KR102546691B1 - 자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법 - Google Patents

자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

자기 특성 측정 시스템은, 시료를 로드하기 위한 스테이지, 및 상기 스테이지 위에 배치되는 자성 구조체를 포함한다. 상기 스테이지는 바디부, 상기 바디부에 인접하는 자성부, 및 상기 바디부 내에 배치되는 복수의 홀들을 포함한다. 상기 스테이지의 상기 자성부 및 상기 자성 구조체는 상기 시료에 상기 시료의 일면에 수직한 자기장을 인가하도록 구성된다. 상기 스테이지는 상기 시료의 상기 일면에 평행한 x방향 및 y방향을 따라 수평적으로 이동하도록 구성된다.

Description

자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법{Magnetic property measuring system, a method for measuring magnetic properties, and a method for manufacturing a magnetic memory device using the same}
본 발명은 자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는, 자기광 커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 자기터널접합의 자기 특성을 측정하기 위한 시스템 및 방법, 그리고 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법에 대한 것이다.
전자 기기의 고속화 및/또는 저 소비전력화 등에 따라, 전기 기기에 포함되는 반도체 기억 소자의 고속화 및/또는 낮은 동작 전압 등에 대한 요구가 증가되고 있다. 이러한 요구들을 충족시키기 위하여, 반도체 기억 소자로서 자기 기억 소자가 제안된 바 있다. 자기 기억 소자는 자기터널접합 패턴(Magnetic tunnel junction pattern; MTJ)을 포함할 수 있다. 자기터널접합 패턴은 두 개의 자성체와 그 사이에 개재된 절연막을 포함할 수 있다. 두 자성체의 자화 방향들에 따라 자기터널접합 패턴의 저항 값이 달라질 수 있다. 예를 들면, 두 자성체의 자화 방향이 반평행한 경우에 자기터널접합 패턴은 큰 저항 값을 가질 수 있으며, 두 자성체의 자화 방향이 평행한 경우에 자기터널접합 패턴은 작은 저항 값을 가질 수 있다. 이러한 저항 값의 차이를 이용하여 데이터를 기입/판독할 수 있다.
두 자성체의 자화 방향이 절연막과 자성체의 계면에 수직한 경우, 자기터널접합 패턴은 수직형 자기터널접합 패턴으로 정의될 수 있다. 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)) 측정 시스템은 수직형 자기터널접합 패턴의 수직 자기 특성을 측정하는데 이용될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 시료의 다양한 영역들에서 자기터널접합 패턴의 유효한 자기 특성을 측정할 수 있는 자기 특정 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 자기터널접합 패턴의 자기 특성을 안정적으로 측정할 수 있는 자기 특정 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 양산성 및 품질 안정성이 향상된 자기 기억 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 자기 특성 측정 시스템은, 시료를 로드하기 위한 스테이지; 및 상기 스테이지 위에 배치되는 자성 구조체를 포함할 수 있다. 상기 스테이지는 바디부; 상기 바디부에 인접하는 자성부; 및 상기 바디부 내에 배치되는 복수의 홀들을 포함할 수 있다. 상기 스테이지의 상기 자성부 및 상기 자성 구조체는 상기 시료에 상기 시료의 일면에 수직한 자기장을 인가하도록 구성될 수 있다. 상기 스테이지는 상기 시료의 상기 일면에 평행한 x방향 및 y방향을 따라 수평적으로 이동하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 자기 특성 측정 방법은, 시료를 스테이지 상에 로드하는 것; 진공을 이용하여 상기 시료를 상기 스테이지 상에 고정시키는 것; 상기 스테이지를 상기 시료의 상면에 평행한 x방향 및 y방향을 따라 수평적으로 이동시킴으로써, 상기 시료의 측정 대상 영역을 광 조사 영역으로 이동시키는 것; 상기 시료의 상기 측정 대상 영역으로 입사광을 조사하는 것; 및 상기 시료의 상기 측정 대상 영역으로부터 반사되는 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자기 기억 소자의 제조방법은, 기판 상에 자기터널접합 막을 형성하는 것; 상기 자기터널접합 막을 패터닝하여 자기터널접합 패턴들을 형성하는 것; 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 것; 및 상기 측정된 자기 특성이 허용 범위 내에 있는지 결정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 것은, 상기 기판을 자기 특성 측정 시스템 내 스테이지 상에 로드하는 것; 진공을 이용하여 상기 기판을 상기 스테이지 상에 고정시키는 것; 상기 스테이지를 상기 기판의 상면에 평행한 x방향 및 y방향을 따라 수평적으로 이동시킴으로써, 상기 기판의 측정 대상 영역을 광 조사 영역으로 이동시키는 것; 상기 기판의 상기 측정 대상 영역으로 입사광을 조사하는 것; 및 상기 기판의 상기 측정 대상 영역으로부터 반사되는 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 시료의 다양한 영역들에서 자기터널접합 패턴의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있고, 상기 자기터널접합 패턴의 상기 자기 특성이 안정적으로 측정될 수 있다. 더하여, 자기 기억 소자의 양산성 및 품질 안정성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 스테이지의 평면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 1의 스테이지의 분해 사시도이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 스테이지의 다양한 변형예들을 나타내는 평면도들이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6의 스테이지의 평면도이고, 도 8은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 자른 단면도이다.
도 9는 도 6의 스테이지의 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법에 이용되는 시료의 평면도이다.
도 12는 도 11의 시료의 일 영역의 단면도이고, 도 13은 도 12의 A부분의 확대도이다.
도 14 및 도 15는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 자기 기억 소자의 단위 메모리 셀을 나타내는 회로도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 나타내는 개념도이다. 도 2는 도 1의 스테이지의 평면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 자른 단면도이다. 도 4는 도 1의 스테이지의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 자기 특성 측정 시스템(1000)은 그 내부에 시료(S)를 수용하는 챔버(500), 상기 챔버(500) 내에 제공되고 상기 시료(S)를 로드하기 위한 스테이지(10), 상기 스테이지(10)를 지지하기 위한 지지부재(20), 상기 챔버(500) 내에 상기 스테이지(10) 위에 배치되는 자성 구조체(MS), 입사광(Li)을 방출하는 광원(50), 및 상기 시료(S)로부터 반사되는 반사광(Lr)을 수신하는(receive) 검출기(70)를 포함할 수 있다. 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 광원(50)으로부터 방출되는 상기 입사광(Li)을 편광시키는 편광자(polarizer, 55), 상기 입사광(Li)의 광 경로를 제어하기 위한 제1 광학부재(60) 및 제2 광학부재(65), 및 상기 반사광(Lr)을 편광시키는 검광자(analyzer, 75)를 더 포함할 수 있다. 상기 입사광(Li)은 상기 편광자(55)에 의해 편광될 수 있고, 상기 편광된 입사광(Li)은 상기 제1 광학부재(60) 및 상기 제2 광학부재(65)에 의해 반사되어 상기 시료(S)의 상면(SU)으로 조사될 수 있다. 상기 반사광(Lr)은 상기 검광자(75)에 의해 편광될 수 있고, 상기 편광된 반사광(Lr)은 상기 검출기(70)로 수신될 수 있다. 상기 편광자(55)의 편광축은 상기 검광자(75)의 편광축에 수직할 수 있다.
상기 스테이지(10)는 바디부(body part, BP), 및 상기 바디부(BP)에 인접하는 자성부(magnetic part, MP)를 포함할 수 있다. 상기 자성부(MP)는 일 예로, 자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 자성 구조체(MS)는 폴 피스(pole piece, 40), 및 상기 폴 피스(40)의 외주면을 둘러싸는 코일(42)을 포함할 수 있다. 상기 폴 피스(40)는, 일 예로, 자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 스테이지(10)의 상기 자성부(MP) 및 상기 자성 구조체(MS)는 상기 시료(S)에 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 수직한 자기장(H)을 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 스테이지(10)는 상기 바디부(BP) 내에 배치되는 복수의 홀들(PH)을 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 홀들(PH)의 각각은 상기 바디부(BP) 내에 배치되는 진공라인(VL)에 연결될 수 있다. 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 진공라인(VL)에 연결되는 진공펌프(30)를 더 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 일부 실시예들에 따르면, 상기 자성부(MP)는 상기 바디부(BP) 상에 배치될 수 있다. 일 예로, 상기 자성부(MP)는 상기 바디부(BP)의 상면(BP_U) 상에 코팅된 코팅층일 수 있다. 상기 복수의 홀들(PH)은 상기 자성부(MP) 내로 연장될 수 있고, 상기 자성부(MP)를 관통할 수 있다. 일 예로, 상기 복수의 홀들(PH)은 평면적 관점에서, 상기 시료(S)의 중심에 인접하게, 그리고 상기 시료(S)의 상기 중심을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상기 복수의 홀들(PH)은 일 예로, 상기 시료(S)의 상기 중심을 둘러싸는 가상의 원 형태를 이루도록 배열될 수 있다. 본 발명의 개념에 따르면, 상기 복수의 홀들(PH)의 크기, 형태, 배치, 및/또는 개수는 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명할 바와 같이 다양하게 변형될 수 있다. 상기 스테이지(10)는 상기 시료(S)가 상기 자성부(MP)의 상면(MP_U) 상에 안착되도록 구성될 수 있다.
상기 스테이지(10)는 진공을 이용하여 상기 시료(S)를 상기 스테이지(10) 상에 고정시키도록 구성될 수 있다. 상기 스테이지(10)는 상기 복수의 홀들(PH)을 통해 공기를 흡입함으로써 상기 시료(S)를 상기 스테이지(10) 상에 고정시킬 수 있다. 일 예로, 상기 복수의 홀들(PH)의 각각은 상기 진공라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 진공라인(VL)은 도 1의 상기 진공펌프(30)에 연결될 수 있다. 상기 진공펌프(30)가 동작할 때, 상기 시료(S)와 상기 스테이지(10) 사이의 공간 내 공기(air)가 상기 복수의 홀들(PH) 및 상기 진공라인(VL)에 의해 흡입될 수 있다. 이에 따라, 상기 시료(S)가 상기 스테이지(10)의 표면(일 예로, 상기 자성부(MP)의 상기 상면(MP_U))으로 당겨질 수 있고, 상기 스테이지(10)의 상기 표면(일 예로, 상기 자성부(MP)의 상기 상면(MP_U))에 고정될 수 있다.
상기 스테이지(10)는 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 평행한 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 수평적으로 이동하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)을 서로 교차할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)은 서로 수직할 수 있고, 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)은 각각 x방향 및 y방향에 대응할 수 있다. 상기 스테이지(10)는 일 예로, 100nm이하의 반복 위치 결정 정밀도를 갖는 X-Y 스테이지일 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 광원(50)은 레이저 광원일 수 있다. 상기 광원(50)은 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 단일 광원으로 이용될 수 있다. 상기 편광자(55)에 의해 편광된 상기 입사광(Li)은 상기 제1 광학부재(60) 및 상기 제2 광학부재(65)에 의해 반사되어 상기 시료(S)에 조사될 수 있다. 상기 입사광(Li)은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 수직하게 조사될 수 있으나, 본 발명의 개념은 이에 한정되지 않는다. 상기 입사광(Li)은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 대하여 경사지게 조사될 수도 있다.
상기 검출기(70)는 상기 시료(S)로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광을 검출하도록 구성될 수 있다. 상기 반사광(Lr)은 상기 제2 광학부재(65)를 통과하여 상기 검광자(75)로 유도(guide)될 수 있고, 상기 검광자(75)에 의해 편광될 수 있다. 상기 편광된 반사광(Lr)은 상기 검출기(70)로 수신될 수 있다.
상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 광원(50) 및 상기 검출기(70)에 연결되는 제어기(80)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어기(80)는 상기 검출기(70)로부터 획득된 데이터를 처리할 수 있다. 상기 제어기(80)는 상기 검출기(70)로부터 획득된 상기 데이터를 다양한 형태(예컨대, 수치, 그래프, 영상 등)로 처리, 저장, 및 표시할 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 제어기(80)는 상기 스테이지(10)에 연결될 수 있고, 상기 스테이지(10)의 동작을 제어할 수 있다.
상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE))를 이용하여 상기 시료(S)의 수직 자기 특성을 측정하도록 구성될 수 있다. 자기광 커 효과는 빛이 자성을 가진 물체로부터 반사될 때 상기 빛의 편광이 변화하는 현상이다. 상기 극자기광 커 효과는 상기 물체의 자화된 방향이 빛의 입사 및 반사하는 평면(즉, 입사평면, plane of incidence)에 평행하고 상기 물체의 표면과 수직한 방향인 경우를 말한다. 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)) 측정 시스템일 수 있고, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)으로부터 반사되는 광(즉, 상기 반사광(Lr))의 편광을 분석하여 상기 시료(S)의 표면의 수직 자화 정도를 측정할 수 있다. 일 예로, 상기 검출기(70)는 상기 반사광(Lr)의 편광을 검출할 수 있고, 상기 제어기(80)는 상기 검출기(70)로부터 획득된 데이터를 기초로 상기 시료(S)의 상기 표면에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 스테이지의 다양한 변형예들을 나타내는 평면도들이다.
도 5a를 참조하면, 일 변형예에 따르면, 상기 복수의 홀들(PH)은 평면적 관점에서, 상기 시료(S)의 상기 중심을 지나는 가상의 십자 형태(VS)를 이루도록 배치될 수 있다. 일 예로, 상기 복수의 홀들(PH) 중 적어도 하나는 상기 시료(S)의 상기 중심에 배치될 수 있다. 상기 복수의 홀들(PH) 중, 적어도 한 쌍의 홀들(PH)이 상기 복수의 홀들(PH) 중 상기 적어도 하나를 사이에 두고 상기 제1 방향(D1)으로 서로 이격되도록 배치될 수 있고, 상기 복수의 홀들(PH) 중, 적어도 한 쌍의 홀들(PH)이 상기 복수의 홀들(PH) 중 상기 적어도 하나를 사이에 두고 상기 제2 방향(D2)으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 다른 변형예에 따르면, 상기 복수의 홀들(PH)은 평면적 관점에서, 상기 시료(S)의 가장자리에 인접하게, 그리고 상기 시료(S)의 외주면을 따라 배열되도록 배치될 수 있다. 도 5c를 참조하면, 또 다른 변형예에 따르면, 상기 복수의 홀들(PH)은 평면적 관점에서, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)의 전 영역과 중첩하도록 배치될 수도 있다. 도 5d를 참조하면, 또 다른 변형예에 따르면, 상기 복수의 홀들(PH)은 평면적 관점에서, 상기 시료(S)의 상기 중심에 인접하게, 그리고 상기 시료(S)의 상기 중심을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 일 예로, 상기 복수의 홀들(PH)은 상기 시료(S)의 상기 중심을 둘러싸는 가상의 타원 형태를 이루도록 배열될 수도 있다. 본 발명의 개념에 따르면, 상기 복수의 홀들(PH)의 크기, 형태, 배치, 및/또는 개수는 도시된 실시예들에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 나타내는 개념도이다. 도 7은 도 6의 스테이지의 평면도이고, 도 8은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 자른 단면도이다. 도 9는 도 6의 스테이지의 분해 사시도이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1 내지 도 4, 및 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명한, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템과 차이점을 주로 설명한다.
도 6을 참조하면, 상기 스테이지(10)는 바디부(body part, BP), 및 상기 바디부(BP)에 인접하는 자성부(magnetic part, MP)를 포함할 수 있다. 상기 자성부(MP)는 일 예로, 자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 스테이지(10)의 상기 자성부(MP) 및 상기 자성 구조체(MS)는 상기 시료(S)에 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 수직한 상기 자기장(H)을 인가하도록 구성될 수 있다. 본 실시예들에 따르면, 상기 자성부(MP)는 상기 바디부(BP) 내에 배치될 수 있다. 상기 바디부(BP)는 상부 바디부(UBP) 및 하부 바디부(LBP)를 포함할 수 있고, 상기 자성부(MP)는 상기 상부 바디부(UBP)와 상기 하부 바디부(LBP) 사이에 개재될 수 있다. 상기 스테이지(10)는 상기 바디부(BP) 내에 배치되는 복수의 홀들(PH)을 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 홀들(PH)의 각각은 상기 바디부(BP) 내에 배치되는 상기 진공라인(VL)에 연결될 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 복수의 홀들(PH)은 상기 하부 바디부(LBP) 내에 배치될 수 있고, 상기 복수의 홀들(PH)의 각각은 상기 하부 바디부(LBP) 내에 배치되는 상기 진공라인(VL)에 연결될 수 있다. 상기 복수의 홀들(PH)은 상기 자성부(MP) 및 상기 상부 바디부(UBP) 내로 연장될 수 있고, 상기 자성부(MP) 및 상기 상부 바디부(UBP)를 관통할 수 있다. 상기 복수의 홀들(PH)의 크기, 형태, 배치, 및/또는 개수는 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명한 바와 같이, 다양하게 변형될 수 있다. 상기 스테이지(10)는 상기 시료(S)가 상기 바디부(BP)의 상면(BP_U, 즉, 상기 상부 바디부(UBP)의 상면) 상에 안착되도록 구성될 수 있다.
상기 스테이지(10)는 진공을 이용하여 상기 시료(S)를 상기 스테이지(10) 상에 고정시키도록 구성될 수 있다. 상기 스테이지(10)는 상기 복수의 홀들(PH)을 통해 공기를 흡입함으로써 상기 시료(S)를 상기 스테이지(10) 상에 고정시킬 수 있다. 일 예로, 상기 복수의 홀들(PH)의 각각은 상기 진공라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 진공라인(VL)은 도 6의 상기 진공펌프(30)에 연결될 수 있다. 상기 진공펌프(30)가 동작할 때, 상기 시료(S)와 상기 스테이지(10) 사이의 공간 내 공기(air)가 상기 복수의 홀들(PH) 및 상기 진공라인(VL)에 의해 흡입될 수 있다. 이에 따라, 상기 시료(S)가 상기 스테이지(10)의 표면(일 예로, 상기 바디부(BP)의 상기 상면(BP_U))으로 당겨질 수 있고, 상기 스테이지(10)의 상기 표면(일 예로, 상기 바디부(BP)의 상기 상면(BP_U))에 고정될 수 있다.
상기 스테이지(10)는 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 평행한 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)을 따라 수평적으로 이동하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)을 서로 교차할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)은 서로 수직할 수 있고, 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)은 각각 x방향 및 y방향에 대응할 수 있다. 상기 스테이지(10)는 일 예로, 100nm이하의 반복 위치 결정 정밀도를 갖는 X-Y 스테이지일 수 있다.
상술한 차이점을 제외하고, 본 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템(1000)은, 도 1 내지 도 4, 및 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명한 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템(1000)과 실질적으로 동일하다.
이하에서, 본 발명의 실시예들에 따른 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용한 자기 특성 측정 방법이 설명된다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다. 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법에 이용되는 시료의 평면도이다. 도 12는 도 11의 시료의 일 영역의 단면도이고, 도 13은 도 12의 A부분의 확대도이다. 도 14 및 도 15는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다. 이하에서, 설명의 편의를 위해, 도 1의 자기 특성 측정 시스템(1000)을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법이 설명된다.
도 1, 도 10, 및 도 11을 참조하면, 자기터널접합 패턴들을 포함하는 시료(S)가 도 1(또는 도 6)의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 상기 스테이지(10) 상에 로드될 수 있다(S100). 상기 시료(S)는 복수의 칩 영역들(200)을 포함하는 기판(100)을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)은 실리콘, 절연체 상의 실리콘(SOI), 실리콘게르마늄(SiGe), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs) 등을 포함하는 반도체 기판일 수 있다. 상기 칩 영역들(200)의 각각은 메모리 소자가 제공되는 메모리 영역을 포함할 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 기판(100)의 상기 칩 영역들(200)의 각각 상에 배선 구조체(wiring structure, 125)가 제공될 수 있다. 상기 배선 구조체(125)는 상기 기판(100)으로부터 이격되는 도전 라인들(120) 및 상기 도전 라인들(120)에 연결되는 콘택들(122)을 포함할 수 있다. 상기 도전 라인들(120)은 상기 콘택들(122)을 통하여 상기 기판(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 도전 라인들(120) 및 상기 콘택들(122)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 도전 라인들(120) 및 상기 콘택들(122)은 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 제1 층간 절연막(110)이 상기 기판(100)의 상기 칩 영역들(200)의 각각 상에 제공되어 상기 배선 구조체(125)를 덮을 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(110)은 산화물, 질화물, 및/또는 산질화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 층간 절연막(110) 상에 제2 층간 절연막(130)이 제공될 수 있고, 상기 제2 층간 절연막(130) 내에 하부 전극 콘택들(132)이 제공될 수 있다. 상기 하부 전극 콘택들(132)의 각각은 상기 제2 층간 절연막(130)을 관통하여 상기 도전 라인들(120) 중 대응하는 도전 라인(120)에 연결될 수 있다. 상기 제2 층간 절연막(130)은 산화물, 질화물, 및/또는 산질화물을 포함할 수 있고, 상기 하부 전극 콘택들(132)은 도핑된 반도체 물질(ex, 도핑된 실리콘), 금속(ex, 텅스텐, 티타늄, 및/또는 탄탈륨), 도전성 금속 질화물(ex, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 및/또는 텅스텐 질화물), 및 금속-반도체 화합물(ex, 금속 실리사이드) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 층간 절연막(130) 상에 자기터널접합 패턴들(MTJ)이 제공될 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)은 상기 기판(100)의 상기 칩 영역들(200)의 각각 상에서 수평적으로 서로 이격되도록 제공될 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)은 상기 기판(100)의 상면(100U)에 평행한 방향으로 서로 이격될 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)은 상기 하부 전극 콘택들(132)에 각각 연결될 수 있다. 하부 전극(BE)이 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 각각과 상기 하부 전극 콘택들(132)의 각각 사이에 제공될 수 있다. 상부 전극(TE)이 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 각각 상에 제공될 수 있고, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 각각을 사이에 두고 상기 하부 전극(BE)으로부터 이격될 수 있다. 상기 하부 전극(BE) 및 상기 상부 전극(TE)은 도전 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 하부 전극(BE) 및 상기 상부 전극(TE)은 도전성 금속 질화물(예를 들면, 티타늄 질화물 또는 탄탈륨 질화물)을 포함할 수 있다.
상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 각각은 제1 자성 패턴(140), 제2 자성 패턴(160), 및 이들 사이의 터널 배리어 패턴(150)를 포함할 수 있다. 상기 제1 자성 패턴(140) 및 상기 제2 자성 패턴(160) 중 어느 하나는 그것의 자화 방향이 일 방향으로 고정되는 기준층일 수 있고, 상기 제1 자성 패턴(140) 및 상기 제2 자성 패턴(160) 중 다른 하나는 그것의 자화 방향이 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있는 자유층일 수 있다. 상기 제1 자성 패턴(140) 및 상기 제2 자성 패턴(160)의 자화 방향들(MD1, MD2)은 상기 제1 자성 패턴(140)과 상기 터널 배리어 패턴(150)의 계면에 실질적으로 수직할 수 있다. 상기 제1 자성 패턴(140) 및 상기 제2 자성 패턴(160)의 상기 자화 방향들(MD1, MD2)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 실질적으로 수직할 수 있다. 도 12는 상기 제1 자성 패턴(140)이 일 방향으로 고정된 자화 방향(MD1)을 갖는 기준층이고, 상기 제2 자성 패턴(160)이 변경 가능한 자화 방향(MD2)을 갖는 자유층인 경우를 예로서 개시하나, 본 발명의 개념은 이에 한정되지 않는다. 도시된 바와 달리, 상기 제1 자성 패턴(140)이 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층이고, 상기 제2 자성 패턴(160)이 일 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 기준층일 수도 있다.
상기 제1 자성 패턴(140) 및 상기 제2 자성 패턴(160)의 각각은 내재적 수직 자성 물질 및 외인성 수직 자성 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 내재적 수직 자성 물질은 외부적 요인이 없는 경우에도 수직 자화 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상기 내재적 수직 자성 물질은, i) 수직 자성 물질(일 예로, CoFeTb, CoFeGd, CoFeDy), ii) L10 구조를 갖는 수직 자성 물질, iii) 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed Lattice) 구조의 CoPt, 및 ⅳ) 수직 자성 구조체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 L10 구조를 갖는 수직 자성 물질은 L10 구조의 FePt, L10 구조의 FePd, L10 구조의 CoPd, 또는 L10 구조의 CoPt 등에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 수직 자성 구조체는 교대로 그리고 반복적으로 적층된 자성층들 및 비자성층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 수직 자성 구조체는 (Co/Pt)n, (CoFe/Pt)n, (CoFe/Pd)n, (Co/Pd)n, (Co/Ni)n, (CoNi/Pt)n, (CoCr/Pt)n 또는 (CoCr/Pd)n (n은 적층 횟수) 등에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 외인성 수직 자성 물질은, 내재적 수평 자화 특성을 가지나 외부적 요인에 의해 수직 자화 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 외인성 수직 자성 물질은, 상기 제1 자성 패턴(140)(또는, 상기 제2 자성 패턴(160))과 상기 터널 배리어 패턴(150)의 접합에 의해 유도되는 자기 이방성에 의해 상기 수직 자화 특성을 가질 수 있다. 상기 외인성 수직 자성 물질은, 일 예로, CoFeB를 포함할 수 있다. 상기 터널 배리어 패턴(150)은 마그네슘(Mg) 산화물, 티타늄(Ti) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 마그네슘-아연(MgZn) 산화물, 마그네슘-보론(MgB) 산화물, 티타늄(Ti) 질화물, 및 바나듐(V) 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 시료(S)는 상기 기판(100), 및 상기 기판(100) 상에 제공된 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)은 상기 제1 자성 패턴(140) 및 상기 제2 자성 패턴(160)이 면에 수직한(perpendicular-to-plane) 상기 자화 방향들(MD1, MD2)을 갖는 수직형 자기터널접합 패턴들일 수 있다. 도 1(또는 도 5)의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)) 측정 시스템일 수 있고, 상기 수직형 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 수직 자기 특성을 측정하는데 이용될 수 있다.
도 1, 도 10, 및 도 14를 참조하면, 상기 시료(S)가 진공에 의해 상기 스테이지(10) 상에 고정될 수 있다(S110). 상기 스테이지(10)는 상기 복수의 홀들(PH)을 통해 공기를 흡입함으로써 상기 시료(S)를 상기 스테이지(10)의 표면 상에 고정시킬 수 있다.
상기 스테이지(10)를 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 평행한 상기 제1 방향(D1, 일 예로, x방향) 및 상기 제2 방향(D2, 일 예로, y방향)을 따라 수평적으로 이동시킴으로써, 상기 시료(S)의 측정 대상 영역(RT)이 광 조사 영역(RF)으로 이동될 수 있다(S120). 상기 광 조사 영역(RF)은 상기 입사광(Li)이 조사되는, 상기 챔버(500) 내 소정의 영역일 수 있다. 상기 측정 대상 영역(RT)은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)의 특정 영역일 수 있다. 일 예로, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)의 중심은 x-y 좌표계의 영점에 대응할 수 있고, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)의 상기 측정 대상 영역(RT)은 (x1, y1)의 좌표값으로 표시될 수 있다. 도 13에서, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU) 상에 x-y 좌표계가 도시되나, 이를 오직 설명의 이해를 돕기 위한 것이다. 초기 상태에서 상기 광 조사 영역(RF)은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)의 상기 중심과 중첩할 수 있다. 이 경우, 상기 스테이지(10)가 (-x1, -y1)의 거리로 이동함에 따라, 상기 측정 대상 영역(RT)이 상기 광 조사 영역(RF)과 중첩되도록 이동될 수 있다.
도 1, 도 10, 및 도 15를 참조하면, 상기 시료(S) 상에 상기 시료(S)의 일 면에 수직한 상기 자기장(H)이 인가될 수 있다(S130). 상기 자기장(H)은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 수직할 수 있고, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 대응할 수 있다. 즉, 상기 자기장(H)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 수직하게 인가될 수 있고, 이에 따라, 상기 제1 자성 패턴(140) 및 상기 제2 자성 패턴(160)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 실질적으로 수직한 자화들을 가질 수 있다. 즉, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)은 수직 자기 특성을 가질 수 있다.
상기 측정 대상 영역(RT)이 상기 광 조사 영역(RF)과 중첩됨에 따라, 상기 입사광(Li)이 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)으로 조사될 수 있다(S140). 상기 입사광(Li)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 실질적으로 수직하게 조사될 수 있으나, 본 발명의 개념은 이에 한정되지 않는다. 상기 입사광(Li)은, 도시된 바와 달리, 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 대하여 경사지게 조사될 수도 있다. 상기 입사광(Li)은 상기 편광자(55)에 의해 편광되어 상기 측정 대상 영역(RT)으로 조사될 수 있다.
상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광이 검출될 수 있다(S150). 상기 반사광(Lr)은 상기 검광자(75)에 의해 편광될 수 있고, 상기 검광자(75)를 통해 상기 검출기(70)로 수신될 수 있다. 상기 검출기(70)는 상기 반사광(Lr)의 상기 편광을 검출할 수 있다.
상기 반사광(Lr)은 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)로부터 반사된 신호 편광(signal polarized light), 및 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ) 아래의 하부 패턴들(일 예로, 상기 도전 라인들(120))로부터 반사된 노이즈 편광(noise polarized light)을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 도전 라인들(120)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 평행한 일 방향으로 길게 연장될 수 있고, 상기 노이즈 편광의 편광 방향(ND)은 상기 도전 라인들(120)이 연장되는 상기 방향에 실질적으로 평행하게 나타날 수 있다. 상기 노이즈 편광의 상기 편광 방향(ND)은 상기 검광자(75)의 편광축(PA)에 실질적으로 수직할 수 있다. 이에 따라, 상기 반사광(Lr) 내 상기 노이즈 편광은 상기 검광자(75)에 의해 차단될 수 있고 상기 반사광(Lr) 내 상기 신호 편광은 상기 검광자(75)를 통과하여 상기 검출기(70)로 수신될 수 있다.
상기 스테이지(10)가 회전되는 경우, 상기 시료(S)는 상기 시료(S)의 상기 상면(SU, 일 예로, 상기 기판(100)의 상기 상면(100U))에 수직한 법선을 회전축으로 하여 회전될 수 있다. 이 경우, 상기 노이즈 편광의 편광 방향(NDr)은 상기 검광자(75)의 상기 편광축(PA)에 대해 경사지도록 나타날 수 있다. 이에 따라, 상기 노이즈 편광의 적어도 일부가 상기 검광자(75)를 통과하여 상기 검출기(70)로 수신될 수 있고, 이로 인해, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 노이즈가 증가될 수 있다. 즉, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성을 측정하는 것이 어려울 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 상기 스테이지(10)는 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 평행한 상기 제1 방향(D1, 일 예로, x방향) 및 상기 제2 방향(D2, 일 예로, y방향)을 따라 수평적으로 이동되도록 구성된 X-Y 스테이지일 수 있다. 이 경우, 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)을 상기 광 조사 영역(RF)으로 이동시키기 위해, 상기 스테이지(10)의 회전이 요구되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)에서 상기 노이즈 편광의 상기 편광 방향(ND)은 상기 검광자(75)의 상기 편광축(PA)에 실질적으로 수직하게 나타날 수 있다. 따라서, 상기 반사광(Lr) 내 상기 노이즈 편광이 상기 검광자(75)에 의해 차단될 수 있고, 그 결과, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 노이즈가 감소되어 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있다. 즉, 상기 스테이지(10)가 X-Y 스테이지로 구성됨에 따라, 상기 시료(S)의 다양한 영역들에서 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있다.
더하여, 상기 스테이지(10)는 진공을 이용하여 상기 시료(S)를 상기 스테이지(10) 상에 고정시키도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 스테이지(10)의 이동에도 불구하고, 상기 시료(S) 내 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성이 안정적으로 측정될 수 있다.
상기 반사광(Lr)의 상기 편광을 분석하여 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 수직 자기 특성에 대한 정보가 획득될 수 있다(S160). 일 예로, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 수직 자기 특성에 대한 정보를 획득하는 것은, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자기 이력 곡선을 통해 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 수직 자기 특성(일 예로, 교환 자기장(Hex), 보자력(Hc), 단위 칩 내 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 보자력(Hc) 산포 등)에 대한 정보가 획득될 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다. 도 17 내지 도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 먼저, 기판(100) 상에 선택 소자들(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 기판(100)은 실리콘, 절연체 상의 실리콘(SOI), 실리콘게르마늄(SiGe), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs) 등을 포함하는 반도체 기판일 수 있다. 상기 선택 소자들은 전계 효과 트랜지스터들이거나, 다이오드들일 수 있다. 이 후, 상기 기판(100) 상에 배선 구조체(125)가 형성될 수 있다(S200). 상기 배선 구조체(125)는 상기 기판(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 배선 구조체(125)는 상기 기판(100)으로부터 이격되는 도전 라인들(120), 및 상기 도전 라인들(120)에 연결되는 콘택들(122)을 포함할 수 있다. 상기 도전 라인들(120)은 상기 콘택들(122)을 통하여 상기 기판(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 도전 라인들(120) 중 적어도 하나는 대응하는 콘택(122)을 통하여 대응하는 선택 소자의 일 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 도전 라인들(120) 및 상기 콘택들(122)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 도전 라인들(120) 및 상기 콘택들(122)은 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 제1 층간 절연막(110)이 상기 기판(100) 상에 상기 선택 소자들 및 상기 배선 구조체(125)를 덮도록 형성될 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(110)은 산화물, 질화물, 및/또는 산화질화물을 포함하는 단일층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
상기 배선 구조체(125) 상에 하부 전극 콘택들(132)이 형성될 수 있다(S210). 상기 하부 전극 콘택들(132)의 각각은 대응하는 도전 라인(120)을 통하여 상기 선택 소자들 중 대응하는 하나의 일 단자에 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 하부 전극 콘택들(132)은 도핑된 반도체 물질(ex, 도핑된 실리콘), 금속(ex, 텅스텐, 티타늄, 및/또는 탄탈륨), 도전성 금속 질화물(ex, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 및/또는 텅스텐 질화물), 및 금속-반도체 화합물(ex, 금속 실리사이드) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 층간 절연막(130)이 상기 제1 층간 절연막(110) 상에 상기 하부 전극 콘택들(132)을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 제2 층간 절연막(130)은 산화물, 질화물, 및/또는 산화질화물을 포함하는 단일층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
상기 제2 층간 절연막(130) 상에 상기 하부 전극 콘택들(132)을 덮는 하부 전극막(BEL) 및 자기터널접합 막(MTJL)이 형성될 수 있다(S220). 상기 하부 전극막(BEL)은 상기 제2 층간 절연막(130)과 상기 자기터널접합 막(MTJL) 사이에 개재될 수 있다. 상기 하부 전극막(BEL)은 도전성 금속 질화물(예를 들면, 티타늄 질화물 또는 탄탈륨 질화물)을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 막(MTJL)은 상기 하부 전극막(BEL) 상에 차례로 적층된, 제1 자성막(142), 터널 배리어막(152), 및 제2 자성막(162)을 포함할 수 있다. 상기 제1 자성막(142) 및 상기 제2 자성막(162)의 각각은 상술한 내재적 수직 자성 물질 및 외인성 수직 자성 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 터널 배리어막(152)은 마그네슘(Mg) 산화물, 티타늄(Ti) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 마그네슘-아연(MgZn) 산화물, 마그네슘-보론(MgB) 산화물, 티타늄(Ti) 질화물, 및 바나듐(V) 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 자기터널접합 막(MTJL)의 수직 자기 특성이 측정될 수 있다(S230). 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 수직 자기 특성은 도 1(또는 도 6)의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용하여 측정될 수 있다.
구체적으로, 상기 자기터널접합 막(MTJL)이 형성된 상기 기판(100)을 포함하는 상기 시료(S)가 준비될 수 있다. 도 1 및 도 10를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 시료(S)가 도 1(또는 도 6)의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 상기 스테이지(10) 상에 로드될 수 있고(S100), 상기 시료(S)가 진공에 의해 상기 스테이지(10) 상에 고정될 수 있다(S110). 상기 스테이지(10)를 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 평행한 상기 제1 방향(D1, 일 예로, x방향) 및 상기 제2 방향(D2, 일 예로, y방향)을 따라 수평적으로 이동시킴으로써, 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)이 상기 광 조사 영역(RF)으로 이동될 수 있다(S120). 상기 시료(S) 상에 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 수직한 상기 자기장(H)이 인가될 수 있다(S130). 상기 입사광(Li)이 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)으로 조사될 수 있고(S140), 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광이 검출될 수 있다(S150). 상기 반사광(Lr)의 상기 편광을 분석하여 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 상기 수직 자기 특성이 획득될 수 있다. 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 상기 수직 자기 특성을 획득하는 것은, 상기 자기터널접합 막(MTJL)에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자기 이력 곡선을 통해 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 상기 수직 자기 특성(일 예로, 교환 자기장(Hex), 보자력(Hc), 단위 칩 내 자기터널접합 막(MTJL)의 보자력(Hc) 산포 등)에 대한 정보가 획득될 수 있다.
도 16 및 도 18을 참조하면, 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 결정될 수 있다(S240). 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위를 벗어나는 경우, 경고가 발생될 수 있다(S250). 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는 경우, 상기 자기터널접합 막(MTJL) 상에 도전성 마스크 패턴들(165)이 형성될 수 있다. 상기 도전성 마스크 패턴들(165)은 후술될 자기터널접합 패턴들이 형성될 영역을 정의할 수 있다. 상기 도전성 마스크 패턴들(165)은 도전성 금속 질화물(예를 들면, 티타늄 질화물 또는 탄탈륨 질화물)을 포함할 수 있다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 도전성 마스크 패턴들(165)을 식각 마스크로 이용하여 상기 자기터널접합 막(MTJL) 및 상기 하부 전극막(BEL)을 차례로 패터닝함으로써 자기터널접합 패턴들(MTJ) 및 하부 전극들(BE)이 형성될 수 있다(S260). 상기 도전성 마스크 패턴들(165)의 각각은 상부 전극(TE)으로 기능할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 각각은 상기 하부 전극들(BE)의 각각 상에 차례로 적층된 제1 자성 패턴(140), 터널 배리어 패턴(150), 및 제2 자성 패턴(160)을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)은 상기 기판(100)의 상면(100U)에 평행한 방향을 따라 서로 이격될 수 있고, 상기 하부 전극들(BE)은 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ) 아래에 각각 제공될 수 있다.
상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 수직 자기 특성이 측정될 수 있다(S270). 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 수직 자기 특성은 도 1(또는 도 6)의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용하여 측정될 수 있다.
구체적으로, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)이 형성된 상기 기판(100)을 포함하는 상기 시료(S)가 준비될 수 있다. 도 1 및 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 시료(S)가 도 1(또는 도 6)의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 상기 스테이지(10) 상에 로드될 수 있고(S100), 상기 시료(S)가 진공에 의해 상기 스테이지(10) 상에 고정될 수 있다(S110). 상기 스테이지(10)를 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 평행한 상기 제1 방향(D1, 일 예로, x방향) 및 상기 제2 방향(D2, 일 예로, y방향)을 따라 수평적으로 이동시킴으로써, 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)이 상기 광 조사 영역(RF)으로 이동될 수 있다(S120). 상기 시료(S) 상에 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 수직한 상기 자기장(H)이 인가될 수 있다(S130). 상기 입사광(Li)이 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)으로 조사될 수 있고(S140), 상기 시료(S)의 상기 측정 대상 영역(RT)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광이 검출될 수 있다(S150). 상기 반사광(Lr)의 상기 편광을 분석하여 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 수직 자기 특성이 획득될 수 있다(S160). 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 수직 자기 특성을 획득하는 것은, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자기 이력 곡선을 통해 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 수직 자기 특성(일 예로, 교환 자기장(Hex), 보자력(Hc), 단위 칩 내 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 보자력(Hc) 산포 등)에 대한 정보가 획득될 수 있다.
도 16 및 도 19를 참조하면, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 결정될 수 있다(S280). 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위를 벗어나는 경우, 경고가 발생될 수 있다(S290). 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는 경우, 후속 공정이 수행될 수 있다(S300). 구체적으로, 보호막(170)이 상기 제2 층간 절연막(130) 상에 형성될 수 있고, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 측면들, 및 상기 하부 전극들(BE)의 측면들을 덮을 수 있다. 상기 보호막(170)은 상기 상부 전극들(TE)의 측면들을 덮을 수 있다. 상기 보호막(170)은 일 예로, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 제3 층간 절연막(180)이 상기 제2 층간 절연막(130) 상에 형성될 수 있고, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ), 상기 하부 전극들(BE), 및 상기 상부 전극들(TE)을 덮을 수 있다. 상기 보호막(170)은 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 각각과 상기 제3 층간 절연막(180) 사이, 상기 하부 전극들(BE)의 각각과 상기 제3 층간 절연막(180) 사이, 및 상기 상부 전극들(TE)의 각각과 상기 제3 층간 절연막(180) 사이에 개재될 수 있고, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ) 사이의 상기 제2 층간 절연막(130)의 상면과 상기 제3 층간 절연막(180) 사이로 연장될 수 있다. 상기 제3 층간 절연막(180)은 상기 자기터널접합 패턴들(MJT) 사이의 공간을 채우도록 형성될 수 있다. 상기 제3 층간 절연막(180)은 산화물, 질화물, 및/또는 산화질화물을 포함할 수 있다. 상기 제3 층간 절연막(180) 상에 비트 라인들(190)이 형성될 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MJT)의 각각은 상기 비트 라인들(190) 중 대응하는 하나에 연결될 수 있다. 상기 비트 라인들(190)은 금속(ex, 티타늄, 탄탈늄, 구리, 알루미늄 또는 텅스텐 등) 및 도전성 금속질화물(ex, 질화티타늄 또는 질화탄탈늄 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 자기 기억 소자의 단위 메모리 셀을 나타내는 회로도이다.
도 20을 참조하면, 단위 메모리 셀(MC)은 서로 직렬로 연결된 메모리 소자(ME) 및 선택 소자(SE)를 포함할 수 있다. 상기 메모리 소자(ME)는 비트 라인(BL)과 상기 선택 소자(SE) 사이에 연결될 수 있다. 상기 선택 소자(SE)는 상기 메모리 소자(ME)와 소스 라인(SL) 사이에 연결되며 워드 라인(WL)에 의해 제어될 수 있다. 상기 메모리 소자(ME)는 상기 제1 및 제2 자성 패턴들(140, 160), 및 상기 제1 및 제2 자성 패턴들(140, 160) 사이의 상기 터널 배리어 패턴(150)으로 구성되는 상기 자기터널접합 패턴(MTJ)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 자성 패턴들(140, 160) 중의 하나는 통상적인 사용 환경 아래에서, 외부 자계(external magnetic field)에 상관없이 고정된 자화 방향을 갖는 기준층일 수 있고, 상기 제1 및 제2 자성 패턴들(140, 160) 중 다른 하나는 외부 자계에 의해, 또는 프로그램 전류 내 전자들의 스핀 토크에 의해 자화 방향이 자유롭게 변화하는 자유층(free layer)일 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴(MTJ)의 전기적 저항은 상기 기준층 및 상기 자유층의 자화 방향들이 서로 평행한 경우에 비해 이들이 서로 반평행한(antiparallel) 경우에 훨씬 클 수 있다. 즉, 상기 자기터널접합 패턴(MTJ)의 전기적 저항은 상기 자유층의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 메모리 소자(ME)는 자화 방향에 따른 전기적 저항의 차이를 이용하여 상기 단위 메모리 셀(MC)에 데이터를 저장할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 상기 스테이지(10)가 X-Y 스테이지로 구성됨에 따라, 상기 시료(S)의 다양한 영역들에서 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있다. 상기 스테이지(10)는 진공을 이용하여 상기 시료(S)를 상기 스테이지(10) 상에 고정시키도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 스테이지(10)의 이동에도 불구하고, 상기 시료(S) 내 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성이 안정적으로 측정될 수 있다.
더하여, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용하는 경우, 자기 기억 소자의 제조를 위한 공정 동안, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성에 대한 모니터링이 용이할 수 있다. 따라서, 양산성 및 품질 안정성이 향상된 자기 기억 소자의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
1000: 자기 특성 측정 시스템 500: 챔버
10: 스테이지 S: 시료
20: 지지부재 30: 진공펌프
MS: 자성 구조체 50: 광원
55: 편광자 60, 65: 광학부재들
75: 검광자 70: 검출기
80: 제어기

Claims (20)

  1. 시료를 로드하기 위한 스테이지; 및
    상기 스테이지 위에 배치되는 자성 구조체를 포함하되,
    상기 스테이지는:
    바디부;
    상기 바디부에 인접하는 자성부; 및
    상기 바디부 내에 배치되는 복수의 홀들을 포함하고,
    상기 스테이지의 상기 자성부 및 상기 자성 구조체는 상기 시료에 상기 시료의 일면에 수직한 자기장을 인가하도록 구성되고,
    상기 스테이지는 상기 시료의 상기 일면에 평행한 x방향 및 y방향을 따라 수평적으로 이동하도록 구성되는 자기 특성 측정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 홀들의 각각은 상기 바디부 내에 배치되는 진공라인에 연결되고,
    상기 스테이지는 상기 복수의 홀들을 통해 공기를 흡입함으로써 상기 시료를 상기 스테이지 상에 고정시키도록 구성되는 자기 특성 측정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 진공라인에 연결되는 진공펌프를 더 포함하는 자기 특성 측정 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 자성부는 상기 바디부 상에 배치되고,
    상기 복수의 홀들은 상기 자성부를 관통하는 자기 특성 측정 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 자성부는 상기 바디부의 상면 상에 코팅된 코팅층인 자기 특성 측정 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 시료가 상기 자성부의 상면 상에 안착되도록 구성되는 자기 특성 측정 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 자성부는 상기 바디부 내에 배치되고,
    상기 복수의 홀들은 상기 자성부를 관통하는 자기 특성 측정 시스템.
  8. 청구항 7에 이어서,
    상기 스테이지는 상기 시료가 상기 바디부의 상면 상에 안착되도록 구성되는 자기 특성 측정 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 자성 구조체는 폴 피스(pole piece) 및 상기 폴 피스의 외주면을 둘러싸는 코일을 포함하는 자기 특성 측정 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 시료의 상기 일면에 입사광을 조사하는 광원; 및
    상기 시료로부터 반사되는 반사광의 편광(polarization)을 검출하는 검출기를 더 포함하는 자기 특성 측정 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    편광자 및 검광자를 더 포함하되,
    상기 입사광은 상기 편광자를 통해 상기 시료로 조사되고,
    상기 반사광은 상기 검광자를 통해 상기 검출기로 수신되는(receive) 자기 특성 측정 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    제어기를 더 포함하되,
    상기 제어기는 상기 검출기로부터 획득된 데이터를 기초로 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성하는 자기 특성 측정 시스템.
  13. 시료를 스테이지 상에 로드하는 것;
    진공을 이용하여 상기 시료를 상기 스테이지 상에 고정시키는 것;
    상기 스테이지를 상기 시료의 상면에 평행한 x방향 및 y방향을 따라 수평적으로 이동시킴으로써, 상기 시료의 측정 대상 영역을 광 조사 영역으로 이동시키는 것;
    상기 시료의 상기 측정 대상 영역으로 입사광을 조사하는 것; 및
    상기 시료의 상기 측정 대상 영역으로부터 반사되는 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 시료는 기판, 및 상기 기판 상에 수평적으로 서로 이격되는 자기터널접합 패턴들을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 시료 상에 상기 시료의 상기 상면에 수직한 자기장을 인가하는 것; 및
    상기 반사광의 상기 편광을 분석하여 상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성에 대한 정보를 획득하는 것을 더 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성에 대한 정보를 획득하는 것은, 극자기광 커 효과(Polar MOKE)를 이용하여 상기 자기터널접합 패턴들에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성하는 것을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 스테이지는:
    바디부;
    상기 바디부에 인접하는 자성부; 및
    상기 바디부 내에 배치되는 복수의 홀들을 포함하고,
    상기 스테이지는 상기 복수의 홀들을 통해 공기를 흡입함으로써 상기 시료를 상기 스테이지 상에 고정시키도록 구성되는 자기 특성 측정 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 시료 상에 상기 시료의 상기 상면에 수직한 자기장을 인가하는 것을 더 포함하되,
    상기 자기장은 상기 스테이지 위에 배치되는 자성 구조체, 및 상기 스테이지의 상기 자성부에 의해 생성되는 자기 특성 측정 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 자성부는 상기 바디부 상에 배치되고, 상기 복수의 홀들은 상기 자성부를 관통하고,
    상기 시료를 상기 스테이지 상에 로드하는 것은, 상기 시료를 상기 자성부의 상면 상에 안착시키는 것을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 자성부는 상기 바디부 내에 배치되고, 상기 복수의 홀들은 상기 자성부를 관통하고,
    상기 시료를 상기 스테이지 상에 로드하는 것은, 상기 시료를 상기 바디부의 상면 상에 안착시키는 것을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
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