KR20100049686A - 진공박막 형성가공장치 - Google Patents

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요시노리 나가미네
칸토 나카무라
코지 츠네카와
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캐논 아네르바 가부시키가이샤
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Abstract

기판상의 셀프-바이어스를 항상 일정한 값으로 자동 조정하고 우수한 공정 재현성을 갖는 고품질의 절연막을 형성하기 위해, 본 발명에 따른 진공박막 형성가공장치는 챔버와, 상기 챔버의 내부를 배기하기 위한 배기수단과, 상기 챔버에 가스를 공급하기 위한 가스 도입수단과, 상기 챔버에 제공된 기판 홀더와, 상기 기판 홀더내에 제공된 전극과, 물리기상증착(PVD)챔버, 화학기상증착(CVD)챔버, 물리적 에칭챔버, 화학적 에칭챔버, 기판 가열챔버, 기판 냉각챔버, 산화처리챔버, 환원처리챔버 및 애싱챔버를 포함한 그룹에서 선택될 수 있는 적어도 하나의 처리챔버를 구비하는 고주파 스퍼터링 장치를 구비하고, 상기 고주파 스퍼터링 장치는 상기 기판 홀더에 기판의 전위를 조정하기 위해 전극에 전기적으로 연결된 가변 임피던스 장치를 더 구비한다.

Description

진공박막 형성가공장치{Vacuum Thin Film Forming Apparatus}
본 발명은 자기디스크 드라이브 장치의 자기재생 헤드, 자기 메모리(MRAM)의 기억소자, 및 자기 센서에 관한 것이다.
터널 장벽층으로서 절연막(MgO)을 이용한 터널 자기저항박막은 실온에서 200% 이상의 매우 큰 자기저항(변화)율을 나타내므로, 따라서 재생 자기헤드 및 MRAM의 기억소자에 적용이 예상된다. 자기 헤드의 고해상도 및 MRAM의 고집적화를 위해 소자 크기를 줄이는 것이 요구되고, 고속 데이터 전송을 보장하기 위해 접합저항을 줄이는 것이 필수불가결하다. 터널 장벽층(MgO)의 박막 두께를 줄임으로써 접합저항을 줄일 수 있으나, 자기저항(변화)율도 또한 동시에 줄어드는 문제가 발생한다. 이는 MgO 박막성장의 초기단계에서 불균일 결정배향에 기인한 것일 수 있다.
고주파 스퍼터링은 바이어스 전압이 플라즈마와 접촉하는 구조에 쉽게 가해지고 플라즈마로부터 전위차에 의해 가속된 플라즈마로부터 양이온들의 유입을 피할 수 없기 때문에 성막동안 기판 또는 박막이 손상되는 문제가 있다. 또한, 기판 전위는 절연막이 기판에 증착될 때 점차적으로 변하는 것을 고려해야 한다.
특허문헌1은 고주파 스프터링 장치에서 기판 전극에 제공된 가변 저항의 저항값을 변경함으로써 양극 전극에 대한 기판 전극의 전위를 바꿀 수 있는 기술을 개시하고 있다. 특허문헌2는 기판에 입사된 입자들을 제어하기 위한 전극이 기판과 타겟 사이에 제공되는 고주파 스퍼터링 장치를 개시하고 있다.
(특허문헌 1) JP 특개평 9-3202464 A
(특허문헌 2) JP 특개평 6-179968 A
종래 고주파 스프터링 방법에서, 절연막 형성시 공정 재현성을 확보하기가 어렵다. 절연막이 실드와 기판 홀더에 배치되기 때문에, 전위가 시간에 따라 변하고, 따라서 플라즈마 상태와 기판에 셀프-바이어스의 크기를 일정히 유지하는 것이 불가능하다. 이로 인해, 품질이 각 피처리 기판에 대해 달라진다. 특히, 동일 성막기기에서 금속 박막 형성시, 품질의 변화가 현저할 수 있다. 또한 기판이 전기적으로 도전성인 경우, 기판에 대한 셀프-바이어스의 크기는 절연막이 기판에 배치되는 시간에 따라 변한다. 본 발명의 목적은 항상 고정된 값으로 기판의 셀프-바이어스를 자동 조절하고 훌륭한 공정 재현성을 갖는 고품질의 절연막을 형성하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 진공박막 형성가공장치는 챔버와, 상기 챔버의 내부를 배기하기 위한 배기수단과, 상기 챔버에 가스를 공급하기 위한 가스 도입수단과, 상기 챔버에 제공된 기판 홀더와, 상기 기판 홀더내에 제공된 전극과, 물리기상증착(PVD)챔버, 화학기상증착(CVD)챔버, 물리적 에칭챔버, 화학적 에칭챔버, 기판 가열챔버, 기판 냉각챔버, 산화처리챔버, 환원처리챔버 및 애싱챔버(ashing chamber)를 포함한 그룹에서 선택될 수 있는 적어도 하나의 처리챔버를 구비하는 고주파 스퍼터링 장치를 구비하고, 상기 고주파 스퍼터링 장치는 상기 기판 홀더에 기판의 전위를 조정하기 위해 전극에 전기적으로 연결된 가변 임피던스 장치를 더 구비한다.
가변 임피던스 장치로 기판에 인가된 셀프-바이어스의 크기를 제어하는 본 발명의 진공박막 형성가공장치에 따르면, 기판에 대한 셀프-바이어스를 상수 값으로 자동 조정하고 탁월한 공정 재현성을 갖는 고품질의 박막을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고주파 스퍼터링 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고주파 스퍼터링 장치를 이용한 성막방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 고주파 스퍼터링 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스퍼터링 장치를 포함한 진공박막 형성가공장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스퍼터링 장치를 이용하여 제조된 자기저항 박막의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 스퍼터링 장치를 이용해 제조된 처리 기판의 개수에 대한 접합저항의 변화를 도시한 도표이다.
도 1은 본 발명의 특성을 나타내는 고주파 스퍼터링 장치(1)의 개략도이다. 본 발명이 적용될 수 있는 고주파 스퍼터링 장치(1)의 구성이 도 1을 참조로 기술되어 있다. 스퍼터링 장치(1)는 스퍼터링 음극(13a 및 13b)을 구비하고, 각각의 음극(13a 및 13b)은 타겟 마운팅 베이스(target mounting base)를 포함한다. 음극(13a 및 13b)의 타겟 마운팅 베이스상에, 타겟(5a 및 5b)이 각각 장착된다. 본 실시예에서, 타겟(5a)은 절연물 MgO 타겟이고, 타겟(5b)은 금속 Ta 타겟이다. 그러나, 사용자가 선택에 의해 타겟을 적절히 바꿀 수 있다. 음극(13a)은 고주파 전원(6)에 연결되고 음극(13)은 DC 전원(15)에 연결되어 있다. 스퍼터링 장치(1)는 스퍼터링 받게 되는 기판(2)을 장착하기 위한 기판 마운팅 베이스가 제공된 기판 홀더(3)와, 타겟(5)으로부터 방출된 스퍼터링 입자들이 진공챔버(16)에 붙는 것을 방지하는 금속 실드(7)를 더 구비한다. 음극(13a 및 13b)의 각각의 타겟 마운팅 베이스는 그 표면이 기판 홀더(3)의 기판 마운팅 베이스와 나란하지 않도록 설치된다. 여기서, 바람직하게는, 타겟(5a 및 5b)의 직경은 기판 홀더(3)의 직경과 같거나 작다.
기판 홀더(3)내에 제공된 전극(12)에, 가변 임피던스 장치(4)는 전기적으로 연결되어 있다. 가변 임피던스 장치(4)는 커패시터(C)와 코일(L)을 조합한 임피던스 매칭회로를 포함한다. 또한, 상기 가변 임피던스 장치(4)에는 임피던스 제어부(9)와 고주파 전원(11)이 입력 검출기(10)를 통해 연결되어 있다. Ar과 같은 가스가 가스공급장치(14)에 의해 챔버(16)의 내부로 공급된다. 개략적으로 도시하지 않았으나, 스퍼터링 장치(1)는 또한 챔버(16) 내부로부터 가스를 배기하기 위한 가스 배기수단을 구비한다.
도 2를 참조로 고주파 스퍼터링 장치(1)를 이용한 성막방법을 설명한다. 본 실시예에 사용된 고주파 스퍼터링 장치(1)는 직경이 D인 스퍼터링 음극(13)에 장착된 타겟(5)의 중앙축선(A)이 직경이 d인 기판(2)의 법선(H)에 대해 각(θ)을 이루도록 설치가 이루어져, 상기 법선(H)과 상기 중앙축선(A)의 교차점(P) 및 기판(2)을 포함한 면 사이의 오프셋트 거리(F)가 적절히 결정되며, 타겟(5)과 기판(2) 사이의 거리(L)도 적절히 결정되고, 그런 후 스퍼터링이 수행되는 방법 및 장치를 이용해, 기판(2)의 직경(d)과 타겟(5)의 직경(D) 간의 비율, 각(θ), 및 거리(F,L)의 값들이 하기와 같이 설정되는 것이 그 특징이다. O는 기판(2)의 중심점을 나타내고, B는 상기 중심점(O)을 지나는 기판(2)의 중앙축선을 나타낸다.
상기 구성은 각(θ)이 15°≤θ≤45°, 거리(F)가 50㎜≤F≤400㎜, 거리(L)가 50㎜≤L≤800㎜를 만족하도록 이루어지며, θ는 30°, F는 250㎜, L은 346.6㎜로 설정된다.
성막동안, 박막에 불순물이 혼합되지 않은 박막을 형성하기 위해 진공챔버속 압력은 약 10-7Pa 이하로 유지된다. Ar 가스가 가스공급장치(14)에 의해 진공챔버에 도입되고 고주파 전력(13.56MHz 에서 60MHz)이 고주파 전원(6)에 의해 음극(13a)에 인가될 경우, 플라즈마가 진공챔버(16)에 발생된다. 플라즈마에서 발생된 Ar 이온은 타겟(5)과 충돌하고, 스퍼터 입자로서 기판(2)에 MgO 박막이 형성된다.
상술한 바와 같이, 절연물(MgO) 타겟(5a)에 고주파 전력을 인가해 스퍼터링이 수행되는 경우, 부유전위(floating potential)에서 기판 홀더(3)는 플라즈마 발생에 의해 쉽게 음의 전압으로 충전된다. 이로 인해, 셀프-바이어스가 기판(2)에 작용한다. 상기 플라즈마로부터 양의 Ar 이온은 플라즈마의 양의 전위와 기판의 음의 전위 사이의 전위차에 의해 가속되어 기판(2)으로 흐르며, 따라서 기판(2)과 성막동안 박막이 손상된다. 이 문제를 대처하기 위해, 본 발명에 따른 스퍼터링 장치(1)는 가변 임피던스 장치(4)를 구비한다.
본 발명의 주요부인 가변 임피던스 장치(4)를 이용한 매칭방법을 설명한다. 기판 홀더(3)에 제공된 전극(12)에, 가변 임피던스 장치(4)가 연결되고 상기 가변 임피던스 장치(4)에는 고주파 전원(11)이 또한 연결된다. 작은 바이어스 전력이 고주파 전원(11)으로부터 기판 홀더(3)에 인가된다. 여기서, 인가된 바이어스 전압은 성막동안 박막을 파괴시키지 않을 정도로 작은 전력(4W)을 갖는다.
입력 검출기(10)는 고주파 전원(11)의 입력파와 매칭이 확립되지 않고 전력이 소비되지 않을 때 발생된 반사파를 검출하고, 상기 파들을 임피던스 제어부(9)에 입력시킨다. 임피던스 제어부(9)는 입력 검출기로 보내진 입력파의 값과 전극측의 반사파의 값을 기초로 가변 임피던스 장치(4)를 제어한다. 보다 상세하게, 임피던스 제어부(9)는 가변 임피던스 장치(4)에 포함된 임피던스 매칭 회로의 커패시터(C1,C2)와 코일(L1,L2)의 비율을 적절히 조정하고, 상술한 반사파가 검출되지 않도록 상기 가변 임피던스 장치(4)를 제어한다. 도 1에서, 커패시터(C1,C2) 및 코일(L1,L2) 만이 개략적으로 도시되어 있으나, 커패시터(C)와 코일(L) 또는 실시예에 따른 설계를 변경함으로써 이들의 조합을 적절히 선택할 수 있다. 반사파가 검출되지 않고 입력파만 검출되면, 상기 가변 임피던스 장치(4)는 매칭이 확립된 것으로, 즉, 기판(2)에 셀프-바이어스가 0인 것으로 판단한다.
상술한 바와 같이, 바이어스 전력(전력 진행파)을 기판(2)에 인가하고 상기 반사파의 검출을 기초로 상기 가변 임피던스 장치(4)를 제어함으로써, 자동 매칭을 확립할 수 있다. 상기 가변 임피던스 장치(4)를 이용한 기판(2)의 전위를 조정함으로써, 플라즈마로부터 유입된 양의 이온들의 입사 에너지를 최적화할 수 있다.
MgO와는 다른 금속박막(예컨대, Ta)이 고주파 스퍼터링 장치(1)에 형성되는 경우, MgO 박막 뿐만 아니라 Ta 박막이 실드(7) 또는 진공챔버(16)의 내벽에 부착된다. 여기서 언급한 실드(7)는 박막이 진공챔버(16)에 부착되는 것을 방지하기 위해 제공되며 장치 사용자에 의해 다른 것으로 대체될 수 있다. 실드(7)의 전위는 성막처리되는 박막의 개수 또는 복수의 박막의 부착에 따른 시간에 따라 변한다. 따라서, 박막의 균질성 및 균일성이 상실되는 문제가 발생하나, 이 문제는 본 발명의 가변 임피던스 장치(4)를 구비한 고주파 스퍼터링 장치(1)의 사용에 의해 해결될 수 있다. 또한, 절연박막이 전기 전도성 기판(2)에 점진적으로 증착됨으로써, 기판(2)의 전위가 시간에 따라 변한다. 즉, 절연물이 정전용량으로서 전기적으로 작용하기 때문에, MgO 박막이 증착된 기판의 전위가 변한다. 본 발명에 따르면, 또한 값을 최적화하기 위해 기판의 전위를 항상 조정할 수 있다.
다음, 도 3을 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(2)이 장착되는 기판 홀더(3)내에 전극(12)이 제공된다. 전극(12)상에, 플라즈마로부터 전자의 유입을 취함으로써 전류값을 검출하는 유입 전자검출센서(Vdc 검출센서)(17)가 제공된다. 여기서, Vdc는 접지와 기판 간의 전위차를 의미한다. 본 실시예에서 고주파 스퍼터링 장치에는 방전검출센서(17)에 의해 검출된 전류를 Vdc로 변환시키는 연산부(8a)를 포함하는 연산회로(8)와, 상기 연산회로(8)로부터 Vdc 신호를 연산처리되게 하고 상기 가변 임피던스 장치(4)의 임피던스를 제어하는 임피던스 제어회로부(9)가 제공된다. 상기 가변 임피던스 장치(4)는 커패시터(C)와 코일(L)을 결합해 구성된 임피던스 매칭회로를 포함하고 상기 기판 홀더(3)내에 제공된 전극(12)에 전기연결되어 있다. 제 1 실시예의 고주파 스퍼터링 장치와는 달리 고주파 전원을 사용할 필요가 없다.
본 실시예의 고주파 스퍼터링 장치의 동작을 설명한다. Vdc 검출센서(17)는 플라즈마에서 기판(2)으로 유입한 유입전자에서 취하여 전류 값을 검출한다. 검출된 고주파 전류값으로부터, 직류전류 성분만이 Vdc 연산회로(8)의 LC 전류에 의해 취해지고 Vdc는 옴 법칙을 기초로 연산부(8a)에 의해 도출된다. Vdc 연산회로(8a)에 의해 계산된 Vdc를 기초로, 임피던스 제어부(9)는 상기 Vdc가 상기 가변 임피던스 장치(4)를 구성하는 커패시터(C1,C2) 및 코일(L1,L2) 간의 비를 적절히 조정해 0이 되도록 가변 임피던스(4)를 조정한다. 도 3에서, 커패시터(C1,C2) 및 코일(L1,L2)만이 개략적으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라 커패시터(C)와 코일(L)의 선택 및 조합의 설계를 적절히 변경할 수 있다. 기판이 임피던스 변화로 인해 큰 음 전위를 갖게 되면, 박막구조는 유입이온에 의해 파괴된다. 반대로, 기판의 전위가 너무 접지에 가까워지면, 유입 전자들이 박막을 통해 접지로 흘러가고 상기 박막구조는 전류에 의해 파괴된다. 최적 임피던스가 사이에 존재한다. 본 실시예에 도시된 바와 같이, Vdc와 같은 방전 파라미터를 모니터링하고 자동 피드백을 제공하여 임피던스를 변경함으로써, 기판의 전위를 최적 전위로 항상 조정할 수 있고, 상기 기판의 전위는 절연박막이 점진적으로 전기 도전성 기판(2)과 전기 도전성 실드(7)에 증착됨에 따라 시간에 따라 변한다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 스퍼터링 장치(1)를 포함하고, 터널 자기저항 박막을 제조하기 위한 진공박막 형성가공장치(400)의 전반적인 구성도를 도시한 것이다. 진공박막 형성가공장치(400)는 클러스터 타입이며 복수의 진공처리챔버(411, 421, 431, 441, 및 451)를 구비한다. 진공처리챔버는 적어도 물리기상증착(PVD)챔버, 화학기상증착(CVD)챔버, 물리에칭챔버, 화학에칭챔버, 기판가열챔버, 기판냉각챔버, 산화처리챔버, 환원처리챔버, 및 애싱챔버를 포함하나, 이에 국한되지 않는다. 진공운송로봇(482a 및 482b)을 구비한 진공기판 운송챔버(481)가 중앙위치에 설치되고 각 진공처리챔버는 진공운송챔버를 통해 서로 연결된다. 진공운송로봇(482a 및 482b)은 기판을 장착하기 위해 신장/수축성 암(483a,483b) 및 핸즈(484a,484b)를 구비한다. 암(483a,483b)의 기단부는 진공기판 운송챔버(481)에 회전가능하게 부착된다. 도 4에 도시된 진공박막 형성가공장치(400)의 진공기판 운송챔버(481)에는 로드락 챔버(load lock chamber)(465 및 475)가 제공된다. 로드락 챔버(465 및 475)에 의해, 피처리 기판은 외부로부터 진공박막 형성가공장치(400)로 운송되고, 동시에, 자기다층막을 이루도록 처리된 기판은 상기 진공박막 형성가공장치(400)를 나와 밖으로 운송된다. 진공기판 운송챔버(481)와 각각의 로드락 챔버(465 및 475) 사이에, 양 챔버를 분리하고 필요시 자유롭게 개폐할 수 있는 게이트 밸브(490f 및 490g)가 각각 제공된다. 도 4에 도시된 진공박막 형성가공장치(400)에는 진공기판 운송챔버(481)의 주위에 4개의 성막챔버(411, 421, 431, 및 451)와 하나의 전처리 챔버(441)가 제공된다. 상기 진공기판 운송챔버(481)와 상기 처리 챔버들 사이에, 챔버들을 분리하고 필요시 자유롭게 개폐할 수 있는 게이트 밸브(490a 및 490e)가 각각 제공된다. 각 챔버에 대해, 진공배기수단, 가스도입수단, 전력공급수단 등이 부설되나, 이들은 도면에 미도시되어 있다. 도 4에 도시된 진공박막 형성가공장치(400)의 각각의 스퍼터링 성막챔버(411, 421, 431, 및 451)는 동일 챔버에 자기저항소자를 구성하는 복수의 막들을 연속적으로 형성하기 위한 성막챔버이며, 한 성막챔버에 적어도 하나의 타겟 및 스퍼터링 음극이 제공되어 있다.
스퍼터링 챔버(411)에서, 챔버 바닥의 중앙에 있는 기판 홀더(412)에 배치된 기판(413)에 대해, Ta 타겟(414a) 및 MgO 타겟(414b)은 미도시 되었으나 스퍼터링 음극을 통해 각각 천장부에 배치되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 또한 스퍼터링 챔버(411)에 타겟(414c 및 414d)을 장착하고 실시예에 따라 적절하게 이들을 이용할 수 있다. 진공기판 운송챔버(481)와 스퍼터링 챔버(411) 사이에, 양 챔버를 분리하고 필요시 자유롭게 개폐할 수 있는 게이트 밸브(490e)가 제공된다.
스퍼터링 챔버(421)에서, 챔버 바닥의 중앙에 있는 기판 홀더(422)에 배치된 기판(423)에 대해, Ru 타겟(424a), IrMn 타겟(424b), 70CoFe 타겟(424c) 및 CoFeB 타겟(434d)이 미도시 되었으나 스퍼터링 음극을 통해 천장부에 각각 배치되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 또한 스퍼터링 챔버(421)상에 타겟(424e)을 장착하고 실시예에 따라 적절하게 이를 이용할 수 있다. 진공기판 운송챔버(481)와 스퍼터링 챔버(411) 사이에, 양 챔버를 분리하고 필요시 자유롭게 개폐할 수 있는 게이트 밸브(490d)가 제공된다.
스퍼터링 챔버(431)에서, 챔버 바닥의 중앙에 있는 기판 홀더(432)에 배치된 기판(433)에 대해, Ta 타겟(434a), Cu 타겟(434b)이 미도시 되었으나 스퍼터링 음극을 통해 각각 배치되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 또한 스퍼터링 챔버(431)상에 타겟(434c, 434d, 및 434e)을 장착하고 실시예에 따라 적절하게 이를 이용할 수 있다. 진공기판 운송챔버(481)와 스퍼터링 챔버(411) 사이에, 양 챔버를 분리하고 필요시 자유롭게 개폐할 수 있는 게이트 밸브(490c)가 제공된다.
스퍼터링 챔버(441)에서, 챔버 바닥의 중앙에 있는 기판 홀더(442)에 배치된 기판(443)에 대해, 성막전 기판의 전처리 예컨대 세정이 물리적 에칭에 의해 수행된다. 진공기판 운송챔버(481)와 스퍼터링 챔버(411) 사이에, 양 챔버를 분리하고 필요시 자유롭게 개폐할 수 있는 게이트 밸브(490b)가 제공된다.
스퍼터링 챔버(451)에서, 챔버 바닥의 중심에 있는 기판 홀더(452)에 배치된 기판(453)에 대해, CoFeB 타겟(454a), Ta 타겟(454b), Cu 타겟(454c) 및 Ru 타겟(454d)이 미도시 되었으나 스퍼터링 음극을 통해 청정부에 각각 배치되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 또한 스퍼터링 챔버(451)상에 타겟(454e)을 장착하고 실시예에 따라 적절하게 이를 이용할 수 있다. 진공기판 운송챔버(481)와 스퍼터링 챔버(451) 사이에, 양 챔버를 분리하고 필요시 자유롭게 개폐할 수 있는 게이트 밸브(490a)가 제공된다.
로드락 챔버(465 및 475)을 제외한 모든 챔버들은 1×10-6Pa 이하의 진공챔버이며, 기판이 진공상태에서 진공운송로봇(482a 및 482b)에 의해 각 진공챔버 사이로 이동된다. 스핀 밸브 타입의 터널 자기저항 박막을 형성하기 위한 기판이 제 1 기압으로 설정된 로드락 챔버(465 또는 475)에 배치되고 상기 로드락 챔버(465 또는 475)가 배기된 후, 진공운송로봇(482a 및 482b)에 의해 소정의 진공챔버로 운송된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기본적인 막구성으로 열산화처리기판(501)에, 하부 전극층으로서 Ta 막(502)(50Å) / CuN 막(503)(200Å) / Ta 막(504)(30Å) / CuN막(505)(200Å) / Ta 막(506)(30Å)이, 시드층으로서 Ru 막(507)(50Å)이, 반강자성층으로서 IrMn막(508)(70Å)이, 자화고정층으로서 CoFe 막(509)(25Å) / Ru 막(510)(9Å) / CoFe 막(511)(30Å)이, 그리고 터널장벽층으로서 MgO 막(512)(10Å에서 16Å)이 사용된다. 마지막으로 상부 전극으로서, Ta 막(514)(80Å) / Cu 막(515)(300Å) / Ta 막(516)(50Å) / Ru 막(517)(70Å)이 사용된다.
이런 막구조를 효율적으로 형성하기 위해, 스퍼터링 챔버(411)에 스퍼터링 터널 장벽층용의 MgO와 세정분위기를 만들기 위한 Ta가, 스퍼터링 챔버(421)에 Ru, IrMn, CoFe, CoFeB, 스퍼터링 챔버(431)에 Ta, Cu, 및 스퍼터링 챔버(451)에 CoFeB, Ta, Cu, Ru이 타겟으로 배열되어 있다. 먼저, 기판은 전처리 챔버(441)로 운송되고 분위기에 오염된 표면층은 역 스퍼터링 에칭에 의해 물리적으로 약 2㎚ 제거된 후, 스퍼터링 챔버(431)로 운송되고 Ta 막(502), CuN 막(503), Ta 막(504), CuN 막(505), 및 Ta 막(506)을 포함한 막이 하부 전극층에까지 형성된다. 그 후, 기판은 스퍼터링 챔버(421)로 이동되고, Ru 막(507)을 포함한 시드층과 IrMn막(508), CoFe 막(509), Ru 막(510), 및 CoFeB 막(511)을 포함한 반강자성 조합층이 형성된다. 여기서, 상술한 불투명 스퍼터링 방법을 이용한 터널 장벽층 MgO막(512)을 형성함으로써, 10 내지 16Å 만큼 매우 얇은 MgO가 얻을 수 있다. 터널 장벽층이 형성된 후, 스퍼터링 챔버(451)로 운송되고 CoFeB 막(513)을 포함한 자화자유층과 Ta 막(514), Cu 막(515), Ta 막(516) 및 Ru 막(517)을 포함한 상부 전극층이 형성된 후 기판은 로드락 챔버(465 또는 475)로 되돌아간다.
제조된 터널 자기저항박막이 자기장속의 어닐링 고로에 놓여지고 8kOe 이상의 강도로 일방향으로 평행한 자기장이 가해지면서 소정 온도로 그리고 진공상태에서 소정의 시간 주기동안 어닐링 처리가 수행된다. 상술한 방식으로 완성된 자기저항박막이 도 5에 도시되어 있다. 터널 장벽층(512)이 MgO 막인 자기저항박막이 진공박막형성 가공장치(400)를 이용해 형성될 때, 도 1에 도시된 고주파 스퍼터링 장치(1)를 이용해 MgO 터널 장벽층(512)을 형성함으로써 고성능의 자기저항 박막을 얻을 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 터널 자기저항박막을 이용해 재생 자기헤드, MRAM, 및 자기센서와 같은 MTJ 장치를 제조할 수 있다.
도 6은 처리된 기판(피스)의 개수 대 접합저항 RA(Ω·㎛2)의 변화를 도시한 도표이다. 진공박막형성 가공장치(400)를 이용하고 고주파 스퍼터링 장치(1)에서 MgO 터널 장벽층(512)을 형성해 도 5의 터널 자기저항박막을 제조하는데 있어, a) 가변 임피던스 기구(4)의 커패시터 비율 C1/C2이 고정된 경우와, b) 자동 매칭이 4W 정도로 적은 매우 적은 바이어스 전력을 인가함으로써 수행되고 C1/C2 비율이 자동적으로 제어되는 경우의 기판간 재현성이 비교된다. a) C1/C2비가 고정된 경우, RA는 처리된 기판의 개수사 증가함에 따라 증가한다. 이는 MgO 막 두께가 증가하기 때문이다. 다른 한편으로, b) 기판 전위와 플라즈마 상태를 일정하게 유지하기 위해 항상 임피던스가 조정되는 경우, a)의 경우에서와 같이 RA의 점진적인 증가는 관찰되지 않으나 공정 재현성이 향상된다. 본 실시예에서, MgO는 절연막으로서 사용되고 재현성의 검사도 터널 자기저항박막의 RA를 이용해 행해지나, 본 발명은 다른 절연막의 경우 공정 재현성을 향상시키는 것과 같이 효과적인 것으로 생각될 수 있다.
상술한 실시예는 본 발명의 범위를 국한하는 것이 아니며, 본 실시예의 교시와 제안들을 기초로 특허청구범위의 주제 내용을 구현하기 위해 상술한 실시예를 적절히 변형할 수 있다.
1. 고주파 스퍼터링 장치
3. 기판 홀더
4. 가변 임피던스 장치
8. Vdc 연산회로
9. 임피던스 제어부
10. 입력 검출기
11. 고주파 전원

Claims (6)

  1. 챔버와,
    상기 챔버의 내부를 배기하기 위한 배기수단과,
    상기 챔버에 가스를 공급하기 위한 가스 도입수단과,
    상기 챔버에 제공된 기판 홀더와,
    상기 기판 홀더내에 제공된 전극과,
    물리기상증착(PVD)챔버, 화학기상증착(CVD)챔버, 물리적 에칭챔버, 화학적 에칭챔버, 기판 가열챔버, 기판 냉각챔버, 산화처리챔버, 환원처리챔버 및 애싱챔버(ashing chamber)를 포함한 그룹에서 선택될 수 있는 적어도 하나의 처리챔버를 구비하는 고주파 스퍼터링 장치를 구비하고,
    상기 고주파 스퍼터링 장치는 상기 기판 홀더에 기판의 전위를 조정하기 위해 전극에 전기적으로 연결된 가변 임피던스 장치를 더 구비하는 진공박막 형성가공장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 스퍼터링 장치와 상기 적어도 하나의 진공처리챔버는 진공운송챔버를 통해 서로 연결되는 진공박막 형성가공장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고주파 스퍼터링 장치는
    유입 전자를 검출하기 위한 전극에 제공된 유입전자 검출수단과,
    상기 유입전자 검출수단에 의해 검출된 전류를 기판 전위로 변환하기 위한 연산회로와,
    상기 가변 임피던스 장치를 제어하기 위해 상기 연산회로에서 나온 기판 전위신호에 대한 연산처리를 수행하는 제어회로를 더 구비하는 진공박막 형성가공장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극에 입력전력을 공급하는 바이어스 전력공급용 고주파 전원과,
    상기 고주파 전원으로부터의 입사파와 상기 전극측으로부터의 반사파를 검출하기 위해 상기 바이어스 전력공급용 고주파 전원에 연결된 검출기와,
    상기 검출된 입사파와 반사파를 기초로 반사파가 검출되지 않도록 가변 임피던스 구조를 제어하는 제어회로를 더 구비하는 진공박막 형성가공장치.
  5. 제 1 항에 따른 진공박막 형성가공장치에 의해 형성된 자기저항 박막을 갖는 MTJ 디바이스.
  6. 제 1 항에 따른 진공박막 형성가공장치를 이용한 박막형성방법으로서,
    고주파 스퍼터링 장치를 이용한 매칭단계와,
    적어도 하나의 진공처리장치에 기판을 진공처리하는 진공처리단계를 포함하는 박막형성방법.
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