应用材料公司用“新剧本”推动后摩尔时代新型存储器实现量产

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2019-08-01

传统存储器包括DRAM、SRAM、NAND，已经拥有几十年的历史，随着在各种数字设备和系统中的广泛应用，产品不断更新换代，尺寸越来越小，成本越来越低，性能也越来越强。最近几年，物联网与工业4.0的发展让信息量呈现爆炸性的增长，现在，一个人一天可能产生的数据约1GB。一辆无人驾驶汽车每天产生的数据量将达到4000GB。从去年（2018）开始机器产生的数据已经超过人类产生的数据，这是人类历史上的第一次。未来三年，机器产生的数据很可能达到人类产生数据的9倍之多。重要的是，所有数据都必须在边缘收集，并从边缘到云端的多个层级进行处理和传输、存储和分析。若将这些海量数据转变为有价值的信息，必须依赖人工智能和机器学习。然而，半导体产业却面临着重大挑战。

一方面，万物互联、工业4.0等带来了数据的爆炸式增长，这些数据从终端、边缘，上传到云端，需要巨大的计算能力支持。另一方面，过去几十年摩尔定律一直推动着半导体器件计算性能不断提高。今天，这种情形发生了改变。从14nm到10nm，用了近四年的时间。尤其是当工艺制程发展到7nm、5nm、3nm阶段，摩尔定律开始面临扩张速度急剧放缓，已无法再提供功率、性能和面积成本（PPAC） 的同步提升。

业界对摩尔定律是否已死的争论一直没有停歇，虽无定论，但有一点是肯定的，即传统的一味靠缩减晶体管尺寸的二维摩尔定律将很难继续走下去。应用材料公司金属沉积产品全球产品经理周春明博士近日在新产品说明会上提出：“半导体产业的核心参数包括性能（Performance）、功率（Power）、面积成本（Area-Cost）三个方面，即PPAC。在数据爆炸式增长的今天，存储器已经成为大数据发展的瓶颈。目前的计算架构无法适应发展的需要，采用新的架构将有助于在芯片的性能、功率、面积和成本上找到最佳平衡点。”

全新存储器走到前台是边缘和云端计算发展的必然
遵照摩尔定律， CPU、GPU和传统存储器（DRAM，NAND）等产品的性能都有了飞跃式发展，不过，传统构建模块和计算结构已无法满足大数据、物联网和人工智能对计算性能需求。随着人工智能，机器学习和物联网的进步，计算负载变得数据密集且复杂，市场上亟需全新的存储技术对大数据进行有效的处理。

所谓 “全新的存储器”，它必须能为边缘与云端装置提供优于现有存储器技术的功率、性能和面积成本效益。研究指出，在边缘侧，以统合式MRAM解决方案取代微控制器中的eFlash和SRAM，便可节省高达90%的功耗。采用单一晶体管MRAM取代六个晶体管SRAM，便可实现更高的位元密度和更小的芯片尺寸。这些功率与面积成本优势使得MRAM成为边缘设备的理想选择；在云端，相较于传统的NAND，PCRAM或ReRAM的存储级存储器更可提供超过10倍以上的存取速度，因此，这些存储器将成为云端数据存储的首选。

新的存储器技术为量产制程带来独特挑战
周春明博士表示，各种规模的企业正在竞相开发新的硬件平台、架构与设计，以提升计算效率，MRAM（磁性随机存取存储器）、ReRAM（阻性RAM）和PCRAM（相变RAM）等新的存储器技术兴起，便是芯片与系统设计人员重点研究的关键领域。这些新型存储器提供更多工具来增强近存储器计算 (Near Memory Compute)，也是下一阶段存储器内计算 (In-Memory Compute) 的建构模组。

MRAM是一种非常复杂的薄膜多层堆叠，由10多种不同材料和超过 30 层以上的薄膜与堆叠组成。部分薄膜层的厚度仅达数埃，相近于一颗原子的大小，其高度的变化即会对存储器的性能和耐久产生影响。控制这些薄膜层的厚度、沉积均匀性、介面品质等参数成为关键所在。在制造过程中，对硅上沉积和整合新兴材料的能力提出极高要求。

与其他方案相比，应用材料公司的Clover PVD已证实可提供改良的读取信号和100倍以上耐久性，可帮助实现更低的功率效能和更高的装置耐久性，这些特性都非常适合边缘应用。

应用材料公司用“新材料工程”为新型存储器实现量产奠定基础
周春明博士认为，在半导体工艺制程方面，目前主要依赖光刻技术去推动晶体管尺寸的减小。其实，我们还可以通过新架构、新型结构/3D、新材料和其他一些新微缩方式实现晶体管尺寸的下降和性能提升。最后就是依靠先进的封装技术，从系统层面上实现芯片性能的最优化。所有这一切，材料工程是基础。在推动半导体产业兴起过程中，应用材料公司及时推出了自己的“全新剧本”，而这个剧本的核心则是依托其独有的“材料工程”技术。该材料工程技术将在整个PPAC的改进上起到非常大的作用。

图1 应用材料公司Endura® Clover™ PVD 系统（左） Endura® Impulse™ PVD 系统（右）

1、Endura® Clover™ MRAM PVD系统：适于大规模量产的生产级MRAM平台
MRAM采用硬盘驱动器中常见的精密磁性材料，其固有的快速存取性能和非易失性能够确保软件和数据在断电情况下得以保留。得益于快速的存取性能和高度耐用性，MRAM可能最终会替代SRAM，成为3级高速缓冲存储器。MRAM可以集成到物联网芯片的后端互连层中，因此能够实现更小的裸片尺寸和更低的成本。

应用材料公司的新型Endura® Clover™ MRAM PVD平台由9个特制的工艺反应腔组成，这些反应腔全部集成在高度真空的无尘环境下。这也是业内首个用于大规模量产的300毫米 MRAM系统，其中每个反应腔最多能够沉积五种不同材料。其中，影响效能关键的隧道结氧化镁，是透过应用材料公司独特的Clover PVD氧化镁技术沉积而成，可实现低功耗、高耐久性的MRAM效能。

在系统层级方面，可整合多达 7 个 Clover PVD腔室到 Endura 平台，无须真空中断即可于单一整合式系统中实现复杂的 MRAM 堆叠沉积。最佳化序列处理技术可以沉积 MRAM 堆叠的基本元件，达到最大的晶圆输出。

MRAM存储器需要对至少30层的材料进行精确沉积，其中有些层的厚度相当于人类发丝的五十万份之一。哪怕仅有原子直径几分之一的工艺变化，也会极大地影响器件的性能和可靠性。Clover MRAM PVD平台集成了机载计量技术，能够以亚埃级灵敏度对所产生的MRAM层的厚度进行测量与监控，可实现即时流程监控，从而确保实现原子级的均匀度并规避接触外界环境的风险。

2、Endura® Impulse™ PVD系统：满足PCRAM和ReRAM大规模量产的全链条生产能力
ReRAM和PCRAM是低功耗、高密度的高速非易失性存储器，可作为“存储级存储器”来填补服务器DRAM和存储器之间不断扩大的性价比差距。

ReRAM采用工作原理类似保险丝的新材料制成，能够在数十亿个存储单元中选择性地形成细丝来表示数据。与之不同，PCRAM 采用的是DVD光盘中常见的相变材料，通过将材料状态从非晶态更改为晶态对数据位进行编程。ReRAM和PCRAM与3D NAND存储器类似，同样呈3D结构排列，存储器制造商可以在更新换代过程中逐步增加层数，从而稳定地降低存储成本。ReRAM和PCRAM还有望实现和编辑多个电阻率中间形态，以便在每单个存储器单元中存储多位数据。

大规模量产后，ReRAM和PCRAM的成本可以明显低于DRAM，并能够提供比NAND和硬盘驱动器更快的读取性能。ReRAM还是未来内存计算架构的首选产品，在这一架构中，计算元件将集成到存储器阵列中，协助克服与AI计算相关的数据传输瓶颈。

Endura® Impulse™ PVD平台是应用材料公司专为PCRAM和ReRAM大规模量产打造的解决方案，包含多达九个真空工艺反应腔，同样集成了机载计量技术，能够对这些新型存储器中使用的多组分材料进行精确沉积和控制。

周春明博士表示，新型Endura平台是应用材料公司有史以来最精密的芯片制造系统，广泛的产品组合为新型存储器实现量产带来得天独厚的优势，它成功地将多种材料工程技术与机载计量技术集成在一起，打造出前所未有的新型薄膜和结构。该集成化平台充分展示了新材料和3D架构能够在后摩尔时代所能发挥的关键作用，并以全新的方式帮助计算行业优化性能、提升功率并降低成本。