DE10342572A1

DE10342572A1 - Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Charakterisieren von Tunnel-Junktion-Filmstapeln mit geringem oder ohne Prozessieren

Info

Publication number: DE10342572A1
Application number: DE10342572A
Authority: DE
Inventors: David W. Abraham; Jürg Hopewell Junktion N.Y Schmid; Philip Trouilloud; Daniel Christopher Worledge
Original assignee: Infineon Technologies AG; International Business Machines Corp
Current assignee: Infineon Technologies AG; International Business Machines Corp
Priority date: 2002-09-16
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2004-07-22
Also published as: US7622735B2; US6927569B2; US8004278B2; US20090267597A1; US20100023287A1; US8027185B2; US20090261820A1; US8102174B2; US20040051522A1; US20090309587A1

Abstract

Proben werden elektrisch mit einer Oberfläche eines Tunnel-Junction-Filmstapels verbunden, der eine freie Schicht, eine Tunnelbarriere und eine gepinte Schicht aufweist. Widerstände werden für eine Vielzahl von Probenbeabstandungen und für eine bestimmte Anzahl von Magnetisierungen einer der Schichten des Stapels ermittelt. Die Probenbeabstandungen stellen eine Länge einer Längenskala dar, die sich auf das Widerstands-Flächen(RA)-Produkt des Tunnekl-Junction-Filmstapels bezieht. Es werden Beabstandungen verwendet, die in einem Bereich, ausgehend von kleinstmöglichen Beabstandungen bis zu ungefähr der 40-fachen Längenskala liegen. Vorteilhafterweise beträgt die kleinste Beabstandung zwischen Proben, die während einer Widerstandsmessung verwendet werden, weniger als 100 Mikron. Eine gemessene In-Plane-Magnetowiderstands(MR)-Kurve wird von den "hohen" und "niedrigen" Widerständen abgeleitet, die bei den beiden Magnetisierungen dieser Schicht auftreten. Das RA-Produkt, die Flächenwiderstände der freien und gepinten Schichten sowie der perpendikulare MR werden mittels eines Kurvenglättungsverfahrens ermittelt.

Description

Erklärung hinsichtlich von Rechten der Regierung
Die Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter der Vertragsnummer MDA972-99-C-0009, vergeben durch die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des US-Verteidigungsministeriums gemacht. Die Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Tunnel-Junction-Vorrichtungen, genauer gesagt das elektrische Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln.

Herkömmliche Techniken zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln erfordern ein extensives Prozessieren eines Halbleiterwafers, um wenige Charakteristika des Tunnel-Junction-Filmstapelns zu messen. Das Prozessieren ist zeitraubend, komplex und kann außerdem die Vorrichtungen zerstören. Selbst wenn das Prozessieren geeignete Vorrichtungen zum Testen erzeugt, ist es unklar, ob die Messungen eine Funktion des Tunnel-Junction-Filmstapels, des Prozessierens, das zusätzliche Strukturen herstellt, die dazu benötigt werden, die Charakteristika des Tunnel-Junction-Filmstapels zu messen, der zusätzlichen Strukturen, oder einer Kombination dieser Alternativen sind.

Somit besteht Bedarf für ein fehlerunanfälliges Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln, das außerdem nicht zeitintensiv und nicht teuer ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung löst die oben genannte Aufgabenstellung, indem sie Techniken zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln bereitstellt, die nur ein geringes bzw. kein Prozessieren erfordern. Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden Widerstände für eine Mehrzahl von Probenbeabstandungen ermittelt. Proben werden elektrisch mit einer Fläche bzw. Oberfläche eines Tunnel-Junction-Filmstapelns verbunden. Im Allgemeinen weist ein Tunnel-Junction-Filmstapel eine freie Schicht, eine Tunnelbarriere und eine gepinte beziehungsweise festgelegte Schicht (im Folgenden sowohl als "gepinte" als auch als "festgelegte" Schicht bezeichnet) auf, wobei viele andere Konfigurationen möglich sind. Die elektrische Verbindung kann eine physikalische Verbindung sein, die direkt zu der Fläche bzw. Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels führt, oder eine elektrische Verbindung zu einer Kontaktfläche darstellen, die physikalisch an/auf der Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels angebracht ist bzw. auf dieser aufsetzt. Die Probenbeabstandungen werden im Allgemeinen so gewählt, dass sie innerhalb eines bestimmten Längenbereichs liegen, der sich auf das Widerstands-Flächen-(RA)-Produkt des Tunnel-Junction-Filmstapels bezieht. Andere Beabstandungen können verwendet werden, wobei die Widerstände in Abhängigkeit der Probe oder der Kontaktflächenkonfigurationen dazu tendieren, sich zu stabilisieren, nachdem die Proben- bzw. Kontaktflächenbeabstandung einen gewissen Längenwert aus dem Längenbereich erreichen. Beispielsweise führen Pro benbeabstandungen, die 40 mal größer sind als die Längenskala/Längeneinheit im Allgemeinen zu ähnlichen Widerständen. Die Widerstände werden für beide Magnetisierungen einer der Schichten des Stapels gemessen, so dass Sätze von "Hoch" und "Niedrig"-Widerständen für beide Magnetisierungen der freien Schicht ermittelt werden. Im Allgemeinen ist die freie Schicht diejenige Schicht, die unterschiedliche Magnetisierungen aufweisen kann. Zusätzlich kann eine In-Plane-Magnetisierungs-Widerstandskurve (MR) (Magnetisierungs-Widerstandskurve in einer Ebene) aus den hohen und niedrigen Widerständen ermittelt werden, die bei den zwei Magnetisierungen der freien Schicht auftreten.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden das RA-Produkt, der Perpendikular(Vertikal)-MR, und Widerstände per Fläche bzw. Quadrat der freien Schicht, R_F, und der gepinten Schicht, R_P, mittels einer Kurven-Anpassungs/Glättungstechnik ermittelt. Mehrere Kurven-Anpassungs-Techniken können dazu benutzt werden, um diese Quantitäten zu ermitteln. Eine hierfür geeignete Technik wird im folgenden beschrieben: Der In-Plane-MR wird aus den gemessenen hohen und niedrigen Widerständen unter Verwendung einer Standardformel ermittelt. Der In-Plane-MR und eine oder beide der Widerstände werden gleichzeitig auf theoretische Werte der In-Plane-MR und des Widerstands angepasst. Dies wird durch das Abschätzen bzw. Definieren von Werten für das RA-Produkt, R_F, R_P und das Vertikal-MR, und anschließendem Berechnen des In-Plane-MRs und der Widerstandskurven getan. Die Werte des In-Plane-MR und der Widerstandskurven werden dann mit den berechneten Werten des In-Plane-MR und der Widerstandskurven verglichen. Dieser Prozess wird iteriert, wobei jedes Mal die Werte für das RA-Produkt, R_F, R_P, und der Perpendikular-MR geändert werden, solange bis die beste Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten Werten des In-Plane-MR und des Widerstands erhalten wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln bereitgestellt. Die Einrichtung weist einen Magnetfelderzeuger zum Erzeugen eines magnetischen Felds, eine mikro-maschinell arbeitende Multi-Punkt-Probe mit vier oder mehr Proben, wobei der kleinste Abstand zwischen zwei beliebigen Proben, die während einer Widerstandsmessung benutzt werden, 100 Mikrons oder weniger beträgt, und ein Widerstandsmessmodul auf, das an die Multi-Punkt-Probe gekoppelt ist und zur Widerstandsmessung dient. Das Magnetfeld wird erzeugt, um einen Halbleiterwafer mit einem Tunnel-Junction-Filmstapel in eine mehrerer möglicher Magnetisierungen (des Tunnel-Junction-Filmstapels)zu versetzen. Eine Widerstandsmessung durch das Widerstandsmodul bei dieser Magnetisierung charakterisiert den Tunnel-Junction-Filmstapel wenigstens teilweise. Zusätzlich werden verschiedene Proben und Kontaktflächen-Konfigurationen beschrieben, die im Zusammenhang mit der Einrichtung verwendet werden können. Es wird eine Multi-Punkt-Probe beschrieben, die es erlaubt, mehrere unterschiedliche Spannungsmessungen schnell durchzuführen. Wenn die Multi-Punkt-Probe verwendet wird, weist die Einrichtung weiterhin einen Multiplexer auf, der zum Koppeln der Proben mit dem Widerstandsmessmodul dient. Probenbeabstandungen werden im Allgemeinen so gewählt, dass sie innerhalb einer bestimmten Länge einer Längenskala/Längeneinheit liegen, die mit dem RA-Produkt eines zu messenden Tunnel-Junction-Filmstapels korreliert ist.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1A eine Seitenansicht eines unprozessierten Halbleiterwafers, auf dem ein Tunnel-Junction-Filmstapel ausgebildet ist;
1B und 1C Seitenansichten des in 1A gezeigten Halbleiterwafers, nachdem eine gewisse Menge an Prozessschritten durchgeführt worden ist;
2 eine Hysteresiskurve, die zur Erklärung dafür dient, wie die meisten Tunnel-Junction-Vorrichtungen funktionieren;
3 eine Seitenansicht einer Vier-Punkt-Probe, die dazu verwendet wird, Charakteristika eines unprozessierten Halbleiterwafers, auf dem ein Tunnel-Junction-Stapel ausgebildet ist, zu messen;
4A eine Seitenansicht eines prozessierten Halbleiterwafers, auf dem ein Tunnel-Junction-Stapel ausgebildet ist, zusammen mit zwei Kontaktflächen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4B eine Draufsicht des in 4A gezeigten Halbleiterwafers;
4C ein "Spielzeugmodell", das zur Erklärung von Aspekten der Erfindung gemäß einer Ausführungsform derselben dient;
5A und 5B Graphen eines In-Plane-Magnetwiderstands (MR) und eines Widerstands für das in 4C gezeigte Spielzeugmodell und exakte Lösungen für die in 4A und 4B gezeigten Aufbauten;
6A und 6B Graphen eines In-Plane-MR und eines Widerstands für Viel-Widerstandsflächen-(RA)-Produkte von Tunnel-Junction-Filmstapeln, die einen Vier-Punkt-Probenaufbau verwenden, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 ein Verfahren zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
8A und 8B Graphen jeweils gemessener Widerstände und MR, sowie Kurven, die die gemessenen Daten anpassen/glätten, für lithografische definierte Vier-Punkt-Kontaktflächen aus 12 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
9 ein Blockdiagramm einer Einrichtung zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
10A und 10B mikro-maschinell arbeitende Proben zum Einsatz in der in 9 gezeigten Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
11 ein Diagramm eines Atomic-Force-Mikroskops (AFM) einer beweglichen Probe, und eines Kontaktanschlusses/Kontaktfläche in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung; und
12, 13 und 14 lithografisch definierte Kontaktflächen gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die Erfindung ermöglicht es, die Grenzen herkömmlicher Techniken zu überwinden, da wenig bzw. kein Prozessieren eines Halbleiterwafers mit einem darauf ausgebildeten Tunnel-Junction-Filmstapel notwendig ist, um den Tunnel-Junction-Filmstapel zu charakterisieren. Die Erfindung verwendet Proben oder Kontaktflächen bzw. Kontaktanschlüsse in bestimmten Ausführungsformen, um die Tunnel-Junction-Filmstapel zu charakterisieren. Der Widerstand wird festgelegt durch Einsatz der Proben, Kontaktflächen oder beidem, und durch Einsatz von Strom und Spannung durch bekannte Widerstands-Messtechniken. Der Widerstand wird gemessen für eine bestimmte Magnetisierung einer freien Schicht und einer bestimmten Beabstandung bzw. Beabstandungen zwischen Proben oder Kontaktflächen. Die freie Schicht wird mit einer anderen Magnetisierung magnetisiert, und ein weiterer Widerstand wird ermittelt. Einer der vorangehend ermittelten Widerstände ist ein hoher Widerstand, und einer ist ein niedriger Widerstand. Unter Verwendung dieser beiden ermittelten Widerstände kann ein In-Plane-Magnetwiderstand (MR) ermittelt werden. Dieser Prozess wird gemäß der Anzahl der Proben oder Kontaktflächenbeabstandungen wiederholt. Aus den Messda ten können eine In-Plane-MR-Kurve und zwei Widerstandskurven ermittelt werden, eine für jede der hohen und niedrigen Widerstände. Unter Verwendung dieser Kurven werden mittels Kurvenglättungstechniken/Anpassungstechniken Werte ermittelt für einen Flächenwiderstand der freien Schicht (R_F), einen Flächenwiderstand der gepinten Schicht (R_P), das Widerstands-Flächen-(RA)-Produkt des Stapels und den perpendikularen MR.
Um eine vereinfachte Bezugnahme zu gewährleisten, ist die Beschreibung in drei Abschnitte aufgeteilt: (1) den Abschnitt EINLEITUNG, der beschreibt, warum die gängige Meinung, Tunnel-Junction-Filmstapel könnten unter Verwendung von Proben oder Kontaktflächen nicht charakterisiert werden, falsch sind, und die eine einfache Beschreibung einiger Aspekte der Erfindung gibt; (2) den Abschnitt BEISPIELHAFTES VERFAHREN SOWIE THEORIE DAZU, der ein Verfahren beschreibt, das dazu geeignet ist, Tunnel-Junction-Stapel mit Proben oder Kontaktflächen zu charakterisieren, und eine Theorie beschreibt, die die Messergebnisse erklärt; und (3) den Abschnitt BEISPIELHAFTE VORRICHTUNG, der eine Vorrichtung beschreibt, die im Zusammenhang mit der Erfindung vorteilhaft angewandt werden kann.
EINLEITUNG
Ein Tunnel-Junction(Übergang)-Filmstapel ist eine Reihe von Filmen, die aufeinander aufgebracht werden. Ein Tunnel-Junction-Filmstapel wird dazu verwendet, um eine Tunnel-Junction-Vorrichtung herzustellen, die später detailliert beschrieben werden wird. In 1A ist ein unprozessierter Halbleiterwafer 100 gezeigt. Der unprozessierte Halbleiterwafer 100 weist einen unprozessierten Tunnel-Junction-Stapel 110 auf, der auf einem Substrat 120 aufgebracht ist. Der unprozessierte Tunnel-Junction-Stapel 110 weist eine freie Schicht 130, eine Tunnelbarriere 140 und eine gepinte Schicht 150 auf. Die Schichten, die im unprozessierten Stapel 110 enthalten sind, werden oft "Filme" genannt, analog hierzu wird der Stapel oft als "Filmstapel" bezeichnet. Herkömmliche Charakterisierungstechniken für Tunnel-Junction-Filmstapel erlauben es nicht, den unprozessierten Tunnel-Junction-Filmstapel 110 zu charakterisieren. Die Erfindung erlaubt, wie später beschrieben werden wird, das Charakterisieren des unprozessierten Tunnel-Junction-Filmstapels 110. Ein unprozessierter Tunnel-Junction-Filmstapel 110 wird in erster Linie dazu verwendet, um eine "Tunnel-Junction" (Tunnelübergang, Tunnelgrenzschicht) herzustellen, nachdem im Allgemeinen extensiv prozessiert wurde.
Eine Tunnel-Junction ist eine Vorrichtung, wo Träger, im Allgemeinen Elektronen, durch eine Tunnelbarriere "tunneln". In 1B und 1C sind Diagramme einer einfachen Tunnel-Junction-Vorrichtung 106 gezeigt. Diese Figuren zeigen einen unprozessierten Halbleiterwafer 105 mit einer darauf ausgebildeten Junction-Vorrichtung 106. Die Tunnel-Junction-Vorrichtung 106 wird erzeugt durch Ausbilden eines Tunnel-Junction-Stapels 110 auf einem Substrat 120 (wie in 1A gezeigt ist), und Ausbilden eines Musters (Strukturieren) auf dem unprozessierten Stapel 110, um die Tunnel-Junction-Vorrichtung 106 und einen prozessierten Stapel 111 auszubilden. Die Tunnel-Junction-Vorrichtung 106 weist, wie oben beschrieben wurde, eine freie Schicht 130, eine Tunnelbarriere 140 und eine gepinte Schicht 150 auf. Es sollte erwähnt werden, dass 1B und 1C lediglich dazu dienen, gewisse Begriffe zu illustrieren und eine Einleitung hinsichtlich Tunnel-Junction-Filmen zu geben. Tatsächlich verwendete Tunnel-Junction-Vorrichtungen, die beispielsweise in einem magnetischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) verwendet werden, sind wesentlich komplexer als die Tunnel-Junction-Vorrichtung 106.
Die gepinte Schicht 150 wird deshalb so genannt, da deren Magnetisierung 170 derart gepint/festgelegt ist, dass diese in eine bestimmte Richtung "zeigt", wie in 1B und 1C veranschaulicht ist. Die freie Schicht 130 wird im Gegensatz dazu deshalb so genannt, da deren Magnetisierung 160 durch ein Magnetfeld, das für eine bestimmte Zeit angelegt wird, geändert werden kann. In 1B zeigt die Magnetisierung 160 der freien Schicht 130 nach rechts. In 1C zeigt die Magnetisierung 160 nach links. Das "Zeigen" der Magnetisierungen 160, 170 stellt eine Visualisierung der Polarität der Magnetisierungen 160, 170 dar. Die Magnetisierung 160 der freien Schicht 130 wird selbst nach Abschalten des Magnetfelds in die Richtung zeigen, die durch das Magnetfeld bewirkt wurde. Die Magnetisierung 160 kann in eine andere Richtung umgeschaltet werden, indem ein Magnetfeld in entgegengesetzter Richtung erzeugt bzw. angelegt wird.
1C illustriert, wie eine Tunnel-Junction-Vorrichtung 106 in Vorrichtungen wie beispielsweise einem MRAM-Baustein verwendet wird. Ein Strom wird durch die freie Schicht 160 geschickt. Die Tunnelbarriere 140 verhindert den Stromfluss, jedoch werden einige Elektronen durch die Tunnelbarriere 140 tunneln. Diese Elektronen können dann durch die gepinte Schicht 150 hindurch treten, wo diese dann mittels leitender Vias (nicht gezeigt) extrahiert werden, die die gepinte Schicht 150 kontaktieren.
Da der Strom bekannt ist, stellt die Spannung zwischen dem Punkt, wo der Strom eintritt, und dem Punkt, wo dieser austritt, ein Maß für den Widerstand zwischen dem Eintritts- und Austrittspunkt dar. Dieser Widerstand ändert sich in Abhängigkeit der Magnetisierungen 160, 170: die parallele Magnetisierung, in 1B gezeigt, und die anti-parallele Magnetisierung, in 1C gezeigt, ergeben unterschiedliche Widerstände. Im Allgemeinen ist der anti-parallele Widerstand höher als der parallele Widerstand, jedoch hängt dies von den Materialien ab, die in der freien Schicht 160 und in der gepinten Schicht 170 verwendet werden. Damit ist das Ermitteln der Spannung für einen bestimmten Strom, der durch die Tunnel-Junction-Vorrichtung 106 hindurch tritt, eine effiziente Technik, um die Magnetisierungszustände 160, 170 zu ermitteln.
Der Widerstand, der durch einen Strom gemessen wird, welcher perpendikular, wie durch Bezugszeichen 190 angedeutet, zu der Oberfläche 135 eines unprozessierten Stapels 110 oder eines prozessierten Stapels 111 fließt, wird mittels eines Widerstands-Flächen-(RA)-Produkts quantifiziert. Das RR-Produkt ändert sich bei Änderung der Magnetisierung 160.
2 zeigt eine weitere Größe, die Forscher gerne für Tunnel-Junction-Stapel quantisieren würden, nämlich der Magnetwiderstand (MR). 2 zeigt eine Hysteresiskurve mit vier verschiedenen Pfaden. Die Hysteresiskurve in 2 dient dazu, zu illustrieren, wie viele Tunnel-Junction-Vorrichtungen funktionieren. Wenn das angelegte Magnetfeld einen negativen Wert hat, stellt die Magnetisierung der freien Schicht 130 (siehe 1) eine erste Magnetisierung dar. Dies wird durch den Pfad 210 angedeu tet, wo der Widerstand des unprozessierten Stapels 110 (siehe 1A) oder des prozessierten Stapels 111 (siehe 1B und 1C) als niedriger Widerstand gezeigt ist. Wenn das Magnetfeld vergrößert wird, bleibt der Widerstand niedrig, wenn entlang des Pfades 220 fortgeschritten wird. Bei einem bestimmten positiven Magnetfeld springt der Widerstand plötzlich zu dem hohen Widerstand. Dieser Effekt tritt deshalb auf, weil die Magnetisierung der freien Schicht 130 eine zweite Magnetisierung angenommen hat. Wenn das Magnetfeld erhöht wird, folgt man dem Pfad 230. Wenn das Magnetfeld verkleinert wird, folgt man dem Pfad 240, mit dem hohen Widerstand. Wenn das Magnetfeld weiter bis zu einem bestimmten negativen Wert verkleinert wird, ändert sich der Widerstand plötzlich zurück zu dem niedrigen Widerstand, da die freie Schicht 130 zur ersten Magnetisierung zurück magnetisiert wird. Der MR wird dann bezogen auf die Differenz zwischen den hohen und den niedrigen Widerstandswerten, wie in der folgenden Formel ausgedrückt ist:
Dieser MR wird als "perpendikularer" MR bezeichnet, um diesen von gemessen und berechneten Werten des "In-Plane"- MR (MR in der Ebene) zu unterscheiden, der dazu verwendet wird, MR-Kurven zu definieren. Es sollte erwähnt werden, dass bei Abschalten des Magnetfelds die Tunnel-Junction-Vorrichtung eine von zwei Magnetisierungen, entweder die Magnetisierung 215 oder die Magnetisierung 235 aufweist.
Damit existieren viele Größen, die ein Forscher gerne charakterisieren würde, um die besten Materialien, Dicken und Prozessierungs-Prozeduren für den unprozessierten Stapel 110, wie in 1A gezeigt, zu ermitteln. Die momentane Technologie erfordert jedoch, dass der unprozessierte Stapel 110 prozessiert wird, um eine kleine, wohldefinierte Tunnel-Junction-Vorrichtung mit externen Leitungen, die zu oberen und unteren Filmen des unprozessierten Stapels 110 verbinden, auszubilden. Ein derartiges Prozessieren erfordert extensive Lithografie, Ätzen, dielektrische Abscheidung und Metallabscheidung, und ist deshalb teuer und zeitintensiv. Weiterhin erzeugt das Prozessieren oft Fehler in der Tunnel-Junction-Vorrichtung, die während dem Testen nicht von Fehlern unterschieden werden können, die in dem unprozessierten Stapel 110 vorhanden sind.
Selbst wenn herkömmliche Techniken verwendet werden, um Tunnel-Junction-Vorrichtungen zu erzeugen, die dazu geeignet sind, das RR-Produkt zu messen, so kann der Flächenwiderstand der freien Schicht und der gepinten Schicht, R_F und R_P, nicht ermittelt werden. Der Flächenwiderstand einer Schicht ist der Widerstand, den ein Strom erfährt, wenn dieser durch die Schicht parallel zu oberen und unteren Oberflächen der Schicht fließt. Die Widerstände R_F und R_P sind Größen, die vorteilhafterweise gemessen werden sollen, die jedoch nicht mittels herkömmlicher Techniken gemessen werden können, die zur Messung des RA-Produkts eingesetzt werden.
Weiterhin wurde bislang angenommen, dass der MR und andere Größen durch Verwendung von Proben und Kontaktflächen, die in elektrischer Verbindung mit der Oberfläche eines Tunnel-Junction-Films eines Tunnel-Junction-Filmstapels stehen (im Folgenden der Einfachheit halber als "Stapel" bezeichnet) gemessen werden könnten. Ein Tunnel-Junction-Filmstapel ist jeder Stapel, der eine oder mehrere Tunnelbarrieren aufweist, die zwischen zwei oder mehr anderen Filmen gelagert sind. In dieser Beschreibung bedeutet der Begriff "Probe" eine Vorrichtung, die nicht auf der Oberfläche, die vermessen wird, befestigt ist, wohingegen eine "Kontaktfläche" auf der Oberfläche, die gemessen wird, befestigt ist. Eine Probe kann an eine Zwischenmetallstruktur befestigt sein, wie beispielsweise eine Kontaktfläche. Das elektrische Koppeln der Probe mit einem Tunnel-Junction-Filmstapel kann mittels eines physikalischen Kontakts zwischen der Probe und der Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels erfolgen durch eine Probe, die an einer Zwischenmetallstruktur befestigt ist, oder mittels anderer Techniken, die zum Stand der Technik zählen.
3 zeigt ein Beispiel einer möglichen Technik, die einige Forscher benutzt haben, um den MR und den Widerstand der Tunnel-Junction-Filme zu messen. Ein Abschnitt 305 eines Halbleiterwafers ist gezeigt. Der Abschnitt 305 weist ein Substrat 120 und einen unprozessierten Stapel 110 mit einer gewissen Anzahl von Tunnel-Junction-Filmen auf. Die Tunnel-Junction-Filme weisen, wie in 1A und 1B gezeigt ist, die freie Schicht 130, die Tunnelbarriere 140, und die gepinte Schicht 150 auf. Um den MR und den Widerstand zu messen, wird beispielsweise eine Vier-Punkt-Probe 310 verwendet. Die Vier-Punkt-Probe 300 weist Proben 310, 320, 330 und 340 auf, wobei jede dieser Proben mit einem Abstand, a, beabstandet ist, so dass die gesamte Distanz von einem Beginn zu einem Ende der Vier-Punkt-Probe 300 L beträgt. Typische herkömmliche Vier-Punkt-Proben weisen ein L von 1,5 bis 3 Millimeter auf.
Jede der Proben 310 bis 340 kontaktiert die obere Fläche 135 der freien Schicht 130. Die Probe 310 wird dazu verwendet, um einen Strom zu injizieren, und die Probe 340 wird dazu verwendet, um den Strom aufzunehmen, nachdem dieser durch den unprozessierten Stapel 110 geflossen ist. Die Proben 320 und 330 werden dazu verwendet, eine Spannung zu messen.
Die Vier-Punkt-Probe ist ein gut bekanntes Werkzeug, das dazu verwendet wird, verschiedene Typen von Halbleitern und anderen Materialien zu charakterisieren. Sie wird beispielsweise zur Charakterisierung von Giant-Magneto-Resistive-(GMR)-Filmen eingesetzt, die in Lese- und Schreibköpfen vieler Strom-Harddrives verwendet wird. In einem GMR wird die Tunnelbarriere 140 durch ein Metall ersetzt, das einen Stromfluss zu der gepinten Schicht 150 hin erlaubt.
Im Zusammenhang mit Tunnel-Junction-Vorrichtungen wurde bislang angenommen, dass der Strom nicht durch die Tunnelbarriere 140 hindurchtreten könnte. Man dachte, der Strom würde entlang des Pfads 350 verlaufen und niemals in die gepinte Schicht 150 eintreten. Damit könnte konsequenterweise das RA-Produkt der Tunnel-Junction-Barriere 140 nicht ermittelt werden, da der Strom niemals durch die gepinte Schicht 150 hindurch fließen würde. Infolgedessen könnte der MR nicht ermittelt werden, da ein Strom durch die Tunnel-Junction-Barriere 140 fließen müsste, um den MR zu ermitteln. Weiterhin würde, wenn eine Vier-Punkt-Probe 300 dazu benutzt werden würde, um den MR zu messen, der gemessene MR sehr niedrig sein, wie unten gezeigt wird. Dies wäre ironischerweise deswegen der Fall, da der Strom sowohl durch die freien als auch die gepinten Schichten fließen würde (und so durch die Bar riere hindurch treten würde), jedoch der Beitrag der Barriere zum Widerstand vernachlässigbar klein sein würde. Deshalb würde jeder Forscher, der herkömmlich verfügbare Proben (wie beispielsweise eine Vier-Punkt-Probe 300) verwenden würde, um Tunnel-Junction-Filme zu charakterisieren, keine vernünftigen Daten erhalten. Zudem wurde, obwohl der Widerstand mit einer Vier-Punkt-Probe 300 gemessen werden kann, angenommen, dass der gemessene Widerstand nicht nützlich wäre.
Was die Forscher nicht bemerkt haben, und was einen Teil der Erfindung darstellt ist, dass die optimale Probenbeabstandung korreliert ist mit dem RA-Produkt und dem Flächenwiderstand der freien und gepinten Schichten (jeweils R_F und R_P) des unprozessierten Stapels 110. Wie später noch genauer ausgeführt werden wird, müssen die Beabstandungen zwischen den Proben nahe einer Längenskala/Längeneinheit liegen, die definiert wird zu:
wobei λ die Längenskala, RA das RA-Produkt des unprozessierten Stapels 110 oder des prozessierten Stapels 111, R_F der Widerstand/Fläche der freien Schicht 130, und R_P der Widerstand/Fläche der gepinten Schicht 150 ist. Beispielsweise würde für einen Tunnel-Junction-Stapel mit einem RA-Produkt von 1.000 Ohm-Flächen-Mikron und unter der Annahme, dass die R_F und R_P-Widerstände pro Fläche jeweils ungefähr 10 Ohm betragen würde, die oben gezeigte Längenskala/Längeneinheit andeuten, dass die Probenbeabstandung innerhalb eines Bereichs von 7 Mikron liegen sollte. Herkömmliche Proben sind viel viel größer als diese Probenbeabstandung, typischerweise 100 mal größer. Zusätzlich ist es zum Festlegen des Perpendikular-MR, des RA-Produkts und von R_F und Rp wichtig, dass viele Widerstandsmessungen gemacht werden müssen, bei Verwendung von verschiedenen Probenbeabstandungen für sowohl hohen als auch niedrigen Widerstand, der durch die Magnetisierung der freien Schicht 130 verursacht wird. Diese vielen Messungen erlauben es, einen In-Plane-MR und einen Widerstand bei verschiedenen Probenbeabstandungen zu ermitteln. Der perpendikulare MR, der gemessen werden muss, das RA-Produkt, R_F und Rp können allesamt durch Kurvenglättungstechniken/Kurvenanpassungsverfahren ermittelt werden. Die Erfindung erlaubt, diese Messungen vorzunehmen, ohne dass hierzu ein Prozessieren des Stapels nötig wäre (bzw. es ist nur ein geringes Prozessieren erforderlich). In dieser Beschreibung wird angenommen, dass ein Halbleiterwafer mit einem darauf ausgebildeten Tunnel-Junction-Filmstapel unprozessiert ist. Die Erfindung ermöglicht es, die Probleme hinsichtlich des Erzeugens einer tatsächlichen Tunnel-Junction-Vorrichtung vor der Möglichkeit des Charakterisierens des Tunnel-Junction-Filmstapels stark einzuschränken bzw. komplett zu eliminieren.
Die Theorie hinter den Aspekten der Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Bevor die Theorie beschrieben wird, ist es nützlich, ein rudimentäres Modell zu beschreiben, das nahe an die Theorie heranreicht, und einige Figuren zu zeigen, die andeuten, warum herkömmliche Proben keine geeigneten Größen für Tunnel-Junction-Filmstapel messen.
4A zeigt eine Seitenansicht eines Halbleiterwafers 305. Ein prozessierter Stapel 111 und eine Substratstruk tur 120 sind gezeigt. Zwei lithografisch definierte Kontaktflächen 410 und 420, die auf der Oberfläche 135 einer freien Schicht 130 ausgebildet sind, werden gezeigt. Ein Strom wird in die Kontaktfläche 410 injiziert und durch die Kontaktfläche 420 ausgelesen. Eine Spannung wird über den Kontaktflächen 410 und 420 gemessen. Wie in 4A gezeigt ist, fließt ein Strom durch die Pfade 430 und 440. In 4B ist eine Draufsicht auf die Kontaktflächen 410 und 420 gezeigt. Jede der Kontaktflächen ist aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, hergestellt, das auf die Oberfläche 135 der freien Schicht 420 durch bekannte Techniken abgeschieden wird. Die Kontaktflächen 410, 420 sind durch eine Distanz L voneinander getrennt, und jede der Kontaktflächen weist eine Breite, W, und eine Länge, X, auf. Es wird angenommen, dass W >> L >> X ist.
4C zeigt ein "Spielzeugmodell" eines Widerstandsnetzwerks. Das Spielzeugmodell 490 stellt eine einfache, approximierende Darstellung des Widerstands dar, den der Strom erfährt, wenn dieser entlang der Pfade 430, 440 fließt. Wenn der Strom entlang des Pfads 430 fließt, erfährt dieser einen Widerstand, der ungefähr (L/W)R_F ist. Wenn der Strom entlang des Pfads 430 fließt, erfährt dieser mehrere Widerstände. Wenn der Strom im Pfad 440 von der Kontaktfläche 410 durch den prozessierten Stapel 111 fließt, erfährt dieser einen Widerstand von ungefähr 2 RA/LW, weil das RA-Produkt ein Maß des "vertikalen" Widerstands des prozessierten Stapels 111 ist, und der Strom durch eine Fläche von ungefähr WL/2 tritt. Wenn der Strom im Pfad 440 durch die gepinte Schicht 150 fließt, erfährt dieser einen Widerstand von ungefähr (L/W)R_P. Wenn der Strom zurück durch den prozessierten Stapel 111 zu der Kontaktfläche 420 fließt, erfährt dieser wiederum einen Widerstand von 2RA/LW.
Während ein bestimmter Strom durch die Kontaktflächen 410, 420 gezwungen wird, wird eine Spannung gemessen. Die gemessene Spannung erlaubt es, einen gemessenen Widerstand für die bestimmte Kontaktbeabstandung, L, zu ermitteln. Dieser Schritt misst entweder R_H oder R_L, was abhängig von der Magnetisierung der freien Schicht 130 ist. Ein Magnetfeld wird angelegt, um die Magnetisierung der freien Schicht 130 so zu ändern, dass diese in eine andere Richtung zeigt, dann wird der Strom wieder durch die Kontaktflächen 410, 420 hindurch gezwungen, und die resultierende Spannung wird gemessen. Da R_H und R_L bekannt sind, kann ein In-Plane-MR ermittelt werden. Dieser Prozess wird für viele verschiedene Kontaktbeanstandungen L wiederholt. Die gemessenen Widerstände und der In-Plane-MR können gedruckt werden, wie in 5A und 5B gezeigt ist.
Die 5A zeigt einen Plot eines In-Plane-MR, aufgetragen gegenüber der Kontaktflächen-Beabstandung L für sowohl das Spielzeugmodell 490 und eine exakte Lösung (wird später detailliert beschrieben) für diese Kontaktflächen-Konfiguration. 5B zeigt einen Plot von gemessenen Widerständen, R_H und R_L, aufgetragen gegenüber der Kontaktflächenbeabstandung, L, für sowohl das Spielzeugmodell 490 als auch für eine exakte Lösung. 5A und 5B zeigen, dass das Spielzeugmodell 490 der Theorie ziemlich nahe kommt. Sowohl das Spielzeugmodell als auch die exakte Lösung zeigen, dass es möglich ist, einen Tunnel-Junction-Stapel durch Verwendung von Kontaktflächen zu charakterisieren, dass jedoch die Kontaktflächen innerhalb einer bestimmten Distanz angeordnet sein müssen, um geeignete Größen aus den Daten zu extrahieren. Insbesondere zeigt 5A, dass der perpendikulare MR (20 Prozent), R_F (200 Ohm), R_P (50 Ohm) und das RA-Produkt (400 Ohm-Mikron²) allesamt extrahiert werden können unter Verwendung des In-Plane-MR und unter Verwendung der gemessenen Widerstandskurven. Mögliche Methoden zum Extrahieren dieser Größen werden später gegeben.
6A und 6B zeigen die gleichen Plots wie 5A und 5B, nur die geplotteten Kurven sind für Vier-Punkt-Proben mit gleichmäßig beabstandeten Proben. Der Abstand zwischen jeder Probe ist angedeutet als ein Drittel der Gesamtbreite der Proben, L (siehe 10B als Beispiel einer derartigen Vier-Punkt-Probe). Wie zu sehen ist, bezieht sich die Gestalt der Kurven auf das RA-Produkt des Tunnel-Junction-Stapels. Tunnel-Junction-Stapel mit kleinen RA-Werten erfordern sehr kleine Probenabstände, um relevante Daten zu ermitteln. Selbst relativ große RA-Produkte, wie beispielsweise das RA-Produkt von 4000 Ohm-Mikron² erfordern Probenbeabstandungen in der Ordnung von 50 Mikron oder weniger, sonst wird kein In-Plane-MR und eine sehr kleine Widerstandsänderung gemessen. Die Längenskalen für die RA-Produkte von 40, 400 und 4000 Ohm-Mikron² betragen jeweils 0,37, 1,15 und 3,65 Mikrons.
Es sollte erwähnt werden, dass die Kurven in 6 den gemessenen Widerstand R zeigen. Um den Flächenwiderstand Rsq zu berechnen, kann die folgende Formel verwendet werden:
Rsq = R × π/ln(2) oder Rsq = R × 4,53 .
R_f und R_P sind Beispiele von R_sq.
Gemäß 6A und 6B wird empfohlen, dass die benutzten Beabstandungen variieren, beginnend von der kleinsten möglichen Beabstandung bis zu ungefähr 40 λ. Beabstandungen, die größer als 40 λ sind, können auch verwendet werden, jedoch sind In-Plane-MR-Werte und die Werte für die hohen und niedrigen Widerstände oberhalb 40 λ stabil. Es wird außerdem empfohlen, eine Schätzung des RA-Produkts eines Stapels vor der Messung durchzuführen, um einen angemessenen Bereich bezüglich Beabstandungen für die Messungen auswählen zu können. Wie in 6A und 6B gezeigt ist, ändern sich der In-Plane-MR und die Widerstandskurven in Abhängigkeit des RR-Produkts. Die kleinstmögliche Beabstandung wird so gewählt, dass der begrenzende Wert des Widerstands bei L = 0 akkurat gemessen werden kann. Es ist wichtig, dass der Widerstand bei einer Null-Beabstandung R_F für Vier-Punkt-Probenaufbauten beträgt. Damit ist es wünschenswert, sich so nahe wie möglich einer Null-Beabstandung zu nähern. Die größte Beabstandung von 40 λ wird so gewählt, dass die Widerstände bei 40 λ stabil sind. Beispielsweise ist dann für die RA-Produkte von 40, 400 und 4000 Ohm-Mikron² 40 λ jeweils 14,8, 46 und 146 Mikron. Damit stellt 40 λ stabile Werte für Widerstände bereit und stellt des weiteren einen Spielraum für Fehler bereit für den Fall, dass das tatsächliche RA-Produkt größer als das geschätzte RA-Produkt ist. Die Widerstandskurven erreichen asymptotisch den Wert von R_F||R_P, und eine Probenbeabstandung von 40 λ sollte einen Wert ergeben, der sehr nahe dem Wert von R_F ||R_P liegt.
Damit zeigen 5A, 5B, 6A und 6B dass es möglich ist, Tunnel-Junction-Filmstapel unter Verwendung von Proben oder Kontaktflächen zu charakterisieren, wobei die Wahl der Probe oder der Kontaktflächen-Beabstandungen kritisch ist. Wie bereits erwähnt, war die gängige Meinung, dass man Tunnel-Junction-Stapel unter Verwendung von Proben oder Kontaktflächen nicht charakterisieren könnte, wobei diese Meinung aufgrund von Messungen entstand, die weit voneinander beabstandete Proben verwendeten und keinen oder einen nur sehr geringen gemessenen In-Plane-MR zeigten.
Nichtsdestotrotz zeigen diese Figuren ebenfalls, dass das Charakterisieren von Tunnel-Junction-Stapeln mit keinem oder nur wenig Prozessieren leicht durchgeführt werden kann, solange nur die Wahl der Proben oder der Kontaktflächen-Beabstandung- bzw. -Beabstandungen geeignet gewählt wird.
BEISPIELHAFTES VERFAHREN UND ZUGEHÖRIGE THEORIE
Die in 5A, 5B, 6A und 6B gezeigten Graphen sind aus der Theorie abgeleitet. Diese Theorie erklärt, wie Strom durch den Stapel fließt, und die Gleichungen von der Theorie hängen von den Aufbauten der Proben und der Kontaktflächen ab. Gängige Proben- und Kontaktflächen-Aufbauten werden später beschrieben.
Theorie für Zylindersymmetrie
Wir betrachten den Fall der Zylindersymmetrie (es wird beispielsweise angenommen, dass im Ursprung eine einzelne punktförmige Stromquelle liegt). Die Gleichungen sind wie folgt:
Gleichung (1) ergibt
und 2πr (JFtF + JPtP) = I0 .
Gleichung (2) ergibt
Das Kombinieren dieser drei Gleichungen ergibt die folgende Differentialgleichung:
f ≡ EF = ρfJF , z ≡ r/λ ,
Glücklicherweise kann eine exakte Lösung für diese Differentialgleichung für unterschiedliche Proben- und Kontaktflächen-Aufbauten ermittelt werden. Eine allgemeine Lösung ist wie folgt:
wobei K₁ eine modifizierte Bessel-Funktion der zweiten Art und von der Ordnung Eins ist, und I₁ eine modifizierte Bessel-Funktion der ersten Art und der ersten Ordnung ist. Unter Verwendung dieser allgemeinen Lösung und unter Verwendung geeigneter Randbedingungen kann das elektrische Feld für jede Situation gefunden werden, die auf Zylindersymmetrie beruht. Das elektrische Feld wird dann integriert, um den Spannungsabfall zwischen beliebigen zwei Punkten zu berechnen. Das Prinzip der Superposition wird dazu benutzt, um mehr als eine Spannungsquelle zu superpositionieren. Für den speziellen Fall, in dem im Ursprung bzw. beim Ursprung eine punktförmige Stromquelle liegt, sind die Randbedingungen wie folgt:
f = 0 bei z → ∞ .
Für den Fall, dass die Proben auf einer Linie gleichförmig beabstandet sind, ist die Lösung wie folgt:
wobei L der Abstand zwischen den ersten und den letzten
Proben,
und K₀ eine modifizierte Bessel-Funktion der zweiten Art der Ordnung Null ist.
Wir betrachten den Fall von vier Proben in einer geradförmigen Linie der Ordnung von I⁺, V⁺, V^– und I^–, wobei die Beabstandungen zwischen den Proben wie folgt sind: a, was der Beabstandung zwischen I⁺ und V⁺ entspricht; b, was der Beabstandung zwischen V⁺ und V^– entspricht; und c, was der Beabstandung zwischen V^– und I^– entspricht. Für diese Situation ist die Lösung wie folgt:
Wir betrachten den Fall, in dem vier Proben auf beliebige Art und Weise auf der Oberfläche eines Wafers angeordnet sind (nicht notwendigerweise eine geradförmige Linie), wobei die Beabstandungen zwischen den Proben wie folgt sind: a, was der Beabstandung zwischen I⁺ und V⁺ entspricht; b, was der Beabstandung zwischen I⁺ und V^– entspricht; c, was der Beabstandung zwischen V⁺ und I^– entspricht; und d, was der Beabstandung zwischen V- und Ientspricht. Für diese Situation ist die Lösung wie folgt:
Lineare Symmetrie
Als zweites Beispiel wird der Fall der linearen Symmetrie untersucht (beispielsweise 4A und 4B). Die Verwendung von Gleichungen (1) und (2) resultiert nun in der folgenden Differentialgleichung: f'' – f + δ = 0 .
Mit den Definitionen:
z = x/λ ,gestaltet sich die Lösung wie folgt: f = Aez + Be–z + δ .
Für den speziellen Fall, der in 4A und 4B gezeigt ist, ist die Lösung wie folgt:
Hierbei ist zu beachten, dass die Grenzen von X → 0 und W → ∞ sind. Mit anderen Worten, die Pfade haben keine Längen und sind unendlich weit (d.h. W >> L >> X).
Nachdem vorangehend die Theorie für eine Vielzahl von Proben- und Kontaktflächen-Aufbauten erklärt wurde, soll nun gezeigt werden, wie diese Theorie dazu benutzt werden kann, um Tunnel-Junction-Filmstapel zu charakterisieren.
7 zeigt ein Verfahren 700 zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln. Das Verfahren 700 setzt voraus, dass ein Prozessieren durchgeführt wurde, wenn dieses nötig ist. Wenn beispielsweise eine gewisse Anzahl von Zwei-Punkt-Kontaktflächen verwendet werden soll, um Größen zu ermitteln, die für Tunnel-Junction-Filmstapel interessant sind, dann sollte ein Prozessieren, das dazu notwendig ist, die Kontaktflächen auszubilden, vor dem Beginn des Verfahrens 700 durchgeführt werden. Ein derartiges Prozessieren ist dem Fachmann geläufig und wird später im Zusammenhang mit verschiedenen Kontaktflächen näher beschrieben. Des weiteren sollten andere Schritte wie beispielsweise ein Ausglühen durchgeführt werden, wenn dies notwendig ist. Es ist zu beachten, dass die Bezeichnung "Probe", die hier verwendet wird, sämtliche elektrische Verbindungen zwischen einer Kontaktfläche und einer Stromversorgung oder einer Spannungsmessvorrichtung mit einschließt.
Das Verfahren 700 beginnt bei Schritt 710, bei dem eine gewisse Anzahl von Widerständen hinsichtlich hohen und niedrigen Widerständen gemessen werden. Die hohen und niedrigen Widerstände werden durch erste und zweite Magnetisierungen der freien Schicht (oder einer anderen Schicht, die die Magnetisierungen ändern kann) des Stapels verursacht. Diese Widerstände werden für eine Vielzahl von Proben oder Kontaktflächen-Beabstandungen gemessen. Wie oben erwähnt wurde, ist es vorteilhaft, den Widerstand zu messen, indem Beabstandungen verwendet werden, die von der kleinstmöglichen Beabstandung bis ungefähr 40 λ reichen. Die "Beabstandung", die wichtig ist, hängt von den Proben- oder Kontaktflächen-Aufbauten, die verwendet werden, ab. Beispielsweise ist bei einer Vier-Punkt-Probe die wichtige Beabstandung der Mittelwert der drei Distanzen zwischen den vier Proben in der Vier-Punkt-Probe. Unabhängig von der Probe oder dem Kontaktflächenaufbau, die verwendet werden, sollte eine gewisse Anzahl von Probenbeabstandungen verwendet werden, um ausreichend Widerstandsdaten zu ermitteln, um den Tunnel-Junction-Filmstapel adäquat zu charakterisieren.
Es gibt eine Reihe an Verfahren, um den Schritt 710 auszuführen. Wenn beispielsweise Vier-Punkt-Proben verwendet werden, wird eine ausgewählte Vier-Punkt-Probe mit einem ausgewählten Abstand zwischen den Proben in elektrischem Kontakt mit einer Oberfläche des Stapels (d.h. der Oberfläche der freien Schicht) gebracht, dann wird Strom durch zwei der Proben geschickt, während die Spannung bei weiteren zwei der Proben gemessen wird. Es sollte erwähnt werden, dass Spannungen an dem Stapel angelegt werden und ein Strom gemessen werden kann. Der Stapel wird einem Magnetfeld, das dazu geeignet ist, die Magnetisierung der freien Schicht umzuschalten, ausgesetzt. Dann wird der Strom wiederum durch zwei der Proben geschickt, während eine Spannung bei zwei weiteren der Proben gemessen wird. Eine weitere Vier-Punkt-Probe mit unterschiedlicher Probenbeabstandung wird ausgewählt, und die Messungen werden bei beiden Magnetisierungen der freien Schicht genommen. Dieser Prozess wird solange wiederholt, bis alle Beabstandungen getestet worden sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Multi-Punkt-Probe verwendet. In einer speziellen Ausführungsform ist die Multi-Punkt-Probe als 12-Punkt-Probe ausgelegt, jedoch sind Proben mit einer höheren oder einer niedrigeren Anzahl an Punkten auch nützlich. Die 12-Punkt-Probe ist eine mikro-maschinell arbeitende Probe, wobei es eine Vielzahl von Beabstandungen zwischen den Proben gibt. Des weiteren können Strom und Spannung zu allen vier Proben der 12-Punkt-Probe geleitet werden. Bei Verwendung der 12-Punkt-Probe kann ein großes Set von Widerstandsdaten schnell ermittelt werden. Mit dieser Multi-Probe ist es effizienter, Widerstandsdaten für eine Vielzahl von Probenbeabstandungen zu ermitteln, dann ein magnetisches Feld anzulegen, um die Magnetisierung der freien Schicht umzuschalten, und dann wiederum Widerstandsdaten für eine Vielzahl von Probenbeabstandungen zu ermitteln.
In Schritt 710 wird ein gemessener In-Plane-MR für jedes Set von hohen und niedrigen Widerständen für jede Beabstandung ermittelt. Wenn beispielsweise eine Probe eine Beabstandung von 10 Mikrons zwischen jeder der Proben in einer Vier-Punkt-Probe aufweist, kann ein resultierender hoher und niedriger Widerstand für diese 10-Mikron-Beabstandung ermittelt werden. Von den hohen und niedrigen Widerständen wird ein entsprechender In-Plane-MR für diese 10 Mikron-Beabstandung ermittelt.
In Schritt 730 wird ein Kurvenglättungsverfahren durchgeführt. Das RA-Produkt, R_E, R_P, und der perpendikulare MR werden ermittelt unter Verwendung eines Sets von ermittelten Widerständen von entweder den Daten bezüglich des hohen Widerstands oder der Daten bezüglich des niedrigen Widerstands und unter Verwendung eines Kurvenglättungsverfahrens. Mit anderen Worten: eine mathematische Gleichung wurde für den speziellen Aufbau der Proben oder Kontaktflächen bereits ermittelt. Das Glätten wird durchgeführt unter der Annahme bestimmter Werte für das RA-Produkt, R_F, R_P und dem perpendikularen MR, und indem dann der In-Plane-MR und die Widerstandskurven berechnet werden. Die Werte des In-Plane-MR und der Widerstandskurven werden dann mit den berechneten Werten des In-Plane-MR und der Widerstandskurven verglichen. Dieser Prozess wird dann iteriert, wobei jedes Mal die Werte für das RA-Produkt, R_F, R_P und den perpendikularen MR geändert wer den, bis die beste Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten Werten des In-Plane-MR und des Widerstands erhalten wird.
Damit erlaubt es das Verfahren 700, den perpendikularen MR, das RA-Produkt, R_F und R_P mit keinem oder nur geringem Prozessieren zu ermitteln, im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken, die lang andauerndes Prozessieren erforderten.
Es sollte erwähnt werden, dass die "Kurven", die oben erwähnt wurden, breit ausgelegt werden sollten. Beispielsweise wird später eine 12-Punkt-Probe beschrieben, die es erlaubt, verschiedene Beabstandungen während den Messungen zu verwenden. Da die Beabstandungen nicht gleichmäßig gewählt werden, können nicht alle resultierende In-Plane-MR und Widerstandsdaten auf einem Graph mit zwei Achsen aufgezeigt werden. Nichtsdestotrotz sind Kurvenglättungstechniken und theoretisch abgeleitete Gleichungen verfügbar, um die Gleichungen an die Daten anzupassen.
Vorteilhafterweise können die Schritte 710 und 720 des Verfahrens 700, das in 7 gezeigt ist, auch dazu verwendet werden, um die in 2 gezeigte Hysteresiskurve zu messen. Beispielsweise kann ein Widerstand als eine Funktion des angelegten Magnetfelds unter Verwendung einer Vier-Punkt-Probe auf einem ungemusterten Tunnel-Junction-Filmstapel gemessen werden, wobei die kleinste Beabstandung zwischen beliebigen zwei der Proben, die während den Messungen verwendet werden, weniger als 100 Mikrons beträgt. Die gesamte Hysteresiskurve aus 2 kann unter Verwendung der Vorrichtung und der Verfahren, die hier beschrieben werden, leicht gemessen werden. Es ist vorteilhaft, eine Beabstandung zu wählen, die nahe der Längenskala des Tunnel-Junction-Filmstapels liegt.
8A und 8B zeigen zwei Kurven für eine Vielzahl von Probenbeabstandungen für eine Anzahl an lithografisch definierten Vier-Punkt-Kontaktflächen (siehe 12). In 8A ist eine Kurve für einen niedrigen Widerstand gezeigt. Die Punkte deuten ermittelte Widerstände an, die für eine Vielzahl von Probenbeabstandungen unter Verwendung von gemessenen Spannungen und vorbestimmten Strömen ermittelt wurden. Die Kurve ist die beste Glättung, die unter Verwendung der Kurvenglättungstechniken, die im Schritt 720 des Verfahrens 700 aus 7 beschrieben wird, erhalten werden kann. Für diese Geometrie ist der höchste Widerstandspunkt auf der Kurve äquivalent zum Flächenwiderstand der freien Schicht, R_F. Der niedrigste Widerstandspunkt auf der Kurve ist die parallele Kombination des Flächenwiderstands der freien und geeinten Schichten, oder R_F||R_P.
8B zeigt den MR für eine Vielzahl von Probenbeabstandungen. Die Punkte deuten MRs an, die unter Verwendung der hohen und niedrigen ermittelten Widerstände bei den Probenbeabstandungen ermittelt werden. Die Kurve stellt die beste Glättung dar, die mittels der Techniken erhalten werden kann, die im Verfahren 750 in 7 offenbart sind. Es sollte erwähnt werden, dass das RA-Produkt in diesem Beispiel ziemlich groß ist, ungefähr 72.000 Ohm-Mikron².
BEISPIELHAFTE VORRICHTUNG
9 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung 990, die dazu geeignet ist, Tunnel-Junction-Filmstapel gemäß der Erfin dung zu charakterisieren. Die Vorrichtung 990 weist eine Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 und ein Computersystem 970 auf, die miteinander über eine optionale Probendatenverbindung 961 und eine Steuerverbindung 981 kommunizieren. Die Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 ist vorteilhafterweise ein Konduktivität-Abtastmikroskop, das durch Capres aus Dänemark hergestellt wird. Es ist gezeigt, dass die Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 einen Halbleiterwafer 920 mit einem darauf ausgebildeten Tunnel-Junction-Filmstapel testet. Vorteilhafterweise wird kein Prozessieren des Halbleiterwafers 920 ausgeführt, so dass keine Kontaktflächen 923 auf dem Halbleiterwafer 920 vorhanden sind. Jedoch benutzen einige Ausführungsformen der Erfindung optionale Kontaktflächen 923, die auf dem Stapel des Halbleiterwafers 920 ausgebildet sind. Damit zeigt 9 optionale Kontaktflächen 923. Es sollte erwähnt werden, dass der Halbleiterwafer 920 und die Kontaktflächen 923 nicht Teil der Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 sind.
Die Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 weist einen Magnetfelderzeuger 910, eine Multi-Punkt-Probe 915, einen Multiplexer 930, ein Widerstandsmodul 958, ein Kontrollmodul 955 und ein Datenspeichermodul 960 auf. Das Widerstandsmodul 958 weist ein Strommodul 940 und ein Spannungsmodul 950 auf. Das Strommodul 940 misst den Strom derart, dass das Strommodul 940 einen Strom mit einer gewissen Genauigkeit produziert, ermittelt oder beides davon. Das Spannungsmodul 950 misst eine Spannung derart, dass das Spannungsmodul 940 eine Spannung mit einer gewissen Genauigkeit erzeugt oder ermittelt. Analog hierzu verbinden die Verbindungen 926-1 bis 926-N (in ihrer Gesamtheit "Verbindungen" 926 genannt) die Multi-Punkt-Probe 950 und den Multiplexer 930. Das Strommodul 940 ist mit dem Multiplexer 930 durch Stromleitungen 941 und 942 gekoppelt. Das Spannungsmodul 950 ist analog hierzu mit dem Multiplexer 930 durch Spannungsleitungen 951 und 952 gekoppelt. Die Verbindung 953 ist eine optionale Verbindung, die dazu benutzt wird, den gemessenen Widerstand in den Datenspeicher 960 zu übertragen, wenn dieser benutzt wird.
Das Computersystem 970 weist einen Speicher 973 mit einem Analysemodul 980, einem Prozessor 975 und einer Medienschnittstelle 977 auf. Das Computersystem 970 interagiert mit einer Digital Versatile Disk (DVD) 978 mittels einer Medienschnittstelle 977. Das Analysemodul 980 führt das Verfahren 700 aus 7 aus, um den perpendikularen MR, das RA-Produkt und die Flächenwiderstände von R_F und R_P zu ermitteln. Die Widerstandsdaten können von dem Datenspeicher 960 durch die Probendatenverbindung 961 in bestimmten Konfigurationen der Vorrichtung 990 extrahiert werden. Das Analysemodul 980 kann auch dazu benutzt werden, über die Steuerverbindung 981 das Steuermodul 955 zu modifizieren, um Ströme auszuwählen, die durch das Strommodul 940 benutzt werden, oder Spannungen auszuwählen, die durch das Spannungsmodul 950 benutzt werden, und um zu ermitteln, wie die Stromverbindungen 941, 942 und die Spannungsverbindungen 951, 952 durch den Multiplexer 930 geleitet werden, wenn sie benutzt werden. Das Steuermodul 955 kann zusätzlich dazu benutzt werden, den Magnetfeldgenerator 910 ein- und auszuschalten, und – optional – ein geeignetes Magnetfeld für den Magnetfeldgenerator 910 auszuwählen. Optional kann eine Programmierung direkt über die Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 mittels des Steuermoduls 955 erfolgen. Weiterhin kann das Computersystem 970 vollständig in der Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 enthalten sein, wenn dieses gewünscht wird.
Vorteilhafterweise beträgt die kleinste Beabstandung zwischen zwei der Proben einer Multi-Punkt-Probe 915, die während einer Widerstandsmessung benutzt werden, 100 Mikrons oder weniger. Mit anderen Worten, die Multi-Punkt-Probe 915 weist vier oder mehr Proben auf. Zwei der Proben, die während einer Widerstandsmessung verwendet werden, weisen die kleinste Beabstandung der vier Proben, die während einer Widerstandsmessung verwendet werden, auf. Um eine große Anzahl von Tunnel-Junction-Filmstapeln verschiedener Materialien zu charakterisieren, beträgt die kleinste Beabstandung vorteilhafterweise 100 Mikron oder weniger.
Wie dem Fachmann bekannt ist, können die Verfahren und Vorrichtungen, die hier beschrieben werden, als Herstellungsanleitung bzw. Durchführungsanleitung verstanden werden, die ihrerseits ein computerlesbares Medium aufweisen, auf dem computerlesbarer Code gespeichert ist. Der computerlesbare Code kann ausgeführt werden in Verbindung mit einem Computersystem wie beispielsweise dem Computersystem 970, um alle oder einige der Schritte auszuführen, die zur Durchführung des Verfahrens bzw. zur Verkörperung der Vorrichtungen notwendig sind. Das computerlesbare Medium kann beispielsweise ein Speichermedium (wie zum Beispiel eine Diskette, eine Festplatte, CDs, DVDs 978 oder Speicherkarten) sein oder kann durch ein übertragungsmedium verkörpert werden (beispielsweise ein Netzwerk mit Glasfaseroptik, das World-Wide-Web, Kabel oder ein kabelloser Kanal mit multiplem zeitabhängigem Zugang, multiplem codeabhängigen Zugang oder ein anderer Radiofrequenz-Kanal). Jedes Medium, das Informationen speichern kann, die im Zusammenhang mit einem Computersystem verwendbar sind, kann eingesetzt werden. Der com puterlesbare Code kann jeder Mechanismus sein, der es einem Computer ermöglicht, Instruktionen und Daten zum Lesen, wie beispielsweise magnetische Änderungen auf einem magnetischen Medium oder Höhenänderungen auf der Oberfläche einer optischen Platte, wie beispielsweise einer DVD 978.
Der Speicher 973 konfiguriert den Prozessor 975, um die Verfahren, Verfahrensschritte und Funktionen, die hier beschrieben werden, zu implementieren. Der Speicher 973 kann verteilt sein oder lokal zusammengefasst sein und der Prozessor 975 kann verteilt sein oder als einzelnes Stück ausgestaltet sein. Der Speicher 973 kann in Form eines elektrischen, magnetischen oder optischen Speichers bzw. einer Kombination daraus implementiert sein. Es sind auch andere Typen von Speichern möglich. Der Begriff "Speicher" sollte weit ausgelegt werden, um jegliche Information zu umfassen, die von bzw. zu einer Adresse des adressierbaren Speichers gelesen bzw. geschrieben werden kann, der dem Prozessor 973 zugänglich ist. Gemäß dieser Definition ist Information in einem Netzwerk (nicht gezeigt) noch im Bereich des Speichers 973, da der Prozessor 975 die Information aus dem Netzwerk beziehen kann. Es sollte erwähnt werden, dass jeder verteilte Prozessor, der dem Prozessor 973 entspricht, im Allgemeinen seinen eigenen adressierbaren Speicher besitzt. Es sollte auch erwähnt werden, dass einige bzw. alle Computersysteme 970 in eine applikationsspezifische bzw. allgemein verwendbare integrierte Schaltung mit aufgenommen werden kann.
Es sollte erwähnt werden, dass eine Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 im Allgemeinen zusätzliche Vorrichtungen aufweist, die nicht gezeigt sind. Beispielsweise sind einige Vergrößerungstypen vorteilhaft, da die Proben und Kontaktflächen im Allgemeinen sehr klein sind. Diese Vergrößerung kann durch ein Charge-Coupled Device (CCD, ladungsgekoppelte Vorrichtung) bereitgestellt werden. Im Allgemeinen wird ein Installationssystem verwendet, um die Multi-Punkt-Probe 915 und den Halbleiterwafer 920 zu installieren und relativ zueinander zu bewegen (oder beispielsweise den Halbleiterwafer 920 fixiert zu halten und die Multi-Punkt-Probe 915 zu bewegen). Konkret kann ein Mechanismus zum Positionieren von Proben einen Laserstrahl benutzen, der vom Boden des Halbleiterwafers 920 reflektiert wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, verschiedene Orte auf dem Halbleiterwafer 920 zu messen, um die Gleichförmigkeit des Stapels und der damit assoziierten Schichten zu ermitteln.
Im Folgenden werden verschiedene Aufbauten der Vorrichtung 990 unter Bezugnahme auf verschiedene Proben und Kontaktflächen beschrieben. 10 und 11 zeigen Beispielproben, und 12 bis 14 zeigen Kontaktflächen.
10A zeigt eine mikro-maschinell hergestellte 12-Punkt-Probe mit zwölf Verbindungen 1011 bis 1022, von denen die Verbindungen 1011 und 1022 gezeigt sind, und zwölf individuelle Proben 1001 bis 1012, von denen die Proben 1001, 1003 und 1012 mit Bezugszeichen versehen sind. Die Proben 1001 bis 1012 weisen bekannte Beabstandungen auf. Jede Probe 1001 bis 1012 ist mit einer der Verbindungen 1011 bis 1022 verbunden, die dann mit den Verbindungen 926-1 bis 926-N gekoppelt sind. Das Steuermodul 955 wählt einen Strom für das Strommodul 940 und dessen Verbindungen 941, 942 aus und veranlasst den Multiplexer 930, diese Verbindungen zu zwei der Proben 1001 bis 1012 zu leiten. Zusätzlich veranlasst das Steuermodul 955 den Multiplexer 930, die Verbindungen 951, 952 von dem Spannungsmodul 950 ausgehend mit zwei weiteren der Proben 1001 bis 1012 zu verbinden. Weiterhin ist es auch möglich, dass das Spannungsmodul 950 dazu benutzt wird, eine Spannung zu erzeugen, und das Strommodul 940 dazu benutzt wird, einen resultierenden Strom zu messen. In dem in 10A gezeigten Beispiel werden die Proben 1011, 1008, 1006 und 1004 durch einen Multiplexer 930 ausgewählt, so dass die Probe 1011 mit der Verbindung 941, die Probe 1008 mit der Verbindung 951, die Probe 1006 mit der Verbindung 952, und die Probe 1004 mit der Verbindung 942 gekoppelt ist. Die Beabstandungen zwischen diesen Proben sind die Beabstandungen 1030, 1040 und 1050. Damit wird die bereits beschriebene Gleichung für eine Vier-Punkt-Probe mit ungleichmäßigen Beabstandungen zwischen den Proben verwendet.
Die kleinsten und größten Beabstandungen zwischen den ausgewählten Proben werden so gewählt, dass sie innerhalb eines bestimmten Betrags bzw. innerhalb einer bestimmten Menge von der erwarteten Längenskala, λ, basierend auf dem erwarteten RA-Produkt, R_F und R_P liegen. Die Beabstandung, die dazu benutzt wird, die bestimmte Menge bzw. den bestimmten Betrag zu ermitteln, ist ein Mittelwert der drei Beabstandungen zwischen den vier ausgewählten Proben. Da die mikromaschinell hergestellte Probe 1000 mittels bekannter halbleiter-mikromaschineller Techniken hergestellt wird, wird im Allgemeinen die kleinste mögliche Beabstandung, die erzeugt werden kann, dazu benutzt, um so gut wie möglich R_F ermitteln zu können. Momentan werden Beabstandungen erzeugt, die dazu geeignet sind, ein RA-Produkt von 200 Ohm-Mikron² zu messen, was eine Beabstandung von in etwa 1,5 Mikron bedeutet, abhängig von R_F und R_P. Vorteilhafterweise beträgt die kleinste Beabstandung zwischen zwei aus der Mehrzahl der Proben, die während einer Widerstandsmessung verwendet werden, ungefähr 100 Mikron oder weniger, da dies geeignete Beabstandungen zum Messen eines Tunnel-Junction-Filmstapels mit einer großen Vielzahl von RA-Produkten und zum Messen von Flächenwiderständen ermöglicht. In dem in 10A gezeigten Beispiel ist die kleinste Beabstandung für Proben, die für eine einzelne Widerstandsmessung verwendet wird, mit Bezugszeichen 1040 bezeichnet.
Die Proben 1001 bis 1012 stehen in physikalischem Kontakt mit der Oberfläche 925 des Halbleiterwafers 920 (in diesem Beispiel werden die Kontaktflächen 923 nicht verwendet), was außerdem eine elektrische Verbindung zwischen den Proben 1001 und 1012 und dem Stapel auf dem Halbleiterwafer 920 bedeutet. Die Magnetisierung des Stapels wird in eine erste Magnetisierung versetzt unter Verwendung des Magnetfelderzeugers 910. Das Steuermodul 955 wählt geeignete Proben 1001 bis 1012 aus, um Strom und Spannung durch vier Proben der 12-Punkt-Probe 1000 zu leiten, wobei das Steuermodul 955 das Widerstandsmodul 958 so steuert, dass ein geeigneter Widerstand gemessen wird. Dieser Prozess wird für eine bestimmte Anzahl von Kombinationen von Proben 1001 bis 1012 wiederholt. Resultierende Widerstandsdaten werden in dem Datenspeicher 960 gespeichert. Dann wird der Magnetfelderzeuger 910 durch das Steuermodul 955 eingeschaltet, und der Prozess des Auswählens von vier Proben aus den Proben 1001 bis 1012 der 12-Punkt-Probe 1000 wird wiederholt. Resultierende Widerstandsdaten 953 werden in dem Datenspeicher 960 gespeichert. Das Analysemodul 980 greift auf die Probendaten 961 zurück und analysiert die Daten, um den perpendikularen MR, das RA-Produkt und die Widerstände R_F und R_P zu erstellen.
Das Verwenden der mikromaschinellen 12-Punkt-Probe 1000 in der Tunnel-Junction-Testvorrichtung 900 ermöglicht sehr schnelle Spannungsermittlungszeiten, ohne dass ein Prozessieren des Stapels notwendig wäre.
10B zeigt eine weitere mikro-maschinelle Probe. In dieser mikro-maschinellen Vier-Punkt-Probe 1055 sind vier Verbindungen 1071 bis 1074 und vier gleichmäßig beabstandete Proben (durch a beabstandet) 1061 bis 1064 vorgesehen, von denen die Proben 1061 und 1064 mit Bezugszeichen versehen sind. In dieser Konfiguration ist der Multiplexer 930 nicht erforderlich, kann aber benutzt werden.
Unter der Annahme, dass die Verbindung 1071 mit der Probe 1061 gekoppelt ist, die Verbindung 1072 mit der Probe 1062 gekoppelt ist, und die Verbindung 1073 mit der Probe 1063 gekoppelt ist, und die Verbindung 1074 mit der Probe 1064 gekoppelt ist, werden die Verbindungen 1071 bis 1074 im Allgemeinen direkt mit geeigneten Spannungs- bzw. Stromverbindungen wie folgt verbunden: die Verbindung 1074 wird mit der Stromverbindung 941 gekoppelt; die Verbindung 1073 wird mit der Spannungsverbindung 1951 gekoppelt; die Verbindung 1072 wird mit der Spannungsverbindung 952 gekoppelt und die Verbindung 1071 wird mit der Stromverbindung 942 gekoppelt.
Die Vier-Punkt-Probe 1055 wird analog zur 12-Punkt-Probe 1000 verwendet. Die Vier-Punkt-Probe 1055 wird auf dem Halbleiterwafer 920 aufgebracht und mit dessen Oberfläche 925 kontaktiert. Ein Strom wird durch die Proben 1061 und 1064 geschickt und eine Spannung wird unter Verwendung der Proben 1062 und 1063 gemessen. Alternativ wird eine Spannung auf den Proben 1062 und 1063 platziert, und ein Strom wird von den Proben 1061 und 1064 gemessen. Der Magnetfelderzeuger 910 wird eingeschaltet, um die Magnetisierung der freien Schicht in dem Stapel umzupolen. Dann wird eine Widerstandsmessung ausgeführt. Da die Vier-Punkt-Probe 1055 für eine Beabstandung ausgelegt ist, müssen multiple Vier-Punkt-Proben 1055 mit multiplen Beabstandungen verwendet werden, um geeignete Daten für das Analysemodul 980 bereitzustellen, um die Tunnel-Junction-Größen zu charakterisieren. Die Beabstandungen reichen von kleinstmöglich bis zu einer bestimmten Distanz von λ. Die Beabstandung a wird dazu verwendet, um die bestimmte Distanz zu ermitteln. Im Allgemeinen wird jede Vier-Punkt-Probe manuell in Kontakt mit dem Halbleiterwafer 920 gebracht. Vorteilhafterweise beträgt die kleinste Beabstandung zwischen zwei einer Vielzahl von Proben, die während einer Widerstandsmessung verwendet werden, ungefähr 100 Mikron oder weniger.
In 11 ist ein weiterer Aufbau gezeigt, der eine Multi-Punkt-Probe 915 verwendet. In diesem Aufbau wird ein Atomic-Force-Mikroskop (AFM) verwendet, das bekannt ist. In diesem Aufbau ist eine Probe eine bewegliche Probe 1110, die in Kontakt mit der Oberfläche 925 des Halbleiterwafers 920 gebracht wird. Eine weitere der Proben ist Kontakt 1130 und dessen assoziierter Draht 1135. Der Kontakt 1130 wird mittels bekannter Techniken ausgebildet. Es wird ein gewisses Prozessieren des Halbleiterwafers 920 erforderlich sein, jedoch ist das Ausmaß des Prozessierens gering. Durch die bewegliche Probe 1110 wird ein Strom injiziert, der bei dem Kontakt 1130 extrahiert wird. Eine weitere Probe ist das Atomic-Force-Mikroskop-(AFM)-Spitzenelement 1120, das zur Messung der Spannung verwendet wird. Die AFM-Spitze 1120 wandert entlang dem Pfad 1140 und endet so nahe wie möglich an der beweglichen Probe 1110.
Die Gleichungen für den Aufbau, der in 11 gezeigt ist, können direkt aus dem oben beschriebenen Fall zylindrischer Symmetrie abgeleitet werden.
In 12 ist ein Beispiel eines lithografisch definierten Sets von Kontaktflächen 1230 gezeigt. Ein Stapel 1210 ist auf dem Halbleiterwafer 1200 ausgebildet. Der Stapel 1210 wird in diesem Beispiel über dem gesamten Halbleiterwafer 1210 aufgebracht. In einem Prozessierschritt wird eine Isolierschicht 1220 über dem Stapel 1210 ausgebildet. Die Isolierschicht 1220 könnte SiO₂ oder ausgehärteter Fotoresist sein. Beispielsweise kann ein Fotoresist abgeschieden und strukturiert werden, dann ausgehärtet werden, um die Isolierschicht 1220 zu erzeugen. Über der Isolierschicht 1220 ist ein Set von Metallflächen 1235-1 bis 1235-4 ausgebildet (in ihrer Gesamtheit "Flächen 1235" genannt), dazu korrespondierenden Strecken 1245-1 bis 1245-4 (in ihrer Gesamtheit als "Strecken 1240'' bezeichnet) und dazu korrespondierende Spitzen 1245-1 bis 1245-4 (in ihrer Gesamtheit als "Spitzen 1245'' bezeichnet). Die Spitzen 1245 sind so ausgebildet, dass sie mit dem Stapel 1210 überlappen und werden so ausgebildet, dass sie in physikalischen und elektrischen Kontakt mit dem Stapel 1210 gelangen. Um die Vier-Punkt-Kontaktflächen 1230 auszubilden, werden herkömmliche Techniken verwenden. Beispielsweise wird eine weitere Fotoresist-Schicht ausgebildet und strukturiert, um die Vier-Punkt-Kontaktflächen 1230 zu erzeugen. Dann wird das Material abgeschieden, und der Fotoresist wird entfernt mittels eines Nassätzverfahrens.
Im Allgemeinen wird eine herkömmliche Vier-Punkt-Probe verwendet, um die Flächen 1235 der Vier-Punkt-Kontaktflä chen 1230 physikalisch zu kontaktieren. Im Allgemeinen wird der Multiplexer 930 nicht benötigt, und anstatt dessen wird eine Vier-Punkt-Probe mit den Flächen 1235 verbunden. Ein Strom wird durch die Flächen 1235-1 und 1235-4 geschickt, und eine Spannung gemessen, die über den Flächen 1235-2 und 1235-4 abfällt. Während des Prozessierens werden verschiedene Vier-Punkt-Kontaktflächen 1230 ausgebildet, jede mit unterschiedlicher Beabstandung L. Daten von jeder dieser Kontaktflächen 1230 werden dazu verwendet, den Stapel 1210 zu charakterisieren. 8A und 8B wurden von Vier-Punkt-Kontaktflächen erzeugt, die in dieser Art und Weise ausgebildet wurden.
Analog hierzu werden die anderen in 13 und 14 gezeigten Konfigurationen mit multiplen Beabstandungen realisiert, und Daten davon werden verwendet, um den Stapel 1210 zu charakterisieren. In den in 12 bis 14 gezeigten Konfigurationen werden Vier- oder Zwei-Punkt-Proben dazu verwendet, die Kontaktflächen zu kontaktieren. Alternativ hierzu werden andere Vorrichtungen verwendet, um die Kontaktflächen zu kontaktieren. Beispielsweise können die Kontakte auf den Kontaktflächen ausgebildet werden, sowie Drähte, die mit den Kontakten verbunden sind. Derartige Kontakte und Drähte sind in dieser Beschreibung als Proben definiert.
In 13 sind zwei Zwei-Punkt-Kontaktflächen 1310 und 1340 gezeigt. Die Zwei-Punkt-Kontaktfläche 1310 weist eine innere Kontaktfläche 1335 und eine äußere kreisringförmige Kontaktfläche 1320 auf. Die Beabstandung L befindet sich zwischen dem äußeren Umfang 1335 der Kontaktfläche 1310 und der inneren Fläche 1325 der kreisringförmigen Fläche 1325. Die geeignete Gleichung für diese Konfiguration kann leicht von der oben beschriebenen "Zylin dertheorie" abgeleitet werden. Die Zwei-Punkt-Kontaktfläche 1340 weist zwei Flächen 1350 und 1360 auf, die durch eine Beabstandung L voneinander getrennt sind und eine Breite W aufweisen. Die theoretischen Widerstandswerte und die In-Plane-MR-Kurven für die Zwei-Punkt-Kontaktfläche 1340 wurden bereits unter Bezugnahme auf 5A und 5B beschrieben.
In 14 ist ein finaler Kontaktflächenaufbau gezeigt. In diesem Aufbau wird eine zentrale kreisförmige Fläche 1401 durch mehrere Kreisringe 1402 bis 1405 umgeben. Die Orte 1410, 1420, 1430 und 1440 sind Beispiele davon, wo Proben platziert werden würden. Die Abstände zwischen den Kreisringen sind die Beabstandungen, die dazu benutzt werden, festzulegen, wie weit die Beabstandungen von der Längenskala λ entfernt liegen. Dieser Aufbau kann im Zusammenhang mit bestimmten Fällen, die Tunnel-Junction-Filmstapel mit niedrigem RA-Produkt involvieren, nützlich sein. Die Gleichungen für diesen Aufbau können von der oben beschriebenen "Zylindertheorie" abgeleitet werden.
Es sollte erwähnt werden, dass der in den vorangehenden Figuren gezeigte Stapel sehr viel komplexer ausfallen kann, als dort gezeigt ist. Insbesondere weisen derartige Stapel oft freie und gepinte Schichten auf, die ihrerseits aus vielen Schichten bestehen. Weiterhin können die freien und gepinten Schichten umgedreht werden, so dass sich die freie Schicht oben auf dem Substrat befindet, und die gepinte Schicht dann dazu verwendet wird, Charakterisierungsmessungen durchzuführen. Es gibt auch Materialien, die mehr als zwei Magnetisierungen aufweisen, und Tunnel-Junction-Filmstapel, bei denen die Elektroden (das heißt die Schichten oberhalb und unterhalb der Tunnel-Junction-Barriere) nicht magnetisch sind, und die Tunnel- Junction-Barriere magnetisch ist. Weiterhin gibt es Tunnel-Junction-Filmstapel mit mehreren Tunnel-Junction-Barrieren, freien und gepinten Schichten. Die Erfindung lässt sich auf beliebige Tunnel-Junction-Filmstapel anwenden.

Claims

Verfahren zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln, mit den folgenden Schritten: Messen eines Widerstands für eine Mehrzahl von Probenbeabstandungen, wobei bei einer Widerstandsmessung zwei oder mehr Proben verwendet werden, und wobei bei wenigstens einer Widerstandsmessung die Beabstandung zwischen zwei nächst-beabstandeten Proben der zwei oder mehreren Proben, die während der wenigstens einen Widerstandsmessung verwendet werden, weniger als 100 Mikron beträgt, und wobei jede Probe, die bei einer Widerstandsmessung verwendet wird, während der Widerstandsmessung mit einer Fläche bzw. Oberfläche eines Tunnel-Junction-Filmstapels elektrisch gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeld eine Probe beaufschlagt, die den Tunnel-Junction-Filmstapel enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen des Magnetfelds eine Magnetisierung wenigstens eines Films des Tunnel-Junction-Filmstapels bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anlegens eines Magnetfelds ein zweites Mal durchgeführt wird, womit zwei Magnetisierungen des wenigstens einen Films des Tunnel-Junction-Filmstapels erzeugt werden, wobei der Schritt der Widerstandsmessung bei beiden der zwei Magneti sierungen des wenigstens einen Films des Tunnel-Junction-Filmstapels durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Schritte des Widerstandsmessens hohe Widerstände und der andere der Schritte des Widerstandsmessens niedrige Widerstände misst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sätzen von Kontaktflächen auf einem Tunnel-Junction-Filmstapel ausgebildet werden, wobei jeder Satz an Kontaktflächen wenigstens zwei Kontaktflächen aufweist, wobei eine Mehrzahl der Sätze der Kontaktflächen verschiedene Beabstandungen zwischen den Kontaktflächen aufweist, und dass die Kontaktflächen mit einer oder mehreren Proben gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Sätze von Kontaktflächen zwei rechtwinklige Kontaktflächen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Sätze der Kontaktflächen vier Strukturen aufweist, wobei jede Struktur eine Fläche, eine mit der Fläche gekoppelte Strecke beziehungsweise Leiterbahn und eine Spitze, die mit der Strecke beziehungsweise Leiterbahn gekoppelt ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jeder der Sätze der Kontaktflächen eine kreisförmige Kontaktfläche aufweist, die durch einen Kreisring umgeben ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jeder der Sätze der Kontaktflächen eine kreisförmige Kontaktfläche aufweist, die durch eine Mehrzahl von Kreisringen umgeben ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass kleinste Beabstandung zwischen zwei der Kreisringe auf jedem der Sätze weniger als 100 Mikron beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontakt auf der Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels ausgebildet wird, wobei eine Probe, die für eine Widerstandsmessung verwendet wird, eine bewegliche Probe ist, und eine weitere Probe, die für eine Widerstandsmessung verwendet wird, eine Spitze eines AFM-Mikroskops ist, und wobei das Messen die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen eines physikalischen Kontakts zwischen der beweglichen Probe und der Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels bei einem Ort, der sich eine gewisse Distanz von dem Kontakt entfernt befindet; das Messen eines Stroms, wobei ein bestimmter Strom durch die bewegliche Probe und den Kontakt fließt; Ausbilden eines Kontakts zwischen der AFM-Spitze und der Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels an einem Ort zwischen der beweglichen Probe und dem Kontakt; Bewegen der AFM-Spitze auf der Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels; Ermitteln einer Vielzahl von Spannungen von der AFM-Spitze, womit Spannungen bei einer Vielzahl von Beabstandungen der Proben gemessen werden; und Ermitteln eines Widerstands aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom.
Verfahren zum Ermitteln von Variablen, die einen Tunnel-Junction-Filmstapel charakterisieren, mit den folgenden Schritten: Schätzen einer Mehrzahl von Variablen, die theoretische Daten definieren, um die theoretischen Daten einer Mehrzahl gemessener Daten anzupassen, wobei die gemessenen Daten gemessene Widerstände umfassen, die aus gemessenen Widerständen bei einer Mehrzahl von Beabstandungen von Proben ermittelt werden, die mit einer Oberfläche eines Tunnel-Junction-Filmstapels elektrisch gekoppelt sind; und Anpassen einer Vielzahl von Variablen, bis die theoretischen Daten mit den Messdaten bis auf einen bestimmten Fehler übereinstimmen, wobei die theoretischen und die gemessenen Daten angepasst werden unter Verwendung wenigstens folgender Formel:
wobei a einer Beabstandung zwischen einer I⁺-Probe und einer V⁺-Probe, b einer Beabstandung zwischen der I⁺-Probe und einer V^–-Probe, c einer Beabstandung zwischen der V⁺-Probe und einer I--Probe, d einer Beabstandung zwischen der V^–-Probe und der I^–-Probe entspricht, R_F ein Flächenwiderstand einer freien Schicht in dem Tunnel-Junction-Filmstapel R_P ein Flächenwiderstand einer gepinten Schicht in dem Tunnel-Junction-Filmstapel, R_F||R_P= R_FR_P/(R_F + R_P), R ein Wider stand, und K₀ eine modifizierte Besselfunktion der zweiten Art und von der Ordnung Null ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Variablen ein Widerstands-Flächen-(RA)-Produkt umfasst; und der Schritt des Anpassens den Schritt des Anpassens des RA-Produkts und der beiden Flächenwiderstände, R_F und R_P umfasst, solange bis die theoretischen Widerstandsdaten mit den gemessenen Widerstandsdaten bis auf einen bestimmten Fehler übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei: die Widerstände für wenigstens zwei Magnetisierungen eines Films des Tunnel-Junction-Filmstapels gemessen werden; die gemessenen Daten weiterhin gemessene In-Plane-Magnetwiderstandsdaten (MR) umfassen, die aus den gemessenen Widerständen ermittelt werden; die Mehrzahl an Variablen weiterhin eine perpendikularen MR umfassen; die theoretischen Daten weiterhin theoretische In-Plane-MR-Daten umfassen; und der Schritt des Einstellens weiterhin den Schritt des Anpassens des perpendikularen MR umfasst, bis die theoretischen In-Plane-MR-Daten mit den gemessenen In-Plane-MR-Daten bis auf einen bestimmten Fehler übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei: die gemessenen Daten weiterhin gemessene In-Plane-Magneto-Widerstandsdaten (MR) umfassen, die aus den gemessenen Widerständen ermittelt werden; die Mehrzahl von Variablen weiterhin einen perpendikularen MR umfassen; die theoretischen Daten weiterhin theoretische In-Plane-MR-Daten umfassen; und der Schritt des Anpassens den Schritt des Anpassens des perpendikularen MR, des RA-Produkts, und der zwei Flächenwiderstände R_F und R_P umfasst, solange bis die theoretischen In-Plane-MR-Daten und die theoretischen Widerstandsdaten mit den jeweiligen gemessenen In-Plane-MR-Daten und den gemessenen Widerstandsdaten bis auf einen bestimmten Fehler übereinstimmen.
Ein hergestelltes Produkt zum Ermitteln von Variablen, die einen Tunnel-Junction-Filmstapel charakterisieren, mit: einem computerlesbaren Medium, auf dem computerlesbarer Code vorgesehen ist, wobei der computerlesbare Code aufweist: Mittel zum Abschätzen einer Mehrzahl von Variablen, die theoretische Daten definieren, um die theoretischen Daten mit einer Mehrzahl von gemessenen Daten in Übereinstimmung zu bringen, wobei die gemessenen Daten gemessene Widerstände aufweisen, die aus gemessenen Widerstandswerten ermittelt werden, die bei einer Vielzahl von Beabstandungen von Proben genommen werden, die mit einer Oberfläche eines Tunnel-Junction-Filmstapels elektrisch gekoppelt sind; und Mittel zum Anpassen einer Mehrzahl von Variablen, bis die theoretischen Daten mit den gemessenen Daten bis auf einen bestimmten Fehler übereinstimmen, wobei die theoretischen und gemessenen Daten unter Verwendung wenigstens folgender Formel angepasst werden:
wobei a einer Beabstandung zwischen einer I⁺-Probe und einer V⁺-Probe, b einer Beabstandung zwischen der I⁺-Probe und einer V^–-Probe, c einer Beabstandung zwischen der V⁺-Probe und einer I^–-Probe, d einer Beabstandung zwischen der V^–-Probe und der I^–-Probe entspricht, R_F ein Flächenwiderstand einer freien Schicht in dem Tunnel-Junction-Filmstapel, Rp ein Flächenwiderstand einer gepinten Schicht in dem Tunnel-Junction-Filmstapel, R_F||R_P = R_FR_P/(R_F+R_P) , R ein Widerstand, und K₀ eine modifizierte Besselfunktion der zweiten Art und von der Ordnung Null ist.
Vorrichtung zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln, mit: einer Multi-Punkt-Probe mit drei oder mehr Proben, wobei jeweils zwei der Proben durch einen Abstand voneinander getrennt sind, und die Multi-Punkt-Probe dazu geeignet ist, eine Oberfläche eines Tunnel-Junction-Filmstapels zu kontaktieren; und ein Widerstandsmodul, das mit der Multi-Punkt-Probe gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, eine Mehrzahl von Widerständen von den Proben zu ermitteln, wobei die kleinste Beabstandung zwischen zwei beliebigen der Proben, die während wenigstens einer Widerstandsmessung verwendet werden, ein Abstand von 100 Mikron oder weniger ist, und wobei eine Widerstandsmessung durch das Widerstandsmodul wenigstens teilweise den Tunnel-Junction-Filmstapel charakterisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Multiplexer, der mit der Multi-Punkt-Probe und dem Widerstandsmodul gekoppelt ist, wobei der Multiplexer dafür ausgelegt ist, Spannung und Strom zwischen dem Widerstandsmodul und ausgewählten Proben zu koppeln bzw. auszutauschen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, mit einem Magnetfelderzeuger zum Erzeugen eines Magnetfelds, wobei das Magnetfeld erzeugt wird, um einen Halbleiterwafer mit einem darauf ausgebildeten Tunnel-Junction-Filmstapel in eine von mehreren Magnetisierungen des Tunnel-Junction-Filmstapels zu versetzen, wobei eine Widerstandsmessung, durchgeführt durch das Widerstandsmodul bei der einen Magnetisierung den Tunnel-Junction-Filmstapel weiter charakterisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Multi-Punkt-Probe eine Vier-Punkt-Probe aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Multi-Punkt-Probe eine bewegliche Probe, eine AFM-Spitze, und einen Kontakt, der zur Kontaktierung der Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels dient, aufweist.
Vorrichtung zum Charakterisieren von Tunnel-Junction-Filmstapeln, mit: einer Mehrzahl von Multi-Punkt-Proben, wobei jede Multi-Punkt-Probe eine Mehrzahl von Proben aufweist, und wobei jeweils zwei der Proben durch einen Abstand voneinander getrennt sind, wobei die Beabstandung zwischen den zwei nächstgelegenen Proben für wenigstens einige der Multi-Punkt-Proben weniger als 100 Mikron beträgt, und wobei jede der Multi-Punkt- Proben dazu geeignet ist, eine Oberfläche eines Tunnel-Junction-Filmstapels zu kontaktieren; und einem Widerstandsmodul, mit dem eine Mehrzahl von Widerständen von den Multi-Punkt-Proben ermittelt werden kann, und das dafür ausgelegt ist, mit einer oder mehreren der Multi-Punkt-Proben zu einem bestimmten Zeitpunkt gekoppelt zu werden, wobei das Widerstandsmodul Widerstand und Strom misst, und wobei eine Widerstandsmessung, durchgeführt durch das Widerstandsmodul, den Tunnel-Junction-Filmstapel wenigstens teilweise charakterisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch einen Magnetfelderzeuger zum Erzeugen eines Magnetfelds, wobei das Magnetfeld erzeugt wird, um einen Halbleiterwafer mit einem darauf ausgebildeten Tunnel-Junction-Filmstapel in eine von einer Mehrzahl von Magnetisierungen des Tunnel-Junction-Filmstapels zu versetzen, wobei eine Widerstandsmessung, durchgeführt durch das Widerstandsmodul bei der einen Magnetisierung, den Tunnel-Junction-Filmstapel wenigstens teilweise charakterisiert.
Halbleiterwafer zum Charakterisieren eines Tunnel-Junction-Filmstapels, mit: einem Tunnel-Junction-Filmstapel, der auf einem Substrat ausgebildet ist; und einer Mehrzahl von Sätzen, die auf einer Oberfläche des Tunnel-Junction-Filmstapels ausgebildet sind, wobei jeder der Sätze eine Mehrzahl von Flächen aufweist, und jeder der Sätze zwischen den Flächen eine bestimmte Beabstandung aufweist, wobei die Beabstandungen zwischen Flächen für mehrere Sätze so definiert sind, dass diese innerhalb eines bestimmten Ab stands von einer Längenskala/Längeneinheit liegen, wobei die Längenskala/Längeneinheit von Variablen abhängt, die mit dem Tunnel-Junction-Filmstapel assoziiert werden.
Halbleiterwafer nach Anspruch 25, wobei jeder der Sätze eine kreisförmige Kontaktfläche aufweist, die durch eine Mehrzahl von Kreisringen umgeben ist.
Halbleiterwafer nach Anspruch 26, wobei die geringste Beabstandung zwischen zwei der Kreisringe auf jedem der Sätze weniger als 100 Mikron beträgt.
Verfahren zum Ermitteln wenigstens eines Teils einer Hysteresiskurve eines unstrukturierten Tunnel-Junction-Filmstapels mit einer Oberfläche, mit den folgenden Schritten: Bringen einer Multi-Punkt-Probe mit einer Vielzahl von Proben in elektrischen Kontakt mit der Oberfläche des unstrukturierten Tunnel-Junction-Filmstapels, wobei die kleinste Beabstandung zwischen zwei beliebigen Proben weniger als 100 Mikron beträgt; und Messen, unter Verwendung der Multi-Punkt-Probe, des Widerstands als Funktion eines angelegten Magnetfelds, wobei der Schritt des Messens wenigstens einen Abschnitt der Hysteresiskurve festlegt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Multi-Punkt-Probe eine Vier-Punkt-Probe ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei wenigstens eine Beabstandung zwischen zwei Proben eine Länge aufweist, die innerhalb einer bestimmten Distanz einer Längenskala liegt, die einem Widerstands-Flächen- (RA)-Produkt des unstrukturierten Tunnel-Junction-Filmstapels entspricht.