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半導體

未來5年下一代存儲器將加快進入市場

作者:陳炳欣來源:中國電子報、電子信息產業網發布時間:2019-08-03 11:08我要評論

人工智能與大數據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,便是芯片與系統設計人員致力研發的重要成果之一。


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計算 (In-Memory Compute)的開發提供支撐。但是由于制造環節存在瓶頸,目前下一代存儲器的生產良率并不高,難以實現規模化量產成為市場主流,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模量產能力有著極大的幫助。相信隨著更多相關設備的開發,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新與產業變革。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,半導體產業正面臨全新的技術變革,需要最底層的材料工程技術的發展,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的投入都超過10億美元,2018財年的研發投入更達到了20億美元,就是希望推動半導體技術的革新。

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根據趙甘鳴的介紹,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,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,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,如對系統級封裝(SiP)技術的支持等。而下一代存儲器量產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品事業部全球產品經理周春明表示,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勢。例如,以統合式 MRAM 解決方案取代微控制器中的 eFlash 和 SRAM,可節省90%的功耗;采用單一晶體管 MRAM 取代六個晶體管SRAM,可以實現更高的存儲密度和更小的芯片尺寸。而將PCRAM 或者ReRAM用于數據中心存儲系統當中,相較于傳統的NAND,可以提供超過10倍的存取速度,有望成為未來云服務數據中心的首選。因此,發展下一代存儲器受到業界的普遍重視。不過,周春明也指出,目前下一代存儲器在量產制程方面仍然存在很多瓶頸,這些新型存儲器的量產工藝具有獨特的挑戰,只有在設備技術上有所突破才有望實現它們的規模化量產。.



Clover PVD為復雜的MRAM沉積而設計


MRAM是一種非易失性存儲介質,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。不過,目前MRAM量產制造方面的挑戰很多,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,實現均勻沉積,并保證介面層的品質,其中的挑戰可以想見。


應用材料公司新推出的Endura? Clover? MRAM PVD 系統是業界首款具備量產價值的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。而整個系統可以整合7個Clover PVD 腔室,因此,在一個PVD 系統當中就可以完成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。

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隧道結氧化鎂是影響產品效能的關鍵,Clover PVD可以對氧化鎂實現更優質的沉積效果,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即時流程監控,也有助于提高成品率,除低制造成本。


Impulse PVD可實現卓越的成分控制


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,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,產業界花了數十年的時間才發現具有適當成分的鍺銻碲復合物薄膜材料。挑戰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最終產品性能造成影響。


應用材料針公司對PCRAM和ReRAM量產化開發的Endura? Impulse? PVD系統,可精準地在真空環境下實現各種薄膜堆疊沉積,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,這些都是實現器件高性能高產量的關鍵。

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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,傳統的測量設備會暴露于外界空氣環境中,無法對產品進行可靠地測量。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、亞埃級秒內敏感度,逐層監控產品異常檢測和產量改進,以確保復雜的技術過程處于監控之中。



在原子層級做規模工業的適用技術


量產化始終是MRAM、 PCRAM、ReRAM等下一代存儲器的障礙。以往這些產品基本只能進行小規模生產,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的規模量產。


“針對MRAM的Clover PVD 系統,針對PCRAM和ReRAM的Impulse PVD 系統,再加上機載計量技術,都可協助下一代存儲器的大規模量產成為可能。”周春明表示,“首先是實現產品的性能保證,同時在擴大生產效率的基礎上,提高生產的良率。這是在原子層級做大規模的工業化適用技術。”

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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節。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節。


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





責任編輯:陳炳欣
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