生产STT-MRAM难度大

 

它的工艺流程也与传统内存的不一样。正常情况下，MRAM 工艺是从传统晶圆厂开始的，代工供应商会在这里生产带有电路的标准 CMOS 晶圆，这就是所谓的生产线前道工序（FEOL）。其中的电路可以集成一种晶体管方案或一个微控制器（MCU）这样的器件。

 

然后，该器件和/或一个基板会被送到被称为生产线后道工序（BEOL）的另一处晶圆厂设施。在这里，金属层和微细的铜导线会被加工装配到该器件上。

 

STT-MRAM 是在晶圆厂的 BEOL 工序中生产制造的。实际上，STT-MRAM 内存层构建于芯片中一个金属层的触点或通孔之上，比如 M4 或其它金属层。

嵌入式 MRAM

 

DRAM 和闪存则相反，是在内存晶圆厂的 FEOL 工序中加工的。在 FEOL 工序中，传统内存加工时的温度更高。

 

但是 MRAM因为磁性薄膜很薄，无法承受更高的温度，所以 MRAM 在 BEOL 工序制造，这时候的温度要低得多。Applied 的 Ping 说：“磁性薄膜非常薄，你不能给它提供非常高的温度。”

 

生产制造 STT-MRAM 是一个精细的过程。如果步骤不严格遵守，就会出问题。短缺的情况常常发生，就会影响产量。解决缺陷问题也很具挑战性。

 

首先，STT-MRAM 在以下部分需要三个掩模步骤：底部电极、顶部电极和 MTJ 单元。第一步是沉积一层薄层材料，这会成为底部电极。然后就会遇到第一个难点——形成薄膜的堆叠。这种薄膜堆叠可能有 20 到 30 层。方法就是高精度地一层一层地沉积这些薄膜。

 

Ping 说：“这是一种非常薄的膜，厚度只有几埃。你要将它们堆叠起来以实现磁化作用的最大化。”

 

在某些情况下，STT-MRAM 是在一个使用各种工艺模组的封闭的集群工具中制造的。这些模组包含用于物理气相沉积（PVD）、退火和离子束蚀刻的专门腔室。

 

如果这种薄膜堆叠暴露在空气中，就会出现问题。“你需要在同一台机器中蚀刻和封装它。”Lam Research 副总裁 Thorsten Lill 说，“你不能将晶圆暴露在空气中。”

 

STT-MRAM 包含一个 MTJ 内存单元。MTJ 使用了基于氧化镁（MgO）的薄介电隧道势垒薄膜，它被夹在两层基于硼铁化钴（CoFeB）化合物的铁磁层之间。在工作时，电流会流过仅有大约 10 埃厚度的 MgO 薄膜。据 Applied Materials 的数据，CoFeB 层的厚度为 10 到 30 埃。

 

pMTJ 薄膜堆叠细节。(b) 和 (c) 展示了 pMTJ 阵列的横截面和顶视图，来自Applied Materials

 

在晶圆厂中，这种堆叠可以进行调节。Lam 的 Lill 说：“关于 MRAM 的有趣之处在于根据你构建这种堆叠的方法的差异，你可以得到更低或更高温度的器件。你可以让它像闪存或 SRAM。所有这些都可以通过调整这种堆叠办到。”

 

然后，对该薄膜堆叠执行退火，之后又是另一大难题——蚀刻。要得到预期大小和尺寸的 MTJ 堆叠，要在表面沉积一种抗蚀剂，然后再蚀刻。

 

STT-MRAM 没有使用的传统的反应离子束蚀刻（RIE）工具，因为这会破坏堆叠。行业实际使用了离子束蚀刻（IBE），即使用带电离子束蚀刻这些薄膜。

 

使用 IBE 时，离子束会撞击薄膜表面。“这是溅射方法。”Lill 说，“这被称为化学增强离子束蚀刻（chemically-enhanced ion beam etching）。第一代是纯惰性气体氩氙溅射。”

 

但 IBE 也面临着一些挑战。Applied 的 Ping 说：“离子束蚀刻器对间距有限制。当你的间距更小时，会出现阴影效应。这项技术还仍在开发之中。”

 

然后，在完成 IBE 之后，该器件就会被封装起来。在每一步，这个器件都要经历多种计量步骤。KLA-Tencor 客户参与高级总监 Neeraj Khanna 表示：“我们预计这些新架构将会推动发展对计量和检测的新要求。”


关键词：STT-MRAM

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