物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能，已然是業(yè)內(nèi)各大報道中的熱門詞匯。這些技術的發(fā)展，究其本質(zhì)，實際上是在不斷突破計算性能、功耗、成本三方面的挑戰(zhàn)，這也是半導體產(chǎn)業(yè)最關注的關鍵參數(shù)。如今持續(xù)推動半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“摩爾定律”已經(jīng)減緩，而新架構(gòu)、新材料、新微縮技術以及先進的封裝技術將有望延續(xù)“摩爾定律”，使其繼續(xù)“活下去”！近期，以材料工程為基礎的應用材料公司推出了新型芯片制造系統(tǒng)，整合式的材料解決方案解開了一直以來新型存儲器大規(guī)模量產(chǎn)的制造難題。
應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（左）、
應用材料公司半導體中國區(qū)事業(yè)部總經(jīng)理、首席技術官 趙甘鳴博士(右)
“摩爾定律”這樣延續(xù)
以前 “摩爾定律”最直觀的反映就是，集成電路上可容納的晶體管數(shù)每兩年或者十八個月翻一倍，性能也提高一倍。如今，技術節(jié)點的提升逐漸減緩，從14nm到10nm要四年的時間，從10nm到7nm、5nm需要更長的時間和更大的投入，現(xiàn)在的計算架構(gòu)已經(jīng)無法滿足發(fā)展的需要。與此同時，萬物互聯(lián)帶來數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長，需要巨大的計算能力。新型存儲器技術儼然已經(jīng)成為實現(xiàn)運算效率提高的技術新架構(gòu)之關鍵所在。
應用材料公司金屬沉積產(chǎn)品全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明博士認為：“通過傳統(tǒng)二維的摩爾定律，縮減晶體管尺寸是做不下去的，但是有更多新的方法去實現(xiàn)計算性能的提升。一是新的架構(gòu)，如谷歌的TPU、英偉達的GPU，可以作為一個加速器來提高計算，尤其是在云端的計算性能；二是新的結(jié)構(gòu)，如NAND，傳統(tǒng)存儲器從二維到三維；三是新材料，晶體管材料在元素周期表中的版圖已經(jīng)變得越來越大，新材料可以顯著提高晶體管的性能；四是新微縮技術，從材料工程角度，不需要依賴于光刻技術去推動晶體管尺寸的減小，可以通過一些自對準微處理技術來實現(xiàn)；五是先進的封裝技術，如各種各樣的處理器、存儲器、加速器等，都可以通過先進的封裝技術整合到一起，從系統(tǒng)層面上實現(xiàn)最優(yōu)的性能。”
這些技術的基礎就是材料工程，這也正是應用材料公司在持續(xù)投入的技術創(chuàng)新與突破鄰域。
新型存儲器的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)并存
由人工智能和大數(shù)據(jù)所推動的新計算需求，加上摩爾定律擴展的趨緩，帶來硬件開發(fā)和投資的復興。新的硬件平臺、架構(gòu)與設計被認為是提升計算效率的關鍵，備受業(yè)內(nèi)各大企業(yè)的追捧，于是出現(xiàn)了MRAM、ReRAM 和 PCRAM 等新型存儲器技術的興起。
與傳統(tǒng)的存儲器比，新型存儲器技術有很多獨特的功能和優(yōu)勢。MRAM即磁性隨機存取存儲器，其架構(gòu)非常簡單，它的存儲單元就可以直接嵌入到后端的互聯(lián)中，因此它不占用“硅”的面積，可直接嵌入到邏輯電路里，可以實現(xiàn)非常小的面積成本。PCRAM即相變隨機存取存儲器，ReRAM即電阻隨機存取存儲器，這兩類存儲器也可以做嵌入式的應用，但更大的優(yōu)勢在于它可以和NAND一樣實現(xiàn)3D的架構(gòu)，不受限于二維，實現(xiàn)存儲器密度的加倍。此外相對于DRAM其成本優(yōu)勢也是相當大，非常適合在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)中心的應用。
新型存儲器提升了邊緣和云端計算效率（圖片來源：應用材料公司）
在邊緣設備，現(xiàn)在的架構(gòu)是一個邏輯加上一個SRAM，再加一個閃存來存儲算法、軟件、代碼。最關鍵的問題是功耗。SRAM在不用的時候也在耗電，還漏電。同時閃存也是一個高電壓的器件。新型存儲器MRAM在待機的時候不耗電，可以用來部分替代SRAM，并替代閃存，同時降低二者的功耗，實現(xiàn)低功耗、高性能。
周春明指出，現(xiàn)在的架構(gòu)還留了一點SRAM，因為MRAM現(xiàn)在速度上還沒有真正達到SRAM的程度，將來與SRAM非常接近的時候，預計應可以全部取代邊緣設備中的SRAM。
在云端，現(xiàn)在架構(gòu)主要是DRAM用來計算，加上SSD（固態(tài)存儲器）去存儲數(shù)據(jù)。新型的存儲器可以部分取代DRAM。PCRAM、ReRAM跟MRAM類似，是非易失性存儲器，跟DRAM相比，它可以做3D架構(gòu)，實現(xiàn)低功耗、低成本。此外，它也可以部分取代固態(tài)存儲器，SSD便宜但數(shù)據(jù)存取速度相對較慢，PCRAM、ReRAM同樣可以實現(xiàn)3D的架構(gòu)，但是性能要好很多，取代部分SSD可以實現(xiàn)高性能。
因此，從兩個方面看，新型存儲器可以提高邊緣和云端的計算效率。然而，盡管這些新興存儲器相對傳統(tǒng)存儲器有其優(yōu)勢所在，但實現(xiàn)大量應用的難度可不小，它們給半導體行業(yè)也帶來獨特的制造挑戰(zhàn)。
從MRAM的角度看，它有超過10種材料，超過30層薄膜堆疊沉積。部分薄膜層的厚度僅達數(shù)埃，相近于一顆原子的大小?？刂七@些薄膜層的厚度、沉積均勻性、界面品質(zhì)等參數(shù)是關鍵所在，因為在原子層任何極小的缺陷都會影響器件效能。這些新型存儲器裝置的效能和可靠性，取決于硅上沉積和整合新興材料的能力。應用材料公司的全新整合式材料解決方案-- 制造MRAM 的 Endura? Clover? MRAM PVD、制造PCRAM 和 ReRAM 的 Endura? Impulse? PVD、以及其內(nèi)建的機載計量技術，皆可支援這些新型器件的量產(chǎn)制程。
應用材料公司新型 Endura平臺解決新型存儲器量產(chǎn)難題
MRAM這個概念20多年前就有了，近些年隨著研究的深入，在材料，技術和器件性能上也有了很多突破，而真正達到量產(chǎn)化，實現(xiàn)經(jīng)濟規(guī)模和經(jīng)濟效益，需要在工業(yè)化規(guī)模上實現(xiàn)制造設備的突破。應用材料公司是第一家推出量產(chǎn)級MRAM平臺的公司。應用材料公司的Endura? Clover? MRAM PVD平臺是業(yè)內(nèi)首款適合大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)級MRAM平臺，是一個集成式的解決方案，可以在真空條件下執(zhí)行多個工藝步驟，實現(xiàn)整個MRAM的10余種材料30多層一層一層的堆積。
該平臺由 9 個特制的工藝反應腔組成，這些反應腔全部集成在高度真空的無塵環(huán)境下。這是業(yè)內(nèi)首個用于大規(guī)模量產(chǎn)的 300 毫米 MRAM 系統(tǒng)，其中每個反應腔最多能夠沉積五種不同材料。MRAM 存儲器需要對至少 30 層的材料進行精確沉積，其中有些層的厚度比人類的發(fā)絲還要薄 500,000 倍。即使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。Endura?CloverTM MRAM PVD 平臺引入了機載計量技術，能夠以亞埃級靈敏度對所產(chǎn)生的 MRAM 層的厚度進行測量與監(jiān)控，從而確保實現(xiàn)原子級的均勻度并規(guī)避接觸外界環(huán)境的風險。
應用材料公司創(chuàng)造的最精密的系統(tǒng)（圖片來源：應用材料公司）
PCRAM和ReRAM與MRAM相比沒有那么多層，但是依然還是多層的結(jié)構(gòu)，而且里面的材料非常獨特，很多是半導體產(chǎn)業(yè)里從來沒有用過的材料，特別是其存儲單元和選擇單元材料都是多種成分的復合材料。應用材料公司專為 PCRAM 和 ReRAM 打造的 Endura? Impulse? PVD 平臺包含多達九個真空工藝反應腔，是集成式的材料解決方案，可以在真空條件下實現(xiàn)多層材料精確沉積，實現(xiàn)PCRAM和ReRAM器件大量制造提供了端到端的能力。Impulse PVD是專門為復合材料創(chuàng)新的一個技術，對復合薄膜材料沉積進行了優(yōu)化，來嚴格控制多組分材料成分，同時可以實現(xiàn)出色的薄膜厚度、均勻性和界面控制。
由于PCRAM和ReRAM存儲器中的新型薄膜材料是對空氣敏感的，在傳統(tǒng)的計量設備中暴露于外界空氣環(huán)境后無法被可靠地測量。所以在Impulse PVD平臺上也裝備了一個實時的機載計量技術來準確測量并控制生產(chǎn)工藝。
應用材料公司半導體中國區(qū)事業(yè)部總經(jīng)理、首席技術官趙甘鳴博士認為：“對這些平臺的研究和開發(fā)已經(jīng)好幾年了，今天推出來是一個非常好的時機，因為目前市場的應用看到了很好的前景，同時很多基礎的研究和產(chǎn)品的開發(fā)也已累計了足夠的經(jīng)驗，再加上我們針對材料工程整體解決方案上提出了一個優(yōu)化的、可以給客戶帶來經(jīng)濟效應的手段。我們相信，借助于應用材料公司的量產(chǎn)平臺，可以加速這些新型存儲器在物聯(lián)網(wǎng)與云計算領域的應用，把這些新技術推到更廣泛的應用和更廣闊的市場?！?/p>