物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能，已然是業(yè)內(nèi)各大報(bào)道中的熱門詞匯。這些技術(shù)的發(fā)展，究其本質(zhì)，實(shí)際上是在不斷突破計(jì)算性能、功耗、成本三方面的挑戰(zhàn)，這也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)。如今持續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)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(shù)以及先進(jìn)的封裝技術(shù)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(chǔ)的應(yīng)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(kāi)了一直以來(lái)新型存儲(chǔ)器大規(guī)模量產(chǎn)的制造難題。

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（左）、

應(yīng)用材料公司半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)事業(yè)部總經(jīng)理、首席技術(shù)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?jī)赡昊蛘呤藗€(gè)月翻一倍，性能也提高一倍。如今，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的提升逐漸減緩，從14nm到10nm要四年的時(shí)間，從10nm到7nm、5nm需要更長(zhǎng)的時(shí)間和更大的投入，現(xiàn)在的計(jì)算架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足發(fā)展的需要。與此同時(shí)，萬(wàn)物互聯(lián)帶來(lái)數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，需要巨大的計(jì)算能力。新型存儲(chǔ)器技術(shù)儼然已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)運(yùn)算效率提高的技術(shù)新架構(gòu)之關(guān)鍵所在。

應(yīng)用材料公司金屬沉積產(chǎn)品全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明博士認(rèn)為：“通過(guò)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(shí)現(xiàn)計(jì)算性能的提升。一是新的架構(gòu)，如谷歌的TPU、英偉達(dá)的GPU，可以作為一個(gè)加速器來(lái)提高計(jì)算，尤其是在云端的計(jì)算性能；二是新的結(jié)構(gòu)，如NAND，傳統(tǒng)存儲(chǔ)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(lái)越大，新材料可以顯著提高晶體管的性能；四是新微縮技術(shù)，從材料工程角度，不需要依賴于光刻技術(shù)去推動(dòng)晶體管尺寸的減小，可以通過(guò)一些自對(duì)準(zhǔn)微處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；五是先進(jìn)的封裝技術(shù)，如各種各樣的處理器、存儲(chǔ)器、加速器等，都可以通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)整合到一起，從系統(tǒng)層面上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能。”

這些技術(shù)的基礎(chǔ)就是材料工程，這也正是應(yīng)用材料公司在持續(xù)投入的技術(shù)創(chuàng)新與突破鄰域。

新型存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)并存

由人工智能和大數(shù)據(jù)所推動(dòng)的新計(jì)算需求，加上摩爾定律擴(kuò)展的趨緩，帶來(lái)硬件開(kāi)發(fā)和投資的復(fù)興。新的硬件平臺(tái)、架構(gòu)與設(shè)計(jì)被認(rèn)為是提升計(jì)算效率的關(guān)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(chǔ)器技術(shù)的興起。

與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器比，新型存儲(chǔ)器技術(shù)有很多獨(dú)特的功能和優(yōu)勢(shì)。MRAM即磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，它的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)非常小的面積成本。PCRAM即相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，ReRAM即電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，這兩類存儲(chǔ)器也可以做嵌入式的應(yīng)用，但更大的優(yōu)勢(shì)在于它可以和NAND一樣實(shí)現(xiàn)3D的架構(gòu)，不受限于二維，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器密度的加倍。此外相對(duì)于DRAM其成本優(yōu)勢(shì)也是相當(dāng)大，非常適合在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。

新型存儲(chǔ)器提升了邊緣和云端計(jì)算效率（圖片來(lái)源：應(yīng)用材料公司）

在邊緣設(shè)備，現(xiàn)在的架構(gòu)是一個(gè)邏輯加上一個(gè)SRAM，再加一個(gè)閃存來(lái)存儲(chǔ)算法、軟件、代碼。最關(guān)鍵的問(wèn)題是功耗。SRAM在不用的時(shí)候也在耗電，還漏電。同時(shí)閃存也是一個(gè)高電壓的器件。新型存儲(chǔ)器MRAM在待機(jī)的時(shí)候不耗電，可以用來(lái)部分替代SRAM，并替代閃存，同時(shí)降低二者的功耗，實(shí)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(diǎn)SRAM，因?yàn)镸RAM現(xiàn)在速度上還沒(méi)有真正達(dá)到SRAM的程度，將來(lái)與SRAM非常接近的時(shí)候，預(yù)計(jì)應(yīng)可以全部取代邊緣設(shè)備中的SRAM。

在云端，現(xiàn)在架構(gòu)主要是DRAM用來(lái)計(jì)算，加上SSD（固態(tài)存儲(chǔ)器）去存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。新型的存儲(chǔ)器可以部分取代DRAM。PCRAM、ReRAM跟MRAM類似，是非易失性存儲(chǔ)器，跟DRAM相比，它可以做3D架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本。此外，它也可以部分取代固態(tài)存儲(chǔ)器，SSD便宜但數(shù)據(jù)存取速度相對(duì)較慢，PCRAM、ReRAM同樣可以實(shí)現(xiàn)3D的架構(gòu)，但是性能要好很多，取代部分SSD可以實(shí)現(xiàn)高性能。

因此，從兩個(gè)方面看，新型存儲(chǔ)器可以提高邊緣和云端的計(jì)算效率。然而，盡管這些新興存儲(chǔ)器相對(duì)傳統(tǒng)存儲(chǔ)器有其優(yōu)勢(shì)所在，但實(shí)現(xiàn)大量應(yīng)用的難度可不小，它們給半導(dǎo)體行業(yè)也帶來(lái)獨(dú)特的制造挑戰(zhàn)。

從MRAM的角度看，它有超過(guò)10種材料，超過(guò)30層薄膜堆疊沉積。部分薄膜層的厚度僅達(dá)數(shù)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(zhì)等參數(shù)是關(guān)鍵所在，因?yàn)樵谠訉尤魏螛O小的缺陷都會(huì)影響器件效能。這些新型存儲(chǔ)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(yīng)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(jī)載計(jì)量技術(shù)，皆可支援這些新型器件的量產(chǎn)制程。

應(yīng)用材料公司新型Endura平臺(tái)

解決新型存儲(chǔ)器量產(chǎn)難題

MRAM這個(gè)概念20多年前就有了，近些年隨著研究的深入，在材料，技術(shù)和器件性能上也有了很多突破，而真正達(dá)到量產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益，需要在工業(yè)化規(guī)模上實(shí)現(xiàn)制造設(shè)備的突破。應(yīng)用材料公司是第一家推出量產(chǎn)級(jí)MRAM平臺(tái)的公司。應(yīng)用材料公司的Endura Clover MRAM PVD平臺(tái)是業(yè)內(nèi)首款適合大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)級(jí)MRAM平臺(tái)，是一個(gè)集成式的解決方案，可以在真空條件下執(zhí)行多個(gè)工藝步驟，實(shí)現(xiàn)整個(gè)MRAM的10余種材料30多層一層一層的堆積。

該平臺(tái)由 9 個(gè)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(wú)塵環(huán)境下。這是業(yè)內(nèi)首個(gè)用于大規(guī)模量產(chǎn)的 300 毫米 MRAM 系統(tǒng)，其中每個(gè)反應(yīng)腔最多能夠沉積五種不同材料。MRAM 存儲(chǔ)器需要對(duì)至少 30 層的材料進(jìn)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(huì)極大地影響器件的性能和可靠性。EnduraCloverTM MRAM PVD 平臺(tái)引入了機(jī)載計(jì)量技術(shù)，能夠以亞埃級(jí)靈敏度對(duì)所產(chǎn)生的 MRAM 層的厚度進(jìn)行測(cè)量與監(jiān)控，從而確保實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的均勻度并規(guī)避接觸外界環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)用材料公司創(chuàng)造的最精密的系統(tǒng)（圖片來(lái)源：應(yīng)用材料公司）

PCRAM和ReRAM與MRAM相比沒(méi)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(dú)特，很多是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)里從來(lái)沒(méi)有用過(guò)的材料，特別是其存儲(chǔ)單元和選擇單元材料都是多種成分的復(fù)合材料。應(yīng)用材料公司專為 PCRAM 和 ReRAM 打造的 Endura Impulse PVD 平臺(tái)包含多達(dá)九個(gè)真空工藝反應(yīng)腔，是集成式的材料解決方案，可以在真空條件下實(shí)現(xiàn)多層材料精確沉積，實(shí)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(fù)合材料創(chuàng)新的一個(gè)技術(shù)，對(duì)復(fù)合薄膜材料沉積進(jìn)行了優(yōu)化，來(lái)嚴(yán)格控制多組分材料成分，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)出色的薄膜厚度、均勻性和界面控制。

由于PCRAM和ReRAM存儲(chǔ)器中的新型薄膜材料是對(duì)空氣敏感的，在傳統(tǒng)的計(jì)量設(shè)備中暴露于外界空氣環(huán)境后無(wú)法被可靠地測(cè)量。所以在Impulse PVD平臺(tái)上也裝備了一個(gè)實(shí)時(shí)的機(jī)載計(jì)量技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量并控制生產(chǎn)工藝。

應(yīng)用材料公司半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)事業(yè)部總經(jīng)理、首席技術(shù)官趙甘鳴博士認(rèn)為：“對(duì)這些平臺(tái)的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)好幾年了，今天推出來(lái)是一個(gè)非常好的時(shí)機(jī)，因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)的應(yīng)用看到了很好的前景，同時(shí)很多基礎(chǔ)的研究和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也已累計(jì)了足夠的經(jīng)驗(yàn)，再加上我們針對(duì)材料工程整體解決方案上提出了一個(gè)優(yōu)化的、可以給客戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的手段。我們相信，借助于應(yīng)用材料公司的量產(chǎn)平臺(tái)，可以加速這些新型存儲(chǔ)器在物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用，把這些新技術(shù)推到更廣泛的應(yīng)用和更廣闊的市場(chǎng)。”