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

對于半導(dǎo)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(diǎn)追求是整個行業(yè)的目標(biāo)。但隨著工藝節(jié)點(diǎn)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(jìn)入到了更微觀的領(lǐng)域——因?yàn)殡姾傻某叽绫旧聿⒉粫淖儯怨に囍瞥痰?0nm以下后面臨的電荷積累的問題尤為突出。除此外，生產(chǎn)設(shè)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(yīng)著略落后于CPU的制程。但最近美光于業(yè)界內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了DRAM工藝制程的突破，將DRAM的工藝躍進(jìn)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(jìn)行了采訪，Thy Tran針對這一最新的DRAM工藝進(jìn)行了詳細(xì)的解讀。

*美光DRAM制程集成副總裁Thy Tran*

Micron 1α 的產(chǎn)品進(jìn)入到用戶的消費(fèi)市場后，給終端用戶的最直觀的體驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了15%的節(jié)能。這使得5G移動用戶可以在智能手機(jī)上進(jìn)行更多任務(wù)操作，而不會犧牲續(xù)航。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)的關(guān)鍵在于便攜性，盡管用戶希望手機(jī)能更快地執(zhí)行更多的任務(wù)，但也不愿意犧牲續(xù)航或外形尺寸。例如，有些手機(jī)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(shè)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(jī)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(fèi)者來說更友好的體驗(yàn)。

1α還為PC市場提供了更節(jié)能的DDR4和LPDDR4解決方案，對于當(dāng)前在家工作和在家學(xué)習(xí)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(shù)的興起，現(xiàn)代聯(lián)網(wǎng)汽車目前運(yùn)行的代碼超過1億行，每秒需要進(jìn)行數(shù)百萬億次的運(yùn)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(jī)不斷地為電動汽車充電或者加油以滿足高耗電應(yīng)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(shí)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(dú)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(fēng)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(yàn)的角度來看，司機(jī)們不愿意聽到車內(nèi)有嘈雜的風(fēng)扇聲，而且，對于成本敏感的汽車，水冷卻并不實(shí)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(shí)現(xiàn)對駕駛員來說更友好和更環(huán)保的體驗(yàn)。

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(nèi)存中使用1x、1y和1z等。請給我們分享下這種制程的節(jié)點(diǎn)的表達(dá)，與實(shí)際的“nm”有何關(guān)系？為何在DRAM上要采用不一樣的工藝節(jié)點(diǎn)表達(dá)方式？

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

正如您所知，幾年前，我們在內(nèi)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(shù)語。其原因很復(fù)雜，但很大程度上是因?yàn)榇_切的數(shù)字與性能沒有很好的相關(guān)性。電路結(jié)構(gòu)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(diǎn)的名稱通常對應(yīng)于最小特征尺寸，即內(nèi)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(diǎn)的不斷縮小，要不斷命名下一節(jié)點(diǎn)，就達(dá)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(yīng)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(guān)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(jìn)的控制能力，我們可以滿足技術(shù)節(jié)點(diǎn)的要求。

此外，EUV未必是制程發(fā)展的關(guān)鍵促成因素，而且目前EUV設(shè)備的性能也不如先進(jìn)的浸潤式光刻技術(shù)。雖然EUV技術(shù)還在改進(jìn)，但其成本和性能仍然落后于當(dāng)前的多重曝光和先進(jìn)的浸潤式光刻技術(shù)。其中一個原因是，EUV波長太短，光線不能透過玻璃，因此在進(jìn)行EUV光刻時，傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡不起作用。我們正在不斷評估EUV，相信在未來三年內(nèi)，EUV會取得必要的進(jìn)展，在成本和性能上能夠與先進(jìn)的間距倍增和浸潤式技術(shù)相競爭。當(dāng)該技術(shù)符合我們的要求時，我們會在適當(dāng)?shù)臅r候引入。

目前，美光擁有先進(jìn)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(shù)，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(shí)現(xiàn)制程的縮進(jìn)？

一些物理限制和挑戰(zhàn)包括：實(shí)現(xiàn)足夠大的單元存儲節(jié)點(diǎn)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(shè)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(jìn)。

光刻能力決定了我們?nèi)绾未_定曝光流程。我們使用193nm浸潤式光刻機(jī)和配備最新計算光刻技術(shù)的先進(jìn)光刻掩膜板，從而實(shí)現(xiàn)了40nm以下制程。

為進(jìn)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(xì)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(zhǔn)確無誤地做到這一點(diǎn)是讓整個過程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

然后我們必須把電路圖案轉(zhuǎn)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(gòu)成以及這些材料的機(jī)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(shí)驗(yàn)室和合作伙伴的先進(jìn)和創(chuàng)新優(yōu)勢，使這一切成為可能，并克服了DRAM擴(kuò)展（或縮?。淼奈锢硖魬?zhàn)。我們對這個節(jié)點(diǎn)還采取了不同的方法，使風(fēng)險承受能力更強(qiáng)。我們不是被動地等待數(shù)據(jù)以證明新技術(shù)可行，而是先行承擔(dān)了更多的風(fēng)險，然后開始確定緩解和降低風(fēng)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(shí)現(xiàn)1α目標(biāo)，同時為將來的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用這些新方法奠定了可擴(kuò)展的基礎(chǔ)。

展望未來，我們希望在后續(xù)節(jié)點(diǎn)（如beta和gamma）中繼續(xù)這一創(chuàng)新，同樣把重點(diǎn)放在制程改進(jìn)上，并借鑒之前節(jié)點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。我們甚至利用從NAND團(tuán)隊(duì)那里學(xué)到的制程經(jīng)驗(yàn)，他們最近推出了世界上第一款176層3D NAND，取得了業(yè)界領(lǐng)先的成就。此外，值得注意的是，我們的1α里程碑是通過技術(shù)開發(fā)、設(shè)計、產(chǎn)品和測試工程、制造和質(zhì)量等各方面的協(xié)作來實(shí)現(xiàn)的——這是我們第一次進(jìn)行如此全面的多學(xué)科協(xié)作，我們1α節(jié)點(diǎn)的領(lǐng)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(diǎn)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(shè)備？

我們的創(chuàng)新和創(chuàng)舉無處不在：新材料，包括更好的導(dǎo)體、更好的絕緣體；用于沉積的新設(shè)備，修改或者有選擇地去除、蝕刻這些材料。美光的領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)非常愿意投資提升我們的節(jié)點(diǎn)領(lǐng)導(dǎo)優(yōu)勢，并提供了資源和新設(shè)備，全方位增強(qiáng)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(qū)動的高度自動化工廠，不可不謂之奇跡。美光在世界各地?fù)碛袛?shù)以萬計的科學(xué)家和工程師，致力于開發(fā)大家每天使用的內(nèi)存、存儲和加速器技術(shù)。我們設(shè)計電路、光掩膜技術(shù)、制程技術(shù)和封裝技術(shù)，涉及從硅片到系統(tǒng)的各個領(lǐng)域。此外，美光擁有世界上最先進(jìn)的智能工廠，世界經(jīng)濟(jì)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(luò)），該網(wǎng)絡(luò)包括了在應(yīng)用第四次工業(yè)革命技術(shù)方面發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)作用的很多領(lǐng)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(shù)會是一種更有可能的更好的選擇？

對于應(yīng)用，內(nèi)存和存儲技術(shù)有一個典型的性能與容量三角關(guān)系。三角形的頂部是DRAM，對于要求最苛刻的易失性應(yīng)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(shù)（TLC、QLC），它們是塊存儲應(yīng)用的最佳選擇。隨著大量資本投資于創(chuàng)新設(shè)計，我們認(rèn)為DRAM和NAND未來十年仍然會占據(jù)這種架構(gòu)的頂部和底部。

美光不斷探索新興的內(nèi)存技術(shù)，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(yīng)用。MRAM，例如STTRAM，具有易于與邏輯半導(dǎo)體制程集成的優(yōu)點(diǎn)，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(shè)計實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)。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(shù)，但目前還難以確定其面密度的經(jīng)濟(jì)性是否能帶來廣泛的市場部署。

總的來說，新內(nèi)存技術(shù)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。