DE69812828T2

DE69812828T2 - Ionenstrahl-Sputtering-System

Info

Publication number: DE69812828T2
Application number: DE69812828T
Authority: DE
Inventors: Mustafa Morgan Hill Pinarbasi
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2018-09-15
Also published as: EP0908532A3; US6197164B1; EP0908532A2; DE69812828D1; EP0908532B1

Description

Ionenstrahl-Sputtering-System
Diese Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Dünnschichten durch Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidung.
Im Stand der Technik ist es hinlänglich bekannt, Hochfrequenz (HF) oder Gleichstrom-Magnetron-Sputtering-Abscheidevorrichtungen zur Herstellung von Dünnfilmbauelementen wie z. B. Magnetaufzeichnungssensoren und Speichermedien einzusetzen. Solche Sputtervorrichtungen sind durch sich kreuzende elektrische und magnetische Felder in einer evakuierten Kammer gekennzeichnet, in die ein inertes, ionisierbares Gas wie z. B. Argon eingebracht ist. Das Gas wird durch die vom elektrischen Feld beschleunigten Elektronen ionisiert, das ein Plasma in der Nähe einer Targetstruktur ausbildet. Die sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Felder umschließen die Elektronen in einer Zone zwischen dem Target und den Substratstrukturen. Die Gas-Ionen treffen auf die Targetstruktur, wodurch Atome ausgestoßen werden, die auf ein Werkstück auftreffen, typischerweise ein Substrat, auf dem eine oder mehrere Lage/n aus ausgewählten Targetmaterialien abgeschieden werden soll/en.
In den herkömmlichen Sputtering-Vorrichtungen aus dem Stand der Technik werden relativ hohe Betriebsdrücke eingesetzt, um dünne Schichten mit geringer Eigenspannung zu erhalten, was zu einem ungerichteten Sputtering-Fluss am Substrat führt. Dieser ungerichtete Fluss bringt mit zunehmend kleiner werdenden Abmessungen der Bauelemente jedoch Schwierigkeiten in den Herstellvorgang ein.
Es ist im Stand der Technik bekannt, in bestimmten Anwendungen Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidung einzusetzen, um einige der Schwierigkeiten, die man bei herkömmlichen HF/Gleichstrom-Sputtering-Technologien antrifft, zu bezwingen. Einzelne Aspekte der Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidung unterscheiden sich von herkömmlichen Sputtering-Prozessen und bieten erhebliche Vorteile. Beispielsweise (1) führt die Verwendung eines niedrigen Hintergrunddrucks zu geringerer Streuung der gesputterten Partikel während des Übergangs vom Target zum Substrat; (2) bietet die Steuerung der Richtungsgebung des Ionenstrahls sowohl einen variablen Einfallswinkel des Strahls am Target als auch einen steuerbaren Abscheidewinkel am Substrat; (3) ein nahezu monoenergetischer Strahl mit einer engen Energieverteilung stellt eine Steuerung des Sputtering-Ertrages und des Abscheideprozesses in Abhängigkeit der Ionenenergie bereit und ermöglicht ein genaues Fokussieren und Abtasten des Strahls; und (4) ist der Ionenstrahl unabhängig von Vorgängen am Target und Substrat, was Veränderungen an Target- und Substratmaterialien sowie deren Geometrie ermöglicht, während konstante Strahleigenschaften aufrechterhalten bleiben und eine unabhängige Steuerung der Strahlenergie und Stromdichte gestattet ist.
Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtabscheidung auf einem Substrat unter Verwendung von Ionenstrahl-Sputtering sind beispielsweise im US-Patent Nr. 4,923,585 ('585) an Krauss et al. und im US-Patent Nr. 5,492,605 an Pinarbasi ('605) beschrieben. Krauss et. al. offenbart die Verwendung eines computergesteuerten Ionen- Einzelstrahls mit einer Quarzkristallüberwachung zur Herstellung abgeschiedener dünner Schichten beliebiger Zusammensetzung sowie von geschichteten Strukturen beliebiger Dicke aus mehreren Targets elementarer Komponenten der erwünschten dünnen Schichten und geschichteten Strukturen. Pinarbasi offenbart die Angleichung der Atommasse des Ionenstrahlgases an die Atommasse des Targetmaterials, um Dünnschichten mit Dichten und physikalischen Eigenschaften bereitzustellen, die deren spezifischen Eigenschaftswerten sehr nahe kommen. Sowohl die Masse des Ionenstrahl-Sputtering-Gases als auch die Energie des Ionenstrahls werden in Abhängigkeit vom Targetmaterial gesteuert, um Strukturen aus einer einzigen Lage oder aus mehreren Lagen zu erzeugen, wobei ausgewählte Eigenschaften jeder Lage optimiert sind, um für jede Lage in der sich ergebenden Struktur eine bestimmte Funktion bereitzustellen. Während die Patente '585 und '605 Verfahren zum Abscheiden von aus mehreren Lagen bestehenden dünnen Schichten bzw. zum Steuern der physikalischen Eigenschaften offenbaren, werden die Probleme des Steuerns und Verbesserns der Gleichmäßigkeit der Dicke jeder einzelnen, über dem Wafer abgeschiedenen Lage nicht angegangen.
In der Druckschrift US-A-4793908 ist die Verwendung einer Maske offenbart, um die Gleichmäßigkeit der Dicke der Dünnschicht zu verbessern; dadurch, dass die Maskenform genau zugeschnitten wird, ist es möglich, radiale Ungleichmäßigkeiten über dem Substrat auszugleichen.
Der Artikel von Motohiro T et al.: "Angular-resolved ion-beam sputtering apparatus for large-area deposition", Review of Scientific Instruments, Bd. 60, Nr. 8, 1. August 1989, Seiten 2657–2665, ISSN: 0034–6748 beschreibt ein q-Einstellfenster für die Abscheidegeometrie des Ionenstrahl-Sputterings.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesysteme sind eingesetzt worden, um einzelne Lagen anisotroper magnetoresistiver (AMR) Sensoren und „riesen"-magnetoresistiver (GMR) Sensoren zur Verwendung in Magnetaufzeichnungsgeräten abzuscheiden. Bei den GMR-Sensoren beispielsweise verändert sich der Widerstand der magnetoresistiven (MR) Erfassungslage als Funktion der vom Spin abhängigen Übertragung der Leitungselektronen zwischen den ferromagnetischen, durch eine nichtmagnetische Lage (Abstandshalter) getrennten Lagen, und der damit auftretenden vom Spin abhängigen Streuung, die an der Grenzfläche der ferromagnetischen und nichtmagnetischen Lagen und innerhalb der ferromagnetischen Lagen stattfindet. GMR-Sensoren, die nur zwei Lagen aus ferromagnetischem Material (z. B. NiFe oder Co oder NiFe/Co) verwenden, die durch eine Lage aus GMRförderndem, nichtmagnetischen metallischen Material (z. B. Kupfer) getrennt sind, werden allgemein als Spin-Ventil-Sensoren (SV-Sensoren) bezeichnet.
Magnetoresistive (MR) Sensoren (AMR oder GMR) sind sehr kleine Bauelemente, die allgemein durch Sputtering-Abscheidungen auf großen Wafersubstraten mit im Allgemeinen mehr als 5 Zoll Durchmesser hergestellt werden, um Tausende von Sensoren zu bilden, die nachfolgend getrennt (geschnitten) werden, um einzelne Magnetlesewandler zur Verwendung in magnetischen Speichervorrichtungen zu bilden.
Einer der entscheidenden Punkte im Herstellprozess von MR-Sensoren ist die Gleichmäßigkeit der Dicke jeder einzelnen, über der gesamten genutzten Fläche des Wafers abgeschiedenen Lage, um die Gleichmäßigkeit von Betriebseigenschaften (beispielsweise Widerstand und magnetische Widerstandsänderung) des gesamten Loses der auf dem Wafersubstrat hergestellten MR-Sensoren zu steuern.
Um die Gleichmäßigkeit der physikalischen Eigenschaften der verschiedenen gesputterten Lagen (folglich gleichmäßige Dicke) zu messen, wurde in einem Versuch durch den vorliegenden Anmelder ein Ionenstrahl-Sputtering-System (1) mit einem nicht bewegbaren Flussregulierglied entwickelt und verwendet, um SV-Sensoren 200 (2) auf einem Wafersubstrat (3) mit 5 Zoll Durchmesser zu bilden.
Unter Bezug auf 1 ist ein vereinfachtes Schaubild gezeigt, in welchem das durch den Anmelder entwickelte und verwendete Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem 120 dargestellt ist. Das Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem 120 enthält eine Vakuumkammer 122, in der eine Ionenstrahlquelle 121 angebracht ist. Das Ionenstrahlsystem 120 weist darüber hinaus ein Target 123 und ein Werkstück (auch als Abscheidesubstrat oder Wafersubstrat bezeichnet) 131 auf. Ein von der Ionenquelle 121 bereitgestellter Ionenstrahl 133 wird auf das Target 123 gerichtet, wo die auftreffenden Ionen ein Sputtern des Targetmaterials hervorrufen. Das System 120 enthält darüber hinaus mehrere auswählbare Targets 123 auf einem drehbaren Targethalter 125. Die von dem Targetmaterial ausgestoßenen, gesputterten Atome 126 werden auf ein Abscheidesubstrat 131 gerichtet, auf dem sich eine Lage aus dem Targetmaterial aufbaut.
Ein Dickenüberwachungsgerät 137, das nahe am Substrat 131 angrenzend angeordnet ist, liefert in Echtzeit an Ort und Stelle eine Überwachung der Dicke der wachsenden dünnen Schicht während der Abscheidung. Ein nicht bewegbares Flussregulierglied 150, das vor dem Abscheidesubstrat 131 befestigt ist, blockt den gesputterten Atomfluss teilweise ab und wird in Verbindung mit einer Drehung des Abscheidesubstrats 131 verwendet, um die Gleichmäßigkeit der Dicke der abgeschiedenen Lage zu verbessern. Das nicht bewegbare Flussregulierglied des Anmelders bezieht sich auf ein Flussregulierglied, dessen Position vor der Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidung von einer oder mehreren abgeschiedenen Lage/n fixiert wurde und während der Abscheidung dieser einen oder mehreren abgeschiedenen Lage/n niemals verändert wurde. Das Substrat oder andere Werkstück 131 ist auf einem bewegbaren Untersatz oder Trägerelement 141 angebracht, das über ein Absperrventil 138 in eine Beladeschleuse 139 geholt wird, um das Werkstück 131 zu wechseln. Wenn es für die bestimmte abzuscheidende Struktur erforderlich ist, kann am Werkstück 131 gegebenenfalls auch ein magnetisches Feld angelegt werden. Während der Abscheidung kann der Untersatz 141 unter Verwendung eines Dreh-/Linearmotors auch gedreht werden, um das Abscheidesubstrat 131 zu drehen. Während des Betriebs des Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystems wird die Vakuumkammer 122 durch eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) über einen Anschluss 135 auf einem geeigneten niedrigen Druck gehalten.
In 2 ist der unter Einsatz des Ionenstrahl-Sputtering-Systems 120 des Anmelders hergestellte SV-Sensor 200 gezeigt. Der SV-Sensor 200 umfasst Endbereiche 204 und 206, die durch einen mittleren Bereich 202 getrennt sind. Eine freie Lage (freie MR-Lage, freie ferromagnetische Lage) 210 ist von einer eingespannten (pinned) Lage (eingespannte MR-Lage, eingespannte ferromagnetische Lage) 220 (die eine sehr dünne Co-Grenzschichtlage 218 umfassen kann) durch eine nichtmagnetische, elektrisch leitende Abstandslage 215 getrennt. Alternativ kann die eingespannte Lage 220 aus mehreren Lagen aus ferromagnetischem Material (z. B. Kobalt, NiFe) bestehen, die durch einen metallischen, nichtmagnetischen Leiter (z. B. Ruthenium) voneinander getrennt sind. Eine derartige, aus mehreren Lagen bestehende eingespannte Lage wird allgemein als antiparallele eingespannte (AP)-Lage bezeichnet. Die Magnetisierung der eingespannten Lage 220 wird im Allgemeinen, obwohl nicht notwendigerweise, durch Austauschkopplung mit einer antiferromagnetischen (AFM)-Lage 225 fixiert. Die AFM-Lage 225 besteht im Allgemeinen aus NiMn, FeMn oder NiO. Die Magnetisierung der freien Lage jedoch kann sich als Reaktion auf ein externes Feld drehen. Die freie Lage 210, die Abstandslage 215, die eingespannte Lage 220 und die AFM-Lage 225 (falls verwendet) sind alle im mittleren Bereich 202 über dem Substrat 228 gebildet. Harte Vormagnetisierungslagen 230 und 235, die in den Endbereichen 204 bzw. 206 ausgebildet sind, stellen eine in Längsrichtung wirkende Vormagnetisierung für die freie MR-Lage 210 bereit. Anschlüsse 240 und 245, die über den harten Vormagnetisierungslagen 230 bzw. 235 gebildet sind, stellen elektrische Verbindungen für den von einer Stromquelle 260 zum MR-Sensor 200 fließenden Abfühlstrom I_S bereit.
3 zeigt einen Wafer 300, der durch das Ionenstrahl-Sputtering-System des Anmelders zur Herstellung von SV-Sensoren 200 hergestellt wurde. In 3 ist schematisch das allgemeine Muster mehrerer Blöcke 301 dargestellt, wobei jeder Block eine Vielzahl an Reihen 302 umfasst. Jede Reihe 302 umfasst eine Vielzahl an SV-Sensoren 200, die entlang jeder Reihe angeordnet und auf dem Wafersubstrat 306 gebildet sind.
Wie oben erwähnt, führte der Anmelder einen Versuch durch, bei dem das Ionenstrahl-Sputtering-System 120 eingesetzt wurde, um SV-Sensoren 200 auf dem Wafersubstrat 306 zu bilden. Dabei wurden Lagen aus gesputtertem Material, das die Lagenstruktur des mittleren Bereichs 202 des SV-Sensors 200 enthielt, einzeln abgeschieden und deren Gleichmäßigkeit durch Messen des Flächenwiderstandes der dünnen Schicht an den fünf Stellen 305 gemessen, die auf dem fünf Zoll im Durchmesser messenden Wafer 300 angegeben sind. Die Gleichmäßigkeit des Flächenwiderstandes ist stellvertretend für die Gleichmäßigkeit der Dicke der dünnen Schicht über den Wafer hinweg und kann als prozentuale Gleichmäßigkeit ausgedrückt werden. Die prozentuale Gleichmäßigkeit ist ein Maß der maximalen Abweichung der Dicke der dünnen Schicht, die man bei einem gegebenem Wafer antrifft.
4 ist eine Kurve, die den normierten Flächenwiderstand der dünnen Cu-Abstandsschicht 215 des SV-Sensors 200 zeigt, gemessen an fünf Stellen 305 über den Wafer 300 mit 5 Zoll Durchmesser. Mit Bezug auf die Angaben von 4 schwankte die Dicke der dünnen Cu-Schicht über den Wafer 300 um bis zu 11.3%. An denselben fünf Stellen 305 über den Wafer 300 wurde auch der Flächenwiderstand der NiFe- und Co-Lagen des SV-Sensors 200 gemessen. Es wurde beobachtet, dass die Dicken der NiFe- und Co-Lage um etwa 3.5% bzw. 2.7% schwankten.
Bei MR-Sensoren ist die Dicke jeder Lage der Dünnschicht in der aus mehreren Lagen bestehenden Struktur für einen reibungslosen Betrieb des Sensors entscheidend. Schwankungen von 11.3% bei der Dicke der dünnen Cu-Abstandsschicht über den Wafer bedeutet, dass viele der MR-Sensoren auf dem Wafer 300 nicht ordnungsgemäß arbeiten oder unannehmbar hohe Schwankungen in ihrem Ansprechverhalten haben. Bei zunehmender Größe des Wafers zur Verbesserung der Produktivität verschärft sich auch das Problem, eine gleichmäßige dünne Schicht über den Wafer hinweg zu erreichen. Im Stand der Technik widmet man sich nicht dem Bedarf an einer Steuerung der Gleichmäßigkeit der Dicke der einzelnen, über der gesamten Fläche des Wafers abgeschiedenen dünnen Lagen, wo doch so die gewünschte Leistungsfähigkeit des Bauelements für ein gesamtes Los von magnetischen Bauelementen, welches mit einem Ionenstrahl-Abscheidesystem hergestellt wurde, gewährleistet werden kann.
Es wäre wünschenswert, ein Verfahren zur Steuerung der Gleichmäßigkeit der Dicke einzelner dünner Schichten von einer aus mehreren Lagen bestehenden Dünnschichtstruktur (beispielsweise von MR-Sensoren) zu finden, die auf einem Wafersubstrat in einem Ionenstrahl-Sputtering-System abgeschieden wurde.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem bereitgestellt, welches umfasst:
eine Vakuumkammer;
ein Substrat;
ein Target aus einem Material;
eine Ionenstrahlquelle, um zum Abscheiden des Materials auf
dem Substrat Ionen auf das Target zu richten; und
ein Flussregulierglied, das zum Regulieren der Abscheidung des
Targetmaterials auf dem Substrat relativ zum Substrat bewegbar ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Regulieren der Abscheidung einer Lage Materials auf einem Substrat in einem Ionenstrahl-Sputtering-System bereitgestellt, wobei das Ionenstrahl-Sputtering-System eine Vakuumkammer, ein Substrat, ein Targetmaterial, eine Ionenstrahlquelle und ein bewegbares Flussregulierglied enthält, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bewegen des bewegbaren Flussregulierglieds auf eine vorbestimmte Position relativ zum Substrat; Richten von Ionen auf das Targetmaterial; und Abscheiden eines Teils des Targetmaterials auf dem Substrat.
Somit ist ein Ionenstrahl-Sputtering-System offenbart, das ein bewegbares Flussregulierglied aufweist, das die Gleichmäßigkeit der Dicke von über das Wafer-(Abscheide)Substrat abgeschiedenen Lagen beeinflusst. Das bewegbare Flussregulierglied kann nutzbringend eingesetzt werden, um die Gleichmäßigkeit der Dicke jeder einzelnen Lage abgeschiedenen Materials zu verbessern. Die Erfindung wird vorteilhafter Weise als ein Verfahren zur Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidung eingesetzt, um MR-Sensoren (AMR, GMR oder SV) mit verbesserter Gleichmäßigkeit der Dicke einer jeden einzelnen Lage der aus mehreren Lagen bestehenden, auf einem Wafersubstrat abgeschiedenen Strukturen abzuscheiden.
Wie nachfolgend beschrieben wird, ist ein Flussregulierelement, das sich zwischen dem Target und dem Substrat in einer Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidekammer befindet, relativ zum Substrat in jeder der drei aufeinander senkrecht stehenden kartesischen Richtungen X, Y und Z bewegbar. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann sich das Flussregulierglied entlang seiner Längsachse drehen. Gemäß einer anderen Ausführungsform lässt sich das Flussregulierglied in einer Ebene einer vordefinierten Achse um einen vordefinierten Winkel verschwenken. Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung des Anmelders kann sich das Flussregulierglied in jeder der drei aufeinander senkrecht stehenden, kartesischen Richtungen X, Y und Z bewegen und/oder entlang seiner Längsachse drehen und/oder es lässt sich in einer Ebene einer vordefinierten Achse verschwenken. Die Position des bewegbaren Flussregulierglieds relativ zum Abscheidesubstrat beeinflusst die Gleichmäßigkeit der Dicke von auf dem Substrat durch das Ionenstrahl-Sputtering-Abscheideverfahren abgeschiedenen Dünnschichten. Die beste Position des bewegbaren Flussregulierglieds für jedes, durch Sputtern in einem bestimmten Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidegerät abzuscheidende Material wird durch die Durchführung einer Reihe von Abscheidungen besagten Materials in dem System bestimmt, während die Position (durch X-, Y-, Z-Richtung und/oder Drehung und/oder Verschwenken) des Flussregulierglieds für jede durchgeführte Abscheidung verändert wird und anschließend die Dicke (oder eine von der Dicke abhängige Eigenschaft wie der Flächenwiderstand) über den Waferdurchmesser gemessen wird. Man hat herausgefunden, dass die beste Position des bewegbaren Flussregulierglieds für unterschiedliche, aus verschiedenen Targets in demselben Ionenstrahlsystem abgeschiedenen Materialien jeweils eine andere ist. Deshalb wird für jedes Material, das auf einem Wafer in einer aus mehreren Lagen bestehenden Struktur abgeschieden wird, das bewegbare Flussregulierglied auf eine vorbestimmte Position bewegt, um eine verbesserte Gleichmäßigkeit jeder, über das gesamte genutzte Wafersubstrat abgeschiedenen Lage zu erlangen. Das bewegbare Flussregulierglied des Anmelders bezieht sich auf ein Flussregulierglied, dessen Position relativ zum Wafersubstrat in Abhängigkeit von dem abzuscheidenden Material verändert werden kann.
Wie oben ausgeführt, erfordert die Herstellung von MR-Sensoren im Allgemeinen und die von SV-Sensoren im besonderen die Ausbildung einer großen Anzahl an Sensoren mit gleichmäßigen Eigenschaften über den ganzen Wafer hinweg. Die Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der SV-Sensoren hängt in entscheidendem Maße von der Gleichmäßigkeit der Dicke jeder dünnen Schicht ab, die in diesen aus mehreren Lagen bestehenden Sensoren abgeschieden wird. Die vorliegende Erfindung eignet sich dazu, gleichmäßige Eigenschaften von SV-Sensoren über den ganzen Wafer hinweg zu erzielen.
Es werden nun lediglich beispielshalber Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 ein Blockschaubild eines Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystems mit einem feststehenden Flussregulierglied;
2 eine nicht maßstabsgetreue Oberflächenansicht eines SV-Sensors;
3 eine Draufsicht auf einen Wafer, in der das allgemeine Muster von auf dem Wafer gebildeten SV-Sensoren zu sehen ist;
4 eine Kurve, in der die Schwankungsbreite des Flächenwiderstands einer Kupferlage über den Wafer hinweg gezeigt ist, die unter Verwendung des Ionenstrahl-Sputtering-Systems von 1 hergestellt wurde;
5 ein Blockschaubild der bevorzugten Ausführungsform eines Ionenstrahl-Sputtering-Systems mit einem bewegbaren Flussregulierglied;
6a eine Zeichnung, welche die Draufsicht auf das bewegbare Flussregulierglied zeigt, das zwischen dem Target und dem Substrat in einem Ionenstrahl-Sputtering-System angeordnet ist;
6b eine Zeichnung, welche eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Gestalt des bewegbaren Flussregulierglieds zeigt, das zwischen dem Target und dem Substrat in einem Ionenstrahl-Sputtering-System angeordnet ist;
6c eine Zeichnung, welche eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Gestalt des bewegbaren Flussregulierglieds zeigt, das zwischen dem Target und dem Substrat in einem Ionenstrahl-Sputtering-System angeordnet und um einen Winkel Θ schwenkbar ist;
7 eine Kurve, die die Gleichmäßigkeit des Flächenwiderstands von Kupfer über das Abscheidesubstrat hinweg als Funktion des Z-Einstellwerts des bewegbaren Flussregulierglieds zeigt;
8 eine Kurve, die die Gleichmäßigkeit des Flächenwiderstands von Kobalt über das Abscheidesubstrat hinweg als Funktion des Z-Einstellwerts des bewegbaren Flussregulierglieds zeigt; und
9 eine Kurve, die die Gleichmäßigkeit des Flächenwiderstands der SV-Sensorvorrichtungen über ein Abscheidesubstrat hinweg zeigt.
Unter Bezug auf 5 ist eine Teilansicht des Ionenstrahl-Sputtering-Systems 500 der vorliegenden Erfindung gezeigt, das ein bewegbares Flussregulierglied 550 aufweist, sowie dessen Positionier- und Steuerelemente. Das bewegbare Flussregulierglied 550 kann auch als bewegbare Flussformeinrichtung bezeichnet werden, als bewegbarer Flussmodifizierer, als bewegbares Flussblockierglied oder als bewegbare Flusssteuerung bzw. durch jede andere geeignete Bezeichnung, die seine Funktion des Bewegens und Modifizierens der am Substrat einfallenden Flussverteilung beschreibt. Das Ionenstrahl-System 500 enthält eine Vakuumkammer 522, die durch eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) über einen Anschluss 535 auf einen geeigneten niedrigen Druck evakuiert ist, eine Ionenstrahlquelle 521, die energetische Ionen 533 auf ein Target 523 aus dem Material richtet, das auf einem an einem drehbaren Objekttisch 541 angebrachten Wafersubstrat 531 mittels Sputtern abgeschieden werden soll. Das bewegbare, auf einem Trägerelement 551 angebrachte Flussregulierglied 550 ist zwischen dem Target 523 und dem Substrat 531 so positioniert, dass es den gesputterten Atomfluss 526 teilweise davon abhält, auf das Substrat 531 zu treffen. Das Flussregulierglied 550 der vorliegenden Erfindung ist relativ zum Substrat 531 mittels des bewegbaren Trägerelements (Welle) 551 bewegbar, das an einem Stellorgan 557 befestigt ist, welches sich im Allgemeinen außerhalb der Vakuumkammer 522 befindet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Stellorgan 557 mit drei zueinander senkrecht stehenden, linearen Antriebssystemen ausgestattet; ein Antrieb 552 in X-Richtung, ein Antrieb 553 in Y-Richtung und ein Antrieb 554 in Z-Richtung. Das Stellorgan 557 ist auch mit einem vierten Antriebssystem 555 ausgestattet, um das Flussregulierglied 550 in der Ebene einer vordefinierten Achse um einen vordefinierten Winkel Θ 6c) zu verschwenken. Das Stellorgan 557 kann auch mit einem fünften Antriebssystem 556 ausgestattet sein, um das Flussregulierglied entlang seiner Längsachse (6b) zu drehen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Antriebssysteme von einem durch Software programmierten Computersystem 570 gesteuert, um das Flussregulierglied 550 während einer Dünnschichtabscheidesequenz auf eine vorbestimmte Position zu bewegen.
Unter Bezugnahme auf die 6a, 6b und 6c ist ein bewegbares Flussregulierglied 650 eines Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystems der vorliegenden Erfindung in einer verallgemeinerten Position zwischen einem Target 623 und einem Wafer-(Abscheide)-Substrat 631 gezeigt. Die Ionenstrahlquelle 621 erzeugt einen Ionenstrahl 633, der auf ein Target 623 gerichtet wird, das an einem Halter 625 für mehrere Targets angebracht ist. Das bewegbare Flussregulierglied 650 ist ein Formteil, das allgemein zwischen dem Sputtering-Target 623 und dem Abscheidesubstrat 631 angeordnet ist, wo es für den Zweck positioniert ist, den zum Substrat 631 gerichteten, gesputterten Atomfluss 626 vom Target 623 teilweise abzublocken. Der Zweck des bewegbaren Flussregulierglieds 650 liegt darin, den am Substrat einfallenden gesputterten Atomfluss zu modifizieren, um den Betrag an über den ganzen Wafer abgeschiedenem Material einstellen zu können. Ein ordnungsgemäßer Betrieb des bewegbaren Flussregulierglieds 650 hängt von der Drehung des Substrats 631 um eine zur Substratoberfläche 632 (6b) senkrechte Achse ab. Das heißt, dass die Drehung des Substrats 631 erforderlich ist, um den einfallenden gesputterten Atomfluss um die Drehachse des Substrats 631 auszumitteln. Weil der einfallende Atomfluss im Allgemeinen in der Mitte des Substrats am höchsten ist, ist die bevorzugte Form des bewegbaren Flussregulierglieds 650, in 6b dargestellt, die Form einer Pfeilspitze, deren Breite von der Spitze 656 allmählich auf eine maximale Breite 657 zunimmt und dann allmählich auf die Breite der Tragwelle 658 abnimmt (sich verjüngt). Diese Form führt an den inneren Radien des Substrats 631 zu einer stärkeren Abblockung des Atomflusses als an den äußeren Radien. Der Anteil des gesputterten Atomflusses 626, der vom Flussregulierglied 650 an irgendeiner radialen Position am Substrat 631 abgeblockt wird, ergibt sich ungefähr aus dem Verhältnis der Breite des bewegbaren Flussregulierglieds 650 an diesem Radius zum Umfang des Substrats 631 an diesem Radius. Die Form des bewegbaren Flussregulierglieds 650 muss nicht, wie in den 6b und 6c dargestellt, symmetrisch sein, da nur die Projektion dessen Breite senkrecht zur Richtung des gesputterten Atomflusses von Bedeutung ist.
Das bewegbare Flussregulierglied 650 kann auch um die Längsachse der Lagerwelle 651 (Längsachse des Flussregulierglieds) gedreht werden, wie durch den in 6b gezeigten Drehwinkel Φ angegeben ist. Wenn die Ebene. des Flussregulierglieds 650 von senkrecht zur Richtung des gesputterten Atomflusses heraus gedreht wird, nimmt die Projektion dessen Breite an der Substratoberfläche 632 ab, was zu einer geringeren Abblockung des gesputterten Atomflusses 626 führt, der auf die Substratoberfläche 631 gerichtet ist. Das bewegbare Flussregulierglied 650 kann auch in einer Ebene einer vordefinierten Achse (X-Achse, Y-Achse oder Z-Achse) um einen vorbestimmten Winkel Θ(Fig. 6c) verschwenkt werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für jedes durch Sputtern abzuscheidende Schichtlagenmaterial die Position des bewegbaren Flussregulierglieds in der X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung eingestellt. Durch vom vorliegenden Erfinder durchgeführte Versuche wurden die Positionen des bewegbaren Flussregulierglieds 650 in der X-Richtung und Y-Richtung basierend auf der Geometrie von Target 623 und Substrat 631 des Ionenstrahl-Sputtering-Systems festgelegt. Im Einzelnen wurde das bewegbare Flussregulierglied in der X-Richtung ungefähr 3 cm vor der Abscheideoberfläche des Substrats positioniert, während das bewegbare Flussregulierglied in der Y-Richtung an der Mittenposition 670 über dem Substratdurchmesser positioniert wurde. Es wurden Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidungen von dünnen Schichten aus unterschiedlichen Materialien gemacht, wobei die Position des bewegbaren Flussregulierglieds in der Z-Achse für jedes Material eingestellt wurde, um die Gleichmäßigkeit der abgeschiedenen Lage jedes Materials zu verbessern. Demgemäß wird die Position des bewegbaren Flussregulierglieds für jedes Material eingestellt, das in einem Rbscheidevorgang mit mehreren Lagen abgeschieden wird, um die Gleichmäßigkeit jeder abgeschiedenen Lage sowie die Gleichmäßigkeit der über dem Substrat kombinierten Lagen, welche die MR-Sensoren bilden, zu verbessern.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 7 und 8 sind die Auswirkungen der Z-Achsen-Position des bewegbaren Flussregulierglieds 650 in Kurven des normierten Flächenwiderstands als Funktion der Stelle am Substrat für Dünnschichtabscheidungen aus Cu und Co gezeigt. In 7 verbessert sich die Gleichmäßigkeit der dünnen Cu-Schicht erheblich von 11,3% auf 3,7%, wenn die Position des bewegbaren Flussregulierglieds in der Z-Richtung von 26 mm auf 24 mm geändert wird, während die Position des bewegbaren Flussregulierglieds in der X- und Y-Richtung beibehalten wird. In 8 verbessert sich die Gleichmäßigkeit der dünnen Co-Schicht von 9,0% auf 2,7%, wenn die Position des bewegbaren Flussregulierglieds in der Z-Richtung von 27 mm auf 26 mm geändert wird, während die Position des bewegbaren Flussregulierglieds in der X- und Y-Richtung beibehalten wird.
Unter Rückbezug auf 7 und 8 ist zu sehen, dass sich die Z-Achsen-Position des bewegbaren Flussregulierglieds, die zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit der dünnen Cu-Schicht führt, von der Z-Achsen-Position des bewegbaren Flussregulierglieds unterscheidet, die zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit der dünnen Co-Schicht führt. Es ist ebendiese Notwendigkeit, für eine verbesserte Gleichmäßigkeit jedes, in der Herstellung von mehrlagigen dünnen Schichten abgeschiedenen Materials die Position des Flussregulierglieds separat festzusetzen, der sich das bewegbare Flussregulierglied widmet.
Im Folgenden wird ein Ausführungsverfahren zum Abscheiden von Lagen mit gleichmäßiger Dicke in einer aus mehreren Lagen bestehenden Struktur wie z. B. SV-Sensoren für magnetische Aufzeichnungsgeräte beschrieben. Es wird ein wie oben beschriebenes und in 5 dargestelltes Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem mit mehreren Targets 523 auf einem von außen drehbaren Träger (nicht gezeigt) aufgebaut, wobei für jedes abzuscheidende Material für die aus mehreren Lagen bestehende Struktur ein separates Target vorhanden ist. Für die oben beschriebene und in 2 dargestellte SV-Sensorvorrichtung werden für die Abscheidung der Struktur im mittleren Bereich 202 Targets für die eingespannte AFM-Lage, das Permalloy (NiFe) für die eingespannte MR-Lage und freie MR-Lage, die Co-Grenzflächenlage, die Cu-Abstandslage und die Ru-Lage, wenn die eingespannte Lage eine eingespannte AP-Lage ist, benötigt. Das Material der freien MR-Lage wird unter Verwendung desselben Targets abgeschieden wie für die ferromagnetischen Lagen der eingespannten MR-Lage. Um den optimalen Z-Achsen-Einstellwert des bewegbaren Flussregulierglieds zu erhalten, wird für jedes Targetmaterial ein Versuch durchgeführt, bei dem eine Reihe von Dünnschichten auf Substraten durch Sputtern abgeschieden wird, wobei für jede dünne Schicht ein unterschiedlicher Z-Achsen-Einstellwert des bewegbaren Flussregulierglieds 550 verwendet wird. Die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke jeder dünnen Schicht wird über den Substratdurchmesser hinweg unter Verwendung eines geeigneten Messwerts, wie z. B. des Flächenwiderstands, gemessen. Die Kurven von 7 und 8 zeigen Ergebnisse, die für dünne Schichten aus Cu und Co erhalten wurden. Als Ergebnis der Durchführung der vorerwähnten Versuche wird ein Einstellwert für die Z-Achsen-Position des bewegbaren Flussregulierglieds gewählt, mit dem die höchste Gleichmäßigkeit der Dicke für jede Lage aus an einem Wafersubstrat abzuscheidendem Material erhalten wird. Die gewählten Einstellwerte für das bewegbare Flussregulierglied sind diejenigen Einstellwerte, die während nachfolgender Abscheidungen der mehreren Lagen der MR-Sensoren verwendet werden. Für das oben beschriebene computergesteuerte Ionenstrahl-Sputtering-System sind die Einstellwerte für die X-Achse, Y-Achse, Z-Achse, den Drehwinkel Φ und den Schwenkwinkel Θ für jede Materialabscheidung im Softwareprogramm programmiert, das dazu verwendet wird, die gesamte Sputteringsequenz für die Abscheidung der mehreren Lagen der SV-Sensorstruktur zu steuern.
Nunmehr mit Bezug auf 9 ist dort die Kurve der zusammengesetzten Flächenwiderstandsdaten über das Abscheidesubstrat für den fertigen mehrlagigen SV-Sensor von 2 gezeigt, einschließlich einer Ta-Schutz-Deckschicht, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Ionenstrahl-Sputtering-System mit einem bewegbaren Flussregulierglied aufgebaut wurde. Die SV-Lagen wurden mit den Einstellwerten für die Z-Achsen-Position des bewegbaren Flussregulierglieds für jedes Material in der Struktur abgeschieden, wie sie in 9 angegeben sind. Während dieses Versuchs war die Position des bewegbaren Flussregulierglieds sowohl in der X- als auch Y-Richtung festgesetzt, während die Position des bewegbaren Flussregulierglieds in der Z-Richtung verändert wurde. Unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wurde eine Gleichmäßigkeit der SV-Sensoren über der gesamten genutzten Fläche eines Wafers mit 5 Zoll Durchmesser. erreicht, die kleiner als 5% war. Diese Gleichmäßigkeit kann man mit über HF-Sputtering erzeugten SV-Strukturen aus dem Stand der Technik vergleichen, wo die Gleichmäßigkeit bei ca. 20% –30 liegt. Die 5%-Gleichmäßigkeit der SV-Sensorstruktur in Verbindung mit der herausragenden Gleichmäßigkeit der einzelnen Materialabscheidungen, welche die SV-Sensoren aufweisen, bieten ein produktionstaugliches Verfahren für diese Bauelemente unter Verwendung von Ionenstrahl-Sputtering-Verfahren, welche die verbesserte Positionierung (X, Y, Z, Schwenken um einen Winkel und Drehung) des hierin offenbarten bewegbaren Flussregulierglieds nutzen.
Tabelle I zeigt Gleichmäßigkeitsdaten für mittels Ionenstrahl-Sputtering abgeschiedene SV-Sensoren unter Verwendung des Ionenstrahl-Systems von 1 mit einem nicht bewegbaren Flussregulierglied (feste X-, Y- und Z-Achsen-Positionen für alle abgeschiedenen Lagen) und des Ionenstrahl-Sputtering-Systems der vorliegenden Erfindung mit einem bewegbaren Flussregulierglied, bei dem die Position des bewegbaren Flussregulierglieds in der X- und Y-Richtung fest war und dessen Z-Achsen-Position für jede einzelne abgeschiedene Lage optimiert wurde. Die verbesserte Gleichmäßigkeit, insbesondere der entscheidenden Cu-Lage, die man mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhält, schafft einen bemerkenswert verbesserten Herstellvorgang für SV-Sensoren auf Wafern.
Tabelle I

Während die vorliegende Erfindung im Einzelnen gezeigt und mit Bezug auf deren bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, wird es einem Fachmann auf diesem Gebiet nichtsdestoweniger klar sein, dass verschiedene Abänderungen darin vorgenommen werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise könnte zur Erreichung gleichwertiger Ergebnisse ein Positionierverfahren verwendet werden, das sich von dem kartesischen X-, Y-, Z-System, dem Verschwenken um einen Winkel Θ und der Drehung, so wie sie hier beschrieben sind, unterscheidet. Beispielsweise könnte ein Positioniersystem für das bewegbare Flussregulierglied eingesetzt werden, das auf einem polaren Koordinatensystem beruht.
Obwohl das Ionenstrahl-Sputtering-System der vorliegenden Erfindung hauptsächlich verwendet wurde, um die Gleichmäßigkeit der Dicke jeder über einem MR-Sensor-Wafer abgeschiedenen Lage zu verbessern, ist die Erfindung darüber hinaus auf jedem Fachgebiet gleichermaßen einsetzbar, bei dem aus einer verbesserten Gleichmäßigkeit der Dicke einer durch Ionenstrahl-Sputtering auf einem Substrat abgeschiedenen Lage Nutzen gezogen werden kann.

Claims

Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem mit einer Vakuumkammer (522), einem Träger (541) für ein Substrat (531), einem weiteren Träger für ein Target (523) aus einem Material, einer Ionenstrahlquelle (521), um Ionen (533) auf das Target zu richten, um einen gesputterten Fluss des Materials (526) zum Abscheiden auf dem Substrat zu erzeugen, und einem Flussblockierglied (550), das zwischen dem Target und dem Substrat positioniert ist, um den gesputterten Fluss teilweise abzublocken, dadurch gekennzeichnet, dass das System darüber hinaus eine Steuereinrichtung (570, 557) zum Bewegen des Flussblockierglieds relativ zum Substrat enthält, um die Menge an über dem Substrat abgeschiedenem Material zu regulieren.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem nach Anspruch 1, wobei das Flussblockierglied ein Element (650) in der Form einer Pfeilspitze enthält, um an einem inneren radialen Bereich des Substrats (631) eine größere Blockierwirkung des gesputterten Flusses bereitzustellen.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung Antriebssysteme (552, 553, 554) enthält, um das Flussblockierglied entlang der X-Achsenrichtung und/oder Y-Achsenrichtung und/oder Z-Achsenrichtung zu drehen.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung ein Antriebssystem (555) enthält, um das Flussblockierglied in einer Ebene einer vorbestimmten Achse zu verschwenken.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung ein Antriebssystem (556) zum Drehen des Flussblockierglieds entlang dessen Längsachse enthält.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (570, 557) eine Einrichtung (570) enthält, um für jedes aus einer Vielzahl an Targets aus unterschiedlichen Materialien eine bevorzugte Position des Flussblockierglieds (550) zu speichern, und um das Flussblockierglied an der, einem aktiven Target entsprechenden Position zu positionieren.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem nach Anspruch 6, wobei der weitere Träger ein Vielfachträger (625) ist, um die Vielzahl an Targets aus unterschiedlichen Materialien zu haltern.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem nach Anspruch 7, darüber hinaus einen drehbaren Objekttisch enthaltend, um den Vielfachträger (625) zur Auswahl des aktiven Targets zu drehen.
Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Materialien des Targets aus Kupfer, Kobalt, Ni-Fe, NiMn, NiO, Ni und Ru ausgewählt sind.
Verfahren zum Betreiben eines Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystems, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats auf einem Träger innerhalb einer Vakuumkammer, Bereitstellen eines Targets aus einem Material auf einem weiteren Träger innerhalb der Kammer, Richten von Ionen auf das Target, um einen gesputterten Fluss des Materials zum Abscheiden auf dem Substrat zu erzeugen, Bereitstellen eines Flussblockierglieds, das zwischen dem Target und dem Substrat positioniert ist, um den gesputterten Fluss teilweise abzublocken, gekennzeichnet durch den Schritt, das Flussblockierglied relativ zum Substrat zu bewegen, um die Menge an über dem Substrat abgeschiedenem Material zu regulieren.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das System eine bevorzugte Position des Flussblockierglieds für jedes aus einer Vielzahl an Targets aus unterschiedlichen Materialien speichert und wobei der weitere Träger ein Vielfachträger zum Haltern der Vielzahl an Targets aus unterschiedlichen Materialien ist, wobei das Verfahren darüber hinaus die Schritte enthält, der Reihe nach ein aktives Target aus der Vielzahl an Targets auszuwählen und, bevor Ionen auf das aktive Target gerichtet werden, das Flussblockierglied an der dem aktiven Target entsprechenden, gespeicherten Position zu positionieren.
Verfahren zur Herstellung einer aus vielen Schichten bestehenden Dünnfilmstruktur unter Verwendung eines Ionenstrahl-Sputtering-Abscheidesystems, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Bereitstellen eines Wafersubstrats auf einem Träger innerhalb einer Vakuumkammer, Bereitstellen einer Vielzahl an Targets aus unterschiedlichen Materialien auf einem Vielfachträger innerhalb der Kammer, wobei jedes Material einer Schicht der Struktur entspricht, und für jede Schicht der Struktur, Auswählen eines aktiven Targets aus dem entsprechenden Material, Richten von Ionen auf das aktive Target, um einen gesputterten Fluss des Materials zum Abscheiden auf dem Substrat zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das System für jedes Target aus unterschiedlichen Materialien eine bevorzugte Position eines Flussblockierglieds speichert, wobei das Flussblockierglied zwischen dem aktiven Target und dem Substrat positioniert wird, um den gesputterten.Fluss teilweise abzublocken und relativ zum Substrat bewegbar ist, um die über dem Substrat abgeschiedene Menge an Material zu regulieren, wobei das Verfahren darüber hinaus den Schritt enthält, das Flussblockierglied zu der dem aktiven Target entsprechenden, gespeicherten Position zu bewegen, bevor Ionen auf das aktive Target gerichtet werden.