JP2008270456A - トンネル磁気抵抗効果素子の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造における特性ばらつきを低減できるトンネル磁気抵抗効果素子の製造装置及び製造方法を提供する。
【解決手段】ラジカル発生器８により発生したラジカルがウエハ３表面へ供給され金属膜が酸化されることにより、ウエハ３上へ、酸化膜からなる絶縁体膜が形成される。ネットワークアナライザ１４で計測された高周波伝送特性は、酸化状態モニタ手段１５でモニタされる。そして、所望の酸化状態に達したと判断された場合には、ＲＦ電源７が停止され、酸化処理工程が終了する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子の製造装置及び製造方法に関し、特に、実用性および安定性を高めるための技術に関する。

ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）磁気デバイスは、強磁性体層／絶縁体層／強磁性体層を基本構成とする、強磁性トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：以下ＭＴＪと記載）を用いるデバイスである。このようなデバイスとしては、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：以下ＭＲＡＭと記載）が挙げられる。

ＭＴＪは、両強磁性体層の磁化の方向により、絶縁体層に流れるトンネル電流の値が異なる。通常は片方の強磁性体層の磁化方向を固定し（以下ピン層）、他方の磁化方向を自由に変化させて（以下フリー層）２つの強磁性層のなす角により絶縁膜を通過するトンネル電流を変化させ、その変化を電気抵抗の変化として読み取るものである。この特性を利用して、磁気センサや記録用磁気ヘッド（例えば、特許文献１）及び、ＭＲＡＭ（例えば、特許文献２）に応用する。

ＴＭＲ磁気デバイスの製造におけるＭＴＪの一般的な形成手法は、以下の通りである。まず、スパッタ成膜装置を用いてウエハ上にパーマロイやＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む強磁性材料からなるピン層を成膜する。次に絶縁体層を形成した上に前記した強磁性材料からなるフリー層を成膜し、強磁性材料からなるピン層／絶縁体層／強磁性材料からなるフリー層の膜構造を形成する。この内、絶縁体層は、アルミニウムやマグネシウムの金属膜を成膜した後に以下のいずれかの手法により酸化して形成する。

一つは、金属膜表面を酸素雰囲気に曝して自然酸化させる手法であるが、酸化速度が遅いという欠点がある。これに対して、積極的に酸素や窒素プラズマにより金属膜を酸化させる手法がある。また最近では、プラズマ中の荷電粒子が絶縁膜中にダメージを与えないよう酸素や窒素のラジカルで金属膜を酸化させる手法がある。

ＴＭＲ磁気デバイスにおいては、接合抵抗を小さくする必要性から、絶縁体層は１ｎｍ程度の非常に薄い膜厚で形成され、平滑でかつ所望の厚みに酸化されていることが求められる。ＴＭＲデバイスの電気特性は、この絶縁体層の酸化状態により強く影響を受けるため、充分に酸化されていれば高いＭＲ（Magneto Resistive）比や磁気抵抗効果が得られる。

しかしながら、絶縁体層となるアルミやマグネシウムの金属薄膜を所望の酸化状態に、すなわち所望の酸化厚みと酸化度で形成するには薄膜がゆえに制御性、再現性に問題があった。酸化状態を知るためには、成膜装置からモニタ用基板を取り出し、ＭＴＪの電気的磁気的特性を計測して判断する他はなかった。

この問題を解決する手段として、特許文献３には、絶縁体層の表面を光学的に把握する方法が開示されている。特許文献３の図２においては、基板４０の表面をプラズマ５６により酸化してトンネル絶縁膜を作製する処理チャンバ５１と、基板４０の表面状態を光学的に評価するための赤外光の光源６０と、反射型赤外分光光度計の検出器と、検出器からの出力信号を解析する制御解析システムと、その解析信号に基づいて酸化を制御する酸化制御システムを備えるように構成される。

以上の構成において酸化の工程では、光源からの光をトンネル絶縁膜となる金属膜に照射し、その反射光を反射型赤外分光光度計で検出する。反射光は金属膜の表面状態により変化するため、検出器の信号をモニタすることにより酸化状態を制御・管理できる。

特開２００２−２３７６２８号公報 特開２００１−１４４３４５号公報 特開２００４−２３５２２３号公報

しかしながら、特許文献３で用いられる赤外光の光源と反射型赤外分光光度計は、精密分析機器であることから処理チャンバに比べて大きく、量産ラインでの操作性も悪いため実用的でなかった。又、特許文献３の図２の赤外光の入射窓５７と受光窓５８は、長期間使用していると表面が汚れて透過率が低下するため、安定して酸化状態を検知することが難しかった。従って、製造されるトンネル磁気抵抗効果素子の特性がばらつくという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、製造における特性ばらつきを低減できるトンネル磁気抵抗効果素子の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、表面に第１の強磁性体膜および金属膜が順に形成された基板を用意する工程と、前記金属膜へ酸化処理または窒化処理を施すことにより所定の厚みを有する絶縁体膜を形成する絶縁体膜形成工程と、前記絶縁体膜上に第２の強磁性体膜を形成する工程とを備え、前記絶縁体膜形成工程は、前記所定の厚みを前記金属膜における高周波信号の伝送特性を求めることにより検知する厚み検知工程を有する。

本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の製造装置および製造方法は、金属膜から形成される絶縁膜の厚みを、前記金属膜における高周波信号の伝送特性を求めることにより検知するので、製造における特性ばらつきを低減できる。

以下、本発明の各実施の形態について、図１〜７を参照して詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲデバイス）の製造装置の一部である金属膜の酸化処理装置の概略構成を示す断面図である。また、図２〜３は、図１の金属膜の酸化処理装置の詳細な構成を示す断面図である。また、図４〜５は、それぞれ、図１の金属膜の酸化処理装置のシミュレーションに用いたモデルの構成を示す斜視図および断面図であり、図６〜７は、上記のシミュレーション結果を示すグラフである。

本実施の形態では、トンネル磁気抵抗効果素子の絶縁体膜を作製する工程における金属膜の酸化状態の検出手法について説明する。なお、上記の絶縁体膜は、金属膜の酸化に限らず、金属膜の窒化により形成されてもよい。

図１において、ステージ２に載置されたシリコン基板からなるウエハ３は、酸化処理室１（絶縁体膜形成室）において、真空封止され金属膜の酸化処理を施される。排気口４は、酸化処理室１を、図示しない真空ポンプで真空排気する。

ラジカル発生器８は、ラジカルを発生する空間であるラジカル発生室５と、ラジカル発生室５へガスを供給するためのガス供給口６と、ラジカル発生室５においてラジカルを発生させるためのＲＦ電源７とを含んでいる。

ラジカル発生器８において発生したラジカルは、矢印に示されるように、導入管９により酸化処理室１へ導かれ、ウエハ３上へ供給される。

成膜装置１３は、ウエハ３上に、第１の強磁性体膜と、酸化処理により絶縁体膜となる金属膜とを順に成膜するための装置であり、酸化処理室１に隣接するように配置されている。酸化処理室１・成膜装置１３間においては、ゲートシャッター１２を介してウエハ３の搬送が行われる。

また、ステージ２とＲＦ電源７とは、酸化処理室１の外部において、高周波信号の伝送特性を測定するためのネットワークアナライザ１４と酸化状態モニタ手段１５とを介して接続されている。このステージ２、ネットワークアナライザ１４、および酸化状態モニタ手段１５は、後述するように、酸化処理室１における酸化処理により形成される絶縁体膜の厚みを検知するための厚み検知手段として機能するものである。

以下では、図１を参照して、ＴＭＲデバイスの製造における絶縁体膜の形成手法について説明する。

まず、成膜装置１３において、ウエハ３上に、強磁性体膜と金属膜とが積層される。

次に、ウエハ３は、ゲートシャッター１２を介して酸化処理室１へ搬送され、ステージ２に載置される。

次に、ラジカル発生器８により発生したラジカルがウエハ３表面へ供給され金属膜が酸化されることにより、ウエハ３上へ、酸化膜からなる絶縁体膜が形成される。ガス供給口６によりラジカル発生室５へ供給されるガスとしては、酸素ガス等を用いる（なお、酸化処理ではなく窒化処理を行う場合には、窒素ガス等を用いる。

次に、所望の絶縁体膜が形成されたウエハ３は、ゲートシャッター１２および成膜装置１３を介して、次の工程に係る処理室へ搬送される。

以下では、図２〜３を参照して、ＴＭＲデバイスの製造における酸化状態の検知手法について説明する。

図２を参照して、ステージ２は、ウエハ３を載置されるウエハ載置部２３とウエハ３を上部から押さえるためのウエハ押さえ２０とを備えている。ウエハ押さえ２０は、石英やセラミクスなどの絶縁材料で構成され、ウエハ３表面の周辺部を押さえるためにリング形状になっている。ウエハ押さえ２０の一部はウエハ搭置部２３の内部に挿入されており、図示しない駆動手段によりウエハ搭置部２３に対し上下方向に駆動可能である。

ウエハ押さえ２０において、ウエハ３表面の周辺部と接触する面の一部には、電気的導通に優れた一対（２箇所）の接触指２１，２２が配置されている。接触指２１，２２は、それぞれ、高周波ケーブル２４，２５を介して、ネットワークアナライザ１４の計測端子へ接続される。

図１を参照して、ネットワークアナライザ１４で計測された高周波伝送特性は、酸化状態モニタ手段１５でモニタされる。そして、所望の酸化状態に達したと判断された場合には、ＲＦ電源７が停止され、酸化処理工程（絶縁膜形成工程）が終了する。

図３を参照して、ウエハ３においては、シリコン基板本体３５上に、下地酸化膜３４、ピン層となる強磁性体膜３３、および金属膜３１が、この順に成膜されてなる。

下地酸化膜３４は、ウエハ３周辺部を除きシリコン基板本体３５上に数百ｎｍ程度の膜厚で形成される。

強磁性体膜３３の材料は、特に限定されるものではなく、パーマロイに代表されるＮｉ−Ｆｅ合金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む強磁性材料を使用することができる。強磁性体膜３３は、これらの材料を数十ｎｍ程度の膜厚で積層して形成される。

一方、金属膜３１は、酸化または窒化によりトンネルバリアすなわち絶縁体膜となる１ｎｍ程度の極薄膜を形成するものであり、アルミニウム、マグネシウム、希土類元素またはこれらの元素を含む合金を使用することができる。なお、通常、ＭＴＪのピン層のシリコン基板本体３５側には下部電極層を形成するが、図３では省略している。

上記の膜構造で絶縁体膜が形成されると、その上にフリー層となる第２の強磁性体膜（図示しない）を成膜することにより、ＭＴＪが形成される。

また、図３を参照して、ウエハ押さえ２０において、接触指２１，２２は、金、銀、銅などの良導電材料で構成され、それぞれ、金属膜３１に接触するシグナル端２１１，２２１とシリコン基板本体３５表面に接触するアース端２１２，２２２とを有している。

シグナル端２１１は高周波ケーブル２４のＳ端子を、アース端２１２は高周波ケーブル２４のＧ端子を、シグナル端２２１は高周波ケーブル２５のＳ端子を、アース端２２２は高周波ケーブル２５のＧ端子を、それぞれ介して、ネットワークアナライザ１４へ接続されている。

これにより、シリコン基板本体３５をアースグラウンドとして、接触指２１のシグナル端２１１と接触指２２のシグナル端２２１との間における高周波伝送特性を簡易に計測できる。

以下、図３を参照して、金属膜３１の酸化状態の検知手法について説明する。

成膜装置１３において、ピン層となる強磁性体膜３３の上に金属膜３１が成膜されたウエハ３は、酸化処理室１へ搬送されステージ２に載置される。そして、ウエハ３は、ウエハ押さえ２０によりステージ２に固定された状態で、金属膜３１への酸化処理を施される。

金属膜３１における酸化状態を検知するためには、まず、酸化が行われていない最初の状態すなわちラジカルが供給されていない状態で、ウエハ３の電気的な高周波特性をネットワークアナライザ１４により測定する。この測定は、ネットワークアナライザ１４の２ポート透過法で行い、接触指２１，２２間の伝送特性を計測する。この場合、下地酸化膜３４は、強磁性体膜３３および金属膜３１に比べて膜厚が十分に厚いので、電気的な絶縁体となる。そのため、ネットワークアナライザ１４は、強磁性体膜３３および金属膜３１を合成した部分の高周波信号の伝送特性が計測されることになる。

次に、ラジカルが供給されて酸化が始まると、金属膜３１において、表面から徐々に酸化が進み酸化層３２が絶縁体膜（酸化膜）として形成される。このとき、ウエハ３周辺部における金属膜３１は、ウエハ押さえ２０により覆われているので、酸化されることはない。よって、接触指２１のシグナル端２１１と接触指２２のシグナル端２２１とは、ウエハ３周辺部において、金属膜３１表面と電気的導通を保つ。

このような状態で、金属膜３１表面が酸化された状態における高周波信号の伝送特性を、前述の手法により計測する。この計測は、酸化処理を施している期間において、連続的あるいは断続的に行うことにより、酸化処理時間に対応した伝送特性の変化が得られる。

以上の手法を検証するために、以下に示すシミュレーションにより、金属膜３１表面の酸化状態と高周波の伝送特性との関係を計算した。図４は、シミュレーションに用いたモデルの構成を示す斜視図であり、図５は、図４のＡ−Ａ’断面図である。絶縁体膜としての下地酸化膜３４上に、強磁性体膜３３としてのＮｉを４０ｎｍ積層した上に金属膜３１としてのアルミニウムを２ｎｍ積層した構造とした。また、強磁性体膜３３および金属膜３１の大きさは、いずれも、高周波信号の入力端の幅Ｗを４００ｎｍ、長さＬを１ｍｍとした。なお、図４〜５においては、高周波信号の伝送方向が矢印で示されている。

図６は、上記のシミュレーション結果を示すグラフである。図６において、横軸は周波数を、縦軸は高周波信号の伝送特性を示すＳパラメータ［１，２］を、それぞれ表しており、金属膜３１の酸化状態に対応する酸化層３２の厚みに応じた３条件におけるシミュレーション結果が示されている。すなわち、金属膜３１が全く酸化しておらずアルミニウムのままの状態（酸化層３２が０ｎｍの場合）が実線で、金属膜３１が表面から半分まで酸化された状態（酸化層３２が１ｎｍの場合）が波線で、金属膜３１が全て酸化され絶縁体膜になった場合（酸化層３２が２ｎｍの場合）が一点鎖線で、それぞれ示されている。なお、図６においては、周波数が２０ＭＨｚから１００ＭＨｚまでに対応する伝送特性が示されており、Ｓパラメータ［１，２］＝１．０は伝送損失がないことを表している。

図６のシミュレーション結果に示されるように、周波数が２０ＭＨｚ付近ではいずれの酸化条件においても伝送損失が少ないが、周波数が高くなるに従って、Ｓパラメータ［１，２］が低下し伝送損失が大きくなった。また、この伝送特性は、酸化層３２の厚みに依存して低下し、金属膜３１全てが酸化層３２になった場合すなわち酸化層３２が２ｎｍの場合には、周波数１００ＭＨｚに対応する損失が１．０−０．４＝０．６程度となった。周波数が高い領域で伝送損失が大きくなるのは、強磁性体膜３３と金属膜３１とで構成される伝送路に誘導成分と容量成分が存在することに起因すると考えられる。

図７は、上記のシミュレーション結果において、周波数を１００ＭＨｚに固定し、横軸に酸化層３２の厚みを、縦軸にＳパラメータ［１，２］を、それぞれ表したものである。図７に示されるように、酸化層３２の厚みが大きくなるに従って、Ｓパラメータ［１，２］が低下する。以上のことから、強磁性体膜３３と金属膜３１とで構成されるＴＭＲデバイスの伝送特性は、金属膜３１の表面が酸化される深さすなわち酸化状態に対応して変化することが分かる。

よって、図２に示されるように、ＴＭＲデバイス作製における金属膜３１の酸化処理工程では、ステージ２上のウエハ押さえ２０に設けられた接触指２１，２２から高周波の伝送特性を計測すれば、金属膜３１の酸化の進展に対応した情報が得られる。従って、酸化処理工程の期間に酸化状態モニタ手段１５により、図７に示される伝送特性の変化をリアルタイムにモニタし、所定の酸化膜厚すなわち酸化の終了時点を決定すれば、ＲＦ電源７を停止させて酸化処理工程を終了することができる。

このように、本実施の形態においては、金属膜３１へ酸化処理または窒化処理を施すことにより形成される酸化層３２の厚みを、高周波信号の伝送特性を求めることにより検知する。従って、赤外光の光源や反射型赤外分光光度計等の精密分析機器を用いる特許文献３等に比較して、製造されるＴＭＲ磁気デバイスの特性ばらつきを低減できる。よって、ＴＭＲ磁気デバイスの製造における歩留まりを高めることができる。

また、高周波信号として周波数が２０〜１００ＭＨｚの信号を用いることにより、上記の効果を顕著とすることができる。

なお、上述においては、ウエハ押さえ２０においてウエハ３表面の周辺部と接触する面に、接触指２１，２２を一対（２箇所）のみ設ける場合について説明したが、２箇所に限らず、複数箇所に設けてもよい。これにより、酸化の進展に関してより多くの情報を得ることができるので、ＴＭＲ磁気デバイスの製造における特性ばらつきをさらに低減できる。

また、上述においては、高周波信号の伝送特性としてＳパラメータを用いた場合について説明したが、Ｓパラメータに限らず、インピーダンスやＱ値などを用いてもよい。

実施の形態１に係る金属膜の酸化処理装置の概略構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る金属膜の酸化処理装置の詳細な構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る金属膜の酸化処理装置の詳細な構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る金属膜の酸化処理装置のシミュレーションに用いたモデルの構成を示す斜視図である。 実施の形態１に係る金属膜の酸化処理装置のシミュレーションに用いたモデルの構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る金属膜の酸化処理装置のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施の形態１に係る金属膜の酸化処理装置のシミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 酸化処理室、２ ステージ、３ ウエハ、４ 排気口、５ ラジカル発生室、６ ガス供給口、７ ＲＦ電源、８ ラジカル発生器、９ 導入管 、１２ ゲートシャッター、１３ 成膜装置、１４ ネットワークアナライザ、１５ 酸化状態モニタ手段、２０ ウエハ押さえ、２１，２２ 接触指、２３ ウエハ載置部、２４，２５ 高周波ケーブル、３１ 金属膜、３２ 酸化層、３３ 強磁性体膜、３４ 下地酸化膜、３５ シリコン基板本体、２１１，２２１ シグナル端、２１２，２２２ アース端。

Claims (7)

1. 表面に第１の強磁性体膜および金属膜が順に形成された基板を用意する工程と、
   前記金属膜へ酸化処理または窒化処理を施すことにより所定の厚みを有する絶縁体膜を形成する絶縁体膜形成工程と、
   前記絶縁体膜上に第２の強磁性体膜を形成する工程と
   を備え、
   前記絶縁体膜形成工程は、前記所定の厚みを前記金属膜における高周波信号の伝送特性を求めることにより検知する厚み検知工程を有する
   トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
2. 請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   前記厚み検知工程は、前記高周波信号として、周波数が２０〜１００ＭＨｚの信号を用いる
   トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
3. 表面に第１の強磁性体膜および金属膜が順に形成された基板を載置するステージと、
   前記ステージが室内に配設され、前記金属膜へ酸化処理または窒化処理を施すことにより所定の厚みを有する絶縁体膜を形成する絶縁体膜形成室と、
   前記所定の厚みを前記ステージ上に載置された前記基板の前記金属膜における高周波信号の伝送特性を求めることにより検知する厚み検知手段と
   を備えるトンネル磁気抵抗効果素子の製造装置。
4. 請求項３に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造装置であって、
   前記厚み検知手段は、前記高周波信号として、周波数が２０〜１００ＭＨｚの信号を用いる
   トンネル磁気抵抗効果素子の製造装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造装置であって、
   前記厚み検知手段は、前記基板表面の所定の箇所と電気的に接触する導電体を有する
   トンネル磁気抵抗効果素子の製造装置。
6. 請求項５に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造装置であって、
   前記厚み検知手段は、前記導電体で前記基板を押さえる基板押さえ手段をさらに有する
   トンネル磁気抵抗効果素子の製造装置。
7. 請求項５又は請求項６に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造装置であって、
   前記所定の箇所は、前記基板表面において複数設けられる
   トンネル磁気抵抗効果素子の製造装置。

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