KR20210040241A - 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, 상기 스테이지는 상기 시료가 그 상면에 수직한 법선을 회전축으로 회전하도록 구성되는 것, 제1 편광축을 갖는 편광자(polarizer), 및 제2 편광축을 갖는 검광자(analyzer)를 포함한다. 상기 편광자 및 상기 검광자의 각각은 상기 제1 편광축 및 상기 제2 편광축의 각각이 상기 시료의 회전각도에 의존하여 회전하도록 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 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.
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 신호 대 잡음비가 개선된 자기 측정 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 자기터널접합 패턴의 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, 시료를 로드하기 위한 스테이지, 상기 스테이지는 상기 시료가 그 상면에 수직한 법선을 회전축으로 회전하도록 구성되는 것; 제1 편광축을 갖는 편광자(polarizer); 및 제2 편광축을 갖는 검광자(analyzer)를 포함할 수 있다. 상기 편광자 및 상기 검광자의 각각은 상기 제1 편광축 및 상기 제2 편광축의 각각이 상기 시료의 회전각도에 의존하여 회전하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 자기 특성 측정 방법은, 시료를 준비하는 것, 상기 시료는 기판, 및 상기 기판 상에 수평적으로 서로 이격되는 자기터널접합 패턴들을 포함하는 것; 상기 시료의 표면 상의 제1 위치에서 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 것, 상기 제1 위치에서 상기 자기 특성을 측정하는 것은 입사광을 상기 제1 위치로 조사하는 것, 및 상기 제1 위치로부터 반사된 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함하고, 상기 입사광은 제1 편광축을 갖는 편광자를 통해 상기 제1 위치로 조사되고, 상기 반사광은 제2 편광축을 갖는 검광자를 통해 검출되는 것; 상기 시료를 상기 시료의 상기 표면에 수직한 법선을 회전축으로 하여 회전시킴으로써, 상기 시료의 상기 표면 상에서 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하는 것; 상기 제1 편광축 및 상기 제2 편광축을 상기 시료의 회전각도에 의존하여 회전시키는 것; 및 상기 제2 위치에서 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 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 패턴들이 형성된 후, 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 기판의 상면 상의 제1 위치에서 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 것, 상기 제1 위치에서 상기 자기 특성을 측정하는 것은 입사광을 상기 제1 위치로 조사하는 것, 및 상기 제1 위치로부터 반사된 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함하고, 상기 입사광은 제1 편광축을 갖는 편광자를 통해 상기 제1 위치로 조사되고, 상기 반사광은 제2 편광축을 갖는 검광자를 통해 검출되는 것; 상기 기판의 상기 상면에 수직한 법선을 회전축으로 하여 상기 기판을 회전시킴으로써, 상기 기판의 상기 상면 상에서 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하는 것; 상기 제1 편광축 및 상기 제2 편광축을 상기 기판의 회전각도에 의존하여 회전시키는 것; 및 상기 제2 위치에서 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 신호 대 잡음비(SNR)가 개선된 자기 측정 시스템이 제공될 수 있고, 시료의 다양한 위치들에서 자기터널접합 패턴들의 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 도 1의 스테이지의 동작(operation)을 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 1의 광원, 편광자, 및 검광자의 동작들을 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법에 이용되는 시료의 평면도이다.
도 6은 도 5의 시료의 일 영역의 평면도이다.
도 7은 도 6의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면도이다.
도 8은 도 7의 자기터널접합 패턴을 나타내는 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 도 6의 Ⅰ-Ⅰ'에 대응하는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 나타내는 도면들로, 도 6의 Ⅰ-Ⅰ'에 대응하는 단면도들이다.
도 16은 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(S)를 수용하는 챔버(500), 상기 챔버(500) 내에 제공되고 상기 시료(S)를 로드하기 위한 스테이지(10), 상기 챔버(500) 내에 제공되고 상기 시료(S)에 자기장(H)을 인가하도록 구성되는 코일 구조체들(CS1, CS2), 상기 시료(S)를 향하여 입사광(Li)을 조사하는 광원(30), 및 상기 시료(S)로부터 반사되는 반사광(Lr)을 수용하는 검출기(80)를 포함할 수 있다. 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 광원(30)으로부터 방출되는 상기 입사광(Li)을 편광시키는 편광자(polarizer, 40), 상기 입사광(Li)의 광 경로를 제어하기 위한 반사판(50) 및 빔 스플리터(60), 및 상기 반사광(Lr)을 편광시키는 검광자(analyzer, 70)를 더 포함할 수 있다. 상기 입사광(Li)은 상기 편광자(40)를 통해 상기 시료(S)의 표면으로 조사되고, 상기 반사광(Lr)은 상기 검광자(70)를 통해 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다.
상기 코일 구조체들(CS1, CS2)은 상기 시료(S)의 일 면에 수직한 상기 자기장(H)을 인가하도록 구성될 수 있다. 상기 시료(S)는 서로 대향하는 상면(SU) 및 하면(SL)을 가질 수 있다. 일 예로, 상기 시료(S)에 인가되는 상기 자기장(H)은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU) 및 상기 하면(SL)에 실질적으로 수직할 수 있다. 상기 코일 구조체들(CS1, CS2)은 상기 시료(S)를 사이에 두고 수직적으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 일 예로, 상기 코일 구조체들(CS1, CS2)은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 인접하는 제1 코일 구조체(CS1), 및 상기 시료(S)의 상기 하면(SL)에 인접하는 제2 코일 구조체(CS2)를 포함할 수 있다. 상기 코일 구조체들(CS1, CS2)의 각각은 폴 피스(pole piece, 20), 및 상기 폴 피스(20)의 외주면을 둘러싸는 코일(22)을 포함할 수 있다. 상기 폴 피스(20)는, 일 예로, 자성 물질을 포함할 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 상기 편광자(40)에 의해 편광될 수 있고, 상기 반사판(50) 및 상기 빔 스플리터(60)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(80)는 상기 시료(S)로부터 반사되는 상기 반사광(Lr)의 편광을 검출하도록 구성될 수 있다. 상기 반사광(Lr)은 상기 빔 스플리터(60)를 통과하여 상기 검광자(70)로 유도(guide)될 수 있고, 상기 검광자(70)에 의해 편광될 수 있다. 상기 검광자(70)에 의해 편광된 상기 반사광(Lr)은 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다.
상기 자기 특성 측정 시스템(1000)은 상기 광원(30), 상기 편광자(40), 상기 검광자(70), 및 상기 검출기(80)에 연결되는 제어기(90)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어기(90)는 상기 광원(30), 상기 편광자(40), 및 상기 검광자(70)의 동작들(operations)을 제어할 수 있고, 상기 검출기(80)로부터 획득된 데이터를 처리할 수 있다. 상기 제어기(90)는 상기 검출기(80)로부터 획득된 상기 데이터를 다양한 형태(예컨대, 수치, 그래프, 영상 등)로 처리, 저장, 및 표시할 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 제어기(90)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(80)는 상기 반사광(Lr)의 편광을 분석할 수 있고, 상기 제어기(90)는 상기 검출기(80)로부터 획득된 데이터를 기초로 상기 시료(S)의 상기 표면에 대한 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성할 수 있다.
도 2는 도 1의 스테이지의 동작(operation)을 나타내는 평면도이고, 도 3은 도 1의 광원, 편광자, 및 검광자의 동작들을 나타내는 개념도이다. 도 2 및 도 3에서, 도시의 간소화를 위해, 도 1의 자기 특성 측정 시스템(1000)의 일부 구성들의 도시는 생략된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 스테이지(10)는 x-y 평면에 평행한 방향을 따라 상기 시료(S)를 수평적으로 이동시키도록 구성될 수 있다. x-y 평면은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)(또는 상기 하면(SL))에 평행할 수 있다. 더하여, 상기 스테이지(10)는 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)에 수직한 법선을 회전축으로 하여 상기 시료(S)를 회전시키도록 구성될 수 있다. 상기 법선은 z방향에 평행하고 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)의 중심(SC)을 관통하는 가상의 선일 수 있다. 상기 스테이지(10)에 의해, 상기 시료(S)는 x-y 평면에 평행한 방향을 따라 수평적으로 이동할 수 있고, 상기 법선을 회전축으로 회전할 수 있다.
일 예로, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU)의 상기 중심(SC)은 x-y 좌표계의 영점에 대응할 수 있다. 상기 시료(S)의 상기 상면(SU) 상의 제1 위치(P1)는 x-y 좌표계 내 x축(또는 y축) 상에 있을 수 있고, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU) 상의 제2 위치(P2)는 x-y 좌표계 내에 있고, x축 또는 y축 상에 있지 않을 수 있다. 도 2에서, 상기 시료(S)의 상기 상면(SU) 상에 x-y 좌표계가 도시되나, 이를 오직 설명의 이해를 돕기 위한 것이다.
상기 시료(S)의 상기 상면(SU)의 상기 중심(SC)에서 자기 특성을 측정하기 위해, 상기 시료(S)는 상기 중심(SC)이 x-y 좌표계의 영점에 대응하도록 상기 스테이지(10) 상에서 정렬될 수 있다. 이 경우, 상기 입사광(Li)이 상기 중심(SC)으로 입사될 수 있고, 상기 반사광(Lr)이 상기 중심(SC)으로부터 반사될 수 있다. 상기 입사광(Li)과 상기 반사광(Lr)의 입사평면(plane of incidence)은 y-z평면일 수 있다. 상기 시료(S)의 상기 상면(SU) 상의 상기 제1 위치(P1)에서 자기 특성을 측정하기 위해, 상기 시료(S)는 x방향에 반평행한 방향을 따라 제1 거리(R1)로 수평적으로 이동할 수 있다. 이 경우, 상기 입사광(Li)이 상기 제1 위치(P1)로 입사될 수 있고, 상기 반사광(Lr)이 상기 제1 위치(P1)로부터 반사될 수 있다. 상기 시료(S)의 상기 상면(SU) 상의 상기 제2 위치(P2)에서 자기 특성을 측정하기 위해, 상기 시료(S)는 시계방향을 따라 π의 각도로 회전할 수 있고, x방향에 반평행한 방향을 따라 제2 거리(R2)로 수평적으로 이동할 수 있다. 이 경우, 상기 입사광(Li)이 상기 제2 위치(P2)로 입사될 수 있고, 상기 반사광(Lr)이 상기 제2 위치(P2)로부터 반사될 수 있다.
상기 시료(S)의 특정 위치에서 자기 특성을 측정하기 위해, 상기 스테이지(10)는 상술한 방법과 같이 상기 시료(S)를 수평적으로 이동 및/또는 회전시키도록 구성될 수 있다. 상기 제어기(90)는 상기 시료(S)가 수평적으로 이동 및/또는 회전되도록 상기 스테이지(10)를 제어할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 편광자(40)는 제1 편광축(42)을 가질 수 있고, 상기 검광자(70)는 제2 편광축(72)을 가질 수 있다. 상기 제2 편광축(72)은 상기 제1 편광축(42)이 정렬된 방향에 수직한 방향으로 정렬될 수 있다. 즉, 상기 제2 편광축(72)은 상기 제1 편광축(42)에 수직할 수 있다. 상기 시료(S)가 회전하는 경우, 상기 편광자(40) 및 상기 검광자(70)의 각각은 상기 제1 편광축(42) 및 상기 제2 편광축(72)의 각각이 상기 시료(S)의 회전각도(π)에 의존하여 회전하도록 구성될 수 있다. 일 예로, 상기 시료(S)가 회전하는 경우, 상기 제1 편광축(42)은 시계방향(또는 반시계방향)을 따라 제1 각도(θ1)로 회전할 수 있고, 상기 제2 편광축(72)은 시계방향(또는 반시계방향)을 따라 제2 각도(θ2)로 회전할 수 있다. 상기 제1 각도(θ1) 및 상기 제2 각도(θ2)의 각각은 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 비례할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 각도(θ1)는 상기 회전각도(π)에 소정의 각도(α)를 더한 각도에 대응할 수 있다(즉, θ1= π+ α). 상기 소정의 각도(α)는 일 예로, -10° 내지 10° 범위 내에 있을 수 있다. 일 예로, 상기 제1 각도(θ1)는 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)와 동일할 수 있다(즉, α=0, θ1=π). 상기 제2 각도(θ2)는 상기 회전각도(π)에 소정의 각도(β)를 더한 각도에 대응할 수 있다(즉, θ2= π+ β). 상기 소정의 각도(β)는 일 예로, -10° 내지 10° 범위 내에 있을 수 있다. 일 예로, 상기 제2 각도(θ2)는 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)와 동일할 수 있다(즉, β=0, θ2=π).
상기 회전된 제2 편광축(72r)은 상기 회전된 제1 편광축(42r)이 정렬된 방향에 수직한 방향으로 정렬될 수 있다. 즉, 상기 회전된 제2 편광축(72r)은 상기 회전된 제1 편광축(42r)에 수직할 수 있다.
상기 시료(S)의 상기 중심(SC) 또는 상기 제1 위치(P1)에서 자기 특성을 측정하는 경우, 상기 입사광(Li)은 상기 제1 편광축(42)을 갖는 상기 편광자(40)에 의해 편광되어 상기 중심(SC) 또는 상기 제1 위치(P1)로 입사될 수 있고, 상기 반사광(Lr)은 상기 제2 편광축(72)을 갖는 상기 검광자(70)에 의해 편광되어 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 상기 시료(S)의 상기 제2 위치(P2)에서 자기 특성을 측정하는 경우, 상기 시료(S)가 회전될 수 있고, 상기 제1 편광축(42) 및 상기 제2 편광축(72)의 각각이 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 의존하여 회전될 수 있다. 이 경우, 상기 입사광(Li)은 상기 회전된 제1 편광축(42r)을 갖는 상기 편광자(40)에 의해 편광되어 상기 제2 위치(P2)로 입사될 수 있고, 상기 반사광(Lr)은 상기 회전된 제2 편광축(72r)을 갖는 상기 검광자(70)에 의해 편광되어 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 광원(30)은 상기 입사광(Li)의 진행방향에 평행한 축을 회전축으로 하여 회전하도록 구성될 수 있다. 상기 입사광(Li)의 상기 진행방향은 상기 입사광(Li)이 상기 광원(30)으로부터 상기 편광자(40)를 향하여 진행하는 방향일 수 있다. 상기 시료(S)가 회전하는 경우, 상기 광원(30)은 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 의존하여 회전할 수 있다. 일 예로, 상기 시료(S)가 회전하는 경우, 상기 광원(30), 상기 편광자(40), 및 상기 검광자(70)는 동시에 회전할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 시료(S)가 회전하는 경우, 상기 광원(30)은 고정될 수 있고, 상기 편광자(40) 및 상기 검광자(70)가 회전될 수도 있다.
도 1의 상기 제어기(90)는 상기 제1 편광축(42) 및 상기 제2 편광축(72)의 각각이 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 의존하여 회전하도록, 상기 편광자(40) 및 상기 검광자(70)를 제어할 수 있다. 더하여, 상기 제어기(90)는 상기 광원(30)이 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 의존하여 회전하도록 상기 광원(30)을 제어할 수 있다.
이하에서, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용한 자기 특성 측정 방법이 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 나타내는 순서도이다. 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법에 이용되는 시료의 평면도이고, 도 6은 도 5의 시료의 일 영역의 평면도이다. 도 7은 도 6의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면도이고, 도 8은 도 7의 자기터널접합 패턴을 나타내는 단면도이다. 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 평면도들이고, 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 방법을 설명하기 위한 도 6의 Ⅰ-Ⅰ'에 대응하는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 자기터널접합 패턴들을 포함하는 시료(S)가 준비될 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 6 내지 도 8을 참조하면, 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)은 평면적 관점에서 일 방향으로 길게 연장되는 라인 형태를 가질 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 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 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 8은 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.
보호막(170)이 상기 제2 층간 절연막(130) 상에 제공될 수 있고, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ), 및 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 각각을 사이에 두고 서로 이격되는 상기 상부 전극(TE) 및 상기 하부 전극(BE)을 덮을 수 있다. 상기 보호막(170)은 일 예로, 실리콘 질화물을 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 1의 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 4 및 도 5를 다시 참조하면, 상기 시료(S)는 상기 기판(100), 및 상기 기판(100) 상에 제공된 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)을 포함할 수 있다.
도 1, 도 2, 및 도 4를 참조하면, 먼저, 상기 시료(S)가 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 상기 챔버(500) 내에 제공될 수 있고, 상기 스테이지(10) 상에 로드될 수 있다. 상기 시료(S)는 상기 시료(S)의 상기 중심(SC)이 x-y 좌표계의 영점에 대응하도록 상기 스테이지(10) 상에서 정렬될 수 있다. 상기 시료(S) 상에 상기 자기장(H)이 인가될 수 있다. 상기 자기장(H)은 상기 시료(S)의 상기 상면(SU) 및 상기 하면(SL)에 실질적으로 수직할 수 있다. 상기 시료(S) 상의 상기 제1 위치(P1)에서 자기 특성을 측정하기 위해, 상기 시료(S)는 x방향에 반평행한 방향을 따라 상기 제1 거리(R1)로 수평적으로 이동할 수 있다. 이 후, 상기 시료(S) 상의 상기 제1 위치(P1)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성이 측정될 수 있다(S110).
도 3, 도 9, 및 도 11을 참조하면, 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 제1 위치(P1)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성을 측정하는 것은, 상기 입사광(Li)을 상기 제1 위치(P1)로 조사하는 것, 및 상기 제1 위치(P1)로부터 반사된 상기 반사광(Lr)의 편광을 검출하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제1 위치(P1)에서, 상기 입사광(Li)과 상기 반사광(Lr)의 입사평면(plane of incidence)은 y-z평면일 수 있고, 상기 도전 라인들(120)은 y방향으로 길게 연장될 수 있다. 즉, 상기 도전 라인들(120)의 연장 방향은 상기 입사평면(y-z평면)에 평행할 수 있다. 상기 입사광(Li)은 상기 제1 편광축(42)을 갖는 상기 편광자(40)에 의해 편광되어 상기 제1 위치(P1)로 입사될 수 있다. 상기 제1 위치(P1)에서, 상기 제1 편광축(42)은 상기 입사평면(y-z평면)에 평행하게 정렬될 수 있다. 상기 제1 위치(P1)로부터 반사된 상기 반사광(Lr)은 상기 제2 편광축(72)을 갖는 상기 검광자(70)에 의해 편광될 수 있고, 상기 검광자(70)를 통해 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 상기 제1 위치(P1)에서, 상기 제2 편광축(72)은 상기 입사평면(y-z평면)에 수직하게 정렬될 수 있다. 즉, 상기 제2 편광축(72)은 상기 제1 편광축(42)에 수직할 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. 상기 노이즈 편광의 편광 방향(NS)은 일 예로, 상기 도전 라인들(120)의 상기 연장 방향에 실질적으로 평행하게 나타날 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 위치(P1)에서, 상기 노이즈 편광의 편광 방향(NS)은 상기 입사평면(y-z평면)에 실질적으로 평행할 수 있고, 상기 제2 편광축(72)에 실질적으로 수직할 수 있다. 이 경우, 상기 반사광(Lr)이 상기 제2 편광축(72)을 갖는 상기 검광자(70)를 통과함에 따라, 상기 반사광(Lr) 내 상기 노이즈 편광은 상기 검광자(70)에 의해 차단될 수 있고 상기 반사광(Lr) 내 상기 신호 편광은 상기 검광자(70)를 통과하여 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 따라서, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 노이즈가 감소될 수 있고, 상기 제1 위치(P1)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있다.
도 2, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 상기 시료(S)를 회전시킴으로써, 상기 시료(S) 상의 상기 제1 위치(P1)로부터 상기 제2 위치(P2)로 이동할 수 있다(S120). 상기 시료(S) 상의 상기 제2 위치(P2)에서 자기 특성을 측정하기 위해, 상기 시료(S)는 시계방향을 따라 π의 각도로 회전할 수 있고, x방향에 반평행한 방향을 따라 상기 제2 거리(R2)로 수평적으로 이동할 수 있다. 상기 편광자(40)의 상기 제1 편광축(42) 및 상기 검광자(70)의 상기 제2 편광축(72)이 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 의존하여 회전될 수 있다(S130). 구체적으로, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 제1 편광축(42)은 상기 제1 각도(θ1)로 회전할 수 있고, 상기 제2 편광축(72)은 상기 제2 각도(θ2)로 회전할 수 있다. 상기 제1 각도(θ1) 및 상기 제2 각도(θ2)의 각각은 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 비례할 수 있다. 이 후, 상기 시료(S) 상의 상기 제2 위치(P2)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성이 측정될 수 있다(S140).
도 3, 도 10, 및 도 11을 참조하면, 상기 자기장(H)이 상기 기판(100)의 상기 상면(100U)에 수직하게 인가됨에 따라, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)은 수직 자기 특성을 가질 수 있다. 상기 제2 위치(P2)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성을 측정하는 것은, 상기 입사광(Li)을 상기 제2 위치(P2)로 조사하는 것, 및 상기 제2 위치(P2)로부터 반사된 상기 반사광(Lr)의 편광을 검출하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제2 위치(P2)에서, 상기 입사광(Li)과 상기 반사광(Lr)의 입사평면(plane of incidence)은 y-z평면일 수 있다. 상기 시료(S)가 회전됨에 따라, 상기 도전 라인들(120)은 y방향에 교차하는 방향으로 길게 연장되도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 도전 라인들(120)의 연장 방향은 상기 입사평면(y-z평면)에 대해 경사질 수 있다.
상기 입사광(Li)은 상기 회전된 제1 편광축(42r)을 갖는 상기 편광자(40)에 의해 편광되어 상기 제2 위치(P2)로 입사될 수 있다. 상기 제1 편광축(42)이 상기 제1 각도(θ1)로 회전됨에 따라, 상기 제2 위치(P2)에서, 상기 회전된 제1 편광축(42r)은 상기 입사평면(y-z평면)에 대해 경사지도록 정렬될 수 있다. 일 예로, 상기 회전된 제1 편광축(42r)은 상기 도전 라인들(120)의 상기 연장 방향에 평행하도록 정렬될 수 있다. 상기 제2 위치(P2)로부터 반사된 상기 반사광(Lr)은 상기 회전된 제2 편광축(72r)을 갖는 상기 검광자(70)에 의해 편광될 수 있고, 상기 검광자(70)를 통해 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 상기 제2 편광축(72)이 상기 제2 각도(θ2)로 회전됨에 따라, 상기 제2 위치(P2)에서, 상기 회전된 제2 편광축(72r)은 상기 입사평면(y-z평면)에 대해 경사지도록 정렬될 수 있다. 상기 회전된 제2 편광축(72r)은 상기 회전된 제1 편광축(42r)에 수직할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 노이즈 편광의 편광 방향(NS)은 일 예로, 상기 도전 라인들(120)의 상기 연장 방향에 실질적으로 평행하게 나타날 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 위치(P2)에서, 상기 노이즈 편광의 편광 방향(NS)은 상기 입사평면(y-z평면)에 대해 경사질 수 있고, 상기 회전된 제2 편광축(72r)에 실질적으로 수직할 수 있다. 이 경우, 상기 반사광(Lr)이 상기 회전된 제2 편광축(72r)을 갖는 상기 검광자(70)를 통과함에 따라, 상기 반사광(Lr) 내 상기 노이즈 편광은 상기 검광자(70)에 의해 차단될 수 있고 상기 반사광(Lr) 내 상기 신호 편광은 상기 검광자(70)를 통과하여 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 따라서, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 노이즈가 감소될 수 있고, 상기 제2 위치(P2)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있다.
상기 시료(S)가 회전에도 불구하고 상기 편광자(40)의 상기 제1 편광축(42) 및 상기 검광자(70)의 상기 제2 편광축(72)이 고정된 경우, 상기 입사광(Li)은 상기 제1 편광축(42)을 갖는 상기 편광자(40)에 의해 편광되어 상기 제2 위치(P2)로 입사될 수 있고, 상기 제2 위치(P2)로부터 반사된 상기 반사광(Lr)은 상기 제2 편광축(72)을 갖는 상기 검광자(70)에 의해 편광되어 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 상기 제1 편광축(42)은 상기 입사평면(y-z평면)에 평행하게 정렬될 수 있고, 상기 제2 편광축(72)은 상기 입사평면(y-z평면)에 수직하게 정렬될 수 있다. 상기 시료(S)가 회전됨에 따라, 상기 제2 위치(P2)에서 상기 도전 라인들(120)의 연장 방향은 상기 입사평면(y-z평면)에 대해 경사질 수 있고, 이에 따라, 상기 노이즈 편광의 편광 방향(NS)은 상기 입사평면(y-z평면) 및 상기 제2 편광축(72)에 대해 경사질 수 있다. 이 경우, 상기 반사광(Lr)이 상기 제2 편광축(72)을 갖는 상기 검광자(70)를 통과함에 따라, 상기 노이즈 편광의 적어도 일부가 상기 검광자(70)를 통과하여 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 따라서, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 노이즈가 증가될 수 있고, 상기 제2 위치(P2)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성을 측정하는 것이 어려울 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 상기 편광자(40)의 상기 제1 편광축(42) 및 상기 검광자(70)의 상기 제2 편광축(72)은 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 의존하여 회전될 수 있다. 상기 회전된 제2 편광축(72r)은 상기 노이즈 편광의 편광 방향(NS)에 실질적으로 수직하게 정렬될 수 있다. 이에 따라, 상기 반사광(Lr) 내 상기 노이즈 편광이 상기 검광자(70)에 의해 차단될 수 있고, 상기 반사광(Lr) 내 상기 신호 편광은 상기 검광자(70)를 통과하여 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 그 결과, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 노이즈가 감소될 수 있고, 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다. 도 13 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 특성 측정 시스템을 이용한 자기 기억 소자의 제조방법을 나타내는 도면들로, 도 6의 Ⅰ-Ⅰ'에 대응하는 단면도들이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 먼저, 상기 기판(100)의 상기 칩 영역들(200)의 각각 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) 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 12 및 도 14를 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(S230). 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 상면에 평행한 방향을 따라 서로 이격될 수 있고, 상기 하부 전극들(BE)은 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ) 아래에 각각 제공될 수 있다. 이 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 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 측면들 및 상면들을 덮을 수 있다. 상기 보호막(170)은 일 예로, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)이 형성된 후, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성이 측정될 수 있다(S240). 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 자기 특성은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)을 이용하여 측정될 수 있다.
구체적으로, 도 4를 다시 참조하면, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)이 형성된 상기 기판(100)을 포함하는 상기 시료(S)가 준비될 수 있고(S100), 상기 시료(S)가 도 1의 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 상기 챔버(500) 내에 제공될 수 있다. 상기 시료(S) 상의 상기 제1 위치(P1)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성이 측정될 수 있다(S110). 도 3, 도 9 및 도 11를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 제1 위치(P1)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성을 측정하기 위해, 상기 입사광(Li)은 상기 제1 편광축(42)을 갖는 상기 편광자(40)에 의해 편광되어 상기 제1 위치(P1)로 입사될 수 있고, 상기 제1 위치(P1)로부터 반사된 상기 반사광(Lr)은 상기 제2 편광축(72)을 갖는 상기 검광자(70)에 의해 편광되어 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 위치(P1)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있다.
상기 시료(S)를 회전시킴으로써, 상기 시료(S) 상의 상기 제1 위치(P1)로부터 상기 제2 위치(P2)로 이동할 수 있다(S120). 상기 편광자(40)의 상기 제1 편광축(42) 및 상기 검광자(70)의 상기 제2 편광축(72)은 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 의존하여 회전될 수 있다(S130). 이 후, 상기 시료(S) 상의 상기 제2 위치(P2)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성이 측정될 수 있다(S140). 도 3, 도 10, 및 도 11을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 제2 위치(P2)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 자기 특성을 측정하기 위해, 상기 입사광(Li)은 상기 회전된 제1 편광축(42r)을 갖는 상기 편광자(40)에 의해 편광되어 상기 제2 위치(P2)로 입사될 수 있고, 상기 제2 위치(P2)로부터 반사된 상기 반사광(Lr)은 상기 회전된 제2 편광축(72r)을 갖는 상기 검광자(70)에 의해 편광되어 상기 검출기(80)로 수용될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 위치(P2)에서 상기 자기터절접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 측정될 수 있다.
일 예로, 도 1의 상기 제어기(90)는 상기 검출기(80)로부터 획득된 데이터를 기초로 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성할 수 있다. 상기 자기 이력 곡선을 통해 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 자기 특성(일 예로, 교환 자기장(Hex), 보자력(Hc), 단위 칩 내 자기터널접합 패턴들(MJTP)의 보자력(Hc) 산포 등)에 대한 정보가 측정될 수 있다.
도 12 및 도 15를 참조하면, 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 상기 측정된 자기 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 결정될 수 있다(S250). 상기 측정된 자기 특성이 허용 범위를 벗어나는 경우, 경고가 발생될 수 있다(S260). 상기 측정된 자기 특성이 허용 범위 내에 있는 경우, 후속 공정이 수행될 수 있다(S270). 구체적으로, 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(200)이 형성될 수 있다. 상기 자기터널접합 패턴들(MJT)의 각각은 상기 비트 라인들(200) 중 대응하는 하나에 연결될 수 있다. 상기 비트 라인들(200)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 16은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 자기 기억 소자의 단위 메모리 셀을 나타내는 회로도이다.
도 16을 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(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 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) 내 상기 편광자(40) 및 상기 검광자(70)의 각각은 상기 제1 편광축(42) 및 상기 제2 편광축(72)의 각각이 상기 시료(S)의 상기 회전각도(π)에 의존하여 회전되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 시료(S)의 표면 상의 다양한 위치들에서 반사되는 상기 반사광(Lr) 내 상기 노이즈 편광이 용이하게 차단될 수 있고, 그 결과, 상기 시료(S) 상의 다양한 위치들에서 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성을 측정하기에 충분한 신호가 획득될 수 있다. 따라서, 상기 자기 특성 측정 시스템(1000)의 신호 대 잡음비(SNR)가 개선될 수 있고, 상기 시료(S)의 다양한 위치들에서 상기 자기터널접합 패턴들(MTJ)의 유효한 자기 특성이 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 10: 스테이지
S: 시료 500: 챔버
CS1, CS2: 코일 구조체들 30: 광원
40: 편광자 50: 반사판
60: 빔 스플리터 70: 검광자
80: 검출기 90: 제어기

Claims (20)

  1. 시료를 로드하기 위한 스테이지, 상기 스테이지는 상기 시료가 그 상면에 수직한 법선을 회전축으로 회전하도록 구성되는 것;
    제1 편광축을 갖는 편광자(polarizer); 및
    제2 편광축을 갖는 검광자(analyzer)를 포함하되,
    상기 편광자 및 상기 검광자의 각각은 상기 제1 편광축 및 상기 제2 편광축의 각각이 상기 시료의 회전각도에 의존하여 회전하도록 구성되는 자기 특성 측정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시료를 향하여 입사광을 조사하는 광원; 및
    상기 시료로부터 반사되는 반사광의 편광(polarization)을 검출하는 검출기를 더 포함하되,
    상기 입사광은 상기 편광자를 통해 상기 시료로 조사되고,
    상기 반사광은 상기 검광자를 통해 상기 검출기로 수용되는 자기 특성 측정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광원은 상기 입사광의 진행방향에 평행한 축을 회전축으로 회전하도록 구성되되,
    상기 입사광의 상기 진행방향은 상기 입사광이 상기 광원으로부터 상기 편광자를 향하여 진행하는 방향이고,
    상기 광원은 상기 시료의 상기 회전각도에 의존하여 회전하도록 구성되는 자기 특성 측정 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 광원은 레이저 광원인 자기 특성 측정 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 편광축은 상기 제1 편광축이 정렬된 방향에 수직한 방향으로 정렬되는 자기 특성 측정 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 시료가 회전할 때, 상기 제1 편광축은 제1 각도로 회전하고, 상기 제2 편광축은 제2 각도로 회전하고,
    상기 제1 각도 및 상기 제2 각도의 각각은 상기 시료의 상기 회전각도에 비례하는 자기 특성 측정 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 회전된 제2 편광축은 상기 회전된 제1 편광축이 정렬된 방향에 수직한 방향으로 정렬되는 자기 특성 측정 시스템.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 시료에 상기 시료의 상기 상면에 수직한 자기장을 인가하도록 구성되는 코일 구조체들을 더 포함하되,
    상기 코일 구조체들의 각각은 폴 피스(pole piece) 및 상기 폴 피스의 외주면을 둘러싸는 코일을 포함하는 자기 특성 측정 시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    제어기를 더 포함하되,
    상기 제어기는 상기 제1 편광축 및 상기 제2 편광축의 각각이 상기 시료의 상기 회전각도에 의존하여 회전하도록, 상기 편광자 및 상기 검광자를 제어하는 자기 특성 측정 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는 상기 검출기로부터 획득된 데이터를 기초로 자기 이력 곡선(magnetic hysteresis curve)을 생성하는 자기 특성 측정 시스템.
  11. 시료를 준비하는 것, 상기 시료는 기판, 및 상기 기판 상에 수평적으로 서로 이격되는 자기터널접합 패턴들을 포함하는 것;
    상기 시료의 표면 상의 제1 위치에서 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 것, 상기 제1 위치에서 상기 자기 특성을 측정하는 것은 입사광을 상기 제1 위치로 조사하는 것, 및 상기 제1 위치로부터 반사된 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함하고, 상기 입사광은 제1 편광축을 갖는 편광자를 통해 상기 제1 위치로 조사되고, 상기 반사광은 제2 편광축을 갖는 검광자를 통해 검출되는 것;
    상기 시료를 상기 시료의 상기 표면에 수직한 법선을 회전축으로 하여 회전시킴으로써, 상기 시료의 상기 표면 상에서 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하는 것;
    상기 제1 편광축 및 상기 제2 편광축을 상기 시료의 회전각도에 의존하여 회전시키는 것; 및
    상기 제2 위치에서 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 것을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 위치에서 상기 자기 특성을 측정하는 것은, 상기 입사광을 상기 제2 위치로 조사하는 것, 및 상기 제2 위치로부터 반사된 상기 반사광의 편광을 검출하는 것을 포함하고,
    상기 입사광은 상기 회전된 제1 편광축을 갖는 상기 편광자를 통해 상기 제2 위치로 조사되고, 상기 반사광은 상기 회전된 제2 편광축을 갖는 상기 검광자를 통해 검출되는 자기 특성 측정 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 시료는 상기 기판과 상기 자기터널접합 패턴들 사이에 배치되는 배선 구조체를 더 포함하고,
    상기 배선 구조체는 제1 방향으로 길게 연장되는 도전 라인들을 포함하고,
    상기 제1 위치에서 상기 제1 방향은 상기 입사광 및 상기 반사광의 입사평면에 평행하고,
    상기 제1 위치에서, 상기 제1 편광축은 상기 입사평면에 평행하게 정렬되고, 상기 제2 편광축은 상기 입사평면에 수직하게 정렬되는 자기 특성 측정 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2 위치에서 상기 제1 방향은 상기 입사평면에 대해 경사지고,
    상기 제2 위치에서, 상기 회전된 제1 편광축은 상기 입사평면에 대해 경사지게 정렬되고, 상기 회전된 제2 편광축은 상기 입사평면에 대해 경사지게 정렬되되 상기 회전된 제1 편광축이 정렬된 방향에 수직한 방향으로 정렬되는 자기 특성 측정 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 도전 라인들은 금속을 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 편광축 및 상기 제2 편광축을 회전시키는 것은:
    상기 제1 편광축을 제1 각도로 회전시키고, 상기 제2 편광축을 제2 각도로 회전시키는 것을 포함하고,
    상기 제1 각도 및 상기 제2 각도의 각각은 상기 시료의 상기 회전각도에 비례하는 자기 특성 측정 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 위치에서 상기 제2 편광축은 상기 제1 편광축이 정렬된 방향에 수직한 방향으로 정렬되고,
    상기 제2 위치에서 상기 회전된 제2 편광축은 상기 회전된 제1 편광축이 정렬된 방향에 수직한 방향으로 정렬되는 자기 특성 측정 방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 시료 상에 상기 기판의 상면에 수직한 자기장을 인가하는 것을 더 포함하는 자기 특성 측정 방법.
  19. 청구항 18에 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 자기장이 인가됨에 따라, 상기 제1 자성 패턴 및 상기 제2 자성 패턴의 각각은 상기 기판의 상기 상면에 수직한 자화 방향을 가지는 자기 특성 측정 방법.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 위치 및 상기 제2 위치에서 상기 자기터널접합 패턴들의 자기 특성을 측정하는 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.
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