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MRAM關鍵工藝步驟包括哪幾個方面

冬至子 ? 來源:英尚微電子 ? 作者:英尚微電子 ? 2022-11-17 15:20 ? 次閱讀

非易失性MRAM芯片組件通常在半導體晶圓廠的后端工藝生產,下面英尚微電子介紹關于MRAM關鍵工藝步驟包括哪幾個方面.

(1)底部電極的形成(參考圖1):經由傳統圖案化與鑲嵌工藝形成的底部電極層需要拋光至平坦,并為MTJ堆棧沉積提供超光滑的表面。

在這個步驟中,測量和控制底部電極的平滑度對組件性能至關重要,必須控制和監控金屬電極的最終高度,同時也必須毫無缺陷。

MRAM1.jpg

圖1:MRAM底部電極(BE)形成。

(2) MTJ堆棧沉積(參考圖2):MRAM是使用單個一體化的機臺進行物理氣相沉積(PVD),可以精確地沉積20至30個不同的金屬和絕緣層,每個金屬層和絕緣層的厚度通常在0.2至5.0nm之間。必須精確測量和控制每一層的厚度、均勻性、粗糙度和化學計量。

氧化鎂(MgO)膜是MTJ的核心,它是在自由層(free layer)和參考層(reference layer)之間形成障壁(barrier)的關鍵層,需要以0.01nm的精度進行沉積,以重復實現目標電阻面積乘積(RA)和隧道磁阻(TMR)特性。

RA和TMR是決定組件性能、良率和可靠性的關鍵參數,甚至只有幾個缺失的原子也會嚴重影響RA和TMR,這解釋了為什么量測在MRAM制造中如此重要。

MRAM2.jpg

圖2:典型的MRAM堆棧沉積范例。

(3) 磁退火:沉積后的堆棧退火確定了參考層(MgO下方的界面)和MgO穿遂障壁的晶體取向。通常,MTJ在高溫下在磁場中退火,以改善材料和界面質量并確定磁化方向。

在此步驟之后,為了進行工藝控制需要對MTJ的電和磁特性進行監控。這些是制造mram芯片的關鍵在線量測(inline metrology)步驟。

(4) MTJ柱圖案化(參考圖3):MRAM單元通常是直徑約20~100nm的圓形柱。從光罩到光阻,從光阻到MTJ迭層的圖案轉移需要精確控制,從而使組件正常運作。

透過非透明的MTJ堆棧進行微影迭對圖案對準是一個挑戰。離子束蝕刻必須保證支柱蝕刻后完好無損,并且在MTJ底部電極上停止蝕刻的同時,不會在其側壁留下金屬再沉積。

蝕刻腐蝕、損壞和沿MgO暴露層的金屬再沉積是關鍵問題,必須在此步驟中進行監控。監視和控制最終MTJ柱的高度和形狀(主要是在MgO接口)以及柱的直徑對于實現均勻的單元圖案至關重要,這反過來又使得MRAM單元的開關分布最小化。

最后,封裝層覆蓋了所有內容,以保護MTJ組件。該層必須毫無缺陷,并且其厚度必須滿足規格要求。

MRAM3.jpg

圖3:蝕刻的MRAM柱(在封裝層之前)。

(5)頂部電極的形成:頂部電極的形成與底部電極非常相似,其關鍵是圖案對準。在最終結構中使用雙重鑲嵌工藝、CD、形狀、輪廓和深度以及任何類型的缺陷都很重要 。

審核編輯:劉清

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