MRAM关键工艺步骤

Posted 2021-03-02

非易失性MRAM芯片组件通常在半导体晶圆厂的后端工艺生产，下面英尚微电子介绍关于MRAM关键工艺步骤包括哪几个方面.

(1)底部电极的形成(参考图1)：经由传统图案化与镶嵌工艺形成的底部电极层需要抛光至平坦，并为MTJ堆栈沉积提供超光滑的表面。在这个步骤中，测量和控制底部电极的平滑度对组件性能至关重要，必须控制和监控金属电极的最终高度，同时也必须毫无缺陷。

图1：MRAM底部电极(BE)形成。

(2) MTJ堆栈沉积(参考图2)：MRAM是使用单个一体化的机台进行物理气相沉积(PVD)，可以精确地沉积20至30个不同的金属和绝缘层，每个金属层和绝缘层的厚度通常在0.2至5.0nm之间。必须精确测量和控制每一层的厚度、均匀性、粗糙度和化学计量。氧化镁(MgO)膜是MTJ的核心，它是在自由层(free layer)和参考层(reference layer)之间形成障壁(barrier)的关键层，需要以0.01nm的精度进行沉积，以重复实现目标电阻面积乘积(RA)和隧道磁阻(TMR)特性。RA和TMR是决定组件性能、良率和可靠性的关键参数，甚至只有几个缺失的原子也会严重影响RA和TMR，这解释了为什么量测在MRAM制造中如此重要。

图2：典型的MRAM堆栈沉积范例。

(3) 磁退火：沉积后的堆栈退火确定了参考层(MgO下方的界面)和MgO穿遂障壁的晶体取向。通常，MTJ在高温下在磁场中退火，以改善材料和界面质量并确定磁化方向。在此步骤之后，为了进行工艺控制需要对MTJ的电和磁特性进行监控。这些是制造mram芯片的关键在线量测(inline metrology)步骤。

(4) MTJ柱图案化(参考图3)：MRAM单元通常是直径约20~100nm的圆形柱。从光罩到光阻，从光阻到MTJ迭层的图案转移需要精确控制，从而使组件正常运作。透过非透明的MTJ堆栈进行微影迭对图案对准是一个挑战。离子束蚀刻必须保证支柱蚀刻后完好无损，并且在MTJ底部电极上停止蚀刻的同时，不会在其侧壁留下金属再沉积。蚀刻腐蚀、损坏和沿MgO暴露层的金属再沉积是关键问题，必须在此步骤中进行监控。监视和控制最终MTJ柱的高度和形状(主要是在MgO接口)以及柱的直径对于实现均匀的单元图案至关重要，这反过来又使得MRAM单元的开关分布最小化。最后，封装层覆盖了所有内容，以保护MTJ组件。该层必须毫无缺陷，并且其厚度必须满足规格要求。

图3：蚀刻的MRAM柱(在封装层之前)。

(5)顶部电极的形成：顶部电极的形成与底部电极非常相似，其关键是图案对准。在最终结构中使用双重镶嵌工艺、CD、形状、轮廓和深度以及任何类型的缺陷都很重要 。