【摘 要】
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磁随机存储器（MRAM）是一种基于电子自旋性质实现信息非易失性存储的新型存储设备,是下一代通用存储器解决方案的有力竞争者。本文针对MRAM关键刻蚀工艺中集成密度和刻蚀停止终点两个方面开展相关研究工作。首先设计了一种高密度MRAM刻蚀工艺的优化方案,实现了磁隧道结（MTJ）单元侧壁刻蚀角度的改善以及存储阵列集成度的提升;针对刻蚀停止终点问题,提出了一种预测方法,该方法用于准确预测不同刻蚀条件下的刻蚀
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磁随机存储器（MRAM）是一种基于电子自旋性质实现信息非易失性存储的新型存储设备,是下一代通用存储器解决方案的有力竞争者。本文针对MRAM关键刻蚀工艺中集成密度和刻蚀停止终点两个方面开展相关研究工作。首先设计了一种高密度MRAM刻蚀工艺的优化方案,实现了磁隧道结（MTJ）单元侧壁刻蚀角度的改善以及存储阵列集成度的提升;针对刻蚀停止终点问题,提出了一种预测方法,该方法用于准确预测不同刻蚀条件下的刻蚀停止时间,以确定刻蚀终点。本论文主要的工作内容包括:（1）介绍了MRAM后端制备流程及其主要工艺,分析了MRAM常规刻蚀工艺中微负载效应和纵横比依赖刻蚀（ARDE）效应对刻蚀速率的影响,总结常规方案无法高密度集成的原因。（2）设计了一种适用于高密度集成的MRAM刻蚀工艺优化方案,该方案在基于CMOS工艺基础上,不增加额外复杂工艺,通过调整淀积和刻蚀部分工艺的顺序,降低了微负载和ARDE效应,提高了MTJ刻蚀速率,显著提升了MRAM集成密度,改善了MTJ单元的侧壁刻蚀形貌。（3）提出了一种基于TCAD的MRAM刻蚀工艺仿真方法,对常规方案和优化方案在TCAD中进行对比仿真实验,证明了优化方案在提高集成密度和改善刻蚀形貌上的可行性,具体表现为更小的MTJ特征尺寸和底部电极直径,更大的底部间距和侧壁刻蚀角度。确定了优化方案对MARM刻蚀工艺的性能指标:对平面型和垂直型MRAM阵列,分别实现了79.1%和46.7%的集成度提升;对平面型和垂直型MTJ单元分别实现了5.5°和3.8°的侧壁刻蚀角度改善。（4）设计了一种预测高密度MRAM刻蚀停止终点的方法。该方法从入射离子角度和能量出发,分析了气体压强,气体温度,自偏置电压等实验条件对MTJ刻蚀速率的影响,并探究了底部电极刻蚀速率下降的原因,提出了一种针对高密度MRAM刻蚀停止技术的检测模型。基于上述模型,设计了一种预测MRAM刻蚀停止终点的方法,该方法以MTJ底部电极相对刻蚀速率的变化阈值作为刻蚀停止信号,实现了在刻蚀条件变化下对高密度MRAM刻蚀终点的有效预测。
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