它的工藝流程也與傳統(tǒng)內(nèi)存的不一樣。正常情況下，MRAM 工藝是從傳統(tǒng)晶圓廠開始的，代工供應(yīng)商會在這里生產(chǎn)帶有電路的標準 CMOS 晶圓，這就是所謂的生產(chǎn)線前道工序（FEOL）。其中的電路可以集成一種晶體管方案或一個微控制器（MCU）這樣的器件。

 

然后，該器件和/或一個基板會被送到被稱為生產(chǎn)線后道工序（BEOL）的另一處晶圓廠設(shè)施。在這里，金屬層和微細的銅導(dǎo)線會被加工裝配到該器件上。

 

STT-MRAM 是在晶圓廠的 BEOL 工序中生產(chǎn)制造的。實際上，STT-MRAM 內(nèi)存層構(gòu)建于芯片中一個金屬層的觸點或通孔之上，比如 M4 或其它金屬層。

嵌入式 MRAM

 

DRAM 和閃存則相反，是在內(nèi)存晶圓廠的 FEOL 工序中加工的。在 FEOL 工序中，傳統(tǒng)內(nèi)存加工時的溫度更高。

 

但是 MRAM因為磁性薄膜很薄，無法承受更高的溫度，所以 MRAM 在 BEOL 工序制造，這時候的溫度要低得多。Applied 的 Ping 說：“磁性薄膜非常薄，你不能給它提供非常高的溫度。”

 

生產(chǎn)制造 STT-MRAM 是一個精細的過程。如果步驟不嚴格遵守，就會出問題。短缺的情況常常發(fā)生，就會影響產(chǎn)量。解決缺陷問題也很具挑戰(zhàn)性。

 

首先，STT-MRAM 在以下部分需要三個掩模步驟：底部電極、頂部電極和 MTJ 單元。第一步是沉積一層薄層材料，這會成為底部電極。然后就會遇到第一個難點——形成薄膜的堆疊。這種薄膜堆疊可能有 20 到 30 層。方法就是高精度地一層一層地沉積這些薄膜。

 

Ping 說：“這是一種非常薄的膜，厚度只有幾埃。你要將它們堆疊起來以實現(xiàn)磁化作用的最大化。”

 

在某些情況下，STT-MRAM 是在一個使用各種工藝模組的封閉的集群工具中制造的。這些模組包含用于物理氣相沉積（PVD）、退火和離子束蝕刻的專門腔室。

 

如果這種薄膜堆疊暴露在空氣中，就會出現(xiàn)問題。“你需要在同一臺機器中蝕刻和封裝它。”Lam Research 副總裁 Thorsten Lill 說，“你不能將晶圓暴露在空氣中。”

 

STT-MRAM 包含一個 MTJ 內(nèi)存單元。MTJ 使用了基于氧化鎂（MgO）的薄介電隧道勢壘薄膜，它被夾在兩層基于硼鐵化鈷（CoFeB）化合物的鐵磁層之間。在工作時，電流會流過僅有大約 10 埃厚度的 MgO 薄膜。據(jù) Applied Materials 的數(shù)據(jù)，CoFeB 層的厚度為 10 到 30 埃。

 

pMTJ 薄膜堆疊細節(jié)。(b) 和 (c) 展示了 pMTJ 陣列的橫截面和頂視圖，來自Applied Materials

 

在晶圓廠中，這種堆疊可以進行調(diào)節(jié)。Lam 的 Lill 說：“關(guān)于 MRAM 的有趣之處在于根據(jù)你構(gòu)建這種堆疊的方法的差異，你可以得到更低或更高溫度的器件。你可以讓它像閃存或 SRAM。所有這些都可以通過調(diào)整這種堆疊辦到。”

 

然后，對該薄膜堆疊執(zhí)行退火，之后又是另一大難題——蝕刻。要得到預(yù)期大小和尺寸的 MTJ 堆疊，要在表面沉積一種抗蝕劑，然后再蝕刻。

 

STT-MRAM 沒有使用的傳統(tǒng)的反應(yīng)離子束蝕刻（RIE）工具，因為這會破壞堆疊。行業(yè)實際使用了離子束蝕刻（IBE），即使用帶電離子束蝕刻這些薄膜。

 

使用 IBE 時，離子束會撞擊薄膜表面。“這是濺射方法。”Lill 說，“這被稱為化學(xué)增強離子束蝕刻（chemically-enhanced ion beam etching）。第一代是純惰性氣體氬氙濺射。”

 

但 IBE 也面臨著一些挑戰(zhàn)。Applied 的 Ping 說：“離子束蝕刻器對間距有限制。當你的間距更小時，會出現(xiàn)陰影效應(yīng)。這項技術(shù)還仍在開發(fā)之中。”

 

然后，在完成 IBE 之后，該器件就會被封裝起來。在每一步，這個器件都要經(jīng)歷多種計量步驟。KLA-Tencor 客戶參與高級總監(jiān) Neeraj Khanna 表示：“我們預(yù)計這些新架構(gòu)將會推動發(fā)展對計量和檢測的新要求。”


關(guān)鍵詞：STT-MRAM

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