新型存储器的“PPT量产时代”宣告结束

根据Objective Analysis和Coughlin Associates发表的最新年度报告《Emerging Memories Ramp Up》显示，以MRAM(磁性随机存取存储器)、PCRAM(相变RAM)和ReRAM(阻性RAM)为代表的新兴内存技术，正在“竞相取代SoC中的大部份嵌入式NOR Flash、SRAM，甚至是DRAM等内存销售比重”的道路上越走越远。

该报告指出，这些新兴内存无论是作为独立芯片还是被嵌入于ASIC、微控制器(MCU)和运算处理器中，都有可能变得比现有的内存技术更具竞争力。预计到2029年，新兴内存市场可望创造200亿美元的合并收入。其中，PCRAM由于价格低于DRAM，可望在2029年前成长至160亿美元的市场规模。同时，独立型MRAM和STT-MRAM(基于自旋转移力矩的MRAM)的收入将接近40亿美元，或超过2018年MRAM收入的170倍。

游戏规则的改变

应用材料公司(Applied Materials)金属沉积产品事业部全球产品经理周春明博士认为，物联网与工业4.0的发展让信息量呈现爆炸式增长，所有资料都必须在从边缘到云端的多个层级上进行收集、处理和传输、存储和分析。但另一方面，摩尔定律却面临扩张速度的急速放缓，无法再提供功率、性能和面积成本(PPAC)的同步提升。

在这样的大背景下，各种规模的企业于是竞相开发新的硬件平台、架构与设计，以提升计算效率，以MRAM、ReRAM和PCRAM为代表的新型存储器技术，便是芯片与系统设计人员都致力研究的关键领域之一。这些新型存储器既能够提供更多工具来增强近存储器计算(Near Memory Compute)，也是下一阶段存储器内计算 (In-Memory Compute)的建构模组。

(图片来源：应用材料公司)

相关研究指出，如果以嵌入式MRAM取代微控制器中的eFlash和SRAM，可节省高达90%的功耗；如果采用单一晶体管MRAM取代六个晶体管SRAM，则可实现更高的位元密度和更小的芯片尺寸，这些功率与面积成本优势将使MRAM成为边缘侧设备的有力竞争者。而相较于传统的NAND闪存，PCRAM或ReRAM存储级存储器更可提供超过10倍以上的存取速度，更适合在云端对资料进行存储。

新型存储器显著提升PPAC的收益  (图片来源：应用材料公司)

新型存储器前进到了哪里？

应用材料公司半导体产品事业部存储技术总经理Gill Lee在其文章《新型存储器的制造要求》中表示，理想的半导体存储器应该具备以下全部特征：

但实际上，无论是现有存储器还是新兴存储器都无法兼具上述所有特性。芯片与计算机设计人员正在持续深度挖掘和使用各种存储器技术，力求实现目标。

• MRAM

MRAM是一种非易失性存储技术，从20世纪90年代开始发展。该技术具备接近静态随机存储器的高速读取写入能力，快闪存储器的非易失性、容量密度和与DRAM几乎相同的使用寿命，但平均能耗却远低于DRAM，而且可以无限次地重复写入。

2018年底，英特尔(Intel)、三星(Samsung)、格芯(GLOBALFOUNDRIES)等半导体巨擘在第64届国际电子器件会议(IEDM)上分别发表了嵌入式MRAM在逻辑芯片制造工艺上的新技术，一致认为从可扩展性、形状可调整以及磁可扩展性方面来看，STT-MRAM都是目前最佳的MRAM技术。

英特尔方面称其22FFL工艺的STT-MRAM是“首款基于FinFET工艺的MRAM技术”，使用216×225mm 1T-1R内存单元，可在摄氏200°温度下实现10年的数据保留能力，耐受度超过106个开关周期；三星则介绍了其采用28nm FDSOI工艺制造的STT-MRAM，称其8Mb MRAM的耐受度为106个周期，同样支持10年的保留能力；格芯重点展示了其22nm FD-SOI嵌入式MRAM技术在汽车市场的表现，由于车载嵌入式存储器必须要能够承受零下40摄氏度至最高150摄氏度范围的工作温度，具有百万分之一以下精度误码率(BER)和极高可靠性的格芯eMRAM被认为极具竞争力。

MRAM技术之所以受到业界追捧，原因在于随着业界持续向更小技术节点迈进，DRAM和NAND闪存(Flash)正面对着严苛的微缩挑战，MRAM因此被视为有望取代这些内存芯片的独立内存组件。此外，考虑到MRAM具备快速读/写时间、高耐受度以及强劲的保留能力，也被视为极具吸引力的嵌入式技术，适用于取代物联网(IoT)设备中的嵌入式闪存和3级高速缓存SRAM。

“它不是用来替代闪存的，而是用来处理运算过程中产生的数据。”恩智浦资深副总裁兼微控制器事业部总经理Geoff Lees此前在接受《电子工程专辑》专访时也曾提及MRAM技术，并认为MRAM具有高速读写能力，同时也能永久地保存数据，所以它属于RAM，又能兼顾非易失性。2017-2018年间，NXP联合其他几家合作伙伴一起开发了MRAM测试芯片，i.MX RT团队正在研究将其内置于下一代产品中，并计划于今年内推出样片。

• ReRAM与PCRAM

ReRAM采用工作原理类似保险丝的新材料制成，能够在数十亿个存储单元中选择性地形成细丝来表示数据。PCRAM与之不同，采用的是DVD光盘中常见的相变材料，通过将材料状态从非晶态更改为晶态对数据位进行编程。

ReRAM和PCRAM与3D NAND存储器类似，同样呈3D结构排列，存储器制造商可以在更新换代过程中逐步增加层数，从而稳定地降低存储成本，并能够提供比NAND和硬盘驱动器更快的读取性能。与此同时，ReRAM和PCRAM还有望实现和编辑多个电阻率中间形态，以便在每单个存储器单元中存储多位数据。

目前，业界均将ReRAM视作未来内存计算架构的首选产品，在这一架构中，计算元件将集成到存储器阵列中，协助克服与AI计算相关的数据传输瓶颈。Crossbar、东芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通等厂商都在开展ReRAM的研究和生产工作。在制造方面，中芯国际(SMIC)、台积电(TSMC)和联电(UMC)都已经将ReRAM纳入自己未来的发展线路图中。

迄今为止最为精密的芯片制造系统

然而，MRAM是一种非常复杂的薄膜多层堆叠，由10多种不同材料和超过30层以上的薄膜与堆叠组成，部分薄膜层的厚度仅达数埃，比人类的发丝还要薄500,000倍，相近于一颗原子的大小，如何控制这些薄膜层的厚度、沉积均匀性、介面品质等参数是关键所在。因为在原子层级，任何极小的缺陷都会影响装置效能，所以这些新型存储器要想实现大规模量产，必须在硅上沉积和整合新兴材料能力方面取得实质突破。

与之类似，作为高密度存储器应用的候选技术，PCRAM和ReRAM都具有结构堆叠，包含容易受薄膜成分和劣化衰退影响的多重元素材料。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，并达到最佳化的条件，而ReRAM 对存储器材料的组成也非常敏感。因此，制造设备解决方案需要提供精确的薄膜厚度、成分均衡性和介面品质。

为了解决MRAM、ReRAM和PCRAM大规模量产面临的挑战，应用材料公司日前推出了新型Endura® Clover™ MRAM PVD平台和Endura® Impulse™ PVD系统，周春明博士说，他们也是公司历史上迄今为止推出的“最为复杂和精密的芯片制造系统”，并已发货给5家MRAM和8家PCRAM/ReRAM用户。

Clover MRAM PVD平台可在超高真空环境下执行多流程步骤，实现整个MRAM单元制造，包括材料沉积、介面清洁和热处理，其核心是Clover PVD腔室，可在原子层级精度下沉积多达五种材料。在系统层级方面，可整合多达7个Clover PVD工艺反应腔到Endura平台，无须真空中断即可于单一整合式系统中实现复杂的MRAM堆叠沉积。除了Clover PVD腔室外，超高真空系统也配备介面清洁、氧化和退火技术，并针对MRAM装置效能进行了最佳化处理。

晶圆上方独特设计的阻挡层是Clover MRAM PVD平台的亮点之一。一次仅暴露一种目标材料，并且会旋转到下一个材料的设计思路不但建立起具有锐利原子介面的堆叠，而且有效避免了不同材料之间的交叉污染。

(图片来源：应用材料公司)

周春明说，薄膜的结晶度、纹理校准和原始介面品质最终决定了MRAM器件的性能，其中，又以隧道结氧化镁的形成最为关键。考虑到沉积的参考层和氧化镁阻挡层(barrier layer)大多属非晶体性质，因此会先进行退火以使其结晶，再对部分堆叠进行低温冷却产生低温表面，以促进自由层的锐利原子介面。完全堆叠沉积之后，再执行另一次退火以使整个堆叠完全结晶化。

与替代方案依赖先沉积镁，然后再氧化形成氧化镁的两步骤制程不同，Clover PVD氧化镁沉积技术选择通过陶瓷溅射来沉积氧化镁，可提供改良的读取信号和100倍以上耐久性，从而帮助实现更低的功率效能和更高的耐久性，非常适合边缘应用。

Clover PVD氧化镁沉积技术可生成高质量的氧化镁阻挡层和界面  (图片来源：应用材料公司)

Endura Impulse PVD系统则为PCRAM和ReRAM器件的大批量生产提供了端到端(end to end)的能力，可精准地在真空环境下实现各种PCRAM和ReRAM薄膜堆叠沉积。数据显示，以超过一万片晶圆的连续沉积为例，经由Impulse PVD系统的晶圆成分不一致性远小于1%。

(图片来源：应用材料公司)

由于新型存储器薄膜中有许多是对空气敏感的，因此应用材料还在Endura平台中整合了机载计量解决方案，能够以亚埃级灵敏度对所产生的薄膜层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。