為了滿足物聯網(IoT)和雲端運算等新興應用對於記憶體的需求,應用材料(Applied Materials)日前推出一系列物理氣相沉積(PVD)製造系統,據稱能以原子級精確度沉積MRAM、ReRAM與PCRAM等新型記憶體所需的關鍵材料,從而實現穩定的新型記憶體量產。

半導體產業正面臨資料爆炸式成長,以及摩爾定律放緩的挑戰,當今的運算架構已無法滿足未來的大數據(Big Data)、人工智慧(AI)與IoT等應用需求,無論是設計人員或系統架構師都在尋找提升運算效率、速度,以及降低成本的新方法。

新型記憶體由於可為邊緣與雲端裝置提供優於現有記憶體的功耗、效能和成本,被視為是打造近記憶體運算(Near Memory Compute)、記憶體內運算(In-Memory Compute)等下一代運算架構的重要建構模組。然而,新型記憶體技術所採用的新材料,對於其大規模量產帶來了嚴峻的挑戰。

應用材料半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明解釋,MRAM由十多種不同材料和超過30層以上的薄膜與堆疊組成,而ReRAM和PCRAM同樣支援大約5~8層的多層薄膜結構,極其敏感且易受空氣影響,必須在設備技術上有所突破,才能以工業級的規模穩定生產。

20190909NT32P1 MRAM、ReRAM和PCRAM新型記憶體採用多層薄膜與材料堆疊,必須在設備技術上取得突破,才能以穩定量產。(資料來源:應用材料)

為了有效控制低僅數埃的薄膜層厚度、沉積均勻度與介面品質等關鍵製造參數,應材針對適用於IoT的MRAM推出Clover PVD,以及雲端用PCRAM和ReRAM的Impulse PVD整合式材料平台,並內建量測與即時監控功能,有效實現這些新型記憶體的量產。

周春明進一步解釋,Endura Clover PVD系統可在超高真空環境下執行多流程步驟,為MRAM實現材料沉積、介面清潔和熱處理的完整製造過程。他說:「你可以把這套機器內部想像成一座小型工廠,它可以堆疊30多層元件,其核心是7個Clover PVD反應室,可分別以原子級精確度沉積多達5種材料。」

除了矽上沉積以及整合新材料的能力,MRAM製造過程中還涉及攸關效能的氧化鎂穿隧阻障(tunnel barrier)薄膜。為此,Clover PVD採用獨特的氧化鎂沉積技術,以產生穿隧阻障層。相較於市場上採用先沉積再氧化的兩步驟作法,「Clover PVD直接以陶瓷濺鍍技術打造穿隧阻障氧化鎂,有助於實現性能更高20%、耐久性提高100%的低功耗、高效能MRAM。」

另一方面,為了克服沉積多材料組成與敏感材料的挑戰,免於新型記憶體受到薄膜成分和劣化衰退的影響,應用材料並開發Endura Impulse PVD整合式材料解決方案,多達9個反應室均可在真空環境下提供精密的薄膜成分控制與沉積,為PCRAM和ReRAM提供出色的成分均勻度和高生產力。例如針對PCRAM材料提供超過1萬片晶圓的連續沉積,確保穩定的薄膜組成,晶片內成分不一致性均低於1%。

由於新型記憶體薄膜對空氣極其敏感,Endura系列平台均內建量測技術,可在真空環境下提供即時逐層監控與檢測,確保原子層級的均勻性,同時避免暴露於外部環境的風險。

本文同步刊登於EE Times Taiwan 9月號雜誌