新型存儲(chǔ)器的發(fā)展方向在哪里

人工智能與大數(shù)據(jù)對(duì)芯片的處理能力提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的要求，芯片的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力正在成為瓶頸，這也是各家半導(dǎo)體公司競(jìng)相開(kāi)發(fā)新的硬件平臺(tái)、計(jì)算架構(gòu)與設(shè)計(jì)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(chǔ)器技術(shù)興起，便是芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員致力研發(fā)的重要成果之一。

這些新型存儲(chǔ)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(lái)存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算 (In-Memory Compute)的開(kāi)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(chǔ)器的生產(chǎn)良率并不高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)成為市場(chǎng)主流，量少價(jià)高，以特殊應(yīng)用為主。不過(guò)，近日記者參加了應(yīng)用材料公司舉辦的媒體活動(dòng)。其中介紹了應(yīng)用材料公司最新推出的兩款用于下一代存儲(chǔ)器MRAM、ReRAM和PCRAM的沉積設(shè)備，對(duì)于提升下一代存儲(chǔ)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(guān)設(shè)備的開(kāi)發(fā)，未來(lái)3-5年當(dāng)中，下一代存儲(chǔ)器有望加快進(jìn)入市場(chǎng)。

材料工程助力下一代存儲(chǔ)器量產(chǎn)進(jìn)程

應(yīng)用材料公司是全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備公司，一直推動(dòng)基于材料工程技術(shù)的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革。材料工程學(xué)是半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)之一，新型材料的科學(xué)運(yùn)用往往決定著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。應(yīng)用材料公司正是積極投入這一領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的公司之一。

應(yīng)用材料中國(guó)公司首席技術(shù)官趙甘鳴表示，隨著摩爾定律的放緩，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正面臨全新的技術(shù)變革，需要最底層的材料工程技術(shù)的發(fā)展，提供強(qiáng)有力的支撐。為此，過(guò)去10年中應(yīng)用材料公司每年平均用于研發(fā)的投入都超過(guò)10億美元，2018財(cái)年的研發(fā)投入更達(dá)到了20億美元，就是希望推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的革新。

根據(jù)趙甘鳴的介紹，應(yīng)用材料公司目前重點(diǎn)關(guān)注5 大項(xiàng)目，包括新芯片架構(gòu)的開(kāi)發(fā)，如Google的TPU；新3D技術(shù)，如3D NAND存儲(chǔ)器中的新3D架構(gòu)；新材料的運(yùn)用，如在高端邏輯芯片中對(duì)鈷的應(yīng)用；新微縮技術(shù)的開(kāi)發(fā)，如自我對(duì)準(zhǔn)多重圖形的新微縮技術(shù)，使芯片制程中減少對(duì)光刻的依賴(lài)；先進(jìn)封裝技術(shù)，如對(duì)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)的支持等。而下一代存儲(chǔ)器量產(chǎn)技術(shù)正是應(yīng)用材料公司關(guān)注的重點(diǎn)之一。

對(duì)此，應(yīng)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(chǔ)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(shì)。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(gè)晶體管SRAM，可以實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)當(dāng)中，相較于傳統(tǒng)的NAND，可以提供超過(guò)10倍的存取速度，有望成為未來(lái)云服務(wù)數(shù)據(jù)中心的首選。因此，發(fā)展下一代存儲(chǔ)器受到業(yè)界的普遍重視。不過(guò)，周春明也指出，目前下一代存儲(chǔ)器在量產(chǎn)制程方面仍然存在很多瓶頸，這些新型存儲(chǔ)器的量產(chǎn)工藝具有獨(dú)特的挑戰(zhàn)，只有在設(shè)備技術(shù)上有所突破才有望實(shí)現(xiàn)它們的規(guī)?；慨a(chǎn)。.

Clover PVD為復(fù)雜的MRAM沉積而設(shè)計(jì)

MRAM是一種非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，具有更快的存取速度和高度耐用性，因此在邊緣設(shè)備中具有替代NAND閃存和部分SRAM的潛質(zhì)。不過(guò)，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(fù)雜的薄膜多層堆疊結(jié)構(gòu)，且由10多種不同材料和超過(guò)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(shí)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(jiàn)。

應(yīng)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(jià)值的MRAM平臺(tái)，包括可進(jìn)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(jí)精度下沉積多達(dá)五種材料。而整個(gè)系統(tǒng)可以整合7個(gè)Clover PVD 腔室，因此，在一個(gè)PVD 系統(tǒng)當(dāng)中就可以完成10 多種不同材料和超過(guò)30層以上的沉積。由于不需要像以往設(shè)備那樣進(jìn)行真空中斷，將大幅提升成品率。

隧道結(jié)氧化鎂是影響產(chǎn)品效能的關(guān)鍵，Clover PVD可以對(duì)氧化鎂實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的沉積效果，是目前市場(chǎng)上唯一可以通過(guò)陶瓷濺射來(lái)沉積氧化鎂的解決方案。另一種替代技術(shù)需要兩個(gè)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(shù)可以提高M(jìn)RAM的低功耗、高耐久性能。

另外，Endura Clover機(jī)載的計(jì)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)流程監(jiān)控，也有助于提高成品率，除低制造成本。

Impulse PVD可實(shí)現(xiàn)卓越的成分控制

ReRAM和 PCRAM同樣屬于非易失性存儲(chǔ)器，適合作為“存儲(chǔ)級(jí)存儲(chǔ)器”填補(bǔ)服務(wù)器DRAM和NAND閃存之間不斷擴(kuò)大的性?xún)r(jià)比差距。ReRAM和PCRAM在制造過(guò)程中，同樣具有諸多挑戰(zhàn)，比如需要用到非常獨(dú)特的材料進(jìn)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(shí)間才發(fā)現(xiàn)具有適當(dāng)成分的鍺銻碲復(fù)合物薄膜材料。挑戰(zhàn)在于如何沉積這些復(fù)合材料，如何控制其組分，如何控制形成多層結(jié)構(gòu)的界面。這些因素都會(huì)對(duì)PCRAM、ReRAM最終產(chǎn)品性能造成影響。

應(yīng)用材料針公司對(duì)PCRAM和ReRAM量產(chǎn)化開(kāi)發(fā)的Endura? Impulse? PVD系統(tǒng)，可精準(zhǔn)地在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)各種薄膜堆疊沉積，為復(fù)合薄膜提供了緊密的成分控制。Impulse PVD 腔室通過(guò)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(shí)現(xiàn)器件高性能高產(chǎn)量的關(guān)鍵。

Endura平臺(tái)裝備的機(jī)載計(jì)量技術(shù)可以解決存儲(chǔ)器制造中的測(cè)量與控制問(wèn)題。下一代存儲(chǔ)器薄膜中有許多是對(duì)空氣敏感的，傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備會(huì)暴露于外界空氣環(huán)境中，無(wú)法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠地測(cè)量。Endura 平臺(tái)裝備的機(jī)載計(jì)量技術(shù)適用于各種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)精確的厚度控制。機(jī)載計(jì)量是一種光學(xué)測(cè)量工具，可提供真空、芯片機(jī)載計(jì)量、亞埃級(jí)秒內(nèi)敏感度，逐層監(jiān)控產(chǎn)品異常檢測(cè)和產(chǎn)量改進(jìn)，以確保復(fù)雜的技術(shù)過(guò)程處于監(jiān)控之中。

在原子層級(jí)做規(guī)模工業(yè)的適用技術(shù)

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

“針對(duì)MRAM的Clover PVD 系統(tǒng)，針對(duì)PCRAM和ReRAM的Impulse PVD 系統(tǒng)，再加上機(jī)載計(jì)量技術(shù)，都可協(xié)助下一代存儲(chǔ)器的大規(guī)模量產(chǎn)成為可能。”周春明表示，“首先是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的性能保證，同時(shí)在擴(kuò)大生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，提高生產(chǎn)的良率。這是在原子層級(jí)做大規(guī)模的工業(yè)化適用技術(shù)?！?/p>

那么，MRAM、 PCRAM、ReRAM等下一代存儲(chǔ)器什么時(shí)間，有望進(jìn)入商用化時(shí)代呢。周春明預(yù)測(cè)未來(lái)3-5年中，下一代存儲(chǔ)器在解決了制造瓶頸后將快速進(jìn)入市場(chǎng)。除沉積技術(shù)之外，下一代存儲(chǔ)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(jìn)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(yīng)用材料公司還有多條設(shè)備產(chǎn)品線，除沉積以外，其他方面也在持續(xù)推進(jìn)當(dāng)中。相信未來(lái)會(huì)有更多產(chǎn)品亮相，下一代存儲(chǔ)器也將進(jìn)入規(guī)模量產(chǎn)時(shí)代。