KR20070086920A - 스퍼터링 장치 및 성막 방법 - Google Patents

Abstract

원반형 기판을 회전축선을 중심으로 회전시키면서 이 기판의 기판 표면에 성막 처리를 하는 스퍼터링 장치에 있어서, 챔버와, 상기 기판을 상기 회전축선을 중심으로 하여 회전시키는 테이블과, 상기 기판과 마주보는 음극 표면을 가지는 스퍼터링 음극을 구비하고, 상기 회전축선으로부터 상기 기판의 외측 가장자리부까지의 거리를 R이라고 하고, 상기 회전축선으로부터 상기 음극 표면의 중심점까지의 거리를 OF라고 하고, 상기 기판 표면으로부터 상기 음극 표면의 중심점까지의 높이를 TS라고 하면, 대략 R:OF:TS=100:175:190±20의 관계를 만족하는 동시에, 상기 회전축선과 상기 음극 표면의 중심점을 지나가는 법선이 교차하고 그 교차 각도가 22°±2°의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.

Description

스퍼터링 장치 및 성막 방법{Sputtering system and film-forming method}

본 발명은 자기 헤드를 구성하는 거대 자기 저항(Giant Magnetic Resistive; GMR) 스핀 밸브나, MRAM(Magnetic Random Access Memory)을 구성하는 터널 접합 자기 저항(Tunneling Magnetic Resistive; TMR) 소자 등, 반도체 디바이스를 구성하는 피막의 형성에 적합한 스퍼터링 장치 및 성막 방법에 관한 것이다.

본 출원은 2005년 1월 19일에 출원된 일본 특허출원 제2005-011364호에 대하여 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.

성막 처리 장치로서 스퍼터링 장치가 널리 이용되고 있다. 일반적인 스퍼터링 장치는 피처리 기판을 적치하는 테이블과, 성막 재료를 배치한 스퍼터링 음극(타겟)을 처리 챔버 내에 설치하여 구성되어 있다. 특허문헌 1에서는 기판을 적당한 빠르기로 회전시키는 동시에 기판의 법선에 대한 타겟의 중심축선의 각도(θ)를 15°≤θ≤45°의 관계로 유지함으로써 타겟의 지름을 기판의 지름 이하로 하더라도 균일한 막 두께, 막질을 달성할 수 있는 것으로 되어 있다.

특허문헌 1: 특개2000-265263호 공보

(발명이 해결하고자 하는 과제)

최근 개발이 진행되고 있는 MRAM 등의 반도체 디바이스에는 도 5a에 나타내는 바와 같이 터널 접합 소자(10)가 채용되고 있다. 이 터널 접합 소자(10)는 자성층(고정층)(14), 터널 배리어층(15), 및 자성층(자유층)(16) 등이 적층되어 구성되어 있다. 터널 배리어층(15)은 Al(금속 알루미늄)을 산화하여 얻을 수 있는 AlO(알루미늄의 산화물 전반을 나타내고, 알루미나로 칭해지는 것을 포함한다. 이하 동일) 등에 의해 형성되어 있다. 그리고, 고정층(14)과 자유층(16)의 자화 방향이 평행한지 반(反) 평행한지에 따라 터널 접합 소자(10)의 저항값이 상이한 점을 이용하여 「1」 또는 「0」을 읽어 내도록 되어 있다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 터널 접합 소자(10)의 각 층 내(예를 들어, 자유층(16))에 막 두께 분포가 있으면 터널 배리어층(15)이 요철 형태로 적층되어 형성된다. 터널 배리어층(15)의 터널 저항값은 그 막 두께에 지수 함수적으로 의존하기 때문에 만일 금속 알루미늄의 막 두께 분포가 1%라 해도 터널 저항값 분포는 10% 이상의 큰 분포를 갖게 된다. 그리고, MRAM 소자(터널 접합 소자)는 8인치 이상의 큰 기판으로 제작되기 때문에, 기판상의 위치에 따라 MRAM 소자의 저항값이 크게 달라지면 양산에 있어 큰 문제가 된다. 또한, 자유층(16)에 막 두께 분포가 있으면 기판상의 위치에 따라 자유층(16)의 자화가 다르게 되므로, 가공된 MRAM 소자의 자화가 반전되는 경우 인가되는 자기장이 불균일하게 나타나게 된다. 이들은 모두 제작되는 MRAM 소자의 성능에 관계되는 문제이다. 따라서, 터널 접합 소자(10)의 각 층에서의 막 두께 분포의 불균일을 저감시키는 것이 요구되고 있다.

그러나, 종래의 스퍼터링 장치에서는 타겟으로부터 튀어나온 입자가 아르곤 등의 스퍼터링 가스 분자와의 충돌에 의해 산란되어 기판에 도달한다. 그 때문에 타겟과 기판과의 상대 위치나, 기판으로부터 챔버 벽까지의 거리 등에 따라서는, 예컨대 기판을 회전시키면서 성막 처리를 하더라도 양호한 막 두께 분포를 얻기 어렵다.

특히, 기판 사이즈가 8인치 이상으로 커지면 양호한 막 두께 분포를 얻는 것이 매우 어려워진다. 특허문헌 1에 따른 발명에서도 그 기술적 범위의 전부에 있어서 1% 이하의 막 두께 분포를 얻는 것은 곤란하다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 막 두께 분포의 불균일을 저감할 수 있는 스퍼터링 장치 및 성막 방법의 제공을 목적으로 한다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 스퍼터링 장치는 원반형 기판을 회전축선 둘레로 회전시키며 상기 기판 표면에 성막 처리를 하는 스퍼터링 장치로서, 내부에 스퍼터링 처리실이 형성된 챔버와, 상기 챔버의 제1 영역에 마련되고 상기 기판 표면을 상기 스퍼터링 처리실 내부로 향하게 하여 상기 기판을 유지하는 것과 동시에, 상기 기판을 상기 회전축선을 중심으로 하여 상기 기판 표면과 평행한 면 내에서 회전시키는 테이블과, 상기 스퍼터링 처리실을 사이에 두고 상기 제1 영역과 반대측에 위치하는 상기 챔버의 제 2영역에 있어서, 상기 회전축선으로부터 떨어진 위치에 마련되고 상기 기판과 상기 스퍼터링 처리실 내에서 대향하는 음극 표면을 가지는 스퍼터링 음극을 구비하고, 상기 회전축선으로부터 상기 기판의 외측 가장자리부까지의 거리를 R이라고 하고, 상기 회전축선으로부터 상기 음극 표면의 중심점까지의 거리를 OF라고 하고, 상기 기판 표면으로부터 상기 음극 표면의 중심점까지의 높이를 TS라고 하면, 대략

R:OF:TS=100:175:190±20

의 관계를 만족하는 동시에, 상기 회전축선과 상기 음극 표면의 중심점을 지나는 법선이 교차하고 그 교차 각도가 22°±2°의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 많은 종류의 재료에 대해서 막 두께 분포의 불균일을 1% 이내로 하여 성막 처리를 할 수 있다.

여기서,「대략」이란 R:OF:TS의 비율이 상기 식에서 5% 정도 벗어난 경우를 포함하며 OF의 값으로 175±10정도가 된다.

또한 상기 기판을 둘러싸는 쉴드판이 상기 회전축선을 중심축으로 하여 축 대칭 형상으로 설치되고, 상기 스퍼터링 처리실은 상기 쉴드판과 상기 기판 표면으로 둘러싸인 내측 공간에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 쉴드판이 존재함으로써 막 두께 분포에 미치는 영향에 축 대상성을 부여할 수 있게 되고, 막 두께 분포의 불균일을 저감할 수 있다.

또한 상기 쉴드판은 상기 제 2영역으로부터 상기 제1 영역을 향해 원통 모양을 이루며 연장되는 제1 쉴드판과, 이 제1 쉴드판의 상기 제1 영역측 단부로부터 상기 기판의 외측 가장자리부에 걸쳐 연장되는 깔때기 모양의 제2 쉴드판을 구비하고, 상기 기판 표면에 대한 상기 제2 쉴드판의 경사 각도가 0°이상 20°이하로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 제2 쉴드판에 기인하는 기판의 외측 가장자리부의 막 두께 분포의 불균일을 저감할 수 있다.

한편, 본 발명의 성막 방법은 상기 스퍼터링 장치를 사용한 성막 방법에 있어서, 상기 테이블에 상기 기판을 유지시켜 상기 스퍼터링 처리실 내부를 진공으로 하는 진공 퍼지 공정과, 상기 테이블에 의해 상기 기판을 회전시키며 상기 스퍼터링 처리실 내부에 스퍼터링 가스를 주입하여 플라즈마를 발생시켜 상기 기판 표면에 성막 처리를 하는 성막 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 많은 종류의 재료에 대해서 막 두께 분포의 불균일을 1% 이내로 하여 성막 처리를 할 수 있다.

또한 상기 기판을 30rpm 이상의 회전수로 회전시키는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 비교적 늦은 성막 속도로 얇은 피막을 형성하는 경우에도 현실적인 성막 조건의 범위에서는 막 두께 분포를 기판의 원주방향으로 평균화할 수 있다. 따라서, 막 두께 분포의 불균일을 저감할 수 있다.

또한 상기 성막 처리에서는 자성층을 포함하는 다층막을 형성할 수 있다.

자성층을 포함하는 다층막에서는 막 두께 분포의 불균일의 저감이 강하게 요구되고 있다. 따라서, 본 발명의 성막 방법을 사용함으로써 양호한 특성을 가지는 자성 다층막을 형성할 수 있다.

(발명의 효과)

본 발명에서는 상기와 같은 구성을 채용함으로써 많은 종류의 재료에 대해서 막 두께 분포의 불균일이 1% 이내가 되도록 성막 처리를 할 수 있다.

도 1a는 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치의 사시도이다.

도 1b는 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치의 측면 단면도이다.

도 2는 도 1b의 B부분의 확대도이다.

도 3a는 타겟의 틸트 각도(θ)와 막 두께 분포와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3b는 타겟의 틸트 각도(θ)와 막 두께 분포와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3c는 타겟의 틸트 각도(θ)와 막 두께 분포와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4a는 터널 접합 소자의 개략적인 구성도이다.

도 4b는 터널 접합 소자를 구비한 MRAM의 개략적인 구성도이다.

도 5a는 네일 결합 설명도이다.

도 5b는 네일 결합 설명도이다.

<부호의 설명>

5: 기판

60: 스퍼터링 장치

61: 챔버

62: 테이블

62a: 회전축선

64: 타겟(스퍼터링 음극)

64a: 법선

70: 스퍼터링 처리실

71: 측부 쉴드판(쉴드판, 제1 쉴드판)

72: 하부 쉴드판(쉴드판, 제2 쉴드판)

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 이하의 설명에 사용되는 각 도면에 있어서, 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위하여 각 부재의 축척을 적당히 변경하고 있다.

(자성 다층막)

먼저, 자성층을 포함하는 다층막의 일례인 TMR막을 구비한 터널 접합 소자 및 그 터널 접합 소자를 구비한 MRAM에 대하여 설명한다.

도 4a는 터널 접합 소자의 측면 단면도이다. 터널 접합 소자(10)는 주로 PtMn이나 IrMn 등으로 이루어진 반(反)강자성층(미도시), NiFe나 CoFe 등으로 이루어진 자성층(고정층)(14), AlO 등으로 이루어진 터널 배리어층(15), 및 NiFe나 CoFe 등으로 이루어진 자성층(자유층)(16)으로 구성되어 있다. AlO로 이루어진 터널 배리어층(15)은 금속 알루미늄을 산화함으로써 형성되어 있다. 실제로는 상기 이외의 기능층도 적층되어 15층 정도의 다층구조로 되어 있다.

도 4b는 터널 접합 소자를 구비한 MRAM의 개략적인 구성도이다. MRAM(l00)은 상술한 터널 접합 소자(10) 및 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)(110)을 기판(5) 상에 매트릭스 형태로 정렬 배치하여 구성되어 있다. 터널 접합 소자(10)의 상단부는 비트라인(102)에 접속되고, 그 하단부는 MOSFET(110)의 소스 전극 또는 드레인 전극에 접속되어 있다. 또한 MOSFET(110)의 게이트 전극은 읽기용 워드라인(104)에 접속되어 있다. 한편, 터널 접합 소자(10)의 아래쪽에는 재기록용(Rewritable) 워드라인(106)이 배치되어 있다.

도 4a에 나타내는 터널 접합 소자(10)에서는 고정층(14)의 자화 방향은 일정하게 유지되고, 자유층(16)의 자화 방향은 반전할 수 있게 되어 있다. 이들 고정층(14) 및 자유층(16)의 자화 방향이 평행한지 반(反)평행한지에 따라 터널 접합 소자(10)의 저항값이 다르기 때문에, 터널 접합 소자(10)의 두께 방향으로 전압을 인가한 경우에 터널 배리어층(15)을 흐르는 전류의 크기가 다르다(TMR 효과). 그래서, 도 4b에 표시된 읽기용 워드라인(104)에 의해 MOSFET(110)을 ON으로 하여 그 전류값을 측정함으로써「1」 또는 「0」을 읽어낼 수 있도록 되어 있다.

또한 재기록용 워드라인(106)에 전류를 공급하여 그 주위에 자기장을 발생시키면 자유층의 자화 방향을 반전시킬 수 있다. 이렇게 함으로써, 「1」 또는 「0」을 다시 기록할 수 있게 되어 있다.

그런데, 도 5b에 나타내는 바와 같이, 터널 접합 소자(10)의 각 층 내(예를 들어, 자유층(16))에 막 두께 분포가 있으면 터널 배리어층(15)이 요철 형태로 적층되어 형성된다. 터널 배리어층(15)의 터널 저항값은 그 막 두께에 지수 함수적으로 의존하기 때문에 만일 금속 알루미늄의 막 두께 분포가 1%라 해도 터널 저항값 분포는 10% 이상의 큰 분포를 갖게 된다. 그리고, MRAM 소자(터널 접합 소자)는 8 인치 이상의 큰 기판으로 제작되기 때문에, 기판상의 위치에 따라 MRAM 소자의 저항값이 크게 달라지면 양산에 있어 큰 문제가 된다. 또한, 자유층(16)에 막 두께 분포가 있으면 기판상의 위치에 따라 자유층(16)의 자화가 다르게 되므로, 가공된 MRAM 소자의 자화가 반전되는 경우 인가되는 자기장이 불균일하게 나타나게 된다. 이들은 모두 제작되는 MRAM 소자의 성능에 관계되는 문제들이다. 따라서, 터널 접합 소자(10)의 각 층에서의 막 두께 분포의 불균일을 저감하는 것이 요구되고 있다.

(스퍼터링 장치)

따라서, 도 1a 내지 도 3c를 참조하여 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치에 관하여 설명한다.

도 1a는 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A선에서의 측면 단면도이다. 그리고, 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치(60)는 원반형 기판(5)을 적치하는 것으로서 기판(5)을 유지하는 테이블(62)과, 소정 위치에 설치된 타겟(스퍼터링 음극)(64)으로 구성되어 있다. 이 스퍼터링 장치(60)는 예를 들어 타겟 표면에 대한 자계(磁界) 인가 수단(미도시)을 구비한 마그네트론 스퍼터링 장치로 하는 것이 바람직하다.

도 1b에 나타내는 바와 같이, 스퍼터링 장치(60)는 Al 등의 금속 재료에 의해 박스 형태로 형성된 챔버(61)를 구비하고 있다. 이 챔버(61)의 내부에는 스퍼터링 처리실(70)(상세에 대해서는 후술한다)이 형성되어 있다. 챔버(61)의 하부 영역(제1 영역)인 저면 부근의 중앙부에는 기판(5)을 놓는 테이블(62)이 마련되어 있 다. 테이블(62)은 회전축선(62a)을 중심으로 임의의 회전수로 회전할 수 있도록 구성되어 있다. 이에 따라 적치된 기판(5)을, 회전축선(62a)을 중심으로 하여, 기판(5)의 표면(기판 표면)과 평행한 면 내에서 회전시킬 수 있게 되어 있다. 이 기판(5)의 중심과 회전축선(62a)을 일치시킨 상태에서 기판 표면을 회전시킬 수도 있다.

챔버(61)의 상부 영역(제 2영역)인 천정면 부근의 외측 가장자리부에는 타겟(64)이 배치되어 있다. 이 타겟(64)의 표면(음극 표면)은 기판(5)과 스퍼터링 처리실(70)(상세에 관해서는 후술한다) 내에서 마주보도록 되어 있다. 이 음극 표면에는 기판(5)에 형성할 피막 재료가 배치되어 있다. 타겟(64)의 수는 1개일 수도 있고 복수개일 수도 있다. 복수개의 타겟(64)을 사용하는 경우에는, 테이블(62)의 회전축선(62a)으로부터 거리를 두어 이 회전축선(62a)의 주위에 균칙적으로 배치시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 기판(5)에서의 막 두께 분포의 불균일을 저감 할 수 있다. 본 실시형태에서는 2개의 타겟(64)이 테이블(62)의 회전축선(62a)을 사이에 두고 대향 배치되어 있다.

상술한 타겟(64)은 테이블(62)에 놓이는 기판(5)에 대해서 소정위치에 설치되어 있다. 이제 테이블(62)의 회전축선(62a)으로부터 테이블(62)에 적치된 기판(5)의 외측 가장자리부까지의 거리를 R이라고 하자. 그러면, 회전축선(62a)과 기판(5)의 중심을 일치시켜서 기판(5)을 테이블(62)에 적치하는 경우에는 기판(5)의 반경이 R이 된다. 그리고, 테이블(62)의 회전축선(62a)으로부터 타겟(64) 표면의 중심점(T)까지의 거리를 OF라 하고, 테이블(62)에 놓이는 기판(5)의 표면으로부터 타겟(64) 표면의 중심점(T)까지의 높이를 TS라고 했을 때, 대략

R:OF:TS=100:175:190±20··(1)

의 관계를 만족하도록 타겟(64)이 배치되어 있다. 예를 들어, 기판(5)의 직경이 200mm의 경우에는 R=100mm이기 때문에 OF=175mm 및 TS=190mm로 설정된다. 또한 기판(5)의 직경이 300mm의 경우에는 R=150mm이기 때문에 OF=262.5mm 및 TS=285mm로 설정된다. 일반적인 스퍼터링 장치에서는 OF보다 TS를 조정하는 편이 용이하기 때문에 TS에 공차를 설정하고 있다. 또한「대략 식(1)의 관계를 만족한다」는 것은 R:OF:TS의 비율이 수학식 1에서 5% 정도 벗어난 경우에도 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것을 의미한다. 이 차이를 OF의 공차로 나타내면 ±10mm정도가 된다.

이에 더하여, 기판(5)을 적치한 테이블(62)의 회전축선(62a)과 타겟(64) 표면(음극 °표면)의 중심점(T)을 지나는 법선(64a)이 서로 교차하도록 동일 평면상에 배치되어 있다. 그리고, 그 교차 각도(θ)가

θ=22°±2°‥(2)

가 되도록 타겟(64)이 배치되어 있다. θ가 상기 범위인 경우에 타겟(64)의 중심점(T)을 지나는 법선(64a)과 기판(5) 표면과의 교점은 기판(5)의 외주로부터 5mm 이내의 범위에 위치하게 된다. 일례를 들면, θ=22°에서 기판(5)의 직경이 200mm의 경우에는 기판(5)의 외측 가장자리부로부터 2mm의 위치가 교점이 된다.

도 3a 내지 도 3c는 여러 가지 금속 재료를 스퍼터링 성막하는 경우에서의 타겟의 틸트 각도(θ)와 막 두께 분포와의 관계를 나타내는 그래프이다. 각도면의 세로축은 막 두께 분포 표준편차(σ)의 막 두께에 대한 비율(%)을 나타내고 있다. 또한 Ru(루테늄)의 원자량은 대략 101이고, Co, Ni, Fe의 원자량은 대략 56∼59이며, Ir, Ta 및 Pt의 원자량은 대략 181∼195로서, 원자량이 동등한 원소마다 그래프를 작성하고 있다. 그리고, 도 3a는 TS=210mm인 경우이고, 도 3b는 TS=190mm인 경우이며, 도 3c는 TS=170mm인 경우이다.

도 3b에 도시된 바와 같이, TS=190mm로 하는 경우에는 θ=22°±2°의 범위에서 각 원소의 막 두께 분포가 극소가 되는 것을 알 수 있다. Ru를 성막하는 경우에는 θ=22°에서 막 두께 분포가 거의 O%가 되고 매우 균일한 성막 처리가 이루어지는 것을 알 수 있다. 또한 Ru보다 원자량이 작은 Co나 Ni, Fe 등을 성막하는 경우에는 θ=24°에서 막 두께 분포가 약 0.1%가 되고, Ru보다 원자량이 큰 Ir나 Ta, Pt 등을 성막하는 경우에는 θ=20°에서 막 두께 분포가 약 0.5%가 된다. 따라서, 어느 경우에도 막 두께 분포의 불균일을 1% 이내로 저감할 수 있다

또한 도 3a에 도시된 바와 같이, TS=210mm로 하는 경우에도 θ=22°±2°의 범위에서 각 원소의 막 두께 분포가 극소가 되는 것을 알 수 있다. 그리고, 어느 원소의 경우에도 극소값에서 막 두께 분포의 불균일을 1% 이내로 저감할 수 있다.

또한 도 3c에 도시된 바와 같이, TS=170mm로 하는 경우에도 θ=22°±2°의 범위에서 각 원소의 막 두께 분포가 극소가 되는 것을 알 수 있다. 그리고, 어느 원소의 경우에도 극소값에서 막 두께 분포의 불균일을 1% 이내로 저감할 수 있다.

따라서, 상술한 식(1) 및 식(2)를 만족하도록 타겟을 배치함으로써 기판에 대한 성막 처리의 균질성을 향상시킬 수 있다.

다시 도 1b를 참조하면, 상술한 테이블(62) 및 타겟(64)을 둘러싸도록 스테인레스 등으로 이루어지는 쉴드판(측부 쉴드판(제1 쉴드판)(71) 및 하부 쉴드판(제2 쉴드판)(72)이 마련되어 있다. 측부 쉴드판(71)은 원통 모양으로 형성되고, 챔버(61)의 천정면에서 테이블(62)을 향해 연장되어 있다. 그리고, 그 중심축이 테이블(62)의 회전축선(62a)과 일치하도록 설치되어 있다. 예를 들자면, 측부 쉴드판(71)의 직경은 440mm로 설정되어 있다. 또한 측부 쉴드판(71)의 하단부(제1 영역측 단부)로부터 테이블(62)의 외측 가장자리부에 걸쳐서 하부 쉴드판(72)이 마련되어 있다. 이 하부 쉴드판(72)은 깔때기 모양으로 형성되고 그 중심축이 테이블(62)의 회전축선(62a)과 일치하도록 설치되어 있다.

그리고, 테이블(62)에 적치된 기판(5)의 기판 표면, 하부 쉴드판(72) 및 측부 쉴드판(71), 및 챔버(61)의 천정면에 의해 둘러싸인 공간에, 스퍼터링 처리실(70)이 형성되어 있다. 즉, 기판(5)은 기판 표면을 스퍼터링 처리실(70) 안쪽으로 향한 상태로 테이블(62)에 유지되도록 되어 있다. 이 스퍼터링 처리실(70)은 축 대칭 형상으로 되어 있으며 그 대칭축은 테이블(62)의 회전축선(62a)과 일치하고 있다. 이렇게 함으로써, 기판(5)의 각 부분에 대해서 균질인 스퍼터링 처리를 할 수 있게 되고 막 두께 분포의 불균일을 저감할 수 있다. 상술한 스퍼터링 처리실(70)에는 스퍼터링 가스를 공급하는 스퍼터링 가스공급 수단(미도시)이 마련되어 있다. 또한 챔버(61)에는 배기구(69)가 마련되고 도시하지 않은 배기 펌프에 접속되어 있다.

도 2는 도 1b의 B부의 확대도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 테이블(62)에 적치되는 기판(5)의 표면과 하부 쉴드판(72)의 경사면이 이루는 각도(￠)는 20°이하 0° 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 기판(5)의 외측 가장자리부에서의 막 두께 분포의 균일성이 하부 쉴드판(72)의 영향에 의해 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한 하부 쉴드판(72)의 외주부와 측부 쉴드판(71)의 하단부 사이에는 배기 슬릿(74)이 형성되어 있다. 이 배기 슬릿(74)은 스퍼터링 처리실(70)의 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다. 이렇게 함으로써, 스퍼터링 처리실(70)의 내부에서의 배기 유로가 축 대칭이 되어 기판(5)에서의 막 두께 분포의 불균일을 저감할 수 있다. 더욱이, 하부 쉴드판(72)의 내측 가장자리는 테이블(62)에 적치되는 기판(5)의 외측 가장자리부보다 안쪽에 배치되어 있다. 이렇게 함으로써, 스퍼터링 처리실(70) 내의 가스 등이 기판(5)의 측면으로 돌아 들어가는 것을 방지할 수 있게 되고 오염을 억제할 수 있다.

(성막 방법)

다음으로, 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치를 사용하여 기판의 표면에 성막 처리를 하는 방법에 대해서 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다.

우선, 테이블(62)에 기판(5)을 적치하고 스퍼터링 처리실(70)을 진공으로 한다(진공 퍼지 공정). 다음으로, 스퍼터링 처리실(70)에 아르곤 등의 스퍼터링 가스를 주입하고 플라즈마를 발생시킨다(성막 공정). 그러면 스퍼터링 가스의 이온이 음극인 타겟(64)에 충돌하고, 타겟(64)으로부터 성막 재료의 원자가 튀어 나와 기판(5)에 부착된다. 이때, 타겟 표면에 자계(磁界)를 인가하여 타겟 부근에 고밀도 플라즈마를 생성시킴으로써 성막 속도를 고속화시킬 수 있다.

성막 처리는 테이블(62)에 의해 기판(5)을 회전시키면서 수행한다. 기판(5)의 회전수는 30rpm 이상으로 하는 것이 바람직하며, 예를 들어 120rpm 정도로 설정하면 좋다. 회전수가 작으면 막 두께 분포가 기판의 원주방향으로 평균화되지 않기 때문에 기판(5)의 원주방향으로 막 두께 분포의 불균일이 발생하기 때문이다. 특히, 늦은 성막 속도로 얇은 피막을 형성하는 경우에는 막 두께 분포의 불균일의 영향이 더욱 두드러지게 된다. 예를 들어, 1초당 1옴스트롱 정도의 성막 속도로 막 두께 100옴스트롱 이하의 피막을 형성하는 경우에 기판(5)의 회전수를 60rpm 미만으로 하면 막 두께 분포의 불균일이 1% 이상이 될 우려가 있다.

현실적인 성막 조건의 범위에서는 기판(5)의 회전수를 30rpm 이상으로 함으로써 막 두께 분포의 불균일을 1% 이내로 억제할 수 있는 것이다.

120rpm 이상에서는 그 효과에 차이는 보이지 않았으나 장치의 구성으로부터 확인 가능한 최대 회전수는 300rpm 이었다. 그 때문에, 30rpm 이상 300rpm 이하가 바람직한 회전수라고 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치 및 성막 방법에 의하면, 막 두께 분포의 불균일을 저감할 수 있다. 즉, 많은 종류의 타겟 재료에 대하여 불균일이 1% 이하의 막 두께 분포를 실현할 수 있다. 예컨대, Al에 대하여 0.26%, Ta에 대하여 0.42%, PtMn에 대하여 0.71%, CoFe에 대하여 0.47%, NiFe에 대하여 0.39%, Ru에 대하여 0.20%의 막 두께 분포를 실현할 수 있다. 이렇게 함으로써, 반도체 디바이스에 많이 이용되는 Cu나 Ta, Al 등은 물론, 자성 재료인 CoFe나 NiTe, PtMn, IrMn 등 또는 비자성 금속인 Ru 등에 대해서도 동일하게 양호한 막 두 께 분포를 얻을 수 있다.

그리고, 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치 및 성막 방법을 사용하여 자성 다층막을 형성함으로써 각 층 내의 막 두께 분포의 불균일을 저감할 수 있다. 특히, 터널 접합 소자를 형성하는 경우에는 터널 배리어층을 평탄하게 형성할 수 있기 때문에 기판상의 위치에 의한 터널 접합 소자의 저항값의 편차를 저감 할 수 있다. 또한 자유층을 평탄하게 형성할 수 있기 때문에 터널 접합 소자에서의 자유층의 자화가 균일화되고, 자유층의 자화 방향을 반전시키기 때문에 인가하는 자기장의 분산의 저감 등 대구경 웨이퍼 상에서 균일한 성능을 가지는 MRAM 소자의 생산에 있어서 매우 중요하다.

본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시형태에 한정되지 않으며 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 상술한 실시형태에 여러 가지 변경을 추가한 것을 포함한다. 즉, 실시형태에서 예로 든 구체적인 재료나 구성 등은 극히 일예에 불과하며 적절히 변경할 수 있다.

예를 들어, 상술한 실시형태에서는 챔버의 저면 부근에 테이블을 배치하고 천정면 부근에 타겟을 배치하였으나 상하 반전하여 챔버의 저면 부근에 타겟을 배치하고 천정면 부근에 테이블을 배치할 수도 있다. 또한 상술한 실시형태에서는 테이블의 회전축선에 기판의 중심을 일치시켜 기판을 배치하였으나 테이블의 회전축선에 대해서 기판의 중심을 오프셋시켜 기판을 배치할 수도 있다. 또한 테이블 상에 복수의 기판을 배치하여 동시에 성막 처리를 할 수도 있다.

본 발명은 자기 헤드를 구성하는 GMR 스핀 밸브나 MRAM을 구성하는 TMR 소자 등 반도체 디바이스를 구성하는 피막의 형성에 적합하다.

Claims (6)

1. 원반형 기판을 회전축선 둘레로 회전시키며 기판 표면에 성막 처리를 하는 스퍼터링 장치에 있어서,

   내부에 스퍼터링 처리실이 형성된 챔버;

   상기 챔버의 제1영역에 마련되고, 상기 기판 표면이 상기 스퍼터링 처리실 내부를 향해 상기 기판을 유지하는 것과 동시에, 상기 기판을 상기 회전축선을 중심으로 하여 상기 기판 표면과 평행한 면내에서 회전시키는 테이블; 및

   상기 스퍼터링 처리실을 사이에 두고 상기 제1영역과 반대측에 위치한 상기 챔버의 제2영역에 있어서, 상기 회전축선으로부터 떨어진 위치에 마련되고, 상기 기판과 상기 스퍼터링 처리실 내에서 대향하는 음극 표면을 갖는 스퍼터링 음극;을 구비하고,

   상기 회전축선으로부터 상기 기판의 외측 가장자리부까지의 거리를 R이라고 하고, 상기 회전축선으로부터 상기 음극 표면의 중심점까지의 거리를 OF라고 하고, 상기 기판 표면으로부터 상기 음극 표면의 중심점까지의 높이를 TS라고 하면, 대략

   R:OF:TS=100:175:190±20

   의 관계를 만족하는 동시에,

   상기 회전축선과, 상기 음극 표면의 중심점을 지나는 법선이 교차하고, 그 교차 각도가 22°±2°의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기판을 둘러싸는 쉴드판이 상기 회전축선을 중심축으로 하여 축 대칭 형상으로 설치되고,

   상기 스퍼터링 처리실은 상기 쉴드판과 상기 기판 표면으로 둘러싸인 내측 공간에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 쉴드판은,

   상기 제 2영역으로부터 상기 제1 영역을 향해 원통 모양을 이루며 연장되는 제1 쉴드판과,

   상기 제1쉴드판의 상기 제1영역측 단부로부터 상기 기판의 외측 가장자리부에 걸쳐 연장되는 깔때기 모양의 제2쉴드판을 구비하고,

   상기 기판 표면에 대한 상기 제2쉴드판의 경사 각도가 20°이하로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 장치를 사용한 성막 방법에 있어서,

   상기 테이블에 상기 기판을 유지시키고, 상기 스퍼터링 처리실 내부를 진공으로 하는 진공 퍼지 공정과,

   상기 테이블에 의해 상기 기판을 회전시키며, 상기 스퍼터링 처리실 내부에 스퍼터링 가스를 주입하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 기판 표면에 성막 처리를 하는 성막 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 기판을 30rpm 이상의 회전수로 회전시키는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 성막 공정에서는 자성층을 포함하는 다층막을 형성하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.

Images