解讀世界上最先進的1α DRAM工藝——專訪美光DRAM制程集成副總裁Thy Tran

對于半導體器件而言， 制程工藝的縮放將帶來效能提升和成本下降的多重利好，所以對于工藝制程向更小節(jié)點追求是整個行業(yè)的目標。但隨著工藝節(jié)點的逐步縮減，小到一定的尺寸后，挑戰(zhàn)并不來自于幾何約束，而進入到了更微觀的領域——因為電荷的尺寸本身并不會改變，所以工藝制程到10nm以下后面臨的電荷積累的問題尤為突出。除此外，生產(chǎn)設備本身的計量水平的挑戰(zhàn)也變得尤為突出。而對于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(shù)字上看，DRAM的工藝制程也對應著略落后于CPU的制程。但最近美光于業(yè)界內率先實現(xiàn)了DRAM工藝制程的突破，將DRAM的工藝躍進到了第四代——1α。對此筆者專門與美光DRAM制程集成副總裁Thy Tran女士進行了采訪，Thy Tran針對這一最新的DRAM工藝進行了詳細的解讀。

*美光DRAM制程集成副總裁Thy Tran*

Micron 1α 的產(chǎn)品進入到用戶的消費市場后，給終端用戶的最直觀的體驗提升是什么？

Thy Tran：美光的創(chuàng)新帶來了業(yè)界功耗最低的移動DRAM，與上一代1z美光移動DRAM相比，實現(xiàn)了15%的節(jié)能。這使得5G移動用戶可以在智能手機上進行更多任務操作，而不會犧牲續(xù)航。這一點很重要，因為智能手機的關鍵在于便攜性，盡管用戶希望手機能更快地執(zhí)行更多的任務，但也不愿意犧牲續(xù)航或外形尺寸。例如，有些手機現(xiàn)在可以同時用兩個攝像頭拍攝視頻。這對于像視頻博主這樣的人來說很有用，他們可以只使用一臺設備同時攝錄周圍的環(huán)境和自己。然而，同時錄制多個視頻意味著要處理的數(shù)據(jù)量增加一倍，功耗也會隨之增加一倍。如果為此續(xù)航會降低一半，或者手機要做得更大以容納更大的電池，用戶就不會覺得這一功能有什么用。在這種情況下，功耗降低15%為移動用戶創(chuàng)造了對消費者來說更友好的體驗。

1α還為PC市場提供了更節(jié)能的DDR4和LPDDR4解決方案，對于當前在家工作和在家學習的環(huán)境，筆記本電腦需要更長的續(xù)航時間，這為其帶來了移動性優(yōu)勢。我們的汽車客戶也在使用我們的移動低功耗DRAM，例如LPDDR4和LPDDR5，因此他們也能受益于這種節(jié)能特性。

低能耗對電動汽車和自動駕駛汽車尤其有利。隨著ADAS和AI等數(shù)據(jù)密集型汽車技術的興起，現(xiàn)代聯(lián)網(wǎng)汽車目前運行的代碼超過1億行，每秒需要進行數(shù)百萬億次的運算，與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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的能效也將有助于降低能耗，幫助自動駕駛汽車以更低的排放實現(xiàn)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(zhàn)是，所有的能量都會產(chǎn)生物理熱量。在數(shù)據(jù)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。從用戶體驗的角度來看，司機們不愿意聽到車內有嘈雜的風扇聲，而且，對于成本敏感的汽車，水冷卻并不實用。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余的熱量，實現(xiàn)對駕駛員來說更友好和更環(huán)保的體驗。

普通工藝制程我們通常用40nm、22nm、7nm等數(shù)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制程的節(jié)點的表達，與實際的“nm”有何關系？為何在DRAM上要采用不一樣的工藝節(jié)點表達方式？

Thy Tran：存儲行業(yè)在節(jié)點與節(jié)點間往往遵循類似的規(guī)律。例如，在本世紀初我們處在180nm節(jié)點。大約十年前，我們來到22nm節(jié)點。

正如您所知，幾年前，我們在內存行業(yè)不再使用確切的數(shù)字，而是開始使用1x、1y和1z之類的術語。其原因很復雜，但很大程度上是因為確切的數(shù)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并不適合。因此，每一個新字母都代表一個新的制程，表示性能有了很大的提高。

特別是對于DRAM，節(jié)點的名稱通常對應于最小特征尺寸，即內存單元陣列激活區(qū)的“半間距”的尺寸。對于1α，您可以將其視為10nm級別的第四代制程，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，但隨著節(jié)點的不斷縮小，要不斷命名下一節(jié)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目前無法應用于DRAM生產(chǎn)的原因是什么？何時EUV可以滿足DRAM生產(chǎn)需求？

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

此外，EUV未必是制程發(fā)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后于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(tǒng)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?shù)臅r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，并擁有前沿的技術，以確保良好的層間堆疊。

美光的1α是如何突破物理極限的？之后的beta，gamma...將如何繼續(xù)實現(xiàn)制程的縮進？

一些物理限制和挑戰(zhàn)包括：實現(xiàn)足夠大的單元存儲節(jié)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(tǒng)挑戰(zhàn)。我們使用的制程和設備解決方案大大縮小了電路中的圖案和特征尺寸，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(xiàn)了40nm以下制程。

為進一步發(fā)展，我們使用了四重曝光，這是一系列非光刻步驟，將一個大的特征尺寸分成兩個，然后再分成四個特征尺寸，每個特征尺寸是原始特征尺寸的四分之一。早在2007年，美光就率先采用雙重曝光開發(fā)了閃存產(chǎn)品。

采用這一制程，我們可以精確地曝光出需要的細微特征尺寸，但是離一個完整的裸片還有很長的路要走，更不用說大批量生產(chǎn)了。我們只是剛剛勾畫出一層的特征尺寸，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。

然后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(shù)據(jù)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。這個過程意味著必須精確地控制材料構成以及這些材料的機械和電性能，并且每次都完全相同。

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

展望未來，我們希望在后續(xù)節(jié)點（如beta和gamma）中繼續(xù)這一創(chuàng)新，同樣把重點放在制程改進上，并借鑒之前節(jié)點的經(jīng)驗教訓。我們甚至利用從NAND團隊那里學到的制程經(jīng)驗，他們最近推出了世界上第一款176層3D NAND，取得了業(yè)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(fā)、設計、產(chǎn)品和測試工程、制造和質量等各方面的協(xié)作來實現(xiàn)的——這是我們第一次進行如此全面的多學科協(xié)作，我們1α節(jié)點的領先優(yōu)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(jié)點上繼續(xù)突破，使美光始終站在DRAM行業(yè)創(chuàng)新的最前沿。

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

1α工藝的制造過程中是否有引入新類型的設備？

我們的創(chuàng)新和創(chuàng)舉無處不在：新材料，包括更好的導體、更好的絕緣體；用于沉積的新設備，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愿意投資提升我們的節(jié)點領導優(yōu)勢，并提供了資源和新設備，全方位增強我們的制程能力。

我們還將我們稱之為晶圓廠的制造工廠發(fā)展成人工智能驅動的高度自動化工廠，不可不謂之奇跡。美光在世界各地擁有數(shù)以萬計的科學家和工程師，致力于開發(fā)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、制程技術和封裝技術，涉及從硅片到系統(tǒng)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(jīng)濟論壇將我們新加坡和臺灣地區(qū)工廠加入其Global Lighthouse Network（全球燈塔工廠網(wǎng)絡），該網(wǎng)絡包括了在應用第四次工業(yè)革命技術方面發(fā)揮了領導作用的很多領先制造商。

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

對于應用，內存和存儲技術有一個典型的性能與容量三角關系。三角形的頂部是DRAM，對于要求最苛刻的易失性應用，DRAM在數(shù)據(jù)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。隨著大量資本投資于創(chuàng)新設計，我們認為DRAM和NAND未來十年仍然會占據(jù)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，具有易于與邏輯半導體制程集成的優(yōu)點，然而，STTRAM的數(shù)據(jù)延遲和能耗稍高于DRAM，耐久性也差一些，并且在密度方面還存在設計實現(xiàn)難點。因此，業(yè)界是否采用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(jīng)濟性是否能帶來廣泛的市場部署。

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