芯片厂商美光宣布不用EUV也能制造芯片

　　近日，美国芯片巨头美光公司宣布将采用全球最先进1β(1-beta)制造工艺的DRAM内存芯片给部分手机制造商、芯片平台合作伙伴寄送样品进行验证，并做好了量产准备。
　　1β工艺相比于1α工艺，可将能效提高约15％，存储密度提升35％以上，单颗裸片(Die)容量高达16Gb(2GB)。
　　尤其值得大家关注的一点是，美光公司宣称，1β制造工艺成功绕过了EUV（极紫外光刻）工具，只要使用是DUV（深紫外光刻）工具就可以实现。
　　众所周知，DRAM的先进性很大程度上取决于在每平方毫米晶圆面积上集成更多更快半导体器件的能力。每家DRAM制造公司都在通过采用先进工艺不断缩小可制造的最小半导体器件，来加强竞争。
　　美光的1β制造工艺，相较于三星、SK海力士而言，需要更复杂的设计方案。
　　此外，美光已经在LPDDR5X移动内存上率先应用1β工艺，还使用了第二代HKMG(高K金属栅极)工艺，最高速率8.5Gbps(等效于8500MHz)。
　　延伸阅读
　　走进1α工艺
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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，如下图。
　　冲洗然后重复
　　此时，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（或称之为＂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。
　　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。