JP2002184169A - 欠陥のあるトンネル接合を修理する方法 - Google Patents

欠陥のあるトンネル接合を修理する方法

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JP2002184169A
JP2002184169A JP2001279909A JP2001279909A JP2002184169A JP 2002184169 A JP2002184169 A JP 2002184169A JP 2001279909 A JP2001279909 A JP 2001279909A JP 2001279909 A JP2001279909 A JP 2001279909A JP 2002184169 A JP2002184169 A JP 2002184169A
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Janice H Nickel
ジャニス・エイチ・ニッケル
Thomas C Anthony
トーマス・シー・アンソニー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】抵抗性セル交差点メモリアレイにおける欠陥のあるSD
T接合に関連した問題を克服すること。 【解決手段】欠陥のあるトンネル接合(30)の公称抵抗
が、電圧エクササイシ゛ンク゛法によって増大する。電圧エクササイシ゛ン
ク゛法は、欠陥のあるトンネル接合(30)に1つ以上の電圧サ
イクルを印可することにより、実施される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄い誘電体障壁を
備えたデバイスに関する。より具体的には、本発明は、
それに制限されるわけではないが、スピン依存トンネル
(spin dependenttunneling:SDT)接合を含むトン
ネル接合に関する。本発明は、また、それに制限される
わけではないが、磁気ランダムアクセスメモリ(「MR
AM」)デバイスを含む情報記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】典型的なMRAMデバイスには、メモリ
セルのアレイ、メモリセルの行に沿って延びるワード
線、及びメモリセルの列に沿って延びるビット線が含ま
れている。各メモリセルは、ワード線とビット線の交差
点に配置されている。
【0003】あるタイプのMRAMデバイスの場合、各
メモリセルには、SDT接合が含まれている。SDT接
合の磁化は、任意の時間において2つの安定した配向
(orientation)の一方をとる。これら2つの安定した
配向、すなわち、平行及び逆平行は、論理値の「0」及
び「1」を表している。磁化の配向は、さらに、SDT
接合の抵抗に影響を及ぼす。SDT接合の抵抗は、磁化
の配向が平行の場合、第1の値(R)であり、磁化の配
向が逆平行の場合、第2の値(R+△R)である。
【0004】SDT接合の磁化の配向、従って、その論
理状態は、その抵抗状態を検知することによって読み取
ることが可能である。しかし、アレイにおけるメモリセ
ルは、多くの並列経路を介して互いに結合されている。
1つの交差点で認められる抵抗は、他の行及び列におけ
るメモリセルの抵抗と並列をなすその交差点のメモリセ
ルの抵抗に等しい。これに関して、メモリセルのアレイ
は、交差点抵抗回路網として特徴付けられることが可能
である。
【0005】SDT接合は、わずかな数の原子の厚さし
かない絶縁トンネル障壁を有する。メモリセルのアレイ
全体に対してこうした薄い障壁を製作する製造プロセス
の制御は、困難である。SDT接合には、設計値よりも
かなり小さい公称抵抗を有するものもある。公称抵抗が
かなり小さいSDT接合は、「欠陥のある」SDT接合
と呼ばれる。
【0006】公称抵抗がかなり小さいSDT接合は、M
RAMデバイスに使用できない。欠陥のあるSDT接合
は、ビットエラーを生じる可能性がある。メモリセルを
互いに分離するためにスイッチまたはダイオードを使用
しない抵抗性交差点アレイの場合、欠陥のあるSDT接
合と同じ列及び行にある他のSDT接合も、使用不可能
になる。従って、単一の欠陥のあるSDT接合によっ
て、列幅エラー及び行幅エラーが生じる可能性がある。
【0007】データがMRAMデバイスから読み返され
る際、エラーコード訂正を使用して、使用できないSD
T接合の完全な列または行からデータを回復することが
可能である。しかし、単一列または行における1000
以上のビットを訂正するのは、時間と計算の両方の観点
からコストがかかる。さらに、MRAMデバイスは、2
つ以上の欠陥のあるSDT接合を有する可能性が高い。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従って、抵抗性セル交
差点メモリアレイにおける欠陥のあるSDT接合に関連
した問題を克服する必要性が存在する。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の態様の1つによ
れば、欠陥のあるトンネル接合は、トンネル接合に電圧
エクササイジング(voltage-exercising)をすることに
よって修理することが可能である。本発明の他の態様及
び利点については、本発明の原理を例示した、添付の図
面に関連してなされる下記の詳細な説明から明らかにな
るであろう。
【0010】
【発明の実施の形態】説明のための図面に示すように、
本発明は、絶縁トンネル障壁を有するSDT接合におい
て具現化される。接合の公称抵抗が、その意図される設
計値よりかなり小さい場合、その接合は、電圧エクササ
イジングによって「修理」可能である。電圧エクササイ
ジングは、接合に1つ以上の電圧サイクルを印可するこ
とによって実施可能である。複数のサイクルは、接合の
公称抵抗が安定化するまで印可することが可能である。
修理された接合の公称抵抗は、依然として、意図された
設計値より小さいかもしれないが、意図された設計値よ
りかなり小さいということはない。修理した接合が使用
不可能であっても、列または行内の他のセルに影響を及
ぼすことはなくなる。従って、修理した接合によって、
列幅エラー及び行幅エラーが生じることはなくなる。最
悪の場合でも、それによって生じるのはビットエラーだ
けである。このビットエラーを、エラーコード訂正によ
って訂正することは、コストがかからない。
【0011】図1を参照すると、材料の多層の積層構造
(stack)を含むSDT接合30が例示されている。積
層構造には、第1と第2のシード(seed)層32及び3
4が含まれる。第1のシード層32によって、(11
1)結晶構造方位をなすように第2のシード層34を成
長させることが可能になる。第2のシード層34によっ
て、後続の反強磁性(「AF」)ピニング(pinning)
層36に関する(111)結晶構造方位が確立する。A
Fピニング層36によって、後続のピニングされた(底
部)強磁性(「FM」)層38の磁化を1つの方向に保
持する、大きな交換磁界が提供される。ピニングされた
FM層38の上には、絶縁トンネル障壁40がある。オ
プションの界面層42及び44によって、絶縁トンネル
障壁40をサンドイッチ状に挟むことが可能である。絶
縁トンネル障壁40の上には、印可される磁界が存在す
る場合に、磁化が自由に回転するセンス(上部)FM層
46がある。センスFM層46の上には、保護キャッピ
ング層48がある。保護誘電体(図示せず)が積層構造
を取り囲む。
【0012】第1のシード層32と保護キャッピング層
48は、チタン(Ti)またはタンタル(Ta)から製
作可能であり、第2のシード層34は、ニッケル鉄(N
iFe)から製作可能である。AFピニング層36は、
マンガン鉄(MnFe)、ニッケル・マンガン(NiM
n)、酸化ニッケル(NiO)、またはイリジウム・マ
ンガン(IrMn)から製作可能である。FM層38及
び46は、NiFe、または酸化鉄(Fe34)、また
は酸化クロム(CrO2)またはコバルト合金(例え
ば、CoFe)、または他の強磁性またはフェリ磁性材
料から製作可能である。界面層42及び44は、鉄(F
e)から製作可能である。界面層42及び44には、他
の材料を用いることも可能であるが、高スピン分極材料
が望ましい。絶縁トンネル障壁40は、酸化アルミニウ
ム(Al23)、二酸化珪素(SiO2)、酸化タンタ
ル(Ta25)、または窒化珪素(SiN4)から製作
可能である。絶縁トンネル障壁40には、他の誘電体及
びいくつかの半導体材料を使用することも可能である。
【0013】SDT接合30は、第1のオーミックコン
タクト50と第2のオーミックコンタクト52の間に形
成される。オーミックコンタクト50及び52は、銅、
アルミニウム、または金、あるいはそれらの合金等の導
電性材料から製作可能である。
【0014】絶縁トンネル障壁40によって、ピニング
された層38とセンス層46の間に量子力学的トンネル
効果を生じさせることが可能になる。このトンネル現象
は、電子のスピンに依存しており、SDT接合30の抵
抗を、ピニングされた層38とセンス層46の磁化の相
対的配向の関数にする。
【0015】ピニングされた層38とセンス層46の磁
化の配向が平行である場合、SDT接合30の抵抗は、
第1の(公称)値(R)とすることが可能である。磁化
の配向が、平行から逆平行に変化する場合、メモリセル
12の抵抗を第2の値(R+△R)まで増すことが可能
である。典型的な公称抵抗(R)は、約1メガオームと
することが可能である。抵抗の典型的な変化(△R)
は、公称抵抗(R)の約30%〜40%とすることが可
能である。
【0016】絶縁トンネル障壁40の欠陥によって、接
合30の公称抵抗(R)が減少する可能性がある。例え
ば、欠陥によって、ピンホール伝導または共振伝導が生
じる可能性がある。
【0017】これらの欠陥の結果として、欠陥のある接
合30の公称抵抗は、欠陥のない接合30の公称抵抗よ
りも数桁小さくなる可能性がある。例えば、欠陥のある
接合の公称抵抗は、ほんの5キロオームにしかならず、
抵抗の変化(△R)は、公称抵抗(R)のわずか8%に
しかならない可能性がある。ある抵抗状態と別の抵抗状
態を識別することは、こうした少ない抵抗の変化(△
R)の場合、困難になる。
【0018】しかしながら、欠陥のある接合30は、電
圧エクササイジングによって修理可能である。電圧エク
ササイジングは、オーミックコンタクト50及び52の
両端に1つ以上の電圧サイクルを印可することによって
実施可能である。電圧サイクルによって、接合30の公
称抵抗(R)が増大する。接合30の公称抵抗が新たな
値で安定化するまで、複数の電圧サイクルを印可するこ
とが可能である。
【0019】修理された接合30は、欠陥のない接合の
公称抵抗(R)まで復元されることは不可能であるが、
欠陥のない接合の公称抵抗の1桁以内である新たな公称
抵抗まで復元されることが可能である。さらに、修理さ
れた接合の抵抗の変化(△R)が増大する。例えば、修
理された接合30の公称抵抗(R)は、100キロオー
ムまで増大させることが可能であり、抵抗の変化(△
R)は、新たな公称抵抗(R)の20%まで増大させる
ことが可能である。
【0020】電圧は、連続サイクルにわたって最大電圧
まで上昇させることが可能である。代替案において、連
続サイクルにわたって、接合30に最大電圧を印加する
ことも可能である。オーミックコンタクト50及び52
の両端に印加される最大電圧は、読み取り電圧より高い
が、接合30の破壊電圧よりは低い。
【0021】サイクル数またはサイクルの波形には制限
がない。接合30の公称抵抗が安定化するまで、複数の
電圧サイクルを印可するのが好ましい。安定性は、各サ
イクルが適用された後に、接合30の公称抵抗を測定す
ることによって判定可能である。
【0022】各サイクル毎に、電圧を急速に上昇させ急
速に降下させたり、電圧を上昇させて保持したり(電圧
をより高いレベルまで上昇させることによって、新たな
サイクルが始まることになる)、電圧をパルス化したり
(急速に上昇させ、保持し、急速に降下させる)等、可
能である。各サイクルの持続時間、及び電圧を上昇さ
せ、あるいは降下させる速度には、制限がない。図2
a、図2b、図2c、及び図2dには、電圧エクササイ
ジングに関する異なる典型的なグラフが示されている。
図2a〜図2cに示すところでは、電圧エクササイジン
グ中に、4つの電圧サイクルだけしか印可されていない
が、電圧エクササイジングにおいて、4つより少ない
か、または多い電圧サイクルを印可することも可能であ
る。
【0023】図2aには、接合30に電圧エクササイジ
ングをするための第1の典型的なグラフが示されてい
る。第1のサイクルにおいて、第1の電圧(V1)が接
合30に印加され、除去される。第2のサイクルにおい
て、第2の電圧(V2)が印加され、除去される。第3
のサイクルにおいて、第3の電圧(V3)が印加され、
除去される。そして、第4のサイクルにおいて、最大電
圧(V4)が印加され、除去される。
【0024】例えば、欠陥のある接合は、約1.8〜
2.0ボルトの破壊電圧を有する。欠陥のある接合を修
理するため、図2aのグラフに従った電圧サイクルが、
オーミックコンタクト50及び52の両端に印加され
る。第1の電圧(V1)は、0.25ボルト、第2の電
圧(V2)は、0.65ボルト、第3の電圧(V3)
は、1.05ボルト、第4の電圧(V4)は、1.5ボ
ルトとすることが可能である。修理された接合に関し
て、抵抗状態は、オーミックコンタクト50及び52の
両端に約0.5ボルトの読み取り電圧を印加することに
よって検知することが可能である。
【0025】図2bには、第2の典型的なグラフが示さ
れている。接合30の両端に印加される電圧は、急速に
上昇させられて、第1の電圧(V1)に保持され、急速
に上昇させられて、第2の電圧(V2)に保持され、急
速に上昇させられて、第3の電圧(V3)に保持され、
急速に上昇させられて、最大電圧(V4)に保持され、
その後、降下させられる。
【0026】図2cには、第3の典型的なグラフが示さ
れている。電圧を最大電圧(V4)まで上昇させる代わ
りに、複数のサイクルにわたって、同じ最大電圧(V
4)が印加される。最大電圧(V4)は、パルスで印加
される。
【0027】図2dには、第4の典型的なプロフィール
が示されている。最大電圧(V4)は、単一のサイクル
で印加される。
【0028】次に、図3を参照すると、トンネル接合メ
モリセル114のアレイ112を含むMRAMデバイス
110が例示されている。メモリセル114は、行及び
列に配列されており、行はx方向に沿って延び、列はy
方向に沿って延びている。デバイス110の説明を単純
化するため、比較的少ない数のメモリセル114しか示
されていない。実際には、任意のサイズのアレイを用い
ることが可能である。
【0029】ワード線116として機能するトレース
が、メモリセルアレイ112の平面の一方の側におい
て、x方向に沿って延びている。ビット線118として
機能するトレースは、メモリセルアレイ112の平面の
反対の側において、y方向に沿って延びている。アレイ
112の各行毎に1つのワード線116と、アレイ11
2の各列毎に1つのビット線118を設けることが可能
である。各トンネル接合メモリセル114は、ワード線
116とビット線118の間に形成されている。従っ
て、各トンネル接合メモリセル114は、ワード線11
6とビット線118の交差点にある。ワード線116及
びビット線118によって、メモリセル114のトンネ
ル接合に対するオーミックコンタクトが、(図1に示す
オーミックコンタクト50及び52の代わりに)提供さ
れる。
【0030】デバイス110には、読み取り及び書き込
み操作中に、選択されたメモリセル114に読み取り及
び書き込み電位を印加するための読み取り及び書き込み
回路(第1の行回路120及び第2の行回路122と、
第1の列回路124及び第2の列回路126によって表
されている)が、さらに含まれる。読み取り及び書き込
み電流を発生させるため、第1の行回路120及び第2
の行回路122によって、適切な電位がワード線116
に印加され、第1の列回路124及び第2の列回路12
6によって、適切な電位がビット線118に印加され
る。
【0031】第2の列回路126には、選択されたメモ
リセル114の抵抗状態を検知するためのセンスアンプ
も含まれる。記憶された論理値は、抵抗状態を検知する
ことによって読み取ることが可能である。
【0032】デバイス110には、読み取り操作中、回
り込み電流(sneak path current)を阻止するためのト
ランジスタまたはダイオードが含まれていない。その代
わり、動作電位が選択されたビット線に印加され、等し
い動作電位が選択されなかった線(例えば、選択されな
かったビット線)のサブセットに印加される。この「等
電位法」によって、回り込み電流を阻止するためのダイ
オードまたはスイッチを用いることなく、センス電流を
確実に読み取ることが可能になる。「等電位」法につい
ては、2000年3月3日に提出された譲受人の米国特
許出願第09/564,308号に開示されている。
【0033】読み取り回路または書き込み回路は、欠陥
のあるメモリセル114に電圧エクササイジング電圧を
印加するように構成されることが可能である。読み取り
回路または書き込み回路は、欠陥のあるメモリセルと交
差する線の1つを接地し、欠陥のあるメモリセルと交差
するもう1つの線に電圧エクササイジングの電圧特性を
適用することが可能である。複数の欠陥のあるセルを同
時に修理することが可能である。
【0034】図4には、MRAMデバイス110におい
て欠陥のあるトンネル接合メモリセル114を修理する
第1の方法が例示されている。デバイス110の製作
後、メモリセル114は、低い公称抵抗についてテスト
される(ブロック202)。「死んでいる」接合(すな
わち、公称抵抗が約25オーム未満の接合)を有するメ
モリセルは、修理されない。欠陥のある接合を有するメ
モリセル114だけ識別される(ブロック204)。
【0035】識別された各メモリセルのトンネル接合
は、識別されたセルと交差するワード線116及びビッ
ト線118に電圧サイクルを印可することによって、電
圧エクササイジングされる(ブロック206)。各サイ
クル中に、行及び列回路120〜126は、交差するワ
ード線116及びビット線118に電圧エクササイジン
グの電圧サイクルを印可する。
【0036】各サイクル後、欠陥のある接合の抵抗を検
査することが可能である。抵抗を検査することによっ
て、公称抵抗が安定化した時の目安が提供される。
【0037】センスアンプは、修理されたトンネル接合
を有するメモリセルの抵抗状態を識別できる可能性があ
る。しかし、たとえ識別できなくても、修理されたトン
ネル接合を有するメモリセルによって、列幅または行幅
のエラーが生じることはなく、ビットエラーだけしか生
じない。ビットエラーは、訂正するためにコストがかか
らない。
【0038】図5には、MRAMデバイス110におけ
る欠陥のあるトンネル接合メモリセル114を修理する
第2の方法が例示されている。デバイス110の製作
後、アレイ112内のメモリセル114の全てが、電圧
エクササイジングされる(ブロック302)。電圧サイ
クルは、メモリセル114に同時に適用されることが可
能である。電圧サイクルは、接合に損傷を与えない。欠
陥のあるメモリセル114のテストは、電圧サイクルを
適用した後で実施することが可能である(ブロック30
4)。
【0039】図4及び図5の方法は、ウェーハレベルま
たはパッケージレベルで実施することが可能である。
【0040】SDT接合に他の構成を使用することも可
能である。例えば、AFピニング層の代わりに、硬質磁
石または合成反強磁性体を使用することも可能である。
AFピニング層は、積層構造の底部ではなく、積層構造
の上部近くに配置されることが可能であり、これによ
り、上部FM層が、ピニングされた層になり、底部FM
層が、センス層になる。
【0041】トンネル接合は、SDT接合に制限されな
い。薄い誘電体障壁を有した、磁性であろうとなかろう
と、他のタイプのトンネル接合を使用することも可能で
ある。
【0042】本発明は、上記において説明され、例示さ
れた特定の実施形態に制限されない。代わりに、本発明
は、特許請求の範囲に従って解釈される。
【0043】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 1.ワード線とビット線(116及び118)が交差する、M
RAMデバイス(110)の複数のトンネル接合(30)を
修理する方法であって、前記ワード線及びビット線(11
6及び118)を使用して、前記複数のトンネル接合(30)
のそれぞれに少なくとも1つの電圧サイクルを印可する
ステップであって、最大電圧が、接合の破損電圧より低
いステップからなる、方法。 2.前記デバイス(110)が、読み取り/書き込み回路
(120、122、124、126)を含み、その読み取り/書き込
み回路(120、122、124、126)を使用して、前記ワード
線及びビット線(116及び、118)に前記電圧サイクルを
印可する、上記1に記載の方法。 3.前記電圧サイクルの最大電圧が、前記読み取り/書
き込み回路(120、122、124、126)によって提供される
読み取り電圧より高い、上記2に記載の方法。 4.欠陥のあるトンネル接合(202、204)を有するメモ
リセルについて前記デバイスをテストし、そして、前記
欠陥のある接合(206)と交差するワード線及びビット
線(116、118)に前記電圧サイクルを印可するステップ
をさらに含む、上記1に記載の方法。 5.少なくともいくつかのトンネル接合(30)が、アレ
イ(302)の各トンネル接合に少なくとも1つの電圧サ
イクルを印可することによって、電圧エクササイジング
され、前記電圧サイクルが、前記複数のトンネル接合に
同時に印可される、上記1に記載の方法。 6.前記複数のトンネル接合(30)が、単一の電圧サイ
クルを印可することによって電圧エクササイジングされ
る、上記1に記載の方法。 7.1つのトンネル接合(30)が、そのトンネル接合
(30)に複数の電圧サイクルを印可することによって、
電圧エクササイジングされる、上記1に記載の方法。 8.電圧が連続したサイクルにわたって増加していく、
上記7に記載の方法。
【0044】
【発明の効果】本発明により、抵抗性セル交差点メモリ
アレイにおける欠陥のあるSDT接合に関連した問題が
克服される。
【図面の簡単な説明】
【図1】SDT接合の説明図である。
【図2a】SDT接合に電圧エクササイジングをするた
めの例示的な電圧グラフの説明図である。
【図2b】SDT接合に電圧エクササイジングをするた
めの例示的な電圧グラフの説明図である。
【図2c】SDT接合に電圧エクササイジングをするた
めの例示的な電圧グラフの説明図である。
【図2d】SDT接合に電圧エクササイジングをするた
めの例示的な電圧グラフの説明図である。
【図3】本発明によるMRAMデバイスの説明図であ
る。
【図4】欠陥のあるトンネル接合を修理する第1の方法
の説明図である。
【図5】欠陥のあるトンネル接合を修理する第2の方法
の説明図である。
【符号の説明】
30 トンネル接合 110 MRAMデバイス 114 トンネル接合メモリセル 116 ワード線 118 ビット線 120、122 行回路 124、126 列回路
フロントページの続き (72)発明者 トーマス・シー・アンソニー アメリカ合衆国カリフォルニア州94087, サニーベイル,ピメント・アベニュー・ 1161 Fターム(参考) 2G132 AA08 AB00 AD01 AG01 AL31 5F083 FZ10 LA12 LA16

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ワード線とビット線(116及び118)が交差
    する、MRAMデバイス(110)の複数のトンネル接合
    (30)を修理する方法であって、 前記ワード線及びビット線(116及び118)を使用して、
    前記複数のトンネル接合(30)のそれぞれに少なくとも
    1つの電圧サイクルを印可するステップであって、最大
    電圧が、接合の破損電圧より低いステップからなる、方
    法。
JP2001279909A 2000-09-30 2001-09-14 欠陥のあるトンネル接合を修理する方法 Pending JP2002184169A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/675,775 US6400600B1 (en) 2000-09-30 2000-09-30 Method of repairing defective tunnel junctions
US09/675775 2000-09-30

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