DE112019000183B4

DE112019000183B4 - Elektrische ferromagnetische Resonanzprüfvorrichtung (FMR-Prüfvorrichtung) für spintronische Vorrichtungen

Info

Publication number: DE112019000183B4
Application number: DE112019000183.3T
Authority: DE
Inventors: Guenole Jan; Son Le; Luc Thomas; Santiago Serrano Guisan
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: US20200393525A1; KR20200105722A; CN111868512A; US10761154B2; US11397226B2; US20190227132A1; DE112019000183T5; TW201939060A; WO2019143788A1; KR102412762B1

Abstract

Ferromagnetisches Resonanz-Scanmesssystem, FMR-Messsystem, zum Bestimmen magnetischer Eigenschaften in einem Magnetfilm (22f) oder in mehreren Vorrichtungsstrukturen, die auf einem zu prüfenden Wafer (22), WUT, gebildet sind, umfassend:(a) eine HF-Sonde (40), die mit einem Mikrowellengenerator (48), HF-Generator, verbunden ist und mindestens eine Sondenspitze (40e) aufweist, welche zwei Erdungspfade (40g) und zwei Signalpfade (40s) zwischen den zwei Erdungspfaden (40g) aufweist, wobei mindestens einer der Signalpfade (40s) während einer FMR-Messung den Magnetfilm (22f) oder mehrere Vorrichtungsstrukturen kontaktiert;(b) eine Magnetbaugruppe (30), die mindestens eine Magnetfeldquelle (31) umfasst, die ein Magnetfeld neben der HF-Sondenspitze (40e) bereitstellt, die zusammen mit einer gleichzeitigen Aufbringung der Mikrowellenfrequenz von dem HF-Generator (48) konfiguriert ist, einen ersten FMR-Zustand in den Magnetfilm (22f) oder mehrere Vorrichtungsstrukturen zu induzieren;(c) ein Erkennungssystem zum Überwachen der Mikrowellenabsorptionsfähigkeit und eines entsprechenden Leistungsverlusts durch den Magnetfilm (22f) oder die mehreren Vorrichtungsstrukturen, wenn der erste FMR-Zustand darin vorliegt,wobei der WUT (22) konfiguriert ist, sich lateral und vertikal relativ zu der HF-Sonde zu bewegen (50, 51), sodass die Sondenspitze (40e) während einer FMR-Messsequenz an einem oder mehreren vorbestimmten Orten mit dem Magnetfilm (22f) oder mehreren Vorrichtungen in Kontakt kommt; und(d) einen Controller (11) zum Verwalten der gleichzeitigen Aufbringung der Mikrowellenfrequenz und des Magnetfelds, der WUT-Bewegung (50, 51) und zum Empfangen eines Signals von dem Erkennungssystem, wobei das Signal in eine Ausgabe umwandelt wird, die aus einer oder mehreren magnetischen Eigenschaften besteht.

Description

VERWANDTE PATENTANMELDUNG
Diese Anmeldung bezieht sich auf das interne Aktenzeichen # HT16-012, U.S. Seriennr. 15/463,074 , Einreichungsdatum 20.3.2017; die an einen gemeinsamen Abtretungsempfänger abgetreten wurde und hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
TECHNISCHER BEREICH
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein System zum Messen magnetischer Eigenschaften in magnetischen Filmen und Strukturen in Regionen, die einen Durchmesser bis in den Submillimeterbereich aufweisen und ein Verfahren für dasselbe, und insbesondere auf eine magnetische Baugruppe und HF-Sonde, die an einer Plattform montiert und in einer elektrischen Sondenstation installiert sind, um eine vollautomatische FMR-Prüfung von Filmen und Strukturen über gesamten Wafern zu ermöglichen, ohne die Wafer in Engineering- oder Fabrikationsumgebungen schneiden zu müssen.
HINTERGRUND
Magnetische Dünnfilme und mehrschichtige Strukturen spielen eine Schlüsselrolle in verschiedenen Arten von magnetischen Speichervorrichtungen wie einem magnetischen Festplattenlaufwerk (HDD-Laufwerk), einem magnetischen Direktzugriffspeicher (MRAM), einem Spintorqueoszillator (STO) und magnetischen Domainwandvorrichtungen. Um solche Vorrichtungen zu entwickeln und zu optimieren, müssen magnetische Dünnfilmstapel überwacht und charakterisiert werden. Eine Vielzahl verschiedener magnetischer Charakterisierungstechniken ist einzusetzen, um alle wesentlichen magnetischen Parameter zu bestimmen, wie kristalline Anisotropie, Oberflächen- oder Grenzflächenanisotropie, Magnetisierungssättigung (Ms), Dämpfungskonstante (a), gyromagnetisches Verhältnis (γ), inhomogene Aufweitung, das Produkt von Widerstand x Fläche (RA) und das magnetoresistive Verhältnis (MR).
FMR ist ein gut etabliertes Verfahren zum Messen von Anisotropiefeldern, sowie für das gyromagnetische Verhältnis γ und die Dämpfungskonstante a von magnetischen Filmen und mehrschichtigen Strukturen in erweiterten unstrukturierten Filmen oder über einen Bereich, der ein großes Array von subkmikronstrukturierten Strukturen umfasst. Die Resonanzfrequenz f_R eines ferromagnetischen Films wird durch die sogenannte Kittelformel angegeben, die in Gleichung (1) unten dargestellt ist, wo H_R das Resonanzfeld ist, das auf die Ebene des Films aufgebracht wird, H_K das effektive Anisotropiefeld ist, das die strukturellen, Oberflächen- und magnetostatischen Beiträge umfasst, und γ das gyromagnetische Verhältnis ist. $2 π f_{R} = γ (H_{R} + H_{K})$
Ein FMR-Experiment wird durch Prüfung des magnetischen Systems (Dünnfilm, Mehrschichtenstapel oder strukturierte Vorrichtung) mit einer Kombination von Mikrowellenanregung und einem quasistatischen Magnetfeld ausgeführt. FMR-Daten werden entweder durch Überstreichen des Magnetfelds bei einer konstanten Mikrowellenfrequenz oder durch Überstreichen der Frequenz bei einem konstanten Feld erhalten. Wenn der ferromagnetische Resonanzzustand erreicht wird, kann dies durch eine verbesserte Absorption des Mikrowellensignals (HF-Signal) durch die ferromagnetische Probe erkannt werden. So werden die Resonanzbedingungen (FMR-Bedingungen) mit Paaren von Magnetfeld- und Mikrowellenfrequenzwerten (H_R, f_R) definiert.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine ferromagnetische Probe an die Mikrowellenanregung zu übermitteln. Historisch haben die experimentellen FMR-Bedingungen röhrenförmige Hohlleiter eingesetzt, und Proben wurden in einem Resonanzhohlraum zwischen Polen eines Elektromagneten angeordnet. In letzter Zeit wurden neue Verfahren entwickelt, die sich gut für die Analyse von filmförmigen Proben eignen. Insbesondere wird der zu prüfende Wafer (WUT) in Kontakt mit einer nichtmagnetischen Hohlleiterübertragungsleitung (WGTL) angeordnet, die die Form eines geerdeten koplanaren Hohlleiters (GCPWG), eines koplanaren Hohlleiters (CPWG), eines koaxialen Hohlleiters (CWG), einer Stripline (SL) oder eines Mikrostreifens (MS) annehmen kann. Die durch die WGTL übertragene oder reflektierte Leistung wird als eine Funktion des aufgebrachten Magnetfelds und der Mikrowellenfrequenz übertragen.
Mit Verweis auf 1a ist eine schematische Darstellung dargestellt, in der Ausgangspannungen als eine Funktion eines variablen Magnetfelds mit einer konstanten Mikrowellenfrequenz (f) unter Verwendung von fünf verschiedenen Werten (f1 bis f5) der Mikrowellenfrequenz geplottet werden. Die Mitte und Breite der Lorentz Spitzen wird von den Daten als eine Funktion der Anregungsfrequenz extrahiert. Wie zuvor erwähnt, ist das Mittelfeld das Resonanzfeld (H_R), das mit der Anregungsfrequenz verbunden ist, die der Kittelformel folgt, die in Gleichung (2) unten in einer leicht geänderten Form umgeschrieben ist, wobei h die Planck-Konstante ist und µB das Bohr-Magneton ist. $H_{R} (f) = [h/ (γ \times μ_{B})] \times f - H_{K}$
Die Variation von H_R mit der Mikrowellenfrequenz ist in 1 b dargestellt, wobei jeder der Punkte entlang der Kurve 21 von einer der Lorentz-Spitzen Hr1 bis Hr5 in 1a abgeleitet ist. Wie durch Gleichung (2) dargestellt ist, gibt die Extrapolation der Daten auf f = 0 den Wert des effektiven Anisotropiefelds H_K zurück.
Die Linienbreite L der Resonanzspitze ist die Breite bei der halben Amplitude ΔH der Resonanzspitze und bezieht sich auf dissipative Prozesse, die mit Magnetisierungsdynamik zusammenhängen.
Die Linienbreite hängt von der Anregungsfrequenz und der dimensionslosen Gilbert-Dämpfungskonstante a nach Gleichung (3) unten ab, wobei L_O eine inhomogene Aufweitung ist. Durch Anpassen von H_R und L bezüglich der Anregungsfrequenz f_R können H_K sowie α und γ abgeleitet werden. $L (f) = (2 h α / μ_{B}) f + L_{0}$
Ein Netzwerkanalysator für die Erkennung von FMR in dünnen CoFe- und CoFeB-Filmen an einem koplanaren Hohlleiter ist durch C. Bilzer et al. in „Vector network analyzer ferromagnetic resonance of thin films on coplanar waveguides: Comparison of different evaluation methods" in J. of Applied Physics, 101, 074505 (2007), und in „Open-Circuit One-Port Network Analyzer Ferromagnetic Resonance" in IEEE Trans. Magn., Vol. 44, Nr. 11, S. 3265 (2008) beschrieben. In diesen Experimenten ist die planare WGTL typischerweise mit mikrowellenelektrischen Sonden an Hochfrequenzverbindern (HF-Verbindern) befestigt und zwischen den Polen eines Elektromagneten angeordnet. So können mit Blick auf die Größe der WGTL (ca. 5 mm lang) und die Größe des Spalts typischer Elektromagneten nur kleine Proben (normalerweise < 1 Inch im Durchmesser) gemessen werden. Dementsprechend können Wafer, die üblicherweise in der Mikroelektronikbranche verwendet werden (mit Durchmessern von 6, 8, 12 Inch oder mehr), mit dieser FMR-Technik nur dann gemessen werden, wenn sie in kleine Coupons geschnitten werden.
2 wird aus „Microwave susceptibility of thin ferromagnetic films: metrology and insight into magnetization dynamics", Claus Bilzer, Ph.D. report, Universite Paris Sud - Paris XI, 2007) reproduziert und zeigt ein konventionelles FMR-System.
Der Vektornetzwerkanalysator (VNA) 10 ist von einem Port aus durch ein erstes Koaxialkabel 1 mit einem ersten Mikrowellensondenabschnitt 2a verbunden, der an dem koplanaren Hohlleiter (CPWG) 6 befestigt ist. Eine obere Fläche des CPWG ist mit einem Magnetfilm 4 verbunden, der an einem Substrat montiert ist. Wenn eine Mikrowellenfrequenz von der Sonde 2a und ein externes Magnetfeld 3 in einer x-Achsenrichtung über den Magnetfilm aufgebracht werden, läuft ein Ausgangssignal in einem Übertragungsmodus in einen zweiten Mikrowellensondenabschnitt 2b und dann durch ein zweites Koaxialkabel 5, bevor es an einem zweiten Port zu dem VNA zurückkehrt. Die Magnetfilmgröße b ist typischerweise auf 1 Inch oder weniger beschränkt, was bedeutet, dass die Magnetfilmprobe 4 aus einem ganzen Wafer geschnitten sein muss.
Da konventionelle FMR-Techniken destruktiv, zeitraubend und auf das Messen großer Strukturen beschränkt sind, die eine Querschnittsgröße aufweisen, die im Wesentlichen größer als 1 mm sind, sind sie zu einem Ausmaß unerwünscht, das die breite Annahme von FMR als ein Charakterisierungstool in der Magnetdatenspeicherbranche verhindert. Es werden ein verbessertes FMR-Messsystem und eine Technik benötigt, die vollautomatisierte Messungen auf ganzen Wafern für schnelleren Durchsatz und geringere Kosten erlauben. Vorzugsweise kann das FMR-System aus kommerziell verfügbaren Teilen aufgebaut sein. Außerdem sollte die verbesserte FMR-Technik in der Lage sein, magnetische Eigenschaften in Abschnitten von Filmen zu messen, die einen Durchmesser von weniger als 1 mm aufweisen, um kleinere Prüfstrukturen messbar zu machen, als auf dem Stand der Technik möglich ist.
Der relevante Stand der Technik betreffend FMR-Messysteme ist insbesondere durch DE 11 2018 001461 T5 sowie CN 106 872 917 A gegeben.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Ziel dieser Offenbarung ist das Bereitstellen eines vollautomatischen Systems für FMR-Messungen, sodass Magnetstrukturen, die in der lateralen Größe kleiner als 1 mm sind, über einen gesamten Wafer hinweg überwacht und charakterisiert werden können, ohne den Wafer zu schneiden, um Prüfproben vorzubereiten.
Ein zweites Ziel dieser Offenbarung ist das Bereitstellen eines vollautomatisierten Systems nach dem ersten Ziel, das leicht aus kommerziell verfügbaren Bauteilen montiert werden kann.
Ein drittes Ziel dieser Offenbarung ist das Bereitstellen eines FMR-Messsystems, das das Aufbringen eines einheitlicheren Magnetfelds auf den zu prüfenden Wafer ermöglicht und damit die Zuverlässigkeit der Datenerfassung bei Messungen verbessert.
Diese Ziele werden nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung mit einem Scan-FMR-Messsystem erreicht, die um einen Controller (Computer) herum konfiguriert ist, der mit einer elektrischen Sondenstation verbunden ist. Die elektrische Sondenstation umfasst eine HF-Sonde mit einem ersten Verbinder, der mit einem HF-Generator verbunden ist, und einem zweiten Verbinder, der mit einem HF-Leistungsmelder (Diode) verbunden ist. Die HF-Sonde ist an der Chassis befestigt, die an einer Halteplatte montiert ist, sodass bei FMR-Messungen die HF-Sondenspitze mit einem Abschnitt einer magnetischen Struktur in Kontakt kommt, die an einem zu prüfenden Wafer (WUT) gemessen werden soll. Die HF-Sondenspitze besteht aus zwei Sätzen Sonden, die in einer GSSG-Struktur nach einer Ausführungsform angeordnet sind, wobei G die Erde ist und S ein Signalpfad ist. Wenn die HF-Sondenspitze die Magnetstruktur an dem WUT kontaktiert, wird ein Magnetfeld an die kontaktierte Region aufgebracht und von einem Magnetpol erzeugt, der auf an der Halteplatte über der HF-Sonde montiert ist. Ein Waferchuck hält den WUT während einer Messung stationär und ist programmiert, sich lateral zu bewegen, sodass mehrere verschiedene Orte an dem WUT während nachfolgenden Messungen überwacht oder geprüft werden können.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Magnetbaugruppe zwei Magnetpole, die an jeder Seite der HF-Sonde angeordnet sind und damit ein In-Ebenen-Magnetfeld für den Magnetfilm während einer HF-Messung bereitstellen. Die Magnetpole befinden sich vorzugsweise neben dem Magnetfilm an dem WUT, aber nicht in Kontakt mit einer oberen Fläche davon.
Nach einer Ausführungsform, die einen HF-Übertragungsmodus für das Ausführen der FMR-Messungen darstellt, ist eine HF-Quelle mit einem aktiven Frequenzdoppler verbunden, der durch ein HF-Eingangskanal mit dem ersten Verbinder an der HF-Sonde verbunden ist. So läuft ein HF-Signal durch einen ersten Signalpfad (S-Pfad) in der Sondenspitze, während ein Magnetfeld auf die Magnetstruktur aufgebracht wird, die durch die HF-Sondenspitze kontaktiert ist. Wenn der HF-Strom aus den Magnetschichten in der Prüfstruktur austritt, kommt es zu einem Energieverlust, der durch eine HF-Diode erkannt wird, die mit dem zweiten Verbinder an der HF-Sonde durch ein HF-Ausgangskabel verbunden ist. In anderen Worten, der HF-Strom fließt durch die Prüfstruktur und tritt dann durch einen zweiten S-Pfad an das HF-Ausgangskabel aus. Die HF-Diode ist mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) verbunden, der die Daten, die von der HF-Diode erfasst wurden, an einen Controller (Computer) übermittelt. Die übertragene Leistung durch die Prüfstruktur wird für verschiedene aufgebrachte HF-Frequenzen als eine Funktion des aufgebrachten Felds gemessen.
In einer alternativen Ausführungsform, die ein Reflexions-FMR-Messmodus ist, bleiben die Komponenten in der ersten Ausführungsform erhalten, wobei jedoch ein Richtungskoppler in die HF-Schaltung zwischen dem Frequenzdoppler und der HF-Sonde eingefügt wird. Zweitens ist nur ein S-Pfad in der HF-Sondenspitze notwendig, da der Eingangs-HF-Strom und der Ausgangs-HF-Strom durch denselben S-Pfad an den und von dem Richtungskoppler fließen. Der Ausgangs-HF-Strom wird von dem Richtungskoppler an die HF-Diode und dann an den ADC geleitet.
In allen hierin offenbarten Ausführungsformen weist der Controller den Waferchuck und den WUT an, sich in einer x-Achsen- und/oder y-Achsenrichtung parallel zu der Ebene der oberen WUT-Fläche zu bewegen, sodass die HF-Sonde über einer vorgegebenen (x, y) Koordinate (Prüfort) an dem WUT ausgerichtet ist. Die HF-Sonde ist von einer Magnetstruktur oder einem Film an dem WUT während eines Zeitraums zwischen einer ersten Messung und einer zweiten Messung durch eine Spaltdistanz getrennt. An jedem Prüfort werden der Waferchuck und der WUT angehoben, sodass die Sondenspitze mit einer Magnetstruktur am Anfang einer FMR-Messung in Kontakt steht. Am Ende jeder Messung werden der WUT und der Waferchuck abgesenkt, um einen Spalt zwischen dem Magnetfilm und der Sondenspitze wiederherzustellen. So umfasst die FMR-Messsequenz ein „Schritt- und Wiederholungs-“ Muster, in dem der Waferchuck und WUT lateral bewegt (getaktet) werden, um den Magnetpol und die HF-Sonde über einer neuen (x, y) Koordinate an dem WUT auszurichten, angehoben werden, sodass die Magnetstruktur die HF-Sondenspitze kontaktiert, und dann auf nach der Messung auf die Spaltdistanz abgesenkt werden. Der Bereich der kontaktierten Region an der Magnetstruktur beträgt vorzugsweise weniger als 1 mm im Durchmesser, um H_K und α für Magnetvorrichtungen mit einer Größe in dieser Größenordnung zu erkennen.
In allen Ausführungsformen überträgt die HF-Sonde eine Sequenz von Mikrowellenfrequenzen (HF-Eingangssignale) auf den Wafer. Ein FMR-Zustand ist in der kontaktierten Magnetstruktur mit jeder aufgebrachten Mikrowellenfrequenz aufgebaut, und das Ausmaß der Mikrowellenabsorption (HF-Absorption) durch die Magnetstruktur hängt von der Größe der HF-Frequenz, dem aufgebrachten Magnetfeld und den magnetischen Eigenschaften in der Magnetstruktur ab. Als Ergebnis der FMR-Absorption durch die Magnetstruktur kommt es zu einem Energieverlust zwischen dem Eingangs-HF-Signal und dem Ausgangs-HF-Signal, das durch die HF-Leistungsdiode erkannt wird. Der ADC wandelt jedes HF-Ausgangssignal in eine Spannungsanzeige um, die der Controller verwendet, um Hk und α beispielsweise für die Magnetstruktur zu bestimmen.
Da ein einzelner Controller eingesetzt sein kann, um alle Aspekte der Prüfung, einschließlich des Waferchucks und der Montagenplattenbewegung, HF-Signalverarbeitung, Magnetfelderzeugung und Zusammenstellung der Prüfdaten zu verwalten, ist der Durchsatz optimiert, sodass das System und Scan-FMR-Messverfahren als vollständig automatisiert bezeichnet werden, und leicht in einer Engineering- oder Herstellungsumgebung umgesetzt werden können. Weiterhin sind die HF-Sonde, Magnetbaugruppe, Montageplatte und HF-Schaltungskomponenten kommerziell verfügbar und können leicht konfiguriert werden, um ein zuverlässiges Scan-FMR Messsystem bereitzustellen.
Figurenliste

1a zeigt eine schematische Beschreibung der typischen Reihe von Lorentz-Spitzen, die von ferromagnetischen Resonanzmessungen abgeleitet sind, die für Mikrowellenfrequenzen von 24 GHz bis 48 GHz genommen wurden.
1b zeigt einen Plot des Resonanzfelds (H_R) als eine Funktion der Mikrowellenfrequenzen, die in 1a verwendet werden.
2 ist ein Diagramm, das ein FMR-Messschema auf dem Stand der Technik illustriert.
3 ist ein Diagramm, das die verschiedenen Komponenten eines vollautomatischen FMR-Messsystems nach einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung zeigt.
4 ist eine schräge Ansicht einer HF-Sonde, die zwei Sätze Sonden umfasst (zwei für Erdung und zwei für Signale), die Teil des vollautomatischen Scan-FMR-Messsystems dieser Offenbarung sind.
5 ist eine Querschnittsansicht einer Magnetbaugruppe, die während einer FMR-Messung eines Films oder einer Magnetstruktur auf einem Wafer nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung über der HF-Sonde in 4 ausgerichtet ist.
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Magnetpolspitze in 5, die während einer FMR-Messung über einer HF-Sondenspitze angeordnet ist.
7 ist eine Querschnittsansicht einer Magnetbaugruppe mit zwei Magnetpolen an gegenüberliegenden Seiten einer HF-Sonde, die ein In-Ebenen-Magnetfeld während einer FMR-Messung nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung bereitstellt.
8 ist ein Layout einer HF-Quelle, HF-Diode und anderer Komponenten der HF-Messschaltung, die mit der HF-Sonde über einen zu prüfenden Wafer nach einem Übertragungs-FMR-Messmodus dieser Offenbarung verbunden sind.
9 ist ein Layout einer HF-Quelle, HF-Diode und eines Richtungskopplers, die über einen zu prüfenden Wafer nach einem Reflexions-FMR-Messmodus dieser Offenbarung mit der HF-Sonde verbunden sind.
10 zeigt eine vereinfachte äquivalente DC-Schaltung in einem Übertragungs-FMR-Messmodus nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
11 zeigt eine vereinfachte äquivalente DC-Schaltung in einem Reflexions-FMR-Messmodus nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
12 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schrittabfolge illustriert, die verwendet wird, FMR-Messungen nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung vorzunehmen.
13 ist ein Plot erfasster Daten von der HF-Diode als eine Funktion verschiedener aufgebrachter Magnetfelder bei verschiedenen HF-Frequenzen nach einer Ausführungsform dieser Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung ist ein Scan-FMR-System, das entworfen ist, um magnetische Eigenschaften, einschließlich H_K und α, für Magnetstrukturen zu messen, die einen wesentlich geringeren Durchmesser als 1 mm aufweisen können. Mehrere Prüforte über einen gesamten Wafer hinweg werden sequenziell entweder mit einem HF-Übertragungsmodus oder einem HF-Reflexionsmodus gemessen. X-Achsen- und y-Achsenkoordinaten an dem zu prüfenden Wafer (WUT) befinden sich in einer Ebene, die parallel mit der Ebene des Waferchucks und darüber angeordnet sind. Diese Offenbarung umfasst auch ein FMR-Prüfverfahren zum Messen magnetischer Eigenschaften eines oder mehrerer Filme unstrukturierter Wafer oder in Vorrichtungsstrukturen. Die Begriffe „HF“ und „Mikrowelle“ können austauschbar verwendet werden.
In der verwandten US-Patentanmeldung mit Seriennummer 15/463,074 haben wir ein FMR-Messsystem offenbart, das sich auf eine Hohlleiter-Übertragungsleitung (WGTL) stützt, die an HF-Eingangs- und HF-Ausgangsverbindern befestigt ist, und in der Lage ist, Messungen an mehreren Orten an dem gesamten Wafer aufzunehmen. Die WGTL ist jedoch allgemein angepasst entworfen und verlangt die Anordnung der WGTL so nahe wie möglich an dem WUT zum Verbessern der Koppelung und des Magnetfelds auf der Vorrichtungsebene. Weiterhin ist der in der Messung geprüfte Bereich im Vergleich mit Submikronabmessungen in den Vorrichtungsstrukturen ziemlich groß (mm bis cm im Durchmesser). Nun haben wir ein verbessertes Scan-FMR-Messsystem entdeckt, das vollständig aus kommerziell verfügbaren Komponenten aufgebaut sein kann, und das das Überwachen und Messen magnetischer Eigenschaften in kleineren Strukturen ermöglicht die wesentlich kleiner als 1 mm im Durchmesser sein können.
Mit Verweis auf 3 ist eine Ausführungsform eines Scan-FMR Messsystems nach dieser Offenbarung in einem Diagramm dargestellt, das das Layout der Schlüsselkomponenten zeigt. Es liegt ein Computer vor, der nachfolgend als Controller 11 bezeichnet wird, um die Bewegung der Prüfer stufe, die auch als Waferchuck 20 bekannt ist, und den WUT 22, an dem der zu prüfende Magnetfilm 22f gebildet ist, zu verwalten. Es sollte verstanden werden, dass sich der Begriff „Magnetfilm“ auch eine Schicht, mehrere magnetische Schichten, die in einem Stapel Schichten gebildet sind, oder mehrere Magnetstrukturen beziehen kann, wie etwa Magnettunnelübergangszellen (MTJ-Zellen) an dem WUT. Der WUT wird mit Vakuum auf einer oberen Fläche des Waferchucks gehalten und der Waferchuck und der WUT werden in einer programmierten Weise bewegt, während die Magnetbaugruppe und die HF-Sonde in einer stationären Position an einer Halteplatte gehalten werden. Diese Offenbarung sieht jedoch auch vor, dass der WUT und Waferchuck stationäre sein können, während die Magnetbaugruppe und HF-Sonde, die an der Halteplatte befestigt sind, beweglich sind.
Ein Magnetfeld in der Magnetbaugruppe 30 (mindestens eine Magnetfeldquelle umfassend) wird durch einen Leistungseingang von einem Leistungsgenerator 31 erzeugt, wenn dies durch den Controller über den Link 42a angewiesen wird. In bevorzugten Ausführungsformen wird ein Magnetfeld an eine vorgegebene (x_n, y_n) Koordinate an dem WUT aufgebracht, während ein HF-Signalpfad in der HF-Sonde 40 an der Montageklammer 46 eine obere Fläche 22t des Magnetfilms an der (x_n, y_n)-Koordinate kontaktiert. Aufgrund des simultanen Aufbringens einer Mikrowellenfrequenz (HF-Eingangssignal) von der HF-Sonde und eines Magnetfelds von bis zu 3 Tesla von der Polspitze (in 5 gezeigt) an der Magnetbaugruppe aus, wird ein ferromagnetischer Resonanzzustand (FMR-Zustand) in dem Magnetfilm neben der vorgegebene (x_n, y_n)-Koordinate an dem WUT aufgebaut. In anderen Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann das Magnetfeld von einer Magnetfeldquelle unter Verwendung einer Erweiterung davon aufgebracht werden, die nicht die Form einer Polspitze aufweist.
Der HF-Melder kann eine Leistungsdiode 44 sein, nachfolgend als eine HF-Diode bezeichnet, die ein HF-Ausgangssignal erkennt, das von dem Magnetfilm übertragen wird, und das die HF-Sonde durch einen zweiten Signalpfad und einen zweiten HF-Verbinder (nicht dargestellt) verlässt. Jedes HF-Ausgangssignal entspricht einem HF-Leistungsverlust, der durch den FMR-Zustand ausgelöst wird, in dem eine bestimmte Menge an Mikrowellenleistung absorbiert wird, und regt den Magnetfilm zu einem Resonanzzustand an. Jede FMR-Messung kann mehrere HF-Eingangssignale umfassen, die jeweils einer anderen HF-Frequenz entsprechen. Nach Durchführen der FMR-Messung an der (x_n, y_n)-Koordinate werden der Waferchuck 20 und der WUT 22 über ein Signal von dem Controller 11 durch Link 42d abgesenkt 51d, um einen Spaltabstand unter der HF-Sonde erneut aufzubauen. Nachfolgend werden der Waferchuck und WUT an eine andere vorgegebene (x_n, y_n)-Koordinate bewegt, und dann wird der Waferchuck angehoben 51u, um es der HF-Sonde zu ermöglichen, die obere Fläche 22t des Magnetfilms für eine andere FMR-Messung zu Kontaktieren.
Der Controller 11 weist eine elektrische Verbindung 42b mit einem HF-Generator 48 auf, der mehrere Mikrowellenfrequenzen durch Verbindung 42c mit einem ersten HF-Verbinder (nicht dargestellt) an der HF-Sonde 40 aufweist. In einigen Ausführungsformen erzeugt der HF-Generator eine erste Mikrowellenfrequenz (f1) in dem Bereich von 1 bis 20 GHz. Diese Offenbarung sieht jedoch vor, ein Frequenzmultiplikatormodul (nicht dargestellt) zwischen dem HF-Generator und der HF-Sonde einzusetzen, das f1 auf eine zweite HF-Frequenz (f2) anpasst, wobei f2 > f1. Wenn beispielsweise f1 = 20 GHz, kann das Frequenzmultiplikatormodul ein aktiver Frequenzdoppler sein, der f1 auf f2 anpasst, wobei f2 = 40 GHz. Nach der ersten Ausführungsform sind HF-Frequenzen unter 1 GHz zum Zweck des Induzierens eines FMR-Zustands in dem Magnetfilm nicht praktikabel.
In einem bevorzugten Betriebsmodus für eine FMR-Messung variiert das aufgebrachte Magnetfeld (wird von einem Mindest- zu einem Maximalwert verschoben) bei einer konstanten Mikrowellenfrequenz. Die FMR-Messung wird vorzugsweise durch Verschieben des Magnetfelds sukzessive durch jede von mehreren verschiedenen Mikrowellenfrequenzen wiederholt. Die HF-Diode wandelt den Leistungsausgang von der HF-Sonde in ein Spannungssignal um, das durch ein Ausgangskabel 45 an den Controller übermittelt wird. Danach berechnet der Controller H_K und α, und in einigen Fällen γ und inhomogene Aufweitung (L_o), basierend auf jedem Paar aus aufgebrachtem Magnetfeldwert und aufgebrachter Mikrowellenfrequenz, die verwendet werden, einen FMR-Zustand einzurichten, und auf den Spannungsausgangsdaten von der HF-Diode für jede (x_n, y_n)-Koordinate, die in der FMR-Messsequenz verwendet wird.
Diese Offenbarung umfasst Designs außer der in 3 illustrierten, die eingesetzt werden können, um die Mikrowellenanregung (FMR-Zustand) einer Magnetfilmprobe zu erzeugen und eine Leistungsabsorption darin zu erkennen. Beispielswiese kann ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) ähnlich wie der VNA 10 aus 2 als ein HF-Ausgangsgenerator und HF-Eingangsanalysator verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform in Zusammenhang mit pulsierter induktiver Mikrowellenmagnetometrie (PIMM) können ein Impulsgenerator und ein zeitaufgelöstes Oszilloskop als eine HF-Quelle bzw. ein HF-Analysator dienen. In noch einer anderen Ausführungsform kann eine Einsperrverstärkererkennungstechnik, die einem Fachmann bekannt ist, eingesetzt werden, um das FMR-Ausgangssignal zu verstärken, das den Leistungsverlust aus jedem FMR-Zustand anzeigt.
Mit Verweis auf 4 ist eine schräge Ansicht einer kommerziell verfügbaren HF-Sonde 40 dargestellt. Die HF-Sonde ist an einem Chassis 40c mit Schrauben 41 befestigt. Erste bzw. zweite HF-Verbinder 15a, 15b, die an der HF-Sonde befestigt sind, sind als von einer oberen Fläche der Chassis vorspringend dargestellt. Die HF-Sondenspitze 40t erstreckt sich von einer Vorderseite der HF-Sonde und weist in einer beispielhaften Ausführungsform zwei Sätze Sonden auf, die nach einer Ausführungsform in einem GSSG-Muster angeordnet sind, wenn G-Sonden 40g Erdungspfade sind und S-Sonden 40s Signalpfade sind, die jeweils eine obere Fläche einer Magnetstruktur oder eines Films (nicht dargestellt) kontaktieren, die/der geprüft werden soll. In einigen Ausführungsformen weisen die S- und G-Sonden einen Durchmesser auf, der sich in der Größenordnung von zehn Mikron befindet, wobei jedoch ein unterer Abschnitt davon, der eine obere Fläche des Magnetfilms kontaktiert, möglicherweise eine Abmessung in nahe 1 Mikron aufweist.
In 5 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Scan-FMR-Messsystems dargestellt, das die Magnetbaugruppe umfasst, die ein Magnetfeld in einer zur Ebene rechtwinkligen Richtung an einen Magnetfilm an einem Prüfort bereitstellt, der eine (x_n, y_n)-Koordinate (nicht dargestellt) auf dem WUT 22 darstellt. Eine Halteplatte 28 ist an der HF-Sonde 40 durch eine Montageklammer 29 befestigt. Eine Magnetbaugruppe 30 ist auch unter einem oberen Abschnitt der Halteplatte befestigt und umfasst in der beispielhaften Ausführungsform einen Magnetpol 32, der über der HF-Sondenspitze angeordnet ist, Cu-Spulen 31, die den Magnetpol umgeben, und Magnetrückkehrpole 33, die an äußere Seiten der Kupferspulen angrenzen. Der Waferchuck 20 weist mehrere Löcher 20v in einer oberen Fläche auf, um das Aufbringen eines Vakuums und das Halten des WUT 22 in Position zu erlauben. Der Waferchuck kann sich zwischen FMR-Messungen lateral 50 und vertikal 51 bewegen. HF-Eingangs- bzw. Ausgangskabel 17a, 17b sind mit der HF-Sonde durch einen 90°-Winkelverbinder 16 in der beispielhaften Ausführungsform verbunden.
Mit Verweis auf 6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Scan-FMR-Messsystems in 5 dargestellt. Der Magnetpol 32 weist eine Polspitze 32t auf, die über einer Öffnung 25 in der Montageklammer 29 und über dem Ende 400 der HF-Sondenspitze 40t ausgerichtet ist, die aus zwei Erdungspfaden 40g und zwei Signalpfaden 40s besteht, wie zuvor mit Verweis auf 4 beschrieben wurde. In anderen Ausführungsformen kann die Polspitze durch eine Öffnung vorspringen, kontaktiert jedoch nicht die HF-Sondenspitze oder den Magnetfilm. Eine Unterseite 29b der Montageklammer weist zu einer Oberfläche 22t eines Magnetfilms 22f an dem WUT 22. Das HF-Sondenende 400 springt durch die Öffnung 25 vor und kontaktiert einen Abschnitt der oberen Fläche 22t bei einer FMR-Messung. Das Magnetfeld H_R wird in einer Richtung aufgebracht, die an einer gewählten (x_n, y_n)-Koordinate im Wesentlichen rechtwinklig zur oberen Fläche 22t steht. HF-Frequenzen, die für FMR-Messungen bei dieser Magnetbaugruppe eingesetzt werden, liegen typischerweise in dem Bereich von 1 bis 100 GHz.
Mit Verweis auf 7 ist ein zweites Ausführungsform des Scan-FMR-Messsystems dieser Offenbarung dargestellt, das alle Merkmale der vorherigen Ausführungsform behält außer, dass die Magnetbaugruppe zwei Magnetpole 32a, 32b umfasst, die jeweils durch Cu-Spulen 31 umgeben sind und die auf jeder Seite der HF-Sondenspitze 400 und neben dem WUT 22 angeordnet sind, aber den Magnetfilm (nicht dargestellt) nicht berühren. Hier kann ein erster Pol das In-Ebenen-Magnetfeld H_R aufbringen, während ein zweiter Pol als Rücklaufpol dienen kann. So erzeugt die Polkonfiguration ein Magnetfeld H_R in der Ebene des Magnetfilms neben der (x_n, y_n)-Koordinate, wo die HF-Sondenspitze die obere Fläche davon kontaktiert. Während FMR-Messungen aufgebrachte HF-Frequenzen für diese Magnetbaugruppenkonfiguration können im Bereich von 0,01 bis 100 GHz liegen.
Mit Verweis auf 8 ist eine schematische Zeichnung eines Scan-FMR-Messsystems, das für einen HF-Signal Übertragungsmodus konfiguriert ist, nach einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung dargestellt. Die Magnetbaugruppe und Halteplatte sind nicht dargestellt, um sich auf das elektrische Layout zu konzentrieren. Es sollte verstanden werden, dass jede der magnetischen Baugruppen, die einen einzigen Magnetpol in 5 bis 6 oder einen doppelten Magnetpol (7) aufweist, mit dem HF-Übertragungsmodus eingesetzt werden kann.
In der beispielhaften Ausführungsform besitzt der Controller 11 eine Verbindung 42b mit einem kommerziellen HF-Generator 48 mit der Fähigkeit, einen zuvor erwähnten Frequenzbereich zu erzeugen. Der HF-Generator ist über die Verbindung 42c mit einem Frequenzmultiplikatormodul 47 verbunden, wie etwa einem aktiven Frequenzdoppler, der wiederum über das HF-Eingangskabel 17a mit dem HF-Eingangsverbinder 15a an der HF-Sonde 40 verbunden ist. Das HF-Sondenende 400 kontaktiert den Magnetfilm 22f während einer FMR-Messung, wenn ein Magnetfeld von mindestens einer Magnetpolspitze (nicht dargestellt) und eine HF-Frequenz von einem ersten Signalpfad (40s in 4) in der HF-Sondenspitze gleichzeitig auf eine Region des Magnetfilms neben dem HF-Sondenende aufgebracht wird. Wenn der Magnetfilm in einen FMR-Resonanzzustand angeregt wird, läuft ein HF-Ausgangssignal, das einem Leistungsverlust entspricht, durch einen zweiten Signalpfad an den HF-Ausgangsverbinder 15b und dann an das HF-Ausgangskabel 17b an eine HF-Diode 44, die beispielsweise eine positive Schottkydiode sein kann, um Überspannungsbelastung zu vermeiden. Das HF-Ausgangssignal wird dann an einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 49 übertragen, bevor es den Controller erreicht. Nach einer Ausführungsform sind die Halteplatte mit der Magnetbaugruppe und die HF-Sonde an einer kommerziellen elektrischen Sondenstation installiert, die von verschiedenen Händlern erhältlich ist.
Während Intervallen, in denen keine FMR-Messungen ausgeführt werden, befindet sich die HF-Sondenspitze mit dem Ende 400 einen Spaltabstand > 0 von der oberen Fläche 22t des Magnetfilms 22f auf dem WUT 22 entfernt. Wie zuvor erklärt ist, wenn das Scan-FMR-Messsystem programmiert ist, mehrere FMR-Messungen an einer bestimmten (x_n, y_n)-Koordinate auszuführen, der Waferchuck angehoben, sodass das HF-Sondenende mit dem Magnetfilm in Kontakt steht, bis die FMR-Messungen abgeschlossen sind. Für die einpolige Ausführungsform (6) ist es wichtig, dass die Magnetpolspitze 32t über der (x_n, y_n)-Koordinate ausgerichtet ist, wo das HF-Sondenende mit der oberen Fläche 22t in Kontakt kommt, sodass dieselbe Region neben der (x_n, y_n)-Koordinate für das Magnetfeld (H_R) und die HF-Frequenz (f_R) die für jede FMR-Messung benötigt wird, offengelegt ist.
Während einer FMR-Messung, wenn ein Magnetfeld auf einen Bereich um eine (x_n, y_n)-Koordinate an dem Magnetfilm aufgebracht ist, der durch das HF-Sondenende 40e kontaktiert ist, ist ein Abschnitt der Mikrowellenleistung, die durch das HF-Eingangssignal bereitgestellt wird, durch den Magnetfilm 22f während eines FMR-Zustands absorbiert, sodass das HF-Ausgangssignal, das durch das HF-Ausgangskabel 17b und durch eine HF-Leistungsdiode geleitet wird, eine geringere Leistung aufweist als das HF-Eingangssignal. Die HF-Leistungsdiode kann eine Schottkydiode oder eine andere kommerzielle HF-Diode sein und wandelt das HF-Ausgangssignal für jedes (H_R, f_R) Paar in eine Spannungsmessung um, die an den Controller weitergeleitet wird. In anderen Worten, die Intensität des aufgebrachten Magnetfelds (H_R) kann für eine bestimmte HF-Frequenz (f_R) variiert werden oder auf mehrere HF-Frequenzen kann während jeder FMR-Messung ein konstantes Magnetfeld an einer (x_n, y_n)-Koordinate aufgebracht werden. Vorzugsweise wird das aufgebrachte Magnetfeld mit einer konstanten Mikrowellenfrequenz (F1) von einer Mindest- zu einem Maximalwert bewegt, und dann wird die FMR-Messung wiederholt, indem das Magnetfeld nacheinander mit jeder der von mehreren verschiedenen Mikrowellenfrequenzen (F2, F3, ... Fn) bewegt wird. Wenn mehrere FMR-Messungen an einer ersten (x_n, y_n)-Koordinate vorgenommen wurden, werden der Waferchuck und der WUT gesenkt und für einen zweiten Satz FMR-Messungen an eine zweite (x_n, y_n)-Koordinate „getaktet“. So umfasst das Scan-FMR-Verfahren, das hierin beschrieben ist, mehrere FMR-Messungen an mehreren vorprogrammierten (x_n, y_n)-Koordinaten, und es wird durch den Controller 11 verwaltet.
Nach einer zweiten Ausführungsform aus 9 ist das Scan-FMR-Messsystem dieser Offenbarung in einem Reflexionsmodus konfiguriert. Der Reflexionsmodus behält alle Merkmale, die zuvor für den Übertragungsmodus beschrieben sind, wobei jedoch nur ein Signalpfad 40s in der HF-Sonde 40 aktiv ist. Anders ausgedrückt, nur ein Satz G- und S-Pfade ist elektrisch verbunden und der andere Satz ist nicht aktiv. Weiterhin wird nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Richtungskoppler 60 zwischen den aktiven Frequenzdoppler (AFD) 47 und das HF-Eingangskabel 17a eingesetzt. Dementsprechend wandert ein HF-Eingangssignal von dem HF-Generator 48 durch das Frequenzmultiplikatormodul wie die AFD, wie in der ersten Ausführungsform. Dann läuft das HF-Eingangssignal durch den Richtungskoppler, das HF-Eingangskabel und den HF-Eingangsverbinder 15a an das HF-Sondenende 40e.
Ein Abschnitt der Mikrowellenleistung, die durch das HF-Eingangssignal bereitgestellt wird, wird durch den Magnetfilm 22f neben einer (x_n, y_n)-Koordinate absorbiert, die durch das HF-Sondenende kontaktiert ist. In diesem Fall wird das HF-Ausgangssignal durch den Signalpfad 40s geleitet, der für das Eingangssignal verwendet wird, und durch den HF-Eingangsverbinder 15a zurück zu dem Richtungskoppler 60, wo das HF-Signal durch das HF-Ausgangskabel 17c an die Schottkydiode 44 oder eine andere HF-Diode geleitet wird, und den ADC 49, bevor es den Controller 11 erreicht. In alternativen Ausführungsformen kann ein Leistungsteiler oder ein Bias-T-Stück statt des Richtungskopplers verwendet werden, wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird.
Wie oben bezüglich des Übertragungsmodus beschrieben, kann die Intensität des aufgebrachten Magnetfelds (H_R) an der (x_n, y_n)-Koordinate für jede in einer Reihe von Frequenzen F1, F2 und so weiter bis Fn von einem Mindest- zu einem Maximalwert bewegt werden. Alternativ dazu kann die HF-Frequenz für jedes aufgebrachte Magnetfeld von einem Mindest- zu einem Maximalwert in einer Reihe steigender Größen von H1, H2 und so weiter bis Hn bewegt werden. Wenn mehrere FMR-Messungen an einer ersten (x_n, y_n)-Koordinate vorgenommen wurden, werden der Waferchuck und der WUT gesenkt und für eine zweite Reihe FMR-Messungen an eine zweite (x_n, y_n)-Koordinate „getaktet“. So umfasst das Scan-FMR-Messverfahren der zweiten Ausführungsform, die auf einem HF-Reflexionsmodus basiert, das Vornehmen mehrerer FMR-Messungen an mehreren vorprogrammierten (x_n, y_n)-Koordinaten auf einem Magnetfilm 22f. Die Schottkydiode 44 oder eine andere kommerzielle HF-Diode wandelt das HF-Ausgangssignal für jedes (H_R, f_R) Paar in eine Spannungsmessung um, die durch den ADC 49 an den Controller weitergeleitet wird.
Der Controller verwendet die FMR-Messdaten einer oder mehrerer Gleichungen (1) bis (3), die oben beschrieben sind, um Hk, α und in einigen Fällen γ und eine inhomogene Ausweitung (L_o) an jeder (x_n, y_n)-Koordinate auf dem Magnetfilm zu bestimmen. Wie bereits angegeben, kann sich der Begriff „Magnetfilm“ auf einen Schichtenstapel in einem unstrukturierten Film oder in mehreren Vorrichtungen mit Submillimeter oder sogar Submikronabmessungen entlang den x-Achsen- und y-Achsenrichtungen beziehen. In allen Fällen sollte ein leitender Pfad durch den Magnetfilm vorhanden sein, um eine HF-Frequenz (mit einem aufgebrachten Magnetfeld) in die Lage zu versetzen, einen FMR-Zustand in dem Magnetfilm zu induzieren.
Mit Verweis auf 10 ist eine vereinfachte äquivalente DC-Schaltung der verbundenen Vorrichtungen für den Übertragungsmodus illustriert. Der obere Abschnitt der Zeichnung zeigt das Ende 400 der Sondenspitze wo ein erster Signalpfad 40s₁ und ein zweiter Signalpfad 40s₂ je durch einen Erdungspfad 40g flankiert sind. Der untere Abschnitt der Zeichnung zeigt einen HF-Generator 48 als eine Signalquelle und eine Verbindung durch Pfad 40s₁ zu einem Widerstand, der einen Widerstandsstrompfad durch den Magnetfilm 22f neben einer (x_n, y_n)-Koordinate darstellt. Der Ausgangspfad läuft durch den zweiten Signalpfad 40s₂ an die Schottkydiode 44 oder eine andere HF-Diode, wo ein Spannungssignal erzeugt wird, das dem Leistungsverlust beim Durchlaufen des Widerstandsspannungspfads entspricht.
In 11 ist eine vereinfachte äquivalente DC-Schaltung der verbundenen Vorrichtungen für den Reflexionsmodus illustriert. Die linke Seite der Zeichnung zeigt das Ende 40e der Sondenspitze, wo der Signalpfad 40s an einen Erdungspfad 40g angrenzt. Es ist zu beachten, dass nur einer der beiden Sätze 40g/40s Pfade aus 4 während FMR-Messungen, die im Reflexionsmodus erhalten werden, aktiv ist. Die rechte Seite von 11 zeigt einen HF-Generator 48 und eine Verbindung durch den Signalpfad 40s mit einem Kondensator, der einen kapazitiven Strompfad durch den Magnetfilm 22f neben einer bestimmten (x_n, y_n)-Koordinate darstellt. Der Ausgangspfad verläuft auch durch den Signalpfad 40s an einen Richtungskoppler und dann durch eine Schottkydiode 44 oder dergleichen, wo ein Spannungssignal erzeugt wird, das dem Leistungsverlust während des Flusses durch den kapazitiven Strompfad entspricht.
Mit Verweis auf 12 ist ein Scan-FMR-Messverfahren in einem Ablaufdiagramm dieser Offenbarung illustriert und kann für Ausführungsformen mit Übertragungsmodus und Reflexionsmodus mit jeder der zuvor beschriebenen magnetischen Baugruppen eingesetzt werden. In Schritt 110, steuert der Controller (durch Link 42d in 3) den Waferchuck, der den WUT hält, und den obersten Magnetfilm in einer Aufwärtsbewegung (Bewegung 51u in 3), sodass eine Region neben einer ersten (x_n, y_n)-Koordinate an dem Magnetfilm mit dem HF-Sondenende 400 in Kontakt steht (6). Als nächstes weist der Controller in Schritt 111 über eine andere Verbindung 42b den HF-Generator 48 an, eine Mikrowellenfrequenz F1 durch den Signalpfad 40s (4) zu senden, während ein darüberliegendes Magnetpolstück, das zuvor beschrieben ist, ein Magnetfeld an der ersten (x_n, y_n)-Koordinate aufbringt. Wie zuvor erklärt, wird das Magnetfeld vorzugsweise von einem Mindest- zu einem Maximalwert bewegt.
Aufgrund der gleichzeitigen Aufbringung der Mikrowellenfrequenz F1 und des variablen Magnetfelds erreicht der Magnetfilm einen FMR-Zustand und absorbiert einen Abschnitt der Mikrowellenleistung, der von den magnetischen Eigenschaften des Magnetfilms, der Größe F1 und dem aufgebrachten Magnetfeld (H_R) anhängt, das den ferromagnetischen Resonanzzustand in dem Film induziert. Dementsprechend erkennt die HF-Leistungsdiode in Schritt 112 einen verringerten Leistungswert in dem HF-Ausgangssignal im Vergleich mit dem Wert, der durch den Controller in dem HF-Eingangssignal von Schritt 111 vorgegeben ist.
In Schritt 113 wandelt die HF-Leistungsdiode das HF-Ausgangssignal in eine Spannungsmessung um, die (durch einen ADC in den beispielhaften Ausführungsformen in 8, 9) an den Controller übertragen wird, und die Mikrowellenabsorptionsfähigkeit durch den Magnetfilm für die aufgebrachte Mikrowellenfrequenz F1 und das aufgebrachte Magnetfeld H_R anzeigt.
Schritt 114 umfasst eine Wiederholung der Schritte 111 bis 113, außer, dass das HF-Eingangssignal eine zweite Frequenz F2 aufweist, die auf den Magnetfilm an der zuvor gewählten (x_n, y_n)-Koordinate aufgebracht wird, nachdem F1 aufgebracht wird. In einigen Ausführungsformen werden die Schritte 111 bis 113 an jeder (x_n, y_n)-Koordinate, die für das FMR-Messverfahren verwendet wird, mehrfach wiederholt. In anderen Worten, eine dritte Frequenz F3, die sich von F1 und F2 unterscheidet, kann während eines Zeitintervalls nach F2 aufgebracht werden, und so weiter bis zu einer „n-ten“ Frequenz Fn, nachdem F3 aufgebracht wird. Es ist zu beachten, dass das aufgebrachte Magnetfeld für jede Frequenz F1 bis Fn vorzugsweise zwischen dem Mindest- und Maximalwert bewegt wird. So tritt ein FMR-Zustand bei jeder aufgebrachten Frequenz und bei einem bestimmten Magnetfeldwert ein, und jeder FMR-Zustand weist eine eindeutige Mikrowellenabsorptionsfähigkeit auf, die durch die HF-Leistungsdiode in ein entsprechendes Spannungssignal umgewandelt wird. In einer alternativen Ausführungsform wird das aufgebrachte Magnetfeld bei einem ersten Wert H1 konstant gehalten, während die Mikrowellenfrequenzen von F1 bis Fn variiert (bewegt) werden, um einen FMR-Zustand aufzubauen. Danach kann ein zweites Magnetfeld H2, das sich von H1 unterscheidet, aufgebracht werden, während die Mikrowellenfrequenzen durch eine Reihe von Werten variiert werden. Das Scan-FMR-Messverfahren kann durch Bewegung durch einen Bereich von Hf-Frequenzen mit einem unterschiedlichen Magnetfeld bis zu einem maximalen Hn-Wert variiert werden.
Mit Verweis auf Schritt 115 steuert der Controller den Waferchuck und den darüberliegenden Magnetfilm in der Bewegung an eine andere (x_n, y_n)-Koordinate, wie etwa von (x₁, y₁) nach (x₂, y₂). Die Bewegung umfasst einen ersten Schritt des Trennens der HF-Sondenspitze von der ersten (x_n, y_n)-Koordinate mit einer Abwärtsbewegung des Waferchucks und WUT (Bewegung 51d in 3). Dann erfolgt in einem zweiten Schritt eine laterale Bewegung des Waferchucks und WUT (Bewegung 50 in 5), und schließlich ein dritter Schritt einer Aufwärtsbewegung des Waferchucks und WUT, sodass die HF-Sondenspitze eine zweite (x_n, y_n)-Koordinate an dem zu prüfenden Magnetfilm kontaktiert.
Danach werden Schritt 111 bis 114 wiederholt, um eine FMR-Messung an der zweiten (x_n, y_n)-Koordinate abzuschließen. Es ist z beachten, dass jede (x_n, y_n)-Koordinate einen Kontaktbereich von weniger als einem Quadratmikron bis zu mehreren Quadratmillimetern umfassen kann, abhängig von der Größe der gewählten Signalsonden 40s, und jede (x_n, y_n)-Koordinate ein Mittelpunkt in dem Bereich sein kann, der durch die HF-Sondenspitze kontaktiert wird.
Abhängig von dem Durchmesser des WUT, der beispielsweise 6", 8" oder 12" betragen kann, und der Anzahl verschiedener (x_n, y_n)-Koordinaten, die für FMR-Messungen gewünscht sind, zeigt Schritt 116 an, dass die Schritte 111 bis 115 mehrfach wiederholt werden können, um mehrere FMR-Messungen zu ergeben die „n“ verschiedene (x_n, y_n)-Koordinaten umfassen, die jeweils mehrere (H_R, f_R) Paare einschließen, wobei f_R eines aus F1 bis Fn ist und H_R von einem Mindest-H1-Wert zu einem maximalen Hn-Wert variiert werden kann. In Schritt 117 erfolgt eine Entscheidung, ob alle vorgewählten (x_n, y_n)-Koordinaten an dem Magnetfilm geprüft wurden oder nicht. Bei „nein“ erfolgt eine andere FMR-Messung an einer anderen (x_n, y_n)-Koordinate. Bei „ja“ zeigt Schritt 118 an, dass das Scan-FMR-Messverfahren abgeschlossen ist.
Wie zuvor erwähnt, ist der Controller in der Lage, magnetische Eigenschaften in dem Magnetfilm an jedem Messort zu bestimmen, der einer anderen (x_n, y_n)-Koordinate entspricht. Jede FMR-Messung führt zu einem oder mehreren Paaren (Frequenz, Feld), die in der Gleichung (1), auch als (H_R, f_R)-Paare bezeichnet werden, die jedem FMR-Zustand entsprechen. Der Controller verwendet FMR-Messdaten einer oder mehrerer Gleichungen (1) bis (3), die oben beschrieben sind, um Hk, α und in einigen Fällen γ und eine inhomogene Ausweitung (L_o) zu bestimmen.
Unter Verwendung der Ausführungsform im Übertragungsmodus wie oben beschrieben, haben wir FMR-Messungen auf vollen (unstrukturierten) Filmstrukturen ausgeführt. 13 zeigt einen typischen Datensatz. In diesem Beispiel wird die übertragene Leistung für fünf verschiedene Frequenzen als eine Funktion des aufgebrachten Magnetfelds auf einem ungeschnittenen Wafer mit einem Durchmesser von 8 Zoll (WUT) gemessen. Die Kurven 60, 61, 62, 63 und 64 werden mit HF-Frequenzen von 20 GHz, 25 GHz, 30 GHz, 35 GHz bzw. 40 GHz und Bewegen des Magnetfelds zwischen -1,0 Tesla und 1,0 Tesla (10000 Oe) nach einem Scan-FMR-Messverfahren dieser Offenbarung erzeugt. Die FMR-Messung an jeder (x_n, y_n)-Koordinate hat eine Prozesszeit von etwa zwei Minuten benötigt. Die gesamte FMR-Messzeit für den gesamten Wafer hängt von der gewünschten Anzahl (x_n, y_n,)-Koordinaten ab, die in der FMR-Messsequenz enthalten sein soll.
Alle Komponenten, die für die Montage eines Scan-FMR-Messsystems für Ausführungsformen im Übertragungsmodus oder Reflexionsmodus wie hierin beschrieben sind kommerziell verfügbar. Der Querschnittsbereich der Vorrichtungsstrukturen, oder der Bereich unstrukturierter Magnetfilme, die mit einem Scan-FMR-Messschema dieser Offenbarung geprüft werden können, sind wesentlich keiner als auf dem Stand der Technik. Weiterhin ermöglicht die zuvor beschriebene Magnetbaugruppe das Aufbringen es einheitlicheren Magnetfilms, was zuverlässigere FMR-Messungen hervorbringt als konventionelle Verfahren.
Während diese Offenbarung besonders mit Verweis auf die bevorzugte Ausführungsform davon dargestellt und beschrieben wird, verstehen Fachleute auf dem Gebiet, dass verschiedene Änderungen der Form und Details ohne Abweichung von dem Geist und Umfang dieser Offenbarung vorgenommen werden können.

Claims

Ferromagnetisches Resonanz-Scanmesssystem, FMR-Messsystem, zum Bestimmen magnetischer Eigenschaften in einem Magnetfilm (22f) oder in mehreren Vorrichtungsstrukturen, die auf einem zu prüfenden Wafer (22), WUT, gebildet sind, umfassend: (a) eine HF-Sonde (40), die mit einem Mikrowellengenerator (48), HF-Generator, verbunden ist und mindestens eine Sondenspitze (40e) aufweist, welche zwei Erdungspfade (40g) und zwei Signalpfade (40s) zwischen den zwei Erdungspfaden (40g) aufweist, wobei mindestens einer der Signalpfade (40s) während einer FMR-Messung den Magnetfilm (22f) oder mehrere Vorrichtungsstrukturen kontaktiert; (b) eine Magnetbaugruppe (30), die mindestens eine Magnetfeldquelle (31) umfasst, die ein Magnetfeld neben der HF-Sondenspitze (40e) bereitstellt, die zusammen mit einer gleichzeitigen Aufbringung der Mikrowellenfrequenz von dem HF-Generator (48) konfiguriert ist, einen ersten FMR-Zustand in den Magnetfilm (22f) oder mehrere Vorrichtungsstrukturen zu induzieren; (c) ein Erkennungssystem zum Überwachen der Mikrowellenabsorptionsfähigkeit und eines entsprechenden Leistungsverlusts durch den Magnetfilm (22f) oder die mehreren Vorrichtungsstrukturen, wenn der erste FMR-Zustand darin vorliegt, wobei der WUT (22) konfiguriert ist, sich lateral und vertikal relativ zu der HF-Sonde zu bewegen (50, 51), sodass die Sondenspitze (40e) während einer FMR-Messsequenz an einem oder mehreren vorbestimmten Orten mit dem Magnetfilm (22f) oder mehreren Vorrichtungen in Kontakt kommt; und (d) einen Controller (11) zum Verwalten der gleichzeitigen Aufbringung der Mikrowellenfrequenz und des Magnetfelds, der WUT-Bewegung (50, 51) und zum Empfangen eines Signals von dem Erkennungssystem, wobei das Signal in eine Ausgabe umwandelt wird, die aus einer oder mehreren magnetischen Eigenschaften besteht.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die HF-Sonde (40) und die Magnetbaugruppe (30) an einer Halteplatte (28) befestigt sind und während der FMR-Messsequenz stationär gehalten werden, während der WUT (22) bewegt wird.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die HF-Sonde (40) und die Magnetbaugruppe (30) an einer Halteplatte (28) befestigt sind und während der FMR-Messsequenz bewegt werden, während der WUT (22) stationär gehalten wird.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, das in einem Übertragungsmodus konfiguriert ist, wobei ein HF-Eingangssignal von dem HF-Generator (48) durch einen ersten Signalpfad (40s1) der zwei Signalpfade (40s) in der HF-Sondenspitze (40e) an den Magnetfilm (22f) oder mehrere magnetische Vorrichtungsstrukturen läuft und ein zweiter Signalpfad (40s2) der zwei Signalpfade (40s) in der HF-Sonde (40) ein HF-Ausgangssignal von einem Magnetfilm (22f) oder mehreren magnetischen Vorrichtungsstrukturen an eine HF-Diode (44) in dem Erkennungssystem überträgt.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, das in einem Reflexionsmodus konfiguriert ist, wobei ein HF-Eingangssignal von dem HF-Generator (48) durch einen ersten Signalpfad (40s1) der zwei Signalpfade (40s) in der HF-Sonde (40) an den Magnetfilm (22f) oder mehrere magnetische Vorrichtungsstrukturen läuft und der erste Signalpfad (40s1) auch ein HF-Ausgangssignal von einem Magnetfilm (22f) oder mehreren magnetischen Vorrichtungsstrukturen an eine HF-Diode (44) in dem Erkennungssystem überträgt.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei das Erkennungssystem eine HF-Diode (44), die ein HF-Ausgangssignal in ein Spannungssignal umwandelt, und einen Analog-Digital-Wandler (49) zwischen der HF-Diode (44) und dem Controller (11) umfasst.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die Magnetbaugruppe (30) einen einzelnen Magnetpol (32) aufweist, der über der HF-Sondenspitze (40e) angeordnet ist, und das Magnetfeld während der FMR-Messsequenz in einer zur Ebene rechtwinkligen Richtung an jedem des einen oder der mehreren vorgegebenen Orte aufbringt.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 7, wobei die aufgebrachte Mikrowellenfrequenz in einem Bereich von 1 bis 100 GHz liegt.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die Magnetbaugruppe (30) zwei Magnetpole (32a, 32b) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der HF-Sondenspitze (40e) angeordnet sind, und das Magnetfeld während der FMR-Messsequenz an jedem des einen oder der mehreren vorgegebenen Orte in einer In-Ebenen-Richtung aufbringt.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 9, wobei die aufgebrachte Mikrowellenfrequenz in einem Bereich von 0,01 bis 100 GHz liegt.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 5, ferner umfassend einen Richtungskoppler (60), der das HF-Eingangssignal an die HF-Sonde (40) lenkt und eingesetzt wird, um das HF-Ausgangssignal von der HF-Sonde (40) zu isolieren, das an die HF-Diode (44) und dann an den Controller (11) übertragen wird.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die HF-Sonde (40) und die Magnetbaugruppe (30) in einer elektrischen Sondenstation installiert sind.
Scan-FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei der Controller programmiert ist, die gleichzeitige Aufbringung einer Mikrowellenfrequenz und eines Magnetfelds an jedem des einen oder der mehreren vorgegebenen Orte zu wiederholen, wodurch mindestens ein zweiter FMR-Zustand induziert wird, wobei sich mindestens die Mikrowellenfrequenz oder das Magnetfeld von der Mikrowellenfrequenz und dem Magnetfeld unterscheidet, die/das verwendet wird, um den ersten FMR-Zustand zu induzieren.
Verfahren zum Ausführen einer ferromagnetischen Resonanzmessung, FMR-Messung, auf einem ganzen zu prüfenden Wafer (22), WUT, auf dem ein Magnetfilm (22f) oder mehrere magnetische Vorrichtungen gebildet sind, umfassend: (a) Bereitstellen eines Waferchucks (20) oder einer Stufe, auf der der WUT (22) gehalten wird, und Vorliegen einer ersten Verbindung mit einem Controller (11); (b) Bereitstellen einer HF-Sonde, die eine Sondenspitze (40e) aufweist, die zwei Erdungspfade (40g) und zwei Signalpfade (40s) zwischen den zwei Erdungspfaden (40g) aufweist, die konfiguriert ist, mit einer Prüffläche (22t) in Kontakt zu stehen, die aus dem Magnetfilm (22f) oder mehreren magnetischen Vorrichtungen besteht; (c) Aufbringen einer Sequenz von HF-Eingangssignalen von einem HF-Generator (48), der eine zweite Verbindung mit dem Controller (11) aufweist, wobei jedes HF-Eingangssignal durch die HF-Sondenspitze (40e) läuft und eine andere Mikrowellenfrequenz umfasst, die sequenziell an einen ersten Ort auf der Prüffläche übertragen wird; (d) Aufbringen eines Magnetfelds von mindestens einem Magnetpol gleichzeitig mit jeder unterschiedlichen Mikrowellenfrequenz, um einen FMR-Zustand in der Prüffläche (22t) aufzubauen und damit einen HF-Ausgangssignal für jedes Paar aus aufgebrachtem Mikrowellenfrequenzwert und aufgebrachtem Magnetfeldwert zu erreichen; und (e) Übertragen einer Sequenz HF-Ausgangssignale von der HF-Sondenspitze (40e) an eine HF-Diode (44), die konfiguriert ist, jedes HF-Ausgangssignal in ein Spannungssignal zu konvertieren und jedes Spannungssignal an den Controller (11) zu senden, wobei der Controller (11) eine oder mehrere Eigenschaften in dem Magnetfilm (22f) oder den mehreren magnetischen Vorrichtungen bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die HF-Sonde (40) und das Magnetpolstück (32) an einer Halteplatte (28) in einer elektrischen Sondenstation montiert sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der HF-Generator (48), die HF-Sondenspitze (40e) und die HF-Diode (44) in einem Übertragungsmodus konfiguriert sind, wobei jedes der HF-Eingangssignale durch einen ersten Signalpfad (40s1) der zwei Signalpfade (40s) in der HF-Sonde (40) an die Prüffläche (22t) läuft und jedes der HF-Ausgangssignale von der Prüffläche (22t) durch einen zweiten Signalpfad (40s2) der zwei Signalpfade (40s) in der HF-Sonde (40) an die HF-Diode (44) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der HF-Generator (48), die HF-Sondenspitze (40e) und die HF-Diode (44) in einem Reflexionsmodus konfiguriert sind, wobei jedes der HF-Eingangssignale durch einen ersten Signalpfad (40s1) in der HF-Sonde (40) an die Prüffläche (22t) läuft und jedes der HF-Ausgangssignale von der Prüffläche (22t) durch einen ersten Signalpfad (40s1) der zwei Signalpfade (40s) an die HF-Diode (44) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das HF-Eingangssignal durch einen Richtungskoppler (60) zwischen dem HF-Generator (48) und der HF-Sonde (40) läuft und das HF-Ausgangssignal auch durch den Richtungskoppler (60) läuft, bevor es die HF-Diode (44) erreicht.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend das Ausführen einer FMR-Messung an mehreren verschiedenen Orten an der Prüffläche (22t) in einem Scanmodus, während der Magnetpol (32) und die HF-Sonde (40) stationär sind, wobei der WUT (22) und ein Waferchuck (20), an dem der WUT (22) gehalten wird, durch eine Sequenz von einem ersten Ort zu einem der verschiedenen Orte bewegt werden, die umfasst: (a) Trennen der HF-Sondenspitze (40e) und Prüffläche (22t) unter Verwendung einer vertikalen Bewegung (51) des Waferchucks (20); (b) Durchführen einer lateralen Bewegung (50) des Waferchucks (20), sodass die HF-Sondenspitze (40e) und das Magnetpolstück (32) über einem der verschiedenen Orte ausgerichtet sind; und (c) Durchführen einer vertikalen Bewegung (51) des Waferchucks (20), sodass die HF-Sondenspitze (40e) die Prüffläche (22t) an dem einen der verschiedenen Orte kontaktiert; und
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aufbringen des Magnetfelds das Bewegen durch einen Bereich von Magnetfeldern von einem Mindestmagnetfeldwert zu einem Maximalmagnetfeldwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein einzelner Magnetpol über der HF-Sondenspitze (40e) ausgerichtet ist und das Magnetfeld in einer zur Ebene rechtwinkligen Richtung auf die Prüffläche (22t) aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Größe des aufgebrachten Magnetfelds bis zu 3 Tesla beträgt und die verschiedenen Mikrowellenfrequenzen in einem Bereich von etwa 1 bis 100 GHz liegen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei zwei Magnetpole (32a, 32b) an gegenüberliegenden Seiten der HF-Sondenspitze (40e) angeordnet sind, sodass das Magnetfeld während der FMR-Messung in einer In-Ebenen-Richtung an der Prüffläche (22t) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Größe des aufgebrachten Magnetfelds bis zu 3 Tesla beträgt und die verschiedenen Mikrowellenfrequenzen in einem Bereich von etwa 0,01 bis 100 GHz liegen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Spannungssignal von der HF-Diode (44) mit einem Analog-Digital-Wandler (49), der sich zwischen der HF-Diode (44) und dem Controller (11) befindet, aus einer analogen in eine digitale Form umgewandelt wird.