Tunnel barrier dielectric breakdown and endurance in magnetic tunnel junctions

• Author(s): Silva, Cátia Patrícia Santos da
• Date: 2010
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/5711
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Física; Teses de mestrado - 2010
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Sousa, Ricardo; Cruz, Maria Margarida, 1960-
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado, Física (Física da Matéria Condensada e Nanomateriais), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010

Magnetic Random Access Memories (MRAM) are starting to replace the currently used RAM memories in specific applications due to non-volatility and fast read and write cycles with no theoretical limitation. To increase its competitivity reliability problems need to be overcome. In this work, TA-MRAM cells were studied with specific focus on the problem of degradation induced by the current used in the writing process. The first part of the work was ramp breakdown tests performed in cells prepared with three different oxidation processes for the MgO tunnel barrier growth. Two types of breakdown were observed: sharp and progressive. Sharp breakdown was found mostly in junctions with plasma oxidized MgO or double oxidation process. Progressive breakdown was found to be related to pre-existing pinholes, typically occuring at lower voltage values and associated with low initial TMR and resistance values. The usage of different pulse widths had no significant impact in the observed breakdown type. The breakdown results of voltage, current density and power density differed greatly with the patterning process, indicating the critical influence of sample processing on the cells' final behaviour. The second part of the work consisted in the development of a tester to perform endurance tests and its automatization. Two types of test were made using different intervals: 50 μs and a combination of 50 μs and 75 ns. No indication of increase stress associated with closer pulses was detected. Three test modes, respecting the injection of the electric current in the cell, were used: positive, negative and alternate. The tested MTJ junctions endure more pulses when they are all negative (negative mode) and the alternative mode causes higher amounts of stress causing breakdown at lower number of applied pulses. It was observed that application of successive pulses changes the junctions' magnetoresistive properties, namely the Rmax and coercive field values. The results found in this work cover a wide range of breakdown parameters and are a contribute to a better understanding of MRAM reliability.

A investigação em memórias magnéticas MRAM é actualmente um dos grandes ramos da investigação em Física e Electrónica. Estas memórias, devido à sua não-volatilidade e capacidade de combinar operações rápidas de leitura e de escrita com um número sem limitação teórica de ciclos de escrita e leitura, são vistas como potenciais candidatas para substituir, em aplicações específicas, os tipos de memórias usados actualmente. Um dos maiores obstáculos no caminho para a industrialização das MRAM é a ainda insuficiente habilidade, pois uma boa memória deve ser capaz de funcionar e guardar a informação sem falhas por um período de 10 anos. O esquema de escrita termicamente assitido (TA-MRAM) é uma evolução relativamente à 1ª geração de MRAM que utiliza a passagem de uma corrente eléctrica através da junção de túnel magnética (elemento chave de uma MRAM) para provocar o aquecimento da junção e reduzir a intensidade do campo necessário para a escrita da camada de armazenamento. A passagem da corrente é a principal causa da progressiva degradação da barreira de túnel tornando-a não utilizável. Neste trabalho é apresentado um estudo de fiabilidade de memórias MRAM. A primeira parte do trabalho consistiu em testes de quebra em junções com barreiras de túnel MgO, produzidas através de diferentes processos de oxidação, por aplicação de impulsos de tensão com valores sucessivamente crescentes { teste de rampa. Foram usados impulsos de 25 e 100 ns, verificando-se que impulsos mais longos causam danos na junção mais facilmente visto as mesmas quebrarem a valores mais baixos de tensão. Os diferentes processos de oxidação da barreira MgO estão associados a diferentes tipos de quebra nas amostras analisadas. Junções oxidadas pelo método plasma ou com uma dupla camada de MgO apresentam tipicamente um periódo de funcionamento com comportamento constante seguido por uma variação abrupta de comportamento, com um decréscimo acentuado de magnetoresistência de túnel e de resistência, enquanto junções com a camada de MgO produzida por oxidação natural apresentam um mudança de comportamento gradual associada à presença de defeitos na barreira. Estes dois tipos de quebra estão associados a mecanismos diferentes de quebra e tipicamente ocorrem em diferentes gamas de tensão, sendo a quebra abrupta aquela que apresenta valores mais elevados de tensão de quebra. Dois grupos de amostras, com diferentes processos de gravura dos pilares que constituem cada célula de memória, foram testados verificando-se que o processo de fabrico tem um papel essencial no comportamento final da memória. Os resultados obtidos para densidade de corrente e de potência variam aproximadamente uma ordem de grandeza entre os dois grupos testados. Numa outra fase do trabalho, foi desenvolvida e automatizada uma montagem experimental para aplicação sucessiva de impulsos. Esta montagem experimental permite o teste de junções aplicando 106 impulsos de tensão através das mesmas de modo a caracterizar o seu funcionamento após a aplicação de um número elevado de impulsos. Dois padrões de envio de impulsos foram usados. Um deles consistiu no envio de impulsos com intervalos de 50 μs entre si enquanto no outro os impulsos eram enviados em grupos de três impulsos espaçados entre si de 75 ns e com um espaçamento de 50 μs entre cada grupo. Foram usados em ambos os casos impulsos rectangulares com uma largura de 25 ns. A utilização destes dois padrões de envio permitiu verificar que, até ao limite inferior de 75 ns, não há um aumento significativo dos danos causados à junção pela aplicação de impulsos próximos, visto em ambos os casos terem sido obtidos valores semelhantes para o número de impulsos aplicados antes da ocorrência da quebra. Três tipos de polarização dos impulsos foram utilizados. Os modos positivo e negativo correspondem à aplicação de impulsos com polaridade constante ao longo do teste, sendo a polaridade em cada caso definida pelo modo utilizado. No modo alterno os impulsos enviados têm alternadamente polaridade negativa e positiva. Verificou-se que as junções testadas são mais resistentes à aplicação de um maior número de impulsos no modo negativo. Os resultados indicam também que o modo alterno causa maiores danos às junções pois a quebra das mesmas ocorre após a aplicação de um número inferior de impulsos. Durantes a realização destes testes foi verificado que o envio de impulsos de tensão através das junções causa mudanças em algumas das suas propriedades magnetoresistivas. Em todos os modos do teste, observou-se que a forma dos ciclos de histerese R(H) varia, tornando-se mais regular após a passagem do primeiro conjunto de impulsos. Verificou-se também um decréscimo do valor de resistência máxima da MTJ, Rmax, com o aumento da amplitude dos impulsos de tensão aplicados, enquanto o valor de resistência mínima, Rmin, não é afectado. Por último, observou-se a diminuição do valor do campo coercivo, Hc, com o aumento da tensão, que tende para um valor limite com a aplicação de tensões mais elevadas. Este último efeito tem particular relevância no modo alterno. Os resultados obtidos neste trabalho cobrem uma vasta gama de parâmetros que inuenciam o comportamento de quebra das junções magnéticas de efeito de túnel e são uma contribuição para uma melhor compreensão dos mecanismos envolvidos na degradação de uma célula de memória exposta a diferentes condições de escrita. A resolução dos problemas detectados com a consequente melhoria das células MRAM tornarão estas memórias, num futuro próximo, parte do nosso dia-a-dia.