nm)节点. 大约十年前，我们处于22nm节点.

但是几年前在记忆领域发生了一件有趣的事情. 我们不再讨论确切的数字，而是开始使用像1x, 1y和1z这样的术语. For DRAM particularly, 节点的名称通常对应于记忆单元阵列中活动区域的一半音高(half-pitch). As for 1α, 您可以将其视为第四代10nm级，其半间距范围为10至19nm. 当我们从1x纳米到1y, 1z和1α，这个维度变得越来越小. We started with 1x, 但随着我们继续缩小并命名下一个节点, 我们到了罗马字母表的末尾. 这就是为什么我们改用希腊字母，等等.

Putting the size into perspective

我们说的有多小?

芯片是在直径300毫米的硅片上一次制造数百个的. 每个芯片或“芯片”大约指甲大小.

现在想象一个骰子，被放大到足球场那么大. 伸手拔出一片草叶. 把它切成两半，再切成两半.

这是一个晶体管，在一个典型的存储芯片上的80亿个存储中只有一个.

Limitations to lithography

Amazing though this is, 半导体行业一直在做这种事情, 每一两年就会缩小设备, for decades. We’re pretty good at it. Indeed, 我们知道如何铺下只有一个原子厚的材料薄膜, 我们的蚀刻——选择性去除——材料的能力也并不落后. So, what’s different now?

也许最困难的挑战是定义晶圆上的电路模式. The first part of this is called photolithography (writing on stone with light!). 这与前数码摄影的过程类似, 光线通过一个小的, 将照片透明版印在感光纸上. 在我们的例子中，我们用深紫外光照射在透明方形石英上的图案，这种图案被称为光掩膜, using a bus-sized machine. But the principle is the same.

The problem is one of physics. Thanks to something called the Rayleigh criterion, or the diffraction limit, 人们认为，要投射出小于所用光波长一半的特征图像是不可能的. 只是不可能制造出足够锐利的光束来做出精确的图案. 在我们的例子中，波长是193nm，所以我们在衍射极限以下工作. 简化到物理学家会不由自主地抽搐的地步, 就像用4英寸的画笔写10点的文字一样.

有一种新的光刻工具，使用更小的，13.5nm波长极紫外光(EUV), 但是有很多复杂的原因, 我们认为它还没有准备好进入黄金时段. 其中一个原因是波长太短，以至于光不能穿过玻璃, 所以传统的光学镜头是行不通的. 15年前，人们认为EUV光刻技术将为32nm节点做好准备. EUV的时代将会到来，但它不是微米的1α的正确解决方案.

Cheating the Rayleigh criterion

我们使用许多技术来绕过衍射极限. 首先是修改掩模上的图案，“愚弄”光线，使其变得清晰, small features. 目前的技术水平被称为 computational lithography 并使用大量的处理能力，有效地从晶圆上所需的图案逆向工程掩模图案.

第二种方法是利用水对光线的衍射比空气小的事实，将晶圆片暴露在水下! 这并没有听起来那么戏剧化. 我们实际上用一滴水代替了最后透镜和晶圆表面之间的气隙. 这种方法使我们的生产工艺降至40纳米以下——这是一个巨大的进步，也是巨大的工程合作努力的成果, but not all the way home.

The magic of multiple patterning

解决方案是添加一系列非光刻步骤，将一个“大”特征神奇地变成两个，然后是四个, 每个都是原来的四分之一大小. This is, frankly, brilliant. 同时开发了许多不同的方法来实现这一点, 但如果我不指出美光是第一个使用双模式开发闪存的公司，那就太失职了, back in 2007, 感谢我们自己的开创性工作 Gurtej Singh Sandhu, now a senior fellow (one of only four; it’s an exclusive club) in Micron’s pathfinding group.

Oversimplifying quite a bit, 基本思想是使用步进器创建牺牲特征, 在这些特征的侧面涂上不同的材料，然后去除原始的牺牲特征. Voilà — two half-size features! 重复这个过程，我们就有了4个特征，它们的大小是我们需要的. See the diagram for more detail.

沙巴体育结算平台和测试工程师到制造和质量部门. 这也证明了我们团队成员的激情和坚韧，以永久的“全体员工”模式运作，使美光走在DRAM技术的最前沿.

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我为这支球队感到骄傲，当然也为成为这支球队的一员感到骄傲.

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Rinse and repeat

现在我们知道我们可以精确地绘制出我们需要的微小特征, 但我们离完全死亡还有很长的路要走, let alone high-volume production. 我们刚刚画出了一个层的特征轮廓，每个芯片有几十个层. 我们非常自豪的一件事是，我们可以精确地将每个新图层与前一个图层对齐, which we call overlay. 做到这一点是让整个事情顺利进行的关键.

然后，我们必须将该模式转化为功能电路器件，如控制数据读写的晶体管和传感器, 可以存储代表1和0的电荷的薄电容器. 这个过程意味着精确地控制材料的组成和这些材料的机械和电气性能, 每次都做一模一样的动作.

我们不仅结合了我们自己的创新，而且利用了我们供应商合作伙伴的进步. 我们到处都在采用最新最好的东西:新材料(比如更好的导体和更好的绝缘体)和新的沉积机器, modify or selectively remove, or etch, those materials. 这个清单很长，所有这些都必须协同工作.

我们发展了制造工厂, called fabs, 变成了人工智能驱动, highly automated marvels. As I mentioned earlier, 制造一个现代芯片需要在晶圆厂内跨越上千个步骤和数百英里. 每一步都必须完美无缺.

半导体制造不像制造汽车. 您不能返回并修复过程早期引入的缺陷. 任何缺陷都被埋在后面的层中. 成功的关键是数据——以及从数据中获得的洞察力. 来自成千上万个传感器的数据涌入我们10拍字节的制造执行系统. 我们每天通过我们的检测系统提供超过一百万张图像，并使用深度学习在问题发生之前发现问题. 芯片制造可能是这个星球上最复杂的人类事业.

How did we do it?

值得一问的是，美光的工程团队是如何完成1α节点的, and in record time, 让我们走在行业的前列. 美光拥有数以万计的工程师和科学家，但这只是故事的一部分.

这证明了所有相关学科之间的合作精神, from our technology development, design, 沙巴体育结算平台和测试工程师到制造和质量部门. 这也证明了我们团队成员的激情和坚韧，以永久的“全体员工”模式运作，使美光走在DRAM技术的最前沿.

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