h1_key

  美光近期宣布批量出货基于目前世界上最为先进的 DRAM 制程技术的内存芯片。该制程技术有一个神秘的名字“1α”(1-alpha)。这个名字有何含义?这项技术有多神奇?

  芯片制造的历史始终围绕着一个主题，那就是缩小电路尺寸，从而在一块芯片上集成更多的晶体管或内存单元。六十年前，第一块芯片上的晶体管等组件光凭肉眼就能看到。而现在，这些同类组件的尺寸只有几纳米，缩小到以前的十亿分之一!

  晶体管越小，开关速度就更快，功耗更低，如果只考虑规模经济这一因素，制造成本自然更低。这在我们最新的技术节点(也是目前世界上最为先进的技术节点)也不例外。它在性能、功耗和制造成本方面实现了重大提升。

  想象一下，如果汽车行业也能实现相同程度的改进，那么现在驾驶的汽车就能在眨眼间实现 0 到 60 英里/小时的加速，并且只需几滴燃油便可绕地球飞驰一圈。

  芯片的制造很复杂。制作现代芯片需要一千多道独立的工序和测量步骤，所有这些步骤都必须丝毫不差地完成。这些步骤要在数百家专业公司制造的机器(称为“工具”)上执行，所用材料为超纯材料，而且需要在巨大的洁净室内开展，室内空气微粒数量比月球空气中的还要少。

  由于这种复杂性，芯片制造行业通常在各节点间遵循类似的规律。我们称之为一个一个的“节点”，采用芯片上的最小特征来代指。例如，在本世纪初，我们进入了 180 纳米节点。大约十年前，我们实现了 22 纳米节点。

  但是几年前，内存行业内发生了一件有趣的事情。我们不再谈论确切的数字，而是开始使用1x、1y和1z等说法。特别是对于DRAM，节点的名称通常对应内存单元阵列中有效区域的一半间距(“半间距”)的尺寸。至于 1α，您可以将其视为 10 纳米类的第四代产品，其半间距范围为 10 纳米至 19 纳米。当我们从 1x 纳米变为 1y、1z 和 1α 时，尺寸变得越来越小。最开始，我们采用 1x 的形式命名，但是随着我们不断缩小尺寸并需要命名下一个节点，最后用尽了罗马字母表中的所有字母，这就是我们开始使用 alpha、beta、gamma 等希腊字母的原因。

  关注尺寸

  我们在这里谈论的尺寸到底有多小?直径为 300 毫米的硅晶圆可一次制造出数百个芯片。每个芯片或“Die”大约只有指甲大小。现在想象一下，一个 Die 被放大成了一座足球场那么大。

  伸手拔起一根草，将这根草切成两半，再切成两半，再切成两半。这就相当于一个晶体管了，也就是一块普通内存芯片的 80 亿个存储位中一个存储位。

  光刻的局限性

  尽管令人惊讶，但半导体行业数十年来一直在做一件事情，即每年或每两年缩小一次设备尺寸。这是我们比较擅长的。确实，我们知道如何叠放仅有一个原子厚的材料膜，而我们蚀刻(选择性去除)材料的能力也不差。所以，现在改变的是什么?

  也许最困难的挑战就是在晶圆上设定电路图案了。其中的第一部分称为光刻(用光在石头上写字!)。这与数字摄影诞生前的相片冲洗过程类似，在这一过程中，光线通过小而透明底片照到感光纸上。而我们使用的是公共汽车大小的机器，通过置于透明正方形石英上的图案(称为光掩膜)，发出深紫外线，但是原理与冲洗相片是一样的。

  我们面临一个物理学难题。因为瑞利准则或衍射极限的存在，无法投射出小于所用光波长一半的特征图像，不可能创造出足够清晰的光束来准确地处理图案。我们目前所用的光束波长为 193 纳米，远短于衍射极限。简单来说(物理学家听了可能会不可置信)，这就像试着用 4 英寸的油漆刷写 10 磅的文字。

  一种新型的光刻工具采用波长为 13.5 纳米的较小极紫外光 (EUV)，但由于一些复杂的原因，我们认为尚未到达应用该项工具的理想时间。原因之一是波长太短，光线无法穿过玻璃，因此传统的光学透镜无法工作。十五年前，大家认为 EUV 光刻技术已做好准备迎接 32 纳米节点。EUV 应用的时机将会到来，但它并不是适合美光 1α 的解决方案。

  绕过瑞利准则

  我们采用多种技术绕开衍射极限。首先，我们修改了光掩膜上的图案，试图“欺骗”光线并成功刻出清晰的小尺寸特征。这种先进技术称为计算光刻，利用大量处理能力从晶圆上的期望图案逆向工程掩膜图案。

  第二种方法是利用水衍射的光少于空气衍射的光这一事实，将晶圆放在水中进行处理!这种方法可能听起并不高深。但实际上，我们将最终透镜和晶圆表面之间的空气间隙换成了一滴水。利用这种方法，我们将光束波长缩小到 40 纳米以下。这是一项巨大的改进，无法轻松顺利地一蹴而就，而是需要大量的合作工程工作才能实现。

  多重图样的魔力

  分辨率问题的解决方案是添加一系列非光刻步骤，以将一个“大”特征先神奇地转化为两个特征，然后是四个特征，每个特征都是原始特征的四分之一。实话实说，这种方案真的很棒。我们可以同时采用许多不同的方法来完成此项工作，但是我要指出的是，由于 Gurtej Singh Sandhu的开创性工作，美光在 2007 年就已经率先采用双图样方法开发闪存。Gurtej Singh Sandhu 现为美光寻路(pathfinding)小组的资深成员(这个小组仅有四名成员)。

  简单来说，这种方法的基本理念就是使用步进式光刻机创建牺牲特征，用其他材料覆盖这些特征的侧面，然后去除原始的牺牲特征。这样一来，我们就获得了两个一半大小的特征!重复这个流程，我们就能获得四个 1α 所需大小的特征。更多相关详细信息，请参见图表1。

  冲洗然后重复

  现在我们知道，我们可以准确地刻出所需微小特征的图案，但是距离完成一个完整的颗粒还有很长的路要走，更不用说大批量生产了。我们只是简要介绍了一层的特征，而每个芯片都有几十层。我们引以为傲的一点是，我们能够精确地将新一层与之前的层对齐(我们称之为“叠加”)。准确无误地进行叠加是顺利完成整个过程的关键。

  然后，我们应将图案转变为发挥功能的电路设备，例如控制读写数据的晶体管以及可以存储代表 1 和 0 电荷的细长电容器。这一过程意味着精确控制材料成分以及这些材料的机械和电气性质，并且每一次都要保持完全相同。

  我们不仅整合了自身的创新技术，还利用了供应商合作伙伴的先进成果。我们在各个领域都集成了先进的新技术：新材料(如更好的导体和更好的绝缘体)以及用于沉积、修改或选择性去除或蚀刻这些材料的新机器。诸如此类不一而足，这些都需要整体协同合作。

  我们已将美光的制造工厂(称为“晶圆厂”)开发成为人工智能驱动的高度自动化的工厂。正如我前面提到的，制造现代化芯片需要一千多个步骤，要在工厂内移动数百英里，而且每一步必须完美。

  半导体制造不同于汽车制造。你无法返回去修复之前流程中出现的缺陷。任何缺陷实际上都隐藏在之后的层下面。成功的关键在于数据，以及从数据中获得的洞察。成千上万个传感器将海量数据传送到我们 10PB 的制造执行系统。我们每天通过检查系统输入超过一百万张图像，并利用深度学习技术，在问题发生之前发现问题。芯片制造也许是地球上最复杂的人类任务了。

  我们是如何做到的?

  美光的工程团队是如何能够达成 1α 节点，并在创纪录的时间内取得行业前沿的地位?部分原因在于，美光拥有数以万计的工程师和科学家。

  这归功于从技术开发、设计、产品和测试工程，再到制造和质量等学科之间的协作。这也证明了我们团队成员在长期 “全力以赴”模式下的热情和坚韧，正是这种热情和坚韧造就了美光在 DRAM 技术领域的前沿地位。

  我为这支团队感到骄傲，也为自己身为团队一员而感到自豪。