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如何克服MRAM关键工艺挑战?

时间:2020-03-05 作者:Meng Zhu,Roman Sappey,Jeff Barnum,KLA公司 阅读:
MRAM的基本结构是磁性穿隧结,由两个铁磁层组成,两个铁磁层之间由绝缘穿隧障壁隔开...
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磁性随机存储器 (MRAM)是一种利用磁态储存信息的非易失性存储器 (NVM),MRAM的基本结构是磁性穿隧结(MTJ),由两个铁磁(FM)层组成,两个铁磁层之间由绝缘穿隧障壁隔开(参考图1)。当两个磁性层的磁化强度平行时,电子容易从一个磁性层穿隧到另一个磁性层,从而形成低电阻状态(RP)。

然而,当两个磁性层反平行时,电子穿隧变得困难,从而导致更高的电阻状态(RAP)。穿隧磁阻(TMR)是MTJ最重要的参数之一,量化了我们区分高阻状态和低阻状态的能力,透过操纵其中一层的磁化强度,可以在结中将信息储存为“1”(R值高的状态)和“0”(R值低的状态),然后可以藉由量测结电阻来读取数据。透过施加外部磁场或在连接处产生脉冲电流,可以改变层的磁化方向;后者利用一种称为“自旋转移矩”(spin-transfer torque,STT)的效应来改变极化电子的磁化强度。

图1:当两个铁磁(FM)层处于平行和反平行配置时,MTJ的基本结构。(来源:KLA公司)

STT-MRAM具有出色的工艺微缩能力,并且可以很容易地整合到当前的晶圆工艺中。与需要不断刷新的DRAM不同,STT-MRAM储存数据并不需要消耗功率。用MRAM代替DRAM可以防止数据丢失,并使计算机无需等待软件激活就可以立即启动。 STT-MRAM的密度比SRAM高,其读写速度也高于闪存,耐久性也更好。所有这些优点使STT-RAM成为替代某些应用程序中现有内存当中最具吸引力的候选者,并可能最终成为通用内存的解决方案。

图2显示IC产业中的内存阶层结构(memory hierarchy)。横轴表示内存/储存装置的容量(volume/capacity),纵轴表示内存组件的速度。过去,高速暂存内存和主存储器之间,以及主存储器和储存装置之间存在速度差距,如今许多新兴的非挥发内存(NVM)已开始缩小这些差距。相变化内存(PCM),电阻式随机存取内存(RRAM)和MRAM已经在某些应用程序中用作嵌入式NVM,例如微控制器(MCU)。

在未来的几年中,MRAM或许可以取代某些SRAM,用于更接近核心处理器的高速缓冲存储器。从长远来看,一旦可以进一步提高其密度,就可以预期MRAM以及PCM或RRAM可以用作储存级(storage class)内存解决方案。

图2:过去、现在和未来的运算设备内存阶层结构。(来源:KLA公司)

关键应用与制造商

如今的STT-MRAM越来越多地用于嵌入式内存应用之中,以取代闪存、EEPROM和SRAM,有多家逻辑组件IDM /晶圆代工厂正在提供嵌入式STT-MRAM解决方案:包括台积电(TSMC,22nm ULL CMOS)、三星(Samsung,28nm FD-SOI)、GLOBALFOUNDRIES (22nm FD-SOI)、英特尔(Intel,22nm FinFET)。

在不久的将来,我们将看到嵌入式STT-MRAM (eMRAM)出现在诸如物联网(IoT)、微控制器(MCU)、汽车、边缘运算和人工智能(AI)等应用中。美国业者Everspin Technologies还提供了几种独立的MRAM产品,锁定包括航天、汽车、储存、工厂自动化、IoT、智慧能源、医疗和工业机器控制/运算等应用。

从市场角度来看,尽管NAND和DRAM将在未来几年保持主导地位,但是MRAM预计将会有显著成长。根据市场研究机构Yole Développement报告,到2024年STT-MRAM市场可望达到 18亿美元规模(包括12亿美元规模的嵌入式方案,以及约6亿美元的独立组件),2018到2024年间的复合年成长率为85%,总产量超过30万片晶圆(wafer production volume),同期间复合年成长率为126%。

图3:Yole Développement的MRAM市场报告。(来源:Yole MRAM Technology and Business 2019 Report)

MRAM工艺挑战

MRAM组件通常在半导体晶圆厂的后端(BEOL)工艺生产,关键工艺步骤包括:

(1)底部电极的形成(参考图4):经由传统图案化(patterning)与镶嵌工艺(Damascene process)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4:MRAM底部电极(BE)形成。(来源:KLA公司)

(2) MTJ堆栈沉积(参考图5):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5:典型的MRAM堆栈沉积范例。(来源:KLA公司)

(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的关键在线量测(inline metrology)步骤。

(4) MTJ柱图案化(参考图6):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(Lithography overlay patterning alignment)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6:蚀刻的MRAM柱(在封装层之前)。(来源:KLA公司)

(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(dual damascene process)、CD、形状、轮廓和深度以及任何类型的缺陷都很重要 。

为MRAM工艺打造的量测方案

半导体工艺控制和支持技术供货商KLA对MRAM作为一种新兴的NVM技术的前景感到振奋,为IC制造商提供了一系列解决方案的组合,可帮助加速MRAM产品开发,确保成功实现量产并在生产中取得最佳良率。这些技术解决方案包括:

使用光谱椭圆偏振(SE)技术进行膜厚度和化学计量的测量,这些技术为MTJ迭层沉积提供了重要的关键参数。

使用散射测量和成像的迭对量测系统进行图案对准(patterning alignment)量测,使用光学散射测量CD和形状计量系统进行关键尺寸和3D组件形状测量以及run time patterning control数分析,以优化MRAM cell patterning 组件迭对、CD和形状。

MRAM堆栈沉积的电磁特性,可使用CAPRES电流平面穿隧(CIPTech)和MicroSense磁光Kerr效应,提供对预计的最终电池性能的早期反馈(MOKE)技术。CAPRESCIPTech是一种12点探针电阻技术,可在产品晶圆图案化之前,针对MTJ迭层进行沉积、退火和磁化后的TMR和RA测量。MicroSense Polar Kerr MRAM (PKMRAM)则表征了磁性能,例如自由层和固定层的矫顽场,以及多层MTJ堆栈在沉积、退火和在毯覆薄膜或有图案的晶圆上磁化。这种非接触式全晶圆技术可测量自由层和固定层的磁性。

一系列控片和在线产品晶圆缺陷检测和检视系统(取决于灵敏度和采样要求),可以在线检测关键缺陷,帮助工程师发现并解决可能影响良率和组件性能的工艺问题。

In-situ process control wafers,透过在工艺反应炉中撷取和记录参数并用于可视化、诊断和控制工艺条件。

责编:Yvonne Geng

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