MRAM關(guān)鍵工藝步驟

非易失性MRAM芯片組件通常在半導(dǎo)體晶圓廠的后端工藝生產(chǎn)，下面英尚微電子介紹關(guān)于MRAM關(guān)鍵工藝步驟包括哪幾個(gè)方面.

(1)底部電極的形成(參考圖1)：經(jīng)由傳統(tǒng)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(gè)步驟中，測(cè)量和控制底部電極的平滑度對(duì)組件性能至關(guān)重要，必須控制和監(jiān)控金屬電極的最終高度，同時(shí)也必須毫無(wú)缺陷。

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(gè)一體化的機(jī)臺(tái)進(jìn)行物理氣相沉積(PVD)，可以精確地沉積20至30個(gè)不同的金屬和絕緣層，每個(gè)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(cè)量和控制每一層的厚度、均勻性、粗糙度和化學(xué)計(jì)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(guān)鍵層，需要以0.01nm的精度進(jìn)行沉積，以重復(fù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(guān)鍵參數(shù)，甚至只有幾個(gè)缺失的原子也會(huì)嚴(yán)重影響RA和TMR，這解釋了為什么量測(cè)在MRAM制造中如此重要。

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(chǎng)中退火，以改善材料和界面質(zhì)量并確定磁化方向。在此步驟之后，為了進(jìn)行工藝控制需要對(duì)MTJ的電和磁特性進(jìn)行監(jiān)控。這些是制造mram芯片的關(guān)鍵在線量測(cè)(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(zhuǎn)移需要精確控制，從而使組件正常運(yùn)作。透過(guò)非透明的MTJ堆棧進(jìn)行微影迭對(duì)圖案對(duì)準(zhǔn)是一個(gè)挑戰(zhàn)。離子束蝕刻必須保證支柱蝕刻后完好無(wú)損，并且在MTJ底部電極上停止蝕刻的同時(shí)，不會(huì)在其側(cè)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(guān)鍵問(wèn)題，必須在此步驟中進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)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(duì)于實(shí)現(xiàn)均勻的單元圖案至關(guān)重要，這反過(guò)來(lái)又使得MRAM單元的開關(guān)分布最小化。最后，封裝層覆蓋了所有內(nèi)容，以保護(hù)MTJ組件。該層必須毫無(wú)缺陷，并且其厚度必須滿足規(guī)格要求。

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(guān)鍵是圖案對(duì)準(zhǔn)。在最終結(jié)構(gòu)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 。
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