根據Objective Analysis和Coughlin Associates發表的最新年度報告《Emerging Memories Ramp Up》顯示,以磁性隨機存取記憶體(MRAM)、相變RAM(PCRAM)和阻性RAM(ReRAM)為代表的新興記憶體技術,正在「競相取代SoC中的大部份嵌入式NOR Flash、SRAM,甚至是DRAM等記憶體銷售比重」的道路上越走越遠。

該報告指出,這些新興記憶體無論是作為獨立晶片還是被嵌入於ASIC、微控制器(MCU)和運算處理器中,都有可能變得比現有的記憶體技術更具競爭力。預計到2029年,新興記憶體市場可望創造200億美元的合併收入。其中,PCRAM由於價格低於DRAM,可望在2029年前成長至160億美元的市場規模;同時,獨立型MRAM和基於自旋轉移力矩的MRAM(STT-MRAM)的收入將接近40億美元,或超過2018年MRAM收入的170倍。

遊戲規則的改變

應用材料(Applied Materials)金屬沉積產品事業部全球產品經理周春明認為,物聯網(IoT)與工業4.0的發展讓訊息量呈現爆炸式增長,所有資料都必須在從邊緣到雲端的多個層級上進行收集、處理和傳輸、儲存和分析。但另一方面,摩爾定律卻面臨擴張速度的急速放緩,無法再提供功率、性能和面積成本(PPAC)的同步提升。

在這樣的大背景下,各種規模的企業於是競相開發新的硬體平台、架構與設計,以提升運算效率,以MRAM、ReRAM和PCRAM為代表的新型記憶體技術,便是晶片與系統設計人員都致力研究的關鍵領域之一。這些新型記憶體既能夠提供更多工具來增強近記憶體運算(Near Memory Compute),也是下一階段記憶體內運算 (In-Memory Compute)的建構模組。

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相關研究指出,如果以嵌入式MRAM取代微控制器中的eFlash和SRAM,可節省高達90%的功耗;如果採用單一電晶體MRAM取代六個電晶體SRAM,則可實現更高的位元密度和更小的晶片尺寸,這些功率與面積成本優勢將使MRAM成為邊緣側設備的有力競爭者。而相較於傳統的NAND快閃記憶體,PCRAM或ReRAM儲存級記憶體更可提供超過10倍以上的存取速度,更適合在雲端對資料進行儲存。

20190731NT61P2 新型記憶體顯著提升PPAC的收益。

新型記憶體前進到哪裡?

理想的半導體記憶體應該具備下圖全部特徵:

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但實際上,無論是現有記憶體還是新興記憶體都無法兼具上述所有特性。晶片與電腦設計人員正在持續深度挖掘和使用各種記憶體技術,力求實現目標。

˙MRAM

MRAM是一種非揮發性儲存技術,從20世紀90年代開始發展。該技術具備接近靜態隨機記憶體的高速讀取寫入能力,快閃記憶體的非揮發性、容量密度和與DRAM幾乎相同的使用壽命,但平均能耗卻遠低於DRAM,而且可以無限次地重複寫入。

2018年底,英特爾(Intel)、三星(Samsung)、GlobalFounderies等半導體巨擘在第64屆國際電子元件會議(IEDM)上分別發表了嵌入式MRAM在邏輯晶片製造製程上的新技術,一致認為從可擴展性、形狀可調整,以及磁可擴展性方面來看,STT-MRAM都是目前最佳的MRAM技術。

英特爾方面稱其22FFL製程的STT-MRAM是「首款基於FinFET製程的MRAM技術」,使用216×225mm 1T-1R記憶體單元,可在攝氏200度溫度下實現10年的資料保留能力,耐受度超過106個開關週期;三星則介紹了其採用28nm FDSOI製程製造的STT-MRAM,稱其8Mb MRAM的耐受度為106個週期,同樣支援10年的保留能力;GlobalFounderies重點展示了其22nm FD-SOI嵌入式MRAM技術在汽車市場的表現,由於車載嵌入式記憶體必須要能夠承受零下40攝氏度至最高150攝氏度範圍的工作溫度,具有百萬分之一以下精準度誤碼率(BER)和極高可靠性的格芯eMRAM被認為極具競爭力。

MRAM技術之所以受到業界追捧,原因在於隨著業界持續向更小技術節點邁進,DRAM和NAND快閃記憶體(Flash)正面對著嚴苛的微縮挑戰,MRAM因此被視為有望取代這些記憶體晶片的獨立記憶體元件。此外,考慮到MRAM具備快速讀/寫時間、高耐受度,以及強勁的保留能力,也被視為極具吸引力的嵌入式技術,適用於取代物聯網設備中的嵌入式快閃記憶體和3級快取記憶體SRAM。

「它不是用來替代快閃記憶體,而是用來處理運算過程中產生的資料。」恩智浦(NXP)資深副總裁兼微控制器事業部總經理Geoff Lees之前在接受《電子工程專輯》中國版專訪時也曾提及MRAM技術,並認為MRAM具有高速讀寫能力,同時也能永久地保存資料,所以它屬於RAM,又能兼顧非揮發性。2017~2018年間,NXP聯合其他幾家合作夥伴一起開發了MRAM測試晶片,i.MX RT團隊正在研究將其內建於下一代產品中,並計畫於今年內推出樣片。

˙ReRAM與PCRAM

ReRAM採用工作原理類似保險絲的新材料製成,能夠在數十億個儲存單元中選擇性地形成細絲來表示資料。PCRAM與之不同,採用的是DVD光碟中常見的相變材料,透過將材料狀態從非晶態更改為晶態對資料位元進行程式設計。

ReRAM和PCRAM與3D NAND記憶體類似,同樣呈3D結構排列,記憶體製造商可以在更新換代過程中逐步增加層數,從而穩定地降低儲存成本,並能夠提供比NAND和硬碟驅動器更快的讀取性能。與此同時,ReRAM和PCRAM還有望實現和編輯多個電阻率中間形態,以便在每單個記憶體單元中儲存多位數據。

目前,業界均將ReRAM視作未來記憶體運算架構的首選產品,在這一架構中,運算元件將集成到記憶體陣列中,協助克服與人工智慧(AI)運算相關的資料傳輸瓶頸。Crossbar、東芝(Toshiba)、Elpida、索尼(Sony)、松下(Panasonic)、美光(Miron)、SK海力士(SK Hynix)、富士通(Fujitsu)等廠商都在展開ReRAM的研究和生產工作。在製造方面,中芯國際(SMIC)、台積電(TSMC)和聯電(UMC)都已經將ReRAM納入自己未來的發展藍圖中。

迄今最為精密的晶片製造系統

然而,MRAM是一種非常複雜的薄膜多層堆疊,由10多種不同材料和超過30層以上的薄膜與堆疊組成,部分薄膜層的厚度僅達數埃(Å),比人類的髮絲還要薄500,000倍,相近於一顆原子的大小,如何控制這些薄膜層的厚度、沉積均勻性、介面品質等參數是關鍵所在。因為在原子層級,任何極小的缺陷都會影響裝置效能,所以這些新型記憶體要想實現大規模量產,必須在矽上沉積和整合新興材料能力方面取得實質突破。

與之類似,作為高密度記憶體應用的候選技術,PCRAM和ReRAM都具有結構堆疊,包含容易受薄膜成分和劣化衰退影響的多重元素材料。以相變單元材料為例,產業界花了數十年的時間才發現具有適當成分的鍺(Ge)銻(Sb)碲(Te)複合物薄膜材料,並達到最佳化的條件,而ReRAM 對記憶體材料的組成也非常敏感。因此,製造設備解決方案需要提供精確的薄膜厚度、成分均衡性和介面品質。

為了解決MRAM、ReRAM和PCRAM大規模量產面臨的挑戰,應用材料推出了新型Endura Clover MRAM PVD平台和Endura Impulse PVD系統,按照周春明的說法,他們也是公司歷史上迄今為止推出的「最為複雜和精密的晶片製造系統」,並已出貨給5家MRAM和8家PCRAM/ReRAM用戶。

Clover MRAM PVD平台可在超高真空環境下執行多流程步驟,實現整個MRAM單元製造,包括材料沉積、介面清潔和熱處理,其核心是Clover PVD腔室,可在原子層級精度下沉積多達五種材料。在系統層級方面,可整合多達9個Clover PVD製程反應腔到Endura平台,無須真空中斷即可於單一整合式系統中實現複雜的MRAM堆疊沉積。除了Clover PVD腔室外,超高真空系統也配備介面清潔、氧化和退火技術,並針對MRAM裝置效能進行了最佳化處理。

晶圓上方獨特設計的阻擋層是Clover MRAM PVD平台的亮點之一。一次僅暴露一種目標材料,並且會旋轉到下一個材料的設計思路不但建立起具有銳利原子介面的堆疊,而且有效避免了不同材料之間的交叉污染。

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周春明說,薄膜的結晶度、紋理校準和原始介面品質最終決定了MRAM元件的性能,其中,又以隧道結氧化鎂的形成最為關鍵。考慮到沉積的參考層和氧化鎂阻擋層(barrier layer)大多屬非晶體性質,因此會先進行退火以使其結晶,再對部分堆疊進行低溫冷卻產生低溫表面,以促進自由層的銳利原子介面。完全堆疊沉積之後,再執行另一次退火以使整個堆疊完全結晶化。

與替代方案依賴先沉積鎂,然後再氧化形成氧化鎂的兩步驟制程不同,Clover PVD氧化鎂沉積技術選擇通過陶瓷濺射來沉積氧化鎂,可提供改良的讀取信號耐久性100倍以上,從而幫助實現更低的功率效能和更高的耐久性,非常適合邊緣應用。

20190731NT61P5 Clover PVD氧化鎂沉積技術可生成高品質的氧化鎂阻擋層和介面。

Endura Impulse PVD系統則為PCRAM和ReRAM元件的大批量生產提供了端到端(end to end)的能力,可精準地在真空環境下實現各種PCRAM和ReRAM薄膜堆疊沉積。資料顯示,以超過一萬片晶圓的連續沉積為例,經由Impulse PVD系統的晶圓成分不一致性遠小於1%。

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由於新型記憶體薄膜中有許多是對空氣敏感的,因此應用材料還在Endura平台中整合了機載計量解決方案,能夠以亞埃級靈敏度對所產生的薄膜層厚度進行測量與監控,從而確保實現原子級的均勻度並規避接觸外界環境的風險。

本文為姊妹刊EE Times China原創文章