應(yīng)用材料公司用“新劇本”推動后摩爾時代新型存儲器實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)

單祥茹

傳統(tǒng)存儲器包括DRAM， SRAM， NAND，已經(jīng)擁有幾十年的歷史，隨著在各種數(shù)字設(shè)備和系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，尺寸越來越小，成本越來越低，性能也越來越強(qiáng)。最近幾年，物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0的發(fā)展讓信息量呈現(xiàn)爆炸性的增長，現(xiàn)在，一個人一天可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)約1GB。一輛無人駕駛汽車每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將達(dá)到4000GB。從去年（2018）開始機(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過人類產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這是人類歷史上的第一次。未來三年，機(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)很可能達(dá)到人類產(chǎn)生數(shù)據(jù)的9倍之多。重要的是，所有數(shù)據(jù)都必須在邊緣收集，并從邊緣到云端的多個層級進(jìn)行處理和傳輸、存儲和分析。若將這些海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的信息，必須依賴人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)。然而，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)卻面臨著重大挑戰(zhàn)。

一方面，萬物互聯(lián)、工業(yè)4.0等帶來了數(shù)據(jù)的爆炸式增長，這些數(shù)據(jù)從終端、邊緣，上傳到云端，需要巨大的計算能力支持。另一方面，過去幾十年摩爾定律一直推動著半導(dǎo)體器件計算性能不斷提高。今天，這種情形發(fā)生了改變。從14nm到10nm，用了近四年的時間。尤其是當(dāng)工藝制程發(fā)展到7nm、5nm、3nm階段，摩爾定律開始面臨擴(kuò)張速度急劇放緩，已無法再提供功率、性能和面積成本（PPAC）的同步提升。

業(yè)界對摩爾定律是否已死的爭論一直沒有停歇，雖無定論，但有一點(diǎn)是肯定的，即傳統(tǒng)的一味靠縮減晶體管尺寸的二維摩爾定律將很難繼續(xù)走下去。應(yīng)用材料公司金屬沉積產(chǎn)品全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明博士近日在新產(chǎn)品說明會上提出：“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心參數(shù)包括性能（Performance）、功率（Power）、面積成本（Area-Cost）三個方面，即PPPAC。在數(shù)據(jù)爆炸式增長的今天，存儲器已經(jīng)成為大數(shù)據(jù)發(fā)展的瓶頸。目前的計算架構(gòu)無法適應(yīng)發(fā)展的需要，采用新的架構(gòu)將有助于在芯片的性能、功率、面積和成本上找到最佳平衡點(diǎn)?！?/p>

全新存儲器走到前臺是邊緣和云端計算發(fā)展的必然

遵照摩爾定律，CPU、GPU和傳統(tǒng)存儲器（DRAM，NAND）等產(chǎn)品的性能都有了飛躍式發(fā)展，不過，傳統(tǒng)構(gòu)建模塊和計算結(jié)構(gòu)已無法滿足大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能對計算性能需求。隨著人工智能，機(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，計算負(fù)載變得數(shù)據(jù)密集且復(fù)雜，市場上亟需全新的存儲技術(shù)對大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理。

所謂“全新的存儲器”，它必須能為邊緣與云端裝置提供優(yōu)于現(xiàn)有存儲器技術(shù)的功率、性能和面積成本效益。研究指出，在邊緣側(cè)，以統(tǒng)合式MRAM解決方案取代微控制器中的eFlash和SRAM，便可節(jié)省高達(dá)90%的功耗。采用單一晶體管MRAM取代六個晶體管SRAM，便可實(shí)現(xiàn)更高的位元密度和更小的芯片尺寸。這些功率與面積成本優(yōu)勢使得MRAM成為邊緣設(shè)備的理想選擇;在云端，相較于傳統(tǒng)的NAND，PCRAM或ReRAM的存儲級存儲器更可提供超過10倍以上的存取速度，因此，這些存儲器將成為云端數(shù)據(jù)存儲的首選。

新的存儲器技術(shù)為量產(chǎn)制程帶來獨(dú)特挑戰(zhàn)

周春明博士表示，各種規(guī)模的企業(yè)正在竟相開發(fā)新的硬件平臺、架構(gòu)與設(shè)計，以提升計算效率，MRAM（磁性隨機(jī)存取存儲器）、ReRAM（阻性RAM）和PCRAM（相變RAM）等新的存儲器技術(shù)興起，便是芯片與系統(tǒng)設(shè)計人員重點(diǎn)研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。這些新型存儲器提供更多工具來增強(qiáng)近存儲器計算（Near MemoryCompute），也是下一階段存儲器內(nèi)計算（In-Memory Compute）的建構(gòu)模組。

MRAM是一種非常復(fù)雜的薄膜多層堆疊，由10多種不同材料和超過30層以上的薄膜與堆疊組成。部分薄膜層的厚度僅達(dá)數(shù)埃，相近于一顆原子的大小，其高度的變化即會對存儲器的性能和耐久產(chǎn)生影響?？刂七@些薄膜層的厚度、沉積均勻性、介面品質(zhì)等參數(shù)成為關(guān)鍵所在。在制造過程中，對硅上沉積和整合新興材料的能力提出極高要求。

與其他方案相比，應(yīng)用材料公司的CloverPVD已證實(shí)可提供改良的讀取信號和100倍以上耐久性，可幫助實(shí)現(xiàn)更低的功率效能和更高的裝置耐久性，這些特性都非常適合邊緣應(yīng)用。

應(yīng)用材料公司用“新材料工程”為新型存儲器實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)莫定基礎(chǔ)

周春明博士認(rèn)為，在半導(dǎo)體工藝制程方面，目前主要依賴光刻技術(shù)去推動晶體管尺寸的減小。其實(shí)，我們還可以通過新架構(gòu)、新型結(jié)構(gòu)/3D、新材料和其他一些新微縮方式實(shí)現(xiàn)晶體管尺寸的下降和性能提升。最后就是依靠先進(jìn)的封裝技術(shù)，從系統(tǒng)層面上實(shí)現(xiàn)芯片性能的最優(yōu)化。所有這一切，材料工程是基礎(chǔ)。在推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)興起過程中，應(yīng)用材料公司及時推出了自己的“全新劇本”，而這個劇本的核心則是依托其獨(dú)有的“材料工程”技術(shù)。該材料工程技術(shù)將在整個PPAC的改進(jìn)上起到非常大的作用。

1、Endura@CloverMRAM PVD系統(tǒng)：適于大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)級MRAM平臺

MRAM采用硬盤驅(qū)動器中常見的精密磁性材料，其固有的快速存取性能和非易失性能夠確保軟件和數(shù)據(jù)在斷電情況下得以保留。得益于快速的存取性能和高度耐用性，MRAM可能最終會替代SRAM，成為3級高速緩沖存儲器。MRAM可以集成到物聯(lián)網(wǎng)芯片的后端互連層中，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更小的裸片尺寸和更低的成本。

應(yīng)用材料公司的新型EnduraCloverMRAM PVD平臺由9個特制的工藝反應(yīng)腔組成，這些反應(yīng)腔全部集成在高度真空的無塵環(huán)境下。這也是業(yè)內(nèi)首個用于大規(guī)模量產(chǎn)的300毫米MRAM系統(tǒng)，其中每個反應(yīng)腔最多能夠沉積五種不同材料。其中，影響效能關(guān)鍵的隧道結(jié)氧化鎂，是透過應(yīng)用材料公司獨(dú)特的Clover PVD氧化鎂技術(shù)沉積而成，可實(shí)現(xiàn)低功耗、高耐久性的MRAM效能。

在系統(tǒng)層級方面，可整合多達(dá)7個CloverPVD腔室到Endura平臺，無須真空中斷即可于單一整合式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的MRAM堆疊沉積。最佳化序列處理技術(shù)可以沉積MRAM堆疊的基本元件，達(dá)到最大的晶圓輸出。

MRAM存儲器需要對至少30層的材料進(jìn)行精確沉積，其中有些層的厚度相當(dāng)于人類發(fā)絲的五十萬份之一。哪怕僅有原子直徑幾分之一的工藝變化，也會極大地影響器件的性能和可靠性。Clover MRAM PVD平臺集成了機(jī)載計量技術(shù)，能夠以亞埃級靈敏度對所產(chǎn)生的MRAM層的厚度進(jìn)行測量與監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)即時流程監(jiān)控，從而確保實(shí)現(xiàn)原子級的均勻度并規(guī)避接觸外界環(huán)境的風(fēng)險。

2、EnduraImpulse PVD系統(tǒng)：滿足PCRAMCReRAM大規(guī)模量產(chǎn)的全鏈條生產(chǎn)能力

ReRAM和PCRAM是低功耗、高密度的高速非易失性存儲器，可作為“存儲級存儲器”來填補(bǔ)服務(wù)器DRAM和存儲器之間不斷擴(kuò)大的性價比差距。

ReRAM采用工作原理類似保險絲的新材料制成，能夠在數(shù)十億個存儲單元中選擇性地形成細(xì)絲來表示數(shù)據(jù)。與之不同，PCRAM采用的是DVD光盤中常見的相變材料，通過將材料狀態(tài)從非晶態(tài)更改為晶態(tài)對數(shù)據(jù)位進(jìn)行編程。ReRAM和PCRAM與3D NAND存儲器類似，同樣呈3D結(jié)構(gòu)排列，存儲器制造商可以在更新?lián)Q代過程中逐步增加層數(shù)，從而穩(wěn)定地降低存儲成本。ReRAM和PCRAM還有望實(shí)現(xiàn)和編輯多個電阻率中間形態(tài)，以便在每單個存儲器單元中存儲多位數(shù)據(jù)。

大規(guī)模量產(chǎn)后，ReRAM和PCRAM的成本可以明顯低于DRAM，并能夠提供比NAND和硬盤驅(qū)動器更快的讀取性能。ReRAM還是未來內(nèi)存計算架構(gòu)的首選產(chǎn)品，在這一架構(gòu)中，計算元件將集成到存儲器陣列中，協(xié)助克服與AI計算相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。

EnduraImpulse PVD平臺是應(yīng)用材料公司專為PCRAM和ReRAM大規(guī)模量產(chǎn)打造的解決方案，包含多達(dá)九個真空工藝反應(yīng)腔，同樣集成了機(jī)載計量技術(shù)，能夠?qū)@些新型存儲器中使用的多組分材料進(jìn)行精確沉積和控制。

周春明博士表示，新型Endura平臺是應(yīng)用材料公司有史以來最精密的芯片制造系統(tǒng)，廣泛的產(chǎn)品組合為新型存儲器實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)帶來得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，它成功地將多種材料工程技術(shù)與機(jī)載計量技術(shù)集成在一起，打造出前所未有的新型薄膜和結(jié)構(gòu)。該集成化平臺充分展示了新材料和3D架構(gòu)能夠在后摩爾時代所能發(fā)揮的關(guān)鍵作用，并以全新的方式幫助計算行業(yè)優(yōu)化性能、提升功率并降低成本。