[发明专利]一种垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统及测试方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳电子学技术领域，更具体地，涉及一种垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统及测试方法。

背景技术

磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）是一种具有隧道磁电阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）效应的磁性多层膜结构单元，它的典型结构是两层铁磁性材料之间掺入薄层氧化物（目前多采用氧化镁MgO）的三层结构。磁各向异性是指铁磁性材料在外加磁场的作用下其自发磁化方向倾向于磁化易轴方向，垂直磁各向异性MTJ就是MTJ结构中的两层铁磁材料的磁化易轴方向为垂直膜面。当两层垂直磁各向异性铁磁材料具有不同的矫顽力时，室温下外加一个垂直膜面的磁场可以诱导矫顽力相对较小的铁磁材料层磁化方向在易轴方向上发生180°翻转，从而来实现两层铁磁性材料磁化方向相对平行和反平行两种稳定状态之间的相互转换，平行与反平行的两种不同磁化状态则会因为TMR效应的存在而使得MTJ单元对应呈现出低阻态与高阻态，基于以上原理MTJ能够作为一种存储单元准确记录数字信号“0”和“1”，同时MTJ单元的典型尺寸为亚微米级甚至是纳米级，因而有潜力成为下一代高密度、非易失性、低功耗的一种理想存储材料。同时MTJ单元在未发生TMR效应的一个低强度值范围内，它的阻值在外加磁场的变化下也会有变化，原理上MTJ的这一特性使得它能够作为磁性传感器的核心芯片，再加上MTJ单元具有较好的热稳定性、较高的磁感应强度灵敏度以及较高的磁响应频率，使得它在未来的磁传感器领域也会有优秀的表现。

如图1所示为一个MTJ单元的剖面图，它的结构主要包括基底13，上电极7，下电极12，上层铁磁材料8（矫顽力相对较小的一层），隧道绝缘层9，下层铁磁材料10，绝缘保护层11。外加一个垂直膜面的磁场，当磁场大小大于上层铁磁材料8的矫顽力且方向与之磁化方向反平行时，能够诱导上层铁磁材料8发生磁化翻转，进而发生TMR效应。

TMR效应是MTJ单元存储数字信号的原理基础，它直接关系到MTJ作为存储单元的可靠性。然而市场上并无能直接完成测量垂直磁各向异性MTJ的TMR曲线的测试系统。

发明内容

为了实现自动化的测试，本发明的目的是提供一种基于LabVIEW的垂直磁各项异性MTJ测试系统，测试精度高，操作简单，能完成TMR曲线的测试。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种垂直磁各向异性磁性隧道结单元测试系统，所述测试系统包括探针测量平台、带铁芯绕组线圈、绕组线圈电源、电源测量模块以及计算机测试平台，其中：

所述探针测量平台具有两个探针，两个探针提供磁性隧道结单元的电极与电源测量模块连接的通道，所述两个探针的一端分别与放置在探针测量平台上的磁性隧道结单元的上电极和下电极连接；所述两个探针的另一端分别与所述电源测量模块的高低电平输出端口连接；

所述带铁芯绕组线圈固定放置在磁性隧道结单元的空间正上方，用于为磁性隧道结单元提供垂直于磁性隧道结单元的感应磁场；

绕组线圈电源的正负极与带铁芯绕组线圈的两端相连，用于为带铁芯绕组线圈提供电压，以使带铁芯绕组线圈产生感应磁场；

所述电源测量模块用于通过探针向磁性隧道结单元提供电压激励信号，并测量磁性隧道结单元在当前强度的感应磁场下的电流响应信号；

所述计算机测试平台，用于控制所述绕组线圈电源向所述带铁芯绕组线圈提供不同的电压，以使所述带铁芯绕组线圈产生不同的感应磁场强度；并控制所述电源测量模块产生电压激励信号，获取所述电源测量模块测量得到电流响应信号，根据所述电压激励信号和电流响应信号得到磁性隧道结单元在当前强度的感应磁场下的电阻值；从而得到感应磁场强度与磁性隧道结单元的电阻值之间的关系曲线。

进一步地，所述测试系统还包括高斯计，高斯计用于测量在绕组线圈电源加载不同电压到带铁芯绕组线圈时，带铁芯绕组线圈在磁性隧道结单元所在空间产生的感应磁场的强度，从而使得计算机测试平台获得绕组线圈电源加载电压与磁性隧道结单元所在空间感应磁场强度之间的关系。

进一步地，在所述电源测量模块上设置流经磁性隧道结单元电流的阈值，以防止流经磁性隧道结单元的电流过大而损毁磁性隧道结单元。

优选地，所述计算机测试平台与所述绕组线圈电源和所述电源测量模块均通过通用串行总线连接。

优选地，所述计算机测试平台基于LabVIEW实现。