Quantum Sensing for MRAM: Mit dem Scanning NV-Magnetometer "ProteusQ" Einblicke in den Nanobereich gewinnen
Abb. 1: Links: SNVM-Karte eines 45 × 45 Bit großen Bereichs (10 × 10 μm) nach der Einkapselung. Bits im antiparallelen (AP) Zustand erscheinen dunkel, während Bits im parallelen (P) Zustand hell dargestellt werden.
Rechts: Die P- und AP-Konfigurationen der Bits erzeugen unterschiedliche Streufeldmuster (graue Linien). Die NV-Sonde misst die Projektion dieser Felder entlang ihrer Quantisierungsachse (schwarzer Pfeil) in einem definierten Abstand zur Probe („flying distance"). Grafik entnommen aus: [1]
Innovative Speichertechnologien wie MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory) könnten in Zukunft, klassische nichtflüchtige Speicher wie eFlash ersetzen. Um diese Entwicklung gezielt voranzutreiben, ist eine präzise Charakterisierung einzelner Speicherzellen entscheidend. Mithilfe hochsensibler Quantensensorik, insbesondere durch den Einsatz von Scanning-Nitrogen-Vacancy-Magnetometry (SNVM, engl. Raster-Stickstoffleerstellen-Magnetometrie), lassen sich magnetische Eigenschaften wie Hystereseverhalten, thermische Stabilität und Schaltstatistiken einzelner Bits mit <60 nm Durchmesser räumlich aufgelöst erfassen. Die Leistungsfähigkeit dieser Methode wurde kürzlich in einer Veröffentlichung von Borràs et al. demonstriert, in der einzelne MRAM-Bits erfolgreich charakterisiert und prozessbedingte Abweichungen identifiziert wurden [1].
Stickstoffleerstellen-Zentren (NV, engl. Nitrogen Vacancy) in Diamant fungieren dabei als atomgroße Magnetfeldsensoren, deren Quantenzustände durch lokale Magnetfelder beeinflusst werden.
Im Gegensatz zu konventionellen Ensemble-Messmethoden ermöglicht SNVM die Identifikation von sogenannten „Tail-Bits“, Bits mit abweichenden magnetischen Eigenschaften, die häufig an den Rändern von Arrays auftreten und potenzielle Fehlerquellen darstellen. Diese Einzelbit-Analyse erlaubt eine zuverlässige Bewertung der Bit-zu-Bit-Uniformität und liefert wertvolle Einblicke in das Speicher- und Umschaltverhalten.
Die Methode eröffnet neue Möglichkeiten für die Qualitätskontrolle und Fehleranalyse direkt nach dem Ätzprozess in der Halbleiterfertigung. Durch die hohe räumliche Auflösung und die Fähigkeit zur Quantifizierung magnetischer Parameter auf Einzelbit-Ebene kann SNVM als leistungsstarkes Werkzeug für die Prozessentwicklung und -überwachung eingesetzt werden. Perspektivisch lässt sich die Messgeschwindigkeit deutlich steigern, sodass eine Integration in industrielle Fertigungslinien realistisch erscheint.
Diese Fortschritte in der nanoskaligen Quantentechnologie markieren einen wichtigen Schritt hin zur zuverlässigen und skalierbaren Charakterisierung zukünftiger Speicherarchitekturen.
ProteusQ und seine Rolle
Das ProteusQ-System von Qnami basiert auf SNVM und ermöglicht berührungslose, nanoskalige Magnetfeldmessungen. In Zusammenarbeit mit imec konnte Qnami zeigen, dass sich gekapselte Spin-Transfer-Torque-MRAM-Bits (STT-MRAM) bereits früh in der Prozesslinie charakterisieren lassen und das ganz ohne elektrische Anbindung.
Systemeigenschaften
Analyse magnetischer Umschaltvorgänge auf Bit-Ebene: ProteusQ kann das magnetische Schaltverhalten einzelner Bits (<60 nm) auflösen und liefert Informationen zur thermischen Stabilität und zu Schaltstatistiken
Fehleranalyse: Das System erkennt sogenannte „Tail Bits“ außerhalb der Normverteilung, die sich häufig an den Rändern von Arrays befinden und mit Ensemble-Techniken wie magnetooptischem Kerr-Effekt (MOKE) nicht sichtbar sind
Korrelation mit magnetischer Rauheit: Mithilfe von ProteusQ konnte Qnami einen Zusammenhang zwischen Schaltverhalten und magnetischer Rauheit herstellen
[1]: V. J. Borràs et al., A quantum sensing metrology for magnetic memories, Nature Spintronics (2024), https://doi.org/10.1038/s44306-024-00016-5
