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新型存儲器對于工藝與設備提出新的要求

全球半導體業正處于由之前的計算時代向大數據、人工智能（AI）和物聯網（IoT）驅動的過渡階段。但是要實現新的人工智能和物聯網應用等所需的計算性能提高和能耗的降低，是業界面臨的最大的挑戰,其中最關鍵的需求可能是提供新型的存儲器制造技術。

在一個題為“PCRAM/MRAM：期望/如何管理人工智能、在存儲器內計算和物聯網”，由法國CEA-Leti與美國應用材料公司聯合舉行的研討會上，代表們報告了當前的挑戰、進展和新的解決方案，其中最主要的是需要進行更有效的計算，因為依目前的能源消耗水平是不可持續的。此外，不同的應用和市場細分正在推動不同的存儲需求、技術和策略。而且，經過多年的開發，工藝技術已經準備好能支持在商業應用中使用各類新型存儲器。

今天工業路線圖的基本驅動力是巨大的數據流。到2022年時，超過10 zettabytes的數據將需要處理、存儲和傳輸,其中大約90%是IT設備生成的數據。如此龐大的數據量反映出智能音箱、可穿戴設備、工業傳感器和自動駕駛等更為智能化的邊緣應用市場。現階段看到各類數據中心的建設正在跟上。如果不加以控制，所有這些處理和數據傳輸的能源需求可能消耗相當于整個國家供應的能源。

根據業內的說法，存儲器消耗的90%能量用于傳輸數據。將存儲器移近計算可以緩解這種情況。為了提高存儲器和計算的性能和降低能耗，正在研究多種策略，包括為邊緣計算和存儲應用優化的存儲器、新的（SoC）芯片封裝方案、使用TSV的3D封裝以及在存儲器內的計算( in memory compute)，這些策略有可能使能耗減少8倍。

尚沒有一種新型的存儲器能夠處理產生如此大量數據的所有不同需求。從新型的存儲器來看，包括MRAM、PCRAM和RERAM正朝著滿足市場需求的成熟度方向邁進。每種技術都有相應的應用特點,如能滿足邊緣計算和物聯網應用的MRAM、以及云端應用的PCRAM等,但是它們都將提高性能和降低能耗。

美應用材料公司正努力提供新型存儲器的制造技術及設備，尤其是MRAM(通過磁隧道結中自由層的磁化翻轉來實現)及PCRAM(相變存儲器)。

對于MRAM制造，主要的挑戰是存儲器堆棧的淀積，通常是采用PVD技術完成的。原子級的精密度和控制要求在30層以上的極薄層中沉積10多種不同的材料，其中一些材料的厚度只能達到幾埃。為了保持關鍵的、非常薄的磁性隧道結的完整性，需要無損傷的蝕刻和封裝技術。

與MRAM一樣，PCRAM也是由多種新的材料實現的，需要在PVD和蝕刻技術方面進行創新。由于PCRAM是基于組份的（由三種不同元素組合而成），因此其材料往往非常復雜，厚度均勻性至關重要。制造工藝的關鍵是在材料改變晶相階段時可以進行材料組份的調整,以及最小的損傷。工藝技術可以根據應用情況對于它的組份進行高保留率(High retention)、溫度、高速度或者高耐久性(high endurance)的調整。

材料堆(stack)的組份決定了存儲器的性能。由于使用了如此多種的復雜材料，暴露在大氣中會造成污染和損壞。它需要一種超高真空環境，因此解決方案必須將各種工藝技術與計測集成一體，以確保材料的原始完整性及控制，從而實現與材料相關的存儲器的批量生產。