分析磁性随机存取存储器的设备与方法

摘要

提供一种MRAM的分析设备和MRAM的分析方法。该分析设备包括：安装MRAM的MRAM安装部件；位于MRAM安装部件周围、向安装在MRAM安装部件的MRAM施加外磁场的磁场施加部件；位于对应于MRAM安装部件位置的探针板；指定MRAM的单位存储单元的矩阵开关；向MRAM的单位存储单元施加内磁场或者测量MRAM单位存储单元的电阻的源测量部件；存储与分析关于所测量的每个MRAM单位存储单元的电阻数据的计算机部件。该分析设备与方法可以用相对简单的结构快速分析单位存储单元的特性。

权利要求

1.一种磁性随机存取存储器MRAM的分析设备，包括：安装MRAM的MRAM安装部件；

位于MRAM安装部件周围、向安装在MRAM安装部件上的MRAM施加外磁场的磁场施加部件；

选择安装在MRAM安装部件上的MRAM的单位存储单元的存储单元寻址部件；

向MRAM的单位存储单元施加内磁场并且测量MRAM的单位存储单元的电阻的源测量部件；

存储与分析关于所测量的每个MRAM单位存储单元的电阻数据的计算机部件。

2.根据权利要求1所述的分析设备，其中磁场施加部件包括：供给电源的电源部件；以及

磁场发生器，产生施加到安装在MRAM安装部件的MRAM的磁场。

3.根据权利要求2所述的分析设备，其中磁场发生器是以环形绕线的线圈形状形成的亥姆霍兹线圈。

4.根据权利要求1所述的分析设备，其中存储单元寻址部件包括：选择安装在MRAM安装部件中的MRAM的单位存储单元的矩阵开关；以及安装在对应于MRAM的位置上的探针板，该探针板向单位存储单元供给电源或者读出单位存储单元的数据。

5.根据权利要求1所述的分析设备，还包括磁场测量部件，其测量由磁场施加部件施加到MRAM的外磁场。

6.一种MRAM的分析方法，包括；

(a)向MRAM存储单元阵列施加磁场；

(b)在MRAM存储单元阵列中选择目标单位存储单元；

(c)测量所选择的单位存储单元的电阻，存储测量的电阻；

(d)改变施加到所选择的单位存储单元的磁场强度，依据被改变的磁场强度测量所选择的单位存储单元的电阻；以及(e)对组成MRAM存储单元阵列的整个单位存储单元执行处理(b)至(d)。

7.根据权利要求6所述的分析方法，其中由按照环形绕线的线圈形状形成的亥姆霍兹线圈施加磁场。

8.根据权利要求6所述的分析方法，其中存储单元寻址部件使用先前输入的MRAM存储单元阵列的地址信息选择目标单位存储单元。

9.根据权利要求6的分析方法，其中使用由探针板的探针获得数据来测量所选择的单位存储单元的电阻，该探针板被安装在对应于MRAM的位置上。

10.一种MRAM的分析方法，包括；

(a)向MRAM存储单元阵列施加磁场；

(b)在MRAM存储单元阵列中选择目标单位存储单元；

(c)测量所选择的单位存储单元的电阻，存储测量的电阻；

(d)对组成MRAM存储单元阵列的剩余单位存储单元执行处理(b)和(c)；以及(e)改变磁场强度，对MRAM存储单元阵列的所有单位存储单元执行处理(a)至(d)。

11.根据权利要求10所述的分析方法，其中由按照环形绕线的线圈形状形成的亥姆霍兹线圈施加磁场。

12.根据权利要求10的分析方法，其中存储单元寻址部件使用预先输入的MRAM存储单元阵列的地址信息选择目标单位存储单元。

13.根据权利要求10的分析方法，其中使用由探针板的探针获得数据来测量所选择的单位存储单元的电阻，该探针板被安装在对应于MRAM的位置上。

14.一种MRAM的分析方法，包括；

(a)在MRAM存储单元阵列中选择目标单位存储单元；

(b)向选择的单位存储单元施加磁场；

(c)测量所选择的单位存储单元的电阻，存储测量的电阻；

(d)改变施加到所选择的单位存储单元的磁场强度，依据被改变的磁场强度测量所选择的单位存储单元的电阻；以及(e)对组成MRAM存储单元阵列的所有单位存储单元执行处理(a)至(d)。

15.根据权利要求14所述的分析方法，其中存储单元寻址部件使用先前输入的MRAM存储单元阵列的地址信息选择目标单位存储单元。

16.根据权利要求14所述的分析方法，其中在施加磁场的过程中，源测量部件向选择的单位存储单元施加电势，因此形成内磁场。

17.根据权利要求14的MRAM分析方法，其中使用由探针板的探针获得数据来测量所选择的单位存储单元的电阻，该探针板被安装在对应于MRAM的位置上。

18.一种MRAM的分析方法，包括；

(a)在MRAM存储单元阵列中选择目标单位存储单元；

(b)向选择的单位存储单元施加磁场；

(c)测量所选择的单位存储单元的电阻，存储测量的电阻；

(d)对组成MRAM存储单元阵列的剩余单位存储单元执行处理(a)至(c)；以及(e)改变磁场强度，对MRAM存储单元阵列的所有单位存储单元执行处理(a)至(d)。

19.根据权利要求18所述的分析方法，其中存储单元寻址部件使用先前输入的MRAM存储单元阵列的地址信息选择目标单位存储单元。

20.根据权利要求19所述的分析方法，其中在施加磁场的过程中，源测量部件向选择的单位存储单元施加电势，因此形成内磁场。

21.根据权利要求19的分析方法，其中使用由探针板的探针获得数据来测量所选择的单位存储单元的电阻，该探针板被安装在对应于MRAM的位置上。

说明书

分析磁性随机存取存储器的设备与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种分析磁性随机存取存储器(MRAM)的设备与方法，特别地，涉及一种能够在短时间内分析MRAM全部特征的分析MRAM的设备与方法。

背景技术

[0002] 作为一种非易失性存储器的磁性随机存取存储器(MRAM)是一种固态磁存储器，其使用基于纳米磁性材料的自旋相关隧道特性效应的磁阻效应。因为电子自旋(电子自由度)大大地影响电子迁移，所以MRAM使用所出现的巨大磁阻效应或隧道磁阻效应。传统的MRAM包括存储单元阵列。字线沿存储单元的行延伸，位线沿存储部件的列延伸。也就是，存储单元位于字线与位线的交叉处，每个存储单元包括两个磁层，它们是固定层与自由层。固定层磁性固定，自由层具有可变的磁化方向。存储单元按照固定层与自由层的相对磁化方向存储数据比特。

[0003] 因为使存储器商业化需要低功耗，所以在选择用于存储器的材料方面存在限制。传统的MRAM在切换磁场(switching field)中(也就是磁阻元件的自由层)使用坡莫合金(镍铁)，以便减少功耗。磁阻的增加对于增加MRAM的工作速度与芯片结构的有效设计是必不可少的，为实现这些，用于自由层的磁性薄层必须具有铁磁特征和高极化特征。 [0004] 具有上述结构(例如隧道磁阻(TMR)结构)的MRAM根据二个铁磁层的磁性状态通过测量隧道电阻变化来辨别数据“0”和“1”，其中两个铁磁层被隧道阻挡栅分离。在切换铁磁层(自由层)的磁性状态，也就是向存储器写数据期间存在各种不均匀的状态。不均匀的状态引起存储器的误操作。

[0005] 通常，存在两种能引起存储器出现不均匀的切换状态的因素。图1A和1B显示不均匀的切换状态。图1A显示当自旋以涡旋结构排列时在靠近(against)所应用磁场的区域内的自由层的自旋磁性特性。自由层由铁磁性材料制成并提供在MRAM结构中。图1B显示当自旋在某些部分处于固定状态时区域内自由层的自旋磁性特性。在这种结构中，MRAM显示出不均匀的切换状态。

[0006] 为发现不均匀的切换状态，需要系统地测量MRAM特性的测量设备。一种测量MRAM切换特性的惯用方法是通过在每个单位存储单元的磁场下测量单位存储单元的电阻实现的。在这情况，因为需要时间使磁场稳定，所以测量在晶片级的MRAM阵列的全部属性需要花费大量时间。已经介绍了一种同步电阻测量与磁场以便提高测量速度的方法。然而，这种方法不能测量剩磁，因此不能找到引起MRAM中不均匀切换过程的原因。 [0007] 发明内容

[0008] 本发明提供一种分析MRAM的设备与方法，其能够快速测量在晶片级的MRAM排列的切换特性。

[0009] 根据本发明的一个方面，提供一种MRAM分析设备，包括：安装MRAM的MRAM安装部件；位于MRAM安装部件周围的磁场施加部件，其将外磁场施加到安装在MRAM安装部件的MRAM中；存储单元寻址部件，选择安装在MRAM安装部件的MRAM单位存储单元；源测量部件，施加内磁场到MRAM单位存储单元并且测量该MRAM单位存储单元的电阻；计算机部件，存储与分析关于每个MRAM单位存储单元的已测量电阻的数据。

[0010] 磁场施加部件包括：供给电源的电源部件；磁场发生器，产生施加到安装在MRAM安装部件的MRAM上的磁场。

[0011] 磁场发生器可以是以环形绕线的线圈形状形成的亥姆霍兹(Helmholtz)线圈。 [0012] 存储单元寻址部件包括：矩阵开关，选择安装在MRAM安装部件上的MRAM的单位存储单元；安装在对应于MRAM的位置的探针板，该探针板向单位存储单元供电或读出单位存储单元的数据。

[0013] 分析设备还包括磁场测量部件，测量由磁场施加部件施加到MRAM的外磁场。 [0014] 根据本发明的另一方面，提供一种MRAM的分析方法，包括：(a)向MRAM存储单元阵列施加一个磁场；(b)在MRAM存储单元阵列中选择一个目标单位存储单元；(c)测量所选择的单位存储单元的电阻并存储该测量 的电阻；(d)改变施加到所选择的单位存储单元的磁场强度，根据变化的磁场强度测量所选择的单位存储单元的电阻；并(e)对组成MRAM存储单元阵列的整个单位存储单元执行处理(b)至(d)。

[0015] 通过以环形绕线的线圈的形状形成的亥姆霍兹线圈施加磁场。 [0016] 存储单元寻址部件使用先前输入的MRAM存储单元阵列的地址信息选择目标单位存储单元。

[0017] 使用探针板的探针获得的数据测量所选择的单位存储单元的电阻，该探针板被安装在对应于MRAM的位置上。

[0018] 同样根据本发明，提供一种MRAM分析方法，包括：(a)向MRAM存储单元阵列施加一个磁场；(b)在MRAM存储单元阵列中选择一个目标单位存储单元；(c)测量所选择的单位存储单元的电阻并存储该测量的电阻；(d)对组成MRAM存储单元阵列的剩余单位存储单元执行处理(b)和(c)；(e)改变磁场强度并对MRAM存储单元阵列的所有单位存储单元执行处理(a)至(d)。

[0019] 此外，根据本发明，提供一种MRAM分析方法，包括：(a)在MRAM存储单元阵列中选择一个目标单位存储单元；(b)向选择的单位存储单元施加磁场；(c)测量所选择的单位存储单元的电阻并存储该测量的电阻；(d)改变施加到所选择的单位存储单元的磁场强度，根据变化的磁场强度测量所选择的单位存储单元的电阻；(e)对组成MRAM存储单元阵列的整个单位存储单元执行处理(a)至(d)。

[0020] 在施加磁场的过程中，源测量部件向选择的单位存储单元施加电势，从而形成内磁场。

[0021] 此外，根据本发明，提供一种MRAM分析方法，包括：(a)在MRAM存储单元阵列中选择一个目标单位存储单元；(b)向选择的单位存储单元施加磁场；(c)测量所选择的单位存储单元的电阻并存储该测量的电阻；(d)对组成MRAM存储单元阵列的剩余单位存储单元执行处理(a)至(c)；(e)改变磁场的强度并对MRAM存储单元阵列的所有单位存储单元执行处理(a)至(d)。

[0022] 附图说明

[0023] 通过参考附图详细描述本发明的示例性的实施例，本发明的上述及其他特征与优势将变得更明显，其中：

[0024] 图1A和1B是显示MRAM的不均匀切换状态的图；

[0025] 图2A是举例说明根据本发明实施例的MRAM分析设备的视图；

[0026] 图2B是举例说明由图2A所示的磁场施加部件施加到目标MRAM的磁场的视图； [0027] 图2C是举例说明根据本发明的分析MRAM分析设备中的目标MRAM的存储单元寻址部件的视图；

[0028] 图3A是举例说明根据本发明实施例的MRAM分析方法的视图；

[0029] 图3B是MRAM存储单元阵列的视图；

[0030] 图4A和4B是举例说明当磁场施加部件施加外磁场时MRAM相对于电势的磁性特征的磁滞图；

[0031] 图4C和4D是举例说明当磁场施加部件施加外磁场时MRAM相对于电势的剩余电感的磁滞图；

[0032] 图5A和5B是举例说明当源测量部件施加内磁场时MRAM相对于电势的磁性特征的磁滞图；和

[0033] 图6A和6B是在根据本发明的MRAM分析方法中，在向MRAM存储单元阵列施加外磁场和内磁场之后MRAM分析方法通过组合所测量的磁滞图而绘制的星状(asrteroid)曲线。

具体实施方式

[0034] 现在将参考显示本发明示范性实施例的附图更充分地描述本发明。然而，本发明可以具体化为许多不同的形式，不能被认为是限制为在此阐述的实施例；而且，提供这些实施例以便该公开全面与完整，并向本领域的技术人员完全地传递本发明的概念。在图中，层与区域的厚度是夸大了的，以便清楚地进行说明。图中相同的参考数字指示相同的部件，因此他们的描述可能被省略。

[0035] 图2A举例说明依据本发明实施例的MRAM分析设备。依据本发明的分析设备包括：在其上安装MRAM的MRAM安装部件11；向MRAM安装部件11周围施加磁场的磁场施加部件
12和17；存储单元寻址部件13和14，选择目标MRAM中将要分析的某个存储单元并获得必需的数据；源测量部件15，测量MRAM中所选择的存储单元的电阻；以及计算机部件16，收集、 分析与存储关于MRAM的每个所选择的存储单元的电阻信息。另外，分析设备还包括在分析过程期间度量被施加到MRAM的磁场强度的磁场测量部件18。

[0036] 图2B是概要说明MRAM安装部件11的结构的视图，该MRAM安装部件被放置在磁场施加部件的磁场发生器12内。

[0037] 关于图2B，磁场发生器12围绕MRAM安装部件11以便向安装在MRAM安装部件11上的MRAM施加均匀磁场。安装在MRAM安装部件11上的MRAM有普通的阵列结构。即MRAM有晶片级单位存储单元的集成结构，其中多个单位存储单元(例如，m×n的单位存储单元)按照矩阵形式排列。

[0038] 如上所述，磁场施加部件包括电源部件17和磁场发生器12。电源部件17提供用于产生磁场的电源，磁场发生器12使用该电源产生磁场。磁场发生器12被设计成在X和Y方向向安装在MRAM安装部件11的MRAM施加均匀磁场。磁场发生器12可以使用由典型地绕线线圈制成的亥姆霍兹线圈。

[0039] 图2C举例说明在依据本发明的分析设备中的在晶片级MRAM存储单元阵列20上装载的存储单元寻址部件。存储单元寻址部件包括探针板13和矩阵开关14。矩阵开关14在MRAM存储单元阵列20中选择将要分析的特定单位存储单元19。探针板13可以是一种检查半导体器件的普通探针板。探针板13的探针与组成MRAM存储单元阵列20的每个单位存储单元19接触。MRAM存储单元阵列20中特定的单位存储单元19由矩阵开关14指定与选择。

[0040] 现在参考图2A和2C描述源测量部件15。源测量部件(SMU)15向安装在MRAM安装部件11上的MRAM存储单元阵列20施加内磁场。此外，源测量部件15运行以获得指定单位存储单元19的数据(电阻)。源测量部件15可以是被广泛用于相关技术领域的典型测量部件。源测量部件15向矩阵开关14选择的特定单位存储单元19施加电势，使得仅在特定的单位存储单元19处形成内磁场。此外，源测量部件15可以使用探针板13上的电信号测量某个单位存储单元19的电阻。因为上述源测量部件15的功能在通常的设备分析中为大家所熟知，它的细节描述被省略。

[0041] 计算机部件16存储源测量部件15获取的数据，例如MRAM的电阻。计算机部件16还分析MRAM的特性。此外，计算机部件16运行向矩阵开关 14传送目标单位存储单元的地址。这意味计算机部件16提供数据以便矩阵开关14能够使用在设计MRAM存储单元阵列的过程中预先给出的数据来选择特定的单位存储单元19。

[0042] 依据本发明的分析设备还包括度量施加到MRAM存储单元阵列20的磁场强度的磁场测量部件18，其中MRAM存储单元阵列20被安装在磁场发生器12内的MRAM安装部件11上。

[0043] 现在详细描述依据本发明的MRAM分析方法。图3A显示依据本发明实施例的MRAM分析方法。依据本发明的分析方法将分析当均匀磁场被施加到MRAM存储单元阵列20或者MRAM中特定的单位存储单元时MRAM单位存储单元的电阻。

[0044] 依据本发明的分析方法包括：选择磁场模式，依据测量模式的选择来测量数据，以及分析数据。下文将描述该分析方法的操作。

[0045] 在磁场模式的选择中，确定向MRAM存储单元阵列20或者MRAM的特定单位存储单元19施加外磁场还是内磁场。如果施加外磁场，磁场发生器12向整个MRAM存储单元阵列20施加均匀磁场。如果施加内磁场，源测量部件15通过探针板13向特定单位存储单元19施加电势，使得仅在MRAM的特定单位存储单元19处形成磁场。

[0046] 假如在外磁场下分析MRAM存储单元阵列20的特性，存在快速分析的优势。另一方面，假如在内磁场下在每个单位存储单元处分析MRAM存储单元阵列20的特性，存在的不利之处是需要花费长时间分析整个MRAM存储单元阵列20的特性，但是优势在于分析是在类似于MRAM存储单元阵列20实际操作的环境下执行的。本发明提供适合两种情况的MRAM分析方法。此外，本发明的分析方法可用于分析MRAM的单位存储单元、MRAM存储单元阵列以及晶片级MRAM。

[0047] 将被分析的目标MRAM安装在MRAM安装部件11上。可能检查完成处理的MRAM以及在制造工艺期间具有集成MRAM的晶片。

[0048] 安装MRAM之后，指定整个单位存储单元的特定单位存储单元19。在此，使用存储在计算机部件16的MRAM地址信息搜索由矩阵开关14指定的特定单位存储单元19的位置。探针板13与对应于特定单位存储单元19地址的位置接触。

[0049] 均匀磁场被施加到所安装的MRAM。在此，假如施加外磁场，如果电源 部件17向磁场发生器12施加电势I1和I2，则在磁场发生器12形成磁场HX 与HY。如图2B所示，均匀磁场被施加到整个MRAM。磁场测量部件18能精确地测量施加到MRAM周围的磁场。 [0050] 假如源测量部件15施加内磁场，存储单元寻址部件13和14指定特定的单位存储单元19，源测量部件15施加电势I1和I2。如图3B所示，电势通过字线和位线仅被施加到特定的单位存储单元19，因此仅在特定单位存储单元19处产生内磁场。磁场模式能够使用直接施加的磁场以及在施加磁场之后保持一段时间的剩余磁场。

[0051] 接着，详细描述依据测量模式的选择所进行的数据测量。在此，在施加外磁场或者内磁场的状态中测量所需的数据，例如MRAM的电阻。也就是，从依据本发明的分析设备的存储单元寻址部件13和14指定的特定单位存储单元19读出数据。

[0052] 可以选择两种方法。第一种方法，在向MRAM存储单元阵列20的特定单位存储单元19施加磁场的状态下测量MRAM存储单元阵列20中特定单位存储单元19的电阻，然后，在相同的磁场强度下测量整个MRAM存储单元阵列20的每个单位存储单元19的电阻。然后，当磁场强度变化时测量每个单位存储单元19的电阻。简而言之，在固定的磁场强度下测量每个单位存储单元19的电阻，然后，在变化的磁场强度下分析MRAM的特性。 [0053] 第二种方法，选择MRAM的特定单位存储单元19。预定的磁场强度被施加到选择的单位存储单元19，测量所选的单位存储单元19的电阻。然后，在磁场强度变化的状态测量所选单位存储单元19的电阻。换句话说，当在单位存储单元固定的状态改变施加的磁场强度时测量单位存储单元19的电阻。在对应于磁场强度的所有测量范围，测量一个单位存储单元19的全部电阻以后，对应于磁场强度测量范围，测量另一个单位存储单元的电阻。用这种方式测量其他单位存储单元。

[0054] 在对特定单位存储单元19的选择中，存储单元寻址部件13和14的矩阵开关14使用预先保存在计算机部件16中的MRAM存储单元阵列20的地址信息指定对MRAM存储单元阵列20的单位存储单元19的测量顺序。探针板13的探针按照指定顺序连续检测MRAM存储单元阵列20中的单位存储单元19的数据。源测量部件15读出单位存储单元19的电阻，计算机部件16存储读出的电阻。

[0055] 源测量部件15使用流过与每个单位存储单元19接触的探针板13的探针的电流，例如从磁性隧道结(MTJ)结构的数据存储区提取的电流，来读出电阻。然后，该电阻被存储在计算机部件16。依据测量模式的选择对数据进行测量可以应用于外磁场与内磁场。 [0056] 现在描述向MRAM存储单元阵列20施加预定的外磁场的情况。矩阵开关14选择特定的单位存储单元19，源测量部件15通过探针板13向所选择的单位存储单元19施加源电压。源测量部件15使用从所选择的某个单位存储单元19提取的电流读出电阻，将读出的电阻保存在计算机部件16。

[0057] 现在描述一种当改变磁场强度(在单位存储单元固定的状态)时测量数据的方法。电源部件17改变电源以便磁场发生器12产生不同的磁场。通过重复上述处理，在一定的磁场强度范围上测量所选择的单位存储单元19的电阻。对MRAM存储单元阵列20的每个单位存储单元19重复这种处理。

[0058] 现在描述一种当有选择地改变单位存储单元(在磁场固定的状态)时测量数据的方法。在预定的外磁场强度下测量选择的单位存储单元19的电阻。在测量该单位存储单元的电阻之后，在相同的外磁场强度下改变单位存储单元。然后，在改变外磁场强度时测量单位存储单元的电阻。存储单位存储单元19所有被测量的电阻。

[0059] 如上所述，测量MRAM存储单元阵列20中单位存储单元19的电阻并将其存储在计算机部件16中。可以通过关于被测量的特性电阻的数据组合获得各种关于MRAM存储单元阵列20中所有单位存储单元19的分析数据。例如，能获得表示相对于被施加磁场的电阻变化的磁滞回线。当然，还可以通过电阻变化的组合获得对于整个MRAM的磁滞回线。可以通过区分磁滞回线得到切换磁场，并绘图星状曲线。计算机部件16分析已知数据以获得分析数据。因为例如用于分析的等式的原理为大家所熟知，所以他们的细节描述被省略。 [0060] 图4A和4B是依据本发明举例说明MRAM存储单元阵列20相对于被磁场发生器12施加的外磁场强度的磁性特性的磁滞图。图4C和4D是依据本发明举例说明MRAM相对于被磁场发生器12施加的外磁场的剩余电感的磁滞图。在图中，在一个图中显示了MRAM存储单元阵列20中所有单位存储单元19的磁滞回路。

[0061] 图5A和5B是依据本发明举例说明MRAM相对于源测量部件15施加的 内磁场的磁性特性的磁滞图。

[0062] 图6A和6B是由依据本发明的分析方法向MRAM存储单元阵列20施加外磁场和内磁场之后测量的磁滞回路绘制的星状曲线。通过选择位于菱形星状曲线外面的数值，可以容易地提取整个MRAM存储单元阵列20的切换磁场以驱动MRAM存储单元阵列20。 [0063] 依据本发明，用相对简单的结构快速地测量具有MRAM存储单元阵列的整个MRAM的特性，MRAM存储单元阵列包括多个单位存储单元或者晶片级单位存储单元的集成结构。 [0064] 此外，本发明在生产过程的早期阶段分析MRAM的特性与缺陷率，因此增加高质量MRAM的产量。

[0065] 虽然已经参考示范性实施例具体地显示与描述了本发明，本领域的技术人员理解在形式与细节方面的各种变化不脱离如以下权利要求所定义的本发明的精神与范围。