DE112005003336T5 - Verfahren zum Herstellen magnetischer mehrfachgeschichteter Filme - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films, mit:
einem ersten magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer ersten magnetischen Schicht auf einem Substrat;
einem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer nicht-magnetischen Schicht auf der ersten magnetischen Schicht; und
einem zweiten magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer zweiten magnetischen Schicht auf der nicht-magnetischen Schicht,
wobei das Verfahren weiter umfasst:
einen vor dem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt vorgesehenen plasmabehandelnden Schritt zum Einführen des Substrats in eine Plasmabehandlungsvorrichtung und Behandeln des Substrats mit Plasma eines induktiven Kopplungstyps, wobei das Substrat elektrisch isolierend von der Plasmabehandlungsvorrichtung getrennt ist.

Description

  • Technisches Feld
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films, das zur Ausbildung eines Films angepasst ist, das ein Halbleiterbauelement wie ein Rießen-Magnetwiderstand (Giant Magneto-Resistance, GMR) Drehventil, das einen magnetischen Kopf bildet, einen magnetischen Tunnelwiderstands-(Tunneling Magneto-Resistance, TMR)Bauelement, dass einen magnetischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (magnetic random access memory, MRAM) und so weiter, bildet.
  • Priorität der japanischen Patentanmeldung No. 2005-000403 wird beansprucht, angemeldet am 5. Januar 2005, dessen Inhalt ist hierdurch durch Referenz eingetragen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein MRAM, dass in jüngster Vergangenheit entwickelt worden ist, ist gebildet aus einem Tunnelübergangsbauelement, dass durch ein TMR-Film ausgestaltet ist.
  • 8A ist eine seitliche Abschnittsansicht eines Tunnelübergangbauelements. Das Tunnelübergangbauelements 10 enthält eine erste magnetische Schicht (gestiftete Schicht) 14, eine nicht-magnetische Schicht (Tunnel-Barrierenschicht) 15, eine zweite magnetische Schicht (freie Schicht) 16 usw. die aufeinander geschichtet sind. Die Tunnelbarrierenschicht 15 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material. Dazu bleibt eine Magnetisierungsrichtung in einer Ebene der gestifteten Schicht 14 konstant und eine Magnetisierungsrichtung in einer Ebene der freien Schicht 16 kann durch ein externes magnetisches Feld invertiert werden. Der Widerstand des Tunnelübergangbauelements 10 wird abhängig davon, ob die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 14 parallel oder anti-parallel zu der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 16 ist, variiert; und demgemäss wird die Intensität des durch die Tunnelbarrierenschicht 15 fließenden Stroms variiert, wenn eine Spannung an das Tunnelübergangbauelement 10 in seiner Dickenrichtung angelegt wird (TMR-Effekt genannt). Daher kann ein binärer Wert von „1" oder „0" durch Erfassen der Intensität des Stroms gelesen werden.
    [Patent Dokument 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erste Offenbarung No. 2003-86866
  • [Offenlegung der Erfindung]
  • [Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
  • Liegt in einem solchen Tunnelübergangbauelement eine Abweichung in der Filmdicke in jeder Schicht der fixierten Schicht 14 und der unteren Schichten vor, dann wird, wie es in 8B gezeigt ist, die auf der fixierten Schicht 14 laminierte Tunnelbarrierenschicht 15 uneben.
  • Dies kann eine magnetische Neel-Kopplung zwischen der fixierten Schicht 14 und der freien Schicht 16 mit der zwischen den beiden Schichten liegenden Tunnelbarrierenschicht 15 verursachen. Die Erhaltungsleistung der Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht 16 steigt als Ergebnis an, und demgemäss wird ein hohes magnetisches Feld benötigt, um die Magnetisierungsrichtung zu invertieren, und die Magnitude oder Stärke des erforderlichen magnetischen Felds wird unregelmäßig. Demgemäss besteht ein Bedarf die Tunnelbarrierenschicht 15 zu glätten.
  • Des Weiteren offenbart Patentdokument 1 ein Verfahren zum Herstellen eines riesenmagnetwiderstandsbeständigem dünnen Films vom Typ eines Drehventils, dass eine Art von magnetisch mehrfach geschichtetem Film darstellt. Der riesenmagnetwiderstandsbeständige dünne Film vom Typ eines Drehventils enthält eine auf einem Substrat hinterlegte Speicherschicht, und eine nicht-magnetisch leitende Schicht mit einer magnetischen fixierten Schicht und einer zwischen den Schichten liegenden magnetischen freien Schicht. Des Weiteren ist eine in Patentdokument 1 offenbarte Technik dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine von einer Vielzahl von zwischen der nicht-magnetisch leitenden Schicht und der Speicherschicht gebildeten Schnittstellen einer Plasmabehandlung unterworfen ist.
  • Allerdings wird diese Plasmabehandlung durch Nutzen einer Vorrichtung vom kapazitiven Kopplungstyp mit einer Parallelplattenelektrodenstruktur durchgeführt. Da eine Vorspannung in diesem Fall an das Substrat angelegt wird, werden Ionen eines Prozessgases wie beispielsweise Argon in das Substrat eingeführt. Eine Oberfläche des magnetischen mehrfach geschichteten Films wird als Ergebnis durch beispielsweise Ätzen beschädigt, was zur Verschlechterung der Leistungsfähigkeit oder Effizienz des magnetischen mehrfach geschichteten Films führt.
  • Um die oben genannten Probleme zu bewältigen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films bereitzustellen, das fähig ist eine nicht-magnetische Schicht, ohne die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des magnetischen mehrfach geschichteten Films zu verschlechtern, zu glätten.
  • [Einrichtungen zum Lösen der Probleme]
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zum Erreichen der oben genannte Aufgabe ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films, einschließlich eines ersten magnetschichtausbildenden Schritts zum Ausbilden einer ersten magnetischen Schicht auf einem Substrat, eines nicht-magnetschichtausbildenden Schritts zum Ausbilden einer nicht-magnetischen Schicht auf der ersten magnetischen Schicht, und eines zweiten magnetschichtausbildenden Schritts zum Ausbilden einer zweiten magnetischen Schicht auf der nicht-magnetischen Schicht, bereitgestellt, wobei das Verfahren vor dem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt einen plasmabehandelnden Schritt zum Einführen des Substrats in eine Plasmabehandlungsvorrichtung und Behandeln des Substrats mit Plasma vom induktiven Kopplungstyp enthält, wobei das Substrat elektrisch isolierend von der Plasmabehandlungsvorrichtung getrennt ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films, einschließlich eines ersten magnetschichtausbildenden Schritts zum Ausbilden einer ersten magnetischen Schicht auf einem Substrat, eines nicht-magnetschichtausbildenden Schritts zum Ausbilden einer nicht-magnetischen Schicht auf der ersten magnetischen Schicht, und eines zweiten magnetschichtausbildenden Schritts zum Ausbilden einer zweiten magnetischen Schicht auf der nicht-magnetischen Schicht, bereitgestellt, wobei das Verfahren vor dem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt einen plasmabehandelnden Schritt zum Einführen des Substrats in eine Plasmabehandlungsvorrichtung und Behandeln des auf Masse liegenden Substrats mit Plasma vom induktiven Kopplungstyp enthält.
  • Mit den obigen Konfigurationen werden durch das Plasma erzeugte Ionen nicht in das Substrat eingeführt. Demgemäss kann die Oberfläche des magnetischen mehrfach geschichteten Films vor dem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt geebnet werden, ohne dass der magnetische mehrfach geschichtete Film durch Ätzen o. Ä. beschädigt wird. Demgemäss kann die nicht-magnetische Schicht eben laminiert werden ohne die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des magnetischen mehrfach geschichteten Films zu verschlechtern.
  • Vorzugsweise beträgt die Leistung, die der Plasmabehandlungsvorrichtung in den plasmabehandelnden Schritt zugeführt wird, nicht weniger als 5 W und nicht mehr als 400 W.
  • Mit dieser Konfiguration kann die Oberfläche des magnetischen mehrfachgeschichteten Films von Ätzen abgehalten werden.
  • Demgemäss verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des magnetischen mehrfach geschichteten Films nicht.
  • Vorzugsweise liegt die Plasmabehandlungszeit innerhalb von 180 Sekunden in dem plasmabehandelnden Schritt.
  • Mit dieser Konfiguration kann die Oberfläche des magnetischen mehrfach geschichteten Films vom Ätzen abgehalten werden.
  • Demgemäss verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des magnetischen mehrfach geschichteten Films nicht.
  • Vorzugsweise wird die Plasmabehandlung auf einer Oberfläche der ersten magnetischen Schicht, die die nicht-magnetische Schicht in dem plasmabehandelnden Schritt kontaktiert, durchgeführt.
  • Mit dieser Konfiguration und da die nicht-magnetische Schicht in Kontakt mit der ersten magnetischen Schicht laminiert ist, kann die nicht-magnetische Schicht am effektivsten durch Ebnung der Oberfläche der ersten magnetischen Schicht geglättet werden.
  • Vorzugsweise enthält das Verfahren vor dem ersten magnetschichtausbildenden Schritts weiter einen ersten eine untenliegende Schicht ausbildenden Schritt zum Ausbilden einer ersten untenliegenden Schicht auf dem Substrat, ein zweiter eine untenliegende Schicht ausbildender Schritt zum Ausbilden einer zweiten untenliegenden Schicht auf der ersten untenliegenden Schicht, und ein eine antiferromagnetische Schicht ausbildender Schritt zum Ausbilden einer anti-ferromagnetischen Schicht auf der zweiten untenliegenden Schicht, und vor dem die zweite untenliegende Schicht ausbildenden Schritt wird die Plasmabehandlung auf einer Oberfläche der ersten untenliegenden Schicht in dem plasmabehandelnden Schritt ausgeführt.
  • Mit dieser Konfiguration kann die nicht-magnetische Schicht eben ausgebildet werden, ohne die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des magnetischen mehrfach geschichteten Films zu verschlechtern.
  • Vorzugsweise ist der magnetische mehrfachgeschichtete Film ein Tunnelmagnetwiderstandsbeständiger Film und die nicht-magnetische Schicht ist eine Tunnelbarrierenschicht.
  • Mit dieser Konfiguration kann auch dann, wenn eine kleine Anzahl von magnetischen mehrfach geschichteten Filmen von einem Substrat erzielt werden, die nicht-magnetische Schicht während einer Minimierung des Abfalls in der Herstellungseffizienz, begleitet durch die Plasmabehandlung, glatt ausgebildet werden.
  • [Auswirkungen der Erfindung]
  • Mit der obigen Konfiguration werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Plasma erzeugte Ionen nicht in das Substrat eingeführt. Demgemäss kann die Oberfläche des magnetischen mehrfach geschichteten Films vor der Ausbildung der nicht-magnetische Schicht geglättet werden, ohne dass sie durch beispielsweise Ätzen beschädigt wird, wobei die nicht-magnetische Schicht glatt aufgebracht werden kann, ohne die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des magnetischen mehrfach geschichteten Films zu verschlechtern.
  • [Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren]
  • 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Tunnelübergangbauelements.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Vorrichtung zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Konfiguration der Plasmabehandlungsvorrichtung.
  • 4A ist eine beschreibende Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 4B ist eine beschreibende Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 4C ist eine beschreibende Ansicht, die ein Verfahren zum Herstellen des magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 5 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der einer HF-Antenne zugeführten Leistung und einer Ätzbedingung zeigt.
  • 6 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Plasmabehandlungszeit und einer Oberflächenrauheit einer fixierten Schicht zeigt.
  • 7 ist eine grafische Darstellung, die ein VSM (vibrating sample magnetometer)-Analyseergebnis eines magnetischen mehrfachgeschichteten Films zeigt.
  • 8A ist eine beschreibende Ansicht einer Neel-Kopplung.
  • 8B ist eine beschreibende Ansicht einer Neel-Kopplung.
    • 5
    Substrat
    12a
    Erste untenliegende Schicht
    12b
    Zweite untenliegende Schicht
    13
    Anti-ferromagnetische Schicht
    14
    Fixierte Schicht (erste magnetische Schicht)
    15
    Tunnelbarrierenschicht (nicht-magnetische Schicht)
    16
    Freie Schicht (zweite magnetische Schicht)
    60
    Plasmabehandlungsvorrichtung
  • [Bester Weg zum Ausführen der Erfindung]
  • Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die zugehörige Zeichnung beschrieben. In den in der folgenden Beschreibung benutzten Zeichnungsfiguren werden Schichten und Elemente auf eine wahrnehmbare Größe skaliert.
  • (Magnetischer mehrfach geschichteter Film)
  • Zuerst wird ein Tunnelübergangbauelement mit einem TMR-Film als ein Beispiel eines mehrfach geschichteten Films, einschließlich einer magnetischen Schicht, und einem MRAM, einschließlich des Tunnelübergangbauelements, beschrieben.
  • 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Tunnelübergangbauelements. In dem Tunnelübergangbauelement 10 ist eine untenliegende Schicht 12 auf einer Oberfläche eines Substrats 5 ausgebildet. Die untenliegende Schicht 12 enthält eine erste untenliegende Schicht 12a, bestehend aus Ta o. Ä., und einer zweiten untenliegendenden Schicht 12b, bestehend aus NiFe o. Ä. Eine anti-ferromagnetische Schicht 13, bestehend aus PtMn, IrMn o. Ä., ist auf einer Oberfläche der untenliegenden Schicht 12 ausgebildet. Die zweite untenliegende Schicht 12b dient zum Anordnen einer Kristallinität der anti-ferromagnetischen Schicht 13. Eine fixierte Schicht (erste magnetische Schicht) 14 ist auf einer Oberfläche der anti-ferromagnetischen Schicht 13 ausgebildet. Die anti-ferromagnetische Schicht 13 dient zum Festlegen einer Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 14. Die fixierte Schicht 14 ist eine laminierte fixierte Schicht vom Ferrittyp einschließlich einer ersten fixierten Schicht 14a, bestehend aus CoFe o. Ä., einer zwischenfixierten Schicht 14b, bestehend aus Ru o. Ä., und einer zweiten fixierten Schicht 14c, bestehend aus CoFe o. Ä. Mit dieser Konfiguration ist die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 14 streng festgelegt.
  • Eine Tunnelbarrierenschicht (nicht-magnetische Schicht) 15, bestehend aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise AlO (im Allgemeinen Aluminium-Oxid einschließlich Tonerde) o. Ä., ist auf einer Oberfläche der fixierten Schicht 14 ausgebildet. Die Tunnelbarrierenschicht 15 ist durch Oxidation einer Metallaluminiumschicht mit einer Dicke von etwa 10 Angstrom ausgebildet. Eine freie Schicht (zweite magnetische Schicht) 16, bestehend aus NiFe o. Ä., ist auf einer Oberfläche der Tunnelbarrierenschicht 15 ausgebildet. Eine Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 16 kann durch Anlegen eines magnetischen Feldes in der Umgebung des Tunnelübergangbauelements 10 invertiert werden. Eine Schutzschicht 17, bestehend aus Ta o. Ä., ist auf einer Oberfläche der freien Schicht 16 ausgebildet. Des Weiteren umfasst ein reales Tunnelübergangbauelement eine mehrfach geschichtete Struktur mit 15 Schichten einschließlich Funktionsschichten in Erweiterung zu den oben erwähnten Schichten.
  • In dem Tunnelübergangbauelement 10 wird der Widerstand des Tunnelübergangbauelements 10 in Abhängigkeit davon, ob die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 14 parallel oder anti-parallel zu der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 16 ist, variiert; und demgemäss, wird die Intensität des Stroms, der durch die Tunnelbarrierenschicht 15 fließt, variiert, wenn eine Spannung an dem Tunnelübergangbauelement 10 in seiner Dickenrichtung angelegt wird (TMR-Effekt). Daher kann ein binärer Wert „1" oder „0" durch Erfassen der Intensität des Stroms gelesen werden. Des Weiteren kann der binäre Wert „1" oder „0" wieder geschrieben werden, wenn die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht durch Anlegen des magnetischen Felds in der Umgebung des Tunnelübergangbauelements 10 invertiert wird.
  • Wenn eine Abweichung in der Filmdicke in jeder Schicht der fixierten Schicht 14 und der unteren Schicht in einem solchen Tunnelübergangbauelement 10 vorliegt, wird die auf der fixierten Schicht 14 laminierte Tunnelbarrierenschicht 15 uneben (siehe 8B). Dies kann eine magnetische Neel-Kopplung zwischen der fixierten Schicht 14 und der freien Schicht 16, mit der zwischen den beiden Schichten liegenden Tunnelbarrierenschicht 15, verursachen. Als ein Ergebnis steigt die Erhaltungsleistung der Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht 16 an; und demgemäss ist ein hohes magnetisches Feld erforderlich, um die Magnetisierungsrichtung zu invertieren und die Stärke oder Magnitude des erforderlichen magnetischen Felds wird ungleichmäßig. Demgemäss besteht ein Bedarf, die Tunnelbarrierenschicht zu glätten.
  • (Vorrichtung zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films)
  • Eine Vorrichtung zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Vorrichtung zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft. Die Vorrichtung zum Herstellen des magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält als Hauptkomponenten eine erste Bedampfungsvorrichtung 73 zum Ausführen eines Filmausbildungsprozesses (1) für eine antiferromagnetische Schicht, eine zweite Bedampfungsvorrichtung 74 zum Ausführen eines Filmausbildungsprozesses (2) für eine fixierte Schicht, eine Plasmabehandlungsvorrichtung 60 zum Ausführen der Plasmabehandlung als Vorbehandlung bevor eine Tunnelbarrierenschicht ausgebildet wird, eine dritte Bedampfungsvorrichtung 75 zum Ausführen eines Filmausbildungsprozesses (3) für Metall-Aluminium, eine Hitzebehandlungsvorrichtung 75a zum Ausführen eines Oxidationsprozesses von Metall-Aluminium, und eine vierte Bedampfungsvorrichtung 76 zum Ausführen eines Filmausbildungsprozesses (4) für eine freie Schicht. Des Weiteren sind diese Vorrichtungen radial um eine Substratübergangskammer 54 angeordnet. Mit dieser Konfiguration kann der magnetische mehrfachgeschichtete Film auf einem Substrat ausgebildet werden, das in eine Vorrichtung zum Herstellen des magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung übertragen wird, ohne dass das Substrat der Luft ausgesetzt wird.
  • 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Plasmabehandlungsvorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Plasmabehandlungsvorrichtung 60 eines induktiven Kopplungsplasmatyps (ICP-Typ, engl. inductive coupling plasma type, ICP type) eingesetzt, da dieser ICP-Typ weiter das Plasma von dem Substrat trennen kann, und damit kann weiter der Schaden an dem Substrat, verglichen mit einem kapazitiven Kopplungstyp mit einem Magnet, reduziert werden, da es für den kapazitiven Kopplungstyp schwierig ist, ein magnetisches Feld zu steuern und das Plasma gleichmäßig zu machen.
  • In diesem Ausführungsbeispiel enthält die Plasmabehandlungsvorrichtung 60 eine Kammer 61 mit einer Wand bestehend aus Quarz o. Ä. Ein Tisch 62, auf dem das Substrat 5 platziert ist, ist auf einer inneren Seite im unteren Teil der Kammer 61 bereitgestellt. Der Tisch 62 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass das platzierte Substrat in einem elektrischen Schwebezustand verbleibt. Des Weiteren kann das Substrat durch den Tisch 62 auf Masse gelegt werden. Auf der anderen Seite ist eine HF-Antenne 68 zum Erzeugen von Plasma innerhalb der Kammer 61, außerhalb der Seite der Kammer 61, bereitgestellt und ist mit einer HF-Leistungsquelle 69 verbunden. Des Weiteren sind, obwohl nicht dargestellt, Prozessgaseinführungsbauelemente zum Einführen eines Prozessgases wie beispielsweise Argongas und eine Abgaseinrichtung zum Abgeben eines Prozessgases innerhalb der Kammer 61 bereitgestellt.
  • (Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films)
  • Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 4A bis 7 beschrieben.
  • 4A bis 4C sind beschreibende Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Das Verfahren zum Herstellen des magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Oberfläche der fixierten Schicht 14 durch Nutzen der Plasmabehandlungsvorrichtung vom induktiven Kopplungsplasmatyp mit dem elektrisch isolierenden Substrat zu behandeln, bevor die Tunnelbarrierenschicht 15 ausgebildet wird.
  • Zuerst werden durch Nutzen der magnetischen mehrfach geschichteten Filmherstellungsvorrichtung, wie es in 2 gezeigt ist, die untenliegende Schicht 12 (die erste untenliegende Schicht 12a und die zweite untenliegende Schicht 12b), die anti-ferromagnetische Schicht 13 und die fixierte Schicht 14 sequentiell auf der Oberfläche des Substrats 5 (ein erster eine untenliegende Schicht ausbildender Prozess, ein zweiter eine untenliegende Schicht ausbildender Prozess, ein eine anti- ferromagnetische Schicht ausbildender Prozess, und ein erster magnetschichtausbildender Prozess), wie es in 1 gezeigt ist, ausgebildet.
  • Wenn hier Abweichungen in der Filmdicke in der untenliegenden Schicht 12, der anti-ferromagnetischen Schicht 13 oder der fixierten Schicht 14 vorliegen, dann weist die Oberfläche der obersten fixierten Schicht 14 eine Unebenheit, wie es in 4A gezeigt ist, auf. Wenn die Tunnelbarrierenschicht auf der Oberfläche der fixierten Schicht 14 ausgebildet wird, weist, wie es in 8B gezeigt ist, die Tunnelbarrierenschicht auch Unebenheit auf.
  • Daher wird die Oberfläche der fixierten Schicht durch Nutzen der Plasmabehandlung (Plasmabehandlungsprozess), wie es in 4B gezeigt ist, geebnet. Dieser Plasmabehandlungsprozess wird durch Nutzen der Plasmabehandlungsvorrichtung 60, wie es in 3 gezeigt ist, ausgeführt.
  • Im Besonderen wird zuerst das Substrat 5, auf dem die fixierte Schicht und die unteren Schichten ausgebildet sind, auf dem Tisch 62 innerhalb der Kammer 61 platziert. Zu diesem Zeitpunkt bleibt das Substrat 5 durch Beibehalten des Substrats 5 in einem elektrischen Schwebezustand elektrisch isolierend, oder das Substrat 5 ist auf Masse gelegt, so dass keine Vorspannung an das Substrat 5 angelegt ist. Als nächstes wird ein Prozessgas wie beispielsweise Argongas in die ein Vakuum bildende Kammer 61 eingeleitet. Danach versorgt die HF-Leistungsquelle 69 die HF-Antenne 68 mit Hochfrequenzleistung, um Plasma innerhalb der Kammer 61 zu erzeugen. Der Druck des Argonplasmas beträgt vorzugsweise 0.05 ~ 1.0 Pa, beispielsweise 0.9 Pa. Das durch das Plasma aktivierte Prozessgas reagiert langsam mit der Oberfläche des Substrats 5, wobei die Oberfläche der fixierten Schicht dabei geebnet wird.
  • 5 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der der HF-Antenne zugeführten Leistung und einer Ätzbedingung der HF-Antenne zeigt. In 5 repräsentiert eine Kurve eine Ätzrate für SiO2, die eine Messung einer Ätzmenge erleichtert, wobei eine entsprechende Kurve für die aus CoFe bestehende fixierte Schicht jedoch nicht gezeigt ist. Der Grund hierfür ist, dass davon ausgegangen wird, dass eine Ätzrate von CoFe dieselbe Neigung (Steigung) aufweist wie die Ätzrate von SiO2. Die Ätzrate von SiO2 wird sehr klein, wenn die der HF-Antenne zugeführte Leis tung kleiner oder gleich 400 W beträgt, besonders wird sie nahezu 0, wenn die Leistung kleiner oder gleich 300 W beträgt. Demgemäss wird in diesem Fall davon ausgegangen, dass nur die Oberfläche der fixierten Schicht geebnet ist, ohne dass die fixierte Schicht geätzt wird.
  • Des Weiteren zeigt 5 auch eine Kurve, die die Magnetisierung von CoFe nach der Plasmabehandlung repräsentiert. Das passiert aufgrund der Tatsache, dass die Magnetisierung der fixierten Schicht auch proportional abnimmt, wenn die fixierte Schicht geätzt wird, um ihre Dicke zu verkleinern. Die Magnetisierung von CoFe ist im Wesentlichen konstant, wenn die der HF-Antenne zugeführte Leistung kleiner oder gleich 400 W beträgt, während sie plötzlich abnimmt, wenn die Leistung mehr als 400 W beträgt. Dieses Ergebnis unterstützt die Annahme, dass nur die Oberfläche der fixierten Schicht geebnet wird, ohne dass die fixierte Schicht geätzt wird, wenn die der HF-Antenne zugeführte Leistung 400 W übersteigt.
  • Wie es oben in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wird der oben beschriebene Plasmabehandlungsprozess durchgeführt, wenn die der HF-Antenne zugeführte Leistung kleiner oder gleich 400 W beträgt (vorzugsweise kleiner oder gleich 300 W). Dies erlaubt es, die Oberfläche der fixierten Schicht zu ebnen, ohne die Leistungsfähigkeit oder Effizienz der fixierten Schicht zu verschlechtern, da die fixierte Schicht nicht geätzt wird. Des Weiteren kann ein Grad der Ebnung durch Einstellen der der HF-Antenne zugeführten Leistung, abhängig von einer Distanz zwischen dem Plasma und dem Substrat, gesteuert werden. Des Weiteren beträgt die erforderliche Leistung, um das Plasma aufrechtzuerhalten, wenigstens 5 W.
  • 6 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Plasmabehandlungszeit und einer Oberflächenrauheit der fixierten Schicht angibt. Diese grafische Darstellung zeigt ein Ergebnis einer Messung einer Längsachsen-Mittelungsrauheit Ra nach der Plasmabehandlung für eine vorgeschriebene Zeit, wenn die der HF-Antenne zugeführte Leistung 200 W und 300 W beträgt.
  • In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Plasmabehandlungszeit im Bereich von 10 bis 30 Sekunden.
  • 6 zeigt, dass die Oberflächenrauheit der fixierten Schicht, die ungefähr 0,25 nm vor der Plasmabehandlung beträgt, auf etwa 0,2 nm nach der Plasmabehandlung mit der Leistung von 300 W für 30 Sekunden abnimmt. Auf diese Weise kann die Oberfläche der fixierten Schicht durch Nutzen des Verfahrens zum Herstellen des magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geebnet werden. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Plasmabehandlungszeit innerhalb von 180 Sekunden liegt, da die fixierte Schicht geätzt wird, wenn die Plasmabehandlungszeit lang wird.
  • Des Weiteren wird in 4C gezeigt, dass die Tunnelbarrierenschicht 15 auf der Oberfläche der fixierten Schicht 14 ausgebildet ist (der die nicht-magnetische Schicht ausbildende Prozess). Im Besonderen ist eine Metall-Aluminium-Schicht auf der Oberfläche der fixierten Schicht 14 ausgebildet, und die Tunnelbarrierenschicht 15 bestehend aus AlO ist durch Oxidation der Metall-Aluminium-Schicht ausgebildet. Da die Oberfläche der fixierten Schicht 14, wie es oben beschrieben ist, geebnet ist, kann die Tunnelbarrierenschicht 15 eben ausgebildet werden. Demnach ist die freie Schicht 16, wie sie in 1 gezeigt ist, auf der Oberfläche der Tunnelbarrierenschicht 15 ausgebildet (der die zweite magnetische Schicht ausbildende Prozess), und danach ist die Schutzschicht 17 auf der freien Schicht 16 sequenziell ausgebildet. Daher ist der magnetische mehrfach geschichtete Film 10, wie es in 1 gezeigt ist, vollständig.
  • 7 ist eine grafische Darstellung, die ein VSM(engl. vibrating sample magnetometer)-Analyseergebnis des magnetischen mehrfach geschichteten Films zeigt. In 7 ist der magnetische mehrfach geschichtete Film mit der gemäß diesem Ausführungsbeispiel geebneten fixierten Schicht durch eine durchgezogene Linie angegeben, und ein magnetischer mehrfach geschichteter Film mit einer nicht geebneten fixierten Schicht ist durch eine gepunktete Linie angegeben.
  • In dem Fall, in dem die fixierte Schicht nicht geebnet ist, wird eine Neel-Kopplung zwischen der fixierten Schicht und einer freien Schicht stark, da eine Tunnelbarrierenschicht Unebenheiten aufweist. Als Ergebnis wird ein hohes magnetisches Feld erforderlich, um eine Magnetisierungsrichtung der freien Schicht zu invertieren. Beispielsweise beträgt eine Zyklusverschiebung der gepunkteten Linie in 7 ungefähr 4.0 Oe (Oersted). Im Gegensatz dazu wird in dem magnetischen mehrfach geschichteten Film mit der geebneten fixierten Schicht, eine Neel-Kopplung zwischen der fixierten Schicht und der freien Schicht schwach, da die Tunnelbarrierenschicht flach ausgebildet ist, Als Ergebnis ist ein kleines magnetisches Feld ausreichend, um eine Magnetisierungsrichtung der freien Schicht zu invertieren. Beispielsweise wird eine Zyklusverschiebung der durchgezogenen Linie in 7 zur Hälfte auf ungefähr 2.0 Oe reduziert.
  • Wie es oben beschrieben ist, ist in dem magnetischen mehrfach geschichteten Filmherstellungsverfahren, gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das Substrat elektrisch isolierend von der Plasmabehandlungsvorrichtung 60 oder vor der Tunnelbarrierenschicht auf Masse gelegt, wenn die nicht-magnetische Schicht ausgebildet wird, worauf die Oberfläche der fixierten Schicht der Plasmabehandlung von induktivem Kopplungstyp unterworfen ist. Mit dieser Konfiguration werden durch das Plasma erzeugte Ionen des Prozessgases nicht in das Substrat eingeführt, da die Vorspannung nicht an das Substrat angelegt wird. Demgemäss kann die Oberfläche der fixierten Schicht, ohne das die fixierte Schicht durch beispielsweise Ätzen beschädigt wird, geebnet werden. Demgemäss kann die Tunnelbarrierenschicht flach laminiert werden ohne die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des magnetischen mehrfach geschichteten Films zu verschlechtern. Als ein Ergebnis ist kein hohes magnetisches Feld erforderlich, um die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht zu invertieren und die Intensität des erforderlichen magnetischen Felds, wird nicht ungleichmäßig, da die Neel-Kopplung zwischen der fixierten Schicht und der freien Schicht schwach wird.
  • Des Weiteren können Oberflächen der Schichten, mit Ausnahme der der fixierten Schicht, geebnet werden bevor die Tunnelbarrierenschicht ausgebildet wird, obwohl bereits in diesem Ausführungsbeispiel veranschaulicht wurde, dass die Oberfläche der fixierten Schicht geebnet ist. Allerdings ist es nicht bevorzugt, dass der Plasmabehandlungsprozess vor und nach dem Ausbilden der zwischenfixierten Schicht 14b ausgeführt wird, da die zwischenfixierte Schicht 14b eine Funktion zum strikten Festlegen der Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 14 aufweist. Des Weiteren ist es nicht bevorzugt, dass der Plasmabehandlungsprozess für eine Oberfläche der anti-ferromagnetischen Schicht 13 ausgeführt wird, da die anti-ferromagnetische Schicht 13 auch eine Funktion zum Festlegen der Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 14 aufweist. Des Weiteren ist es nicht bevorzugt, dass der Plasmabehandlungsprozess für eine Oberfläche der zweiten untenliegenden Schicht 12b ausgeführt wird, da die zweite untenliegende Schicht 12b eine Funktion zum Anordnen der Kristallinität der anti-ferromagnetischen Schicht 13 aufweist. Demgemäss ist es bevorzugt, eine Oberfläche der ersten untenliegenden Schicht 12a durch Nutzen des Plasmabehandlungsprozesses zu ebnen, wenn eine Oberfläche einer Schicht, mit Ausnahme der der fixierten Schicht, geebnet werden soll.
  • Des Weiteren kann, bevor die Tunnelbarrierenschicht ausgebildet wird, die Tunnelbarrierenschicht 15 flacher laminiert werden, wenn eine Vielzahl von Schichtoberflächen geebnet wird. Allerdings besteht dann ein Bedarf, eine Antinomie zwischen der Ebenheit der Tunnelbarrierenschicht 15 und seiner Herstellungseffizienz einzustellen. Wenn ein GMR-Film auf einem Substrat ausgebildet ist, um ein Bauelement, beispielsweise einen magnetischen Kopf o. Ä., wie es in dem obigen Patentdokument 1 offenbart ist, herzustellen, ist die Herstellungseffizienz nicht wesentlich, da eine große Anzahl von Bauelementen von einem Substrat erhalten werden kann. Allerdings ist wie es in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wenn der TMR-Film auf dem Substrat ausgebildet wird, um das MRAM o. Ä. herzustellen, die Herstellungseffizienz von großer Bedeutung, da eine kleine Anzahl von MRAMs von einem Substrat erhalten werden können. Hier ist es am effektivsten, die Oberfläche der fixierten Schicht zu ebnen, um die Tunnelbarrierenschicht zu glätten, da die Tunnelbarrierenschicht auf der Oberfläche der fixierten Schicht laminiert ist. Demgemäss kann nur durch Ebnung der Oberfläche der fixierten Schicht die Tunnelbarrierenschicht geglättet werden, während ein Abfall in der Herstellungseffizienz, begleitet durch die Plasmabehandlung, minimiert werden kann.
  • Der technische Bereich der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, aber kann ausgelegt werden, um zahlreiche Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele zu erhalten, ohne von der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das bedeutet, dass detaillierte Materialien, Konstruktionen, Herstellungsbedingungen, usw., die in den Ausführungsbeispielen beschrieben und gezeigt wurden, nur Beispiele sind, aber als solche in vielfältiger Weise weitergebildet werden können.
  • [Gewerbliche Anwendbarkeit]
  • Die vorliegende Erfindung ist zur Ausbildung eines ein Halbleiterbauelement bildenden Films, wie beispielsweise ein einen magnetischen Kopf bildendes GMR-Drehventil, ein ein MRAM bildendes TMR-Bauelement, usw., angepasst.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films mit:
    einem ersten magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer ersten magnetischen Schicht auf einem Substrat; einem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer nicht-magnetischen Schicht auf der ersten magnetischen Schicht; und einem zweiten magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer zweiten magnetischen Schicht auf der nicht-magnetischen Schicht. Das Verfahren umfasst des Weiteren vor dem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt einen plasmabehandelnden Schritt zum Einführen des Substrats in eine Plasmabehandlungsvorrichtung und Behandeln des Substrats mit Plasma eines induktiven Kopplungstyps, wobei das Substrat elektrisch isolierend von der Plasmabehandlungsvorrichtung getrennt ist.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films, mit: einem ersten magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer ersten magnetischen Schicht auf einem Substrat; einem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer nicht-magnetischen Schicht auf der ersten magnetischen Schicht; und einem zweiten magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer zweiten magnetischen Schicht auf der nicht-magnetischen Schicht, wobei das Verfahren weiter umfasst: einen vor dem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt vorgesehenen plasmabehandelnden Schritt zum Einführen des Substrats in eine Plasmabehandlungsvorrichtung und Behandeln des Substrats mit Plasma eines induktiven Kopplungstyps, wobei das Substrat elektrisch isolierend von der Plasmabehandlungsvorrichtung getrennt ist.
  2. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films, mit: einem ersten magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer ersten magnetischen Schicht auf einem Substrat; einem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer nicht-magnetischen Schicht auf der ersten magnetischen Schicht; und einem zweiten magnetschichtausbildenden Schritt zum Ausbilden einer zweiten magnetischen Schicht auf der nicht-magnetischen Schicht, wobei das Verfahren weiter umfasst: einen vor dem nicht-magnetschichtausbildenden Schritt vorgesehenen plasmabehandelnden Schritt zum Einführen des Substrats in eine Plasmabehandlungsvorrichtung und Behandeln des Substrats mit Plasma eines induktiven Kopplungstyps, wobei das Substrat auf Masse gelegt ist.
  3. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Plasmabehandlungsvorrichtung zugeführte Leistung größer oder gleich 5 W und kleiner oder gleich 4 W in dem plasmabehandelnden Schritt beträgt.
  4. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Plasmabehandlungszeit innerhalb von 180 Sekunden in dem plasmabehandelnden Schritt liegt.
  5. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Plasmabehandlung auf einer Oberfläche der ersten magnetischen Schicht ausgeführt wird, die die nicht-magnetische Schicht in dem plasmabehandelnden Schritt kontaktiert.
  6. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren, vor dem ersten magnetschichtausbildenden Schritt, weiter umfasst: einen ersten eine untenliegende Schicht ausbildenden Schritt zum Ausbilden einer ersten untenliegenden Schicht auf dem Substrat; einen zweiten eine untenliegende Schicht ausbildenden Schritt zum Ausbilden einer zweiten untenliegenden Schicht auf der ersten untenliegenden Schicht; und einen eine anti-ferromagnetische Schicht ausbildenden Schritt zum Ausbilden einer anti-ferromagnetischen Schicht auf der zweiten untenliegenden Schicht, und wobei die Plasmabehandlung vor dem zweiten eine untenliegende Schicht ausbildenden Schritt für eine Oberfläche der ersten untenliegenden Schicht in dem plasmabehandelnden Schritt ausgeführt wird.
  7. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der magnetische mehrfach geschichtete Film ein magnetischer Tunnelwiderstandsfilm und die nicht-magnetische Schicht eine Tunnelbarrierenschicht ist.
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