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  美光近期宣布批量出貨基于目前世界上最為先進(jìn)的 DRAM 制程技術(shù)的內(nèi)存芯片。該制程技術(shù)有一個(gè)神秘的名字“1α”(1-alpha)。這個(gè)名字有何含義?這項(xiàng)技術(shù)有多神奇?

  芯片制造的歷史始終圍繞著一個(gè)主題，那就是縮小電路尺寸，從而在一塊芯片上集成更多的晶體管或內(nèi)存單元。六十年前，第一塊芯片上的晶體管等組件光憑肉眼就能看到。而現(xiàn)在，這些同類組件的尺寸只有幾納米，縮小到以前的十億分之一!

  晶體管越小，開關(guān)速度就更快，功耗更低，如果只考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)這一因素，制造成本自然更低。這在我們最新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)(也是目前世界上最為先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn))也不例外。它在性能、功耗和制造成本方面實(shí)現(xiàn)了重大提升。

  想象一下，如果汽車行業(yè)也能實(shí)現(xiàn)相同程度的改進(jìn)，那么現(xiàn)在駕駛的汽車就能在眨眼間實(shí)現(xiàn) 0 到 60 英里/小時(shí)的加速，并且只需幾滴燃油便可繞地球飛馳一圈。

  芯片的制造很復(fù)雜。制作現(xiàn)代芯片需要一千多道獨(dú)立的工序和測(cè)量步驟，所有這些步驟都必須絲毫不差地完成。這些步驟要在數(shù)百家專業(yè)公司制造的機(jī)器(稱為“工具”)上執(zhí)行，所用材料為超純材料，而且需要在巨大的潔凈室內(nèi)開展，室內(nèi)空氣微粒數(shù)量比月球空氣中的還要少。

  由于這種復(fù)雜性，芯片制造行業(yè)通常在各節(jié)點(diǎn)間遵循類似的規(guī)律。我們稱之為一個(gè)一個(gè)的“節(jié)點(diǎn)”，采用芯片上的最小特征來(lái)代指。例如，在本世紀(jì)初，我們進(jìn)入了 180 納米節(jié)點(diǎn)。大約十年前，我們實(shí)現(xiàn)了 22 納米節(jié)點(diǎn)。

  但是幾年前，內(nèi)存行業(yè)內(nèi)發(fā)生了一件有趣的事情。我們不再談?wù)摯_切的數(shù)字，而是開始使用1x、1y和1z等說(shuō)法。特別是對(duì)于DRAM，節(jié)點(diǎn)的名稱通常對(duì)應(yīng)內(nèi)存單元陣列中有效區(qū)域的一半間距(“半間距”)的尺寸。至于 1α，您可以將其視為 10 納米類的第四代產(chǎn)品，其半間距范圍為 10 納米至 19 納米。當(dāng)我們從 1x 納米變?yōu)?1y、1z 和 1α 時(shí)，尺寸變得越來(lái)越小。最開始，我們采用 1x 的形式命名，但是隨著我們不斷縮小尺寸并需要命名下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后用盡了羅馬字母表中的所有字母，這就是我們開始使用 alpha、beta、gamma 等希臘字母的原因。

  關(guān)注尺寸

  我們?cè)谶@里談?wù)摰某叽绲降子卸嘈?直徑為 300 毫米的硅晶圓可一次制造出數(shù)百個(gè)芯片。每個(gè)芯片或“Die”大約只有指甲大小?，F(xiàn)在想象一下，一個(gè) Die 被放大成了一座足球場(chǎng)那么大。

  伸手拔起一根草，將這根草切成兩半，再切成兩半，再切成兩半。這就相當(dāng)于一個(gè)晶體管了，也就是一塊普通內(nèi)存芯片的 80 億個(gè)存儲(chǔ)位中一個(gè)存儲(chǔ)位。

  光刻的局限性

  盡管令人驚訝，但半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)十年來(lái)一直在做一件事情，即每年或每?jī)赡昕s小一次設(shè)備尺寸。這是我們比較擅長(zhǎng)的。確實(shí)，我們知道如何疊放僅有一個(gè)原子厚的材料膜，而我們蝕刻(選擇性去除)材料的能力也不差。所以，現(xiàn)在改變的是什么?

  也許最困難的挑戰(zhàn)就是在晶圓上設(shè)定電路圖案了。其中的第一部分稱為光刻(用光在石頭上寫字!)。這與數(shù)字?jǐn)z影誕生前的相片沖洗過程類似，在這一過程中，光線通過小而透明底片照到感光紙上。而我們使用的是公共汽車大小的機(jī)器，通過置于透明正方形石英上的圖案(稱為光掩膜)，發(fā)出深紫外線，但是原理與沖洗相片是一樣的。

  我們面臨一個(gè)物理學(xué)難題。因?yàn)槿鹄麥?zhǔn)則或衍射極限的存在，無(wú)法投射出小于所用光波長(zhǎng)一半的特征圖像，不可能創(chuàng)造出足夠清晰的光束來(lái)準(zhǔn)確地處理圖案。我們目前所用的光束波長(zhǎng)為 193 納米，遠(yuǎn)短于衍射極限。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)(物理學(xué)家聽了可能會(huì)不可置信)，這就像試著用 4 英寸的油漆刷寫 10 磅的文字。

  一種新型的光刻工具采用波長(zhǎng)為 13.5 納米的較小極紫外光 (EUV)，但由于一些復(fù)雜的原因，我們認(rèn)為尚未到達(dá)應(yīng)用該項(xiàng)工具的理想時(shí)間。原因之一是波長(zhǎng)太短，光線無(wú)法穿過玻璃，因此傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡無(wú)法工作。十五年前，大家認(rèn)為 EUV 光刻技術(shù)已做好準(zhǔn)備迎接 32 納米節(jié)點(diǎn)。EUV 應(yīng)用的時(shí)機(jī)將會(huì)到來(lái)，但它并不是適合美光 1α 的解決方案。

  繞過瑞利準(zhǔn)則

  我們采用多種技術(shù)繞開衍射極限。首先，我們修改了光掩膜上的圖案，試圖“欺騙”光線并成功刻出清晰的小尺寸特征。這種先進(jìn)技術(shù)稱為計(jì)算光刻，利用大量處理能力從晶圓上的期望圖案逆向工程掩膜圖案。

  第二種方法是利用水衍射的光少于空氣衍射的光這一事實(shí)，將晶圓放在水中進(jìn)行處理!這種方法可能聽起并不高深。但實(shí)際上，我們將最終透鏡和晶圓表面之間的空氣間隙換成了一滴水。利用這種方法，我們將光束波長(zhǎng)縮小到 40 納米以下。這是一項(xiàng)巨大的改進(jìn)，無(wú)法輕松順利地一蹴而就，而是需要大量的合作工程工作才能實(shí)現(xiàn)。

  多重圖樣的魔力

  分辨率問題的解決方案是添加一系列非光刻步驟，以將一個(gè)“大”特征先神奇地轉(zhuǎn)化為兩個(gè)特征，然后是四個(gè)特征，每個(gè)特征都是原始特征的四分之一。實(shí)話實(shí)說(shuō)，這種方案真的很棒。我們可以同時(shí)采用許多不同的方法來(lái)完成此項(xiàng)工作，但是我要指出的是，由于?Gurtej Singh Sandhu的開創(chuàng)性工作，美光在 2007 年就已經(jīng)率先采用雙圖樣方法開發(fā)閃存。Gurtej Singh Sandhu 現(xiàn)為美光尋路(pathfinding)小組的資深成員(這個(gè)小組僅有四名成員)。

  簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種方法的基本理念就是使用步進(jìn)式光刻機(jī)創(chuàng)建犧牲特征，用其他材料覆蓋這些特征的側(cè)面，然后去除原始的犧牲特征。這樣一來(lái)，我們就獲得了兩個(gè)一半大小的特征!重復(fù)這個(gè)流程，我們就能獲得四個(gè) 1α 所需大小的特征。更多相關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見圖表1。

  沖洗然后重復(fù)

  現(xiàn)在我們知道，我們可以準(zhǔn)確地刻出所需微小特征的圖案，但是距離完成一個(gè)完整的顆粒還有很長(zhǎng)的路要走，更不用說(shuō)大批量生產(chǎn)了。我們只是簡(jiǎn)要介紹了一層的特征，而每個(gè)芯片都有幾十層。我們引以為傲的一點(diǎn)是，我們能夠精確地將新一層與之前的層對(duì)齊(我們稱之為“疊加”)。準(zhǔn)確無(wú)誤地進(jìn)行疊加是順利完成整個(gè)過程的關(guān)鍵。

  然后，我們應(yīng)將圖案轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)揮功能的電路設(shè)備，例如控制讀寫數(shù)據(jù)的晶體管以及可以存儲(chǔ)代表 1 和 0 電荷的細(xì)長(zhǎng)電容器。這一過程意味著精確控制材料成分以及這些材料的機(jī)械和電氣性質(zhì)，并且每一次都要保持完全相同。

  我們不僅整合了自身的創(chuàng)新技術(shù)，還利用了供應(yīng)商合作伙伴的先進(jìn)成果。我們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域都集成了先進(jìn)的新技術(shù)：新材料(如更好的導(dǎo)體和更好的絕緣體)以及用于沉積、修改或選擇性去除或蝕刻這些材料的新機(jī)器。諸如此類不一而足，這些都需要整體協(xié)同合作。

  我們已將美光的制造工廠(稱為“晶圓廠”)開發(fā)成為人工智能驅(qū)動(dòng)的高度自動(dòng)化的工廠。正如我前面提到的，制造現(xiàn)代化芯片需要一千多個(gè)步驟，要在工廠內(nèi)移動(dòng)數(shù)百英里，而且每一步必須完美。

  半導(dǎo)體制造不同于汽車制造。你無(wú)法返回去修復(fù)之前流程中出現(xiàn)的缺陷。任何缺陷實(shí)際上都隱藏在之后的層下面。成功的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)，以及從數(shù)據(jù)中獲得的洞察。成千上萬(wàn)個(gè)傳感器將海量數(shù)據(jù)傳送到我們 10PB 的制造執(zhí)行系統(tǒng)。我們每天通過檢查系統(tǒng)輸入超過一百萬(wàn)張圖像，并利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，在問題發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)問題。芯片制造也許是地球上最復(fù)雜的人類任務(wù)了。

  我們是如何做到的?

  美光的工程團(tuán)隊(duì)是如何能夠達(dá)成 1α 節(jié)點(diǎn)，并在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)取得行業(yè)前沿的地位?部分原因在于，美光擁有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的工程師和科學(xué)家。

  這歸功于從技術(shù)開發(fā)、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品和測(cè)試工程，再到制造和質(zhì)量等學(xué)科之間的協(xié)作。這也證明了我們團(tuán)隊(duì)成員在長(zhǎng)期 “全力以赴”模式下的熱情和堅(jiān)韌，正是這種熱情和堅(jiān)韌造就了美光在 DRAM 技術(shù)領(lǐng)域的前沿地位。

  我為這支團(tuán)隊(duì)感到驕傲，也為自己身為團(tuán)隊(duì)一員而感到自豪。