TW201719190A - 用於磁阻隨機存取記憶體（ｍｒａｍ）晶圓測試之磁場增強背板 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於測試一磁性記憶體裝置的方法及設備。該方法開始於將一磁場增強背板安裝於測試夾具中時。可將該磁場增強背板安裝於一晶圓測試探針台之晶圓夾盤中。將該磁性記憶體裝置安裝於該測試夾具中，且將一磁場施加至該磁性記憶體裝置。可共平面或垂直於該磁性記憶體裝置而施加該磁場。可基於施加至該裝置之該磁場來判定該磁性記憶體裝置之效能。該設備包括一磁場增強背板，其經調適以配合可能在晶圓夾盤中之一測試夾具。該磁場增強背板係由具有基於測試中使用之該磁場之一厚度的諸如低碳鋼之高磁導率磁性材料製造。

Description

用於磁阻隨機存取記憶體(MRAM)晶圓測試之磁場增強背板 相關申請案之交叉引用

本申請案主張2015年8月26日在美國專利及商標局申請的非臨時申請案第14/836,860號之優先權及權益，該非臨時申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。

本發明大體上係關於測試電子裝置，且更特定言之，係關於用於測試磁阻隨機存取記憶體(MRAM)裝置之磁場增強背板。

所有類型之電子裝置已成為日常生活之重要部分。使用者愈來愈依賴於行動電話、電腦、平板電腦及類似裝置以供通信、工作及娛樂。隨著電子裝置之使用及能力增加，用於彼等裝置中之記憶體已演進以增大儲存且改良效能。隨著時間演進，記憶體已演進為高度複雜之裝置，其要求相當多之測試以確保一經安裝於終端使用裝置中即可按需要執行。

大部分裝置含有儲存過多指令及保留用於執行多個功能之值及推薦字串的基本記憶體。儲存複雜值及指令的此增加之需要導致磁阻隨機存取記憶體(MRAM)之發展。因其提供諸如非易揮發性、高速度及低功率消耗之諸多益處，所以MRAM裝置可用作諸多裝置之主記憶體或快取記憶體。MRAM經由使用磁性穿隧接面(MTJ)而提供儲存。 垂直磁性穿隧接面在高效能自旋轉移力矩MRAM裝置中用作基本記憶體元件。

測試此等記憶體裝置提出多個顯著挑戰。測試挑戰中的一者為：MRAM裝置必須經電磁體進行測試。通常在分離單個裝置及封裝晶片之前在晶圓上進行測試。300mm探針台用於測試晶圓。偶極磁體不能配合300mm探針台上的晶圓夾盤使用，此係因為偶極磁體之僅一個極可供使用，其提供大體上較低且較不均一之磁場。亦已使用具有整合式磁體的自訂探針卡，然而，成本增加，且待測試裝置之任何改變使探針卡之重新設計成為必要。

經改良之MRAM裝置要求較高磁場以供測試，且切換裝置所需的磁場極高。習知電磁體將不能滿足，此係因為磁場會被MRAM裝置之矯頑磁場超越。投影場磁體為用於MRAM之晶圓級磁性表徵的選項中之一者。現代垂直磁性穿隧接面裝置具有經改良之磁性矯頑力且要求大磁場，特徵在於約大於3kOe。用於測試習知記憶體(諸如SRAM、DRAM、快閃記憶體)之大多數300mm探針台不具有任何磁場能力。將磁體改造為適合習知300mm探針台不具有效性，此係因為大多數可供使用之磁體無法產生足夠大或均一之磁場。使用具有大磁場的可供使用之台仍可能不會解決該問題，此係因為具有大磁場之台具有不良場均一性且通常僅可支撐較小晶圓或試樣晶圓，從而使較大晶圓及批次測試耗時。

本領域中需要用於MRAM晶圓測試的磁場增強背板，以允許使用供共平面及垂直MRAM測試兩者用之現存電磁測試設備進行測試。

本文所描述之實施例提供一種用於測試記憶體裝置之方法。記憶體裝置可為MRAM裝置或併有磁性儲存器之其他裝置。該方法開始於將磁場增強背板安裝於測試夾具中時。可將磁場增強背板安裝於晶 圓測試探針台之晶圓夾盤中。接著將磁性記憶體裝置安裝於測試夾具中，且將磁場施加至磁性記憶體裝置。可共平面或垂直於磁性記憶體裝置而施加磁場。可基於施加至裝置之磁場來判定磁性記憶體裝置之效能。

另一實施例提供一種用於測試記憶體裝置之設備。該設備包括經調適以配合測試夾具之磁場增強背板。通常磁場增強背板經調適以配合晶圓測試或探針台之晶圓夾盤。磁場增強背板由諸如低碳鋼之較高磁導率磁性材料製造。磁場增強背板之厚度可視所測試之MRAM或磁性裝置及透徹測試所需之磁場位準而予以調適。

又一實施例提供一種用於測試記憶體裝置之設備。該設備包括：用於將磁場增強背板安裝於測試夾具中的構件；用於將磁性記憶體裝置安裝於測試夾具中的構件；用於將磁場施加至磁性記憶體裝置的構件；及用於基於所施加之磁場而判定磁性記憶體裝置之效能的構件。

800‧‧‧方法

802‧‧‧步驟

804‧‧‧步驟

806‧‧‧步驟

圖1說明根據本發明之實施例之具有電磁體的典型300mm測試設備。

圖2展示根據本發明之實施例之用於測試MRAM裝置的電磁體之樣本場強度特徵曲線。

圖3為根據本發明之實施例之兩極段的有限元模型。

圖4說明根據本發明之實施例之磁場的截面視圖。

圖5描繪根據本發明之實施例之當使用磁場增強背板時所產生的磁場。

圖6展示根據本發明之實施例之與無背襯相比當使用磁場增強背板時所產生之磁場。

圖7說明根據本發明實施例之當使用磁場增強背板時及當不使用 磁場增強背板時的磁場之差異與供應至電磁體的電流量值。

圖8為根據本發明之實施例使用磁場增強背板測試MRAM裝置之方法的流程圖。

下文結合隨附圖式所闡述之實施方式意欲作為本發明之例示性實施例的描述，且不意欲表示能夠供實踐本發明之僅有實施例。貫穿此描述所使用之術語「例示性」意謂「充當實例、例子或說明」，且不應必定解釋為比其他例示性實施例更佳或更優。實施方式包括出於提供本發明之例示性實施例的透徹理解之目的之特定詳情。熟習此項技術者將顯而易見，可無需此等特定詳情而實踐本發明之例示性實施例。在一些例子中，以方塊圖形式展示熟知結構及裝置，以便避免混淆本文中呈現之例示性實施例的新穎性。

如本申請案中所使用，術語「組件」、「模組」、「系統」及其類似者意欲指代電腦相關實體，其為硬體、韌體、硬體與軟體之組合、軟體或執行中之軟體。舉例而言，組件可為(但不限於)執行於處理器上之處理程序、積體電路、處理器、物件、可執行體、執行緒、程式及/或電腦。作為說明，在計算裝置上執行之應用程式及計算裝置兩者可為組件。一或多個組件可駐存於處理程序及/或執行緒內，且一組件可位於一台電腦上及/或分佈於兩台或更多台電腦之間。此外，此等組件可自其上儲存有各種資料結構之各種電腦可讀媒體而執行。組件可藉由本端及/或遠端程序(諸如)根據具有一或多個資料封包之信號(例如，來自與本端系統、分佈式系統中之另一組件互動及/或藉由信號而跨越諸如網際網路之網路來與其他系統互動之一個組件的資料)而通信。

此外，本文結合存取終端機及/或存取點而描述各種態樣.存取終端機可指提供至使用者之語音及/或資料連接性的裝置。存取無線終 端機可連接至諸如膝上型電腦或桌上型電腦之計算裝置，或其可為諸如蜂巢式電話的自含式裝置。存取終端機亦可稱作系統、用戶單元、用戶台、行動台、行動物、遠端台、遠端終端機、無線存取點、無線終端機、使用者終端機、使用者代理、使用者裝置或使用者裝備。無線終端機可為用戶台、無線裝置、蜂巢式電話、PCS電話、無線電話、會話起始協定(SIP)電話、無線區域迴路(WLL)台、個人數位助理(PDA)、具有無線連接能力之掌上型裝置或連接至無線數據機之其他處理裝置。存取點(或者稱作基地台或基地台控制器(BSC))可指存取網路中在空中介面上經由一或多個扇區與無線終端機通信的裝置。存取點可藉由將所接收之空中介面訊框切換為IP封包而充當無線終端機與存取網路(其可包括網際網路協定(IP)網路)其餘部分之間的路由器。存取點亦針對空中介面協調屬性管理。

此外，本文所描述之各種態樣或特徵可實施為使用標準程式設計之方法、設備或製品，及/或工程技術。如本文所使用之術語「製品」意欲涵蓋可自任何電腦可讀裝置、載體或媒體獲得之電腦程式。舉例而言，電腦可讀媒體可包括(但不限於)磁性儲存裝置(例如，硬碟、軟碟、磁條……)、光碟(例如，緊密光碟(CD)、數位多功能光碟(DVD)……)、智慧卡及快閃記憶體裝置(例如，卡、棒、隨身碟……)，及積體電路，諸如唯讀記憶體、可程式化唯讀記憶體及電可抹除可程式化唯讀記憶體。

將依據可能包括多個裝置、組件、模組及其類似者之系統來呈現各種態樣。應理解且瞭解，各種系統可能包括額外裝置、組件、模組等，及/或可能不包括結合圖式所論述之裝置、組件、模組等中之所有者。亦可使用此等方法之組合。

熟習此項技術者經由考量保障性描述、隨附圖式及所附申請專利範圍將易於理解本發明之其他態樣以及各種態樣之特徵及優勢。

MRAM裝置為非易揮發性隨機存取記憶體技術。不同於習知隨機存取記憶體(RAM)晶片，MRAM裝置中之資料係儲存於磁性儲存元件中且不作為電荷或電流。元件由兩個鐵磁性層形成。每一鐵磁性層可保持磁化，由薄的絕緣層隔開。兩個層中的一者為設定為特定極性之永久磁體(參考層)。另一層(自由層)之磁化可藉由經由裝置之電流的施加或藉由外部磁場相對於參考層而改變。此組態被稱為磁性穿隧接面，且為用於MRAM位元之基本結構。記憶體裝置包含此類單元之陣列。

可藉由量測單元之電阻來讀取MRAM。通常，藉由對相關聯之電晶體供電來選擇特定單元，該電晶體切換自供應線經由該單元至接地的電流。歸因於隧穿磁阻(TMR)效應，該單元之電阻視RL與FL之間的磁化之相對定向而改變。藉由量測所得電流，能夠判定任何特定單元內部之電阻，且可據此判定自由層之磁化極性。若兩個層具有相同磁性定向，則電阻低，而若兩個層具有相反磁性定向，則電阻較高。

使用多種方法將資料寫入單元。就STT-MRAM而言，穿過裝置之電流變為自旋極化且導致自由層磁極性之再定向。定向能夠藉由將電流方向反向而予以恢復。

MRAM裝置依賴於磁性穿隧接面以供儲存資料。穿隧磁阻為發生於磁性穿隧接面(MTJ)中之磁阻式效應。磁性穿隧接面由藉由薄絕緣體隔開之兩個鐵磁體構成。若絕緣層足夠薄(約幾奈米)，則電子可自一個鐵磁體穿隧至另一個鐵磁體中。此穿隧為量子機械現象。使用薄膜技術製造磁性穿隧接面。

鐵磁性膜之兩個磁化的方向可藉由外部磁場或藉由將電流傳送經過裝置來個別地切換。若磁化在一平行定向，則電子較可能穿隧經由絕緣膜。若磁化處於相反或反平行定向，則電子不大可能穿隧經由 絕緣膜。因此，此類接面可能在兩個電阻狀態之間切換，一個具有低電阻且一個具有極高電阻。

磁性穿隧接面依賴於自旋轉移力矩。當在一組兩個鐵磁性電極之間包夾有一穿隧障壁時，自旋轉移力矩之效應顯現，使得一個電極上存在可自由旋轉之磁化而另一電極(其具有固定磁化)充當自旋極化器。

圖1說明300mm探針台。此類探針台不包括磁場能力。改造磁體不會產生足夠大之磁場，而如上所述，具有磁性能力之台不能夠處置生產運作所需的較大晶圓。由於MRAM裝置已發展且進階，測試所需的磁場已增加。當前，切換MRAM裝置所需之磁場極高，且可能約3kOe。習知電磁體將不起作用，此係因為所產生之磁場不夠高。圖1中亦展示配合至習知300mm探針台的電磁體。亦展示與電磁體相關之裝置晶圓。

MRAM裝置自「共平面」磁性定向改變為「垂直」對準。在此等MRAM裝置中，磁性定向垂直於晶圓。此組態產生經改良之場容限、較高保留、較低切換電力及經改良之可擴充性。隨著MRAM裝置繼續發展，藉由較大磁場及較好場均一性來測試可能成為必需。隨著裝置複雜度增益，亦可使用400mm大小之晶圓。此等未來裝置可能要求藉由附加磁場進行測試。

圖2提供現存電磁體之實例特徵曲線。圖2中亦展示電磁體。圖中展示共平面及垂直組態之磁場。圖2亦包括受測裝置(DUT)針對最大垂直磁場結合最低共平面比重之相對位置。MRAM之測試應在此處進行。使用較大磁體需要較大驅動電流及實質性磁體重新設計，以便耐受自此類大的驅動電流產生之熱負荷。

圖3描繪在測試MRAM裝置中使用之電磁體之兩極段的有限元模型化。存在因關閉磁通量之低效電感路徑所致之磁場洩漏。大部分磁 通量漏洩至正受測試之裝置周圍的開放空氣中，且因此被浪費。

圖4提供不具背板之磁場的橫截面圖。此展示在磁場耗散至MRAM裝置周圍空氣中的情況下磁場之損失。

一實施例提供添加至300mm晶圓檢查的磁場增強背板。此磁場增強背板可添加至探針台上之夾盤的表面。在一替代實施例中，磁性材料可添加至夾盤的表面。磁場增強背板由置放於磁極附近之高磁導率材料形成。此高磁導率材料可藉由在DUT附近提供高電感磁通量閉合路徑而減少磁場之浪費。

圖5描繪使用磁場增強背板之MRAM裝置測試。在圖5中，DUT所經歷之磁場改良在使用1006低碳鋼、1mm厚之背板時估計為45%。圖5中之磁場相較於圖3中展示之磁場而經改良，因為磁體兩極皆將磁場導至DUT。雖然1006低碳鋼用於產生圖5中說明之磁場，但本文所描述之實施例不限於此材料選擇。磁性增強材料可選自增強磁場之廣泛種類的材料，且可選擇來測試具有不同於本文所描述之典型MRAM之特性的特定裝置。

圖6展示當使用磁場增強背板時所產生之磁場的橫截面之改良。

圖7展示因磁場增強背板所致之磁場改良。所製造之5mm厚背板安裝於300mm探針台上。磁場增強背板附接至晶圓夾盤之表面。磁場增強背板可經調適以配合至多種探針台，且可用於各種大小之探針台上。本文所描述之實施例不限於本申請案中論述之實例大小及探針台。如圖7中之圖說明在具有及不具有磁場增強背板之情況下進行磁場之量測。藉由添加磁場增強背板，磁場在相同磁體驅動電流下增大至高達2.5倍。此外，歸因於共平面磁場之遏止，磁場均一性增大。

本文所描述之實施例提供垂直磁性穿隧接面MRAM裝置之晶圓級測試所需的較高磁場。磁場增強背板提供一機構以達成較高磁場而無需僅增加激勵電流。使用磁場增強背板利用較高磁導率磁性材料之 基本特性來最小化磁通量的浪費。此允許測試以較為模組化之方式進行，此係因為可維持且不減小至DUT之距離。磁場增強背板亦可用於MRAM最終測試及場設定，其中其可用於確保晶片上之所有磁性裝置排列在適當定向中。

圖8為在晶圓測試期間使用磁場增強背板來測試磁性裝置(諸如MRAM)之方法的流程圖。方法800開始於在步驟802中將磁場增強背板安裝在測試設備中時。測試設備可為探針測試設備，諸如上文所描述之300mm探針台。測試設備可接納各種大小之晶圓，且不限於300mm探針台。在步驟804中，在具有磁場增強背板之情況下安裝待測試裝置(通常為MRAM晶圓)。在步驟806中使用磁場進行MRAM測試，且該測試可由MRAM之磁性及電傳輸測試構成。施加至MRAM之磁場可視測試之性質而變化。

熟習此項技術者將理解，可使用多種不同技術及技藝中之任一者來表示資訊及信號。舉例而言，可由電壓、電流、電磁波、磁場或磁性粒子、光場或光學粒子，或其任何組合來表示在貫穿以上描述中可能提及之資料、指令、命令、資訊、信號、位元、符號及碼片。

熟習此項技術者將進一步瞭解，結合本文所揭示之例示性實施例而描述之各種說明性邏輯區塊、模組、電路及演算法步驟可實施為電子硬體、電腦軟體，或兩者之組合。為清楚說明硬體與軟體之此可互換性，上文已在其功能性方面大體描述各種說明性組件區塊、模組、電路及步驟。將此功能性實施為硬體或為軟體視特定應用及外加於整個系統之設計約束而定。熟習此項技術者可針對每一特定應用而以不同方式實施所描述之功能性，但不應將此類實施決策解釋為導致脫離本發明之例示性實施例的範疇。

可藉由通用處理器、數位信號處理器(DSP)、特殊應用積體電路(ASIC)、場可程式化閘陣列(FPGA)或經設計以執行本文所描述之功 能的其他可程式化邏輯設備、離散閘或電晶體邏輯、離散硬體組件或其任何組合來實施或執行結合本文中揭示之例示性實施例所描述的各種說明性邏輯區塊、模組及電路。通用處理器可為微處理器，但在替代例中，處理器可為任何習知處理器、控制器、微控制器或狀態機。處理器亦可實施為計算裝置之組合，例如，DSP與微處理器之組合、複數個微處理器、結合DSP核心之一或多個微處理器，或任何其他此類組態。

在一或多個例示性實施例中，可以硬體、軟體、韌體或其任何組台來實施所描述之功能。若實施於軟體中，則可將功能作為一或多個指令或程式碼而儲存於電腦可讀媒體上或在電腦可讀媒體上傳輸。電腦可讀媒體包括電腦儲存媒體及包括促進電腦程式自一處傳送至另一處之任何媒體的通信媒體兩者。儲存媒體可為能夠由電腦存取之任何可用媒體。作為實例而非限制，此類電腦可讀媒體可包含RAM、ROM EEPROM、CD-ROM、或其他光碟儲存器或其他磁性儲存裝置，或可用以攜載或儲存呈指令或資料結構之形式的所要程式碼且可由電腦存取的任何其他媒體。又，任何連接可適當地稱為電腦可讀媒體。舉例而言，若使用同軸電纜、光纖纜線、雙絞線、數位用戶線(DSL)或無線技術(諸如，紅外線、無線電及微波)自網站、伺服器或其他遠端源傳輸軟體，則同軸電纜、光纖纜線、雙絞線、DSL或無線技術(諸如，紅外線、無線電及微波)包括於媒體之定義中。如本文中所使用之磁碟及光碟包括緊密光碟(CD)、雷射光碟、光學光碟、數位多功能光碟(DVD)、軟碟及藍光光碟，其中磁碟通常以磁性方式再現資料，而光碟藉由雷射以光學方式再現資料。以上各者之組合亦應包括於電腦可讀媒體之範疇內。

提供所揭示之例示性實施例之先前描述以使任何熟習此項技術者能夠製作或使用本發明。熟習此項技術者將易於理解此等例示性實 施例的各種修改，且本文所定義之一般原理可在不背離本發明之精神或範疇的情況下應用於其他實施例。因此，本發明並不意欲限於本文中所展示的例示性實施例，而應符合與本文中所揭示之原理及新穎特徵相一致的最廣泛範疇。

Claims (17)

1. 一種測試一記憶體裝置之方法，其包含：將一磁場增強背板安裝於一測試夾具中；將一磁性記憶體裝置安裝於該測試夾具中；將一磁場施加至該磁性記憶體裝置；及基於該所施加之磁場來判定該磁性記憶體裝置之效能。
2. 如請求項1之方法，其中該磁性記憶體裝置為一晶圓磁性記憶體裝置。
3. 如請求項1之方法，其中施加至該磁性記憶體裝置之該磁場係與該磁性記憶體裝置共平面而施加。
4. 如請求項1之方法，其中施加至該磁性記憶體裝置之該磁場係垂直於該磁性記憶體裝置而施加。
5. 如請求項1之方法，其中該測試夾具為一晶圓測試夾具。
6. 如請求項1之方法，其中該磁場增強背板係接近該測試夾具中之一磁體的極而施加。
7. 一種用於測試一記憶體裝置之設備，其包含：經調適以用於一測試夾具之一磁場增強背板；及一晶圓測試夾具。
8. 如請求項7之設備，其中該磁場增強背板經調適以用於該晶圓測試夾具中之一晶圓夾盤。
9. 如請求項7之設備，其中該磁場增強背板係由一高磁導率材料形成。
10. 如請求項9之設備，其中該高磁導率材料為低碳鋼。
11. 如請求項10之設備，其中該低碳鋼為1006低碳鋼。
12. 如請求項9之設備，其中該磁場增強背板為1mm厚。
13. 如請求項9之設備，其中該磁場增強背板為5mm厚。
14. 一種用於測試一記憶體裝置之設備，其包含：用於將一磁場增強背板安裝於一測試夾具中的構件；用於將一磁性記憶體裝置安裝於該測試夾具中的構件；用於將一磁場施加至該磁性記憶體裝置的構件；及用於基於該所施加之磁場來判定該磁性記憶體裝置之效能的構件。
15. 如請求項14之設備，其中用於將一磁性記憶體裝置安裝於該測試夾具中的該構件安裝一待測試之晶圓磁性記憶體。
16. 如請求項14之設備，其中用於將一磁場施加至該記憶體裝置的該構件將該磁場與該磁性記憶體裝置共平面而施加。
17. 如請求項14之設備，其中用於將一磁場施加至該記憶體裝置的該構件將該磁場垂直於該磁性記憶體裝置而施加。