人工智能與大數(shù)據(jù)對芯片的處理能力提出了越來越嚴苛的要求，芯片的運算能力和存儲能力正在成為瓶頸，這也是各家半導體公司競相開發(fā)新的硬件平臺、計算架構與設計路線，以期提升芯片性能的主要原因。MRAM、ReRAM 和 PCRAM 等下一代存儲器技術興起，便是芯片與系統(tǒng)設計人員致力研發(fā)的重要成果之一。

這些新型存儲器或者具有更快的存取速度，或者具有更高的耐用性，或者具有更小的裸片尺寸、成本和功耗，甚至有可能為未來存儲器內(nèi)計算 （In-Memory Compute）的開發(fā)提供支撐。但是由于制造環(huán)節(jié)存在瓶頸，目前下一代存儲器的生產(chǎn)良率并不高，難以實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)成為市場主流，量少價高，以特殊應用為主。不過，近日記者參加了應用材料公司舉辦的媒體活動。其中介紹了應用材料公司最新推出的兩款用于下一代存儲器MRAM、ReRAM和PCRAM的沉積設備，對于提升下一代存儲器的規(guī)模量產(chǎn)能力有著極大的幫助。相信隨著更多相關設備的開發(fā)，未來3-5年當中，下一代存儲器有望加快進入市場。

材料工程助力下一代存儲器量產(chǎn)進程

應用材料公司是全球最大的半導體設備公司，一直推動基于材料工程技術的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革。材料工程學是半導體技術的基礎之一，新型材料的科學運用往往決定著半導體技術的進步。應用材料公司正是積極投入這一領域開發(fā)的公司之一。

應用材料中國公司首席技術官趙甘鳴表示，隨著摩爾定律的放緩，半導體產(chǎn)業(yè)正面臨全新的技術變革，需要最底層的材料工程技術的發(fā)展，提供強有力的支撐。為此，過去10年中應用材料公司每年平均用于研發(fā)的投入都超過10億美元，2018財年的研發(fā)投入更達到了20億美元，就是希望推動半導體技術的革新。

根據(jù)趙甘鳴的介紹，應用材料公司目前重點關注5 大項目，包括新芯片架構的開發(fā)，如Google的TPU；新3D技術，如3D NAND存儲器中的新3D架構；新材料的運用，如在高端邏輯芯片中對鈷的應用；新微縮技術的開發(fā)，如自我對準多重圖形的新微縮技術，使芯片制程中減少對光刻的依賴；先進封裝技術，如對系統(tǒng)級封裝（SiP）技術的支持等。而下一代存儲器量產(chǎn)技術正是應用材料公司關注的重點之一。

對此，應用材料公司金屬沉積產(chǎn)品事業(yè)部全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明表示，新型存儲器具有更快的存取速度，更好的耐用性，更小的裸片尺寸、成本和功耗等性能優(yōu)勢。例如，以統(tǒng)合式 MRAM 解決方案取代微控制器中的 eFlash 和 SRAM，可節(jié)省90%的功耗；采用單一晶體管 MRAM 取代六個晶體管SRAM，可以實現(xiàn)更高的存儲密度和更小的芯片尺寸。而將PCRAM 或者ReRAM用于數(shù)據(jù)中心存儲系統(tǒng)當中，相較于傳統(tǒng)的NAND，可以提供超過10倍的存取速度，有望成為未來云服務數(shù)據(jù)中心的首選。因此，發(fā)展下一代存儲器受到業(yè)界的普遍重視。不過，周春明也指出，目前下一代存儲器在量產(chǎn)制程方面仍然存在很多瓶頸，這些新型存儲器的量產(chǎn)工藝具有獨特的挑戰(zhàn)，只有在設備技術上有所突破才有望實現(xiàn)它們的規(guī)模化量產(chǎn)。。

Clover PVD為復雜的MRAM沉積而設計

MRAM是一種非易失性存儲介質(zhì)，具有更快的存取速度和高度耐用性，因此在邊緣設備中具有替代NAND閃存和部分SRAM的潛質(zhì)。不過，目前MRAM量產(chǎn)制造方面的挑戰(zhàn)很多，比如MRAM是一種非常復雜的薄膜多層堆疊結構，且由10多種不同材料和超過30層以上的薄膜堆疊而成。部分薄膜層的厚度僅有幾埃，接近一顆原子的程度。而要想控制這種厚度的薄膜層，實現(xiàn)均勻沉積，并保證介面層的品質(zhì)，其中的挑戰(zhàn)可以想見。

應用材料公司新推出的Endura Clover MRAM PVD 系統(tǒng)是業(yè)界首款具備量產(chǎn)價值的MRAM平臺，包括可進行材料沉積、介面清潔和熱處理等。根據(jù)周春明的介紹，其核心部分是 Clover PVD 腔室，可在原子層級精度下沉積多達五種材料。而整個系統(tǒng)可以整合7個Clover PVD 腔室，因此，在一個PVD 系統(tǒng)當中就可以完成10 多種不同材料和超過30層以上的沉積。由于不需要像以往設備那樣進行真空中斷，將大幅提升成品率。

隧道結氧化鎂是影響產(chǎn)品效能的關鍵，Clover PVD可以對氧化鎂實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的沉積效果，是目前市場上唯一可以通過陶瓷濺射來沉積氧化鎂的解決方案。另一種替代技術需要兩個步驟，先沉積鎂，然后再氧化，最終形成氧化鎂。Clover PVD 氧化鎂沉積技術可以提高MRAM的低功耗、高耐久性能。

另外，Endura Clover機載的計量技術可以實現(xiàn)即時流程監(jiān)控，也有助于提高成品率，除低制造成本。

Impulse PVD可實現(xiàn)卓越的成分控制

ReRAM和 PCRAM同樣屬于非易失性存儲器，適合作為“存儲級存儲器”填補服務器DRAM和NAND閃存之間不斷擴大的性價比差距。ReRAM和PCRAM在制造過程中，同樣具有諸多挑戰(zhàn)，比如需要用到非常獨特的材料進行制備。以相變單元材料為例，產(chǎn)業(yè)界花了數(shù)十年的時間才發(fā)現(xiàn)具有適當成分的鍺銻碲復合物薄膜材料。挑戰(zhàn)在于如何沉積這些復合材料，如何控制其組分，如何控制形成多層結構的界面。這些因素都會對PCRAM、ReRAM最終產(chǎn)品性能造成影響。

應用材料針公司對PCRAM和ReRAM量產(chǎn)化開發(fā)的Endura？ Impulse？ PVD系統(tǒng)，可精準地在真空環(huán)境下實現(xiàn)各種薄膜堆疊沉積，為復合薄膜提供了緊密的成分控制。Impulse PVD 腔室通過優(yōu)化也提供了絕佳的薄膜厚度、均勻度和介面控制，這些都是實現(xiàn)器件高性能高產(chǎn)量的關鍵。

Endura平臺裝備的機載計量技術可以解決存儲器制造中的測量與控制問題。下一代存儲器薄膜中有許多是對空氣敏感的，傳統(tǒng)的測量設備會暴露于外界空氣環(huán)境中，無法對產(chǎn)品進行可靠地測量。Endura 平臺裝備的機載計量技術適用于各種應用，實現(xiàn)精確的厚度控制。機載計量是一種光學測量工具，可提供真空、芯片機載計量、亞埃級秒內(nèi)敏感度，逐層監(jiān)控產(chǎn)品異常檢測和產(chǎn)量改進，以確保復雜的技術過程處于監(jiān)控之中。

在原子層級做規(guī)模工業(yè)的適用技術

量產(chǎn)化始終是MRAM、 PCRAM、ReRAM等下一代存儲器的障礙。以往這些產(chǎn)品基本只能進行小規(guī)模生產(chǎn)，成品率不高，甚至是只能實驗室制備，過高的成本阻礙其商用化進程。而應用材料公司新推出的兩款沉積設備都希望推進MRAM、PCRAM、ReRAM的規(guī)模量產(chǎn)。

“針對MRAM的Clover PVD 系統(tǒng)，針對PCRAM和ReRAM的Impulse PVD 系統(tǒng)，再加上機載計量技術，都可協(xié)助下一代存儲器的大規(guī)模量產(chǎn)成為可能?！敝艽好鞅硎?，“首先是實現(xiàn)產(chǎn)品的性能保證，同時在擴大生產(chǎn)效率的基礎上，提高生產(chǎn)的良率。這是在原子層級做大規(guī)模的工業(yè)化適用技術?！?/p>

那么，MRAM、 PCRAM、ReRAM等下一代存儲器什么時間，有望進入商用化時代呢。周春明預測未來3-5年中，下一代存儲器在解決了制造瓶頸后將快速進入市場。除沉積技術之外，下一代存儲器在制造方面還存在著許多上需要克服的環(huán)節(jié)。比如沉積之后就需要進行刻蝕，刻蝕工藝也存在許多需要改善的環(huán)節(jié)。

趙甘鳴則表示，應用材料公司還有多條設備產(chǎn)品線，除沉積以外，其他方面也在持續(xù)推進當中。相信未來會有更多產(chǎn)品亮相，下一代存儲器也將進入規(guī)模量產(chǎn)時代。