JP2007507054A - Mramセルにおける加速寿命試験 - Google Patents

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Abstract

回路(30)は、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)(10)の加速寿命試験において、MRAM(10)の記憶素子を構成する磁気トンネル接合(MTJ)(34〜48)にストレス電圧を印加する。このストレス電圧は、通常動作に比べて所定の劣化加速度を生じさせるように選択される。ソースフォロワ回路(70)は、寿命試験における任意の時点で複数のメモリセルの一部分にストレス電圧を印加するために用いられる。ストレス電圧は、ストレスを受けるメモリアレイ(12)の一部の読み出し特性を模擬する回路(24)によって、所望の電圧に維持される。その結果、加速の大きさがメモリセル(34〜48)の全てについて適切に与えられるように、MTJ(34〜48)に印加される電圧が厳密に生成される。

Description

本発明は、MRAMに関し、特には、MRAMセル用の加速寿命試験に関する。
半導体の製造において、信頼性の高いものは一般に極めて好ましい特性を有しており、これは、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory )においても同様に言えることである。MRAMを含む半導体を試験する場合の困難さは、ある機能について、まだ障害は現れていないが、最終的に機能障害を引き起こす不良を含み得るといったことにある。それ故、通常の機能試験では、その不良は特定されないため、潜在的不良とも呼ばれる。この潜在的不良を特定するのに有用な一般的手法に、動作電圧を通常の動作電圧を越える電圧に増加させ、その不良に関して十分なストレスを与えることで、その不良を機能異常として明らかにさせる手法がある。こうして機能試験を通じて機能異常が検出されることにより、そのデバイスが取り除かれる。この種の試験は、通常MRAMが有するトンネル接合に適用されてきているが、比較的少数である。
しかしながら、潜在的不良について比較的大きなメモリの各メモリセルを試験することが要求される場合、困難が生じる。従って、比較的大きなMRAMアレイを潜在的不良について試験するための技術が必要である。
一つの側面では、回路は、磁気抵抗型ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)の加速寿命試験において、MRAMの記憶素子を構成する磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)にストレス電圧を印加する。ストレス電圧は、通常動作に比べて所定の劣化加速度を生じさせるように選択される。ストレス電圧は、寿命試験における任意の時点で複数のメモリセルの一部分に印加される。ストレス電圧は、ストレスを受けるメモリアレイの一部の読み出し特性を模擬する回路によって、所望の電圧に維持される。これは、以下の説明及び図面を参照することによって、より理解される。
本発明は例示によって説明されるが、添付の図によって制限されるものではない。図において、同様の参照番号は類似の構成要素を示す。
当業者であれば、図中の構成要素は、簡潔性かつ明確性のために示されているものであり、必ずしも正確に縮尺されたものではないことを理解し得る。例えば、図中の構成要素のうちの幾つかの寸法は本発明の実施形態の理解を深めるために、他の構成要素に対して誇張されている。
図1は、MRAMセルのアレイ12、ワード線WL1、ワード線WL2、ワード線WL1及びWL2に接続されたロウデコーダ、模擬回路24、ストレスデコーダ26、コラム読出回路14、コラム読出回路16、コラム読出回路18及びコラム読出回路20を有するメモリ10の一部分を示す。アレイ12は、ワード線WL1及びビット線50,52,54,56,58,60,62,64にそれぞれ接続されたメモリセル34,36,38,40,42,44,46,48を有する。他の同様なメモリセル群がワード線WL2及び同一のビット線に接続されている。メモリ10は、図1の部分には示されない更に多くのメモリセルを含み得る。また、メモリ10は、更に多くの又はより少ないコラム読出回路を含み得る。各コラム読出回路は、図1に示されない更に多くのビット線を含み得る。コラム読出回路14〜20はそれぞれ、センスアンプ、ストレス回路、及びコラムデコーダを含む。詳しくは、図示されるように、コラム読出回路16は、模擬回路24、ストレスデコーダ26、ビット線50,52,54,56、及び他の複数のビット線に接続され、ストレスイネールブル信号SEを受け取るストレス回路30を備えている。同様に、コラム読出回路18は、図示されるように、模擬回路24、ストレスデコーダ26、ビット線58,60,62,64、及び図示されない他の複数のビット線に接続され、ストレスイネールブル信号SEを受け取るストレス回路32を有している。模擬回路24は信号SEを受け取り、基準電圧VR を出力として供給する。ストレスデコーダ26は、信号SEとコラムアドレスとを受け取り、その出力はストレス回路30,32、及び図示されない他のストレス回路に接続されている。
図2は、トランジスタ70、トランジスタ72、インバータ74、トランジスタ78、トランジスタ80、トランジスタ82、トランジスタ84及びローカルコラムデコーダ76を備えるストレス回路30のより詳細な図を示す。トランジスタ70は、基準電圧VR を受け取るゲートと、ソースとを有する。トランジスタ70は、図示されるように、好ましくは、ゲート絶縁膜の厚いトランジスタであるが、標準的な厚さのゲート絶縁膜を有するトランジスタでもよい。VDD1 には、大部分の他のトランジスタに印加される電圧よりも高い電圧、例えば3.3ボルトが供給される。トランジスタ72は、トランジスタ70のソースに接続されたドレインと、グランドに接続されたソースと、ゲートとを有する。インバータ74は、信号SEを受け取る入力と、トランジスタ72のゲートに接続された出力とを有する。トランジスタ78は、ビット線50に接続されたソースと、トランジスタ70のソースに接続されたドレインと、信号SE1を受け取るゲートとを有する。トランジスタ80は、ビット線52に接続されたソースと、トランジスタ70のソースに接続されたドレインと、信号SE1を受け取るゲートとを有する。トランジスタ82は、ビット線54に接続されたソースと、トランジスタ70のソースに接続されたドレインと、信号SE2を受け取るゲートとを有する。トランジスタ84は、ビット線56に接続されたドレインと、トランジスタ70のソースに接続されたソースと、信号SE2を受け取るゲートとを有する。ローカルコラムデコーダ76は、コラムアドレスと信号SEを受け取り、信号SE1及びSE2を出力として供給する。トランジスタ70のソースには、ストレス電圧VS が供給される。
図3は、模擬回路24及びトランジスタ70の回路図を示す。模擬回路24は、ストレス基準回路92、差動増幅器94、トランジスタ90,96,102,98,104及びMTJ100,106を備える。基準回路92は、ストレス基準電圧VSRを出力として供給する。差動増幅器94は、ストレス基準電圧VSRを受け取る非反転入力と、反転入力と、出力とを有する。トランジスタ90は、VDD1 に接続されたドレインと、差動増幅器94の出力に接続されたゲートと、ソースとを有する。トランジスタ96は、トランジスタ90のソースに接続されたドレインと、VDD1 に供給されるよりも高い電圧が供給される正電源端子VDD2 に接続されたゲートと、ソースとを有する。トランジスタ102は、トランジスタ90のソース及び図示されない他の複数のトランジスタのソースに接続されたドレインと、正電源端子VDD2 に接続されたゲートと、ソースとを有する。トランジスタ98は、トランジスタ96のソースに接続されたドレインと、VDD2 に接続されたゲートと、ソースとを有する。トランジスタ104は、トランジスタ102のソースに接続されたドレインと、VDD2 に接続されたゲートと、ソースとを有する。MTJ100は、トランジスタ98のソースに接続された第1端子と、グランドに接続された第2端子とを有する。MTJ106は、トランジスタ98,104及び図示されない他の複数のトランジスタのソース、かつ差動増幅器94の反転入力に接続された第1端子と、グランドに接続された第2端子とを有する。基準電圧VR を供給する差動増幅器94の出力は、トランジスタ70のゲート、更には、ストレス回路32などの他の複数のストレス回路のソースフォロワトランジスタに接続されている。
動作時において、寿命試験は、MRAMセルの一部にストレス電圧を順次に印加することによって、メモリ10のメモリセルを通じて周期的に行われる。メモリセル34,36,42,44を含む一部については、ワード線WL1が活性され、ビット線50,52,58,60が選択される。ストレスイネールブル信号が外部から供給されると、トランジスタ72がオフされるとともに、ローカルコラムデコーダ76から論理ハイの信号SE1が供給されるようになる。論理ハイの信号SE1によって、トランジスタ78,80がオンされる。また、信号SEにより差動増幅器94が活性され、基準電圧VR がトランジスタ70のゲートに印加されるようになる。トランジスタ70は、ソースフォロワ構成であるため、該トランジスタ70のソースに現れる電圧、即ちストレス電圧VS は、およそ基準電圧VR を下回る閾値電圧となる。トランジスタ78,80は導通状態にあるため、ストレス電圧VS は、ビット線50,52に供給される。ワード線WL1は活性状態にあるため、ストレス電圧VS は、メモリセル34,36のMTJに印加される。同様に、ストレス回路32は、ストレス電圧VS をメモリセル42,44のMTJに印加する。図示されるように、ストレスを受ける2つの隣接するメモリセル34,36は、同時に選択される。実際には異なる数の隣接するメモリセルが同時にストレスにさらされる。例えば、8つが効果的な数であることが分かっている。
模擬回路24は、メモリセルのMTJに印加される電圧が所望のストレス電圧となるように、基準電圧VR を供給する。差動増幅器94は、ストレス基準電圧VSRを受け取る正入力を有しており、このストレス基準電圧VSRは、加速寿命試験においてメモリセルのMTJに印加されるのに望ましい電圧に選択される。MTJに印加される電圧は、加速寿命試験における加速量を決定するものである。加速量は、MTJに印加されるストレス電圧の小さな変化に敏感に反応する。加速量は、100ミリボルト(mV)の電圧上昇あたり、20〜40の間となることが分かっている。従って、10年以上の効果的な加速寿命試験は、通常動作から600mVの増加で達成することができる。この場合、ストレス基準電圧は、MTJの通常の動作電圧を上回る600mVとなるように選択される。
動作時において、模擬回路24の出力はトランジスタ70と同様に構成されているトランジスタ90にフィードバックされ、トランジスタ90のソース電圧をおよそ差動増幅器94の出力電圧を下回る閾値電圧にする。トランジスタ90のソース電圧は、トランジスタ96,102及び図示されない他の複数のトランジスタのドレインに印加される。このようなトランジスタの総数は、トランジスタ70に対するトランジスタ90の駆動力比に、該トランジスタ70によって駆動されているビット線の数を掛け合わせた値に合致する。例えば、トランジスタ70の幅が20ミクロンであり、トランジスタ90の幅が10ミクロンであり、トランジスタ70が8つのビット線を駆動する場合、トランジスタ90は4つのビット線を駆動する。トランジスタ96,102は、トランジスタ78,80と同様に構成されている。トランジスタ98,MTJ100と、トランジスタ104,MTJ106は、図示されない他のトランジスタとMTJの対と同様、アレイ12のメモリセルと同一に形成されるメモリセルを構成する。MTJ100,106に印加される電圧は、差動増幅器94の負入力に供給される。差動増幅器94は、一般的な差動増幅器のフィードバック動作によって、MTJ100,106に印加される電圧がストレス基準電圧VSR と同じになるように動作する。このため、模擬回路24から出力される基準電圧VR は、結果として、アレイ12のメモリセルのMTJに印加されるストレス電圧となり、この電圧はストレス基準電圧VSRに合致する。
アレイ12全体の全てのメモリセルにストレスを与えるために、メモリセル群はアレイ12全体がストレス電圧を受けるまで順次に選択される。本明細書においては、例えば図1に示されるように、2つのストレス回路30,32の双方はそれぞれ8つのメモリセルにストレスを与える。それらのメモリセルにストレスが与えられた後、ストレスされる他のメモリセル群が選択される。1つの方法として、選択されるストレス回路を変更してもよい。他の方法として、選択されるストレス回路によりストレス電圧を受け取るビット線を変更してもよい。これは、図示されるように、活性する信号を信号SE1から信号SE2に変更することで実現される。更に他の方法として、選択される行を変更してもよい。これは、図示されるように、選択されるストレス回路30,32が変更されない間に、ロウデコーダ22により、選択されるワード線をワード線WL1からワード線WL2に変更することで実現される。
ストレス回路30,32へのVDD1 の接続線は、図示されるように、分割抵抗を有している。これは、全ての線について言えることであるが、VDD1 線については特に重要である。VDD1 線は、アレイ12内にて実際にはホール(holes )を有する平面(plane )上に存在するVSS線よりも多くの抵抗を有する混雑した周辺部に存在する。このVDD1 線の分割抵抗は、ストレス回路30,32を通じて流れる電流により電圧降下を生じさせるといった点で重要である。この電流により、結果的に、ストレス回路30に印加されるVDD1 の電圧レベルと、ストレス回路32に印加されるVDD1 の電圧レベルとに違いが生じるようになる。ストレス回路30,32はそれぞれ、トランジスタ70等のソースフォロワを有するため、その出力電圧はVDD1 の電圧レベルに依存しない。更に言えば、VDD1 はVDD2 よりもはるかに高い電圧である。これは、トランジスタ70が、メモリセルの選択トランジスタとして用いられるトランジスタ等のような他の標準的なトランジスタのゲート絶縁膜に比べて、はるかに厚いゲート絶縁膜86を有しているためである。例えば標準的なトランジスタとしてはトランジスタ98,104があり、これらはアレイ12内の選択トランジスタと同一のものである。この場合、トランジスタ70のゲート絶縁膜86は、標準的なトランジスタのゲート絶縁膜を約35オングストロームとした状態で、他のストレス回路や模擬回路24の他のソースフォロワと同様、好ましくは約70オングストロームとするのがよい。尚、他の厚さを用いることも可能である。ソースフォロワの厚さを余分に設けることによって、VDD2 に比べてVDD1 に高い電圧を使用することが可能となる。これは、より大きなストレス電圧によって、全MTJに与えるストレスを比較的一定に保つことを可能とする。
以上の説明においては、本発明を具体的な実施例に関して記述したが、特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱しなければ、種々の改良や変更が可能であることは、当業者であれば理解し得る。それ故、例えば、本明細書や図面は、限定を意味するというよりは、むしろ例示性を意味し、全てのそのような改良は、本発明の範囲内に含まれるもの意図される。
以上、具体的な実施例に関して、利益、他の利点、及び問題の解決方法について説明してきたが、利益、利点、問題の解決方法、及びこうした利益、利点、問題の解決方法をもたらし、又はより顕著なものにする構成要素は、全ての請求項又は何れかの請求項において重要とされ、要求され、不可欠とされる機能や構成要素であると見なされるべきではない。本明細書で使用した、「備える」、「備えている」、又はこれらの任意の他の派生語は、列挙した構成要素を含むプロセス、方法、物品または装置が、これらの構成要素のみを含むのではなく、明確に列挙されていない構成要素や、このようなプロセス、方法、物品、装置に固有の他の構成要素を含むことができるようにあらゆるものを含むことができる。
本発明の一実施形態によるメモリの回路図及びブロック図を組み合わせた図である。 図1のメモリの一部分の回路図及びブロック図を組み合わせた図である。 図2のメモリの一部分の回路図である。

Claims (18)

  1. メモリであって、
    導体よりなる複数のロウ及び複数のコラムであって、それらの各交点にメモリセルを有する複数のロウ及び複数のコラムと、
    前記メモリの所定のロウ及び選択されたコラムによって選択されたメモリセルに接続され、複数のメモリセルの一部分の加速寿命試験を行うための電圧ストレス回路であって、前記複数のメモリセルの一部分のうちの一つ以上のメモリセルに印加するストレス電圧を制御するソースフォロワ回路部を含む前記電圧ストレス回路と、を備え、
    前記ソースフォロワ回路部は基準電圧を受け取り、前記選択されたメモリセルの各々に実質的に一定電圧の前記ストレス電圧を供給する、メモリ。
  2. 請求項1記載のメモリは更に、
    前記複数のメモリセルと同一の集積回路上に実装された、一つ以上の模擬メモリセルを有する模擬回路を備え、
    前記模擬回路は、
    前記一つ以上の模擬メモリセルの各々に接続され、フィードバック制御信号がバイアスされるソースフォロワのトランジスタと、
    ストレス基準電圧を受け取る第1入力と、前記ソースフォロワのトランジスタによって前記一つ以上の模擬メモリセルの各々に印加される模擬ストレス電圧を受け取る第2入力と、前記ソースフォロワのトランジスタに接続され、前記フィードバック制御信号を前記基準電圧として供給する出力と、を有する差動増幅器と、
    を含む、メモリ。
  3. 請求項2記載のメモリは更に、
    前記ソースフォロワのトランジスタと前記一つ以上の模擬メモリセルの各々との間に接続され、前記メモリの前記選択されたコラムによる選択部分内におけるインピーダンス経路を再現するインピーダンス手段を備える、メモリ。
  4. 請求項3記載のメモリにおいて、
    前記インピーダンス手段は、前記ソースフォロワのトランジスタと前記一つ以上の模擬メモリセルの各々との間に接続された複数の選択トランジスタを含む、メモリ。
  5. 請求項2記載のメモリにおいて、
    前記ストレス基準電圧は、前記選択されたメモリセルの各々のトンネル接合に印加する所望の電圧よりなる、メモリ。
  6. 請求項2記載のメモリにおいて、
    前記ソースフォロワ回路部および前記ソースフォロワのトランジスタの各々は、高い電圧動作を許容するべく、前記メモリセルに実装されるトランジスタのゲート酸化物よりも厚いトランジスタゲート酸化物を有するトランジスタよりなる、メモリ。
  7. 請求項1記載のメモリにおいて、
    前記複数のメモリセルは、少なくとも2つの異なる抵抗状態を有する磁気抵抗ランダムアクセスメモリセルであり、
    前記ストレス電圧は、前記複数のメモリセルの各々の磁気トンネル接合に印加される、
    メモリ。
  8. メモリの加速寿命試験の方法であって、
    前記メモリは、導体よりなる複数のロウ及び複数のコラムと、複数のメモリセルであって、各メモリセルが導体よりなる所定のロウ及び所定のコラムの交点に形成された前記複数のメモリセルとを有しており、当該方法は、
    第1のソースフォロワ回路により、電圧変動の影響を受け易い供給電圧から一定電圧を生成すること、
    それぞれ模擬メモリセルを有する一つ以上の模擬メモリ列に前記一定電圧を印加すること、
    前記一つ以上の模擬メモリ列内に、導体よりなる前記複数のコラムの各々に存在する再現インピーダンスを含ませること、
    差動増幅回路により、一つ以上の模擬メモリセルにかかる電圧と、前記寿命試験に適するように決定されたストレス基準電圧とを比較し、前記差動増幅回路の出力として基準電圧を供給すること、
    前記基準電圧をフィードバックとして接続し前記第1のソースフォロワ回路をバイアスすること、
    前記フィードバックにより、前記一つ以上の模擬メモリセルにかかる電圧を、前記メモリの寄生損失の部分を補正する所望の値に調整すること、
    前記基準電圧を第2のソースフォロワ回路に供給してストレス電圧を生成すること、
    前記ストレス電圧を加速寿命試験に用いる前記メモリの一部分に供給すること、
    を備える、方法。
  9. 請求項8記載の方法は更に、
    前記複数のメモリセルを少なくとも2つの抵抗状態を有する磁気抵抗ランダムアクセスメモリセルとして実装すること、
    を備える、方法。
  10. 請求項8記載の方法は更に、
    前記ストレス電圧を加速寿命試験の対象とする前記メモリの一部分に含まれる各メモリセルのトンネル接合に印加すること、
    を備える、方法。
  11. 請求項8記載の方法は更に、
    前記第1のソースフォロワ回路及び前記第2のソースフォロワ回路の各々を、高い電圧動作を許容するべく、前記メモリセルに実装されるトランジスタのゲート酸化物よりも厚いトランジスタゲート酸化物を有するトランジスタを含む態様で実装すること、
    を備える、方法。
  12. 請求項8記載の方法において、
    前記一つ以上の模擬メモリ列内に再現インピーダンスを含ませることは更に、
    前記第1のソースフォロワ回路と、前記一つ以上の模擬メモリ列の各模擬メモリセルとの間に、一つ以上のトランジスタを接続すること、を含み、
    前記一つ以上のトランジスタは、前記第2のソースフォロワと前記複数のメモリセルのうちの選択されたメモリセルとの間において前記メモリ内に配置された一つ以上の選択トランジスタを再現し、前記メモリの寄生影響を補正する、方法。
  13. メモリの加速寿命試験の方法であって、
    前記メモリは、導体よりなる複数のロウ及び複数のコラムと、複数のメモリセルであって、各メモリセルが導体よりなる所定のロウ及び所定のコラムの交点に形成された前記複数のメモリセルとを有しており、当該方法は、
    基準電圧を第1のソースフォロワ回路に供給して、導体よりなる前記複数のコラムの各々に存在する寄生インピーダンスの部分を補正する実質的に一定電圧のストレス電圧を生成すること、
    前記ストレス電圧を加速寿命試験に用いる前記メモリの一部分に供給すること、
    を備える、方法。
  14. 請求項13記載の方法は更に、
    前記基準電圧を生成するために、模擬回路を前記メモリに接続すること、
    前記模擬回路内に第2のソースフォロワ回路を設けて一定電圧を生成すること、
    それぞれ模擬メモリセルを有する一つ以上の模擬メモリ列に前記一定電圧を印加すること、
    前記一つ以上の模擬メモリ列内に、導体よりなる前記複数のコラムの各々に存在する再現インピーダンスを含ませること、
    差動増幅回路により、一つ以上の模擬メモリセルにかかる電圧と、前記寿命試験に適するように決定されたストレス基準電圧とを比較し、前記差動増幅回路の出力として基準電圧を供給すること、
    前記基準電圧をフィードバックとして接続し前記第2のソースフォロワ回路をバイアスすること、
    前記フィードバックにより、前記一つ以上の模擬メモリセルにかかる電圧を、前記メモリの寄生損失の部分を補正する所望の値に調整すること、
    を備える、方法。
  15. 請求項14記載の方法は更に、
    前記第1のソースフォロワ及び前記第2のソースフォロワの各々を、前記メモリの前記複数のメモリセル内におけるトランジスタのゲート酸化物よりも厚いゲート酸化物を有するトランジスタを含む態様で実装すること、
    を備える、方法。
  16. 請求項14記載の方法において、
    前記一つ以上の模擬メモリ列内に再現インピーダンスを含ませることは更に、
    前記第2のソースフォロワ回路と、前記一つ以上の模擬メモリ列の各模擬メモリセルとの間に、一つ以上のトランジスタを接続すること、を含み、
    前記一つ以上のトランジスタは、前記第1のソースフォロワと前記複数のメモリセルのうちの選択されたメモリセルとの間において前記メモリ内に配置された一つ以上の選択トランジスタを再現し、前記メモリの寄生影響を補正する、方法。
  17. 請求項13記載の方法は更に、
    前記複数のメモリセルを少なくとも2つの抵抗状態を有する磁気抵抗ランダムアクセスメモリセルとして実装すること、
    を備える、方法。
  18. 請求項13記載の方法は更に、
    前記ストレス電圧を加速寿命試験の対象とする前記メモリの一部分に含まれる各メモリセルのトンネル接合に印加すること、
    を備える、方法。
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