KR102291840B1

KR102291840B1 - 자성막 및 다층 스택의 포화 자화를 측정하기 위한 방법

Info

Publication number: KR102291840B1
Application number: KR1020190128064A
Authority: KR
Inventors: 산티아고 세라노 기산; 룩 토마스; 구에놀레 잔; 손 레
Original assignee: 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-08-24
Also published as: CN111060854A; US20200116811A1; DE102019124329A1; DE102019124329B4; US11609296B2; KR20200043292A; US10788561B2; TW202016567A; US20210025958A1

Abstract

장축을 따라 길이를 갖는 세장형 구조(elongated structure)에 자성막 또는 층 스택이 패터닝되는 경우에 있어서 강자성 공진(FMR) 측정 방법이 개시된다. 자기장(H)이 장축에 대해 2개의 상이한 방향(면내 평행 방향과 장축에 수직인 방향)으로 인가되거나 한 방향은 평면에 수직일 수도 있다. 다른 실시형태에서, H는 x축 방향으로 장축을 갖는 제1 세장형 구조 세트에 평행하게, 그리고 y축 방향으로 장축을 갖는 제2 세장형 구조 세트에 수직으로 인가된다. (고정 자기장 및 주파수 범위를 통한 스위핑의 경우)측정된 공진 주파수의 차분(Δfr) 또는 (고정 마이크로파 주파수 및 자기장 진폭 범위를 통한 스위핑의 경우)측정된 공진 자기장 차분(ΔHr)으로부터, 자기소거율 공식을 사용하여 자기 포화도(Ms)가 결정된다.

Description

자성막 및 다층 스택의 포화 자화를 측정하기 위한 방법{METHOD FOR MEASURING SATURATION MAGNETIZATION OF MAGNETIC FILMS AND MULTILAYER STACKS}

<관련 특허 출원>

본원은 2017년 3월 20일에 출원한 도킷 # HT16-012, 일련 번호 15/463,074; 2018년 1월 19일에 출원한 도킷 # HT17-025, 일련 번호 15/875,004; 그리고 2018년 8월 7일에 출원한 도킷 # HT17-048, 일련 번호 16/056,783에 관한 것이며, 이들 모두는 공통 양수인에게 양도되었으며, 본 명세서에 전체적으로 참조로 포함된다.

<기술 분야>

본 개시내용은 평행한 스트라이프와 같은 세장형 구조(elongated structure)로 패터닝되는 자성막 또는 다층 스택에서 포화 자화(Ms)를 측정하기 위한 강자성 공진(FMR, ferromagnetic resonance) 방법에 관한 것이며, 구체적으로, 이러한 구조의 장축에 대한 자기장의 적어도 2개의 상이한 배향(orientation)을 따라 홀 웨이퍼(whole wafer) 상의 패터닝된 구조의 FMR 스펙트럼을 측정한 다음, 공진장의 차분으로부터 또는 2개의 측정치의 공진 주파수의 차분으로부터 Ms를 계산하는 것에 관한 것이다.

자성 박막 및 다층은 HDD(magnetic hard disk) 드라이브, MRAM(Magnetic Random Access Memory), STO(spin torque oscillator), 및 MDW(magnetic domain wall) 디바이스와 같은 다양한 타입의 자기 저장 디바이스에서 핵심 역할을 한다. 이러한 디바이스를 개발하여 최적화하기 위해서는, 자성 박막 스택의 모니터링 및 특성화가 필요하다. 결정 이방성, 표면 또는 계면 이방성, 포화 자화(Ms), 감쇠 상수(α), 자기회전비(gyromagnetic ratio)(γ), 불균일한 확장도, 저항 x 면적 곱(RA), 및 자기저항비(MR, magnetoresistive ratio)와 같은 필수 자기 파라미터를 결정하기 위해서는 다양한 자기 특성 분석 기법을 사용해야 한다.

전술한 파라미터 중 일부(RA 및 MR)는 CIPT(Current-in-Plane Tunneling)와 같은 비침습적 수송 측정(non-invasive transport measurement)에 의해 산업계에 사용되는 크기의 웨이퍼(직경 6, 8, 12 인치 이상)에서 결정될 수 있다. 다른 자기 파라미터는 일반적으로 이방성장(Hk), 자기회전비(γ), 감쇠 상수(α) 또는 불균일한 확장도(L₀)를 도출하기 위한 FMR 기술에 의해, 또는 Ms를 결정하기 위한 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) 및 진동 시료 자력 측정(VSM, Vibrating Sample Magnetometry) 중 하나 또는 양자에 의해 결정된다. 그러나, 이들 기법은 일반적으로 웨이퍼 크기의 자성막을 소형 시편(coupon)으로 절단하는 것을 필요로 하고 이에 의해 이러한 특성화 툴을, 파괴적이고 비실용적이며 시간과 노동 집약적으로 만들어, 비용면에서 불리하다.

종래 기술에서, FMR 측정은 일반적으로 마이크로파 여기 및 준정적 자기장(quasi-static magnetic field)의 조합으로 자성계(박막, 다층 스택 또는 구조화된 디바이스)를 프로빙하는 것을 포함하는 방법에 의해 수행된다. FMR 데이터는 일정한 마이크로파 주파수에서 자기장을 스위핑하거나 또는 일정한 자기장에서 주파수를 스위핑함으로써 취득될 수 있다. 강자성 공진 조건이 달성될 때에, 그 조건은 강자성 샘플에 의한 마이크로파(RF 신호)의 강화된 흡수에 의해 검출될 수 있다. 따라서, 공진(FMR) 조건은 각 공진 조건에 대한 자기장(Hr) 및 마이크로파 주파수값(fr)의 쌍에 의해 정의된다. 앞서 언급한 바와 같이, 웨이퍼의 부분(piece)을 사용하는 FMR 측정은 비용으로 인해 산업 환경에서 허용되지 않는다. 또한, 효율을 높이기 위해 단 하나의 측정 방법을 사용하여 Hk, γ, α, 및 L₀ 결과 외에 Ms 데이터를 얻을 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 홀 웨이퍼(whole wafer)에 대해 완전 자동화된 측정을 가능하게 하고 Ms 값을 결정할 수 있는 개선된 FMR 측정 방법이 필요하다. 개선된 FMR 측정 방법은 또한 자기 터널 접합(MTJ) 스택과 같은 패터닝된 막의 스택에 대해서도 전술한 데이터를 얻을 수 있어야 한다.

본 개시내용의 일 목적은 홀 웨이퍼(whole wafer) 상에 MTJ 층 스택을 비롯한 자성막에서 Ms를 결정하기 위한 FMR 방법을 제공하는 것이다.

본 개시내용의 제2 목적은 제1 목적에 따라, 상이한 자기장 배향을 적용함에 있어서 그리고 측정에 사용되는 패턴의 크기에 있어서 융통성이 있는 FMR 방법을 제공하는 것이다.

이들 목적은 본 개시내용의 일 실시형태에 따라, 전기 프로브 스테이션에 링크된 컨트롤러(컴퓨터) 주위에 구성되는 FMR 측정 시스템을 사용할 때에 달성된다. FMR 측정 시스템은 관련 특허 출원 일련 번호 15/463,074, 및 15/875,004에서 설명하는 유도성 기법(inductive technique)에 기반할 수도 있고, 관련 특허 출원 일련 번호 15/875,004 및 16/056,783에서 설명하는 하나 이상의 자기장 소스를 포함한 자기 어셈블리를 또한 유지하는 장착판에 인접한 하나 이상의 프로브를 채택할 수도 있다. 따라서, 본 개시내용의 FMR 측정은 관련 특허 출원에서 설명하는 완전 자동화된 웨이퍼 레벨 FMR 장치에 의해 수행될 수 있다. 자기 어셈블리는 "평면에 수직인" 자기장을 인가하도록 구성될 수 있고, 장착판 상의 하나 이상의 RF 프로브는 다수의 사이트가 연속적으로 또는 동시에 측정되도록 자성막 상의 복수의 미리 결정된 위치와 접촉할 수 있다.

다른 실시형태에 있어서, 자기 어셈블리는 RF 프로브의 어느 한 측에 위치하는 2개의 자극(또는 각 자극쌍의 한 자극이 "m"개의 RF 프로브 중 하나의 프로브의 각 측에 배치되는 2m개의 자극, 여기서 m은 2 이상의 정수)을 포함하여, FMR 측정 동안 각각의 미리 결정된 테스트 위치에서 자성막에 면내 자기장을 제공한다. 자극은 자성막에 근접해 있지만 그 상부 표면과 접촉하지 않는다.

FMR 측정을 수행하기 위한 RF 전송 모드를 나타내는 일 실시형태에 따르면, RF 입력 신호는 프로브 팁에서 신호(S) 경로를 통과하는 반면, 자기장은 RF 프로브 팁에 의해 접촉된 자기 구조에 인가된다. RF 전류가 테스트 구조에서 자성층을 여기시킬 때, 신호 경로를 통해 RF 출력 신호로 전송되고 RF 다이오드에 의해 검출되는 전력 손실이 있다. RF 다이오드는 선택적인 데이터 수집(DAQ) 시스템을 통해 데이터를 컨트롤러로 전송하는 ADC(analog-to-digital converter)에 링크될 수 있다. 테스트 구조를 통해 전송된 RF 전력은 고정 자기장(H)의 함수에 따라 상이하게 인가된 RF(마이크로파) 주파수에 대해 측정되거나, 또는 고정된 마이크로파 주파수가 인가되는 동안 상이한 H 값을 스위핑하여 측정된다.

반사 모드에서 FMR 측정이 수행되는 대안의 실시형태에서는, 지향성 커플러가 RF 회로에 삽입되는 것을 제외하면 제1 실시형태의 컴포넌트들이 유지되는데, RF 입력 신호와 RF 출력 신호가 지향성 커플러에 대해 동일한 S 경로를 통과하기 때문에 RF 프로브 팁에 하나의 S 경로만이 필요하게 된다. RF 출력 신호는 지향성 커플러로부터 RF 다이오드로 전송된 다음 ADC, DAQ 시스템 및 컨트롤러로 전송된다.

본 개시내용의 FMR 측정 방법은 또한 막 스택을 복수의 스트라이프로 또는 테스트 대상 웨이퍼(WUT, wafer under test) 상의 길이 L, 폭 w 및 두께 t를 포함하는 공지된 치수의 다른 세장형 피처(elongated feature)로 패터닝하는 단계를 포함한다. 그 후, FMR 스펙트럼은, 테스트 위치에서 일정 범위의 RF 주파수를 스위핑하는 동안 2개의 상이한 방향을 따라 자기장(H)을 인가함으로써 또는 고정된 RF 주파수에서 상이한 H를 스위핑함으로써 얻어진다. 예를 들어, 스트라이프 패턴이 x축을 따른 길이 방향 및 y축을 따른 폭 방향을 가질 때 제1 자기장이 x축 방향으로 인가되고 제2 자기장이 y축 방향으로 인가된다. 대안적으로, 제1 자기장은 x축(또는 y축) 방향으로 인가되고, 제2 자기장은 z축(평면에 수직인 방향) 방향으로 인가된다. 더욱이, 제1 스트라이프 세트는 x축을 따른 길이 방향을 가질 수 있는 한편, 제2 스트라이프 세트는 WUT를 회전시키거나 인가된 제1 및 제2 자기장 사이에서 자기 어셈블리를 스위칭하는 것을 피하기 위해 y축을 따른 길이 방향을 가질 수 있다. Ms는 여기에 설명하는 바와 같이, 스트라이프의 긴 치수 및 짧은 치수를 따른 자기소거 계수(demagnetizing factor)((Nx 및 Ny)의 공식을 사용하여 두 측정치 간의 공진장의 차분 또는 공진 주파수 차분으로부터 계산된다.

도 1은 웨이퍼 레벨에서 본 개시내용의 FMR 측정 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 FMR 측정 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 제1 실시형태에 따라, 웨이퍼 상에 치수 L 및 w를 갖고, 인가된 면내 자기장(H)에 평행한 장축 및 교차하는 장축을 갖는 2개의 스트라이프 세트를 도시하는 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시내용의 제2 실시형태에 따라, 제1 면내 자기장(H₁) 및 제2 면내 자기장(H₂)이, 각각 장축 치수에 평행하게 그리고 장축 치수에 수직으로 인가되는 단일 스트라이프 세트의 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시내용의 또 다른 실시형태에 따라, 제1 면내 자기장(H₁) 및 제2 면에 수직인 자기장(H₂)이, 각각 장축 치수에 대해 인가되는 단일 스트라이프 세트의 평면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 스트라이프 길이(L)의 함수에 따른, 두께 1 nm 및 상이한 폭(w)의 자기 스트라이프에 대한 자기소거 계수(Nx, Ny, Nz) 간의 관계를 각각 나타내는 플롯이다.
도 6a 내지 도 6c는 스트라이프 길이(L)의 함수에 따른, 길이 10 마이크론 및 상이한 폭(w)의 자기 스트라이프에 대한 자기소거 계수(Nx, Ny, Nz) 간의 관계를 각각 나타내는 플롯이다.
도 7a는 인가된 면내 자기장(H)이 스트라이프 길이 방향에 평행하거나 교차하는 경우에, L이 ~10 마이크론, w이 ~100 nm, 그리고 t이 ~1 nm인 자기 스트라이프에 있어서, FMR 주파수 대 인가된 자기장을 보여주는 플롯이다.
도 7b는 도 7a에 도시한 2개의 면내 자기장 구성에 있어서 FMR 공진장 간의 차분(ΔHr = Hrx - Hry) 대 인가된 자기장 진폭(H)을 보여주는 플롯(실선)이고, 점선은 높은 자기장에 대한 ΔHr의 한계 값을 보여준다.
도 8은 면내 자기장(H)이 40 kOe인 경우 스트라이프 폭의 함수에 따른 ΔHr의 변화를 나타내는 플롯이다.
도 9는 본 개시내용의 일 실시형태에 따라 상이한 RF 마이크로파 주파수에서의 다양한 인가 자기장의 함수에 따른 RF 다이오드로부터의 취득된 데이터의 플롯이다.

본 개시내용은 웨이퍼 상의 x축 및 y축 방향 중 하나를 따른 길이 방향과 x축 및 y축 방향 중 다른 하나를 따른 폭 방향을 가진, 스트라이프와 같은 적어도 하나의 세장형 구조 또는 세장형 구조 세트로 패터닝되는 자성막 또는 층 스택에서 포화 자화(Ms)를 결정하는 FMR 측정 방법이며, FMR 스펙트럼은 일정 범위의 마이크로파 주파수를 스위핑하는 동안 고정된 자기장의 2개의 상이한 배향에 대해, 또는 고정된 마이크로파 주파수로 자기장을 일정 범위의 값에 거쳐 스위핑함으로써, 취득된다. Ms는 2개의 상이한 주파수 배향을 수반하는 FMR 측정치에 대한 공진장의 차분 또는 공진 주파수의 차분으로부터 계산된다. x축 및 y축 방향은 테스트 대상 웨이퍼(WUT)의 면내에 있고, z축 방향은 WUT 상에 형성된 자성막의 면에 수직이다. "RF"와 "마이크로파"의 용어는 상호교환적으로 사용될 수 있으며, "컨트롤러"와 "컴퓨터"도 상호교환적으로 사용될 수 있다.

관련 미국 특허 출원 일련 번호 15/463,074에서, RF 입력 및 RF 출력 커넥터에 부착되고, 홀 웨이퍼(whole wafer) 상의 복수의 사이트에서 FMR 측정을 수행하여 이방성장(Hk), 자기회전비(γ), 감쇠 상수(α), 및 불균일한 확장도(L₀)를 포함한 자기 파라미터를 결정할 수 있는, 도파관 전송 라인(WGTL, waveguide transmission line)에 의존하는 FMR 측정 시스템을 개시하였다. 그후에, 미국 특허 출원 일련 번호 15/875,004에 개시된 변형된 FMR 측정 시스템에서는 RF 전기 프로브가 자기 어셈블리와 함께 장착판 상에 형성되어 FMR 측정을 수행한다. 이어서, 미국 특허 출원 일련 번호 16/056,783에서, WUT 상의 복수의 미리 결정된 사이트에서 복수의 FMR 측정을 연속으로 또는 동시에 수행하기 위해 완전 자동화된 FMR 측정 시스템에 있어서 다수의 RF 프로브 및 다수의 자기장 소스를 WUT 위의 장착판 상에 어떻게 형성할 수 있는지를 개시하였다.

여기서는, 관련 특허 출원에서 기술한 FMR 장치에 대한 구성 중 하나를 사용하여 패터닝된 자성막에 대한 Hk, γ, α, 및 L₀ 외에 Ms 데이터를 결정하는 방법을 개시한다. 패터닝된 자성막의 소형 시편(coupon)에서 FMR 특성화를 가능하게 하는 다른 시스템도 본 방법에 의해 Ms를 결정하는데 사용될 수 있음을 이해해야 할 것이다. MOKE(Magneto Optical Kerr Effect) 또는 AHE(Anomalous Hall Effect)와 같은 다른 계측 기술을 사용하여 패턴 구조의 Ms를 측정할 수 있다. 그러나, 여기에 개시하는 FMR 측정 방법은 쉽게 계산되며 보다 정확한 데이터를 제공할 수 있으며, Ms 이외의 다른 자기 파라미터를 도출할 수 있는 데이터를 제공한다는 추가 장점이 있다.

"Material parameters of perpendicularly magnetized tunnel junctions from spin torque ferromagnetic resonance techniques"[C. Safranski et al. Applied Phys. Letters 109, 132408 (2016)]와 같은, 나노필라 구조화된 자기 디바이스(nanopillar structured magnetic device)에서 횡방향 치수의 함수로서 자기소거장(demagnetizing field)을 측정하는 것에 기반하여 Ms을 결정하는 다른 방법도 있다. 이러한 접근법의 아이디어는, 자기 구조마다, 측방향 치수, 계면 특성, 및/또는 모폴로지의 변화와 관련되는 공정 관련 손상이 Ms, Hk 또는 심지어 자기소거 계수와 같은 자기 특성의 분산을 초래할 수 있고, 따라서 이러한 자기 특성의 크기 의존성(size dependence)을 유도한다는 것이다. 그러나, 이러한 크기 의존성 피팅(fitting)에 기초한 Ms 측정치는 수많은 가정과 근사, 그래서 에러에 취약하게 된다. 여기에 개시하는 FMR 측정 방법은 두 개의 상이한 방향을 따라 단일 폭 및 길이를 갖는 자기 스트라이프의 측정만을 필요로 하는데, 에지 효과가 상쇄될 것이기 때문에 이것은 본 방법이 에지 손상에 대해 본질적으로 둔감하다는 것을 의미한다.

도 1을 참조하면, 본 개시내용의 FMR 측정 방법에 채택될 수 있는 FMR 측정 시스템의 주요 컴포넌트를 포함한 개략도가 도시된다. 웨이퍼 척(20)이라고도 알려진 프로버 스테이지의 상향 이동부(51u) 또는 하향 이동부(51d)를 관리하기 위한 컴퓨터(11)와, 테스트될 자성막(23)이 형성되어 있는 WUT(22)가 있다. 웨이퍼 척 및 WUT는 "m"개의 RF 프로브(40a-40m) 각각이 WUT 상의 미리 결정된 테스트 위치에 접촉하거나 근접하도록 장착판에 대해 상승할 수 있으며, 여기서 "m"은 2 이상의 정수이다. 측방향 이동(x축 및 y축 방향)과 관련하여 장착판을 WUT 위에 배치하고 또한 컨트롤러가 지시하는 대로 WUT와의 접촉 또는 근접을 조정하도록 수직 접근을 관리하기 위해 전기 프로브 스테이션이 채택될 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서는, RF 프로브가 프로브 카드에 부착될 수도 있다.

자기 어셈블리(30)는 적어도 하나의 자기장 소스를 포함하지만, 일부 실시형태에서는 복수의 "k"개의 자극(여기서 k는 1 ≤ k ≤ m인 정수)을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서는, 자기 어셈블리가 자극이 필요하지 않도록 하나 이상의 초전도 와이어 코일을 포함할 수도 있다. 컴퓨터(11)는 자기 어셈블리 내의 하나 이상의 자극 또는 코일에 자속을 형성하기 위해 전력을 생성하는 발전기(34)(또는 복수의 발전기)에 대한 링크(42a)를 갖는다. WUT 상의 "m"개의 상이한 미리 결정된 (x_i, y_i) 좌표(테스트 위치)에 최대 10 테슬라의 자기장이 동시에 또는 연속적으로 인가되고, 각각의 RF 프로브(40a-40m) 내의 RF 신호 경로가 각각의 (x_i, y_i) 좌표에서의 자성막 상부 표면의 약 100 마이크론 이내에 있거나 접촉한다.

전술한 각각의 관련 특허 출원에 기술된 바와 같이, 자기장은 WUT의 평면에 수직으로 또는 면내에 인가될 수 있다. 전자의 경우, 1 GHz 내지 100 GHz의 RF 마이크로파 주파수 범위가 채택될 수 있다. 면내 자기장 옵션의 경우, 사용 가능한 RF 마이크로파 주파수 범위는 0.01 GHz 내지 100 GHz이다.

컨트롤러(11)는 RF 입력 신호(42s)를, 광대역 RF 전력 분배기 등의 하나 이상의 RF 전력 분배기(60)에 또는 하나 이상의 광대역 RF 지향성 커플러에 제공하는 RF 생성기(48)에 대한 전기 접속부(42b)를 갖는다. RF 입력 신호는 RF 전력 분배기 또는 RF 전력 라우팅 디바이스를 사용하여 각각의 RF 프로브로 전달될 수 있다. RF 프로브 내의 제1 신호 경로를 통한 마이크로파 주파수(RF 입력 신호)와, 자극으로부터의 최대 10 테슬라의 인가된 자기장(H)을 동시에 인가하면, WUT 상의 각 (x_i, y_i) 좌표에 근접한 자성막에 FMR 조건(RF 전력 흡수)이 유도된다. 각 FMR 측정은 고정된 H를 인가하는 동안 일정 범위의 마이크로파 주파수를 스위핑하는 것 또는 고정된 마이크로파 주파수에서 일정 범위의 H 값을 스위핑하는 것을 포함한다.

바람직한 일 실시형태에서, 각각의 RF 프로브(40a-40m)로부터의 RF 출력 신호는 자성막으로부터 전송된 RF 출력 신호를 수집하는 RF 다이오드(44a-44m) 중 하나에 의해 검출되며, 이 출력 신호는 전송 모드에서는 제2 신호 경로를 통해 또는 반사 모드에서는 제1 신호 경로를 통해 각 RF 프로브로부터 배출된다. 각각의 RF 출력 신호는 일정량의 마이크로파 전력이 흡수되고 자성막을 공진 상태로 여기시키는 FMR 조건에 의해 야기되는 RF 전력 손실에 대응한다. (x_i, y_i) 좌표에서의 각각의 FMR 측정치는 상이한 RF 주파수에 각각 대응하는 복수의 RF 입력 신호를 포함할 수 있다.

FMR 측정을 위한 하나의 바람직한 동작 모드에서, 인가된 자기장은 일정한 마이크로파 주파수에서 변한다(최소값에서 최대값으로 스위핑됨). FMR 측정은 바람직하게는 복수의 상이한 마이크로파 주파수 각각에 거쳐 자기장을 연속적으로 스위핑함으로써 반복된다. 일 실시형태에서, 각각의 RF 다이오드(44a-44m)는 복수의 "m"개의 RF 프로브(40a-40m) 중 하나로부터 출력된 전력을, DAQ(Data Acquisition) 시스템(10)으로 전송되는 전압 신호로 변환한다. 이 DAQ 시스템은 각 RF 프로브의 전압 출력 신호를 디지털화하여 컨트롤러(11)에 의해 프로세싱되게 한다. 그 후, 컨트롤러(11)는 FMR 조건을 확립하는데 사용되는 인가된 자기장 값 및 인가된 마이크로파 주파수의 각 쌍에 기초하여 그리고 각 RF 다이오드로부터의 전압 출력 데이터에 기초하여, H_k, γ, α, 불균일한 확장도(L₀), 및 Ms 중 하나 이상을 계산한다.

도 2를 참조하면, 본 개시내용의 일 FMR 측정 방법은 WUT(22) 상의 자성막 내에 제1 스트라이프 세트(23a) 및 제2 스트라이프 세트(23b)를 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 각각의 스트라이프는 폭방향 치수가 길이방향 치수와 같지 않은 비대칭 형상을 갖는다. 예시적인 실시형태에서, 스트라이프(23a)는 y축 방향으로 길이가 L₁, x축 방향으로 폭이 w₁인 실질적으로 직사각형 형상을 갖는다. 대안적인 실시형태(도시 생략)에서는, 스트라이프가 실질적으로 타원형이나 다른 세장형 형상을 가질 수도 있다. 스트라이프는, 전형적으로 포토레지스트막이 자성막 상에 코팅되고 패턴방식으로 노출된 다음, 원하는 스트라이프 형상 사이에 개구부를 형성하도록 현상되는 통상의 포토리소그래피 기법에 의해 형성된다. 그런 다음, 반응성 이온 에칭(RIE) 또는 이온 빔 에칭(IBE)으로 잔류 포토레지스트층이 보호하지 않는 자성막의 일부를 제거하고, 이에 의해 자성막을 통해 패턴을 전사한다. 자성막에는 제2 스트라이프 세트(23b)도 있으며, 여기서 실질적으로 직사각형 형상 각각은 x축 방향으로 길이 L₂ 및 y축 방향으로 폭 w₂을 갖는다. 바람직한 실시형태에서는, w₁ = w₂이고, L₁ = L₂이고, L₁ > w₁이다. L₁ 및 L₂는 바람직하게는 50 nm보다 크고, WUT의 직경에 근접한 최대 값을 갖는다. 자성막의 두께 "t"(도시 생략)는 바람직하게는 5 옹스트롬 내지 50 옹스트롬이며 w₁보다 작지만, 최소값은 1 옹스트롬이고 최대값은 대략 2 마이크론이다. 두 세트의 스트라이프는 전술한 포토리소그래피 및 에칭 시퀀스를 사용하여 동시에 "패터닝"된다. 포토레지스트는 IBE 또는 RIE 후에 통상의 방법으로 제거된다.

스트라이프의 수는 적절한 신호대잡음비(SNR)를 보장하기 위해 FMR 측정 시스템의 구성에 따라 조정될 수 있다. 미리 결정된 위치에서 자성막을 특성화하는데 사용된 RF 프로브의 단면적(풋프린트)의 가장 큰 변보다 자성막 스트라이프의 폭이 더 크거나 같을 때 최대 RF 출력 신호가 얻어진다. RF 프로브는 RF 전기 프로브일 수도 있고, 또는 선택적으로 WGTL, 또는 RF 프로브 단부, 접지된 공면 도파관(GCPWG, grounded coplanar waveguide), 공면 도파관(CPWG, coplanar waveguide), 동축 도파관(CWG, co-axial waveguide), 스트립라인(SL), 마이크로스트립(MS), 또는 RF 신호를 전송 및 감지하는데 사용되는 기타 도파관 전송 라인(WGTL)일 수도 있다.

바람직한 일 실시형태에서, WUT에 대하여 고정된 방향(x축 또는 y축에 평행한 방향)으로 자기장(H)이 인가된다. 스트라이프의 치수는 "Demagnetizing factors for rectangular ferromagnetic prisms"[A. Aharoni, J. Applied Physics 83, 432 (1998)]에 따라 자기소거 계수(Nx, Ny 및 Nz)의 값을 결정한다. 따라서, 제1 스트라이프 세트(23a)에서와 같이 L₁ > w₁> t일 때 그리고 제2 스트라이프 세트(23b)에서와 같이 L₂> w₂> t일 때 Nz > Ny > Nx의 관계가 시사된다. 자기소거 성분 Dx, Dy 및 Dz는 다음 수식에 따른 자기소거 계수에 관련된다: Dx = 4πMs x Nx; Dy = 4πMs x Ny; 및 Dz = 4πMs x Nz, 여기서 (Nx + Ny + Nz) = 1.

본 개시내용의 FMR 측정 방법은 적어도 하나의 "h"개 스트라이프 세트에의 2 개의 상이한 자기장 배향의 인가에 기초하며, 여기서 h는 1 이상의 정수이다. 도 2에 도시하는 제1 실시형태에 따르면, 면내 자기장(H)이 L₂에(스트라이프(23b)의 장축에) 평행하게 배향되고, 동시에 H는 L₁와(스트라이프(23a)의 장축과) 교차하여 배향된다. 다시 말해, WUT(22) 상에 2개의 스트라이프 세트(23a, 23b)가 형성되고 한 스트라이프 세트가 다른 세트의 장축에 직교하여 정렬된 장축을 가질 때, 하나의 면내 인가된 자기장 방향으로만 FMR 측정이 수행될 수 있다. H가 인가될 때에, RF 입력 신호를 제공하고 스트라이프(23a)로부터 RF 출력 신호를 수신하는 데에 적어도 하나의 RF 프로브가 필요하고, RF 입력 신호를 제공하고 스트라이프(23b)로부터 RF 출력 신호를 수신하는 데에 적어도 하나의 RF 프로브가 필요하다. 본 개시내용은 L₁, L₂, w₁, 및 w₂의 크기에 따라 최소 하나의 스트라이프(23a) 및 하나의 스트라이프(23b)가 존재할 수 있다고 예상한다. 필요한 면내 자기장을 제공하는데 사용될 수 있는 FMR 측정 시스템이 관련 미국 특허 출원 일련 번호 15/875,004에 기술되어 있으며, 이 시스템은 마이크로파 신호 전송을 위한 반사 모드를 포함하는 것이 바람직하다.

도 3a 내지 도 3b에 도시하는 제2 실시형태에서는, 하나의 스트라이프 세트(23a)만 WUT(22) 상에 형성된다. 도 3a에서 제1 면내 자기장(H₁)이 스트라이프(23a)의 장축(y축)에 평행하게 인가된 다음, 여기에 개시하는 FMR 측정 방법에 따라, 도 3b에서 제2 면내 자기장(H₂)이 장축과 교차하여 인가된다. 대안적으로, H₂가 먼저 인가된 다음에 H₁은 제2 단계에서 적용된다. 치수 L₁ 및 w₁은 제1 실시형태로부터 유지된다. 일부 실시형태에서, 웨이퍼 척(20) 및 WUT(도 1)는 H₁의 인가 및 H₂의 인가 중에 90도 회전될 수 있다. 대안의 실시형태에서, WUT가 일정한 위치에서 유지되는 동안 자기 어셈블리 및 RF 프로브와 함께 장착판이 90도 회전된다. 따라서, H₁ 및 f 값의 각 쌍마다, 그리고 H₂ 및 f 값의 각 쌍마다 강자성 공진 조건을 유도하기 위해 마이크로파 주파수(f)가 적어도 하나의 세장형 스트라이프 상의 적어도 하나의 위치에 인가되며, 일정 범위의 마이크로파 주파수를 스위핑하는 동안 수직 이방성장(Hk_eff)보다 큰 고정된 H₁ 및 고정된 H₂가 인가되거나, 일정 범위의 H₁ 및 H₂ 값을 스위핑하는 동안 고정 주파수가 인가된다.

양 시스템 구성(도 2 및 도 3a와 도 3b)에서, 면내 자기장은 스트라이프의 장축에 평행하게 또는 스트라이프의 장축과 교차하여 인가된다. 상이한 마이크로파 주파수(f1, …, fn)에서 자기장(H)을 스위핑하는 방식으로 FMR 실험을 수행하면, 고정된 마이크로파 주파수(f1, f2, … 또는 fn)에서 면내 자기장 배향 간의 공진장 차분(ΔHr)이 취득되며, 여기서 ΔHr = Hry - Hrx이고, Hrx는 장축에 평행한 면내 자기장에 대한 관측된 공진장이고, Hry는 장축과 교차하는 면내 자기장에 대한 관측된 공진장이다. ΔHr은 이러한 자기 스트라이프(또는 임의의 다른 세장형 패터닝된 자기 구조)의 큰 비대칭적 횡방향 치수로 인해 무시할 수 없는 자기소거 계수 Ny 또는 Nx에 의존하는 것을 알아야 한다. 따라서 무시할 수 없는 항의 FMR 조건에 대한 기여는 자기장 배향에 따라 상이할 것이다. 한편, 상이한 면내 자기장 진폭(H1, H2, …, Hn)에서 마이크로파 주파수(f)를 스위핑하는 방식으로 FMR 실험을 수행하면, 고정된 자기장 진폭(H1, H2, … 또는 Hn)에서 2개의 면내 자기장 배향 간의 공진 주파수 차분(Δfr)이 취득되며, 여기서 Δfr = fry - frx이고, frx는 장축에 평행한 면내 자기장에 대한 관측된 공진 주파수이고, fry는 장축과 교차하는 면내 자기장에 대한 관측된 공진 주파수이다.

제2 실시형태의 변형예를 나타내는 도 4a와 도 4b에 도시하는 또 다른 실시형태에 있어서, 도 4a에 도시하는 바와 같이, 제1 자기장(H₁)은 면내 배향(즉, 장축 방향에 평행)되고, 도 4b에 도시하는 제2 자기장(H₂)은 WUT(22)의 평면에 수직으로 인가되어 두 상이한 시기간 동안 2개의 상이한 자기장 배향이 자성막 스트라이프(23a)에 인가되게 된다. 다른 경우에서는, 제2 배향이 제1 배향에 직교한다. 필요한 면-수직 자기장을 제공하는데 채택될 수 있는 FMR 측정 시스템에 대해서는 관련 미국 특허 출원 일련 번호 15/875,004에 이미 기술되어 있으며, 이 시스템은 자성막 또는 자기 구조에 대해 마이크로파를 전송하는 전송 모드 또는 반사 모드 중 하나를 사용할 수 있다.

전술한 실시형태들 모두에서, 인가된 자기장(H)이 유효 이방성장(H_keff)보다 더 큰 것이 고려되고 있다: H > H_keff여기서 Hk_eff = 2 K_eff/Ms = 2(K_i/t - 2πMs² Nz)/Ms), K_eff는 유효 이방성, K_i는 계면 이방성이다. 이에 따라, 공진 주파수 조건은 다음과 같이 주어진다.

x축을 따라 H > H_keff인 경우 (식 1);

y축을 따라 H > H_keff인 경우 (식 2); 그리고

z축을 따른 H의 경우, (식 3)

여기서 H_u= 2 K_u/Ms이고, Ku는 x축에 대해 각도

를 가진 일축 이방성(uniaxial anisotropy)이며, H_keff는 유효 이방성장이다.

Nx ~ 0(예컨대, 도 3a와 도 3b에서 L > 10 ㎛ 경우) 식 1 내지 식 3은 다음과 같이 단순화될 수 있다.

x축을 따라 H > H_keff인 경우 (식 4)

y축을 따라 H > H_keff인 경우 (식 5)

z축을 따른 H의 경우 (식 6)

자기장 방향이 웨이퍼에 대해 고정되고 자기장 배향과 평행 및 교차하는 장축을 가진 세장형 구조(도 2)에 대해 FMR가 측정될 경우, 2개의 면내 구성 사이의 공진 주파수 시프트(

)와 공진장 시프트(

)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

(식 7)

(식 8)

여기서:

,

에 대한 이들 표현식은 다음을 시시할 수 있다.

(식 9)

(식 10)

충분히 높은 자기장(

)에서,

와

둘 다는 Ms에 정비례하고, 비례 계수는 기하학적 계수 Ny에만 의존한다.

(식 11)

(식 12)

식 11과 식 12는 제1 실시형태(도 2)에서의 Ms의 측정치가 가능한 면내 일축 이방성에 영향을 받지 않는 것을 나타냄을 주목해야 한다. 반면, 2개의 자기장 배향(도 3a와 도 3b 또는 도 4a와 도 4b)을 가진 동일한 세트의 스트라이프의 측청치는 면내 이방성에 민감하게 된다.

고정된 외부 자기장 진폭에서 마이크로파 주파수 여기를 스위핑함으로써 또는 고정된 마이크로파 여기에서 외부 자기장 진폭을 스위핑함으로써 FMR 실험이 각각 수행될 때에 제1 세트의 수식(수식 7, 9, 11) 또는 제2 세트의 수식(수식 8, 10, 12)이 사용된다. 어느 경우든, 자성막 스트라이프에 FMR 공진을 유도하는 인가 자기장(H) 및 주파수(f)의 각 쌍에 대해 식 7의 Δfr(또는 식 8의 ΔHr)를 결정하기 위해 도 2에 있어서 스트라이프(23a)에 대한 제1 RF 프로브로부터의 FMR 측정치가 수식 4에 입력되고 스트라이프(23b)에 대한 RF 프로브로부터의 유사한 입력이 식 5에 사용되는 것을 주목해야 한다. 면내 일축 이방성이 존재하지 않는 경우(Ku 및 Hu = 0), 제1 및 제2 실시형태(도 2 및 도 3a와 도 3b)로부터 동일한 ΔHr 및 Δfr가 취득됨을 주목해야 한다.

도 8은 길이 L = 10 ㎛, 두께 t = 0.9 nm, Ms ~ 1300 emu/cc, 및 계면 이방성 Ki ~ 1.45 erg/cm², 그리고 40 kOe의 인가 면내 자기장(H)을 사용하는 경우에 스트라이프 폭(w₁)의 함수에 따른 ΔHr의 일례를 보여준다. 이러한 전형적 값에 있어서, w가 400 nm 미만일 때에 ΔHr가 100 Oe보다 큰 것을 주목해야 한다.

식 1 내지 식 6은 전술한 바와 동일한 방법에 이어서 인가 자기장의 다양한 배향을 따른 공진 조건으로부터 Ms를 계산하는 데에도 사용될 수 있다.

도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 "Demagnetizing factors for rectangular ferromagnetic prisms"[A. Aharoni, J. Applied Physics 83, 432 (1998)]에 따라, 두께 1 nm 및 상이한 값의 스트라이프 폭에 대한 스프트라이프 길이의 함수에 따른 Nx, Ny, 및 Nz를 각각 보여준다. 한편, 도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 10 마이크론 길이의 스트라이프에 대한 스트라이프 폭의 함수에 따른 다양한 두께에서의 Nx, Ny, 및 Nz를 각각 보여준다. 양쪽 구성에 있어서, 스트라이프 폭이 두께(1 nm, 2 nm, 및 5 nm)보다 상당히 크기 때문에 Nz이 Ny보다 크고 Nx이 0에 근접함을 주목해야 한다.

도 7a에는, 도 2에서와 같은 스트라이프형 패턴의 장축에 대해 H가 평행한 경우(곡선 80)와 H가 교차하는 경우(곡선 81)에, 길이 = 10 마이크론, 폭 = 100 nm , 및 두께 = 1 nm의 자기 스트라이프에 있어서, 수식(식 11과 식 12)에 따른 인가 자기장(H)의 함수로서 공진 주파수(f)가 플롯팅되어 있다. 이 예에서, 일축 이방성은 고려되지 않고(Ku = 0), Hk_eff = 7.4 kOe, Ms = 1000 emu/cc이다. 도 7b와 관련하여, 도 7a로부터의 2개의 면내 구성에 대한 FMR 공진장 간의 차분(ΔHr = Hry- Hrx) 대 인가 자기장이 플로팅되어 있다. 바란직한 동작 영역은 곡선(82)의 우측 단부에 근접하고, 여기서 곡선(82)은 높은 자기장에서 ΔHr = 6πMs x Ny에 대한 한계 값을 보여주는 점선(83)에 접근한다. L/w 비가 증가함에 따라 ΔHr이 커진다는 것을 이해해야 한다.

도 9는 전형적인 데이터 세트를 도시한다. 이 예에서, 전송된 RF 전력은 커팅되지 않은 8인치 직경 웨이퍼(WUT)에 대해 인가 자기장의 함수에 따른 5개의 상이한 주파수에 대해 측정된다. 곡선(60, 61, 62, 63, 및 64)은 각각 20 GHz, 25 GHz, 30 GHz, 35 GHz 및 40GHz의 RF 주파수에서, 관련 미국 특허 출원 일련 번호 15/875,004에 기재된 스캐닝 FMR 측정 방법에 따라 -1.0 테슬라와 1.0 테슬라 사이의 자기장(10000 Oe)을 스위핑함으로써 형성된다. 자성막 스트라이프에 대한 각각의 (x_i, y_i) 좌표에서의 FMR 측정에는 약 2분의 처리 시간이 필요하다. 따라서, 전체 웨이퍼에 대한 총 FMR 측정 시간은 원하는 경우 Ms 및 Hk, γ, α, 및 L₀을 결정할 때 포함될 (x_i, y_i) 좌표의 원하는 수에 의존한다. 여기에 개시하는 FMR 측정 방법은 웨이퍼의 부분(시편)에 대해 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 홀 웨이퍼를 사용하는 것의 이점은 비용 및 편의성 측면에서 유의미하며, 이는 개시 방법을 시편에 적용하는 것이 실패 분석에서와 같이 특별한 상황에서만 수행된다는 것을 의미한다.

본 개시내용은 바람직한 실시형태를 참조하여 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 형태 및 세부사항에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

자성막에서, 또는 웨이퍼 상에 형성되는 적어도 하나의 자성층을 가진 다층 구조에서 포화 자화(Ms, saturation magnetization)를 결정하기 위한 강자성 공진(FMR, ferromagnetic resonance) 측정 방법에 있어서,
(a) 상기 자성막 또는 다층 구조에, y축 방향을 따른 제1 길이(L₁) 및 x축 방향을 따른 제1 폭(w₁)을 가진 제1 세장형(비대칭형) 구조를 각각 포함하는 제1 스트라이프(stripe) 세트와, x축 방향을 따른 제2 길이(L₂) 및 y축 방향을 따른 제2 폭(w₂)을 가진 제2 세장형 구조를 각각 포함하는 제2 스트라이프 세트를 포함하는 패턴을 형성하는 단계로서, L₁ > w₁이고 L₂ > w₂인 단계 (a)와,
(b) 상기 제1 및 제2 세장형 구조의 각 구조 상의 하나 이상의 위치에서 강자성 공진(FMR) 조건을 유도하기 위해 상기 하나 이상의 위치에 마이크로파(RF) 주파수를 인가하는 동안, 평면 상에서 동시에 상기 제1 스트라이프 세트와 평행하고 상기 제2 스트라이프 세트와 교차하거나, 또는 상기 평면 상에서 동시에 상기 제1 스트라이프 세트와 교차하고 상기 제2 스트라이프 세트와 평행한 자기장(H)을 인가하는 단계로서, 일정 범위의 마이크로파 주파수를 스위핑하는 동안에 고정 H가 인가되거나, 일정 범위의 H 진폭을 스위핑하는 동안에 고정 주파수가 인가되는, 단계 (b)와,
(c) 상기 제1 스트라이프 세트 상의 하나 이상의 위치에서 측정된 공진장(Hrx) 및 상기 제2 스트라이프 세트 상의 하나 이상의 위치에서 측정된 공진장(Hry)으로부터 공진장 차분(ΔHr)을 결정하거나, 또는 상기 제1 스트라이프 세트 상의 하나 이상의 위치에서의 공진 주파수(frx) 및 상기 제2 스트라이프 세트 상의 하나 이상의 위치에서의 공진 주파수(fry)로부터 공진 주파수 차분(Δfr)을 결정하는 단계와,
(d) ΔHr 또는 Δfr로부터 Ms를 계산하는 단계
를 포함하는, FMR 측정 방법.
제1항에 있어서, Ms는 자기소거 계수(Nx, Ny, 및 Nz)를 포함하는 이하의 식들에 의해 계산되고,
(1) H가 x축 방향을 따른 경우
; 및
(2) H가 y축 방향을 따른 경우,
,
여기서
= 2Ku/Ms, Ku는 x축에 대해 각도
를 가진 일축 이방성(uniaxial anisotropy)이며, γ는 상기 자성막 또는 자기 구조에 대한 자기회전비(gyromagnetic ratio)이고, H_keff는 유효 이방성장으로서, H_keff = 2K_eff/Ms = 2(K_i/t - 2πMs²Nz)/Ms)이며, K_eff는 유효 이방성이고, K_i는 계면 이방성인 것인, FMR 측정 방법.
제1항에 있어서, L₁ = L₂ 및 w₁ = w₂인 것인, FMR 측정 방법.
제2항에 있어서, Nx가 0이 되도록 L₁ 및 L₂ 각각은 1 마이크론보다 크고, 식 (1)과 식 (2)는 이하와 같이 각각 식 (3)과 식 (4)로 단순화되며,
(3)
; 및
(4)
,
그리고 상기 고정 H는 상기 범위의 마이크로파 주파수를 스위핑하는 동안 인가되고, (fry - frx)와 같은 상기 공진 주파수 차분(Δfr)은 다음의 식과 관련되며:

;
여기서
, 및
; 그리고 자기소거 성분
, 및
이며, 이에 따라 이하의 식을 시사하는 것인, FMR 측정 방법.
제2항에 있어서, Nx가 0이 되도록 L₁ 및 L₂ 각각은 1 마이크론보다 크고, 식 (1)과 식 (2)는 이하와 같이 각각 식 (3)과 식 (4)로 단순화되며,
(3)
; 및
(4)
,
그리고 상기 고정 주파수는 상기 범위의 H를 스위핑하는 동안 인가되고, (Hry - Hrx)와 같은 상기 공진장 차분(ΔHr)은 다음의 식과 관련되며:

;
여기서
, 및
; 그리고 자기소거 성분
, 및
이며, 이에 따라 이하의 식을 시사하는 것인, FMR 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 자성막 또는 다층 구조의 두께가 상기 제1 세장형 구조에서는 w₁보다 작고, 상기 제2 세장형 구조에서는 w₂보다 작은 것인, FMR 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 인가된 마이크로파 주파수는 제1 RF 신호 경로를 통해 상기 자성막에 진입하고, 반사 모드에서 상기 제1 RF 신호 경로를 통해 상기 자성막 또는 자기 구조에서 배출되는 것인, FMR 측정 방법.
제1항에 있어서, w₁ 및 w₂는, RF 프로브 단부, 도파관 전송 라인(WGTL), 또는 마이크로파 주파수를 상기 자성막 또는 자기 구조로 그리고 상기 자성막 또는 자기 구조로부터 전송하는데 사용되는 또 다른 디바이스의, 풋프린트 내의 최장측(largest side)과 같거나 그보다 더 큰 것인, FMR 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 FMR 조건이 완전 자동화된 웨이퍼 레벨 FMR 장치에 의해 유도됨에 따라 홀 웨이퍼(whole wafer)를 시편(coupon)으로 커팅하지 않고서 Ms가 상기 홀 웨이퍼 상에서 결정되는 것이 가능한 것인, FMR 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 FMR 조건은 웨이퍼의 일 부분(piece)에서 유도되는 것인, FMR 측정 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제