未来5年下一代存储器将加快进入市场

人工智能与大数据对芯片的处理能力提出了越来越严苛的要求，芯片的运算能力和存储能力正在成为瓶颈，这也是各家半导体公司竞相开发新的硬件平台、计算架构与设计路线，以期提升芯片性能的主要原因。MRAM、ReRAM 和 PCRAM 等下一代存储器技术兴起，便是芯片与系统设计人员致力研发的重要成果之一。

这些新型存储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，甚至有可能为未来存储器内计算 (In-Memory Compute)的开发提供支撑。但是由于制造环节存在瓶颈，目前下一代存储器的生产良率并不高，难以实现规模化量产成为市场主流，量少价高，以特殊应用为主。不过，近日笔者参加了应用材料公司举办的媒体活动。其中介绍了应用材料公司最新推出的两款用于下一代存储器MRAM、ReRAM和PCRAM的沉积设备，对于提升下一代存储器的规模量产能力有着极大的帮助。相信随着更多相关设备的开发，未来3-5年当中，下一代存储器有望加快进入市场。

材料工程助力下一代存储器量产进程

应用材料公司是全球最大的半导体设备公司，一直推动基于材料工程技术的创新与产业变革。材料工程学是半导体技术的基础之一，新型材料的科学运用往往决定着半导体技术的进步。随着摩尔定律的放缓，半导体产业正面临全新的技术变革，需要最底层的材料工程技术的发展，提供强有力的支撑。

根据应用材料中国公司首席技术官赵甘鸣的介绍，该公司目前重点关注5 大项目，包括新芯片架构的开发，如Google的TPU；新3D技术，如3D NAND存储器中的新3D架构；新材料的运用，如在高端逻辑芯片中对钴的应用；新微缩技术的开发，如自我对准多重图形的新微缩技术，使芯片制程中减少对光刻的依赖；先进封装技术，如对系统级封装（SiP）技术的支持等。而下一代存储器量产技术正是关注的重点之一。

新型存储器具有更快的存取速度，更好的耐用性，更小的裸片尺寸、成本和功耗等性能优势。例如，以统合式 MRAM 解决方案取代微控制器中的 eFlash 和 SRAM，可节省90%的功耗；采用单一晶体管 MRAM 取代六个晶体管SRAM，可以实现更高的存储密度和更小的芯片尺寸。而将PCRAM 或者ReRAM用于数据中心存储系统当中，相较于传统的NAND，可以提供超过10倍的存取速度，有望成为未来云服务数据中心的首选。因此，发展下一代存储器受到业界的普遍重视。

不过，目前下一代存储器在量产制程方面也存在很多瓶颈，这些新型存储器的量产工艺具有独特的挑战，只有在设备技术上有所突破才有望实现它们的规模化量产。.

复杂的MRAM沉积

MRAM是一种非易失性存储介质，具有更快的存取速度和高度耐用性，因此在边缘设备中具有替代NAND闪存和部分SRAM的潜质。不过，目前MRAM量产制造方面的挑战很多，比如MRAM是一种非常复杂的薄膜多层堆叠结构，且由10多种不同材料和超过30层以上的薄膜堆叠而成。部分薄膜层的厚度仅有几埃，接近一颗原子的程度。而要想控制这种厚度的薄膜层，实现均匀沉积，并保证介面层的品质，其中的挑战可以想见。

根据应用材料公司金属沉积产品事业部全球产品经理周春明的介绍，应用材料公司新推出的Endura® Clover™ MRAM PVD 系统是业界首款具备量产价值的MRAM平台，包括可进行材料沉积、介面清洁和热处理等。核心部分是 Clover PVD 腔室，可在原子层级精度下沉积多达五种材料。而整个系统可以整合7个Clover PVD 腔室，因此，在一个PVD 系统当中就可以完成10 多种不同材料和超过30层以上的沉积。由于不需要像以往设备那样进行真空中断，将大幅提升成品率。

隧道结氧化镁是影响产品效能的关键，Clover PVD可以对氧化镁实现更优质的沉积效果，是目前市场上唯一可以通过陶瓷溅射来沉积氧化镁的解决方案。另一种替代技术需要两个步骤，先沉积镁，然后再氧化，最终形成氧化镁。Clover PVD 氧化镁沉积技术可以提高MRAM的低功耗、高耐久性能。

另外，Endura Clover机载的计量技术可以实现即时流程监控，也有助于提高成品率，除低制造成本。

实现卓越的成分控制

ReRAM和 PCRAM同样属于非易失性存储器，适合作为“存储级存储器”填补服务器DRAM和NAND闪存之间不断扩大的性价比差距。ReRAM和PCRAM在制造过程中，同样具有诸多挑战，比如需要用到非常独特的材料进行制备。以相变单元材料为例，产业界花了数十年的时间才发现具有适当成分的锗锑碲复合物薄膜材料。挑战在于如何沉积这些复合材料，如何控制其组分，如何控制形成多层结构的界面。这些因素都会对PCRAM、ReRAM最终产品性能造成影响。

应用材料针公司对PCRAM和ReRAM量产化开发的Endura® Impulse™ PVD系统，可精准地在真空环境下实现各种薄膜堆叠沉积，为复合薄膜提供了紧密的成分控制。Impulse PVD 腔室通过优化也提供了更好的薄膜厚度、均匀度和介面控制，這些都是实现器件高性能高产量的关键。

Endura平台装备的机载计量技术可以解决存储器制造中的测量与控制问题。下一代存储器薄膜中有许多是对空气敏感的，传统的测量设备会暴露于外界空气环境中，无法对产品进行可靠地测量。Endura 平台装备的机载计量技术适用于各种应用，实现精确的厚度控制。机载计量是一种光学测量工具，可提供真空、芯片机载计量、亚埃级秒内敏感度，逐层监控产品异常检测和产量改进，以确保复杂的技术过程处于监控之中。

在原子层级做规模工业的适用技术

量产化始终是MRAM、 PCRAM、ReRAM等下一代存储器的障碍。以往这些产品基本只能进行小规模生产，成品率不高，甚至是只能实验室制备，过高的成本阻碍其商用化进程。而应用材料公司新推出的两款沉积设备都希望推进MRAM、PCRAM、ReRAM的规模量产。

针对MRAM的Clover PVD 系统，针对PCRAM和ReRAM的Impulse PVD 系统，再加上机载计量技术，都可协助下一代存储器的大规模量产成为可能。首先是实现产品的性能保证，同时在扩大生产效率的基础上，提高生产的良率。“这是在原子层级做大规模的工业化适用技术。”周春明表示。

那么，MRAM、 PCRAM、ReRAM等下一代存储器什么时间，有望进入商用化时代呢。周春明预测未来3-5年中，下一代存储器在解决了制造瓶颈后将快速进入市场。除沉积技术之外，下一代存储器在制造方面还存在着许多上需要克服的环节。比如沉积之后就需要进行刻蚀，刻蚀工艺也存在许多需要改善的环节。

赵甘鸣则表示，应用材料公司还有多条设备产品线，除沉积以外，其他方面也在持续推进当中。相信未来会有更多产品亮相，下一代存储器也将进入规模量产时代。

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