(57)【要約】【課題】素子単位で熱安定性指数を比較的短時間で測定することができ、材料開発や生産現場での品質管理を迅速に行うことができる磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システム、半導体集積回路、ならびに半導体集積回路の生産管理方法を提供する。【解決手段】所定の温度に保持した評価用ＭＴＪ１１ａに所定の電流を流しながら、測定手段４１により、所定時間、評価用ＭＴＪ１１ａの抵抗値の変化を測定する。測定された抵抗値の変化から、解析手段４２により、低抵抗状態を保持する時定数および高抵抗状態を保持する時定数を求める。評価用ＭＴＪ１１ａに流した所定の電流と、求めた各時定数とに基づいて、評価用ＭＴＪ１１ａの熱安定性指数を求める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の温度に保持した磁気トンネル接合素子に所定の電流を流しながら、所定時間、前記磁気トンネル接合素子の抵抗値の変化を測定する測定工程と、
前記測定工程で測定された前記抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時定数および高抵抗状態を保持する時定数を求める第１計算工程と、
前記所定の電流と、前記第１計算工程で求めた各時定数とに基づいて、前記磁気トンネル接合素子の熱安定性指数を求める第２計算工程とを、
有することを特徴とする磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法。
【請求項２】
前記測定工程は、前記所定の電流として、異なる大きさの複数の電流を順番に流しながら、各電流についてそれぞれ前記抵抗値の変化を測定し、
前記第１計算工程は、各電流に対応して、それぞれ前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求め、
前記第２計算工程は、各電流の大きさと、各電流に対応したτＰおよびτＡＰとに基づいて、前記熱安定性指数を求めることを
特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法。
【請求項３】
前記第１計算工程は、前記測定工程で測定された前記抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＰ（ｔ）および高抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＡＰ（ｔ）を求め、それぞれＮＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＰ）およびＮＡＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＡＰ）  の関係を用いて、前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求めることを特徴とする請求項１または２記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法。
【請求項４】
前記第２計算工程は、前記所定の電流Ｉと、前記第１計算工程で求めた前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰとに基づいて、
τＰ／（τＰ＋τＡＰ）＝１／［１＋exp{−Δ０・（２×Ｉ／Ｉｃ０）}］
の式を用いて、熱安定性指数Δ０およびしきい電流値Ｉｃ０を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法。
【請求項５】
前記測定工程は、前記磁気トンネル接合素子のみに電流を流すよう、その磁気トンネル接合素子のみに電気的に接続された検査用端子から前記磁気トンネル接合素子に前記所定の電流を流しながら、前記抵抗値の変化を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法。
【請求項６】
磁気トンネル接合素子を所定の温度に保持する保温手段と、
前記磁気トンネル接合素子に所定の電流を流しながら、所定時間、前記磁気トンネル接合素子の抵抗値の変化を測定する測定手段と、
前記測定手段で測定された前記抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時定数および高抵抗状態を保持する時定数を求め、その各時定数と前記所定の電流とに基づいて、前記磁気トンネル接合素子の熱安定性指数を求める解析手段とを、
有することを特徴とする磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システム。
【請求項７】
前記測定手段は、前記所定の電流として、異なる大きさの複数の電流を順番に流しながら、各電流についてそれぞれ前記抵抗値の変化を測定するよう構成され、
前記解析手段は、各電流に対応して、それぞれ前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求め、各電流の大きさと、各電流に対応したτＰおよびτＡＰとに基づいて、前記熱安定性指数を求めるよう構成されていることを
特徴とする請求項６記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システム。
【請求項８】
前記解析手段は、前記測定手段で測定された前記抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＰ（ｔ）および高抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＡＰ（ｔ）を求め、それぞれＮＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＰ）およびＮＡＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＡＰ）  の関係を用いて、前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求めるよう構成されていることを特徴とする請求項６または７記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システム。
【請求項９】
前記解析手段は、前記所定の電流Ｉと、前記第１計算工程で求めた前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰとに基づいて、
τＰ／（τＰ＋τＡＰ）＝１／［１＋exp{−Δ０・（２×Ｉ／Ｉｃ０）}］
の式を用いて、熱安定性指数Δ０およびしきい電流値Ｉｃ０を求めるよう構成されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システム。
【請求項１０】
前記磁気トンネル接合素子のみに電流を流すよう、その磁気トンネル接合素子のみに電気的に接続された検査用端子を有し、
前記測定手段は、前記検査用端子から前記磁気トンネル接合素子に前記所定の電流を流しながら、前記抵抗値の変化を測定するよう構成されていることを
特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システム。
【請求項１１】
複数の磁気トンネル接合素子を有する半導体集積回路であって、
単体の磁気トンネル接合素子のみに電流を流すよう、その磁気トンネル接合素子のみに電気的に接続された検査用端子を有することを
特徴とする半導体集積回路。
【請求項１２】
前記検査用端子は、１つの磁気トンネル接合素子または複数の磁気トンネル接合素子のそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項１１記載の半導体集積回路。
【請求項１３】
前記検査用端子は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法の前記測定工程で、前記所定の電流を流すとともに前記抵抗値の変化を測定するために使用されることを特徴とする請求項１１または１２記載の半導体集積回路。
【請求項１４】
複数の磁気トンネル接合素子を有する半導体集積回路の生産管理方法であって、
前記複数の磁気トンネル接合素子を製造した後、前記複数の磁気トンネル接合素子のうちの１または複数について、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法により熱安定性指数を求め、求められた前記熱安定性指数に基づいて、前記複数の磁気トンネル接合素子を製造する工程を管理することを
特徴とする半導体集積回路の生産管理方法。
【請求項１５】
前記半導体集積回路は、請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体集積回路であることを特徴とする請求項１４記載の半導体集積回路の生産管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システム、半導体集積回路、ならびに半導体集積回路の生産管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子を有するＭＲＡＭ等の不揮発性メモリについて、ビット情報の熱的安定性を表すものとして、熱安定性指数がある。この熱安定性指数Δ０は、
Δ０＝Ｅｂ／ｋＢＴ                                    （１）
で表される（Ｅｂ：磁化反転に要するエネルギー障壁、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）。ここで、
Ｅｂ＝ＫｅｆｆＶ                                      （２）
である（Ｋｅｆｆ：記録層の磁気異方性エネルギー密度、Ｖ：記録層の体積）。【０００３】
なお、磁気抵抗効果素子の記録層のエネルギーは、ＫｅｆｆＶ・sin２θ  （ここで、θ：記録層の磁化の方向と参照層の磁化の方向との成す角度）で表され、sin２θ＝１のとき（θ＝９０°、２７０°、…のとき）、磁化反転に要するエネルギー障壁（Ｅｂ）となる。【０００４】
熱安定性指数Δ０を有する記録層が、ある時間ｔののち磁化反転する確率Ｐは、Neel-Arreheniusの法則により、
Ｐ＝１−exp｛（−ｔ／１０−９）×exp（−Δ０）｝          （３）
で与えられる（例えば、非特許文献１参照）。なお、Ｐが５０％のときの時間ｔが、記録層の保持時間である。【０００５】
従来の熱安定性指数Δ０を測定する一般的な方法として、磁場パルス法および電流パルス法がある。磁場パルス法は、特定のパルス幅の磁場パルスを与えたときの磁化反転確率を、磁場パルスの磁場の大きさを変えながら測定し、磁場の大きさと反転確率との関係に基づいて、熱安定性指数Δ０を求めるものである（例えば、非特許文献２参照）。また、電流パルス法は、特定のパルス幅の電流パルスを与えたときの磁化反転確率を、電流パルスの電流の大きさを変えながら測定し、電流の大きさと反転確率との関係に基づいて、熱安定性指数Δ０を求めるものである（例えば、非特許文献３参照）。【０００６】
しかし、磁化反転のモードは、記録層の径ｄが臨界サイズ（critical diameter）ｄｃよりも大きいとき、磁壁モード（domain-wall）に、小さいとき、一斉回転モード（coherent reversal）になるが、これまで磁場パルス法では、エネルギー障壁Ｅｂの式として、一斉回転モードの式を用いて解析されていたため、磁壁モードのときにエネルギー障壁Ｅｂの値が、実際の値よりも小さくなり、正確な熱安定性指数Δ０を求めることができないという問題が指摘されている（例えば、非特許文献４参照）。これは、磁場パルス法を行うときに与える磁場の影響により、エネルギー障壁Ｅｂの値が減少するためであると考えられ、電流パルス法でも同様の問題が発生すると考えられる。最近、これを補正するため、磁壁モードの場合に有効なＥｂの式を用いて解析する方法が提案されている（例えば、非特許文献５参照）。この式を用いれば、磁場パルス法でも正しいＥｂの値が求められると考えられているが、一斉回転モードと磁壁モードとで異なった式を用いてフィッティングを行わなくてはならないという問題が残っている。また、磁場パルス法では、磁場を発生するための電磁石の応答が遅いため、測定に時間がかかり、１つの素子の熱安定性指数Δ０を測定するのに数１０分〜数時間程度かかってしまうという問題もあった。【０００７】
そこで、磁場パルス法や電流パルス法とは異なる熱安定性指数Δ０の測定方法として、１０Ｍｂ以上のＭＴＪから成るＭＲＡＭチップを準備し、各ＭＴＪの記録層にチェッカーボードパターン等で１／０情報を書き込み、高温で数分から１００時間程度放置した後、初期情報がどのくらい失われたかを表すエラー率（error rate）を測定し、そのエラー率から算出した反転確率と放置時間との関係に基づいて、熱安定性指数Δ０を求める方法が提案されている（例えば、非特許文献６参照）。この方法によれば、測定中にエネルギー障壁Ｅｂの値が変化しないため、磁化反転のモードによらず、正確な熱安定性指数Δ０を求めることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】W.F. Brown, Jr., “Thermal Fluctuations of a Single-Domain Particle”, Phys. Rev., 1963, Vol.130, Num.5, p.1677-1686
【非特許文献２】H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H. Ohno, “Perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junctions with a MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure”, Appl. Phys. Lett., 2012, 101, 022414
【非特許文献３】R. H. Koch, J. A. Katine, and J. Z. Sun, “Time-Resolved Reversal of Spin-Transfer Switching in a Nanomagnet”, Phys. Rev. Lett., 2004, Vol.92, Num.8, 088302
【非特許文献４】Gabriel D. Chaves-O’Flynn, Georg Wolf, Jonathan Z. Sun, and Andrew D. Kent, “Thermal Stability of Magnetic States in Circular Thin-Film Nanomagnets with Large Perpendicular Magnetic Anisotropy”, Phys. Rev. Appl., 2015, 4, 024010
【非特許文献５】Luc Thomas, Guenole Jan, Son Le, Yuan-Jen Lee, Huanlong Liu, Jian Zhu, Santiago Serrano-Guisan, Ru-Ying Tong, Keyu Pi, Dongna Shen, Renren He, Jesmin Haq, Zhongjian Teng, Rao Annapragada, Vinh Lam, Yu-Jen Wang, Tom Zhong, Terry Torng and Po-Kang Wang, “Solving the Paradox of the Inconsistent Size Dependence of Thermal Stability at Device and Chip-level in Perpendicular STT-MRAM”, Proc. IEDM2015, 672
【非特許文献６】Luc Thomas, Guenole Jan, Son Le, and Po-Kang Wang, “Quantifying data retention of perpendicular spin-transfer-torque magnetic random access memory chips using an effective thermal stability factor method”, Appl. Phys. Lett., 2015, 106, 162402
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献６に記載の熱安定性指数の測定方法は、チップの熱安定性指数を測定するものであり、ＭＴＪ等の素子単位で熱安定性指数を測定するものではないという課題があった。また、測定を行うためには、数Ｍｂ以上の容量を持つＭＲＡＭチップが必要であるが、チップの作製には通常３ヶ月程度かかるため、データを得るまでに時間がかかってしまい、材料開発や生産現場での品質管理（ＱＣチェック）に使用すると、無駄な時間が多くなってしまうという課題もあった。また、熱安定性指数が大きくなると、測定時間が長くなってしまうという課題もあった。【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、素子単位で熱安定性指数を比較的短時間で測定することができ、材料開発や生産現場での品質管理を迅速に行うことができる磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システム、半導体集積回路、ならびに半導体集積回路の生産管理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法は、所定の温度に保持した磁気トンネル接合素子に所定の電流を流しながら、所定時間、前記磁気トンネル接合素子の抵抗値の変化を測定する測定工程と、前記測定工程で測定された前記抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時定数および高抵抗状態を保持する時定数を求める第１計算工程と、前記所定の電流と、前記第１計算工程で求めた各時定数とに基づいて、前記磁気トンネル接合素子の熱安定性指数を求める第２計算工程とを、有することを特徴とする。【００１２】
本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システムは、磁気トンネル接合素子を所定の温度に保持する保温手段と、前記磁気トンネル接合素子に所定の電流を流しながら、所定時間、前記磁気トンネル接合素子の抵抗値の変化を測定する測定手段と、前記測定手段で測定された前記抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時定数および高抵抗状態を保持する時定数を求め、その各時定数と前記所定の電流とに基づいて、前記磁気トンネル接合素子の熱安定性指数を求める解析手段とを、有することを特徴とする。【００１３】
本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システムは、測定時に磁場を発生させる必要がなく、また、多数の素子を有するチップ全体ではなく、素子単位で測定を行うことができるため、比較的短時間で熱安定性指数を測定することができる。また、磁場パルス法や電流パルス法のように、測定時にエネルギー障壁Ｅｂの値が変化しないため、正確な熱安定性指数を求めることができる。なお、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システムは、単体の素子のみを測定しても、単体の素子を複数測定してもよく、複数の素子をまとめて測定してもよい。【００１４】
本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システムは、磁気トンネル接合素子単位で熱安定性指数を測定できるため、その測定結果に基づく管理情報を、チップの製造工程の初めの段階までフィードバックする必要がなく、磁気トンネル接合素子の作製段階にフィードバックすればよい。これにより、チップの製造工程の初めの段階までフィードバックする場合と比べて、チップを製造し始めてから磁気トンネル接合素子を作製する前段までの期間を節約することができ、材料開発や生産現場での品質管理を迅速に行うことができる。また、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システムは、プローバを使用して、磁気トンネル接合素子の抵抗値の変化を測定することが好ましい。【００１５】
本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法で、前記測定工程は、前記所定の電流として、異なる大きさの複数の電流を順番に流しながら、各電流についてそれぞれ前記抵抗値の変化を測定し、前記第１計算工程は、各電流に対応して、それぞれ前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求め、前記第２計算工程は、各電流の大きさと、各電流に対応したτＰおよびτＡＰとに基づいて、前記熱安定性指数を求めることが好ましい。本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システムで、前記測定手段は、前記所定の電流として、異なる大きさの複数の電流を順番に流しながら、各電流についてそれぞれ前記抵抗値の変化を測定するよう構成され、前記解析手段は、各電流に対応して、それぞれ前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求め、各電流の大きさと、各電流に対応したτＰおよびτＡＰとに基づいて、前記熱安定性指数を求めるよう構成されていることが好ましい。この場合、より正確な熱安定性指数を求めることができる。【００１６】
また、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法で、前記第１計算工程は、前記測定工程で測定された前記抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＰ（ｔ）および高抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＡＰ（ｔ）を求め、それぞれＮＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＰ）およびＮＡＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＡＰ）  の関係を用いて、前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求めることが好ましい。本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システムで、前記解析手段は、前記測定手段で測定された前記抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＰ（ｔ）および高抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＡＰ（ｔ）を求め、それぞれＮＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＰ）およびＮＡＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＡＰ）  の関係を用いて、前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求めるよう構成されていることが好ましい。この場合、より正確な熱安定性指数を求めることができる。【００１７】
また、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法で、前記第２計算工程は、前記所定の電流Ｉと、前記第１計算工程で求めた前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰとに基づいて、
τＰ／（τＰ＋τＡＰ）＝１／［１＋exp{−Δ０・（２×Ｉ／Ｉｃ０）}］  
（４）
の式を用いて、熱安定性指数Δ０およびしきい電流値Ｉｃ０を求めることが好ましい。本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システムで、前記解析手段は、前記所定の電流Ｉと、前記第１計算工程で求めた前記低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび前記高抵抗状態を保持する時定数τＡＰとに基づいて、（４）式を用いて、熱安定性指数Δ０およびしきい電流値Ｉｃ０を求めるよう構成されていることが好ましい。この場合、さらに正確な熱安定性指数を求めることができる。【００１８】
また、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法で、前記測定工程は、前記磁気トンネル接合素子のみに電流を流すよう、その磁気トンネル接合素子のみに電気的に接続された検査用端子から前記磁気トンネル接合素子に前記所定の電流を流しながら、前記抵抗値の変化を測定してもよい。本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システムは、前記磁気トンネル接合素子のみに電流を流すよう、その磁気トンネル接合素子のみに電気的に接続された検査用端子を有し、前記測定手段は、前記検査用端子から前記磁気トンネル接合素子に前記所定の電流を流しながら、前記抵抗値の変化を測定するよう構成されていてもよい。この場合、検査用端子を利用して、単体の磁気トンネル接合素子の正確な熱安定性指数を求めることができる。【００１９】
本発明に係る半導体集積回路は、複数の磁気トンネル接合素子を有する半導体集積回路であって、単体の磁気トンネル接合素子のみに電流を流すよう、その磁気トンネル接合素子のみに電気的に接続された検査用端子を有することを特徴とする。【００２０】
本発明に係る半導体集積回路は、検査用端子を利用して単体の磁気トンネル接合素子のみに電流を流すことができるため、その単体の磁気トンネル接合素子に対して、電流を利用した測定や検査を行うことができる。例えば、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法や測定システムを用いて、その単体の磁気トンネル接合素子の正確な熱安定性指数を求めることができる。検査用端子は、１対の端子から成り、それらの端子が、単体の磁気トンネル接合素子のみに電気的に接続されていればよい。検査用端子は、磁気トンネル接合素子の上部配線や下部配線、接続領域（ＶＩＡ）により構成されていることが好ましい。【００２１】
本発明に係る半導体集積回路で、前記検査用端子は、１つの磁気トンネル接合素子または複数の磁気トンネル接合素子のそれぞれに設けられていることが好ましい。この場合、検査用端子が設けられた１つまたは複数の磁気トンネル接合素子について、測定や検査を行うことができ、熱安定性指数などを求めることができる。【００２２】
本発明に係る半導体集積回路で、前記検査用端子は、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法の前記測定工程で、前記所定の電流を流すとともに前記抵抗値の変化を測定するために使用されることが好ましい。この場合、検査用端子が設けられた磁気トンネル接合素子について、正確な熱安定性指数を求めることができる。【００２３】
本発明に係る半導体集積回路の生産管理方法は、複数の磁気トンネル接合素子を有する半導体集積回路の生産管理方法であって、前記複数の磁気トンネル接合素子を製造した後、前記複数の磁気トンネル接合素子のうちの１または複数について、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法により熱安定性指数を求め、求められた前記熱安定性指数に基づいて、前記複数の磁気トンネル接合素子を製造する工程を管理することを特徴とする。【００２４】
本発明に係る半導体集積回路の生産管理方法は、本発明に係る磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法により、磁気トンネル接合素子単位で熱安定性指数を測定するため、その測定結果に基づく管理情報を、チップの製造工程の初めの段階までフィードバックする必要がなく、磁気トンネル接合素子の作製段階にフィードバックすればよい。これにより、チップの製造工程の初めの段階までフィードバックする場合と比べて、チップを製造し始めてから磁気トンネル接合素子を作製する前段までの期間を節約することができ、迅速に生産管理を行うことができる。本発明に係る半導体集積回路の生産管理方法で、前記半導体集積回路は、本発明に係る半導体集積回路であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、素子単位で熱安定性指数を比較的短時間で測定することができ、材料開発や生産現場での品質管理を迅速に行うことができる磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システム、半導体集積回路、ならびに半導体集積回路の生産管理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態の半導体集積回路を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態の半導体集積回路の製造工程を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態の半導体集積回路の評価用ＭＴＪを示す斜視図、および本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システムを示すブロック構成図である。
【図４】本発明の実施の形態の半導体集積回路の、（ａ）メモリチップ内の隅に評価用ＭＴＪを配置した平面図、（ｂ）メモリチップ内のサブアレイ毎に評価用ＭＴＪを配置した平面図である。
【図５】本発明の実施の形態の半導体集積回路のＭＴＪアレイ構造を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法による、（ａ）オシロスコープによる評価用ＭＴＪの抵抗値の観測波形例、（ｂ）低抵抗状態を保持する時間または高抵抗状態を保持する時間の頻度分布、およびフィッティングにより得られた曲線の例を示すグラフ、（ｃ）評価用ＭＴＪに流した電流と、低抵抗状態および高抵抗状態の各時定数との関係、ならびにフィッティングにより得られた曲線の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システム、半導体集積回路、ならびに半導体集積回路の生産管理方法を示している。
【００２８】
［半導体集積回路の製造工程］
図１に示すように、本発明の実施の形態の半導体集積回路１０は、多数のＭＴＪ（磁気トンネル接合素子）１１を有するＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）から成り、図２に示す製造工程に従って製造される。
【００２９】
図１および図２に示すように、まず、基板となるウェハー１２を投入し（ステップ２１）、その表面にＣＭＯＳ１３を作製し（ステップ２２）、作製したＣＭＯＳ１３の上に、ＭＴＪ１１と接続するための多層の中間配線１４（例えば、Ｍ１−Ｍ４配線）を形成する（ステップ２３）。通常、このステップ２３までの製造工程で約２ヶ月かかる。次に、中間配線１４の上部に、ＰＶＤ（物理蒸着）により磁性膜を形成し（ステップ２４）、その磁性膜の膜性能を検査する（ステップ２５）。その後、ＭＴＪパターンをリソグラフィで作成し（ステップ２６）、そのリソグラフィの形状を検査する（ステップ２７）。その後、エッチングで加工してＭＴＪ１１を形成し（ステップ２８）、そのＭＴＪ１１の形状を検査する（ステップ２９）。通常、ステップ２４〜ステップ２９までのＭＴＪ製造工程には、１週間程度かかる。
【００３０】
ＭＴＪ１１の形状検査の後、そのＭＴＪ１１の上に、上部配線１５を形成する（ステップ３０）。通常、このステップ３０は、２週間以内で終わる。上部配線１５を形成後、単体のＭＴＪ１１に対する電気特性検査（ステップ３１）、およびＭＴＪアレイに対する特性検査を行う（ステップ３２）。ＭＴＪ１１に対する電気特性検査では、例えば、抵抗値、熱安定性、書き込み電流、エラーレートなどの検査を行う。また、ＭＴＪアレイに対する特性検査では、例えば、ビット不良率、抵抗分布などの検査を行う。
【００３１】
また、ステップ３０において、図３に示すように、図１に示すＣＭＯＳ１３やＣＭＯＳ１３に接続されている中間配線１４とは電気的に接続されておらず、評価用ＭＴＪ１１ａのみに電気的に接続された、中間配線１４と接続領域（ＶＩＡ）１６と上部配線１５とからなる検査用端子ブロック１７を形成する。図３に示す一例では、検査用端子ブロック１７は、１対の端子から成っており、一方の端子は、単体の評価用ＭＴＪ１１ａの上部に形成された上部配線１５から成り、他方の端子は、その評価用ＭＴＪ１１ａの下部に接続された中間配線（BASE）１４と、その上に形成された接続領域１６と、上部配線１５とから成っている。検査用端子ブロック１７は、電気的に接続された単体の評価用ＭＴＪ１１ａのみに電流を流すよう構成されており、ステップ３１の電気特性検査の際に利用可能になっている。
【００３２】
なお、検査用端子ブロック１７は、例えば、図４（ａ）に示すように、メモリチップ内の隅に、単体ＴＥＧ（Test Element Group）エリアとして、１個から数個が配置されていてもよく、図４（ｂ）に示すように、メモリチップ内のサブアレイ毎に、１個から数個が配置されていてもよい。この１個から数個配置された検査用素子ブロック１７は、後述するメモリアレイのビット線ないしワード線へ外部から電気的な接続を行うためのパッド群とは全く独立の、上部配線１５に接続されたパッド１７ａを有する。このパッド１７ａには、例えば、様々な電気測定用機器に電気的に接続するための、プローバなどの探針を接触させて、評価用ＭＴＪ１１ａの特性を電気的に測定する。他方、メモリアレイのビット線ないしワード線へ外部から電気的な接続を行うためのパッド群は、例えばワイヤを介してパッケージのピンに接続されるため、これらを用いて、評価用ＭＴＪ１１ａ単体の電気特性の測定を行うことはできない。
こうして、図２に示す製造方法に従って、ＭＲＡＭのメモリチップから成る半導体集積回路１０を製造することができる。
【００３３】
製造された半導体集積回路１０は、評価用ＭＴＪ１１ａを除き、図５に示すように、ＭＴＪ１１の上部配線１５として複数のビット線１８が配線され、ＣＭＯＳ１３の上部に複数のワード線１９が配線されたＭＲＡＭから成っている。各ビット線１８は、互いに平行に配置され、ビットライン選択回路１８ａに接続されている。各ワード線１９は、互いに平行に配置され、ワードライン選択回路１９ａに接続されている。
【００３４】
この半導体集積回路１０では、任意のＭＴＪ１１へ書き込みを行う際は、書き込みビットナンバーをもとに、ビットライン選択回路１８ａおよびワードライン選択回路１９ａで、それぞれ所定のビット線１８およびワード線１９に電圧を印加して行う。また、任意のＭＴＪ１１から読み出しを行う際は、読み出しビットナンバーをもとに、ビットライン選択回路１８ａおよびワードライン選択回路１９ａで、それぞれ所定のビット線１８およびワード線１９を選択し、センスアンプ２０へ接続して行う。図２のステップ３２のＭＴＪアレイに対する特性検査は、図５に示す回路を利用して行うことができる。
【００３５】
［熱安定性指数の測定］
次に、図２のステップ３１における単体の評価用ＭＴＪ１１ａに対する電気特性検査のうち、熱安定性指数の測定を行うための、本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システムについて説明する。
図３に示すように、本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システム４０は、保温手段（図示せず）と測定手段４１と解析手段４２とを有している。
【００３６】
保温手段は、温度制御可能なプローバから成り、評価用ＭＴＪ１１ａを含むウェハー１２を搭載して、所定の温度に保持可能になっている。測定手段４１は、保温手段のプローバの１対の探針４１ａと、例えば、電圧パルス発生器４１ｂと、標準抵抗４１ｃと、電圧測定器４１ｄとを有している。電圧パルス発生器４１ｂは、各探針４１ａに接続され、各探針４１ａの間に電圧パルスを印加可能になっている。標準抵抗４１ｃは、一方の探針４１ａと電圧パルス発生器４１ｂとの間に直列に接続されている。電圧測定器４１ｄは、電圧を測定可能なオシロスコープなどの測定器から成り、標準抵抗４１ｃに並列に接続されて、標準抵抗４１ｃに発生する電圧を測定可能になっている。なお、電圧パルス発生器４１ｂの代わりに、例えば、ＤＣ電流源と、ＤＣ電流源から電流を発生させるタイミングを指定するトリガー機構とを用いてもよい。
【００３７】
測定手段４１は、各探針４１ａを評価用ＭＴＪ１１ａの各検査用端子ブロック１７に接触させ、電圧パルス発生器４１ｂで所定の電圧パルスを発生して評価用ＭＴＪ１１ａの両端に印加することにより、評価用ＭＴＪ１１ａに所定の電流を流すようになっている。また、その電流によって発生する標準抵抗４１ｃの両端に発生する電圧を、所定時間、電圧測定器４１ｄでモニターして測定することにより、評価用ＭＴＪ１１ａの抵抗値の変化を測定するようになっている。
【００３８】
解析手段４２は、コンピュータから成り、電圧測定器４１ｄに接続されて、その測定値を入力可能になっている。解析手段４２は、電圧測定器４１ｄで測定された抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時定数および高抵抗状態を保持する時定数を求めるようになっている。また、求めた各時定数と、評価用ＭＴＪ１１ａに流した電流とに基づいて、評価用ＭＴＪ１１ａの熱安定性指数を求めるようになっている。
【００３９】
本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法は、図３に示す磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システム４０により好適に実施することができる。すなわち、本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法は、まず、評価用ＭＴＪ１１ａを保温手段で所定の温度に保持した状態で、測定手段４１により、評価用ＭＴＪ１１ａに所定の電流を流しながら、所定時間、評価用ＭＴＪ１１ａの抵抗値の変化を測定する。このときのオシロスコープから成る電圧測定器４１ｄでの具体的な測定例を、図６（ａ）に示す。測定温度は、240℃である。図６（ａ）での測定時間は、500 msecである。図６（ａ）に示すように、測定された抵抗値の変化には、低抵抗状態と高抵抗状態とが存在することが確認できる。
【００４０】
次に、解析手段４２により、測定された抵抗値の変化から、低抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＰ（ｔ）および高抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＡＰ（ｔ）を求め、その減衰状態から、それぞれＮＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＰ）およびＮＡＰ（ｔ）∝exp（−ｔ／τＡＰ）  の関係を用いて、最小自乗法などのフィティングにより、低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求める。このときの実測で得られた低抵抗状態を保持する時間または高抵抗状態を保持する時間の頻度分布ＮＰ，ＡＰ（ｔ）、およびフィッティングにより得られた曲線の例を、図６（ｂ）に示す。
【００４１】
測定手段４１により、異なる大きさの複数の電流を順番に流しながら、各電流についてそれぞれ抵抗値の変化を測定し、解析手段４２により、各電流に対応して、それぞれ低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求める。
【００４２】
異なる大きさの複数の電流に対して、時定数τＰおよびτＡＰを求めた後、（４）式を用いて、最小自乗法などのフィティングにより、熱安定性指数Δ０およびしきい電流値Ｉｃ０を求める。このときの実測で得られた各電流と（４）式の左辺  τＰ／（τＰ＋τＡＰ）との関係、およびフィッティングにより得られた曲線の例を、図６（ｃ）に示す。図６（ｃ）に示す具体的な一例では、評価用ＭＴＪ１１ａの温度が２４０℃のとき、熱安定性指数Δ０＝２４．６９、しきい電流値Ｉｃ０＝１７５．４４μＡであった。このときの室温での熱安定性指数は、24.69×（240＋273）／（25＋273）＝43.5と見積もられる。このように、高温で行った測定から、室温を含むあらゆる動作温度の熱安定性指数を簡便に求めることができる。
【００４３】
なお、上記実施例では、異なる大きさの複数の電流を順番に流しながら、各電流についてそれぞれ抵抗値の変化を測定し、解析手段４２により、各電流に対応して、それぞれ低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび高抵抗状態を保持する時定数τＡＰを求める例を示したが、電流を抵抗状態をモニターするのに十分なＤＣ電流とし、磁場パルス（強さＨ）を変えながら、各磁場における低抵抗状態を保持する時定数τＰおよび高抵抗状態を保持する時定数τＡＰをそれぞれ求め、例えば、次の（５）式を用いて、熱安定性指数Δ０としきい磁場ＨＣ０を求めることもできる。
τＰ／（τＰ＋τＡＰ）＝１／［１＋exp{−Δ０・（４×Ｈ／ＨＣ０）}］
（５）
【００４４】
また、上記電流または磁場を用いた測定で、電流または磁場の値を固定して、温度を変える測定方法もある。この場合は、（４）式または（５）式のΔ０＝Ｅｂ／ｋＢＴの温度Ｔの値を変えて、異なったＴの測定結果からＥｂを求めることができる。
【００４５】
このように、本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システム４０は、測定時に磁場を発生させる必要がなく、また、多数の素子を有するチップ全体ではなく、単体の評価用ＭＴＪ１１ａのみで測定を行うため、比較的短時間で単体の評価用ＭＴＪ１１ａの熱安定性指数Δ０を測定することができる。また、磁場パルス法や電流パルス法のように、測定時にエネルギー障壁Ｅｂの値が変化しないため、単体の評価用ＭＴＪ１１ａの正確な熱安定性指数Δ０を求めることができる。
【００４６】
［半導体集積回路の生産管理］
次に、本発明の実施の形態の半導体集積回路の生産管理方法について説明する。
図２のステップ３１において、メモリチップ上の１または複数の評価用ＭＴＪ１１ａに対して、本発明の実施の形態の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定方法および測定システム４０により熱安定性指数を求めたならば、その熱安定性指数に基づいて、ステップ２４〜ステップ２９までのＭＴＪ製造工程の管理を行う。例えば、所望の熱安定性指数が得られないときには、ステップ２４までフィードバックして、ＭＴＪ１１の製造条件の変更等を行えばよい。
【００４７】
このように、本発明の実施の形態の半導体集積回路の生産管理方法によれば、評価用ＭＴＪ１１ａの測定結果に基づく管理情報を、チップの製造工程の初めの段階（ステップ２１）までフィードバックする必要がない。このため、チップの製造工程の初めの段階までフィードバックする場合と比べて、チップを製造し始めてからＭＴＪ１１を作製する前段まで（ステップ２１〜ステップ２３）の期間を節約することができる。例えば、図２に示す製造工程では、ステップ２１〜ステップ２３の２ヶ月を節約することができ、材料開発や生産現場での品質管理、生産管理を迅速に行うことができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  半導体集積回路
１１  ＭＴＪ
１２  ウェハー
１３  ＣＭＯＳ
１４  中間配線
１５  上部配線
１６  接続領域
１７  検査用端子ブロック
１７ａ  パッド
１８  ビット線
１８ａ  ビットライン選択回路
１９  ワード線
１９ａ  ワードライン選択回路
２０  センスアンプ
４０  磁気トンネル接合素子の熱安定性指数の測定システム
４１  測定手段
４１ａ  探針
４１ｂ  電圧パルス発生器
４１ｃ  標準抵抗
４１ｄ  電圧測定器
４２  解析手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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