解读世界上最先进的1α DRAM工艺——专访美光DRAM制程集成副总裁Thy Tran

对于半导体器件而言， 制程工艺的缩放将带来效能提升和成本下降的多重利好，所以对于工艺制程向更小节点追求是整个行业的目标。但随着工艺节点的逐步缩减，小到一定的尺寸后，挑战并不来自于几何约束，而进入到了更微观的领域——因为电荷的尺寸本身并不会改变，所以工艺制程到10nm以下后面临的电荷积累的问题尤为突出。除此外，生产设备本身的计量水平的挑战也变得尤为突出。而对于DRAM器件而言，缩放的难度比起CPU等更为困难，因此在今天之前仅从数字上看，DRAM的工艺制程也对应着略落后于CPU的制程。但最近美光于业界内率先实现了DRAM工艺制程的突破，将DRAM的工艺跃进到了第四代——1α。对此笔者专门与美光DRAM制程集成副总裁Thy Tran女士进行了采访，Thy Tran针对这一最新的DRAM工艺进行了详细的解读。

*美光DRAM制程集成副总裁Thy Tran*

Micron 1α 的产品进入到用户的消费市场后，给终端用户的最直观的体验提升是什么？

Thy Tran：美光的创新带来了业界功耗最低的移动DRAM，与上一代1z美光移动DRAM相比，实现了15%的节能。这使得5G移动用户可以在智能手机上进行更多任务操作，而不会牺牲续航。这一点很重要，因为智能手机的关键在于便携性，尽管用户希望手机能更快地执行更多的任务，但也不愿意牺牲续航或外形尺寸。例如，有些手机现在可以同时用两个摄像头拍摄视频。这对于像视频博主这样的人来说很有用，他们可以只使用一台设备同时摄录周围的环境和自己。然而，同时录制多个视频意味着要处理的数据量增加一倍，功耗也会随之增加一倍。如果为此续航会降低一半，或者手机要做得更大以容纳更大的电池，用户就不会觉得这一功能有什么用。在这种情况下，功耗降低15%为移动用户创造了对消费者来说更友好的体验。

1α还为PC市场提供了更节能的DDR4和LPDDR4解决方案，对于当前在家工作和在家学习的环境，笔记本电脑需要更长的续航时间，这为其带来了移动性优势。我们的汽车客户也在使用我们的移动低功耗DRAM，例如LPDDR4和LPDDR5，因此他们也能受益于这种节能特性。

低能耗对电动汽车和自动驾驶汽车尤其有利。随着ADAS和AI等数据密集型汽车技术的兴起，现代联网汽车目前运行的代码超过1亿行，每秒需要进行数百万亿次的运算，与数据中心的计算性能水平不相上下。这些汽车，或者称之为车轮上的数据中心，需要管理高性能计算，但不能让司机不断地为电动汽车充电或者加油以满足高耗电应用需求——因此，1α DRAM的能效也将有助于降低能耗，帮助自动驾驶汽车以更低的排放实现绿色交通的承诺。

汽车所需的密集计算和处理带来的另一独特挑战是，所有的能量都会产生物理热量。在数据中心，我们可以通过风扇和水冷却等方式来管理热量，但在汽车中，热量很难释放出来。从用户体验的角度来看，司机们不愿意听到车内有嘈杂的风扇声，而且，对于成本敏感的汽车，水冷却并不实用。通过降低能耗，我们的1α低功耗DRAM还将减少自动驾驶汽车和智能汽车中多余的热量，实现对驾驶员来说更友好和更环保的体验。

普通工艺制程我们通常用40nm、22nm、7nm等数字直接来表示，在内存中使用1x、1y和1z等。请给我们分享下这种制程的节点的表达，与实际的“nm”有何关系？为何在DRAM上要采用不一样的工艺节点表达方式？

Thy Tran：存储行业在节点与节点间往往遵循类似的规律。例如，在本世纪初我们处在180nm节点。大约十年前，我们来到22nm节点。

正如您所知，几年前，我们在内存行业不再使用确切的数字，而是开始使用1x、1y和1z之类的术语。其原因很复杂，但很大程度上是因为确切的数字与性能没有很好的相关性。电路结构是三维的，使用线性的衡量方式并不适合。因此，每一个新字母都代表一个新的制程，表示性能有了很大的提高。

特别是对于DRAM，节点的名称通常对应于最小特征尺寸，即内存单元阵列激活区的“半间距”的尺寸。对于1α，您可以将其视为10nm级别的第四代制程，其半间距在10nm到19nm之间。从1x纳米到1y、1z和1α，这一尺寸变得越来越小。我们是从1x开始的，但随着节点的不断缩小，要不断命名下一节点，就达到了罗马字母表的末尾。所以我们改用希腊字母alpha、beta、gamma等等。

EUV目前无法应用于DRAM生产的原因是什么？何时EUV可以满足DRAM生产需求？

关于EUV，我们专有的创新多重曝光（multi-patterning）制程能够满足目前的性能和成本要求。通过我们的制程解决方案和先进的控制能力，我们可以满足技术节点的要求。

此外，EUV未必是制程发展的关键促成因素，而且目前EUV设备的性能也不如先进的浸润式光刻技术。虽然EUV技术还在改进，但其成本和性能仍然落后于当前的多重曝光和先进的浸润式光刻技术。其中一个原因是，EUV波长太短，光线不能透过玻璃，因此在进行EUV光刻时，传统的光学透镜不起作用。我们正在不断评估EUV，相信在未来三年内，EUV会取得必要的进展，在成本和性能上能够与先进的间距倍增和浸润式技术相竞争。当该技术符合我们的要求时，我们会在适当的时候引入。

目前，美光拥有先进的光刻能力和间距倍增方法，可满足曝光要求，并拥有前沿的技术，以确保良好的层间堆叠。

美光的1α是如何突破物理极限的？之后的beta，gamma...将如何继续实现制程的缩进？

一些物理限制和挑战包括：实现足够大的单元存储节点电容、阵列杂散（电阻和电容）以及曝光（即确定晶圆上的电路图案）等传统挑战。我们使用的制程和设备解决方案大大缩小了电路中的图案和特征尺寸，同时仍然满足电气要求，从而使我们能够不断向前迈进。

光刻能力决定了我们如何确定曝光流程。我们使用193nm浸润式光刻机和配备最新计算光刻技术的先进光刻掩膜板，从而实现了40nm以下制程。

为进一步发展，我们使用了四重曝光，这是一系列非光刻步骤，将一个大的特征尺寸分成两个，然后再分成四个特征尺寸，每个特征尺寸是原始特征尺寸的四分之一。早在2007年，美光就率先采用双重曝光开发了闪存产品。

采用这一制程，我们可以精确地曝光出需要的细微特征尺寸，但是离一个完整的裸片还有很长的路要走，更不用说大批量生产了。我们只是刚刚勾画出一层的特征尺寸，而每个芯片有几十层。非常自豪的是，我们能够精确地控制层间的叠加。准确无误地做到这一点是让整个过程顺利进行的关键。

然后我们必须把电路图案转变成功能电路器件，比如控制读写数据的晶体管以及可以存储代表1和0的电荷的高而薄的电容。这个过程意味着必须精确地控制材料构成以及这些材料的机械和电性能，并且每次都完全相同。

我们充分发挥圆晶厂、实验室和合作伙伴的先进和创新优势，使这一切成为可能，并克服了DRAM扩展（或缩小）带来的物理挑战。我们对这个节点还采取了不同的方法，使风险承受能力更强。我们不是被动地等待数据以证明新技术可行，而是先行承担了更多的风险，然后开始确定缓解和降低风险的方法。这种基于工程知识和创新能力来博弈新方法的模式，使我们能够更积极地实现1α目标，同时为将来的节点应用这些新方法奠定了可扩展的基础。

展望未来，我们希望在后续节点（如beta和gamma）中继续这一创新，同样把重点放在制程改进上，并借鉴之前节点的经验教训。我们甚至利用从NAND团队那里学到的制程经验，他们最近推出了世界上第一款176层3D NAND，取得了业界领先的成就。此外，值得注意的是，我们的1α里程碑是通过技术开发、设计、产品和测试工程、制造和质量等各方面的协作来实现的——这是我们第一次进行如此全面的多学科协作，我们1α节点的领先优势充分证明了其可行性。我们希望通过同样的整体合作，在未来的节点上继续突破，使美光始终站在DRAM行业创新的最前沿。

*Quad patterning process flow (图片来源: Lam Research)*

1α工艺的制造过程中是否有引入新类型的设备？

我们的创新和创举无处不在：新材料，包括更好的导体、更好的绝缘体；用于沉积的新设备，修改或者有选择地去除、蚀刻这些材料。美光的领导团队非常愿意投资提升我们的节点领导优势，并提供了资源和新设备，全方位增强我们的制程能力。

我们还将我们称之为晶圆厂的制造工厂发展成人工智能驱动的高度自动化工厂，不可不谓之奇迹。美光在世界各地拥有数以万计的科学家和工程师，致力于开发大家每天使用的内存、存储和加速器技术。我们设计电路、光掩膜技术、制程技术和封装技术，涉及从硅片到系统的各个领域。此外，美光拥有世界上最先进的智能工厂，世界经济论坛将我们新加坡和台湾地区工厂加入其Global Lighthouse Network（全球灯塔工厂网络），该网络包括了在应用第四次工业革命技术方面发挥了领导作用的很多领先制造商。

美光是否有布局在DRAM的替代产品上？如果有的话，哪种产品和技术会是一种更有可能的更好的选择？

对于应用，内存和存储技术有一个典型的性能与容量三角关系。三角形的顶部是DRAM，对于要求最苛刻的易失性应用，DRAM在数据延迟和耐久性方面是最好的。三角形的底部是闪存技术（TLC、QLC），它们是块存储应用的最佳选择。随着大量资本投资于创新设计，我们认为DRAM和NAND未来十年仍然会占据这种架构的顶部和底部。

美光不断探索新兴的内存技术，但我们的研究（如下所示）表明，DRAM仍然最适合低延迟易失性应用。MRAM，例如STTRAM，具有易于与逻辑半导体制程集成的优点，然而，STTRAM的数据延迟和能耗稍高于DRAM，耐久性也差一些，并且在密度方面还存在设计实现难点。因此，业界是否采用Logic+STTRAM还有待观察。RRAM是一种有趣的低延迟块存储技术，但目前还难以确定其面密度的经济性是否能带来广泛的市场部署。

总的来说，新内存技术的研究和创新是非常激动人心的，但要赶超DRAM和NAND尚需时日。