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以材料工程为基石,应用材料公司Endura平台突破面向物联网和云计算的新型存储器量产瓶颈

2019-08-07
王洁
电子技术应用

物联网、大数据、人工智能,已然是业内各大报道中的热门词汇。这些技术的发展,究其本质,实际上是在不断突破计算性能、功耗、成本三方面的挑战,这也是半导体产业最关注的关键参数。如今持续推动半导体产业发展的“摩尔定律”已经减缓,而新架构、新材料、新微缩技术以及先进的封装技术将有望延续“摩尔定律”,使其继续“活下去”!近期,以材料工程为基础的应用材料公司推出了新型芯片制造系统,整合式的材料解决方案解开了一直以来新型存储器大规模量产的制造难题。

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应用材料公司金属沉积产品全球产品经理 周春明博士(左)、

应用材料公司半导体中国区事业部总经理、首席技术官 赵甘鸣博士(右)

“摩尔定律”这样延续

以前 “摩尔定律”最直观的反映就是,集成电路上可容纳的晶体管数每两年或者十八个月翻一倍,性能也提高一倍。如今,技术节点的提升逐渐减缓,从14nm到10nm要四年的时间,从10nm到7nm、5nm需要更长的时间和更大的投入,现在的计算架构已经无法满足发展的需要。与此同时,万物互联带来数据爆发式增长,需要巨大的计算能力。新型存储器技术俨然已经成为实现运算效率提高的技术新架构之关键所在。

应用材料公司金属沉积产品全球产品经理周春明博士认为:“通过传统二维的摩尔定律,缩减晶体管尺寸是做不下去的,但是有更多新的方法去实现计算性能的提升。一是新的架构,如谷歌的TPU、英伟达的GPU,可以作为一个加速器来提高计算,尤其是在云端的计算性能;二是新的结构,如NAND,传统存储器从二维到三维;三是新材料,晶体管材料在元素周期表中的版图已经变得越来越大,新材料可以显著提高晶体管的性能;四是新微缩技术,从材料工程角度,不需要依赖于光刻技术去推动晶体管尺寸的减小,可以通过一些自对准微处理技术来实现;五是先进的封装技术,如各种各样的处理器、存储器、加速器等,都可以通过先进的封装技术整合到一起,从系统层面上实现最优的性能。”

这些技术的基础就是材料工程,这也正是应用材料公司在持续投入的技术创新与突破邻域。

新型存储器的优势和挑战并存

由人工智能和大数据所推动的新计算需求,加上摩尔定律扩展的趋缓,带来硬件开发和投资的复兴。新的硬件平台、架构与设计被认为是提升计算效率的关键,备受业内各大企业的追捧,于是出现了MRAM、ReRAM 和 PCRAM 等新型存储器技术的兴起。

与传统的存储器比,新型存储器技术有很多独特的功能和优势。MRAM即磁性随机存取存储器,其架构非常简单,它的存储单元就可以直接嵌入到后端的互联中,因此它不占用“硅”的面积,可直接嵌入到逻辑电路里,可以实现非常小的面积成本。PCRAM即相变随机存取存储器,ReRAM即电阻随机存取存储器,这两类存储器也可以做嵌入式的应用,但更大的优势在于它可以和NAND一样实现3D的架构,不受限于二维,实现存储器密度的加倍。此外相对于DRAM其成本优势也是相当大,非常适合在物联网、云计算、大数据中心的应用。

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新型存储器提升了边缘和云端计算效率(图片来源:应用材料公司)

在边缘设备,现在的架构是一个逻辑加上一个SRAM,再加一个闪存来存储算法、软件、代码。最关键的问题是功耗。SRAM在不用的时候也在耗电,还漏电。同时闪存也是一个高电压的器件。新型存储器MRAM在待机的时候不耗电,可以用来部分替代SRAM,并替代闪存,同时降低二者的功耗,实现低功耗、高性能。

周春明指出,现在的架构还留了一点SRAM,因为MRAM现在速度上还没有真正达到SRAM的程度,将来与SRAM非常接近的时候,预计应可以全部取代边缘设备中的SRAM。

在云端,现在架构主要是DRAM用来计算,加上SSD(固态存储器)去存储数据。新型的存储器可以部分取代DRAM。PCRAM、ReRAM跟MRAM类似,是非易失性存储器,跟DRAM相比,它可以做3D架构,实现低功耗、低成本。此外,它也可以部分取代固态存储器,SSD便宜但数据存取速度相对较慢,PCRAM、ReRAM同样可以实现3D的架构,但是性能要好很多,取代部分SSD可以实现高性能。

因此,从两个方面看,新型存储器可以提高边缘和云端的计算效率。然而,尽管这些新兴存储器相对传统存储器有其优势所在,但实现大量应用的难度可不小,它们给半导体行业也带来独特的制造挑战。

从MRAM的角度看,它有超过10种材料,超过30层薄膜堆叠沉积。部分薄膜层的厚度仅达数埃,相近于一颗原子的大小。控制这些薄膜层的厚度、沉积均匀性、界面品质等参数是关键所在,因为在原子层任何极小的缺陷都会影响器件效能。这些新型存储器装置的效能和可靠性,取决于硅上沉积和整合新兴材料的能力。应用材料公司的全新整合式材料解决方案--  制造MRAM 的 Endura® Clover™ MRAM PVD、制造PCRAM 和 ReRAM 的 Endura® Impulse™ PVD、以及其内建的机载计量技术,皆可支援这些新型器件的量产制程。

应用材料公司新型 Endura平台解决新型存储器量产难题

MRAM这个概念20多年前就有了,近些年随着研究的深入,在材料,技术和器件性能上也有了很多突破,而真正达到量产化,实现经济规模和经济效益,需要在工业化规模上实现制造设备的突破。应用材料公司是第一家推出量产级MRAM平台的公司。应用材料公司的Endura® Clover™ MRAM PVD平台是业内首款适合大规模量产的生产级MRAM平台,是一个集成式的解决方案,可以在真空条件下执行多个工艺步骤,实现整个MRAM的10余种材料30多层一层一层的堆积。

该平台由 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。MRAM 存储器需要对至少 30 层的材料进行精确沉积,其中有些层的厚度比人类的发丝还要薄 500,000 倍。即使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。Endura®CloverTM MRAM PVD 平台引入了机载计量技术,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,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。

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应用材料公司创造的最精密的系统(图片来源:应用材料公司)

PCRAM和ReRAM与MRAM相比没有那么多层,但是依然还是多层的结构,而且里面的材料非常独特,很多是半导体产业里从来没有用过的材料,特别是其存储单元和选择单元材料都是多种成分的复合材料。应用材料公司专为 PCRAM 和 ReRAM 打造的 Endura® Impulse™ PVD 平台包含多达九个真空工艺反应腔,是集成式的材料解决方案,可以在真空条件下实现多层材料精确沉积,实现PCRAM和ReRAM器件大量制造提供了端到端的能力。Impulse PVD是专门为复合材料创新的一个技术,对复合薄膜材料沉积进行了优化,来严格控制多组分材料成分,同时可以实现出色的薄膜厚度、均匀性和界面控制。

由于PCRAM和ReRAM存储器中的新型薄膜材料是对空气敏感的,在传统的计量设备中暴露于外界空气环境后无法被可靠地测量。所以在Impulse PVD平台上也装备了一个实时的机载计量技术来准确测量并控制生产工艺。

应用材料公司半导体中国区事业部总经理、首席技术官赵甘鸣博士认为:“对这些平台的研究和开发已经好几年了,今天推出来是一个非常好的时机,因为目前市场的应用看到了很好的前景,同时很多基础的研究和产品的开发也已累计了足够的经验,再加上我们针对材料工程整体解决方案上提出了一个优化的、可以给客户带来经济效应的手段。我们相信,借助于应用材料公司的量产平台,可以加速这些新型存储器在物联网与云计算领域的应用,把这些新技术推到更广泛的应用和更广阔的市场。”