JP5745699B2 - トンネル磁気抵抗素子の製造装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の製造方法では、垂直磁化型積層膜として、Ta、Ru、CoFeB、MgOの4種類の材料をスパッタした構造が示されているが、高密度化が進むとSTT(Spin Transfer Torque)−MRAM積層構造が複雑化し、より多くの積層膜を形成する必要がある。具体的には、非特許文献2に示される構造である。多くの積層膜をスパッタする場合、同一チャンバ内に滞在する時間を短縮しないとスループットが遅くなり、生産性が劣化し、半導体デバイスにおけるコストが増加する。そのため、多種材料をスループットや生産性の低下を抑制しつつスパッタし、且つ特性改善のためのアニール処理や酸化膜形成のための酸化処理を短時間で行われなければならないという課題がある。
図1に本実施の形態に係るTMR素子の製造装置400の構成の一例を示す。製造装置400は、ロボットアーム427を有し、少なくとも1つの基板処理装置が接続された搬送装置403と、基板を搬送装置403に搬入するまたはプロセスが完了した基板を搬出するための搬送装置401と、搬出入室402A、402Bと、ロボットアーム428を有し、複数の基板処理装置が接続された搬送装置405とを備える。さらに、製造装置400は、搬送装置403から搬送装置405へ基板を搬出入するための載置室404Aおよび404Bを備えてもよい。搬出入室402Aおよび402Bは、製造装置400の外部に対して基板を搬入出するための所謂ロードロック(LL)室であり、それぞれ装置内を真空に排気するための排気装置と大気圧にするためのガス導入機構が接続されている。また、搬出入室402A、402Bと搬送装置403との間にそれぞれゲートバルブ415A、415Bが設けられている。
搬送装置403と搬送装置405とには、それぞれ装置内を真空に排気するための排気装置403a、405aが接続されている。この排気装置403a、405aは例えばターボ分子ポンプやクライオポンプ等の本実施形態に必要な真空度が得られる各種の排気装置を用いることができる。
なお、搬送装置405内の真空度が、搬送装置403内の真空度よりも高いことが好ましい。
エッチング装置406と搬送装置403との間にはゲートバルブ418が設けられており、スパッタ装置(5PVD)407と搬送装置403との間には、ゲートバルブ416、417が設けられている。また、スパッタ装置407と搬送装置405との間にはゲートバルブ422が設けられており、スパッタ装置(2PVD)408と搬送装置405との間にはゲートバルブ424が設けられており、酸化装置409と搬送装置405との間にはゲートバルブ423が設けられている。
図2に本実施形態に係るTMR素子の製造装置500の構成の一例を示す。製造装置500は、ロボットアーム527を有し、少なくとも1つの基板処理装置が接続された搬送装置403と、基板を搬送装置503に搬入するための、またはプロセスが完了した基板を搬出するための搬送装置501と搬出入室502A、502Bと、ロボットアーム528を有し、複数の基板処理装置が接続された搬送装置505と、搬送装置503から搬送装置505へ基板を搬出入するための載置室504A、504Bとを備えている。搬送装置503と搬送装置505とには、それぞれ装置内を真空に排気するための排気装置503a、505aが接続されている。この排気装置503a、505aは例えばターボ分子ポンプやクライオポンプ等の本実施形態に必要な真空度が得られる各種の排気装置を用いることができる。
さらに載置室504A、504Bと搬送装置505との間、および、載置室504A、504Bと搬送装置503との間の両方にゲートバルブ520A、520B、521A、521Bが設けられている。搬送装置505は高真空に維持されている。また、搬送装置505に対する基板搬入時に発生する真空度劣化がより抑制されている。搬送装置505の真空度をより安定で良好に保つことができる。また、搬出入室502A、502Bと搬送装置503との間にそれぞれゲートバルブ515A、515Bが設けられている。
エッチング装置506と搬送装置503との間には、ゲートバルブ519が設けられており、スパッタ装置(4PVD)507と搬送装置503との間には、ゲートバルブ516、517、518が設けられている。また、スパッタ装置(4PVD)507と搬送装置505との間には、ゲートバルブ523、524、525、526とが設けられており、酸化装置508と搬送装置505との間には、ゲートバルブ522が設けられている。
搬送装置505はLL室に対して搬送装置503を介して接続されているため、搬送装置505内を高真空に維持することが可能である。このため、搬送装置505に接続されたスパッタ装置507で金属膜を成膜後に酸化装置508で酸化処理を行う場合、搬送装置505内で基板を搬送する際の基板表面への不純物の吸着を抑制できる。金属膜表面への不純物を抑制しつつ、該金属膜を酸化することで、原子層オーダーで均一性が良好な金属酸化膜を形成できる。また、搬送装置505に接続されたスパッタ装置507で金属積層膜を形成し、さらに搬送装置505に接続された別のスパッタ装置507で金属積層膜を形成する場合、界面の不純物吸着が少ないため、格子欠陥の少ない金属積層膜の製造が可能となる。特に垂直磁化膜においては多数の金属膜を積層させて形成するため、界面の不純物吸着が少ないことが重要であり、本実施形態に係る装置を用いることで垂直磁化膜の磁気特性の劣化を抑制し、高い抵抗変化率を持つTMR素子の作成が可能である。なお、載置室504Aおよび504Bにはクライオポンプがついていてもよい。
載置室504Aおよび504Bにクライオポンプを接続することにより、搬送装置505の真空度をさらに安定で良好に保つことができる。クライオポンプを載置室504Aおよび504Bに設けることにより、例えば、搬送装置505における水分分圧を下げることができ、金属積層膜の界面における不純物を低減できるため、垂直磁化膜の磁気特性の劣化を抑制し、高い抵抗変化率を持つTMR素子の形成が可能である。
図1の製造装置では、酸化装置409が、基板搬送装置404に対して遠く離れた位置で搬送装置405に接続されている。このような装置構成において、例えば多数の積層膜からなるSTT−TMRを下層から上層まで真空一貫で製造する場合、必要に応じて基板搬送装置405に更にスパッタ装置を増設する。ここで用いられるスパッタ装置は、図4でも説明した通り、多層の積層膜を真空一貫で形成するために複数のターゲットカソードを搭載したスパッタ装置が用いられる。複数のターゲットカソードを搭載したスパッタ装置を必要な数だけ接続したクラスタ型製造装置を使用することで、多層の積層膜を形成することができる。スパッタ装置は、多数のスパッタリングカソードを備えたスパッタ装置で、多数のスパッタリングターゲットを用いることで多層の積層膜を好適に作製できる。
これに対し、図5に示すように、複数のターゲットを備えるスパッタ装置507に対して小型の酸化装置508を基板搬送装置505に隣接して配置することで、搬送装置503に接続されたスパッタ装置507との接触を避けるために必要な搬送装置503と搬送装置505の間隔を小さくできる。このため、各搬送装置の大型化を防ぎ、各搬送装置内の真空度を良好に保持できる。
図3に本実施形態に係るTMR素子の製造装置530の構成を示す。この製造装置530は、図2の製造装置500に設けられたスパッタ装置507の1つをアニール装置510に置き換えた構造となっている。このアニール装置510を用いて金属膜および金属酸化膜をアニールした結果、特にバリア層、フリー層およびリファレンス層の結晶性が改善でき、抵抗変化率を改善できる。これは、スパッタにより成膜された金属膜表面を高い真空度で維持された搬送装置505を用いて真空中に待機させることなくアニール装置510に搬送して処理が行われるため、界面への不純物吸着が抑制され、金属積層膜構造における結晶欠陥の発生や特性劣化を抑制することができたためと考えられる。また、アニール装置510は基板冷却機能を備えており、加熱後すぐに基板を冷却することができる。基板が高温のまま次のスパッタ処理を行った場合、スパッタされた金属膜が拡散し、原子層レベルの平坦性を劣化させ、特性劣化を引き起こすことがある。そのため、基板加熱処理後は、冷却することが必要となる場合もあり、図に示していないが、本発明の装置に、冷却装置を独立に備えても良い。アニール装置510としては、例えば国際公開WO2010/150590号に示される装置が好適に用いられる。
図4に本実施形態に係るTMR素子の製造装置600の構成を示す。この製造装置600は、図2の製造装置500に設けられたスパッタ装置507の1つを酸化装置511に置き換えた構造となっている。例えば、非特許文献3に示されるように、トンネルバリア層以外の酸化物層を有するTMR素子を製造する場合、酸化処理が2回必要となる。
ここで、酸化装置を1つだけ有する製造装置における、TMR素子の酸化プロセスを図14に示す。
上述した実施形態に係る装置では、搬送装置505と搬送装置503との間に載置室504Aおよび504Bが配される。このため、搬送装置503に比して搬送装置505が高真空に維持される。しかし、搬送装置505に酸化装置が設けられている形態では、酸化装置内に導入された酸素ガス等によって搬送装置505の真空度が低下しやすい。このような問題に対し、酸化装置において、基板に所定の酸化処理を行った後、酸化装置内が規定の真空度に達するまで排気を行うという方法が考えられるが、この方法に依れば、酸化装置内の排気が完了するまで次の酸化処理が行えず、スループットの低下を招く。
各基板処理装置、載置室および各搬送装置の間には、各々の空間を隔離する開閉可能なゲートバルブ515A、515B、516、517、518、519、520A、520B、521A、521B、522、523、524、525、526が設けられる。本実施形態では製造装置700に備えられた制御装置(例えば、図13に示す制御装置900)により、上記各ゲートバルブと搬送装置503のロボットアーム527、搬送装置505のロボットアーム528が制御される。
制御装置(例えば、図13に示す制御装置900)は図7に示されるフローに従って、各ゲートバルブおよびロボットアーム527、528を制御する。
まず、ステップS71にて、制御装置は、酸化装置508および酸化装置511の少なくとも一方にて酸化処理を実行する。ステップS72にて、制御装置は、酸化装置508および酸化装置511の少なくとも一方において、基板の酸化処理が完了した後に、他の被処理基板が、搬送装置505から搬送装置505に接続された他の酸化装置やスパッタ装置、載置室504Aおよび504Bの装置内に搬入されているか否かを判断する。未だ搬入されていない基板が存在する場合は、ステップS73にて、制御装置は、搬送装置505に存在する基板が各処理装置または載置室に搬入されたのを確認できるまで、酸化装置508、511内に基板を載置した状態で待機する。
なお、これから酸化処理が行われる他の基板は必ずしも酸化装置内への搬入が完了している必要は無いが、素子特性安定のために、酸化装置内に基板が搬入されていることが望ましい。
このようにして、基板処理後の酸化装置のゲートバルブ開放タイミングと、他のゲートバルブの開放タイミングを一致させないことで、酸素ガスの他の処理装置内への流入を抑制することができる。
なお、本実施形態で説明した効果は、第1または第2の形態のように酸化装置が1つの場合よりも、第3または第4の実施形態で説明したような酸化装置が複数である場合の方が効果が大きい。
上述の通り、特に第4または第5の実施形態では、搬送装置505に酸化装置が複数設けられているため、酸化装置内に導入された酸素ガス等によって搬送装置505の真空度が特に低下しやすい。また、第1または第2の実施形態でも、搬送装置505に酸化装置が接続されているため、酸化装置内に導入された酸素ガス等によって搬送装置505の真空度が低下しやすいという問題は起こり得る。本実施形態ではこの問題に対し、搬送装置505に接続された処理装置内に酸素ゲッタ効果を有する物質を用いたシールド等の構成部材を配することを特徴とする。
また、酸化によって磁気特性の劣化が生じる磁性膜に対しても酸素ゲッタ効果を有する物質が装置構成部材に用いられていると、更なる素子特性の改善が望める。そのような物質としてはTiやTaが挙げられる。
上述した各実施形態において搬送装置505に接続されたスパッタ装置507にRF電源を取り付け、直接反応性スパッタや酸化物ターゲットなどを使用したRFスパッタを併せて用いて形成しても良い。このRFスパッタは、所望のTMR素子に合わせ、複数の搭載ができる。つまり、スパッタ装置507に複数のRFカソードを設けることや、2層の酸化層が必要な場合は、2台のスパッタ装置507の各々に1台のRFカソードを設けることができる。また、上述の酸化処理とRFスパッタとを組み合わせても良い。
複数台のRFカソードを1つのチャンバに設置することにより、成膜速度は台数に比例して増加するため、スループットを向上させることができる。
本実施形態では、搬送装置505に接続される酸化装置508および511について、より搬送装置505を高真空に維持するのに適した酸化装置を用いている。図11、図12において、本実施形態に係る酸化装置800について説明する。
酸化装置800は、処理容器801と、処理容器内を排気するための排気部としての真空ポンプ802と、処理容器801内に設けられた基板803を保持するための基板ホルダ804と、処理容器801内に設けられた筒部材805と、処理容器801内に酸素ガスを導入する酸素ガス導入手段としてのガス導入部806と、基板搬送口807とを備えている。該基板搬送口807には図示しないスリットバルブが設けられている。
なお、一例としてシャワープレート811を設けない場合は、酸素ガスは、酸素導入経路812から酸化処理空間810内に限定的に導入されるので、領域801bが酸素ガス導入領域となる。
本実施形態では、酸素ガス導入領域、筒部材805、および基板ホルダ804(基板保持面804a)により、酸化処理空間810が形成されると言える。
なお、上述のように一例としてシャワープレート811を設けない場合は、酸化処理空間810は、領域801bと、延在部805aと、基板ホルダ804とにより形成されるので、この場合は、本発明の囲み部は、処理容器801の内壁の一部である領域801b、および延在部805aである。
本発明に係る基板処理システムにおいては、良質なトンネルバリア層を形成するために、より真空度の高い搬送装置505に酸化装置508が接続されている。しかしながら、真空度の高い搬送装置505に酸化装置508を接続した場合、酸化装置508から流出した酸素ガスにより搬送装置505内の酸素圧力が向上する可能性がある。このような問題は、特にスループット向上の観点から酸化装置508内における酸化処理後に酸化装置508内を十分に排気できない場合に生じ得る。
このような搬送方法によれば、各処理装置で処理が終了した基板は、次の処理装置で処理されている基板の処理が終了するまで、搬送装置の該処理装置の前で待機することになる。この待機中に基板最表面に形成された薄膜表面は搬送装置内の酸素ガスに曝露されることになる。
また搬送装置503にはロボットアームが2つ設けられているため、搬送装置503に接続された処理装置における基板処理時間と、搬送装置505に接続された処理装置における基板処理時間とを調整することで、スループットの低下を抑制しつつ、搬送装置505における基板の滞在時間を短縮することが可能となる。
上述した第9の実施形態では、搬送装置503に設ける搬送手段としてのロボットアームを2つ以上とし、搬送装置505に設ける搬送手段としてのロボットアームを1つとすることで、スループットの低下を抑制しつつ、搬送装置505における基板の滞在時間を低減した。
これに対して本実施形態では搬送装置505に設けられるロボットアームを2つ以上とした上で、搬送装置505における基板の滞在時間を低減することを目的とする。
搬送装置505に接続された各処理装置において基板が処理されるが、各々の処理が終了して基板が搬送装置505に搬出される際の基板の最表面が、比較的酸素による影響が小さい処理も存在しうる。このような酸素による影響が小さい状態の基板を搬送装置505にて待機させたとしても素子に及ぼす影響は小さい。本実施形態では、搬送装置505に搬送された基板のうち、酸素による影響が比較的小さい状態においては第1のモードで搬送し、その後に酸素による影響が大きい膜が基板の最表面に形成されてからは第2のモードに移行することを特徴とする。
まず、基板処理システム850に搬入された基板は搬送装置503に接続されたエッチング装置506にて、表面に付着した不純物等を除去する。次に搬送装置505に搬送され、スパッタ装置507Bに搬入される。スパッタ装置507BではRuCoFeおよびTaからなるシード層が形成され、基板表面を平坦化する。次に、スパッタ装置507Cに搬入され、磁化自由層であるCoFeB層およびその後の酸化処理によりトンネルバリア層となるMg層が形成される。このとき、載置室504Aまたは504Bからスパッタ装置507Bへの搬送、およびスパッタ装置507Bからスパッタ装置507Cへの搬送については、エッチング後の基板表面およびシード層表面が酸化による影響が小さいため、第1のモードで基板の搬送を行う。
基板にMg層が形成された後、基板は酸化装置508に搬入され、酸化処理が施されることでトンネルバリア層が形成される。その後、スパッタ装置507Dに搬入されて磁化固定層であるFe層およびCoFeB層が形成される。次にスパッタ装置507Eに搬送され、Ta層、Co層およびPt層が形成される。その後、基板は載置室504Aまたは504Bを経由して搬送装置503に搬送され、Pt層以降の膜がスパッタ装置507A、507F、507Gにより形成される。この製造工程において、酸化処理が施されてトンネルバリア層となるMg層や、トンネルバリア層であるMgO層、磁化固定層であるCoFeB層の表面が多量の酸素ガスに曝露されると、トンネルバリア層の品質が劣化し、あるいは磁化固定層における磁気特性が劣化する。従って、スパッタ装置507Cから酸化装置508に搬送される場合、酸化装置508からスパッタ装置507Dに搬送される場合、およびスパッタ装置507Dからスパッタ装置507Eに搬送される場合は、搬送装置505における滞在時間が短くなる第2のモードで搬送されることが望ましい。なお、第2のモードで搬送する場合、ある処理装置から次の処理装置への搬送の際には、該次の処理装置に基板が在ってはならない。従って、次の処理装置を空けるためにさらに次の処理装置を空ける必要がある。従って、第2のモードに切り替わった後は、基板が載置室504Aまたは504Bに搬送されるまで第2のモードで搬送されることになる。
なお、上述の例ではMg層およびMgO層、CoFeB層の表面が搬送装置505内の雰囲気に晒される場合について説明したが、非特許文献2に示されるようなTMR素子においては、トンネルバリア層の膜質およびそれに接する磁化自由層および磁化固定層の磁気特性が非常に重要となる。従ってこれらの膜が搬送装置505内の雰囲気に曝露される時間を短くするように第1のモードと第2のモードとの切り替えタイミングは決定される。
Claims (4)
- 基板の搬入出を行うためのロードロック装置と、
前記基板を搬送する第1搬送部を内部に備え、前記ロードロック装置と接続された第1基板搬送装置と、
前記基板を載置する基板載置部を内部に備え、前記第1基板搬送装置に接続された基板載置装置と、
前記基板を搬送する第2搬送部を内部に備え、前記基板載置装置に接続された第2基板搬送装置と、
前記第1基板搬送装置の第1接続面を介して接続され、前記基板にスパッタリング膜を形成するスパッタリング装置と、
前記第2基板搬送装置の第2接続面を介して接続され、スパッタリング膜を酸化処理する酸化装置と、を備え、
前記第1接続面と前記第2接続面は、前記基板載置装置を挟んで隣り合うように配置され、前記第1接続面に垂直かつ前記第1接続面の中心を通過し、重力方向に平行な面を第1仮想面とし、前記第2接続面に垂直かつ前記第2接続面の中心を通過し、重力方向に平行な面を第2仮想面とし、前記第1仮想面と前記第2仮想面の中央を通過する面を中央面と、定義すると、
前記第1仮想面と前記第2仮想面は、前記第1接続面の前記スパッタリング装置が接続されている側で交差し、
前記スパッタリング装置の一部は、前記中央面を超えるように配置される、ことを特徴とする製造装置。 - 前記基板載置装置と前記第2基板搬送装置との間に設けられた第1ゲートバルブと、
前記第2基板搬送装置と前記酸化装置との間に設けられた第2ゲートバルブと、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記酸化装置において前記基板の酸化処理が終了した後に、前記第1ゲートバルブが閉じられていることを確認し、前記第1ゲートバルブが閉じられている状態で前記第2ゲートバルブを開放することを特徴とする請求項1に記載の製造装置。 - 前記制御部は、前記第1ゲートバルブまたは前記第2ゲートバルブの一方が開放されている間は、前記第1ゲートバルブまたは前記第2ゲートバルブの他方を開放しないことを特徴とする請求項2に記載の製造装置。
- 前記第2基板搬送装置内の真空度が前記第1基板搬送装置内の真空度よりも高いことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の製造装置。
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