物聯網(IoT)、大數據和人工智能(AI)正在推動對更高速度和更節能計算的需求。業界的反應是將新的存儲技術引入市場，特別是三種新型存儲器——MRAM(磁性隨機存取存儲器)、PCRAM(相變RAM)和ReRAM(電阻RAM)——正成為物聯網和云技術環境下存儲器的主要候選。

所有這三種新興的存儲器都基于精細的新材料，需要在工藝技術和大批量生產上取得突破。它們的關鍵薄膜很薄，而且對變化非常敏感，因此計量至關重要。沉積層對雜質的敏感性意味著多個工藝步驟和計量應該在真空環境下進行集成。

MRAM、PCRAM和ReRAM有望實現更高的系統性能和更低的功耗，主要的半導體制造商已經宣布了將MRAM和PCRAM商業化的計劃。這意味著在復雜的新材料工程和工業規模的原子精度沉積方面正在取得進展。

MRAM是通過物理氣相沉積(PVD)方法，精確地沉積至少30個不同的金屬層和絕緣層，每個絕緣層的厚度一般在1-30埃之間，每一層都必須精確測量和控制。氧化鎂(MgO)膜是磁隧道結(MTJ)的核心，是形成自由層和參考層之間屏障的臨界層，需要沉積精度為0.1埃，以反復實現低區電阻(RA典型的范圍為5-10Ωμm2)和隧道磁電阻(TMR> 150%)的特性。TMR是決定設備性能、成品率和耐久性的關鍵參數，丟失原子會嚴重影響TMR(圖1)，這解釋了為什么計量在MRAM制造中如此重要。

雖然PCRAM和ReRAM層不像MRAM那么薄，但是這些材料暴露于空氣中時非常容易受到影響。與MRAM一樣，這需要一個集成的PVD工藝系統，能夠在真空下沉積和測量多種材料，以防止粒子和雜質污染設備。

在制造這些下一代存儲器時，可變性控制是實現批量生產和商業化的可重復性能的關鍵。為了在晶圓片閾值電壓(Vt)范圍內實現<0.3V的變化性，PCRAM存儲器中的關鍵層必須控制在目標厚度的±5埃以內，這反過來又要求計量學具有亞埃精度。這種薄膜的傳統表征方法依賴于大量獨立的計量技術和透射電子顯微鏡(TEM)，這些技術與工藝工具分離，可能會導致薄膜降解。

大多數薄膜暴露于空氣中時，其性能會發生變化，因此傳統的大氣計量方法依賴于較厚的掩蓋層薄膜進行腔室監測，而這往往不能代表超薄膜的材料性能。這種方法需要較多的沉積材料和腔室認證時間。

雖然如圖2所示，TEM可以解決單個薄層，但當層的厚度不超過兩個原子時，“邊”的定義和層厚度的精確確定就成了問題。這種情況需要一種內在考慮工藝統計性的計量系統。此外，長時間的計量結果(小時到天)不精確地測量了埋薄膜的性能，同時無法監測完整的晶圓片堆疊，這些都推動了對新的計量技術的需求。

因此，需要在真空環境下跨多個工藝步驟操作的集成平臺，使加工時間最小化，避免薄膜退化和接口問題。此外，它們為堆疊中每一層的閉環控制打開了大門，從而減少了可變性。

為了使新型存儲器達到大批量生產，工業必須提供新的工藝控制解決方案。這些系統應該測量原始沉積的薄膜，操作迅速，不會對存儲器造成額外傷害。