KR100318120B1 - 이중 챔버 이온 빔 스퍼터 증착 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 이중 챔버 증착 시스템은 다층 박막 구조 증착의 공정 처리량(throughput)을 개선하기 위해 웨이퍼 핸들러 챔버로 연결되는 두 개의 이온 빔 스퍼터링(IBS) 증착 챔버를 포함한다. 기판 위에서 행해지는 반응성 이온 빔 스퍼터링 증착 및 금속층 증착은 전체 공정을 진공 상태로 유지하면서 분리된 IBS 증착 챔버에서 수행될 수 있다. 후속 금속층 증착과 분리된 IBS 증착 챔버에서 NiO의 반응성 스퍼터링 증착이 수행되는, NiO로 형성된 반강자성(AFM)층을 갖는 스핀 밸브(SV) 자기저항 센서층의 이온 빔 스퍼터 증착 공정은 SV 센서 성능을 유지하면서 시스템 스루풋을 개선시킨다.

Description

이중 챔버 이온 빔 스퍼터 증착 시스템 {DUAL CHAMBER ION BEAM SPUTTER DEPOSITION SYSTEM}
본 발명은 이온 빔 스퍼터 증착을 사용한 박막 제조에 관한 것으로, 구체적으로는 자기저항 센서와 같은 다층의 박막 구조를 제조하기 위한 이온 빔 스퍼터 증착 시스템의 개선 및 처리량(throughput)이 증가된 증착 공정의 개선에 관한 것이다.
자기 기록 센서 및 기억 매체와 같은 박막 소자의 제조를 위해 고주파(RF) 또는 DC 마그네트론 스퍼터 증착 시스템을 사용하는 것은 주지의 종래 기술이다. 그와 같은 스퍼터 증착 시스템은, 아르곤과 같이 불활성이고 이온화가 가능한 가스를 채운 진공 챔버 안에서 전기장과 자기장이 교차되는 것이 특징이다. 상기 가스는 전기장으로 가속된 전자들에 의해 이온화되어 타겟 구조에 근접하여 플라즈마를 형성한다. 교차된 전기장과 자기장은 전자를 타겟과 기판 구조 사이의 영역에 가둔다. 가스 이온은 타겟 구조를 때려서, 소재(workpiece)에 입사되는 원자의 방출을 야기하는데, 대표적인 소재로는 선택된 타겟 물질로 이루어진 하나 이상의 층을 증착하고자 하는 기판이 있다.
기존의 종래 스퍼터링 증착 시스템에서, 기판에 무 방향성 스퍼터링 플럭스(flux)를 갖게 하는, 낮은 내부 스트레스를 갖는 박막을 얻기 위해 상대적으로 높은 동작 압력이 사용된다. 그러나 이러한 무 방향성 플럭스는 소자의 크기가 점점 작아짐에 따라 제조 공정에 난점을 제공 한다.
종래의 RF/DC 스퍼터 기술에서 직면하는 몇몇 어려움을 극복하기 위해 특정 응용에서 이온 빔 스퍼터 증착을 사용하는 것은 알려진 종래 기술이다. 이온 빔 스퍼터 증착은 여러 가지 면에서 종래 스퍼터 공정과 다르고, 상당한 이점을 제공한다. 예를 들면, (1) 낮은 백그라운드 압력을 사용하면 타겟에서 기판으로 이동 중에 스퍼터되는 입자의 산란이 적어지고; (2) 이온 빔의 지향성 제어는 타겟에서 빔의 입사각의 변화를 가능하게 하며; (3) 좁은 에너지 분산을 갖는 거의 단일 에너지 빔은 스퍼터 수율과 증착 공정을 이온 에너지의 함수로 제어할 수 있으며, 정밀한 빔 포커싱과 스캐닝을 가능하게 하고; (4) 이온 빔은 타겟 및 기판 공정들과독립적인데, 이로인해 일정한 빔 특성을 유지하며 빔 에너지와 전류 밀도의 독립적인 제어를 허용하면서 타겟과 기판 물질 및 기하학적 형태의 변경을 가능하게해 준다.
도 1을 참조하면, 종래 기술을 사용한 이온 빔 스퍼터 증착 시스템(100)을 예시한 간략화된 도면이 도시되어 있다. 이온 빔 스퍼터 증착 시스템(100)은 내부에 이온 빔 소스(121)를 장착한 진공 챔버(120)를 포함한다. 이온 빔 시스템(100)은 회전식 타겟 지지대(125) 상의 선택 가능한 다중 타겟(123)을 추가로 포함한다. 이온 빔 소스(121)에 의해 제공되는 이온 빔(133)은 타겟(123)을 향하는데, 타겟에서는 충돌한 이온이 타겟 물질의 스퍼터링을 야기한다. 타겟 물질에서 방출된 스퍼터 원자(126)는 증착 기판(소재라고도 함)(131) 상으로 향하는데 그 기판 상에는 타겟 물질층이 형성된다.
증착 기판(131)에 근접해서 위치한 두께 모니터(137)는 증착 중에 성장하는 막 두께의 모니터링을 실시간으로 현장에서 제공한다. 증착 기판(131) 또는 기타 다른 소재는 가동 좌대 또는 지지대(141)위에 장착되며, 지지대(141)는 증착 기판(131)을 바꾸기 위해 게이트 밸브(138)를 통하여 적재 포트(139)로 되돌려진다. 자기장은 또한 증착 중인 특정 구조에 필요한 경우 증착 기판(131)에 인가될 수 있다. 증착 중에 증착 기판(131)을 회전시키기 위해 회전/선형 모터를 사용해서 좌대(141)를 회전시킬 수 있다. 이온 빔 스퍼터 증착 시스템의 동작 중에 진공 챔버(120)는 게이트 밸브(162)에 의해 닫힐 수 있는 포트(135)를 통해 진공펌프를 사용하므로 적정한 저압으로 유지된다.
이온 빔 스퍼터링을 사용하여 기판 위에 박막 증착물을 생성하는 장치와 방법은, 예를 들면, Krauss등에게 허여된 미국 특허 제4,923,585호와 Pinarbasi에게 허여된 미국 특허 제5,942,605호에 기술되어 있으며 그 내용은 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다. Krauss등은 원하는 박막과 적층 구조를 갖는 기본 구성 요소의 다중 타겟으로부터 임의의 두께를 갖는 적층 구조 및 임의의 조성을 갖는 증착된 박막을 생산하기 위해 컴퓨터로 제어되는, 수정 모니터가 구비된 단일 이온 빔을 개시하고 있다. Pinarbasi는 벌크의 특성값과 매우 근사한 밀도와 물리적 특성을 갖는 박막을 제공하기 위해 이온 빔 가스의 원자 질량을 타겟 물질의 원자 질량과 일치시키는 방법을 개시하고 있다. 이온 빔 스퍼터링 가스의 질량 및 이온 빔 에너지는 모두 단일층 구조 및 다층 구조를 제공하기 위해 타겟 물질의 함수로 제어되며, 이들 층 구조에서 각 층의 선택된 특성들은 최종 구조에서 각 층에 대한 특정 기능을 제공하도록 최적화된다.
이온 빔 스퍼터 증착 시스템은 자기 기록 장치용으로 사용되는 이방성 자기저항(AMR) 센서 및 거대 자기저항(GMR) 센서를 증착시키기 위해 종래 기술에서 사용되어 왔다. GMR 센서에서, 자기저항(MR) 감지층의 저항 변화는 비자성층(스페이서층)에 의해 분리된 자성층들 사이에서 전도 전자의 스핀 의존 투과, 및 그에 따른 자성층과 비자성층 사이의 인터페이스에서 그리고 자성층들 내에서 발생하는 스핀 의존 산란의 함수이다. 비자성 금속 물질(예를 들면, 구리)을 증진시키는 GMR 층에 의해 분리된 강자성 물질(예를 들면, Ni-Fe 또는 Co 또는 Ni-Fe/Co)로 이루어진 두개의 층만을 사용하는 GMR 센서들은 일반적으로 스핀 밸브(spin valve; SV)센서라고 불리운다.
도 2는 중앙 영역(202)에 의해 분리된 단부 영역(204, 206)를 포함하는 종래 기술의 SV 센서(200)의 공기 베어링 표면도를 보여준다. 자유층(자유 강자성층)(210)은 비자성이며 전기적으로 전도성인 스페이서층(215)에 의해 고정층(고정 강자성층)(220)(고정층은 매우 얇은 Co 인터페이스층(222)을 포함할 수 있다)으로부터 분리된다. 고정층(220)의 자화(磁化)는 기판(250) 상에 증착된 반강자성(AFM)층과의 교환 결합(exchange coupling)을 통해서 고정된다. 그러나, 자유층의 자화는 외부 필드에 따라 자유롭게 회전 가능하다. 자유층(210), 스페이서층(215), 고정층(220), AFM층(230)은 모두 중앙 영역(202)에 형성된다. 각각 단부 영역(204, 206)에 형성되는 하드 바이어스 층(252, 254)은 MR 자유층(210)에 길이 방향의 바이어스를 제공한다. 하드 바이어스층(252, 254) 상에 형성된 리드(260, 265)는 각각 전류 소스(270)에서 MR 센서(200)로 감지 전류(Is)가 흐르도록 전기적 연결을 제공한다. 리드(260, 265)에 전기적으로 연결된 신호 검출기(280)는 외부 자기장(예를 들면, 디스크에 저장된 데이터 비트에 의해 생성되는 자기장)에 의해 유도된 변화에 따라 SV 센서(200)의 저항 변화를 감지한다.
AFM층(230)이 NiO로 형성된 SV 센서(200)는 NiO의 높은 내부식성으로 인하여 현재 특별한 관심을 끌고 있다. 이온 빔 스퍼터 증착 시스템(100)에서 SV 센서와 같은 센서를 증착시키는 것은 제1 증착 공정에서 반응성 이온 빔 스퍼터링이 Al2O3로 형성된 기판층(250)과 NiO로 형성되는 AFM층을 증착 하는데 사용되는 제1 증착공정, 및 상기 제1 증착 공정의 후속 공정으로 불활성 가스 분위기에서 이온 빔 스퍼터링에 의해 금속층들을 증착하는 제2 증착 공정에 의해 달성된다. 기판층(250)은 Al2O3층을 형성하도록 산소 함유 가스 분위기에서 알루미늄(Al) 타겟을 이온 빔 스퍼터링함으로써 증착된다. NiO AFM층(230)은 산소 함유 가스 분위기에서 니켈(Ni) 타겟를 스퍼터링함으로써 기판층(250) 상에 원하는 교환 특성이 얻어지는 두께(통상적으로 200-500Å)까지 증착된다. 그 후 산소 함유 가스는 진공 챔버에서 펌프로 배출되고, 타겟 스퍼터는 후속 금속층의 증착 전에 클리닝된다. 그 후 Ni-Fe로 형성된 고정층(220), 구리(Cu)로 형성된 스페이서층(215), Ni-Fe로 형성된 자유층(210), Ta로 형성된 캡(cap)층(210)이 아르곤과 같은 불활성 스퍼터링 가스 분위기에서 NiO AFM층(230) 상에 순차적으로 증착된다.
NiO AFM층(230)과 고정된 강자성층(220) 사이의 양호한 교환 특성을 얻기 위해, 강자성층은 최소 오염도로 갓 증착된 NiO 표면 상에 증착되어야 한다. 따라서 NiO 증착의 완료와 NiO 상에 후속 강자성층의 증착 사이의 시간으로 정의되는 홀드 시간을 최소화하는 것이 NiO 표면의 오염을 최소화하기 위해 필수적이다.
종래 기술의 이온 빔 증착 시스템에서의 문제점은 NiO 층의 증착과 NiO층 상의 고정 강자성층의 증착 사이의 홀드 시간을, 포텐셜 증착 시스템의 처리량을 상당히 감소시키지 않고는, 두 층 사이의 교환 특성을 최적화할 수 있을 만큼 충분히 줄일 수 없다는 점이다. 각 웨이퍼를 처리하는데 필요한 긴 시간으로 인한 이온 빔 스퍼터 증착 시스템의 저 포텐셜로 인해 NiO SV 센서의 제조 원가는 높아진다.
따라서 이온 빔 증착 시스템과 고정 강자성층 증착 전에 NiO AFM층 표면의 홀드 시간을 최소화하도록 제어하여 결과적으로 SV 센서 성능이 개선되며 제조 원가가 절감되도록 증착 시스템의 웨이퍼 처리량을 증가시키는 증착 공정이 필요하다..
본 발명의 목적은 웨이퍼(기판)를 어느 하나의 이온 빔 스퍼터(ISB)에 삽입하고 진공 상태 하에서 웨이퍼가 IBS 증착 챔버 사이를 이동하는 수단을 제공하는 웨이퍼 핸들러 챔버에 의해 연결되는 두 개의 IBS 증착 챔버를 갖는 이중 챔버 증착 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스핀 밸브 센서층의 특성을 개선하기 위해서 반응성 이온 빔 스퍼터링 증착과 금속층 증착이 서로 분리된 IBS 증착 챔버 안에서 수행될 수 있는 이중 챔버 증착 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 NiO로 형성된 AFM층을 갖는 스핀 밸브 센서층의 이온 빔 스퍼터 증착을 위한 공정을 제공하는 것인데, 여기서 AFM층과 고정층 간의 교환 결합은 제1 IBS 증착 챔버에서 AFM층을 증착하고 제2 증착 챔버에서 AFM층 상에 금속층을 증착함으로써 증가된다.
본 발명의 또다른 목적은, 이온 빔 증착 공정의 처리량이 증진되며, NiO로 형성된 AFM층을 갖는 스핀 밸브 센서층의 이온 빔 스퍼터 증착 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 원리에 따라서, 제1 IBS 증착 챔버, 제2 IBS 증착 챔버, 제1·제2증착 챔버 사이에 배치되는 웨이퍼 핸들러 챔버를 포함하는 이중 챔버 증착 시스템을 개시한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1·제2 IBS 증착 챔버 각각은 이온 빔 소스, 다중 타겟를 가진 회전식 타겟 지지대, 좌대 또는 기판 지지대, 진공 펌프를 포함한다. 상기 웨이퍼 핸들러 챔버는 진공 펌프를 가진 제1·제2 접근 챔버, 웨이퍼 정렬기, 기판을 이동시키기 위해 회전 가능한 턴테이블 상에 고정된 방사 방향 운동 제어 선형 이송기(移送機), 진공 펌프를 포함한다. 웨이퍼 핸들러 챔버는 게이트 밸브에 의해 제1·제2 IBS 증착 챔버와 연결되는데, 게이트 밸브가 열릴 경우 선형 이송기가 기판을 각 IBS 증착 챔버 안으로 또는 밖으로 이동시키도록 접근 포트를 제공하고, 게이트 밸브가 닫힐 경우 웨이퍼 핸들러 챔버와 제1·제2 IBS 증착 챔버 사이에 진공 상태 밀봉을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 이중 챔버 증착 시스템은 NiO로 형성된 AFM층을 갖는 스핀 밸브 센서층을 웨이퍼 상에 증착하도록 구성된다. 제1 증착 챔버는 산소 함유 가스 분위기에서 Al2O3기판층과 NiO AFM층의 반응성 스퍼터 증착에 전용으로 사용된다. 제2 IBS 증착 챔버는 불활성 가스 분위기에서 후속 금속층 스퍼터 증착에 전용으로 사용된다. 이와 같이 반응성 스퍼터 증착 공정과 금속층 증착 공정을 분리하면 펌프 다운 시간의 감소, 타겟의 산소 오염 감소, NiO 층 표면의 오염 감소, 시스템 처리량 개선을 위한 사이클 시간 감소를 가져오므로 단일 챔버를 사용할 때보다 성능이 개선된다.
연속적인 증착 공정에서, 첫 번째 웨이퍼가 제1 IBS 증착 챔버용으로 삽입되고 정렬된다. 첫 번째 웨이퍼는 반응성 스퍼터 증착 공정이 수행되는 제1 IBS 증착 챔버 내로 이동된다. 그 후 첫 번째 웨이퍼는 제1 IBS 증착 챔버에서 웨이퍼 정렬기로 이동하여, 제2 IBS 증착 챔버에 사용되기 위해 정렬되고, 금속층 증착 공정을 위해서 제2 IBS 증착 챔버 내로 이동한다. 그 후 두 번째 웨이퍼가 반응성 스퍼터 증착이 일어나는 제1 IBS 증착 챔버 내로 삽입, 정렬, 이동되는데, 제1 IBS 증착 챔버에서 두 번째 웨이퍼의 반응성 스퍼터 증착이 수행될 때, 그와 동시에 제2 IBS 증착 챔버에서는 첫 번째 웨이퍼의 금속층 증착이 일어난다. 첫 번째 웨이퍼의 금속층 증착이 완료된 후에, 첫 번째 웨이퍼는 제2 IBS 증착 챔버에서 밖으로 꺼내어져 접근 챔버에 있는 웨이퍼 스택에 놓여진다. 그 후 두 번째 웨이퍼는 제1 IBS 증착 챔버에서 정렬기로 이동한 후 제2 IBS 증착 챔버 내로 이동한다. 그 후 세 번째 웨이퍼가 공정 흐름을 계속하기 위해 시스템에 삽입된다. 각 웨이퍼의 이동 단계 중에, 제1·제2 IBS 증착 챔버는 상호 오염을 최소화하기 위해 적절한 게이트 밸브 폐쇄에 의해 서로 격리된다. 시스템 각 부분의 진공 펌프는 공정 순서 중에 필요한 저압 조건을 달성하기 위해 사용된다.
이온 빔 스퍼터 증착 시스템의 공정 순서는 소프트웨어 프로그램으로 프로그램된 컴퓨터 시스템에 의해 원격 제어된다. 소프트웨어 프로그램은 원하는 동작 조건 하에서 효율적인 공정 흐름을 유지하기 위해 게이트 밸브의 개폐(開閉), 진공 펌프 동작, 웨이퍼 핸들러 동작, 이온 빔 스퍼터 증착 공정 등을 제어한다. NiO 표면에 오염이 일어날 수 있는 시간을 최소화하기 위해 NiO 층의 반응성 스퍼터 증착이 완료된 다음 후속 금속 증착 공정이 진행될 제2 IBS 증착 챔버가 사용 가능하도록 제어함으로써 SV 센서에서 NiO AFM층의 교환 결합 특성이 개선된다.
본 발명의 전술한 사항과 추가 목적, 특징, 이점 등은 이하의 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
상세한 설명과 첨부한 도면을 참조하면 본 발명의 본질과 장점 및 바람직한 사용 모드를 완전히 이해할 수 있다. 도면 전체를 통하여 동일, 유사한 참조 번호는 동일, 유사한 구성 부품을 나타낸다.
도 1은 종래 기술을 사용한 이온 빔 스퍼터링 증착 시스템의 블록도.
도 2는 종래 기술을 사용한 SV 센서의 공기 베어링 표면도 (단, 축척은 비례가 아님).
도 3은 본 발명에 따른 이중 챔버 증착 시스템의 바람직한 실시예의 평면도.
도 4는 이중 챔버 증착 시스템의 웨이퍼 핸들링 챔버 부분의 평면도.
도 5는 NiO 반강자성(AFM)층을 갖는 개선된 스핀 밸브(SV) 센서의 공기 베어링 표면도 (단, 축척은 비례가 아님).
아래 설명은 본 발명의 구현을 위해 현재 고려될 수 있는 최적의 실시예이다. 본 발명의 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 예시하기 위한 목적으로 쓰여진 것으로, 본 명세서 특허 청구 범위에 청구된 발명의 개념을 제한하기 위한 의도가 아니다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예인 이중 챔버 증착 시스템(300)의 평면도가 도시되어 있다. 이중 챔버 증착 시스템(300)은 제1 IBS 증착 챔버(302), 제2 IBS 증착 챔버(304), 제1·제2 IBS 증착 챔버(302, 304) 사이에 위치하며 게이트 밸브(308, 308')로 제1·제2 IBS 증착 챔버(302, 304) 각각에 연결되는 웨이퍼 핸들러 챔버(306)를 포함한다. 도 3에서, 제2 IBS 증착 챔버(304)에 있는 부품들 중 제1 IBS 증착 챔버(302)에 있는 부품들과 동일 또는 유사한 부품들은 동일한 번호에 프라임 표시(')를 첨가하여 나타낸다. 제1 IBS 증착 챔버(302)와 제2 IBS 증착 챔버(304)는 각각이 이온 빔 소스(328), 다중 타겟(330)을 지지하는 회전식 타겟 지지대(333), 가동 기판 스테이지(336)에 장착된 기판(332)을 포함하는 실질적으로 동일한 이온 빔 스퍼터 증착 모듈이다. IBS 증착 챔버(302)에 장착된 스테이지 앵글 드라이브(340)에 스테이지 지지 암(338)이 연결되고, 그 스테이지 지지 암에 기판 스테이지(336)가 고정되어 있다. 스테이지 앵글 드라이브(340)는 대략 90도 정도 회전할 수 있으므로, 기판 스테이지(336)의 방향을 도 3에 도시된 바와 같이 회전식 타겟 지지대(333)를 향하는 방향으로부터 게이트 밸브(308)를 통해 접근이 가능하도록 하기 위해 상부(지면(紙面)에서 나오는 방향)를 향하는 방향으로 변경할 수 있다. 증착 기판(332)을 회전시키기 위해 기판 스테이지(336)는 회전/선형 모터를 사용해서 증착 중에 회전될 수 있으며, 그로인해 증착 막의 균일성을 개선할 수 있다. IBS 증착 챔버(302)는 꼭 맞는 게이트 밸브(348)를 구비한 포트(346)를 통해서 극저온 진공 펌프(350)와 터보분자(turbomolecular) 진공 펌프(344)로 적절한 저압 상태로되고 그 압력을 유지한다.
IBS 증착 챔버(302)는 또한 기판 표면 상에 박막을 증착하기 전에 오염을 제거하기 위해 이온 빔을 만들어서 기판(332)의 표면을 향하게 하는 이온 빔 에치 건(gun)(352)을 포함하고 있다. 기판(332)에 근접하게 위치한 두께 모니터(342)는 증착 중에 성장하는 박막의 두께를 실시간으로, 현장에서 모니터링한다. 플럭스 조정기(flux regulator)(335)는 증착 기판(332) 정면에 고정되어 타겟(330)에서 나온 스퍼터된 원자 플럭스를 부분적으로 차단하고, 증착된 층의 두께 균일성을 개선하기 위해 증착 기판의 회전과 함께 사용된다. 증착 중인 특정 구조에 필요한 경우 기판(332)에 자기장이 인가될 수 있다. 타겟(330) 표면과 기판(332) 표면을각각 덮기 위한 타겟 셔터(shutter, 도면에 도시하지 않음)와 기판 스테이지 셔터(337)가 각각 포함되어 스퍼터 클리닝 공정 중에 표면이 오염되는 것을 방지한다.
웨이퍼 핸들러 챔버(306)는 기판(332)을 이중 챔버 증착 시스템(300)의 안·밖으로 이동하고, 기판(332)을 제1 IBS 증착 챔버(302) 안·밖으로 이동하거나, 제2 IBS 증착 챔버(304) 안·밖으로 이동하거나, 또는 제1·제2 IBS 증착 챔버(302, 304) 사이로 이동하기 위한 수단을 제공한다. 웨이퍼 핸들러 챔버(306)는 진공 챔버(307), 복수의 기판(바람직한 실시예에서는 12장의 웨이퍼)을 담은 기판(웨이퍼) 스택(360)을 수용하기 위한 제1 접근 챔버(312) 및 제2 접근 챔버(312')를 포함한다. 기판 스택(360)을 제1 접근 챔버(312) 안에 놓은 후, 게이트 밸브(320)를 닫아 접근 챔버를 진공 챔버(307)로부터 격리하고 진공 펌프(322)로 접근 챔버 내의 압력을 감소시킨다. 종래 기술에서 잘 알려져 있는바와 같이, 포트와 게이트 밸브(324)를 통해 극저온 진공 펌프로 진공 챔버의 압력을 적절한 저압으로 유지한다. 제1 접근 챔버(312)에 근접해 위치한 제1 웨이퍼 정렬기(316)는 제1 IBS 증착 챔버(302)에서 박막 증착을 위해 미리 정한 위치에 또는 제2 IBS 증착 챔버(304)에서 박막 증착을 위해 미리 정한 다른 위치에 웨이퍼 원둘레에 있는 기준 노치를 정렬시키기 위해 기판(332)을 회전시키는 수단을 제공한다. 제2 접근 챔버(312')에 근접하게 위치한 제2 웨이퍼 정렬기(316')는 제2 접근 챔버(312') 내에 삽입된 기판을 정렬하는데 사용될 수 있으며, 대안으로 기판을 제1 웨이퍼 정렬기(312)로 이동시키는 웨이퍼 핸들링 챔버(306)의 이동 수단을 사용하므로 단일 웨이퍼 정렬기가 2 개의 접근 챔버 모두에 삽입되는 기판용으로 사용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 이중 챔버 증착 시스템(300)의 중앙부(400)가 도시되는데, 특히 웨이퍼 핸들링 챔버(306)가 자세히 도시되어 있다. 웨이퍼 핸들링 챔버(306)는 턴테이블(turntable)(402)을 포함하는데, 그 턴테이블은 진공 챔버(307) 중앙에 위치하고, 이송기의 말단부에 고정된 기판 홀더(407)를 가진 기계적인 선형 이송기(406)를 지지한다. 턴테이블(402)은 회전 모터를 사용하여 화살표(404)로 표시되는 바와 같이 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한쪽으로 회전할 수 있다. 회전/선형 모터 드라이브를 사용하여 선형 이송기(406)를 전진시키거나 반시계, 종래 기술에서 잘 알려진 바와 같이 턴테이블(402)의 중심을 기점으로 반경 방향으로 화살표(408)로 표시되는 바와 같이 기판 홀더(407)를 이동시킨다.
이중 챔버 증착 시스템(300) 내에서 기판(웨이퍼)의 이동은 선형 이송기(406)에 의한 반경 방향으로의 선형 이동과 턴테이블(402)에 의한 각방향 회전(angular rotation)의 순차적 동작으로 이루어진다. 예를 들면, A 위치의 기판 홀더(407)에 있는 기판을 웨이퍼 정렬기(316)에서 기판 스테이지(336)로 옮기려면, 이송기(406)를 후퇴시켜 기판을 B 위치에 위치시키고, 그 후 턴테이블(402)을 시계 방향으로 회전시켜 기판을 C 위치에 위치시킨 후 이송기(406)를 개방 게이트 밸브를 통하여 전진시켜 기판을 D 위치에 있는 기판 스테이지(336) 상에 위치시킨다. 마찬가지로 기판은 E 위치를 경유하여, 개방 게이트 밸브(308)를 통해 제2 IBS 증착 챔버(304) 내의 F 위치에 있는 기판 스테이지(336') 상으로 옮겨질 수 있다.
이중 챔버 증착 시스템(300)의 동작 중에, 연속적인 공정 흐름은 제1 접근 챔버(312) 내로 제1 웨이퍼 스택(360)을 먼저 로딩하고 그 후 제2 접근 챔버(312') 내로 제2 웨이퍼 스택(360')을 로딩하는 방법으로 이루어진다. 제1 접근 챔버(312) 내의 모든 기판의 처리가 완료되면, 제1 접근 챔버(312) 내의 기판 스택을 새 기판 스택으로 교체하는 동안 제2 접근 챔버(312')의 기판들이 처리된다.
NiO AFM층을 포함하는 스핀 밸브 센서 구조를 증착하기 위한 본 발명의 이중 챔버 증착 시스템을 사용하여 제조 공정에서 개선된 교환 결합과 개선된 GMR 계수를 갖는 SV 센서를 제조하는 수단을 제공해왔다. SV 센서에서 AFM층에 대해 NiO를 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 NiO의 양호한 내 부식성과 상대적으로 높은 블로킹 온도 때문이다(블로킹 온도는 주어진 물질에 대한 고정 시키는(pinning) 필드가 0이 되는 온도임). 그러나 종래 기술의 단일 챔버 이온 빔 증착 시스템을 사용하여 NiO SV 센서를 제조하면 증착 시스템 처리량이 수용 불가능할 정도로 낮아지는데, 그것은 반응성 스퍼터 증착에 사용된 산소를 함유한 가스를 펌프로 빼내고 후속 금속층 증착을 위해 산소로 오염된 타겟을 스퍼터 클리닝하는데 필요한 시간이 너무 길기 때문이다. 처리량의 개선은 일련의 웨이퍼에 대한 반응성 스퍼터 증착을 일괄(batch) 처리함으로써 달성할 수 있지만, 이러한 공정 시퀀스는 NiO 표면이 노출되는 홀드 시간이 길어지고 그 홀드 시간이 웨이퍼마다 서로 다르게되는 문제를 일으킨다.
표 1
-----------------------------------------------------------------------------
진공 속에서 NiO 홀드 시간이 SV 센서 특성에 미치는 영향
홀드 시간(분) He(Oe) dR/R(%) Hex(Oe) Hp(Oe)
5-10 15 5.77 250 450
75 19 5.41 150 200
150 35 4.3 75 100
He = 강자성 결합 필드
dR/R = 자기저항 계수
Hex = 교환 필드
Hp = 고정시키는 필드
-----------------------------------------------------------------------------
표1에서는 진공 상태에서 NiO AFM층의 증착과 NiO 표면 상의 Ni-Fe 고정층의 증착 사이의 홀드 시간 경과에 따른 효과에 대해 본 발명자가 실험한 결과를 보여주고 있다.
양호한 교환 특성을 가진 SV 센서를 일관성 있게 생산하기 위해서는, 고정층 증착 전에 일정한 최소 홀드 시간을 유지하는 공정 시퀀스가 높은 우선순위를 가져야 함을 이들 결과는 보여준다. 종래 기술의 단일 챔버 이온 빔 증착 시스템을 사용하면, 한 웨이퍼에 대한 공정을 완료하는데 걸리는 홀드 시간은 통상적으로 5-10분이다. 이러한 범위의 홀드 시간은 수용 가능한 교환 특성을 나타내지만, 시스템 처리량은 매우 낮다(대략 1일에 웨이퍼 6장의 비율). 처리량이 개선된 공정 시퀀스를 사용하면 결과적으로 홀드 시간이 20분이 넘고 웨이퍼 마다 다른 홀드 시간의 차이가 커서 수용할 수 없을 정도가된다.
NiO SV 센서층을 증착시키기 위한 본 발명의 이중 챔버 증착 시스템을 사용하면 SV 센서의 특성을 개선시키거나 유지시키면서 시스템 처리량을 상당히 증가시키는 수단을 제공한다. 이러한 개선은 시스템의 제1 IBS 증착 챔버를 반응성 가스 스퍼터링 증착 공정에 전용으로 사용하고 시스템의 제2 IBS 증착 챔버를 금속층의 불활성 가스 스퍼터 증착 전용으로 사용함으로써 달성된다. 본 발명에서는 모든 웨이퍼의 NiO 층에 대해 일정한 최소 홀드 시간을 유지하는 것에 우선순위를 둔 연속 흐름 공정이 사용된다.
도 5를 참조하면, 다층 박막 구조를 증착하기 위해 본 발명에 따른 이중 챔버 증착 시스템(300)을 사용해 제조한 NiO로 만든 AFM층을 갖는 SV 센서(500)가 도시되어 있다. SV 센서(500)는 Al2O3로 형성되는 기판층(550), NiO로 형성되는 AFM층(530), Ni-Fe로 형성되는 제2 강자성 서브층(FM2)(524)과 Co로 형성되는 제1 강자성 서브층(FM1)(522)을 포함하는 고정층(520), Cu로 형성된 스페이서층(515), Ni-Fe로 형성되는 자유층(510), Ta로 형성되는 캡(cap)층을 포함한다. 웨이퍼(기판)(560)는 이중 챔버 증착 시스템(300)(도 3)의 제1 IBS 증착 챔버(302) 내로 옮겨지고 기판층(550)은 Al2O3층을 형성하는 반응성 산소 함유 가스 분위기에서 Al 타겟를 스퍼터링하여 웨이퍼(560)위에 증착된다. AFM층(530)은 NiO 층을 형성하는 반응성 산소 함유 가스 분위기에서 Ni 타겟를 스퍼터링하여 기판층(550) 상에 증착된다. 그 후 웨이퍼(560)는 여러 가지 금속 타겟를 스퍼터하는데 불활성 가스를 사용하는 SV 센서 구조의 나머지 층들을 증착하기 위해 이중 챔버 증착 시스템(300)의 제2 IBS 증착 챔버(304) 내로 옮겨진다. FM2층(524), FM1층(522), 스페이서층(515), 자유층(510), 캡층(cap layer)(505)은 제2 IBS 증착 챔버 내에서 AFM층(530) 상에 순차적으로 증착된다.
반응성 가스 스퍼터링 공정과 불활성 가스 금속층 증착을 분리된 각각의 IBS 증착 챔버 내로 분리한 상태에서, 상기 설명한 연속 흐름 공정을 사용하면 상당히 높은 증착 시스템 처리량을 달성하면서도 변함없이 양호한 SV 센서(500)를 제조할 수 있다. 홀드 시간은 앞서의 5-10분에서 2-5분 범위로 줄고, 처리량은 앞서의 하루에 웨이퍼 약 6장에서 하루에 웨이퍼 40-60장 범위로 증가한다. 이러한 SV 센서 성능의 일관성 있는 개선 및 증착 시스템 처리량의 개선은 NiO SV 센서에 대한 제조 공정의 유용성을 제공한다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 기술되었지만, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질과 범위 및 교시 내용을 벗어나지 않고 형태와 세부 사항을 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명은 단지 예시에 불과하고 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 제한된다.
본 발명의 이중 챔버 이온 빔 스퍼터 증착 시스템을 사용하면, 홀드 시간이 감소되고, 웨이퍼마다 홀드 시간이 일정하므로 높은 교환 결합 특성이 유지되면서도 시스템의 처리량이 개선된다.

Claims (11)

  1. 이중 챔버 증착 시스템에 있어서,
    a) 제1 이온 빔 스퍼터링(IBS) 증착 챔버;
    b) 제2 IBS 증착 챔버; 및
    c) 상기 이중 챔버 증착 시스템 내에서 기판을 이동시키는 웨이퍼 핸들러 챔버(wafer handler chamber)를 포함하고,
    상기 웨이퍼 핸들러 챔버는 상기 제1·제2 IBS 증착 챔버 사이에 배치되며, 이들 제1·제2 증착 챔버에 진공 상태로 밀봉되어 연결되는 것인 이중 챔버 증착 시스템.
  2. 이중 챔버 증착 시스템에 있어서,
    a) 제1 이온 빔 스퍼터링(IBS) 증착 챔버;
    b) 제2 IBS 증착 챔버; 및
    c) 상기 이중 챔버 증착 시스템 내에서 기판을 이동시키는 웨이퍼 핸들러 챔버(wafer handler chamber)를 포함하고,
    상기 웨이퍼 핸들러 챔버는 상기 제1·제2 IBS 증착 챔버 사이에 배치되며, 이들 제1·제2 증착 챔버에 진공 상태로 밀봉되어 연결되는 것으로,
    i) 진공 챔버;
    ii) 상기 진공 챔버 내부 표면에 회전 가능하게 고정된 턴테이블;
    iii) 상기 턴테이블에 고정되고, 상기 기판을 지지하기 위해 그 말단부에 고정되어 상기 턴테이블의 중심을 기준으로 방사 방향으로 움직일 수 있는 기판 홀더를 갖춘 선형 이송기; 및
    iv) 상기 진공 챔버 내로 복수의 기판을 삽입하기 위해 상기 진공 챔버에 진공 상태로 밀봉 연결되는 제1 접근 챔버를 포함하는 것인 이중 챔버 증착 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 웨이퍼 핸들러 챔버는 상기 기판을 회전 방식으로 정렬하기 위한 웨이퍼 정렬기를 추가로 포함하고, 상기 웨이퍼 정렬기는 상기 제1 접근 챔버와 진공 챔버 사이에 배치되는 것인 이중 챔버 증착 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 웨이퍼 핸들러 챔버는 상기 진공 챔버 내로 복수의 기판을 삽입하기 위해 상기 진공 챔버에 진공 상태로 밀봉 연결되는 제2 접근 챔버를 추가로 포함하는 이중 챔버 증착 시스템.
  5. 반강자성(AFM)층과 금속층으로 소자를 증착하는 이중 챔버 증착 시스템에 있어서,
    a) 반응성 이온 빔 스퍼터링으로 기판 상에 상기 AFM층을 증착하기 위한 제1 이온 빔 스퍼터링(IBS) 증착 챔버;
    b) 상기 기판 상에 금속층을 증착하기 위한 제2 IBS 증착 챔버; 및
    c) 상기 이중 챔버 증착 시스템 내에서 기판을 이동하기 위한 웨이퍼 핸들러 챔버(wafer handler chamber)를 포함하고,
    상기 웨이퍼 핸들러 챔버는 상기 제1·제2 IBS 증착 챔버 사이에 배치되어 이들 제1·제2 증착 챔버에 진공 상태로 밀봉되어 연결되며,
    i) 진공 챔버;
    ii) 상기 진공 챔버 내부 표면에 회전 가능하게 고정된 턴테이블;
    iii) 상기 턴테이블에 고정되고, 상기 기판을 지지하기 위해 그 말단부에 고정되어 상기 턴테이블의 중심을 기준으로 방사 방향으로 움직일 수 있는 기판 홀더를 갖춘 선형 이송기; 및
    iv) 상기 진공 챔버 내로 복수의 기판을 삽입하기 위해 상기 진공 챔버에 진공 상태로 밀봉 연결되는 제1 접근 챔버를 포함하는 것인 이중 챔버 증착 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 웨이퍼 핸들러 챔버는 상기 기판을 회전 방식으로 정렬하기 위한 웨이퍼 정렬기를 추가로 포함하고, 상기 웨이퍼 정렬기는 상기 제1 접근 챔버와 진공 챔버 사이에 배치되는 이중 챔버 증착 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 웨이퍼 핸들러 챔버가 상기 진공 챔버 내로 복수의 기판을 삽입하기 위해 상기 진공 챔버에 진공 상태로 밀봉 연결되는 제2 접근 챔버를 추가로 포함하는 이중 챔버 증착 시스템.
  8. 제1 이온 빔 스퍼터링(IBS) 증착 챔버, 제2 IBS 증착 챔버, 웨이퍼 핸들러 챔버를 포함하는 이중 챔버 증착 시스템에서 스핀 밸브(SV) 자기저항 센서 제조 방법에 있어서,
    a) 상기 제1 IBS 증착 챔버 내의 기판 상에 반강자성(AFM) 층을 반응성 스퍼터 증착하는 단계;
    b) 상기 기판을 진공 상태 하에서 상기 제1 IBS 증착 챔버에서 제2 IBS 증착 챔버로 이동하는 단계; 및
    c) 상기 제2 IBS 증착 챔버 내의 상기 AFM층 상에 제1 강자성층을 스퍼터 증착하는 단계
    를 포함하는 스핀 밸브 자기저항 센서 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 IBS 증착 챔버 내의 상기 강자성층 상에 비자성 도전성 물질층을 증착하는 단계를 추가로 포함하는 스핀 밸브 자기저항 센서 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 IBS 증착 챔버 내에서 상기 비자성 도전성 물질층 상에 제2 강자성층을 증착하는 단계를 추가로 포함하는 스핀 밸브 자기저항 센서 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 AFM층은 NiO로 만들어지는 것인 스핀 밸브 자기저항 센서 제조 방법.
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