CN103777157B - 一种垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统，包括探针测量平台，探针测量平台的两个探针前端分别加在MTJ单元的上下电极，两个探针的后端分别连接电源测量模块的高低电平输出端口；带铁芯绕组线圈固定在MTJ单元的空间正上方，绕组线圈电源的正负极接带铁芯绕组线圈的两端；计算机测试平台控制绕组线圈电源向带铁芯绕组线圈提供不同的电压，并控制电源测量模块产生电压激励信号以获取电流响应信号，根据电压激励信号和电流响应信号得到MTJ单元的电阻值；从而得到感应磁场强度与MTJ单元的电阻值之间的关系曲线。本发明测试系统可方便地对MTJ单元进行测试，大大缩短测量时间，节约测试成本，提高测试过程的便利性。

Description

一种垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于微纳电子学技术领域，更具体地，涉及一种垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统及测试方法。

背景技术

磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)是一种具有隧道磁电阻(TunnelMagnetoresistance，TMR)效应的磁性多层膜结构单元，它的典型结构是两层铁磁性材料之间掺入薄层氧化物(目前多采用氧化镁MgO)的三层结构。磁各向异性是指铁磁性材料在外加磁场的作用下其自发磁化方向倾向于磁化易轴方向，垂直磁各向异性MTJ就是MTJ结构中的两层铁磁材料的磁化易轴方向为垂直膜面。当两层垂直磁各向异性铁磁材料具有不同的矫顽力时，室温下外加一个垂直膜面的磁场可以诱导矫顽力相对较小的铁磁材料层磁化方向在易轴方向上发生180°翻转，从而来实现两层铁磁性材料磁化方向相对平行和反平行两种稳定状态之间的相互转换，平行与反平行的两种不同磁化状态则会因为TMR效应的存在而使得MTJ单元对应呈现出低阻态与高阻态，基于以上原理MTJ能够作为一种存储单元准确记录数字信号“0”和“1”，同时MTJ单元的典型尺寸为亚微米级甚至是纳米级，因而有潜力成为下一代高密度、非易失性、低功耗的一种理想存储材料。同时MTJ单元在未发生TMR效应的一个低强度值范围内，它的阻值在外加磁场的变化下也会有变化，原理上MTJ的这一特性使得它能够作为磁性传感器的核心芯片，再加上MTJ单元具有较好的热稳定性、较高的磁感应强度灵敏度以及较高的磁响应频率，使得它在未来的磁传感器领域也会有优秀的表现。

如图1所示为一个MTJ单元的剖面图，它的结构主要包括基底13，上电极7，下电极12，上层铁磁材料8(矫顽力相对较小的一层)，隧道绝缘层9，下层铁磁材料10，绝缘保护层11。外加一个垂直膜面的磁场，当磁场大小大于上层铁磁材料8的矫顽力且方向与之磁化方向反平行时，能够诱导上层铁磁材料8发生磁化翻转，进而发生TMR效应。

TMR效应是MTJ单元存储数字信号的原理基础，它直接关系到MTJ作为存储单元的可靠性。然而市场上并无能直接完成测量垂直磁各向异性MTJ的TMR曲线的测试系统。

发明内容

为了实现自动化的测试，本发明的目的是提供一种基于LabVIEW的垂直磁各项异性MTJ测试系统，测试精度高，操作简单，能完成TMR曲线的测试。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统，所述测试系统包括探针测量平台、带铁芯绕组线圈、绕组线圈电源、电源测量模块以及计算机测试平台，其中：

所述探针测量平台具有两个探针，两个探针提供磁性隧道结单元的电极与电源测量模块连接的通道，所述两个探针的一端分别与放置在探针测量平台上的磁性隧道结单元的上电极和下电极连接；所述两个探针的另一端分别与所述电源测量模块的高低电平输出端口连接；

所述带铁芯绕组线圈固定放置在磁性隧道结单元的空间正上方，用于为磁性隧道结单元提供垂直于磁性隧道结单元的感应磁场；

绕组线圈电源的正负极与带铁芯绕组线圈的两端相连，用于为带铁芯绕组线圈提供电压，以使带铁芯绕组线圈产生感应磁场；

所述电源测量模块用于通过探针向磁性隧道结单元提供电压激励信号，并测量磁性隧道结单元在当前强度的感应磁场下的电流响应信号；

所述计算机测试平台，用于控制所述绕组线圈电源向所述带铁芯绕组线圈提供不同的电压，以使所述带铁芯绕组线圈产生不同的感应磁场强度；并控制所述电源测量模块产生电压激励信号，获取所述电源测量模块测量得到电流响应信号，根据所述电压激励信号和电流响应信号得到磁性隧道结单元在当前强度的感应磁场下的电阻值；从而得到感应磁场强度与磁性隧道结单元的电阻值之间的关系曲线。

进一步地，所述测试系统还包括高斯计，高斯计用于测量在绕组线圈电源加载不同电压到带铁芯绕组线圈时，带铁芯绕组线圈在磁性隧道结单元所在空间产生的感应磁场的强度，从而使得计算机测试平台获得绕组线圈电源加载电压与磁性隧道结单元所在空间感应磁场强度之间的关系。

进一步地，在所述电源测量模块上设置流经磁性隧道结单元电流的阈值，以防止流经磁性隧道结单元的电流过大而损毁磁性隧道结单元。

优选地，所述计算机测试平台与所述绕组线圈电源和所述电源测量模块均通过通用串行总线连接。

优选地，所述计算机测试平台基于LabVIEW实现。

按照本发明的另一方面，还提供了一种其于上述垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统的测试方法，所述方法包括：

通过计算机测试平台设定感应磁场强度的最大值和最小值以及步进值；

计算机测试平台根据感应磁场强度与绕组线圈电源加载电压之间的关系获得绕组线圈电源加载电压的最大值和最小值以及步进值；

通过计算机测试平台对绕组线圈电源写入上述得到的绕组线圈电源加载电压的最大值和最小值以及步进值；

所述绕组线圈电源根据上述电压的步进值，从上述最小值步进增长到最大值，再从最大值步进减小到最小值；

通过计算机测试平台控制所述电源测量模块，在绕组线圈电源加载电压每步进一次时，向所述磁性隧道结单元施加电压激励信号，并获取磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的电流响应信号；

计算机测试平台获取所述电源测量模块向所述磁性隧道结单元施加的电压激励信号，以及所述磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的电流响应信号，计算所述磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的电阻值；从而得到感应磁场强度与磁性隧道结单元的电阻值之间的关系曲线。

优选地，在绕组线圈电源加载电压每步进一次时，向所述磁性隧道结单元施加多次电压激励信号，并获取磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的多次电流响应信号；计算机测试平台根据所述多次电压激励信号和多次电流响应信号计算得到多个电阻值，将所述多个电阻值的平均值作为述磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的电阻值。

优选地，所述电源测量模块向所述磁性隧道结单元施加的电压激励信号为直流电压信号，或者脉冲电压信号，或者直流扫描信号，或者脉冲扫描信号。

进一步地，所述方法还包括获取绕组线圈电源加载电压与感应磁场强度之间的关系：

当计算机测试平台控制绕组线圈电源加载不同电压到带铁芯绕组线圈时，通过高斯计测量带铁芯绕组线圈在磁性隧道结单元所在空间产生的感应磁场的强度，从而使得计算机测试平台获得绕组线圈电源加载电压与磁性隧道结单元所在空间感应磁场强度之间的关系。

总体而言，本发明方案具有如下优点：

1)采用带铁芯绕组线圈作为磁场发生装置，绕组线圈产生的磁场磁感应强度大小与通过绕组线圈的电压成正比，方便实现更精确的控制。

2)绕组线圈采用中间带铁芯的设计能够增大螺线管所能产生的磁场磁感应强度最大值，铁芯是剩磁很小的软铁材料，消除了一般带铁芯绕组线圈0电压的磁感应强度偏移，使用更方便。

3)采用间接方式来获得磁场磁感应强度值，即先获取MTJ单元测量时所在空间位置的磁感应强度值与绕组线圈电源的通电电压的关系，测量时通过精确控制绕组线圈电源的通电电压来获得螺线管输出的磁感应强度值，比直接使用高斯计测量磁场磁感应强度更方便控制，且消除了高斯计探头与MTJ单元空间位置不重叠产生的测量误差。

附图说明

图1是垂直磁各向异性MTJ单元典型结构的剖面图；

图2是本发明垂直磁各向异性MTJ电学特性测试系统一种实施例结构示意图；

图3是本发明垂直磁各向异性MTJ电学特性测试系统的测量信号的波形图；

图4是本发明垂直磁各向异性MTJ电学特性测试系统的流程图；

图5是本发明实施例中利用该测试系统测量的MTJ单元TMR曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

现有MTJ单元的TMR曲线测试方法大多针对面内磁各向异性，磁场的磁力线水平穿过MTJ样片，对于垂直磁各向异性的MTJ单元却不适用，并且现有的测试系统并不能做到对磁场磁感应强度精确可控。为了克服现有测试系统存在的问题，本发明提供了一种垂直磁各向异性MTJ测试系统，能够得到完整的TMR测试曲线。该测试系统一种实施例的结构如图2所示，包括绕组线圈电源2的正负极与带铁芯绕组线圈3的两端连接，探针测量平台的两个探针6前端连接MTJ单元的上下电极，探针的后端连接电源测量模块1，电源测量模块1的高低电平输出端口分别与MTJ样片4的上下电极相连，电源测量模块1与计算机测试平台5通过安装驱动程序后经USB接口连接，绕组线圈电源2与计算机测试平台5通过安装驱动程序后经USB接口连接。计算机测试平台可基于LabVIEW实现，当然也可以采用其他软件平台实现。

计算机测试平台5通过控制测试系统的螺线管供电电源模块2的输出电压向待测MTJ单元4提供必要的垂直磁场，通过控制测试系统的电源测量模块1输出必要的电压测量信号，通过控制电源测量模块1完成对流经MTJ样片4的电流值的测量，计算机测试平台5根据电压与磁场磁感应强度值的换算关系将螺线管供电电源模块输出电压的数据换算为磁感应强度，计算机测试平台5能实时显示并保存实测环境下的磁感应强度值、MTJ的电阻值并最终给出MTJ的TMR特性曲线。

该测试系统在测量开始后磁场会从磁感应强度初始值(Start)以向上步进的方式升高到磁感应强度截止值(Stop)，每一次步进后在短时间的范围内磁场处于稳恒状态，在这一时间范围内电源测量模块完成对MTJ单元电压信号的加载以及MTJ电流信号的测量。步进到截止值(stop)之后改用向下步进的方式从磁感应强度值(Stop)降低到磁感应强度初始值(Start)，同样在每次步进到来之前的稳恒态时间范围内电源测量模块完成对MTJ单元电压激励信号的加载以及MTJ电流响应信号的测量。单向扫描测量过程如图3所示。图3所示小框中电压激励信号的加载模式可以自由选择，包括直流电压信号，脉冲电压信号，直流扫描信号，脉冲扫描信号。

能够提供磁场的最直接的方法是永磁体，永磁体的空间磁感应强度大小分布稳定，并且空间某一点磁场磁感应强度的大小与空间点和磁体之间的距离为连续函数，所以可以通过精确可控距离来实现磁场磁感应强度的连续变化，但结合本实例的测量环境这一方法却不适用，主要原因在于探针测量平台并无足够空间设计一套机械装置来实现永磁铁与被测单元之间距离的可控来实现磁场的可控，因而本测试系统磁场产生部分采用的是带铁芯绕制线圈，开始测试前先用磁感应强度测试工具高斯计测量不同输入电压加载到绕组线圈在MTJ所在空间产生的磁感应强度值，得到如表1所示。

表1是绕组线圈输入电压与磁场磁感应强度大小之间的数据对应关系，电压V是加载到绕组线圈上的电压，磁场mT是所测磁场磁感应强度值。绕组线圈的铁芯是剩磁接近0的软铁材料，从表中可以看出磁场磁感应强度大小B与绕组线圈输入电压U近似线性的关系，即

k＝B/U

并且在无加电压的情形下带铁芯的绕组线圈磁感应强度近似为0。利用线性拟合的方法可以计算出k≈131.5，文中磁感应强度的单位为Oe。

表1

运行LabVIEW测量程序前在计算机测试平台上输入需要的最小和最大磁场磁感应强度值即图2中的Start值和Stop值，以及磁场磁感应强度扫描的步进即Step值。例如，Stop值＝500Oe，Start值＝0Oe，Step值＝5Oe。LabVIEW测量程序运行时会自动将这三个磁场磁感应强度的参量按表1所示磁感应强度与螺线管电压的线性关系分别转换为绕组线圈的起始电压、终止电压和步进电压值，并通过对绕组线圈电源写入可编程仪器指令(StandardCommandsforProgrammableInstruments，SCPI)选择电压扫描的模式，设定扫描电压的起始电压、终止电压和步进电压值分别对应上述转换后的电压值，这样绕组线圈可以输出需要的扫描磁场。

输出扫描磁场时，在每一次步进的上升沿到来之前完成对MTJ电阻的测量，用来检测MTJ的电阻在本阶段是否发生TMR效应。测量MTJ电阻值由电源测量模块来完成。电源测量模块也能实现与计算机测试平台的通信。计算机测试平台通过写入SCPI指令控制电源测量模块的输出为电压脉冲扫描模式(pulse sweep)，这里也需要配置扫描脉冲的起始值，终止值和步进值如图3小框所示，一般输出电压脉冲配置为3-6次，然后通过SCPI指令从电源测量模块内部的数据寄存器取出每次脉冲到来后流经MTJ的电流值，经过计算机测试平台采用均值计算得出MTJ电阻值。将若干次的电阻值计算平均值作为某一磁场磁感应强度大小之下MTJ的阻值。另外采用电源测量模块的电流保护功能，设定通道允许流过的最大电流，以防止流经MTJ电流过大而损毁MTJ单元。

图4是整个测试过程的一个流程，开始运行程序后首先是测试系统的初始化，包括电源测量模块的初始化，绕组线圈电源的初始化等，然后是将设定的磁感应强度的起始值、终止值和步进值传入到绕组线圈电源，经过前述的磁感应强度与绕组线圈电源电压的关系换算为电压输出，步进也换算为电压步进，开始输出一个磁场之后电源测量模块完成对MTJ的测量，然后磁场向上步进一次，如果步进过后磁场的磁感应强度大小没有高于终止值则输出这一大小的磁场并且电源测量模块完成电阻测量，高于终止值则转换步进的方向为向下步进，如果向下步进的磁场磁感应强度高于设定的起始值则输出这一磁场并且电源测量模块完成电阻测量，低于设定的起始值则停止输出磁场，整个测试流程结束。

图5即是采用该测试系统测试一个样片的结果，设定磁感应强度初始值(Start)为-550Oe、磁感应强度截止值(Stop)为550Oe、磁感应强度步进值(Step)为5Oe。

磁场的方向是以垂直向上为正方向，在测试过程中磁场先是从-550Oe开始步进，步进值是5Oe，到550Oe；再从550Oe步进，步进值是-5Oe，到-550Oe。观察曲线的形状我们可以看到MTJ器件的电阻呈现两个状态之间的转换，我们称电阻相对较高的状态为高阻态，电阻相对较低的状态为低阻态，高阻态的阻值约在2115Ω，低阻态的阻值约在2065Ω。磁场从-550Oe开始加载，代表磁场的方向为垂直向下，大小为550Oe，此时MTJ处于高阻态，代表MTJ的三层结构中的两层铁磁材料的磁化方向处于反平行的状态。磁场以5Oe的步进值步进过程中到445Oe的时候MTJ电阻下降到低阻态，此时磁场的方向为垂直向上，电阻转变到低阻态说明铁磁材料中的矫顽力较小的一层发生了磁化方向的翻转，并且是由垂直向下向垂直向上的方向转变，说明另一层铁磁材料的磁化方向也为垂直向上。磁场继续步进至550OeMTJ处于低阻态，当磁场的步进方向反向时，MTJ仍处于低阻态，磁场以-5Oe作为步进值步进到-350Oe时矫顽力较小的那一层铁磁材料磁化方向发生了翻转，受到了外磁场的作用磁化方向由原来的垂直向上转化为了垂直向下，两层铁磁材料的相对磁化方向由平行态转化为了反平行态，低阻态转化为了高阻态。磁场继续步进MTJ稳定为反平行态。这就是整个测试过程MTJ铁磁材料磁化方向发生翻转的情况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统的测试方法，其特征在于，所述测试系统包括探针测量平台、带铁芯绕组线圈、绕组线圈电源、电源测量模块以及计算机测试平台，其中：

所述探针测量平台具有两个探针，两个探针提供磁性隧道结单元的电极与电源测量模块连接的通道，所述两个探针的一端分别与放置在探针测量平台上的磁性隧道结单元的上电极和下电极连接；所述两个探针的另一端分别与所述电源测量模块的高低电平输出端口连接；

所述带铁芯绕组线圈固定放置在磁性隧道结单元的空间正上方，用于为磁性隧道结单元提供垂直于磁性隧道结单元的感应磁场；

绕组线圈电源的正负极与带铁芯绕组线圈的两端相连，用于为带铁芯绕组线圈提供电压，以使带铁芯绕组线圈产生感应磁场；

所述电源测量模块用于通过探针向磁性隧道结单元提供电压激励信号，并测量磁性隧道结单元在当前强度的感应磁场下的电流响应信号；

所述计算机测试平台，用于控制所述绕组线圈电源向所述带铁芯绕组线圈提供不同的电压，以使所述带铁芯绕组线圈产生不同的感应磁场强度；并控制所述电源测量模块产生电压激励信号，获取所述电源测量模块测量得到的电流响应信号，根据所述电压激励信号和电流响应信号得到磁性隧道结单元在当前强度的感应磁场下的电阻值；从而得到感应磁场强度与磁性隧道结单元的电阻值之间的关系曲线；

所述方法包括：

通过计算机测试平台设定感应磁场强度的最大值和最小值以及步进值；计算机测试平台根据感应磁场强度与绕组线圈电源加载电压之间的关系获得绕组线圈电源加载电压的最大值和最小值以及步进值；

通过计算机测试平台对绕组线圈电源写入上述得到的绕组线圈电源加载电压的最大值和最小值以及步进值；

所述绕组线圈电源根据上述电压的步进值，从上述最小值步进增长到最大值，再从最大值步进减小到最小值；

通过计算机测试平台控制所述电源测量模块，在绕组线圈电源加载电压每步进一次时，向所述磁性隧道结单元施加电压激励信号，并获取磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的电流响应信号；

计算机测试平台获取所述电源测量模块向所述磁性隧道结单元施加的电压激励信号，以及所述磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的电流响应信号，计算所述磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的电阻值；从而得到感应磁场强度与磁性隧道结单元的电阻值之间的关系曲线。

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在绕组线圈电源加载电压每步进一次时，向所述磁性隧道结单元施加多次电压激励信号，并获取磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的多次电流响应信号；计算机测试平台根据所述多次电压激励信号和多次电流响应信号计算得到多个电阻值，将所述多个电阻值的平均值作为述磁性隧道结单元在当前绕组线圈电源加载电压下的电阻值。

3.如权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，所述电源测量模块向所述磁性隧道结单元施加的电压激励信号为直流电压信号，或者脉冲电压信号，或者直流扫描信号，或者脉冲扫描信号。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括获取绕组线圈电源加载电压与感应磁场强度之间的关系：

当计算机测试平台控制绕组线圈电源加载不同电压到带铁芯绕组线圈时，通过高斯计测量带铁芯绕组线圈在磁性隧道结单元所在空间产生的感应磁场的强度，从而使得计算机测试平台获得绕组线圈电源加载电压与磁性隧道结单元所在空间感应磁场强度之间的关系。

5.如权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，所述系统还包括高斯计，高斯计用于测量在绕组线圈电源加载不同电压到带铁芯绕组线圈时，带铁芯绕组线圈在磁性隧道结单元所在空间产生的感应磁场的强度，从而使得计算机测试平台获得绕组线圈电源加载电压与磁性隧道结单元所在空间感应磁场强度之间的关系。

6.如权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，在所述电源测量模块上设置流经磁性隧道结单元电流的阈值，以防止流经磁性隧道结单元的电流过大而损毁磁性隧道结单元。

7.如权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，所述计算机测试平台与所述绕组线圈电源和所述电源测量模块均通过通用串行总线连接。

8.如权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，所述计算机测试平台基于LabVIEW实现。