Study on Reliability Modeling and Defective cell screening of Magnetic Tunnel Junctions

Abstract

Spin torque transfer switching magnetic random access memories (STT-MRAM)은 높은 집적도, 비휘발성 및 빠른 속도 그리고 높은 신뢰성의 특성을 가진 dynamicrandom access memories (DRAMs)을 대체할 잠재적인 후보로 주목받고 있다.STT-MRAM은 메모리 구성 요소로서 얇은 터널 장벽 유전체 막에 의해 분리된 고정층 및 자유층으로 구성된 magnetic tunnel junctions (MTJs)를 이용한다. 결정구조의 MgO는 일반적으로 MgO 기반의 MTJ가 coherent 터널링 효과에 기인한 높은tunnel magnetoresistance (TMR) 비를 갖기 때문에 터널막의 유전체로 이용되었다.그러나 MgO와 고정층 및 자유층 사이의 격자 부정합으로 인해 많은 결함이 존재한다. 최근에는 계면 결함을 줄이기 위해 MgAl2O4 (MAO) 로 만들어진 터널 장벽을 갖는 MTJ가 연구되고 있다. MgO 및 MAO 터널 장벽은 매우 얇기 때문에 (일반적으로1nm) 적은 스트레스로도 파괴되기가 쉽다. 따라서, 전기 및 열 스트레스에 대한 MgO터널 배리어의 열화 및 파괴 메커니즘을 이해하는 것은 STT-MRAM의 상용화에 있어 매우 중요하다 할 수 있다. 그리고 앞에서 연구한 STT-MRAMs의 신뢰성 열화원인 연구내용을 바탕으로 normal MTJ cell과 defective MTJ cell을 screen할 수 있는 stress 인가 조건을 연구함으로써, 제작 당시 defective하게 만들어진 MTJ cell을사전에 screen하여 제품화 전에 차단하는 것을 목표로 한다. 챕터1에서는 STT-MRAM이 무엇인가에 대해 역사와 기본 동작 원리에 대해 알아본다.챕터 2에서는 MTJ의 신뢰성 연구에 적용하기 위한 기존 SiO2의 신뢰성 이론적 연 구를 설명하면서 MTJ에 적용 가능하다는 당위성에 대해 이야기 한다.챕터 3에서는 신뢰성 열화 실험에 이용한 MTJ 제작 환경 및 제작 방법에 대해 이야기 한다.챕터 4 에서부터 본격적으로 이 논문에서 설명하고자 하는 바가 시작된다. 챕터 4 에서는 챕터 2에서 이야기했던 신뢰성 이론적 연구내용을 챕터 3에서 이야기 한 제작한 MTJ의 time dependent dielectric breakdown (TDDB)와 같은 신뢰성 test와fitting 하여 MgO based MTJ의 신뢰성 modeling 연구를 진행하였다. Interval voltage stress (IVS) 를 통해 MgO tunnel barrier 와 ferromagnetic electrode 사이에Mg layer를 삽입함으로써 interfa의 roughness가 향상되어 trap sites의 생성이 억제되는 것을 확인하였고, 이는 interface의 상태에 따라 TDDB modeling이 다르게 적용 되어야하는 것을 확인한다. Roughness가 개선된 interface를 anode로 가지는 경우에는 power-law V model을 적용하고, roughness가 개선되지 않는 interface를 anode로 가지는 경우에는 1/E-model을 적용한다. MAO based MTJ에서도 MgO와 마찬가지로 실험을 진행하였으나 MgO와 MAO의 기본 물리적 파라미터는 거의 일치하기때문에 MgO에서 사용하였던 이론적 커브를 적용해도 무방하다는 것을 확인한다.챕터 5에서는 MTJ 제작 시 발생할 수 있는 defective MTJ cell을 사전에 screen할수 있는 stress 조건에 대하여 연구한 결과를 설명한다. Constant voltage stress(CVS), constant current stress (CCS) 그리고 ramped voltage stress (RVS) 를 통한defective MTJ cell에 대한 연구 시작부터 defective MTJ cell에 대한 정의, 그리고DC에서의 defective MTJ cell screen 연구 결과를 설명한다. 마지막으로,STT-MRAM이 실제로 동작하는 환경인 pulse가 인가되는 환경에서 온도 및 ramppeed 조건, interval time 그리고 pulse width 등을 변경하여 defective MTJ cell screen 연구를 진행한 결과에 대하여 설명한다. MTJ의 breakdown 열화 연구에 대한 내용인 이 논문에서의 연구 결과를 바탕으로 현재 IOT 등을 겨냥하여 상용화 될STT-MRAM 신뢰성 및 defective MTJ cell 검출에 많은 도움이 될 것이다.; Spin torque transfer switching magnetic random access memories (STT-MRAMs) have drawn attention as potential candidates to replace dynamic random access memories (DRAMs) due to their scalability, non-volatility and high speed, and reliability. STT-MRAMs use magnetic tunnel junctions (MTJs), which consist of pinned and free layers separated by a thin tunnel barrier dielectric film as a memory component. Crystalline MgO has commonly been utilized as a tunnel barrier dielectric film because MgO-based MTJs have a high tunnel magnetoresistance (TMR) ratio resulting from a coherent tunneling effect. However, MgO interfaces have many defects due to the 3%∼4% lattice mismatch between CoFe(B) based ferromagnetic electrode and MgO. Recently, MTJs with tunnel barriers made of spinel MgAl2O4(MAO) have been investigated to reduce the interfacial defects. MgO and MAO tunnel barriers are subject to degradation and breakdown because they are very thin (typically 1nm). Therefore, under standing the degradation and breakdown behavior of the MgO dielectric layer in response to electric and thermal stressesis of particular importance for mass production of STT-MRAMs to ensure device reliability. Inaddition, based on the content of studies on the cause of deterioration of the reliability of STT-MRAMs conducted earlier, the stress imposing conditions that will enable the screening of normal MTJ cells and defective MTJ cells will be studied with a view to screening defective MTJ cells in advance there by blocking defective MTJ cells before commercialization. In chapter 1, the history and basic operation principles of STT-MRAMs are examined. In chapter 2, existing theoretical studies of the reliability of SiO2 are explained to apply the studies to the study of the reliability of MTJ while stating the justifiability of the application of the studies to MTJs. In chapter 3, the fabrication environment and method for the MTJs used in the reliability deterioration experiments are described. In chapter 4, the description intended in this thesis begins in earnest. In chapter 4, the contents of theoretical studies of reliability explained in chapter 2 were fitted with the reliability tests for fabricated MTJs such as time dependent dielectric breakdown (TDDB) as described in chapter 3 to study MgO based MTJ reliability modeling. An Mg layer was inserted between an MgO tunnel barrier and a ferromagnetic electrode through an interval voltage stress (IVS) test to identify that the roughness of the interface was improved so that the formation of trap sites was suppressed, which indicated that TDDB modeling should be applied differently according to the states of the interface. When the interface with improved roughness is used as the anode, the power-law V model should be applied and when the interface with roughness not improved is used as the anode, the 1/E-model should be applied. Although the same experiments were conducted in both MgO based and MAO based MTJs, it was identified that since the basic physical parameters of MgO and MAO are almost the same, the theoretical curves used in MgO may be applied to MAO. In chapter 5, the results of studies of stress conditions that will enable screening of the defective MTJ cells that may occur during MTJ fabrication are explained. The beginning of the studies of defective MTJ cells through constant voltage stress (CVS), constant current stress (CCS), and ramped voltage stress (RVS), the definition of defective MTJ cells, and the results of the studies of defective MTJ cell screening under DC are explained. Finally, the results of studies of defective MTJ cell screening conducted while changing temperature and ramp speed conditions, interval times, and pulse widths in the environment where pulses are applied in which STT-MRAMs actually operate are explained. The results of studies explained in this thesis, which are about the MTJ breakdown and deterioration, should be very helpful in the detection of the reliability of STT-MRAMs, which will be commercialized, and the detection of defective MTJ cells.