Micronは火曜日、DRAM向けの新しい1α製造プロセスを発表しました。当初はDDR4とLPDDR4メモリの製造にこのプロセスを採用しますが、将来的には同社のDRAM全種類の製造に採用される予定です。この製造技術はDRAMの密度を目に見える形で向上させ、コストを削減することを約束していますが、同社はDRAMの微細化が極めて困難になりつつあると警告しています。
新しいDRAMのための新しい技術
さらに、この技術は、性能向上に加え、消費電力が15%低減されると言われています。Micronの1αノードの重要な特徴の一つは、前世代品と比較してビット密度が40%向上したうち、約10%がDRAMの設計効率によるものであることです。これは、リソグラフィの改善だけではDRAMの製造コストを削減できないことを示しています。Micronの1αノードは、前世代品と同様に6F2ビットライン設計を引き続き採用しています。しかしながら、同社は最新の製造プロセスを用いてDRAMを小型化するために、数々の革新的技術を導入してきました。
「1アルファビット密度の大幅な向上は、プロセス技術の向上と、設計の改善によるアレイ効率の大幅な向上の組み合わせによってもたらされました」と、マイクロンのDRAMプロセス統合担当バイスプレジデントであるThy Tran氏は述べています。「アレイ効率だけでも、設計の改善の約10%を占めています。さらに、プロセス技術も大幅に向上しました。これを実現するには、ビットラインとワードラインのピッチを大幅に縮小する必要がありました。いわばグリッドを縮小するのです。そのために、私たちはこれまで以上に積極的に新プロセスを導入しました。あらゆる面で最新かつ最高の技術を取り入れています。新材料（より優れた導体、より優れた絶縁体）、そしてそれらの材料を堆積、改質、あるいは選択的に除去（エッチング）するための新しい装置です。ピッチの縮小は、セルコンデンサのスケーリングをさらに加速させ、構造的および電気的要件を満たすための革新を必要としました。さらに、パターン化された層同士のアライメントを向上させるための高度なツールと革新的な技術も導入しました。」
新技術の開拓は主にアイダホ州ボイジーにあるマイクロンの本社で行われました。しかし、プロセス開発と製造立ち上げには、米国、台湾、日本の間で緊密に連携する多数のグローバルチームが関与しました。
「当社の新しい1α DRAMテクノロジーは、業界で最も低消費電力のモバイルDRAMを実現するとともに、データセンター、クライアント、コンシューマー、産業、自動車のお客様に当社のDRAMポートフォリオの利点をもたらします」とマイクロンのエグゼクティブバイスプレジデント兼最高事業責任者であるスミット・サダナは述べています。
マイクロンは当初、台湾の桃園と台中の工場で1αノードを用いて8Gbおよび16GbのDDR4およびLPDDR4メモリチップを製造しますが、最終的にはこの技術を他の種類のメモリにも適用拡大する予定です。1αのような技術は、現在のDRAMと比較してより複雑なアーキテクチャを備えた次世代DDR5メモリデバイスに特に有用となるでしょう。
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「当社の1αノードは、製品ポートフォリオ全体に段階的に導入され、2022年度には主力となるでしょう」とトラン氏は述べた。「業界の需要に合わせて生産を拡大するため、段階的にファブを移行していきます。」
スケーラビリティの課題
メモリ技術は近年、業界がより高い性能を求める中で大きく進化しました。DDR5やGDDR6Xといった最新および今後のインターフェースは、DDR4やGDDR6よりもかなり複雑であるため、最新のDRAMのスケーリングはより困難になっています。しかし、DDR5やGDDR6Xのような技術の出現は避けられないものであり、今後Micronのような企業はプロセス技術のエンジニアリングにさらなる投資を行う必要があるでしょう。
「より高い性能への需要は常に存在しており、私たちはプロセスと設計の革新を通じてこれを実現しています」と、マイクロンの技術開発担当シニアバイスプレジデントであるナガ・チャンドラセカラン氏は述べています。「DDR5は、コスト削減を図りながら性能要件を満たすことができます。DDR5は消費電力を削減し、より高い帯域幅を提供します。同時に、このような高性能要件は、ダイサイズに関していくつかの課題をもたらし、寸法の縮小だけでは補うことができません。したがって、より高い性能要件を満たしながらコスト削減を実現することは非常に困難であり、プロセスソリューションを超えた多様な方向からの革新が求められます。」
現代の DRAM プロセス技術はより薄くする必要があり (3D NAND とは異なり、垂直方向に拡張できないため)、コスト、パフォーマンス、品質、電力の適切なバランスを見つける必要があるため、Micron のような企業にとっての課題はますます単純化されていません。
「DRAMのスケーリングは、特にプロセスマージンが非常に狭い中で、コスト、消費電力、性能、そして品質を最適化しなければならないため、ますます困難になっています」とチャンドラセカラン氏は述べています。「性能向上を目指す一方で、寸法スケーリングを推進するコスト削減にも常に取り組んでいます。このスケーリングの課題は常に存在し、アスペクト比の増加に伴い、さらに困難になっています。性能／消費電力に対する需要の高まりに対応するには、高度なプロセスソリューションを導入する必要がありますが、これはコストがかかる場合があります。コスト削減のためにスケーリングを進めると、デバイスの制限により性能／消費電力が課題となる可能性があり、その結果、コストがさらに高くなる可能性のある高度なプロセスが必要になります。したがって、コスト／性能／消費電力のバランスをとるには、プロセススケーリングやソリューションにとどまらないソリューションが必要です。」
形状スケーリングの課題を解決する方法の 1 つは、極端紫外線 (EUV) リソグラフィーを採用することですが、これは Micron が今後数年間は大規模に実施する予定のものではありません。EUV では、DRAM メーカーが現在直面しているすべての課題を解決できるわけではないからです。
マイクロン、今のところEUVはなし
マイクロン・テクノロジーは、業界他社とは異なり、近い将来、メモリ製造にEUVリソグラフィを使用する予定はなく、あらゆる種類のマルチパターニング技術を活用する意向です。マイクロンの次世代DRAMノードでは、引き続き深紫外線（DUV）リソグラフィを使用しますが、1インチの製造プロセスではEUVの使用を検討しています。また、EUVを使用しなくても、マイクロンは次世代メモリデバイスの性能と消費電力の向上を約束していますが、DRAMの微細化がますます困難になっていることを認めています。
「スケーリングのニーズに応えるには、材料、プロセス、そして装置において絶え間ないイノベーションが必要です」とチャンドラセカラン氏は述べています。「当社は、現在および将来の技術において、こうしたソリューションをいくつか実装しています。EUVに関しては、既に強調したように、当社独自の革新的なマルチパターニング技術により、性能とコストの要件を満たすことができます。当社のプロセスソリューションと高度な制御能力により、テクノロジーノードの要件を満たすことができます。」
マイクロンは、今後数年間でEUVを活用した製造技術による改善は、DRAM製造におけるEUVはまだ初期段階にあるため、設備コストと生産上の課題によって相殺されると考えています。例えば、マイクロンが最近示したスライドは、EUVのコストが法外に高く、スケーラビリティのメリットはわずかで、臨界寸法（CD）の均一性は完璧ではない（品質と性能に影響を与える可能性がある）一方で、EUVスキャナの生産性がDUVスキャナの生産性にまだ及ばないため、サイクルタイムは大幅に短縮されていないことを示しています。
「現在のEUVツールは、先進的な液浸技術と同等の性能を備えていません」と、マイクロンの技術開発担当シニアバイスプレジデントは述べています。「EUV技術は改良が進められていますが、コストと性能は依然として現在のマルチパターニング技術や先進的な液浸技術に遅れをとっています。当社はEUVを継続的に評価しており、今後3年間でEUVはコストと性能の面で先進的なピッチマルチプリケーション技術や液浸技術に対抗できるほどの進歩を遂げると考えています。マイクロンはEUVを評価中で、当社の要件を満たす適切なタイミングで導入する予定です。」
その結果、Micronが開発中の1βノードと1𝛾ノードではEUV層は採用されません。代わりに、同社はマルチパターニング技術を継続し、ビット密度、消費電力、性能の面で競争力を確保するために、エンジニアに可能な限り効率的なDRAMの設計を指示します。
「EUVは必ずしもスケーリングの鍵となる要素とは考えられていません。マイクロンは、パターン形成の要件を満たす高度なリソグラフィー能力とピッチ多重化手法に加え、層間の良好なオーバーレイを保証する最先端技術を有しています」とチャンドラセカラン氏は述べています。
しかし、次世代リソグラフィは避けられないものであり、MicronはEUVを無視することはできません。現在、開発段階にある1Bノードでは、EUVとマルチパターニングの両方を検討しています。さらに、様々な設計アーキテクチャの評価も行っています。
Micronが近年のDRAMメーカーと同様に、ほぼ毎年新しい製造プロセスを導入すると仮定すると、1Bノードの導入は2024年以降になる見込みです。世界最大のメモリメーカーであるSamsungより4年遅れてEUVを導入することには、長所と短所があります。Micronは、完成度の高いEUVツール、マスクペリクル、レジストを活用できる一方で、EUVを用いた量産（HVM）の経験がないまま、複数の層にEUVを導入しなければなりません。
アントン・シロフはTom's Hardwareの寄稿ライターです。過去数十年にわたり、CPUやGPUからスーパーコンピュータ、最新のプロセス技術や最新の製造ツールからハイテク業界のトレンドまで、あらゆる分野をカバーしてきました。
