自旋傳輸力矩磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)是極有潛力的非揮發性記憶體，這是一種磁穿隧接面元件，其典型的結構為上下兩層鐵磁層中間夾著一層氧化層作為穿隧式層，這類磁性隨機記憶體在速度及密度上以及其非揮發性具有相當的優勢。不過穿隧式磁阻結構的自旋翻轉行為-自旋傳輸相當複雜，一般學術研究都有相應的分析方法，但如何去分析晶圓上MRAM元件的磁穿隧特性，對於半導體自動化量測是一項新挑戰。
本文將從以下大綱，整理幾項磁性半導體工藝的自動化量測技術加以介紹。
‧電流平面穿隧(Current-in-plane Tunneling; CIPT)
‧高速電性量測系統(High-speed Pulse Measurement)
‧自旋傳輸鐵磁共振(Spin Transfer Ferromagnetic Resonance; STFMR)
‧極化柯爾磁光量測(Polar Kerr System)
【內文精選】
磁性隨機存取記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory; MRAM)的工作原理是基於隧道電流對磁性穿隧接面(Magnetic Tunnel Junctions; MTJs)中自由磁層之磁化狀態的變化，可形成0或1的記憶狀態。目前MRAM看來已經由實驗室開始走向生產線，而在12吋晶圓生產線上，為了保證記憶產品製造品質，專用於MTJ產線的先進量測工具是相當重要的。MRAM Cell的性能與Magnetic Tunnel Barriers密切相關，此Barriers通常厚度僅為1~2 nm，夾在多個也是奈米等級的鐵磁-反鐵磁層之間，每一個膜層都會影響到最終的記憶產品特性。因此可靠而快速的量測12吋晶圓上這些奈米膜層對於實現MRAM製造技術至關重要。
電流平面穿隧(Current-in-plane Tunneling; CIPT)
磁性穿隧接面的技術發展第一步主要集中在提高磁阻比(MR)同時降低電阻面積乘積(RA)。傳統晶圓量測MR/RA需要經過許多工序（圖一），所涉及的光刻過程是昂貴且耗時的。2003年Daniel Worledge開發的電流平面內穿隧(Current-in-plane Tunneling; CIPT)方法，提供了一種不用做成元件也可以同時測量MR值和RA值的快速無損量測技術。該技術在膜層堆疊沉積之後不需任何進一步處理，即可評估MTJ堆疊的電阻面積乘積(RA)以及其穿隧磁阻(TMR)。CIPT方法源自於具有可變電極間距的微型四點探針測量，基本上使用包括12支排成一排的電極探針切換量測，選擇具有不同電極間距的四支電極探針，如圖二所示。CIPT模型描述兩個導電鐵磁層中間夾了Single Tunneling Barrier的MTJ結構。該模型定義了特徵電流穿透長度範圍，如式(1)。
圖二、CIPT量測MTJ結構示意
極化柯爾磁光量測(Polar Kerr System)
傳統的磁滯曲線如Vibrating Sample Magnetometer (VSM)或Alternating Gradient Field Magnetometer (AGM)都無法在晶圓上作自動化量測系統，而極化柯爾系統是一個可用在晶圓自動化量測的方法，利用極化磁光柯爾效應(MOKE)來量測多層膜的磁性特性。當磁性材料磁化方向垂直於材料表面並平行於入射光平面時，兩者的交互作用稱為極化柯爾效應（圖十四）。為了簡化分析，通常採用接近正常入射的方法進行實驗，利用此非接觸式全晶圓測量技術，建立整個12吋晶圓的磁性特性圖（圖十五）。系統提供高場能力和低場分辨率，可以分析...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十五、完整的晶圓圖分析MRAM晶圓多層磁性膜的磁性分布
作者：楊明達／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」377期，更多資料請見下方附檔。