物聯網、大數據、人工智能，已然是業內各大報道中的熱門詞匯。這些技術的發展，究其本質，實際上是在不斷突破計算性能、功耗、成本三方面的挑戰，這也是半導體產業最關注的關鍵參數。如今持續推動半導體產業發展的“摩爾定律”已經減緩，而新架構、新材料、新微縮技術以及先進的封裝技術將有望延續“摩爾定律”，使其繼續“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，整合式的材料解決方案解開了一直以來新型存儲器大規模量產的制造難題。
應用材料公司金屬沉積產品全球產品經理 周春明博士（左）、
應用材料公司半導體中國區事業部總經理、首席技術官 趙甘鳴博士(右)
“摩爾定律”這樣延續
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每兩年或者十八個月翻一倍，性能也提高一倍。如今，技術節點的提升逐漸減緩，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，現在的計算架構已經無法滿足發展的需要。與此同時，萬物互聯帶來數據爆發式增長，需要巨大的計算能力。新型存儲器技術儼然已經成為實現運算效率提高的技術新架構之關鍵所在。
應用材料公司金屬沉積產品全球產品經理周春明博士認為：“通過傳統二維的摩爾定律，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計算性能的提升。一是新的架構，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；二是新的結構，如NAND，傳統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；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，從系統層面上實現最優的性能。”
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投入的技術創新與突破鄰域。
新型存儲器的優勢和挑戰并存
由人工智能和大數據所推動的新計算需求，加上摩爾定律擴展的趨緩，帶來硬件開發和投資的復興。新的硬件平臺、架構與設計被認為是提升計算效率的關鍵，備受業內各大企業的追捧，于是出現了MRAM、ReRAM 和 PCRAM 等新型存儲器技術的興起。
與傳統的存儲器比，新型存儲器技術有很多獨特的功能和優勢。MRAM即磁性隨機存取存儲器，其架構非常簡單，它的存儲單元就可以直接嵌入到后端的互聯中，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，但更大的優勢在于它可以和NAND一樣實現3D的架構，不受限于二維，實現存儲器密度的加倍。此外相對于DRAM其成本優勢也是相當大，非常適合在物聯網、云計算、大數據中心的應用。
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，現在的架構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，實現低功耗、高性能。
周春明指出，現在的架構還留了一點SRAM，因為MRAM現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，現在架構主要是DRAM用來計算，加上SSD（固態存儲器）去存儲數據。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，實現低功耗、低成本。此外，它也可以部分取代固態存儲器，SSD便宜但數據存取速度相對較慢，PCRAM、ReRAM同樣可以實現3D的架構，但是性能要好很多，取代部分SSD可以實現高性能。
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存儲器有其優勢所在，但實現大量應用的難度可不小，它們給半導體行業也帶來獨特的制造挑戰。
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埃，相近于一顆原子的大小。控制這些薄膜層的厚度、沉積均勻性、界面品質等參數是關鍵所在，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、以及其內建的機載計量技術，皆可支援這些新型器件的量產制程。
應用材料公司新型 Endura平臺解決新型存儲器量產難題
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，而真正達到量產化，實現經濟規模和經濟效益，需要在工業化規模上實現制造設備的突破。應用材料公司是第一家推出量產級MRAM平臺的公司。應用材料公司的Endura? Clover? MRAM PVD平臺是業內首款適合大規模量產的生產級MRAM平臺，是一個集成式的解決方案，可以在真空條件下執行多個工藝步驟，實現整個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境下。這是業內首個用于大規模量產的 300 毫米 MRAM 系統，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生的 MRAM 層的厚度進行測量與監控，從而確保實現原子級的均勻度并規避接觸外界環境的風險。
應用材料公司創造的最精密的系統（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構，而且里面的材料非常獨特，很多是半導體產業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多層材料精確沉積，實現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新的一個技術，對復合薄膜材料沉積進行了優化，來嚴格控制多組分材料成分，同時可以實現出色的薄膜厚度、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，在傳統的計量設備中暴露于外界空氣環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工藝。
應用材料公司半導體中國區事業部總經理、首席技術官趙甘鳴博士認為：“對這些平臺的研究和開發已經好幾年了，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品的開發也已累計了足夠的經驗，再加上我們針對材料工程整體解決方案上提出了一個優化的、可以給客戶帶來經濟效應的手段。我們相信，借助于應用材料公司的量產平臺，可以加速這些新型存儲器在物聯網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。”