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作者 MahendraPakala
半导体产业正在迎来下一代存储器技术的新纪元,几大主要变化趋势正在成形。这其中包括磁性随机存储器 (MRAM) 的出现。我将在几篇相关文章中介绍推动MRAM 得以采用的背景,重点说明初始阶段面临的一些挑战,并探讨实现 STT MRAM 商业可行性的进展。 |
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3个回答
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应用材料公司为实现 STT MRAM 的制造提供了多项重要创新,包括基于Endura® 平台上的PVD创新以及特别的蚀刻技术。利用这些新技术并借助梅丹技术中心的设施来加工并测试器件阵列,我们验证了 STT MRAM 的性能和可扩展性。
如今,除了逻辑元件和其他专用电路元件外,典型的微控制器 (MCU) 包括用作工作存储器的 SRAM 和用作储存存储器的闪存。当前业界遇到的闪存问题是,要将浮栅 (FG) 的制造工艺对逻辑门性能的影响降到最低(图 1)。为此,制造商通常会使用多达 10 个的额外掩膜层,这必然会增加其复杂性和成本。在<28nm 的节点,逻辑部分的工艺将迁移到高 k 栅介质/金属栅极(HKMG),由于 HKMG 的热预算有限,将导致工艺集成更为复杂。 图 1:带闪存(左)和 STT MRAM(右)的 MCU 集成方案 |
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另一方面,在后端工艺 (BEOL) 中集成自旋转移矩MRAM (STT MRAM) 较为容易,只需要3个额外的掩膜(图 1)。此外,与 STT MRAM 相比,闪存的能耗较大。STT MRAM 具有前景的特性(快速、非易失性、低功耗和在低温下易于实现 BEOL 集成)使大多数主要逻辑和存储器厂商开始逐步开发 STT MRAM 技术。除 MCU 外,由于 STT MRAM 可以实现相比于 SRAM 更高的密度,STT MRAM也正在被开发用于取代 SRAM,用作<10nm 节点的最后级缓存。
STT MRAM 的每个存储单元都由磁隧道结 (MTJ) 组成,其最基本的形式是由夹在两个磁性薄膜(约 10-30Å 厚的CoFeB)间的薄介质隧穿势垒膜(约 10Å 厚的MgO)组成。在 MTJ 堆叠中实际有许多额外的薄膜层(参见示例中的图 2a),并且自 2007 年以来已作为硬盘驱动器 (HDD) 中的读取传感器进行制造。 图 2:(a) pMTJ堆叠细节、(b) 和 (c) 所示为pMTJ阵列的横截面图和俯视图 但是,针对 HDD 中单独的 MTJ 器件与 STT MRAM 中垂直 MTJ (pMTJ) 器件阵列的要求是完全不同的。关于pMTJ薄膜堆叠层沉积和蚀刻工艺设备的创新对于制造密度/性能有竞争力的 STT MRAM 至关重要。此外,即将生产 STT MRAM 的存储器制造厂晶圆初始的产量比 HDD 磁头制造厂高 10-20 倍,因此在设计设备时,设备的正常运行时间是要考虑的关键因素。 应用材料公司已在公司的Endura平台上针对pMTJ堆叠层沉积(具有可控微观结构、清洁界面和sub-Å 精度的多层薄膜)开发出多阴极 PVD 室以及各类原位热处理室。此外,还针对蚀刻pMTJ阵列开发了用于密集阵列中非易失性磁性材料的特别蚀刻技术。[1] 为了评估pMTJ沉积和蚀刻设备的性能,在梅丹技术中心设计并制造了 1R pMTJ阵列测试芯片。最小存储单元尺寸 130nm x 130nm(图 2)等同于 28nm 节点处的 22F2,相当于约1Gb密度。这些测试芯片已在高通公司进行过电性分析,结果也在2015和2016的国际电子元件会议(IEDM)中共同发表。[2, 3]下列段落中讨论的这些结果,着重关注使用Endura PVD 系统和特别蚀刻技术制造的pMTJ阵列性能。 一个关键的性能指标是蚀刻后MTJ阵列的 TMR%(隧道磁电阻)。对于间距为 130nm 和 50nm 直径的 pMTJ 阵列,平均 TMR 约为 150%(图 3)。电阻(RP)的西格玛/平均值<8%。这两个数值都表明蚀刻过程中的蚀刻损伤极小。通过优化pMTJ堆叠层中的自由层 (FL) 材料,在阵列中可获得低至约 90uA 的P-AP 翻转电流(35ns 翻转脉冲)(图 4)。 图 3:采用不同阵列间距和 CD 的 TMR 百分比图 图 4:通过自由层 (FL) 优化来降低翻转电流 |
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最后,通过优化MgO沉积室的设备硬件设计,如图 5 所示,可使约 10Å MgO隧道势垒层的击穿电压从约 1.2V(标准)显著提高到约 1.5V(改进后)。如我们的工作中所演示,这对于提高耐用性至>1015个写入周期至关重要。[3]我将在下一篇博客中进一步探讨这个问题。
图 5:通过工艺和设备硬件优化实现MgO VBD 改进
2. Park 等,26.2,IEDM 2015 3. Kan 等,27.4,IEDM 2016 Mahendra Pakala MahendraPakala负责 STT MRAM 的开发工作,包括磁隧道结堆叠层和 MTJ 阵列制造工艺的技术路线图。他拥有辛辛那提大学材料科学专业的博士学位,并已获得 30 多项专利。 |
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