在刚结束的2019年亚洲电子消费展(CES Asia 2019 )上，包括5G、AI、VR等技术，成为代表今年亚洲消费电子科技领域的新趋势。AI的进步、5G的全面渗透发展对大数据和数据存储提出诸多挑战。让我们一同深入阅读以下博客文章，探讨对未来新型存储器的制造要求为何。

作者：Gill Lee，应用材料公司半导体产品事业部存储技术总经理

经过数十年的研发，磁性 RAM (MRAM)、相变存储器 (PCRAM) 和电阻式 RAM (ReRAM) 三款新型存储器即将投入商业化应用，这对半导体和计算行业来说是一个激动人心的时刻。上述三款新兴存储器均将采用新材料打造，并且需要在工艺技术和制造方面取得突破。

理想的半导体存储器将具备以下全部特性：

实际上，无论是现有存储器还是新兴存储器都无法兼具上述所有特性。芯片与计算机设计人员将继续深度挖掘和使用各种存储器技术，力求实现目标。让我们来看看这三款新兴存储器的特性，预测一下它们在行业中的应用方向。

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MRAM：物联网设备的首选

MRAM 具备随机读写速度快、非易失性和低功耗（磁性技术）等众多优点。此外，由于仅需使用三个额外的掩模即可将存储器阵列嵌入芯片的后端互连层，因此 MRAM 在缩减成本方面存在巨大潜力。

虽然 MRAM 速度稍逊于 SRAM，但已足够作为多种嵌入式计算应用的工作存储器，而且也足以满足三级缓存的需求。

事实上，有几家业界领先的逻辑/代工公司曾宣称，其使用嵌入式 MRAM 设计的片上系统已进入早期生产阶段。具体而言，随着物联网 (IoT) 设备对人工智能 (AI) 计算的需求与日俱增，MRAM 已成为这些设备的首选存储器。假以时日，MRAM 可能就会被证明有能力满足嵌入式市场中汽车领域的高温度要求。

从技术和制造的角度来看，MRAM 面临的最大挑战是如何使众多薄膜堆叠层精确沉积以形成磁隧道结 (MTJ)，磁隧道结是用于表示数字数据的基本编程元素。很多金属和绝缘层需要在无尘、低于一个大气压的高度真空环境下使用物理气相沉积 (PVD) 法进行沉积。每一层都需要精准的控制和测量。最为重要的是，核心的氧化镁 (MgO) 薄膜层需要以接近晶体排列的形式精确沉积，并辅以严格的控制，因为即使是发生单个原子的高度变化也会极大地影响性能和可靠性。

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PCRAM：新型存储级存储器

PCRAM 基于“相变”材料，以热量作为编程机制将高度非晶态的材料排列转变为晶体排列。

PCRAM 支持随机存取，相比 DRAM 成本更低，同时具备 3D 可扩展性和非易失性。因此，业界领先的存储器公司正在评估 PCRAM 是否适用于非易失性 DIMM 等应用，以便取代部分基于 DRAM 的 DIMM 和高端固态硬盘。

PCRAM 需要精确沉积多个材料层以形成关键结构。虽然 PCRAM 层并不像 MRAM 一样薄，但其材料极易受到杂质影响，因此需要一种能够处理多种材料并防止颗粒和杂质进入的 PVD 工艺技术。形成 PCRAM 叠层后，将利用等离子体蚀刻技术形成各个存储器单元，并通过封装保护暴露在外的相变材料。

可扩展性是推动 PCRAM 成本规划的关键。使用 2D 扩展可显著缩小关键尺寸，半节距可低至 20nm，而 15-16nm 的设计方案也即将面世。PCRAM 的 3D 扩展有着更为广阔的前景：其初始设计使用双层堆叠，但技术蓝图表明，未来有可能实现 4 层甚至 8 层的堆叠。

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ReRAM：专为高密度应用而打造

ReRAM 技术有多种形式。一些 ReRAM 被嵌入离子桥内的金属丝中，还有一些会在基质中形成氧空位。比特信息存储在电阻材料中（通常为金属氧化物），通过向电阻材料施加电流实现编程，通过感知不同的电阻水平实现读取。ReRAM 的另一特点是可以使用多种材料来实现该技术。

迄今为止，ReRAM 在耐久性方面暴露出明显的局限，需要开展更多工作来确定其故障机制，以便改进材料和制造技术，确保现场可靠性。假设这些难题能够得到解决，ReRAM 将有望进一步提高存储应用的密度并降低成本。

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总结

当今的 DRAM、闪存和 SRAM 等主流存储器用了几十年才走向成熟，而且仍在不断发展。然而，这些存储器的扩展愈发困难，特别是性能、功率和成本方面。与此同时，计算技术的应用领域不断扩大，许多人设想在未来的世界中，数百亿的低成本计算机将嵌入到各种工业产品和消费品中，形成物联网，并导致需要存储到公共和私人云数据中心的数据呈爆炸式增长。MRAM、PCRAM 和 ReRAM 等新兴存储器有望实现更高的性能、更低的功耗和更低的成本，是首选的补充方案，在某些情况下甚至可以替代当今的主流技术。

新兴的存储器技术将采用在无尘条件下通过精确的薄膜沉积、测量、蚀刻/分离和封装技术形成的新材料和新结构。制造这些新一代存储器时，即使是少数原子的变化也会造成很大的影响。应用材料公司致力于为客户提供全新的材料工程解决方案，我们计划在未来几周到几个月的时间内与大家分享更多信息，敬请期待。

来源：应用材料公司