1 α - Die fortschrittlichste DRAM-Prozesstechnologie der Welt

Zusammenfassung

Micron Technologies erhofft sich durch den Vorsprung ihrer 1 Alpha Technologie einen Wettbewerbsvorteil.

1-α kann man sich als vierte Generation der 10 nm-Klasse vorstellen, bei der der „half pitch“, also halbe Abstand 10 bis 19 nm beträgt.

Die Weiterentwicklung ist lediglich durch physikalische Grundgesetze begrenzt.

Es sind weit über tausend Schritte und absolute Perfektion erforderlich, um einen modernen Chip herzustellen.

In der Chipherstellung geht es darum, so viele Transistoren wie möglich auf einem Chip unterzubringen. Vor sechzig Jahren konnte man die Komponenten mit bloßem Auge sehen. Heute sind sie nur noch wenige Nanometer groß, schalten schneller und verbrauchen weniger Energie.

Die Herstellung von Chips ist kompliziert. Um einen modernen Chip herzustellen, sind mehr als tausend separate Prozess- und Messschritte erforderlich. Diese Schritte werden auf speziellen Maschinen in riesigen Reinräumen hergestellt, in denen die Luft weniger Partikel enthält als auf dem Mond.

Aufgrund dieser Komplexität arbeitet sich die Branche von Knoten zu Knoten. Ein Knoten ist das kleinste Merkmal auf einem Chip. Zu Beginn dieses Jahrtausends befanden wir uns am 180-Nanometer (nm)-Knoten und vor ungefähr zehn Jahren waren wir beim 22-nm-Knoten.

Vor ein paar Jahren wurden Begriffe wie 1x, 1y, 1z eingeführt. Bei DRAM entspricht der Name des Knotens normalerweise der Abmessung des halben Abstands „half pitch“ des aktiven Bereichs im Speicherzellenfeld. 1-α kann man sich als vierte Generation der 10 nm-Klasse vorstellen, bei der der „half pitch“, also halbe Abstand 10 bis 19 nm beträgt. Als das Ende des Römischen Alphabets erreicht wurde, musste auf das Griechische umgestellt werden – deshalb Alpha.

Wie klein sind die Chips?

Hunderte Chips werden auf einmal auf Siliziumwafern mit 300 mm Durchmesser hergestellt. Jeder Chip ist etwa so groß wie ein Fingernagel. Stellt euch ein Fußballfeld als Wafer vor, von diesem Feld schneidet ihr einen Grashalm ab. Schneidet diesen Grashalm in zwei Hälften in zwei Hälften und noch einmal in zwei Hälften.

Dieses Stück Grashalm stellt den Transistor dar - ein Speicherbit von 8 Milliarden Speicherbits auf einem typischen Speicherchip.

Welche Einschränkungen gibt es?

Die vielleicht schwierigste Herausforderung besteht darin, die Schaltungsmuster auf dem Wafer zu definieren. Der erste Teil davon heißt Photolithographie (mit Licht auf Stein schreiben). Dabei scheint Licht durch eine kleine, transparente Version des Fotos auf lichtempfindliches Papier. Im Fall der Chipproduktion wird tiefes ultraviolettes Licht durch ein Muster gestrahlt. Dieses Muster ist auf einem transparenten Quarzquadrat aufgebracht.

Das Problem liegt in der Physik. Durch das Rayleigh-Kriterium oder der Beugungsgrenze soll es unmöglich sein, ein Bild mit weniger als etwa der halben Wellenlänge des verwendeten Lichts zu projizieren. Es ist einfach nicht möglich, einen ausreichend scharfen Lichtstrahl zu erzeugen, um genaue Muster zu erzeugen.

Micron arbeitet mit einer Wellenlänge von 193 nm, also weit unterhalb der Beugungsgrenze.

Es ist, als würde man einen dünnen Strich mit einem 5 cm dicken Bleistift zeichnen wollen.

Es gibt zwar eine neue Art von Litho-Werkzeug, das kleineres extrem ultraviolettes Licht (EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm verwendet, allerdings ist die Forschung noch nicht so weit. Einer der Gründe ist, dass die Wellenlänge so kurz ist, dass das Licht nicht durch Glas geht, sodass herkömmliche optische Linsen nicht funktionieren.

Micron untersucht zwei Möglichkeiten die Beugungsgrenze zu umgehen. Die Erste besteht darin, das licht zu modifizieren und so zu „täuschen“, dass scharfe Muster entstehen. Bei der zweiten Möglichkeit wird die Tatsache ausgenutzt, dass Wasser Licht weniger beugt als Luft. So wird das Licht durch einen Tropfen Wasser an der Waferoberfläche getäuscht.

Die Lösung besteht darin, eine Reihe von Nicht-Lithographie-Schritten hinzuzufügen, um ein „großes“ Merkmal auf magische Weise in zuerst zwei und dann in vier Merkmale zu verwandeln, die jeweils ein Viertel der Größe des Originals haben.

Dazu werden Opfermerkmale (sacrificial features) erzeugt. Die Seiten dieser Merkmale werden mit einem anderen Material beschichtet und dann werden die ursprünglichen Opfermerkmale entfernt. Somit erhalten wir zwei Half-Size-Features. Wiederholt man den Vorgang, ergeben sich vier Merkmale der Größe, die für 1α benötigt werden.

Abbildung 1: Quad patterning process flow

Anschließend muss das Muster in funktionale Schaltkreise umgewandelt werden. Transistoren, die das Lesen und Schreiben von Daten steuern, und Kondensatoren, die die Ladung speichern, werden angeschlossen.

Es sind weit über tausend Schritte und Hunderte von Kilometern innerhalb der Fabrik erforderlich, um einen modernen Chip herzustellen. Und jeder dieser Schritte muss perfekt sein.

Die Halbleiterfertigung ist nicht wie die Herstellung eines Autos. Man kann nicht zurückgehen und einen Fehler beheben, der früher im Prozess aufgetreten ist. Alle Defekte werden buchstäblich unter späteren Schichten begraben.

Der Schlüssel zum Erfolg sind Daten – und Erkenntnisse aus diesen Daten. Daten von Hunderttausenden von Sensoren fließen in Microns 10-Petabyte-Fertigungsausführungssystem ein. Micron führt täglich mehr als eine Million Bilder durch seine Inspektionssysteme und verwenden Deep Learning, um Probleme zu erkennen, bevor sie auftreten. Die Chipherstellung ist vielleicht das komplizierteste menschliche Unterfangen auf dem Planeten, so Micron.

- Patrick

Quellen

https://www.micron.com/about/blog/2021/january/inside-1a-the-worlds-most-advanced-dram-process-technology

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