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公開番号2024114046
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-23
出願番号2023019417
出願日2023-02-10
発明の名称半導体製造装置及び半導体製造方法
出願人三星電子株式会社,Samsung Electronics Co.,Ltd.
代理人個人
主分類G01R 33/032 20060101AFI20240816BHJP(測定;試験)
要約【課題】非破壊で磁気特性を高精度に測定することができる半導体製造装置及び半導体製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体製造装置1は、ステージ50上の試料60に印加する磁場として、ステージ50の上面に直交する面直方向の成分を含む面直磁場、及び、ステージ50の上面に平行な面内方向の成分を含む面内磁場に電気的に切り替える複数の電磁石30a及び30bを用いた磁気光学Kerr効果測定において、試料60におけるPMA膜の消磁応答を極Kerr効果信号から検出する検出部20と、検出した消磁応答を外挿フィッティングすることによって、PMA膜の異方性磁界Hkを導出する導出部40と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ステージ上の試料に印加する磁場として、前記ステージの上面に直交する面直方向の成分を含む第１磁場、及び、前記ステージの上面に平行な面内方向の成分を含む第２磁場に電気的に切り替える複数の電磁石を用いた磁気光学Ｋｅｒｒ効果測定において、前記試料における垂直磁気異方性膜の消磁応答を極Ｋｅｒｒ効果信号から検出する検出部と、
検出した前記消磁応答を外挿フィッティングすることによって、前記垂直磁気異方性膜の異方性磁界を導出する導出部と、
を備えた半導体製造装置。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記複数の電磁石に流れる電流を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記垂直磁気異方性膜の保磁力よりも大きい前記第１磁場を前記試料に印加して前記垂直磁気異方性膜の垂直磁化を飽和させ、
前記第１磁場の大きさを０にし、
前記第２磁場に切り替え、前記第２磁場の大きさを０から上げていき、複数回の前記第２磁場の大きさの上げ下げを含む正負掃引を行い、
前記検出部は、前記正負掃引によって測定された極Ｋｅｒｒ効果信号から消磁応答を検出する、
請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記導出部は、前記消磁応答を外挿フィッティングすることによって、磁化量が０になる前記第２磁場から前記異方性磁界を導出する、
請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記複数の電磁石に流れる電流を制御する制御部を備え、
前記複数の電磁石は、
表面及び裏面を有するウェハを含む前記試料の表面側に配置され、
表面側から前記試料に対して、前記第１磁場及び前記第２磁場を印加し、
各電磁石は、ヨーク及びコイルを含み、
前記制御部は、コイル毎に流す電流の方向及び大きさを制御することによって、前記試料に対して、前記垂直磁気異方性膜の垂直磁化を飽和させるための前記第１磁場、及び、前記消磁応答のための前記第２磁場を印加する、
請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記試料の近傍に配置された磁場センサを含み、前記第２磁場における前記面内方向以外の成分を測定する磁場方向測定デバイスをさらに備えた、
請求項４に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記磁場方向測定デバイスが測定した前記第２磁場に基づいて、前記制御部は、照明光で照明される測定位置における前記第２磁場の前記面直方向の成分が最小になるように、コイル毎に流れる電流を制御する、
請求項５に記載の半導体製造装置。
【請求項７】
前記磁場方向測定デバイスが測定した前記第２磁場に基づいて、前記ステージは、照明光で照明される測定位置における前記面内方向の成分が試料面と平行になるように、前記試料の傾斜を制御する、
請求項５に記載の半導体製造装置。
【請求項８】
前記磁気光学Ｋｅｒｒ効果測定に用いる照明光のスポット位置を移動させるビームステアリング機構をさらに備え、
前記磁場方向測定デバイスが測定した前記第２磁場に基づいて、前記ビームステアリングは、照明光で照明される測定位置における前記第２磁場の前記面直方向の成分が最小の位置に、前記照明光のスポット位置を移動させる、
請求項５に記載の半導体製造装置。
【請求項９】
前記磁気光学Ｋｅｒｒ効果測定に用いる照明光のスポット位置を移動させるビームステアリング機構をさらに備え、
前記磁場方向測定デバイスが測定した前記第２磁場に基づいて、
前記制御部は、第１制御として、照明光で照明される測定位置における前記第２磁場の前記面直方向の成分が最小になるように、コイル毎に流れる電流を制御し、
前記ステージは、第２制御として、照明光で照明される測定位置における前記面内方向の成分が試料面と平行になるように、前記試料の傾斜を制御し、
前記ビームステアリング機構は、第３制御として、照明光で照明される測定位置における前記第２磁場の前記面直方向の成分が最小の位置に、前記照明光のスポット位置を移動させる場合に、前記第１制御、前記第２制御、及び、前記第３制御の中から少なくとも２つの制御を組み合わせて実施する、
請求項５に記載の半導体製造装置。
【請求項１０】
前記制御部は、連続的な前記磁気光学Ｋｅｒｒ効果測定中に、所定の間隔で、前記第２磁場の前記面直方向の成分が最小になるように、コイル毎に流れる電流を制御する、
請求項６に記載の半導体製造装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体製造装置及び半導体製造方法に関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
スピン移行トルク型磁気抵抗メモリ（ＳｐｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＴｏｒｑｕｅＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲａｎｄａｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ、以下、スピン移行トルク型磁気抵抗メモリを、ＳＴＴ－ＭＲＡＭと呼び、磁気抵抗メモリを、ＭＲＡＭと呼ぶ。）向けの垂直磁気異方性膜（ＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒＭａｇｎｅｔｉｃＡｎｉｓｏｔｒｏｐｙ膜、以下、ＰＭＡ膜と呼ぶ。）における異方性磁界Ｈｋの評価方法としては、振動試料型磁力計（ＶｉｂｒａｔｉｎｇＳａｍｐｌｅＭａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ、以下、ＶＳＭと呼ぶ。）が代表的なものである。しかしながら、ＶＳＭにおいて測定に用いる試料のサイズは、数１０ｍｍ□程度が限界である。よって、φ２００ｍｍ及びφ３００ｍｍといった半導体ウェハ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｗａｆｅｒ）の状態で異方性磁界Ｈｋを評価することは困難である。したがって、ＶＳＭによる異方性磁界Ｈｋの評価は、試料を小片化する所謂、破壊検査である。
【０００３】
一方で、試料に磁場を与えたときに発生する磁気光学カー効果（Ｍａｇｎｅｔｏ－ＯｐｔｉｃａｌＫｅｒｒＥｆｆｅｃｔ、以下、ＭＯＫＥまたはＫｅｒｒ効果と呼ぶ。）と呼ばれる物理現象を検出する装置は、古典的な磁気光学測定装置である。このような装置を説明の便宜上、ＭＯＫＥ装置と呼ぶ。ＭＯＫＥ装置の基本構成は、例えば、非特許文献２に開示されている。ＭＯＫＥ装置は、電磁石の構造を工夫することで非破壊検査を行うことができる。
【０００４】
半導体ウェハを試料とする場合には、ＭＯＫＥ装置は、非特許文献１及び非特許文献２に記載されたような対向電磁石ではなく、半導体ウェハの表面側に配置した電磁石を有するようにする。この場合には、ＭＯＫＥ装置は、ヨークと呼ばれる磁芯及び磁芯に巻かれたコイルを含む電磁石を２つ、または、４つ含んでいる。このようなＭＯＫＥ装置は、既に商品化されている。以下では、半導体ウェハの表面側に配置された複数の電磁石を漏れ磁場電磁石と呼び、漏れ磁場電磁石によって形成された磁場を、漏れ磁場と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
米国特許第６５９３７３９号明細書
米国特許第７１６６９９７号明細書
【非特許文献】
【０００６】
G. Ju, et.al, “Measurement of perpendicular media anisotropy field with accurate demagnetization correction”, JAP V93 No.10, pp.7846 (2003)
P. Wolniansky, et.al,” Magneto-optica measurements of hysteresis loop and anisotropy energy constants on amorphous Tbx Fe1-x alloys”, JAP V60, No1, pp346 (1986)
J-Won Lee, et.al,” Full vectorial spin-reorientation transition and magnetization reversal study in ultrathin ferromagnetic films using magneto-optical Kerr effects”, Phy. Rev. B65, 144437 (2002)
目黒栄、他、「局所磁化方向検出可能なカー効果顕微鏡の開発と空間磁場検出への応用」、顕微鏡、V52, No.3, pp119 (2017)
Jodi M. Iwata-Harms et.al, ”High-temperature thermal stability driven by magnetization dilution in CoFeB free layers for spin-transfer-torque magnetic random access memory”, Scientific Reports (2018) 8,14409
”3D MAGNETIC FIELD CAMERA”,［online］、［2023年2月1日検索］、インターネット＜https://www.magcam.com/magnetic-field-measurement-systems/MiniCube-3D＞
3軸テスラメータ、［online］、［2023年2月8日検索］、インターネット＜https://ims-jp.com/products/teslameter/3mh3/＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＲＡＭで使用されるＰＭＡ膜に垂直磁場以外の面内磁場、あるいは傾斜磁場を印加した場合には、Ｋｅｒｒ効果の信号は、極Ｋｅｒｒ効果、縦Ｋｅｒｒ効果及び横Ｋｅｒｒ効果を混在して含むことが知られている。これらを分離するために、特許文献１、特許文献２及び非特許文献３には、照明角度または偏光方向を変えた複数回の測定から極Ｋｅｒｒ効果／縦Ｋｅｒｒ効果を分離して、異方性磁界Ｈｋを抽出する方法が開示されている。しかしながら、複数回測定であることに加えて、異方性磁界Ｈｋを測定するためには、強い面内磁場を印加して試料の面内磁化を飽和させる必要がある。ＭＲＡＭに使用される磁性材料の場合には、電磁石は、少なくとも５ｋＯｅ以上の面内磁場を出力する大型のものを必要とする。さらに、面内磁場の方向は、正確に水平（面内）にする必要がある。
【０００８】
したがって、極Ｋｅｒｒ効果／縦Ｋｅｒｒ効果の分離を対向磁場ではなく、片側保持の漏れ磁場で実現するためには、左右のヨーク間隔を広く取り、ヨーク径を大きくし、コイルの巻数を増やす必要がある。よって、電磁石は、大型化する。前述の５ｋＯｅ以上の面内磁場を出力できる電磁石を、対物レンズと試料との間の数１０ｍｍ程度のワーキングディスタンス（ＷｏｒｋｉｎｇＤｉｓｔａｎｃｅ）の間に収めることは、現実的に困難である。
【０００９】
本開示は、上記問題に鑑みてなされたものであり、非破壊で磁気特性を高精度に測定することができる半導体製造装置及び半導体製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示に係る半導体製造装置は、ステージ上の試料に印加する磁場として、前記ステージの上面に直交する面直方向の成分を含む第１磁場、及び、前記ステージの上面に平行な面内方向の成分を含む第２磁場に電気的に切り替える複数の電磁石を用いた磁気光学Ｋｅｒｒ効果測定において、前記試料における垂直磁気異方性膜の消磁応答を検出する検出部と、検出した前記消磁応答を外挿フィッティングすることによって、前記垂直磁気異方性膜の異方性磁界を導出する導出部と、を備える。
（【００１１】以降は省略されています）

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