1α 窺秘──世界最先進的 DRAM 製程技術

- 2021-03-30

美光最近宣布,我們使用世界最先進的 DRAM 製程技術所製造的記憶體晶片即將出貨。我們把這項製程代稱為「1a」(1-alpha)。這是指什麼?有多神奇呢?

製作晶片的歷史其實就是縮小電路,在晶片上安裝更多的電晶體或記憶體元件。六十年前,第一個晶片是使用元件(電晶體之類),且我們用肉眼就能看見。現在同樣的元件只有幾奈米寬。體積縮小了 10 億倍!

更小的電晶體切換更快,耗能更少,並且單憑經濟規模便能降低製造成本。我們的最新技術節點(附帶一提,這是當今世界上最先進的)也不例外。它在效能、功耗效率和製造成本方面都有重大改進。

想像一下,如果汽車以同樣的速率進展。它們的時速就能夠瞬間從 0 加速到 60 英里,且只用幾滴燃料就可環繞地球。

現在,晶片製造(保守來說)是很複雜的。它需要超過一千個以上的獨立製程和測量步驟(這一切都必須絕對完美)才能做出現代晶片。這些步驟是在由數百家專業公司製造的機器(即我們所稱的工具)上進行的,它們使用超級純粹的材料,在巨大的無塵室製造完成。這些無塵室內空氣中的微粒比在月球上還少。

因為這種複雜度,業界傾向於遵循類似一個節點到一個節點的節奏。我們把每一階段稱為一個「節點」,並以晶片上的最小特徵來指稱它們。例如:在本世紀初,我們處於 180 奈米(nm)節點。大約 10 年前,我們處於 22nm 節點。

但是幾年前在記憶體行業發生了一件有趣的事。我們停止談論確切數字,開始使用像 1x、1y 和 1z 等術語。尤其是對於 DRAM,節點名稱通常對應於記憶體元件中活動區域陣列的半個節距面積(「半節距」)。至於 1α,我們可以把它看作是 10nm 級的第四代,其中半節距幅度從 10nm 到 19nm 不等。當我們從 1x 奈米進到 1y、1z 和 1α 時,這個面積就會越來越小。我們從 1x 開始,但當我們繼續縮小面積並用下個節點來稱呼時,我們就用到了羅馬字母的最後一個。因此我們開始改用希臘字母的 α,β,γ 等等。

把尺寸看得更透徹

我們這裡談的尺寸有多小呢?晶片是在直徑 300mm 的矽晶圓上製造的,每次數百個。每個晶片(或「晶粒」)的大小和指甲差不多。現在想像一下,把一個晶粒放大到足球場大小。

從地上拔起草的一葉。把它剪成兩半,再兩半,然後再兩半。這就是一個電晶體,相當於一個典型的記憶體晶片上 80 億個儲存位元中的一個。

光刻技術的限制

雖然這很神奇,但半導體行業幾十年來一直在做這種事情,並且每隔一兩年就縮小裝置。我們相當擅長做這種事。事實上,我們知道如何鋪設只有一個原子厚的材料薄膜,而且我們蝕刻(選擇性去除)材料的技術並不落後。那麼,現在有什麼不同呢?

或許最困難的挑戰在於定義晶圓的電路圖案。該挑戰的第一部分稱為 光刻(用光在石頭上書寫!)。這類似於數位技術出現之前的攝影程序,讓光線透過一張小的透明相紙,映在感光紙上。在我們的例子裡,使用的是一台公車大小的機器,讓深紫外線照射到一塊稱為光罩的透明正方形石英上。但是兩者原理是相同的。

問題在於物理方面。由於稱為瑞利準則(Rayleigh criterion)或衍射極限的物理限制下,認為不可能用比所用光波長的一半還小的光去投射出一個特徵的影像;而創造出足夠銳利的光束來製作精確的圖案同樣被認為是不可能達成的。在我們的例子裡,波長是 193nm,所以我們是在遠低於衍射極限以下工作。簡化程度足以讓物理學家緊張到不由自主的顫抖了,這就像用一根 4 英寸的畫筆去寫 10 點(pt)大小的文字一樣。

有一種新型光刻工具,使用較小的、13.5nm 波長的遠紫外線(EUV),但是由於幾個複雜理由,我們認為還不到它的黃金使用時刻。其中一個理由在於波長太短,以致於光穿不透玻璃,因而無法用傳統的光學鏡片來處理。十五年前,人們以為 EUV 光刻已經準備好可以處理 32nm 節點,EUV 時代將會來臨,但是對美光 1α 來說,它並非為正確的解決方案。

騙過瑞利準則

我們使用幾種技術來繞過繞射極限。第一種技術是修正光罩上的圖案以「愚弄」光線,使其產生尖銳的小特徵。目前最先進的技術稱為運算光刻,它利用強大的處理能力,根據晶圓上所需的圖案,對光罩圖案進行有效的逆向工程。

第二種技術利用水對光的繞射比空氣小的事實,將晶圓暴露在水中!實際並不如聽起來那樣戲劇化。我們其實是用一滴水來代替通常在最終透鏡和晶圓表面之間出現的氣隙。這個方法讓我們把幅度控制在 40nm 以下,這是一個巨大的進步,也是龐大合作工程的結晶,但過程中並非一路順利。

多重圖案製作的魔力

解決問題的辦法是新增一系列非光刻步驟,將一個「大」特徵神奇地變成先是兩個,然後是四個特徵,每個特徵的大小是原來的四分之一。坦白說,這個方法很聰明。這方面有許多做法都同時可行,但我必須指出的是,美光在 2007 年率先使用雙重圖案製作來研發快閃記憶體,這要歸功於 Gurtej Singh Sandhu 具開創性的工作,他現在是美光領航小組(僅有四位成員;為獨家俱樂部)的資深研究員。

簡言之,基本構想是使用步進式光刻機來建立犧牲特徵,用不同材料覆蓋這些特徵側面,然後移除原始犧牲特徵。然後就出現了,兩個尺寸只有一半的特徵!重複這個程序,我們就有了 1α 所需尺寸的四個特徵。參閱圖 1 進一步了解細節。

圖1:四面體圖案製作流程(圖片來自 Lam Research)。

漂洗並重複

我們現在知道,可以準確地將所需的微小特徵圖案化,但我們離製造一個完整晶粒的目標還有一大段路,更別說是量產了。我們剛剛概述了一層的特徵,而每個晶片中有幾十層。我們非常自豪的一件事就是,我們能夠精確地將每個新層與前一層對齊,稱之為疊對。準確地完成這一步驟是確保整個工作順利進行的關鍵。

然後我們必須把這種模式轉變成功能性的電路裝置,比如控制讀寫數據的電晶體以及能夠儲存代表 1 和 0 的電荷的高薄電容器。這個程序意味著精準控制材料成分和這些材料的機械和電力屬性,並且必須確保每次做法完全相同。

我們不僅將自己的創新融會貫通,還加入了我們合作夥伴供應商的最新技術。我們四處收取最新和最先進的材料,包括新材料(如更好的導體和更好的絕緣體),並採用新機械,用以沉積、修改或選擇性地去除或蝕刻這些材料。名單一長串,而所有這些要素必須彼此融合。

我們已把製造工廠(稱為 fab)發展成為由人工智慧驅動、高度自動化的奇蹟。我稍早曾提到,一個現代晶片的製造需要在晶圓廠內經過無數個步驟和工序,而每一個步驟和工序都必須完美無缺。

我們已把製造工廠(稱為半導體製造不像汽車製造。你無法回頭修正程序中稍早出現的一個缺陷。任何缺陷實際上都會被後層掩蓋掉。成功的關鍵在於資料,以及從資料中獲得的深度解析力。來自數十萬個感應器的資料湧入我們 10 PB 的製造執行系統。我們透過檢驗系統每天輸入超過一百萬張影像,並利用機器深度學習,在問題發生之前就發現問題。晶片製造也許是地球上最複雜的人類活動。

我們是怎麼辦到的?

值得一問的是,美光的工程團隊是如何在創紀錄的時間內完成 1α 節點的工作,使我們走在業界的最前端。美光有成千上萬名工程師和科學家,但這只是故事的一部分。

從技術研發、設計、產品和測試工程人員到製造和品質,這是所有相關學科之間合作精神的證明。這也是對我們團隊成員熱情和堅毅精神的證明,他們永遠都以「全副武裝」模式運作,讓美光處於 DRAM 技術的最前線。

這個團隊讓我覺得驕傲,而我當然也以身為團隊的一份子而感到自豪。

 

Thy Tran

Thy Tran 是美光科技集團的 DRAM 製程整合副總裁。
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