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新型存储器的大批量生产为什么这么难?

2019-12-16

物联网(IoT)、大数据和人工智能(AI)正在推动对更高速度和更节能计算的需求。业界的反应是将新的存储技术引入市场,特别是三种新型存储器——MRAM(磁性随机存取存储器)、PCRAM(相变RAM)和ReRAM(电阻RAM)——正成为物联网和云技术环境下的主要候选。


所有这三种新兴的都基于精细的新材料,需要在工艺技术和大批量生产上取得突破。它们的关键薄膜很薄,而且对变化非常敏感,因此计量至关重要。沉积层对杂质的敏感性意味着多个工艺步骤和计量应该在真空环境下进行集成。


MRAM、PCRAM和ReRAM有望实现更高的系统性能和更低的功耗,主要的半导体制造商已经宣布了将MRAM和PCRAM商业化的计划。这意味着在复杂的新材料工程和工业规模的原子精度沉积方面正在取得进展。


MRAM是通过物理气相沉积(PVD)方法,精确地沉积至少30个不同的金属层和绝缘层,每个绝缘层的厚度一般在1-30埃之间,每一层都必须精确测量和控制。氧化镁(MgO)膜是磁隧道结(MTJ)的核心,是形成自由层和参考层之间屏障的临界层,需要沉积精度为0.1埃,以反复实现低区电阻(RA典型的范围为5-10Ωµm2)和隧道磁电阻(TMR> 150%)的特性。TMR是决定设备性能、成品率和耐久性的关键参数,丢失原子会严重影响TMR(图1),这解释了为什么计量在MRAM制造中如此重要。


虽然PCRAM和ReRAM层不像MRAM那么薄,但是这些材料暴露于空气中时非常容易受到影响。与MRAM一样,这需要一个集成的PVD工艺系统,能够在真空下沉积和测量多种材料,以防止粒子和杂质污染设备。


在制造这些下一代时,可变性控制是实现批量生产和商业化的可重复性能的关键。为了在晶圆片阈值电压(Vt)范围内实现<0.3V的变化性,PCRAM存储器中的关键层必须控制在目标厚度的±5埃以内,这反过来又要求计量学具有亚埃精度。这种薄膜的传统表征方法依赖于大量独立的计量技术和透射电子显微镜(TEM),这些技术与工艺工具分离,可能会导致薄膜降解。


大多数薄膜暴露于空气中时,其性能会发生变化,因此传统的大气计量方法依赖于较厚的掩盖层薄膜进行腔室监测,而这往往不能代表超薄膜的材料性能。这种方法需要较多的沉积材料和腔室认证时间。


虽然如图2所示,TEM可以解决单个薄层,但当层的厚度不超过两个原子时,“边”的定义和层厚度的精确确定就成了问题。这种情况需要一种内在考虑工艺统计性的计量系统。此外,长时间的计量结果(小时到天)不精确地测量了埋薄膜的性能,同时无法监测完整的晶圆片堆叠,这些都推动了对新的计量技术的需求。

因此,需要在真空环境下跨多个工艺步骤操作的集成平台,使加工时间最小化,避免薄膜退化和接口问题。此外,它们为堆叠中每一层的闭环控制打开了大门,从而减少了可变性。


为了使新型存储器达到大批量生产,工业必须提供新的工艺控制解决方案。这些系统应该测量原始沉积的薄膜,操作迅速,不会对存储器造成额外伤害。


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