用于对低RA磁隧道结进行可靠在线表征的晶圆内面电流面内隧穿技术

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Built-in-wafer current-in-plane tunneling technique for reliable in-line characterization of magnetic tunnel junctions with low RA

　　

Ming Wang|Junlu Gong|Xiaoyun Zhu|Lingyi Shi|Ruofei Chen|Yang Gao|Shikun He

浙江希克斯特科技有限公司，中国杭州311305

摘要

磁随机存取存储器（MRAM）是一种极具前景的非易失性存储技术，它利用磁隧道结（MTJ）来实现数据的存储与读取。由于MTJ具有复杂的多层结构，其关键性能指标，如电阻-面积积（RA）和磁阻（MR），极易受到工艺变化的影响而出现下降。因此，运用面内电流隧穿磁阻（CIPT）技术快速、准确地检测MTJ薄膜质量，对于MRAM的研发及工艺监控而言至关重要。不过，对于需要超低RA值的高密度MRAM来说，探针间距必须缩小到亚微米级别，这给设备的可靠性及系统维护带来了巨大挑战。在此，我们展示了在MRAM晶圆生产过程中采用内置式晶圆测试探针的CIPT技术。与传统使用外部MEMS探针的CIPT方法相比，该技术因消除了对齐误差和机械误差，不仅精度更高，而且完全适用于MRAM的大规模生产。BIW-CIPT方法能够有效检测由工艺引起的MTJ薄膜变化，为产品质量控制提供重要数据。通过在不同晶圆上的测试，我们证明了该方法的适用性与可靠性，它成功检测出了RA和MR参数的细微变化。实验结果证实，BIW-CIPT技术有助于提升工艺控制水平，确保MRAM在大规模生产中的质量和性能。

引言

磁随机存取存储器（MRAM）被视为下一代非易失性存储技术中最具潜力的候选者之一。凭借其低功耗、高速运行、优异的耐用性和非易失性等优势，MRAM可应用于从嵌入式系统、存储级内存到关键任务数据存储以及边缘人工智能等诸多领域，包括内存计算架构[1]。MRAM依靠磁隧道结（MTJ）来实现数据的存储与读取。典型的MTJ由两层铁磁层（参考层和自由层）构成，这两层之间由一层极薄的隧道阻挡层隔开，这种阻挡层通常是氧化镁。MTJ的电阻取决于其自由层和固定层中磁矩的相对取向：当磁矩平行时（P态），电阻较低（R_p），对应二进制数值“0”；当磁矩反平行时（AP态），电阻较高（R_ap），对应二进制数值“1”。磁阻比（MR = (R_ap – R_p)/R_p）决定了读取信号的幅度，而R_p则是设计外围读/写电路的关键参数[2]。因此，精确控制MR值和R_p值并使其符合严格标准，对于MRAM的发展至关重要。

MTJ器件的制造涉及多个关键步骤，包括底电极的制备、MTJ薄膜层的沉积、将MTJ多层结构蚀刻成柱状结构、封装处理、回填与抛光，以及顶电极的加工[3]。其中，MTJ薄膜层的沉积直接决定了薄膜的厚度和界面质量，对于获得高磁阻值以及理想的电阻-面积积有着重要意义。RA和MR值在很大程度上取决于氧化镁阻挡层的厚度和质量[4]、[5]、[6]、[7]，而这些参数又极易受到诸如溅射靶材的使用寿命以及衬底表面粗糙度等工艺因素的影响。因此，不同批次、不同晶圆，甚至同一晶圆上不同位置的RA和MR值都可能存在较大差异，进而导致MTJ器件特性出现相应变化。所以，准确测量和监测RA与MR值对于MRAM的制造过程而言极为重要。

通常，对于未经图案化处理的MTJ晶圆，人们会采用面内电流隧穿磁阻（CIPT）方法来测量RA和MR值，该方法最早于2003年被提出[8]。传统的CIPT测量装置如图1(a)所示。借助十二针式的MEMS探针，CIPT设备能够以不同的探针间距对P态和AP态进行四次点测。随后，通过将数据拟合到基于无限直径假设的模型中，就可以推算出RA和MR值。在过去的二十年里，人们还通过优化算法和电极配置等方式来提高CIPT技术的测量精度[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。

尽管这一技术已被学术界和工业界广泛采用，但在MRAM的产品开发及大规模生产过程中仍面临诸多挑战。首先，随着MRAM密度的提高，为了在缩小尺寸后的器件中保持合适的电阻值，就需要使用RA值在1–10 Ωμm²范围内的MTJ薄膜。这就要求使用间距小于1?μm的微探针来检测如此低的RA值。此外，由于蚀刻工艺的影响，经过图案化处理后的晶圆的实际分布情况可能与未经过图案化处理的晶圆有很大不同[15]；而在采用应力工程实现后端制造与前端制造协同优化时，情况也会有所不同[16]。另外，传统的CIPT技术主要是为离线检测未经图案化处理的MTJ晶圆而设计的。要使用该技术，还需要额外添加一层超厚的底电极，以满足T>/Rsub>B > 10这一条件，其中Rsub>T和Rsub>B分别代表与探针接触的顶电极以及底电极的方阻值。这一要求使得传统CIPT技术无法直接用于在制造环境中对经过图案化处理的晶圆进行精准的RA和MR值测量。

为了解决这一问题，我们提出了从外部探针检测向内置式计量检测的转变，并展示了内置式晶圆CIPT（BIW-CIPT）测试结构。这种设计通过减少机械振动和对齐错误带来的影响，提高了测量精度，从而能够准确获取低RA值MTJ薄膜晶圆的实际参数及其分布情况。我们在多种晶圆上验证了BIW-CIPT测试方案的可行性，证明它非常适合用于MRAM的研发工作。

内容片段

BIW-CIPT结构与测量原理

MRAM的集成流程如图1(b)所示。MTJ位于底电极（BE）和顶电极（TE）之间。BIW-CIPT结构的布局如图1(c)所示，而沿A-A方向的横截面则展示在图1(d)中。底部过孔被用作微探针，每个过孔都通过底部金属层与探针垫相连。这些过孔的直径为160?nm，平均间距则在0.32至2.56?μm之间。MTJ薄膜则被加工成特定的图案结构

测量的重复性与稳定性

BIW-CIPT结构的重复性已在图2(a)中得到验证。这项测试是在低RA值的MTJ晶圆上同一位置连续进行100次测量。每次测量之间，都会将样品取下再重新装回，以此评估测量的稳定性。当在不同RA值范围内对样品进行测试时，这一重复性的优势更加明显（见图2(b)）：随着RA值从9?Ω·μm²下降到5?Ω·μm²，传统方法的测量误差范围会随之增大

大规模生产过程中的在线工艺监控

接下来，我们展示了BIW-CIPT结构在监控MRAM研发过程中的应用。同时，我们也研究了底层工艺层对测试结果的影响。为了加快技术发展速度，人们往往直接在硅晶圆上制造MTJ结构，而非在经过CMOS图案化处理的晶圆上制作。这种方法简化了工艺流程，也有利于将MTJ测试无缝集成到生产线中。不过，如图所示

结论

我们提出的BIW-CIPT结构有效克服了传统探针式计量技术在检测MRAM开发中所用低RA值MTJ薄膜时的诸多局限。通过将BEOL工艺中的过孔触点作为精度高且经过光刻精确定义的测试探针，该技术消除了在亚微米级间距下传统测量方法所面临的机械误差和对齐误差问题。BIW-CIPT结构表现出极高的重复性，其变化系数几乎保持恒定

作者贡献说明

Ming Wang：负责撰写原文初稿、概念构思工作。Junlu Gong：负责文本的审阅与编辑、结果验证以及方法设计工作。Xiaoyun Zhu：负责相关研究工作的开展以及正式的分析工作。Lingyi Shi：负责结果验证以及数据整理工作。Ruofei Chen：负责结果验证以及软件相关的工作。Yang Gao：负责结果验证工作。Shikun He：负责文本的审阅与编辑、资源协调以及方法设计工作。

利益冲突声明

各位作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

本研究得到了中央政府引导地方科技发展专项资金项目的支持，项目编号为2026ZY03001。