量子精鉴|我们离下一代存储器还有多远?

鼎兴量子2019-03-14 13:17:31

尽管存储器取得了低成本提供大容量、适用于长期存储等进展,但对于像云计算这类应用和最新的移动产品来说,仍需要一种全新的存储器,能够集 DRAM更快的速度、NAND 更高的位密度与低成本为一体。为满足这些需求,下一代全新技术正在被探索——例如针对系统级芯片 (SoC) 等嵌入式应用以及存储级内存空间的技术。


芯片制造商会根据不同的用途在产品中充分利用两种不同功能类别的存储器。例如,主存储器通常对于速度要求更高,因此会采用DRAM和SRAM。而闪存,特别是NAND,由于能够以低成本提供大容量,则适用于长期存储。为了提高这两大类存储器的速度、容量和功耗,DRAM继续传统的平面微缩,以容纳尽可能多的字节。NAND设备的架构也从2D转换到3D,进一步应对微缩的挑战。


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图 1. DRAM/SRAM 和闪存具有相反特性,给存储级内存留下了待填补的空白



面向嵌入式存储器应用的磁阻 RAM (MRAM) 和面向存储级内存的相变 RAM (PCRAM)已得到广泛应用。单个 MRAM 单元可置于硬盘驱动器的读取磁头上,而 PCRAM 则是 CD 和 DVD 的基础技术。但这两种应用都不需要使用高密度的单元作为独立存储器。


如果要将这些新器件制造成独立存储器,兼容现有的 CMOS 工艺技术是控制生产成本的关键因素。当它们被嵌入其他电路时,会用到在标准 CMOS 生产中不常见的材料。对于 MRAM来说,所需的材料包括用于电极的 Ru、Ta 和 TiN ,用于磁性层的CoFe、NiFe、CoFeB、PtMn、IrMn 和 Ru,以及用于电介质的Al2O3、MgO 和 NiO。同时,PCRAM 会使用硫属化合物,主要是 Ge2Sb2Te (GST) 和 InSbTe。


这项工艺的其中一个挑战在于,这些材料在刻蚀过程中可能会受损。在现有的应用中,由于存储单元足够大,所以此类损坏就显得微不足道。然而,对于密集排列的小存储单元,必须解决材料受损的问题。现在,通过使用从反应离子刻蚀 (RIE) 技术转变而来的离子束刻蚀 (IBE)技术,以及实施原位封装可以促使MRAM成为嵌入式存储器,PCRAM成为存储级存储器。


RIE 过程中的化学损伤


传统 CMOS 材料的刻蚀副产物为气态,因此很容易从刻蚀反应腔中清除。然而, MRAM 材料往往会产生非挥发性副产物,最后可能沉积在整个晶圆上,导致短路并产生锥形堆叠。因此,如何开发刻蚀材料是将它们集成到存储器应用中的关键挑战之一。


图 2. 非挥发性 MRAM 刻蚀副产物沉积在晶圆表面上,从而形成一个锥形 MRAM 单元堆叠。


另一项挑战是在刻蚀工艺结束后的磁层保护。一些刻蚀应用会采用卤素基化学物,当暴露于空气中时,会腐蚀磁性材料。MgO 介电层也面临着类似的挑战,卤素(氯和氟)再次成为罪魁祸首,损害电池性能。


传统的RIE 工艺依赖于晶圆上的化学反应。另外,刻蚀腔室内的电极与晶圆之间的电场会加速离子反应。由于晶圆被用作电极,离子总是以正交(垂直)的方式撞击晶圆表面。


当采用 IBE 技术时,刻蚀机制只是纯粹的离子撞击。仅仅是物理反应,而非化学反应,因此不会产生任何化学损伤。此外,电场由独立的电极形成,从而能使晶圆保持中性。这意味着,晶圆可以相对于离子的方向倾斜和旋转,确保刻蚀工艺能够去除堆叠的锥形部分。


刻蚀后的水合作用和氧化作用


除此之外,还有一个挑战是在刻蚀后和保护这些材料进行封装之前,MgO 的水合作用以及其他层的氧化作用会显现。周围环境中的氧气和湿气会在几秒到几小时之内迅速造成这种污染。这将导致编程/擦除窗口关闭 (Ron/Roff),使得更难以可靠地读取存储单元。在从刻蚀腔室移动至封装腔室的过程中,用于 PCRAM 的硫属化物同样会受到氧化作用的影响。对此,这里的解决方案就是控制周边环境,并在刻蚀后管理与周边环境的相互作用。


图 3.封装之前,氧气和水可能会扩散到顶层,从而污染硫属化合物材料。



面向下一代存储器的刻蚀技术


MRAM 和 PCRAM 技术在制造存储级内存方面处于领先地位,配合DRAM、SRAM和闪存同时使用,并很好地嵌入CMOS晶圆。微缩和封装储存单元可以使其适用于刻蚀技术所需的密集阵列。


整个行业都在积极开发用IBE 代替 RIE的技术和控制等待时间和环境暴露的技术,以此推动在嵌入式应用中使用经济高效的高产量存储器。


来源:半导体芯科技


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