照片人物:應用材料公司半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明
近幾年物聯網、工業4.0、雲端運算等科技興起，使得數據有著爆炸性的成長，新運算需求逐漸受到現今記憶體能力限制，摩爾定律擴展的趨緩已無法再提供功耗、效能和面積成本的同步提升。這促使產業紛紛轉向在性能、功耗及成本方面都略勝一籌的新型記憶體MRAM(磁性隨機存取記憶體)、ReRAM(電阻式隨機存取記憶體)與PCRAM(相變隨機存取記憶體)。應用材料公司(Applied Materials)看好因應物聯網 (IoT) 和雲端運算所需的新記憶體技術市场前景，推出創新、用於大量製造的解決方案 Endura Clover MRAM 物理氣相沉積 (PVD) 平台及Endura Impulse PVD 系統，加快這些新型記憶體在整個產業的普及速度。
新的記憶體所採用的新材料為量產製程帶來獨特挑戰，須在設備技術上有所突破才能實現全面生產。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，相近於一顆原子的大小。控制這些薄膜層的厚度、沉積均勻性、介面品質等參數正是維持效能與品質的關鍵，因為在原子層任何極小的缺陷都會影響裝置效能。PCRAM 和 ReRAM兩種技術都具有結構堆疊，包含容易受薄膜成分和劣化衰退影響的多重元素材料。這些新型記憶體裝置的效能和可靠性，取決於矽上沉積和整合新興材料的能力。為此，應用材料公司的全新整合式材料解決方案採用 MRAM 的 Clover PVD、PCRAM 和 ReRAM 的 Impulse PVD，以及內建量測功能，皆可支援這些裝置的量產製程。
應用材料公司半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明說明，應用材料的新 Endura Clover MRAM 物理氣相沉積平台是由 9 個獨特的晶圓處理反應室組成，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，全都是在純淨、高真空的情況下實現。Clover MRAM PVD 平台包括內建量測功能，可以用次埃級 (sub-angstrom) 的靈敏度，在 MRAM 層產生時測量和監控其厚度，以確保原子層級的均勻性，同時免除了暴露於外部環境的風險。
相較於 DRAM，ReRAM 與 PCRAM可大幅降低成本，而且讀取效能也比 NAND 和硬碟機快上許多。ReRAM 也是未來記憶體內運算架構的首要候選技術，能將運算元件整合於記憶體陣列中，以協助克服 AI 運算相關的資料移動瓶頸。ReRAM 對記憶體材料的組成也非常敏感。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銻碲複合物薄膜材料，並達到最佳化的條件。周春明表示， PCRAM 和 ReRAM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。應用材料 Endura Impulse PVD 系統為 PCRAM 和 ReRAM 裝置的大量製造提供了端對端（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。為複合薄膜提供了緊密的成分控制，有助於實現PCRAM 和 ReRAM裝置最佳效能。Impulse PVD 反應室可提供絕佳的薄膜厚度、均勻度和介面品質，這些都是實現裝置高產量的關鍵。
周春明表示， Endura平台以整合多項的材料工程技術與內建量測技術，為物聯網和雲端運算產業提供全新的方式，加上內建量測技術協助這些新型記憶體的大規模量產成為可能。
註:
早在上個世紀的最後的10年中，MRAM就被認為是替代DRAM的次世代記憶體技術之一，而進入研發階段。1998年當時的Motorola製造出了一顆256kb的MRAM測試晶片。
MRAM，即磁阻隨機記憶體（Magnetoresistive random-access memory），是一種非易失性(Non-Volatile)的磁性隨機記憶體。它既有有靜態隨機記憶體（SRAM）的高速讀取寫入能力，還有動態隨機記憶體（DRAM）的高集成度，寫入壽命幾乎是無限次。
然而正在進入市場的MRAM晶片是2006年Freescale（從Motorola分離出來的半導體部門）發佈了一顆4Mbit顆粒，但在成本和工藝成熟度方面遠不及DRAM。2016年IBM和三星聯合發佈了ST-MRAM，2017年Everspin（從Freescale分離出來專注於MRAM製造的公司）公司發佈1Gbit容量顆粒。MRAM市場化的腳步進一步加快。
ReRAM (電阻式隨機存取記憶體) 與 PCRAM (相變隨機存取記憶體) 是快速、非揮發性、低功率的高密度記憶體，可以做為「儲存級記憶體」，以填補伺服器 DRAM 與儲存記憶體之間，不斷擴大的價格與性能落差。
ReRAM (電阻式隨機存取記憶體) 與 PCRAM (相變隨機存取記憶體) 是快速、非揮發性、低功率的高密度記憶體，可以做為「儲存級記憶體」，以填補伺服器 DRAM 與儲存記憶體之間，不斷擴大的價格與性能落差。
ReRAM 採用新材料製成，材料的作用類似於保險絲，可在數十億個儲存單元內選擇性地形成燈絲，以表示資料。對照之下，PCRAM 則採用 DVD 光碟片中可找到的相變材料，並藉由將材料的狀態從非晶態變成晶態，以進行位元的編程。類似於 3D NAND 記憶體，ReRAM 和 PCRAM 是以 3D 結構排列，而記憶體製造商可以在每一代的產品中加入更多層，以穩健地降低儲存成本。ReRAM 與 PCRAM 也提供編程與電阻率中間階段的可能性，讓每個儲存單元可以儲存多個位元的資料。
