滿足全新移動(dòng)產(chǎn)品的下一代存儲(chǔ)器何時(shí)到來？

芯片制造商會(huì)根據(jù)不同的用途在產(chǎn)品中充分利用兩種不同功能類別的存儲(chǔ)器。例如，主存儲(chǔ)器通常對(duì)于速度要求更高，因此會(huì)采用DRAM和SRAM。而閃存，特別是NAND，由于能夠以低成本提供大容量，則適用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)。為了提高這兩大類存儲(chǔ)器的速度、容量和功耗，DRAM繼續(xù)傳統(tǒng)的平面微縮，以容納盡可能多的字節(jié)。NAND設(shè)備的架構(gòu)也從2D轉(zhuǎn)換到3D，進(jìn)一步應(yīng)對(duì)微縮的挑戰(zhàn)。

盡管存儲(chǔ)器取得了以上進(jìn)展，但對(duì)于像云計(jì)算這類應(yīng)用和最新的移動(dòng)產(chǎn)品來說，仍需要一種全新的存儲(chǔ)器，能夠集 DRAM更快的速度、NAND 更高的位密度與低成本為一體。為滿足這些需求，泛林集團(tuán)正在探索一些全新技術(shù)——例如針對(duì)系統(tǒng)級(jí)芯片 (SoC) 等嵌入式應(yīng)用以及存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存空間的技術(shù)。

圖 1. DRAM/SRAM 和閃存具有相反特性，給存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存留下了待填補(bǔ)的空白

面向嵌入式存儲(chǔ)器應(yīng)用的磁阻 RAM (MRAM) 和面向存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存的相變 RAM (PCRAM)已得到廣泛應(yīng)用。單個(gè) MRAM 單元可置于硬盤驅(qū)動(dòng)器的讀取磁頭上，而 PCRAM 則是 CD 和 DVD 的基礎(chǔ)技術(shù)。但這兩種應(yīng)用都不需要使用高密度的單元作為獨(dú)立存儲(chǔ)器。

如果要將這些新器件制造成獨(dú)立存儲(chǔ)器，兼容現(xiàn)有的 CMOS 工藝技術(shù)是控制生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。當(dāng)它們被嵌入其他電路時(shí)，會(huì)用到在標(biāo)準(zhǔn) CMOS 生產(chǎn)中不常見的材料。對(duì)于 MRAM來說，所需的材料包括用于電極的 Ru、Ta 和 TiN ，用于磁性層的CoFe、NiFe、CoFeB、PtMn、IrMn 和 Ru，以及用于電介質(zhì)的Al2O3、MgO 和 NiO。同時(shí)，PCRAM 會(huì)使用硫?qū)倩衔?，主要?Ge2Sb2Te (GST) 和 InSbTe。

這項(xiàng)工藝的其中一個(gè)挑戰(zhàn)在于，這些材料在刻蝕過程中可能會(huì)受損。在現(xiàn)有的應(yīng)用中，由于存儲(chǔ)單元足夠大，所以此類損壞就顯得微不足道。然而，對(duì)于密集排列的小存儲(chǔ)單元，必須解決材料受損的問題?，F(xiàn)在，通過使用從反應(yīng)離子刻蝕 (RIE) 技術(shù)轉(zhuǎn)變而來的離子束刻蝕 (IBE)技術(shù)，以及實(shí)施原位封裝可以促使MRAM成為嵌入式存儲(chǔ)器，PCRAM成為存儲(chǔ)級(jí)存儲(chǔ)器。

RIE 過程中的化學(xué)損傷

傳統(tǒng) CMOS 材料的刻蝕副產(chǎn)物為氣態(tài)，因此很容易從刻蝕反應(yīng)腔中清除。然而， MRAM 材料往往會(huì)產(chǎn)生非揮發(fā)性副產(chǎn)物，最后可能沉積在整個(gè)晶圓上，導(dǎo)致短路并產(chǎn)生錐形堆疊。因此，如何開發(fā)刻蝕材料是將它們集成到存儲(chǔ)器應(yīng)用中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

圖 2. 非揮發(fā)性 MRAM 刻蝕副產(chǎn)物沉積在晶圓表面上，從而形成一個(gè)錐形 MRAM 單元堆疊。

另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是在刻蝕工藝結(jié)束后的磁層保護(hù)。一些刻蝕應(yīng)用會(huì)采用鹵素基化學(xué)物，當(dāng)暴露于空氣中時(shí)，會(huì)腐蝕磁性材料。MgO 介電層也面臨著類似的挑戰(zhàn)，鹵素（氯和氟）再次成為罪魁禍?zhǔn)?，損害電池性能。

傳統(tǒng)的RIE 工藝依賴于晶圓上的化學(xué)反應(yīng)。另外，刻蝕腔室內(nèi)的電極與晶圓之間的電場(chǎng)會(huì)加速離子反應(yīng)。由于晶圓被用作電極，離子總是以正交（垂直）的方式撞擊晶圓表面。

當(dāng)采用 IBE 技術(shù)時(shí)，刻蝕機(jī)制只是純粹的離子撞擊。僅僅是物理反應(yīng)，而非化學(xué)反應(yīng)，因此不會(huì)產(chǎn)生任何化學(xué)損傷。此外，電場(chǎng)由獨(dú)立的電極形成，從而能使晶圓保持中性。這意味著，晶圓可以相對(duì)于離子的方向傾斜和旋轉(zhuǎn)，確?？涛g工藝能夠去除堆疊的錐形部分。

刻蝕后的水合作用和氧化作用

除此之外，還有一個(gè)挑戰(zhàn)是在刻蝕后和保護(hù)這些材料進(jìn)行封裝之前，MgO 的水合作用以及其他層的氧化作用會(huì)顯現(xiàn)。周圍環(huán)境中的氧氣和濕氣會(huì)在幾秒到幾小時(shí)之內(nèi)迅速造成這種污染。這將導(dǎo)致編程/擦除窗口關(guān)閉 (Ron/Roff)，使得更難以可靠地讀取存儲(chǔ)單元。在從刻蝕腔室移動(dòng)至封裝腔室的過程中，用于 PCRAM 的硫?qū)倩锿瑯訒?huì)受到氧化作用的影響。對(duì)此，這里的解決方案就是控制周邊環(huán)境，并在刻蝕后管理與周邊環(huán)境的相互作用。

圖 3.封裝之前，氧氣和水可能會(huì)擴(kuò)散到頂層，從而污染硫?qū)倩衔锊牧稀?/p>

面向下一代存儲(chǔ)器的刻蝕技術(shù)

MRAM 和 PCRAM 技術(shù)在制造存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存方面處于領(lǐng)先地位，配合DRAM、SRAM和閃存同時(shí)使用，并很好地嵌入CMOS晶圓。微縮和封裝儲(chǔ)存單元可以使其適用于刻蝕技術(shù)所需的密集陣列。

整個(gè)行業(yè)包括泛林集團(tuán)在內(nèi)，都在積極開發(fā)用IBE 代替 RIE的技術(shù)和控制等待時(shí)間和環(huán)境暴露的技術(shù)，以此推動(dòng)在嵌入式應(yīng)用中使用經(jīng)濟(jì)高效的高產(chǎn)量存儲(chǔ)器。