KR20190111705A - 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

Info

Publication number
KR20190111705A
KR20190111705A KR1020180055338A KR20180055338A KR20190111705A KR 20190111705 A KR20190111705 A KR 20190111705A KR 1020180055338 A KR1020180055338 A KR 1020180055338A KR 20180055338 A KR20180055338 A KR 20180055338A KR 20190111705 A KR20190111705 A KR 20190111705A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
magnetic
tunnel junction
sample
magnetic tunnel
incident light
Prior art date
Application number
KR1020180055338A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102567341B1 (ko
Inventor
노은선
페렌츠 제트 바이다
라치드 마프호움
김주현
피웅환
Original Assignee
삼성전자주식회사
마이크로센스, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사, 마이크로센스, 엘엘씨 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to SG10201902543V priority Critical patent/SG10201902543VA/en
Priority to EP19164403.8A priority patent/EP3543721A1/en
Publication of KR20190111705A publication Critical patent/KR20190111705A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102567341B1 publication Critical patent/KR102567341B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R33/0325—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Kerr effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1207—Testing individual magnetic storage devices, e.g. records carriers or digital storage elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam
    • G11C13/06—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam using magneto-optical elements
    • H01L43/02—
    • H01L43/08—
    • H01L43/12—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Manufacturing Of Magnetic Record Carriers (AREA)

Abstract

자기 특성 측정 시스템은, 시료 상에 상기 시료의 일 면에 수직한 자기장을 인가하도록 구성되는 코일 구조체들, 상기 시료를 향하여 입사광을 조사하는 광원, 및 상기 시료로부터 반사되는 반사광의 편광(polarization)을 검출하는 검출기를 포함한다. 상기 코일 구조체들의 각각은 폴 피스(pole piece) 및 상기 폴 피스의 외주면을 둘러싸는 코일을 포함하고, 상기 입사광의 파장은 320nm 내지 580nm의 범위에 있다.

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 방법 및 시스템, 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.
요구되는 특성을 갖는 자기 기억 소자를 제공하기 위해, 자기터널접합 패턴의 자기 특성을 측정하는 시스템 및 방법이 이용될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 신호 대 잡음비가 개선된 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)) 측정 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 자기터널접합 패턴의 수직 자기 특성을 용이하게 측정할 수 있는 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, 시료 상에 상기 시료의 일 면에 수직한 자기장을 인가하도록 구성되는 코일 구조체들, 상기 코일 구조체들의 각각은 폴 피스(pole piece) 및 상기 폴 피스의 외주면을 둘러싸는 코일을 포함하는 것; 상기 시료를 향하여 입사광을 조사하는 광원; 및 상기 시료로부터 반사되는 반사광의 편광(polarization)을 검출하는 검출기를 포함할 수 있다. 상기 입사광의 파장은 320nm 내지 580nm의 범위에 있을 수 있다.
본 발명에 따른 자기 특성 측정 방법은, 시료를 준비하되, 상기 시료는 기판, 상기 기판 상의 배선 구조체, 및 상기 배선 구조체 상에 제공되고 수평적으로 서로 이격되는 자기터널접합 패턴들을 포함하는 것; 상기 시료 상에 상기 기판의 상면에 수직한 자기장을 인가하는 것; 상기 시료 상에 입사광을 조사하되, 상기 입사광의 파장은 320nm 내지 580nm의 범위 내에 있는 것; 상기 시료로부터 반사되는 반사광의 편광을 검출하는 것; 및 상기 반사광의 상기 편광을 분석하여 상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 획득하는 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 막의 상기 패터닝 공정 후, 상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 측정하는 것; 및 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는지 결정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 측정하는 것은, 상기 기판 상에 상기 기판의 상면에 수직한 자기장을 인가하는 것; 상기 기판 상에 입사광을 조사하되, 상기 입사광의 파장은 320nm 내지 580nm의 범위 내에 있는 것; 및 상기 기판으로부터 반사되는 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 신호 대 잡음비(SNR)가 개선된 극자기광 커 효과(Polar MOKE) 측정 시스템이 제공될 수 있고, 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성이 용이하게 측정될 수 있다. 더하여, 양산성 및 품질 안정성이 향상된 자기 기억 소자의 제조방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 5의 A부분의 확대도이다.
도 7은 종래의 자기 특성 측정 시스템을 이용하여 획득된, 자기터널접합 패턴들의 자기 이력 곡선이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용하여 획득된, 자기터널접합 패턴들의 자기 이력 곡선들이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 15는 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 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 자기 특성 측정 시스템(1000)은 그 내부에 시료(10)를 수용하는 챔버(20), 상기 챔버(20) 내에 제공되고 상기 시료(10)에 자기장(H)을 인가하도록 구성되는 코일 구조체들(CS1, CS2), 상기 시료(10)를 향하여 입사광(Li)을 조사하는 광원(30), 및 상기 시료(10)로부터 반사되는 반사광(Lr)을 수용하는 검출기(70)를 포함할 수 있다. 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 광원(30)으로부터 방출되는 상기 입사광(Li)을 편광시키는 편광기(40), 상기 입사광(Li)의 광 경로를 제어하기 위한 반사판(50), 및 빔 스플리터(60)를 더 포함할 수 있다.
상기 코일 구조체들(CS1, CS2)은 상기 시료(10)의 일 면에 수직한 상기 자기장(H)을 인가하도록 구성될 수 있다. 상기 시료(10)는 서로 대향하는 상면(10U) 및 하면(10L)을 가질 수 있고, 일 예로, 상기 시료(10)에 인가되는 상기 자기장(H)은 상기 시료(10)의 상기 상면(10U) 및 상기 하면(10L)에 실질적으로 수직할 수 있다. 여기서, 상기 자기장(H)의 방향은 상기 코일 구조체들(CS1, CS2) 사이의 공간 내 상기 자기장(H)의 방향을 지칭할 수 있다. 즉, 상기 코일 구조체들(CS1, CS2)은, 상기 코일 구조체들(CS1, CS2) 사이에서, 상기 시료(10)의 일면(일 예로, 상기 상면(10U) 및/또는 상기 하면(10L))에 수직한 방향을 갖는 자기장(H)을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 코일 구조체들(CS1, CS2)은, 적어도 상기 시료(10)의 상기 상면(10U) 및 상기 하면(10L) 사이에서, 상기 상면(10U) 및 상기 하면(10L) 중 하나 이상에 수직한 방향을 갖는 자기장(H)을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 코일 구조체들(CS1, CS2)은 상기 시료(10)를 사이에 두고 수직적으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 일 예로, 상기 코일 구조체들(CS1, CS2)은 상기 시료(10)의 상기 상면(10U)에 인접하는 제1 코일 구조체(CS1), 및 상기 시료(10)의 상기 하면(10L)에 인접하는 제2 코일 구조체(CS2)를 포함할 수 있다. 상기 코일 구조체들(CS1, CS2)의 각각은 폴 피스(pole piece, 80), 및 상기 폴 피스(80)의 외주면을 둘러싸는 코일(82)을 포함할 수 있다. 상기 폴 피스(80)는, 일 예로, 자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 시료(10)는 상기 시료(10)의 상기 상면(10U)(또는 상기 하면(10L))에 평행한 방향을 따라 수평적으로 이동할 수 있다.
상기 광원(30)은 레이저 광원일 수 있다. 상기 광원(30)은 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 단일 광원으로 이용될 수 있다. 상기 입사광(Li)은 연속파 레이저(continuous wave laser) 광일 수 있고, 상기 입사광(Li)의 파장은 약 320nm 내지 약 580nm의 범위에 있을 수 있다. 일 예로, 상기 입사광(Li)은 약 400nm 내지 약 500nm의 파장 범위 내에 있는 가시광선일 수 있다. 상기 입사광(Li)의 파장은 약 580nm 보다 크지 않을 수 있다. 상기 입사광(Li)은 상기 편광기(40)에 의해 편광될 수 있고, 상기 반사판(50) 및 상기 빔 스플리터(60)에 의해 반사되어 상기 시료(10) 상으로 조사될 수 있다. 상기 입사광(Li)은 상기 시료(10)의 상기 상면(10U)에 수직하게 조사될 수 있으나, 본 발명의 개념은 이에 한정되지 않는다. 상기 입사광(Li)은 상기 시료(10)의 상기 상면(10U)에 대하여 경사지게 조사될 수도 있다. 상기 시료(10)의 상기 상면(10U)으로 조사되는 상기 입사광(Li)을 기초로, 반사광(Lr)이 상기 시료(10)로부터(일 예로, 상기 시료(10)의 상기 상면(10U)으로부터) 반사될 수 있다. 상기 반사광(Lr)이 반사되는 면(일 예로, 상기 상면(10U))은 반사면으로 지칭될 수 있다.
상기 검출기(70)는 상기 시료(10)로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광을 검출하도록 구성될 수 있다. 상기 반사광(Lr)은 상기 빔 스플리터(60)를 통과하여 상기 검출기(70)로 유도(guide)될 수 있다.
상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE))를 이용하여 상기 시료(10)의 수직 자기 특성을 측정하도록 구성될 수 있다. 자기광 커 효과는 자성을 가진 물체에서 빛이 반사될 때 빛의 편광이 변화하는 현상으로, 극자기광 커 효과는 상기 물체의 자화된 방향이 빛의 입사 및 반사하는 평면에 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(10)의 상기 상면(10U)을 향하여 입사된 후 상기 상면(10U)으로부터 반사되는 광(즉, 상기 반사광(Lr))의 편광을 분석하여 상기 시료(10)의 표면의 수직 자화 정도를 측정할 수 있다. 즉, 상기 코일 구조체들(CS1, CS2), 상기 광원(30), 및 상기 검출기(70)는 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)) 측정 시스템의 적어도 일부를 구성할 수 있다.
상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 광원(30) 및 상기 검출기(70)에 연결되는 제어부(90)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(90)는 상기 광원(30) 및 상기 검출기(70)의 동작들을 제어할 수 있고, 상기 검출기(70)로부터 획득된 데이터를 처리할 수 있다. 상기 제어부(90)는 상기 검출기(70)로부터 획득된 상기 데이터를 다양한 형태(예컨대, 수치, 그래프, 영상 등)로 처리, 저장, 및 표시할 수 있다.
이하에서, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용한 자기 특성 측정 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 평면도들이다. 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 6은 도 5의 A부분의 확대도이다.
도 2, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 자기터널접합 패턴들을 포함하는 상기 시료(10)가 준비될 수 있다(S10). 상기 시료(10)는 복수의 칩 영역들(chip regions, 200)을 포함하는 웨이퍼(100)를 포함할 수 있다. 상기 웨이퍼(100)는 본 명세서에서 기판으로 지칭될 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 영역(MR) 및 논리 소자가 제공되는 로직 영역(LR)을 포함할 수 있다. 상기 메모리 소자는 자기 기억 소자를 포함할 수 있고, 상기 논리 소자는 하나의 불린 논리 기능(Boolean logic function, 일 예로, INVERTER, AND, OR, NAND, NOR 등) 또는 하나의 저장 기능(storage function, 일 예로, FLIP-FLOP)을 수행하기 위한 로직 셀들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 칩 영역들(200)의 각각 내에서, 상기 메모리 영역(MR)의 면적은 상기 로직 영역(LR)의 면적보다 작을 수 있다.
도 2, 도 5, 및 도 6을 참조하면, 상기 기판(100)의 상기 메모리 영역(MR) 상에 배선 구조체(wiring structure, 125)가 제공될 수 있다. 상기 배선 구조체(125)는 상기 기판(100)으로부터 이격되는 배선들(120) 및 상기 배선들(120)에 연결되는 콘택들(122)을 포함할 수 있다. 상기 배선들(120)은 상기 콘택들(122)을 통하여 상기 기판(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 배선들(120) 및 상기 콘택들(122)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 배선들(120) 및 상기 콘택들(122)은 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 제1 층간 절연막(110)이 상기 기판(100)의 상기 메모리 영역(MR) 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 배선들(120) 중 대응하는 하나에 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 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)이 제공될 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)은 상기 기판(100)의 상기 메모리 영역(MR) 상에서 수평적으로 서로 이격되도록 제공될 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)은 상기 기판(100)의 상면(100U)에 평행한 방향으로 서로 이격될 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)은 상기 하부 전극 콘택들(132)에 각각 연결될 수 있다. 하부 전극(BE)이 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 각각과 상기 하부 전극 콘택들(132)의 각각 사이에 제공될 수 있다. 상부 전극(TE)이 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 각각 상에 제공될 수 있고, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)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(MTJP)의 각각은 제1 자성 패턴(ML1), 제2 자성 패턴(ML2), 및 이들 사이의 터널 배리어 패턴(TBR)를 포함할 수 있다. 상기 제1 자성 패턴(ML1) 및 상기 제2 자성 패턴(ML2) 중 어느 하나는 그것의 자화 방향이 일 방향으로 고정되는 기준층일 수 있고, 상기 제1 자성 패턴(ML1) 및 상기 제2 자성 패턴(ML2) 중 다른 하나는 그것의 자화 방향이 안정된 자기 상태들 사이에서 스위치될 수 있는 자유층일 수 있다. 상기 제1 자성 패턴(ML1) 및 상기 제2 자성 패턴(ML2)의 자화 방향들(MD1, MD2)은 상기 제1 자성 패턴(ML1)과 상기 터널 배리어 패턴(TBR)의 계면에 실질적으로 수직할 수 있다. 상기 제1 자성 패턴(ML1) 및 상기 제2 자성 패턴(ML2)의 상기 자화 방향들(MD1, MD2)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 실질적으로 수직할 수 있다. 도 6은 상기 제1 자성 패턴(ML1)이 일 방향으로 고정된 자화 방향(MD1)을 갖는 기준층이고, 상기 제2 자성 패턴(ML2)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(ML1)이 변경 가능한 자화 방향을 갖는 자유층이고, 상기 제2 자성 패턴(ML2)이 일 방향으로 고정된 자화 방향을 갖는 기준층일 수도 있다.
상기 제1 자성 패턴(ML1) 및 상기 제2 자성 패턴(ML2)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(ML1)(또는, 상기 제2 자성 패턴(ML2))과 상기 터널 배리어 패턴(TBR)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(TBR)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(10)는 상기 기판(100), 및 상기 기판(100) 상에 제공된 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)은 상기 제1 자성 패턴(ML1) 및 상기 제2 자성 패턴(ML2)이 면에 수직한(perpendicular-to-plane) 상기 자화 방향들(MD1, MD2)을 갖는 수직형 자기터널접합 패턴들일 수 있다. 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)) 측정 시스템일 수 있고, 상기 수직형 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 측정하는데 이용될 수 있다.
도 1, 도 2, 및 도 5를 참조하면, 상기 시료(10)가 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 상기 챔버(20) 내에 제공될 수 있다. 상기 시료(10) 상에 상기 시료(10)의 일 면에 수직한 상기 자기장(H)이 인가될 수 있다(S20). 상기 자기장(H)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 수직할 수 있다. 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)은, 도 1을 참조하여 설명한, 상기 시료(10)의 상기 상면(10U)에 대응할 수 있다. 상기 자기장(H)이 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 수직하게 인가됨에 따라, 상기 제1 자성 패턴(ML1) 및 상기 제2 자성 패턴(ML2)은 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 실질적으로 수직한 자화들을 가질 수 있다. 즉, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)은 수직 자기 특성을 가질 수 있다.
상기 시료(10) 상에 상기 입사광(Li)이 조사될 수 있다(S30). 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 단일 광원(30)으로부터 방출되는 연속파 레이저(continuous wave laser) 광일 수 있다. 상기 입사광(Li)의 파장은 약 320nm 내지 약 580nm의 범위에 있을 수 있고, 일 예로, 상기 입사광(Li)은 약 400nm 내지 약 500nm의 파장 범위 내에 있는 가시광선일 수 있다. 상기 입사광(Li)의 파장은 약 580nm 보다 크지 않을 수 있다. 상기 입사광(Li)은, 도 3 및 도 4에 도시된, 상기 기판(100)의 상기 복수의 칩 영역들(200) 중 미리 정해진 칩 영역(200) 상으로 조사될 수 있고, 상기 미리 정해진 칩 영역(200) 내 상기 메모리 영역(MR) 상으로 조사될 수 있다.
상기 시료(10)로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광이 검출될 수 있다(S40). 구체적으로, 상기 반사광(Lr)은 상기 빔 스플리터(60)를 통과하여 상기 검출기(70)로 유도(guide)될 수 있고, 상기 검출기(70)는 상기 반사광(Lr)의 상기 편광을 검출하도록 구성될 수 있다.
상기 반사광(Lr)의 상기 편광을 분석하여 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 수직 자기 특성이 획득될 수 있다(S50). 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 수직 자기 특성을 획득하는 것은, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 획득하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자기 이력 곡선을 통해 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 수직 자기 특성(일 예로, 교환 자기장(Hex), 보자력(Hc), 단위 칩 내 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 보자력(Hc) 산포 등)에 대한 정보가 측정될 수 있다.
도 7은 종래의 자기 특성 측정 시스템을 이용하여 획득된, 자기터널접합 패턴들의 자기 이력 곡선이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용하여 획득된, 자기터널접합 패턴들의 자기 이력 곡선들이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 일반적으로, 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)) 측정 시스템은 약 580nm 보다 큰 장파장을 갖는 입사광(Lc)을 이용하여 상기 시료(10)의 표면의 수직 자화 정도를 측정할 수 있다. 상기 시료(10)가 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP) 아래에 위치하는 하부 패턴들(일 예로, 상기 하부 전극 콘택들(132) 및 상기 배선 구조체(125))를 포함하는 경우, 상기 시료(10) 상으로 조사된 상기 장파장의 입사광(Lc)은 금속 물질을 포함하는 상기 하부 패턴들(특히, 상기 배선 구조체(125))에 의해 난반사될 수 있다. 이에 따라, 상기 시료(10)로부터 반사되는 반사광의 편광을 검출하는 것이 어려울 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 하부 패턴들을 포함하는 상기 시료(10) 상에 상기 장파장의 입사광(Lc)이 조사되는 경우, 상기 극자기광 커 효과(Polar MOKE) 측정 시스템의 노이즈가 증가할 수 있고, 이로 인해 상기 시료(10)의 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)에 대한 신뢰성 있는 자기 이력 곡선을 획득하기 어려울 수 있다.
도 5, 도 8, 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 개념에 따른 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상대적으로 짧은 파장을 갖는 상기 입사광(Li)을 이용하는 극자기광 커 효과(Polar MOKE) 측정 시스템일 수 있다. 이 경우, 상기 시료(10)가 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP) 아래에 위치하는 상기 하부 패턴들(일 예로, 상기 하부 전극 콘택들(132) 및 상기 배선 구조체(125))를 포함하는 경우라도, 상대적으로 짧은 파장을 갖는 상기 입사광(Li)은 상기 하부 패턴들(특히, 상기 배선 구조체(125))에 도달하지 않을 수 있고, 이에 따라, 상기 입사광(Li)이 상기 배선 구조체(125)에 의해 난반사되는 것이 억제될 수 있다. 따라서, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 시료(10)의 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)에 대하여 신뢰성 있는 자기 이력 곡선을 획득하기에 충분한 신호를 얻을 수 있다. 즉, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 하부 패턴들(일 예로, 상기 하부 전극 콘택들(132) 및 상기 배선 구조체(125))를 포함하는 상기 시료(10)에 대하여 개선된 신호 대 잡음비(SNR)를 가질 수 있다. 상기 하부 패턴들을 포함하는 상기 시료(10) 상에 상대적으로 짧은 파장을 갖는 상기 입사광(Li)이 조사되는 경우, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 시료(10)의 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)에 대한 신뢰성 있는 자기 이력 곡선이 획득될 수 있다. 도 8은 상기 제1 자성 패턴(ML1) 및 상기 제2 자성 패턴(ML2)을 포함하는 상기 자기터널접합 패턴(MTJP)의 전체 적층 구조에 대한 자기 이력 곡선을 나타내고, 도 9는 상기 자기터널접합 패턴(MTJP)의 자유층(일 예로, 상기 제2 자성 패턴(ML2))에 대한 자기 이력 곡선을 나타낸다.
이상에서, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용하여 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)에 대한 수직 자기 특성을 측정하는 자기 특성 측정 방법이 설명되었으나, 본 발명의 개념은 이에 한정되지 않는다. 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은, 상기 하부 패턴들을 포함하는 상기 시료(10) 상에 형성된, 자기터널접합 막에 대한 수직 자기 특성을 측정하는데 이용될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다. 도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 먼저, 상기 기판(100)의 상기 메모리 영역(MR) 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(S100). 상기 배선 구조체(125)는 상기 기판(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 배선 구조체(125)는 상기 기판(100)으로부터 이격되는 배선들(120), 및 상기 배선들(120)에 연결되는 콘택들(122)을 포함할 수 있다. 상기 배선들(120)은 상기 콘택들(122)을 통하여 상기 기판(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 배선들(120) 중 적어도 하나는 대응하는 콘택(122)을 통하여 대응하는 선택 소자의 일 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 배선들(120) 및 상기 콘택들(122)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 배선들(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(S200). 상기 하부 전극 콘택들(132)의 각각은 대응하는 배선(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(S300). 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(140), 터널 배리어막(150), 및 제2 자성막(160)을 포함할 수 있다. 상기 제1 자성막(140) 및 상기 제2 자성막(160)의 각각은 상술한 내재적 수직 자성 물질 및 외인성 수직 자성 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 터널 배리어막(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 자기터널접합 막(MTJL)이 형성된 후, 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 수직 자기 특성이 측정될 수 있다(S320). 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 수직 자기 특성은 도 1의 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(10)가 준비될 수 있다. 상기 시료(10)가 도 1의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 상기 챔버(20) 내에 제공될 수 있다. 이 후, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 시료(10) 상에 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 수직한 상기 자기장(H)이 인가될 수 있고(S20), 상기 시료(10) 상에 상기 입사광(Li)이 조사될 수 있고(S30), 상기 시료(10)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광이 검출될 수 있다(S40). 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 획득하는 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(MTJPL)의 보자력(Hc) 산포 등)에 대한 정보가 측정될 수 있다. 상대적으로 짧은 파장을 갖는 상기 입사광(Li)이 상기 기판(100)의 상기 상면(100U) 상으로 조사될 수 있고, 이에 따라, 상기 자기터널접합 막(MTJL) 아래에 형성된 하부 패턴들(일 예로, 상기 하부 전극 콘택들(132) 및 상기 배선 구조체(125))에 의해 상기 입사광(Li)이 난반사되는 것이 억제될 수 있다. 따라서, 상기 자기터널접합 막(MTJL)에 대하여 신뢰성이 개선된 자기 이력 곡선이 획득될 수 있다.
도 10 및 도 12를 참조하면, 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 결정될 수 있다(S340). 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위를 벗어나는 경우, 경고가 발생될 수 있다(S360). 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 10 및 도 13을 참조하면, 상기 도전성 마스크 패턴들(165)을 식각 마스크로 이용하여 상기 자기터널접합 막(MTJL) 및 상기 하부 전극막(BEL)을 차례로 패터닝함으로써 자기터널접합 패턴들(MTJP) 및 하부 전극들(BE)이 형성될 수 있다(S400). 상기 도전성 마스크 패턴들(165)의 각각은 상부 전극(TE)으로 기능할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 각각은 상기 하부 전극들(BE)의 각각 상에 차례로 적층된 제1 자성 패턴(ML1), 터널 배리어 패턴(TBR), 및 제2 자성 패턴(ML2)을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)은 상기 기판(100)의 상면에 평행한 방향을 따라 서로 이격될 수 있고, 상기 하부 전극들(BE)은 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP) 아래에 각각 제공될 수 있다.
도 10 및 도 5를 참조하면, 상기 자기터널접합 막(MTJL)의 상기 패터닝 공정 후, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 수직 자기 특성이 측정될 수 있다(S500). 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 수직 자기 특성은 도 1의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용하여 측정될 수 있다.
구체적으로, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 수직 자기 특성을 측정하는 것은, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)이 형성된 상기 기판(100)을 포함하는 상기 시료(10)를 준비하고(S10), 상기 시료(10)를 도 1의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 상기 챔버(20) 내에 제공하는 것, 상기 시료(10) 상에 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 수직한 상기 자기장(H)을 인가하는 것(S20), 상기 시료(10) 상에 상기 입사광(Li)을 조사하는 것(S30), 상기 시료(10)으로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광을 검출하는 것(S40), 및 상기 반사광(Lr)의 상기 편광을 분석하여 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 수직 자기 특성을 획득하는 것(S50)을 포함할 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 수직 자기 특성을 획득하는 것은, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 획득하는 것을 포함할 수 있다. 상기 자기 이력 곡선을 통해 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 수직 자기 특성(일 예로, 교환 자기장(Hex), 보자력(Hc), 단위 칩 내 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 보자력(Hc) 산포 등)에 대한 정보가 측정될 수 있다.
도 10 및 도 14를 참조하면, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 결정될 수 있다(S600). 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위를 벗어나는 경우, 경고가 발생될 수 있다(S700). 상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는 경우, 후속 공정이 수행될 수 있다(S800). 구체적으로, 상기 제2 층간 절연막(130) 상에 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)을 차례로 덮는 스페이서막(170) 및 제3 층간 절연막(180)이 형성될 수 있다. 상기 스페이서막(170)은 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 각각의 측면들, 및 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP) 사이의 상기 제2 층간 절연막(130)의 상면을 컨포멀하게 덮도록 형성될 수 있다. 상기 제3 층간 절연막(180)은 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP) 사이의 공간을 채우도록 형성될 수 있다. 상기 스페이서막(170) 및 상기 제3 층간 절연막(180)의 각각은 산화물, 질화물, 및/또는 산화질화물을 포함할 수 있다. 이 후, 상기 제3 층간 절연막(180) 상에 비트 라인(BL)이 형성될 수 있다. 상기 비트 라인(BL)은 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP) 중 대응하는 자기터널접합 패턴들(MTJP)에 연결될 수 있다. 상기 비트 라인(BL)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 15는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 자기 기억 소자의 단위 메모리 셀을 나타내는 회로도이다.
도 15를 참조하면, 단위 메모리 셀(MC)은 서로 직렬로 연결된 메모리 요소(ME) 및 선택 요소(SE)를 포함할 수 있다. 상기 메모리 요소(ME)는 비트 라인(BL)과 상기 선택 요소(SE) 사이에 연결될 수 있다. 상기 선택 요소(SE)는 상기 메모리 요소(ME)와 소스 라인(SL) 사이에 연결되며 워드 라인(WL)에 의해 제어될 수 있다. 상기 메모리 요소(ME)는 상기 제1 및 제2 자성 패턴들(ML1, ML2), 및 상기 제1 및 제2 자성 패턴들(ML1, ML2) 사이의 상기 터널 배리어 패턴(TBR)으로 구성되는 상기 자기터널접합 패턴(MTJP)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 자성 패턴들(ML1, ML2) 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(ML1, ML2) 중 다른 하나는 외부 자계에 의해 자화 방향이 자유롭게 변화하는 자유층(free layer)일 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴(MTJP)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(MTJP)의 전기적 저항은 상기 자유층의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 메모리 요소(ME)는 자화 방향에 따른 전기적 저항의 차이를 이용하여 상기 단위 메모리 셀(MC)에 데이터를 저장할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상대적으로 짧은 파장을 갖는 상기 입사광(Li)을 이용하는 극자기광 커 효과(Polar MOKE) 측정 시스템일 수 있다. 이 경우, 상기 시료(10)가 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP, 또는 상기 자기터널접합 막(MTJL)) 아래에 위치하는 하부 패턴들(특히, 상기 배선 구조체(125))를 포함하는 경우라도, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 시료(10)의 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP, 또는 상기 자기터널접합 막(MTJL))에 대하여 신뢰성 있는 자기 이력 곡선을 획득하기에 충분한 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 신호 대 잡음비(SNR)가 개선된 극자기광 커 효과(Polar MOKE) 측정 시스템이 제공될 수 있다. 또한, 상기 시료(10)가 상기 하부 패턴들(특히, 상기 배선 구조체(125))를 포함하는 경우라도, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP, 또는 상기 자기터널접합 막(MTJL))에 대하여 신뢰성 있는 자기 이력 곡선이 획득될 수 있고, 이에 따라, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP, 또는 상기 자기터널접합 막(MTJL))의 수직 자기 특성이 용이하게 측정될 수 있다.
더하여, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용하는 경우, 자기 기억 소자의 제조를 위한 공정 동안, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJP)의 수직 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 10: 시료
20: 챔버 30: 광원
40: 편광기 50: 반사판
60: 빔 스플리터 70: 검출기
90: 제어부 100: 기판
110: 제1 층간 절연막 125: 배선 구조체
130: 제2 층간 절연막 132: 하부 전극 콘택들
MTJP: 자기터널접합 패턴들 BE: 하부 전극
TE: 상부 전극 ML1: 제1 자성 패턴
ML2: 제2 자성 패턴 TBR: 터널 배리어 패턴

Claims (20)

  1. 시료 상에 상기 시료의 일 면에 수직한 자기장을 인가하도록 구성되는 코일 구조체들, 상기 코일 구조체들의 각각은 폴 피스(pole piece) 및 상기 폴 피스의 외주면을 둘러싸는 코일을 포함하는 것;
    상기 시료를 향하여 입사광을 조사하는 광원; 및
    상기 시료로부터 반사되는 반사광의 편광(polarization)을 검출하는 검출기를 포함하되,
    상기 입사광의 파장은 320nm 내지 580nm의 범위에 있는 자기 특성 측정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 입사광은 400nm 내지 500nm의 파장 범위 내에 있는 가시광선인 자기 특성 측정 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 입사광은 연속파 레이저(continuous wave laser) 광인 자기 특성 측정 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 입사광의 상기 파장은 580nm 보다 크지 않은 자기 특성 측정 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코일 구조체들, 상기 광원, 및 상기 검출기는 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)) 측정 시스템을 구성하는 자기 특성 측정 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 광원은 상기 극자기광 커 효과(Polar MOKE) 측정 시스템의 단일 광원으로 이용되는 자기 특성 측정 시스템.
  7. 시료를 준비하는 것, 상기 시료는 기판, 상기 기판 상의 배선 구조체, 및 상기 배선 구조체 상에 제공되고 수평적으로 서로 이격되는 자기터널접합 패턴들을 포함하는 것;
    상기 시료 상에 상기 기판의 상면에 수직한 자기장을 인가하는 것;
    상기 시료 상에 입사광을 조사하되, 상기 입사광의 파장은 320nm 내지 580nm의 범위 내에 있는 것;
    상기 시료로부터 반사되는 반사광의 편광을 검출하는 것; 및
    상기 반사광의 상기 편광을 분석하여 상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 획득하는 것을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 배선 구조체는 상기 기판과 상기 자기터널접합 패턴들의 어레이 사이에 제공되고, 금속을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 자기터널접합 패턴들의 각각은 터널 배리어 패턴, 및 상기 터널 배리어 패턴을 사이에 두고 서로 이격되는 제1 자성 패턴 및 제2 자성 패턴을 포함하고,
    상기 제1 자성 패턴 및 상기 제2 자성 패턴의 각각은 상기 기판의 상기 상면에 수직한 자화 방향을 가지도록 구성되는 자기 특성 측정 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 입사광은 400nm 내지 500nm의 파장 범위 내에 있는 가시광선인 자기 특성 측정 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 입사광은 단일 광원으로부터 방출되는 연속파 레이저(continuous wave laser) 광인 자기 특성 측정 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 입사광의 상기 파장은 580nm 보다 크지 않은 자기 특성 측정 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 획득하는 것은, 극자기광 커 효과(Polar MOKE)를 이용하여 상기 자기터널접합 패턴들에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 획득하는 것을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  14. 기판 상에 자기터널접합 막을 형성하는 것;
    상기 자기터널접합 막을 패터닝하여 자기터널접합 패턴들을 형성하는 것;
    상기 자기터널접합 막의 상기 패터닝 공정 후, 상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 측정하는 것; 및
    상기 측정된 수직 자기 특성이 허용 범위 내에 있는지 결정하는 것을 포함하되,
    상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 측정하는 것은:
    상기 기판 상에 상기 기판의 상면에 수직한 자기장을 인가하는 것;
    상기 기판 상에 입사광을 조사하되, 상기 입사광의 파장은 320nm 내지 580nm의 범위 내에 있는 것; 및
    상기 기판으로부터 반사되는 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함하는 자기 기억 소자의 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 자기터널접합 막의 형성 전에, 상기 기판 상에 배선 구조체를 형성하는 것; 및
    상기 배선 구조체 상에 하부 전극 콘택들을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 자기터널접합 막은 상기 하부 전극 콘택들의 상면들을 덮도록 형성되고,
    상기 배선 구조체 및 상기 하부 전극 콘택들은 금속을 포함하는 자기 기억 소자의 제조방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 측정하는 것은, 극자기광 커 효과(Polar magneto-optical Kerr effect(MOKE))를 이용하여 상기 자기터널접합 패턴들에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 획득하는 것을 포함하는 자기 기억 소자의 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 입사광은 400nm 내지 500nm의 파장 범위 내에 있는 가시광선인 자기 기억 소자의 제조방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 입사광은 연속파 레이저(continuous wave laser) 광인 자기 기억 소자의 제조방법.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 자기터널접합 패턴들의 수직 자기 특성을 측정하는 것은, 극자기광 커 효과(Polar MOKE) 측정 시스템을 이용하여 수행되고,
    상기 입사광은 상기 극자기광 커 효과(Polar MOKE) 측정 시스템의 단일 광원으로부터 방출되는 연속파 레이저 광인 자기 기억 소자의 제조방법.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 측정된 수직 자기 특성이 허용범위 내에 있는 경우, 상기 기판 상에 상기 자기터널접합 패턴들을 덮는 스페이서막 및 층간 절연막을 형성하는 것을 더 포함하는 자기 기억 소자의 제조방법.
KR1020180055338A 2018-03-23 2018-05-15 자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법 KR102567341B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SG10201902543V SG10201902543VA (en) 2018-03-23 2019-03-21 Magnetic property measuring systems, methods for measuring magnetic properties, and methods for manufacturing magnetic memory devices using the same
EP19164403.8A EP3543721A1 (en) 2018-03-23 2019-03-21 Magnetic property measuring systems, methods for measuring magnetic properties, and methods for manufacturing magnetic memory devices using the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/933,659 2018-03-23
US15/933,659 US11037611B2 (en) 2018-03-23 2018-03-23 Magnetic property measuring systems, methods for measuring magnetic properties, and methods for manufacturing magnetic memory devices using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190111705A true KR20190111705A (ko) 2019-10-02
KR102567341B1 KR102567341B1 (ko) 2023-08-17

Family

ID=67985582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180055338A KR102567341B1 (ko) 2018-03-23 2018-05-15 자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법

Country Status (4)

Country Link
US (2) US11037611B2 (ko)
EP (1) EP3543721A1 (ko)
KR (1) KR102567341B1 (ko)
SG (1) SG10201902543VA (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020059662A1 (ja) * 2018-09-18 2020-03-26 ソニー株式会社 磁気特性の測定方法およびその測定装置、ならびに磁気記録媒体の製造方法
KR102546691B1 (ko) 2018-10-22 2023-06-22 삼성전자주식회사 자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법
US11237224B2 (en) * 2019-10-03 2022-02-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic property measuring systems, methods of measuring magnetic property, and methods of fabricating magnetic memory devices using the same
WO2022051692A1 (en) * 2020-09-04 2022-03-10 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Method and system for determining at least one property of magnetic matter

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9348000B1 (en) * 2012-12-20 2016-05-24 Seagate Technology Llc Magneto optic kerr effect magnetometer for ultra-high anisotropy magnetic measurements
US20170034456A1 (en) * 2015-07-31 2017-02-02 Dual Aperture International Co., Ltd. Sensor assembly with selective infrared filter array

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5994898A (en) 1993-03-05 1999-11-30 Northeastern University Apparatus and method for measuring instantaneous power using a magneto-optic Kerr effect sensor
JP4252150B2 (ja) 1999-03-24 2009-04-08 富士通株式会社 磁気記録媒体特性測定装置および方法
US6501269B1 (en) 2001-02-28 2002-12-31 Ade Corporation Vector kerr magnetometry
US7166997B2 (en) 2002-10-07 2007-01-23 Seagate Technology Llc Complex transverse AC magneto-optic susceptometer for determination of volume and anisotropy field distribution in recording media
JP2010537355A (ja) 2007-08-13 2010-12-02 エージェンシー フォー サイエンス， テクノロジー アンド リサーチ 磁気媒体の磁気特性を検査するための方法および装置
US8264693B2 (en) 2007-12-06 2012-09-11 The Regents Of The University Of Michigan Method and system for measuring at least one property including a magnetic property of a material using pulsed laser sources
US7989224B2 (en) * 2009-04-30 2011-08-02 International Business Machines Corporation Sidewall coating for non-uniform spin momentum-transfer magnetic tunnel junction current flow
JP5914903B2 (ja) 2011-05-31 2016-05-11 秋田県 磁気光学効果計測装置
US20150325278A1 (en) 2014-03-14 2015-11-12 Uwe Bauer Voltage-controlled solid-state magnetic devices
KR102648392B1 (ko) 2017-01-26 2024-03-18 삼성전자주식회사 반도체 소자

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9348000B1 (en) * 2012-12-20 2016-05-24 Seagate Technology Llc Magneto optic kerr effect magnetometer for ultra-high anisotropy magnetic measurements
US20170034456A1 (en) * 2015-07-31 2017-02-02 Dual Aperture International Co., Ltd. Sensor assembly with selective infrared filter array

Also Published As

Publication number Publication date
SG10201902543VA (en) 2019-10-30
US11037611B2 (en) 2021-06-15
US20190295616A1 (en) 2019-09-26
EP3543721A1 (en) 2019-09-25
KR102567341B1 (ko) 2023-08-17
US11727973B2 (en) 2023-08-15
US20210264957A1 (en) 2021-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102546691B1 (ko) 자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법
KR102567341B1 (ko) 자기 특성 측정 시스템, 자기 특성 측정 방법, 및 이를 이용한 자기 기억 소자의 제조방법
KR102648392B1 (ko) 반도체 소자
KR100403313B1 (ko) 바이폴라 접합 트랜지스터를 이용한 마그네틱 램 및 그형성방법
JP4658102B2 (ja) 磁気的に軟らかい基準層を有する磁気抵抗素子のための読出し方法
US20140284736A1 (en) Magnetoresistive effect element and method of manufacturing magnetoresistive effect element
US8072789B2 (en) Resistance-change memory device
KR100390978B1 (ko) 마그네틱 램
JP4128418B2 (ja) 導体を埋め込まれた磁気的に軟らかい基準層を含む磁気抵抗素子
KR20020089017A (ko) 마그네틱 램 및 그 형성방법
KR20040066420A (ko) 단위 셀이 한 개의 트랜지스터와 두 개의 ｍｔｊ로 구성된ｍｒａｍ 및 그 제조방법
US11237224B2 (en) Magnetic property measuring systems, methods of measuring magnetic property, and methods of fabricating magnetic memory devices using the same
KR20030034500A (ko) 마그네틱 램
KR100434958B1 (ko) 마그네틱 램
US10699927B1 (en) Inspection apparatus and semiconductor structure-manufacturing apparatus including the same
US7564109B2 (en) MRAM and method of manufacturing the same
CN112863565A (zh) 基于自旋轨道矩的差分存储单元及其制备方法
US7193287B2 (en) Magnetic memory device, a method for manufacturing a magnetic memory device, and an integrated circuit device including such magnetic memory device
KR100601994B1 (ko) 외부 자기장 발생수단을 구비하는 메모리 장치와 그 동작및 제조 방법
US20040014246A1 (en) Method for manufacturing MTJ cell of magnetic random access memory
KR20230035271A (ko) 자기 기억 소자 및 그 제조방법
Judge et al. Comparative study of the optical feedback sensitivity of oxide-confined vs. proton-implanted VCSELs

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant