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解密美光最新 1α内存工艺:性能提升 40%,与三星掰手腕

综合资讯 | 完美下载小客服 | 2021-01-29
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美光本周二公布其用于 DRAM 的 1α新工艺,该技术有望将 DRAM 位密度提升 40%,功耗降低 15%。

1α工艺最初被用于生产 DDR4 和 LPDDR4 内存,未来或将覆盖美光所有类型的 DRAM。

同时,美光提到要实现 DRAM 的规模化仍很困难。鉴于 EUV 技术带来的性能优化还无法抵消设备成本和生产困难,美光近期不打算引入 EUV 光刻技术,考虑在未来的 1工艺中应用 EUV 技术。

到目前为止,美光已经将其 DRAM 生产的很大一部分转移到其 1Z 制程,该制程为生产存储器提供了更高的位密度和性能,可以有效地降低成本。因此,目前美光表示,它对利润率和产品组合感到相当满意。

美光的 1α制程工艺预计将比 1Z 的位密度提高 40%,这将相应地降低生产商的单字节存储成本。此外,该技术据称还能降低 15% 的功耗,以提高存储器性能。

在美光 1α工艺提升的 40% 位密度中,大约有 10% 是由 DRAM 设计效率驱动的,这表明非 EUV 技术在当前生产过程中还有提升空间。

新的 1α工艺将如同 1Z 工艺一样,继续使用 6F2 位线设计。目前美光已经实施了许多新的工艺制程,以适应小尺寸 DRAM 的制造。

美光 DRAM 工艺集成副总裁 Thy Tran 在被媒体采访时谈到,1α工艺的位密度能显著提高,是因为工艺制程的改进及设计效率的提升,这实现了矩阵效率的提高,也带来了 10% 左右的存储器性能提升。

美光对工艺技术改进了许多,比如大幅度缩小了位线(bitline)、字线(wordline)和网格(grid)。美光能够做到这一点,不仅因为对新工艺制程的积极,也因为它整合了全球各地最新、最好的材料,比如更好的导体材料和绝缘体材料。

最后美光通过沉积、修改或选择性地蚀刻这些新材料来制作设备,缩小节距来使电池电容的容量更大。此外,美光还引入了先进的设备和技术,来改善图案层(patterned layer)。

DRAM 1α这项新工艺完成于美国爱达荷州博伊西的美光总部,但工艺制程的开发和制造过程涉及到了全球多个团队。

美光科技技术与产品执行副总裁 Scott DeBoer 称,采用了新 1α工艺的 DRAM 器件在应用于数据中心、边缘 AI 和消费电子时,将解决很多问题。

一开始,美光会在其位于桃园和台中的晶圆工厂中,使用 1α工艺生产 8GB 和 16GB 的 DDR4 和 LPDDR4 内存,最后该工艺将应用所有类型的内存。

因为 DDR5 存储设备将具备更复杂的架构,像 1α这样的工艺对于下一代 DDR5 存储设备格外重要。

Tran 先生说:“我们的 1α工艺将逐步部署在我们的产品组合中,并将在 2022 年成为主要工艺。同时晶圆厂也将逐渐升级,以配合生产,符合行业需求。”

近年来,因为更高的性能需求,存储技术有了很大的发展。

其中具有代表性的 DDR5 和 GDDR6X 存储器,就会比之前 DDR4、GDDR6 存储器等复杂得多,这也是为什么 DRAM 技术需要升级的原因。

新存储技术的出现总会需要对现有工艺制程进行改造,像美光这样的存储芯片公司就需要在工艺技术的升级上投入更多的资金。

对此,美光技术开发高级副总裁 Naga Chandrasekaran 称,更高性能存储器的需求将会一直存在,美光有能力通过工艺和设计创新满足这一点。

比如新一代的 DDR5 虽然可以降低功耗,提供更高的带宽,但这种高性能的要求也对芯片尺寸提出了新的要求,单纯的尺寸缩放将无法满足生产需要。

而降低存储器成本的同时,还要满足更高的性能要求极具挑战性,这需要在工艺制程之外的多个领域进行创新。Chandrasekaran 提到,美光就在满足了 DDR5 性能要求的同时,还考虑了成本因素。

这样的案例并不特殊,由于 DRAM 的处理技术开始变得更薄,美光这样的公司必须在成本、性能、质量和功耗之间找到合适的平衡。

▲美光 DRAM 先进制程的工艺节点

Chandrasekaran 说:“DRAM 的扩展将变得更具挑战性,特别是当我们不得不与极其紧张的利润率作斗争时,还要优化存储器的部件成本、功耗、性能和质量。”

解决存储器几何尺寸缩放的方法之一是采用 EUV 光刻技术,但美光公司近期并不准备引入该技术,因为 EUV 并不能解决他们目前面临的很多问题。

美光接下来的三个 DRAM 节点将继续使用深紫外线(DUV)光刻技术,但他们正在考虑在 1工艺中使用 EUV 技术。

同时,即使没有 EUV,美光也承诺改善下一代内存设备的性能和功耗。

“美光会在材料、工艺和设备上不断创新,以满足规模化的需求。”Chandrasekaran 说,“我们正在研发相关技术。”

他还称 EUV 技术目前对美光并不是必需品,他们在多图案技术方面的专利和创新能够满足新技术下的性能和成本需求。

美光认为,未来几年,由于 EUV 技术还处于 DRAM 生产的早期阶段,其带来的工艺改进将被设备成本和生产困难所抵消。例如,美光最近展示的一张幻灯片表明,EUV 技术成本过高,可扩展性优势忽略不计,关键尺寸(CD)均匀性不完美,而周期时间也并没有显着减少,因此目前 EUV 技术的生产效率仍然落后于 DUV 技术。

▲EUV 技术可能在 DRAM 存储芯片生产上的时间节点

Naga Chandrasekaran 称:“目前 EUV 技术在存储器方面的生产仍无法与先进的浸入式技术(immersion technology)相媲美。EUV 也不一定是规模化生产的关键因素,美光现有技术足以保证产品性能。”

他还提到,虽然 EUV 技术正在进行改进,但其成本和性能仍落后于当前的生产模式。不过未来三年内,EUV 技术可能会在成本和性能方面取得必要的进展。

所以美光也会一直推进对该技术的关注,并在符合要求的适当时间引入该技术。

这种情况下,正在开发中的 1β和 1工艺将不会使用任何 EUV 设备。相反,该公司将继续使用现有生产技术,并指派其工程师设计在位密度、功耗和性能方面具有竞争力的 DRAM 器件。

美光大约每年都会引进一种新的制程工艺,根据外媒推算,它的 1工艺将在 2024 年或更晚的时候推出。这代表美光使用 EUV 技术可能落后全球最大内存制造商三星四年,这有利有弊。

届时美光将使用成熟的 EUV 设备、镀膜和抗蚀剂。相应的,它将不得不在没有用 EUV 技术进行大批量生产的经验时,跨多层使用 EUV 技术。

美光作为全球最大的存储芯片厂商之一,它一定程度上代表了存储技术的进步趋势,因此其在技术上的突破意义重大。

目前全球存储芯片市场垄断程度不断加剧,行业前三的龙头分别是三星、SK 海力士和美光。DRAM 市场大部分由三星、SK 海力士和美国美光三家占据,而 NAND Flash 市场几乎全部被三星、SK 海力士、日本东芝、闪迪(SanDisk)、美光和英特尔等六家瓜分,其中三星居垄断地位。

由于存储芯片的特殊性,它的设计相对简单,因此产品的线宽、产能、成品率与折旧是生产成本的核心。在这种情况下,美光对 EUV 技术采取保守策略也是有相应现实意义的。

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