1α 窺秘 — 全球最先進的 DRAM 製程技術

美光近日宣佈，我們正在出貨採用全球最先進的 DRAM 製程技術製造的記憶體晶片。我們把這個程序密稱為「1α」（1-alpha）。這意指什麼？有多神奇呢？

晶片製造的歷史在於縮小電路，以在晶片上裝配更多電晶體或記憶體單元。六十年前，第一個晶片具有電晶體等元件，您可以用肉眼看到。現在，這些相同的元件只有幾奈米。小十億倍！

較小的電晶體能更快地切換，減少能源消耗，而且透過規模的純粹經濟，更便宜。我們最新的技術節點的跳躍，正好是當今世界上最先進的節點，也不例外。它在效能、能源效率和製造成本方面提供重大改善。

想像一下，如果汽車以相同的速度改善。一眨眼就能每小時行駛 0 到 60 英里，並用幾滴燃料環遊全球。

現在，製作晶片是輕而複雜。製造現代晶片需要超過一千個獨立的流程和測量步驟，這些步驟必須幾乎完全完美。這些步驟是在數百家專業公司使用超純材料製造的工具機器上執行，這些機器在巨大的無塵室中，其中空氣中的顆粒比月球上的顆粒更少。

由於這種複雜性，產業往往會遵循從節點到節點的類似節奏。我們稱之為每個「節點」，並透過晶片上最小的特徵來指稱它們。例如，在這千禧年的開始，我們就處於 180 納米（nm）節點。大約十年前，我們在 22nm 節點。

但幾年前，記憶體世界發生了一件有趣的事。我們不再討論確切的數字，並開始使用 1x、1y 和 1z 等術語。尤其是對 DRAM 而言，節點的名稱通常對應於記憶體元件陣列中活動區域的間距的一半尺寸——即「半間距」。至於 1α，您可以將其視為 10nm 類別的第 4 代，其中半間距範圍為 10 到 19nm。當我們從 1x 奈米變成 1y、1z 和 1α 時，此尺寸會越來越小。我們從 1x 開始，但隨著我們不斷縮小，並說出下一個節點的名稱，我們來到羅馬字母的結尾。這就是為什麼我們改用希臘字母 alpha、beta、gamma 等。

把尺寸看得更透徹

我們這裏講的是多小？

晶片在直徑 300mm 的矽晶圓上一次製造數百個晶片。每個晶片，或「模具」大約是指甲的尺寸。

現在想像一下，一個模具被吹到足球場大小。伸手並拉出一片草皮。再剪一次、一半、另一半。

這就是一個電晶體，在典型記憶體晶片上 80 億個記憶體中儲存一個位元。

光刻技術的限制

雖然令人驚訝的是，半導體產業數十年來一直在做這種事情，每年都會收縮裝置。我們做得很好。事實上，我們知道如何將材料薄膜鋪成只有一個原子厚的薄膜，而我們的蝕刻能力 — 選擇性去除 — 材料還遠遠落後。那麼，現在有什麼不同呢？

也許最困難的挑戰是定義晶圓上的電路模式。第一部分稱為光刻（用光在石頭上書寫！）。它類似於數位前影像程序，即光線透過小型、透明的相片版本照到感光紙上。在我們的案例中，我們使用公車大小的機器，透過放置在稱為光罩的透明石英廣場上的圖案，照亮深紫外光。但原則是相同的。

問題是物理之一。由於稱為瑞利準則（Rayleigh criterion）或繞射限制，因此不可能投影不到所用光波長的一半左右的特徵影像。不可能創造足夠銳利的光束來製作準確的圖案。在我們的案例中，波長是 193nm，所以我們的工作方向低於繞射限制。簡化為物理學家非自願跳動的點，就像嘗試使用 4 英吋畫筆寫 10 點文字一樣。

有一種新型的微影工具使用較小的 13.5nm 波長極紫外線（EUV），但由於一些複雜的原因，我們認為它尚未準備好迎接黃金時段。其中原因在於波長太短，光線無法通過玻璃，因此傳統的光學鏡片無法運作。十五年前，人們以為 EUV 光暈已經準備好迎接 32nm 節點。EUV 即將來臨，但在美光，這並不是 1α 的正確解決方案。

騙過瑞利準則（Rayleigh criterion）

我們使用多種技術來規避繞射限制。第一種方法是修改光罩上的圖案，以「欺騙」光線，從而形成清晰、細小的特徵。目前技術狀態稱為計算光刻，並使用大量的處理能力，有效地從晶圓上所需的圖案逆向工程出掩模圖案。

第二是利用水比空氣少繞射光線的事實，並在水中暴露晶圓！這比它聽起來更不引人注目。我們實際上用一滴水來取代最終鏡頭和晶圓表面之間的一般空氣間隙。這種方法使我們的規模低於 40 奈米，這是一個很大的進步，也是巨大的合作工程努力的結束，但不是整個家。

多重圖案製作的魔力

漂洗並重複

現在我們知道，我們可以準確地設計所需的微小特徵，但從一個完整的模具開始，我們仍然是很長的路，更不用說是大量生產。我們剛剛製作了一層功能的概述，每個晶片上都有數十層。我們引以為傲的一件事是，我們能精確地將每一層與之前一層對齊，我們稱之為覆蓋層。正確行事是讓整體工作發揮作用的關鍵。

然後，我們必須將圖形轉換為功能性電路裝置，例如控制讀取和寫入資料的電晶體，以及可儲存代表 1 和 0 之電荷的高度細小電容器。此製程意味著精確控制材料組成以及這些材料的機械和電氣特性，並且每次都完全相同。

我們不僅整合了我們自己的創新，還利用了供應商合作夥伴的進步。我們在任何地方都納入了最新、最偉大的元素：新材料（例如更好的導體和更好的絕緣體）和新機器，以沉積、修改或選擇性移除或蝕刻這些材料。清單很長，所有這些事情都必須一起工作。

我們已將稱為晶圓廠的製造廠開發為人工智慧驅動、高度自動化的奇蹟。正如我之前提到的，在晶圓廠內製造現代晶片需要超過一千步和數百英里的時間。這些步驟都必須完美。

半導體製造不像製造汽車。您無法返回並修復之前在流程中引入的缺陷。任何缺陷都被埋在後層之下。成功的關鍵是資料 — 以及從資料中獲得的見解。來自數十萬個感測器的資料會流入我們的 10 PB 製造執行系統。我們每天透過檢查系統提供超過一百萬張影像，並使用深度學習在問題發生前就先發現問題。晶片製造也許是地球上最複雜的人類工作。

我們是怎麼辦到的？