“芯”火相“传”， MRAM芯片和磁性传感器的“超级测试官”，晶圆级超快三维磁场探针台！

1、什么是MRAM

与传统半导体存储器将数据存储为电荷的方式截然不同，MRAM（磁阻随机存取存储器）作为一种非易失性存储器，利用磁化（例如电子自旋）方向存储数据。与现有的半导体技术相比， MRAM 具有许多优势， 因为它本质上是非易失性的（例如， 在电源切断时能够保持数据），同时还表现出非常好的耐久性（例如，读/写周期数）和低功耗。上一代MRAM 称为pSTT MRAM（垂直自旋转移力矩随机存取存储器），已被业界选择在28/22 nm 以下的工艺中替代嵌入式闪存，目前主要的半导体代工厂都可以生产。

pSTT MRAM结构示意图与高低阻态

虽然STT MRAM 目前正被作为主流主流非易失性存储器技术（NVM），但全球的研究人员已经在研究下一代技术，即SOT-MRAM（自旋轨道扭矩MRAM）。通过同时实现STT 无法实现的无限耐久性和高速性，SOT可以扩大MRAM 在缓存存储器中的应用。SOT-MRAM 有可能成为通用嵌入式存储器，取代微控制器、微处理器和片上系统中的嵌入式NVM 或嵌入式SRAM。

STT-MRAM与 SOT-MRAM器件示意图（图片来源于网络）

2、晶圆级超快三维磁场探针台如何测量MRAM

MRAM存储器件在晶圆上制造完成后，需要在外部磁场下进行测试， 以表征MRAM 器件在环境相关干扰磁场下的运行性能。这一测试可以在晶圆级、切割前或封装芯片级完成。无论何种情况下，都需要能将三维磁场施加到自动测试设备上。从本质上讲， MRAM 测试要求在施加外部磁场的同时对晶圆进行电学测试。此外，测试必须使用可提供MRAM 器件工作的超窄时域电压/ 电流脉冲的高频配套硬件完成。

不同阶段生产阶段，三维磁场探针台可实现的工作内容

晶圆级超快三维磁场探针台工作过程如下：

• 扫描器件上方的磁场（垂直和/ 或平面），同时通过直流电流测量器件的电阻。这样可以提取滞后曲线，该曲线反映了存储单元从一种状态切换到另一种状态并保留存储信息的能力。垂直磁场可达5000 Oe（0.5T）以上，确保翻转器件中的各种磁性层。

• 向器件施加超窄脉冲宽度（低至300ps， 高达5V 振幅）的脉冲信号，以进行片上读/ 写操作，并表征其可靠性（击穿电压）。

1、什么是磁传感器

磁传感器可以检测地磁和磁体或电流产生的磁性强度，并将磁场或磁编码信息转换为电信号供电子电路处理。因其可以广泛应用于感测位置、速度或运动方向等领域，因此越来越受欢迎。

• Hall传感器

霍尔效应传感器是用半导体基板上的载流条形导体构建的，当放置在磁场环境中时会被激活，并通过霍尔效应产生垂直于电流方向的电压。霍尔传感器广泛应用于汽车和工业领域。

Hall传感器示意图

• GMR传感器

巨磁阻（GMR）传感器是一个由界面导电层隔开的两个薄磁性层组成的三明治结构。该设备有两种电阻状态。当两个磁性层具有平行的磁化方向时器件具有低电阻状态，当两个磁性层磁化方向相反时，器件具有高电阻状态。GMR传感器是具有良好温度稳定性的精确磁场传感器。它们已被广泛应用于硬盘驱动器（HDD）领域以及工业应用中。

GMR传感器示意图

• AMR传感器

各向异性磁阻（AMR）传感器由各向异性磁条线组成，该磁条线具有与磁化方向和导电方向的角度相关的等效电阻。与其他磁阻传感器相比，AMR传感器具有相对较低的磁阻（MR）比。它们在工业、商业和空间科学应用中用作运动或角度传感器以及地球磁场传感器。

AMR传感器示意图

• TMR 传感器

隧道磁阻（TMR）是由隧道势垒隔开的铁磁材料层堆叠组成。TMR器件的电阻与两个铁磁层之间的相对角度有关。与其他磁场传感器相比，TMR传感器具有更好的信噪比，具有前所未有的精度和极低的功耗。TMR传感器在适用温度范围和传感器寿命范围内具有非常可靠的稳定性。因此，TMR传感器在要求非常苛刻的应用中是首选。

TMR 传感器示意图

2、晶圆级超快三维磁场探针台如何测量磁性传感器

传感器通过测量磁场变化提取有关位置、角度、强度和磁场方向的信息。测量的结果是与零件运动或电流流动相关的数据。为了验证芯片产品是否适用于最终应用，测试是在晶圆级进行的，方法是在改变晶圆上方磁场的同时进行电学探测。

超快三维磁场探针台工作过程如下：

• 在空间1D、2D 或3D 的任何方向上施加快速且稳定的静磁场，并测量传感器的输出电信号。

• 应用振幅或角度快速扫描的可变磁场，对产品进行高吞吐量的分类，实现晶圆上的完全覆盖测试，同时降低测试成本。

作为一家拥有专业知识的自动测试设备（ATE）提供商，Hprobe可以为MRAM和磁性传感器制造商提供交钥匙解决方案，加速产品的开发与生产。测试时间作为生产中的关键性能指标，直接关系到开发周期的缩短。Hprobe构建用于SENSOR和MRAM技术和产品的专用晶圆测试设备，兼顾最大的灵活性和最短的测试时间，为用户带来显著经济价值，大幅缩短产品上市和量产时间。Hprobe的解决方案满足了灵活性和高性能的需求平衡，为工程师从技术开发到生产控制的漫长道路提供支持。

Hprobe 拥有前沿的 3D 磁场发生器技术，能够产生具有极快振幅和角扫描速率的高强度磁场，并集成到专用于高通量运行的磁性器件晶圆级测试产品中，解决了磁性集成电路工业测试的诸多挑战。其特殊设计的磁场发生器和电源通过空气冷却运行，无需复杂的液体冷却装置，进一步提升了设备的实用性与可靠性。

技术特点：

快速：极高的磁场扫描速率，每秒高达10000步采样，满足高通量、大规模生产要求的测试需求。

灵活：具有独立可控空间轴的真正3D磁场，实现垂直和面内场生成的任何组合。

强大：单向超高强度磁场，结合极快的扫描速度，在20微秒内实现高达2特斯拉的扫场速率。

主要测试功能举例

开路/短路测试

AC/DC I-V、R-V测试

交流/直流击穿电压试验

读/写脉冲测试

R-H角/振幅回线测试

误码率测试

器件循环和稳定性测试

相图

STT-MRAM的测试程序举例

TMR传感器的测试程序举例

Hprobe 成立于 2017 年 3 月，总部位于法国格勒诺布尔，是领先的自旋电子学研究实验室之一 SPINTEC 的子公司。基于多年在磁性测试方面的先进研究，Hprobe为半导体行业提供前沿的解决方案。Hprobe 具有特有的、自研的多维磁场技术，用于磁性器件和传感器的晶圆级表征和测试。其产品线包括用于在所有开发阶段测试和表征 MRAM 器件（STT、SOT、VCMA）和磁传感器（TMR、GMR 等）的专用设备。2025 年 3 月， Hprobe 被 Mycronic 收购。 Mycronic 是一家专注于电子行业精密生产设备的瑞典上市高科技公司。Hprobe 现在是 Mycronic 全球技术部门的一部分， 在 Mycronic 的全球化战略支持下， 继续与全球范围内开发 MRAM的工厂和推进下一代磁传感器的公司合作。