KR20100094473A

KR20100094473A - 스퍼터 장치 및 성막방법

Info

Publication number: KR20100094473A
Application number: KR1020107011295A
Authority: KR
Inventors: 유키오 기쿠치
Original assignee: 가부시키가이샤 아루박
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-08-26
Also published as: CN101868561B; CN101868561A; JP5301458B2; JPWO2009069672A1; WO2009069672A1; TWI391513B; TW200940734A; KR101706192B1; US20100258430A1

Abstract

기판의 표면에 성막처리를 행하는 스퍼터 장치로서, 상기 기판이 놓여지는 테이블; 이 테이블에 놓인 상기 기판의 법선에 대해 중심축이 경사지도록 배치된 복수의 타겟; 상기 각 타겟과 상기 기판 사이에 상기 기판의 주위를 둘러싸도록 설치된 복수의 자기장 인가 수단;을 구비하고, 이들 자기장 인가 수단은, 상기 기판의 주연부분의 상방에, 상기 기판의 표면과 평행한 수평 자기장 성분을 갖는 자기장을 발생시킨다.

Description

스퍼터 장치 및 성막방법{Sputtering apparatus, and filming method}

본 발명은 스퍼터 장치 및 성막방법에 관한 것이다.

본원은 2007년 11월 28일에 일본 출원된 일본 특허출원 제2007-307817호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래부터 MRAM(Magnetic Random Access Memory)를 구성하는 터널 접합 자기 저항(Tunneling Magnetic Resistive:TMR) 소자 등 반도체 디바이스를 구성하는 피막의 형성에 적합한 성막 처리 장치로서 스퍼터 장치가 널리 이용되고 있다.

이 스퍼터 장치의 일례로서, 기판이 놓여지는 테이블과 기판의 법선 방향에 대해 경사지도록 배치된 복수의 타겟이 처리 챔버 내에 설치된 것이 있다. 이러한 스퍼터 장치에서는, 양호한 막두께 분포가 얻어지도록 테이블을 회전시키면서 스퍼터 처리를 한다.

그런데, 최근 개발이 진행되고 있는 MRAM은 TMR막으로 이루어진 터널 접합 소자를 갖고 있다.

도 4a는 터널 접합 소자의 단면도이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 터널 접합 소자(10)는 자성층(고정층)(14), 터널 배리어층(절연층)(15) 및 자성층(프리층)(16) 등을 적층하여 형성되어 있다. 이 터널 배리어층(15)은 MgO막 등으로 이루어진 전기 절연성 재료로 구성되어 있다.

여기서, MgO막 등으로 이루어진 터널 배리어층(15)을 성막할 때에는, 타겟에 포함되는 산소 원자 혹은 스퍼터링시에 도입되는 산소 가스로부터 플라즈마 중에서 산소 이온이 발생하고, 이 산소 이온이 타겟 전위에 의해 가속되어 기판에 입사한다. 전자나 산소 이온 등의 하전 입자가 기판에 입사하면, 터널 배리어층(15)의 결정 배향성에 대해 손상을 주고, 그 결과, 터널 배리어층(15)의 저항값이 증가하는 등 막특성을 손상시키는 문제가 있다.

그 때문에, 터널 배리어층(15)이나 기판에 입사하는 하전 입자를 저감함으로써 손상을 저감하는 것이 중요하다.

그래서, 예를 들면 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, 타겟과 기판 사이에서 기판을 사이에 두고 대향하도록 2장의 영구자석이 배치되어 있는 막형성 장치가 있다. 이 구성에 따르면, 영구자석에 의해 기판의 근방에 편향 자계를 형성함으로써, 기판 방향으로 비행하는 하전 입자의 비행 방향을 편향하여 성막면에 진입하는 것을 억제할 수 있다고 되어 있다.

특허문헌 1: 일본 공개특허 제2000-313958호 공보

그런데, 상술한 바와 같이, 기판을 회전시키면서 복수의 타겟을 이용하여 성막처리를 하는 스퍼터 장치에 있어서는, 양호한 막두께 분포를 얻을 수 있는 한편, 기판의 표면 상에서 막특성이 면 내에서 다른 것에 기인하는 막저항값의 편차가 생기는 문제가 있다.

구체적으로는, 타겟의 축선 방향과 기판의 표면의 교점 부근의 영역, 즉 기판의 주연(周緣)부분에서는 다른 부분과 비교하여 타겟 근방으로부터 입사하는 하전 입자의 비행거리가 짧고, 기판의 표면에 대한 입사각도 작기 때문에, 입사하는 하전 입자의 에너지가 크다. 그 때문에, 터널 배리어층(15)의 결정 배향성에 대한 손상이 국소적으로 커지고, 터널 배리어층(15)의 저항값이 증가한다.

한편, 기판의 주연부분에서 중심부로 향함에 따라 타겟 근방으로부터 입사하는 하전 입자의 비행거리가 길고, 기판의 표면에 대한 입사각도 커지기 때문에, 입사하는 하전 입자의 에너지가 작아진다. 그 때문에, 터널 배리어층(15)의 결정 배향성에 대한 손상은 작아지고, 터널 배리어층(15)의 저항값은 기판의 주연부분에 비해 작아진다. 그 결과, 기판의 표면 상에서 저항 분포에 편차가 생겨 기판의 막특성 분포의 균일성이 저하되는 문제가 있다.

상술한 특허문헌 1과 같은 기판을 사이에 두고 영구자석을 배치하는 구성에서는, 기판의 주연부분에서 자기장이 강한 부분과 약한 부분이 존재하기 때문에, 기판에 입사하는 하전 입자를 균등하게 편향할 수 없다. 그 때문에, 저항값의 편차를 해소할 수 없는 문제가 있다.

특히, 기판 크기가 200mm이상인 대형 기판이 되면, 양호한 막특성의 분포를 얻는 것이 매우 어려워진다.

그래서, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 스퍼터링법에 의한 성막시에, 기판에의 하전 입자의 입사를 기판 전체에 대해 균등하게 억제함으로써 막특성을 향상시킬 수 있는 스퍼터 장치 및 성막방법의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 채용하고 있다. 즉, 본 발명의 스퍼터 장치는, 기판의 표면에 성막처리를 행하는 스퍼터 장치로서, 상기 기판이 놓여지는 테이블; 이 테이블에 놓인 상기 기판의 법선에 대해 중심축이 경사지도록 배치된 복수의 타겟; 상기 각 타겟과 상기 기판 사이에 상기 기판의 주위를 둘러싸도록 설치된 복수의 자기장 인가 수단;을 구비하고, 이들 자기장 인가 수단은, 상기 기판의 주연(周緣)부분의 상방에 상기 기판의 표면과 평행한 수평 자기장 성분을 갖는 자기장을 발생시킨다.

또한, 상기 스퍼터 장치는, 적어도 3개 이상의 상기 자기장 인가 수단을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

상기 스퍼터 장치에 따르면, 테이블에 놓인 기판의 주위를 둘러싸도록 설치된 복수의 자기장 인가 수단에 의해 기판의 상방에, 기판의 표면과 평행한 수평 자기장 성분을 갖는 자기장이 발생한다. 그 때문에, 플라즈마 중에서 발생하는 하전 입자는, 발생한 자기장으로부터 로렌츠 힘을 받아 하전 입자의 비행방향 및 자기장 방향 각각에 직교하는 방향으로 편향된다. 특히, 기판의 주연부분의 상방에 보다 강한 자기장이 발생하므로, 하전 입자의 에너지가 다른 부분보다 큰 기판의 주연부분에서도 하전 입자가 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기판이나 기판 상의 막에의 손상을 저감할 수 있기 때문에, 성막재료의 저항값이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 스퍼터링법에 의한 성막시에 기판에의 하전 입자의 입사가 기판 전체에 대해 균등하게 억제되기 때문에, 기판에 성막되는 성막재료의 막특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 스퍼터 장치는, 상기 테이블을, 상기 테이블에 놓인 상기 기판의 법선에 평행한 회전축 둘레로 회전시키는 회전 기구를 더 구비해도 된다.

이 경우, 회전 기구에 의해 기판을 그 표면에 평행한 면 내에서 회전시키면서 성막을 행할 수 있으므로, 기판의 표면의 각 부에서 균일하게 성막이 행해진다. 그 결과, 양호한 막두께 분포를 달성할 수 있다. 또한, 기판의 주연부분에서 자기장 인가 수단에 의해 발생하는 자기장을 균일하게 인가할 수 있기 때문에, 터널 접합 소자의 하부층에 성막되는 Mg0 등의 터널 배리어층의 초기 성장 과정뿐만 아니라, 터널 배리어층의 모든 성막과정에 있어서 기판이나 기판 상의 막에의 손상을 저감할 수 있다. 그 결과, 특히 수Å~20Å로 매우 얇은 터널 배리어층에 대해서는 모든 성막과정을 통해 그 결정성 등의 막특성을 유지하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 스퍼터 장치는, 적어도 4개 이상이며 짝수개의 상기 자기장 인가 수단을 구비하고; 상기 각 자기장 인가 수단은, 서로 인접하는 상기 각 자기장 인가 수단의 상기 기판측의 극성이 서로 다르게 배치되어 있어도 된다.

이 경우, 기판의 주위를 둘러싸도록 설치된 자기장 인가 수단에 의해 자기장을 발생시킴으로써, 기판의 상방에 자기장이 발생한다. 그 때문에, 플라즈마 중에서 발생하는 하전 입자는, 발생한 자기장으로부터 로렌츠 힘을 받아 하전 입자의 비행방향 및 자기장 방향 각각에 직교하는 방향으로 편향된다.

특히, 자기장 인가 수단을 4개 이상이며, 짝수개 설치함으로써, 기판의 주연부분을 완전히 둘러싸는 자기장을 발생시킬 수 있다. 따라서, 기판의 주연부분의 상방에 보다 강한 자기장이 발생하므로, 하전 입자의 에너지가 다른 부분보다 큰 기판의 주연부분에서도 하전 입자가 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기판이나 기판 상의 막에의 손상을 저감할 수 있기 때문에, Mg0 등을 절연 재료로 하는 TMR막의 터널 저항값의 증가를 억제할 수 있다. 그 결과, 스퍼터링법에 의한 성막시에 터널 절연층의 모든 성막과정에 있어서 기판에의 하전 입자의 입사가 기판 전체에 대해 균등하게 억제되기 때문에, 기판에 성막되는 성막재료의 막특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 각 자기장 인가 수단과 상기 각 타겟이 상기 기판의 둘레방향에서의 동일한 각도 위치에 배치되어 있어도 된다.

이 경우, 상기 자기장 인가 수단과 상기 타겟은 기판의 둘레방향에서의 동일한 각도 위치에 배치되어 있기 때문에, 기판에 입사하는 하전 입자의 에너지가 보다 큰 영역에는 보다 강한 자기장을 발생시키고, 에너지가 보다 작은 영역에는 보다 약한 자기장을 발생시킬 수 있다. 이에 의해, 기판에 입사하는 하전 입자를 균등하게 편향할 수 있다. 그 결과, 기판에의 하전 입자의 입사가 기판 전체에 대해 균등하게 억제되기 때문에, 막특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 각 타겟은 MgO를 성막재료로서 포함하고 있어도 된다.

이 경우, 상술한 바와 같이, 플라즈마 중에서 발생하는 전자 또는 산소 이온이 기판의 표면에 입사하는 것을 막고, 기판이나 기판 상의 막에의 손상을 저감할 수 있기 때문에, 기판 전체면에 결정 배향성이 높은 절연막을 성막할 수 있다.

또한, 상기 스퍼터 장치는, 상기 테이블 및 상기 각 타겟이 배치된 스퍼터실; 이 스퍼터실 내의 진공 배기를 행하는 진공 배기 수단; 상기 스퍼터실 내에 스퍼터 가스를 공급하는 가스 공급 수단; 상기 각 타겟에 전압을 인가하는 전원;을 더 구비하고 있어도 된다.

이 경우, 스퍼터실 내를 진공 배기 수단에 의해 진공화한 후, 가스 공급 수단으로부터 스퍼터실 내로 스퍼터 가스를 도입하고, 전원으로부터 타겟으로 전압을 인가함으로써 플라즈마를 발생시킨다. 그러면, 스퍼터 가스의 이온이, 캐소드인 타겟에 충돌하여 타겟으로부터 성막재료의 원자가 튀어나와 기판에 부착된다. 이에 의해, 기판의 표면에 대해 성막처리를 할 수 있다.

한편, 본 발명의 성막방법은, 기판이 놓여지는 테이블; 이 테이블에 놓인 상기 기판의 법선에 대해 중심축이 경사지도록 배치된 복수의 타겟; 상기 타겟과 상기 기판 사이에 기판의 주위를 둘러싸도록 설치된 복수의 자기장 인가 수단;을 구비하는 스퍼터 장치를 이용한 성막방법으로서, 상기 기판의 주연부분의 상방에, 상기 기판의 표면과 평행한 수평 자기장 성분을 갖는 자기장을 인가하면서 상기 기판의 표면에 성막처리를 한다.

상기 성막방법에 따르면, 테이블에 놓인 기판의 주위를 둘러싸도록 설치된 자기장 인가 수단에 의해, 기판의 상방에, 기판의 표면과 평행한 수평 자기장 성분을 갖는 자기장이 발생한다. 그 때문에, 플라즈마 중에서 발생하는 하전 입자는, 발생한 자기장으로부터 로렌츠 힘을 받아 하전 입자의 비행방향 및 자기장 방향 각각에 직교하는 방향으로 편향된다. 특히, 기판의 주연부분의 상방에 보다 강한 자기장이 발생하므로, 하전 입자의 에너지가 다른 부분보다 큰 기판의 주연부분에서도 하전 입자가 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기판이나 기판 상의 막에의 손상을 저감할 수 있기 때문에, 성막재료의 저항값이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 스퍼터링법에 의한 성막시에 기판에의 하전 입자의 입사가 기판 전체에 대해 균등하게 억제되기 때문에, 기판에 성막되는 성막재료의 막특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판의 주연부분의 상방에 보다 강한 자기장이 발생하므로, 하전 입자의 에너지가 다른 부분보다 큰 기판의 주연부분에서도 하전 입자가 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기판이나 기판 상의 막에의 손상을 저감할 수 있기 때문에, 성막재료의 저항값이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 스퍼터링법에 의한 성막시에, 기판에의 하전 입자의 입사가 기판 전체에 대해 균등하게 억제되기 때문에, 기판에 성막되는 성막재료의 막특성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에서의 터널 접합 소자의 제조 장치의 개략 구성도이다.
도 2a는 동 실시형태에 관한 스퍼터 장치의 사시도이다.
도 2b는 동 실시형태에 관한 스퍼터 장치의 측면 단면도(도 2a의 A-A선에 따른 단면도)이다.
도 3은 도 2a의 B-B선에 따른 단면도이다.
도 4a는 터널 접합 소자의 측단면도이다.
도 4b는 MRAM의 개략 구성도이다.
도 5는 스퍼터 장치의 다른 구성을 나타내는, 도 2a의 B-B선에 상당하는 단면도이다.

다음에, 도면에 기초하여 본 발명의 일실시형태에 관한 스퍼터 장치 및 성막방법에 대해 설명한다. 이하의 설명에 이용하는 각 도면에서는, 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 때문에, 각 부재의 축척을 적절히 변경하고 있다.

(자성 다층막)

우선, 자성층을 포함하는 다층막의 일례인 TMR막을 구비한 터널 접합 소자와, 그 터널 접합 소자를 구비한 MRAM에 대해서 설명한다.

도 4a는 터널 접합 소자의 측면 단면도이다.

터널 접합 소자(10)는, PtMn이나 IrMn 등으로 이루어진 반강자성층(도시생략), NiFe나 CoFe, CoFeB 등으로 이루어진 자성층(고정층)(14), MgO 등으로 이루어진 터널 배리어층(15) 및 NiFe나 CoFe, CoFeB 등으로 이루어진 자성층(프리층)(16)을 주로 하여 구성되어 있다. 실제로는 상기 이외의 기능층도 적층되어 15층 정도의 다층구조로 되어 있다.

도 4b는 터널 접합 소자를 구비한 MRAM의 개략 구성도이다.

MRAM(100)은, 상술한 터널 접합 소자(10) 및 MOSFET(110)를 기판(5) 상에 매트릭스 형상으로 정렬 배치하여 구성되어 있다. 터널 접합 소자(10)의 상단부는 비트선(102)에 접속되고, 그 하단부는 MOSFET(110)의 소스 전극 또는 드레인 전극에 접속되어 있다. 또한, MOSFET(110)의 게이트 전극은 독출용 워드선(104)에 접속되어 있다. 한편, 터널 접합 소자(10)의 하방에는 재기록용 워드선(106)이 배치되어 있다.

도 4a에 도시된 터널 접합 소자(10)에 있어서, 자성층(14)의 자화방향은 일정하게 유지되고, 한편, 프리층(16)의 자화방향은 반전 가능하다. 이들 자성층(14) 및 프리층(16)의 자화방향이 서로 평행한지 반평행한지에 따라 터널 접합 소자(10)의 저항값이 다르다. 즉, 터널 접합 소자(10)의 두께방향으로 전압을 인가한 경우에, 자성층(14) 및 프리층(16)의 자화방향이 서로 평행한지 반평행한지에 따라 터널 배리어층(15)을 흐르는 전류의 크기가 다르다(TMR효과). 따라서, 도 4b에 도시된 독출용 워드선(104)에 의해 MOSFET(110)을 ON으로 하여 그 전류값을 측정함으로써, 「1」 또는 「0」을 독출할 수 있다.

또한, 재기록용 워드선(106)에 전류를 공급하여 그 주위에 자기장을 발생시키면, 프리층(16)의 자화방향을 반전시킬 수 있다. 이에 의해, 「1」 또는 「0」을 재기록할 수 있다.

(터널 접합 소자의 제조 장치)

도 1은 본 실시형태에 관한 터널 접합 소자의 제조 장치(이하, 제조 장치라고 함)의 개략 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 제조 장치(20)는, 기판 반송실(26)을 중심으로 방사형으로 배치된 복수의 스퍼터 장치(21~24)를 구비하고 있다. 제조 장치(20)는, 예를 들면 상술한 터널 접합 소자(10)의 성막공정을 일관하여 행하는 클러스터 타입의 제조 장치이다.

구체적으로, 제조 장치(20)는 성막 전의 기판(5)이 보유지지되는 기판 카세트실(27), 반강자성층의 성막공정을 행하는 제1 스퍼터 장치(21), 자성층(고정층)(14)의 성막공정을 행하는 제2 스퍼터 장치(22), 터널 배리어층(15)의 성막공정을 행하는 스퍼터 장치(제3 스퍼터 장치)(23), 자성층(프리층)(16)의 성막공정을 행하는 제4 스퍼터 장치(24), 각 스퍼터 장치(21~24)에서 성막된 터널 접합 소자(10)의 기판 전처리용 장치(25)를 구비하고 있다. 이에 의해, 제조 장치(20)는, 제조 장치(20) 내에 공급된 기판(5)을 대기에 노출시키지 않고 기판(5) 상에 자성 다층막을 형성할 수 있다.

반강자성층 및 자성층(14, 16)의 성막공정을 행하는 제1, 2, 4 스퍼터 장치(21, 22, 24) 내에는, 반강자성층 및 자성층(14, 16)에 자기 이방성을 부여하기 위한 도시하지 않은 자기장 인가 수단이 설치되어 있다.

여기서, 본 실시형태에 관한 스퍼터 장치로서, 터널 배리어층(15)의 성막공정을 행하는 스퍼터 장치(23)에 대해 보다 상세하게 설명한다.

도 2a는 본 실시형태에 관한 스퍼터 장치의 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A선에 따른 측면 단면도이다. 또한, 도 3은 도 2a의 B-B선에 따른 평단면도이다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 스퍼터 장치(23)는 소정 위치에 설치된, 기판(5)을 올려놓는 테이블(62)과 타겟(64)을 구비하고 있다. 스퍼터 장치(23)에는, 상술한 제1, 2 스퍼터 장치(21, 22)에서 반강자성층 및 자성층(14)의 성막공정을 거친 기판(5)이 도시하지 않은 반입구를 통해 기판 반송실(26)로부터 반송된다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 스퍼터 장치(23)는 Al합금이나 스테인레스 등의 금속 재료에 의해 상자형으로 형성된 챔버(61)를 구비하고 있다. 챔버(61)의 저면 부근의 중앙부에는, 기판(5)을 올려놓는 테이블(62)이 설치되어 있다. 테이블(62)은, 도시하지 않은 회전 기구에 의해, 그 회전축(62a)과 기판(5)의 중심(O)을 일치시켜 임의의 회전수로 회전 가능하다. 테이블(62)은, 그 위에 놓인 기판(5)을 이 기판(5)의 표면과 평행하게 회전시킬 수 있다. 또, 본 실시형태의 기판(5)으로는 기판 크기가 예를 들면 직경 200mm의 것을 이용하고 있다.

스퍼터 장치(23)에는, 상술한 테이블(62) 및 타겟(64)을 둘러싸도록 스테인레스 등으로 이루어진 실드판(측부 실드판(71) 및 하부 실드판(72))이 설치되어 있다. 측부 실드판(71)은 원통형으로 형성되고, 그 중심축이 테이블(62)의 회전축(62a)과 일치하도록 설치되어 있다. 또한, 측부 실드판(71)의 하단부부터 테이블(62)의 외주연에 걸쳐 하부 실드판(72)이 설치되어 있다. 이 하부 실드판(72)은 기판(5)의 표면과 평행하게 형성되고, 그 중심축이 테이블(62)의 회전축(62a)과 일치하도록 설치되어 있다.

그리고, 테이블(62), 하부 실드판(72) 및 측부 실드판(71)과 챔버(61)의 천정면에 의해 둘러싸인 공간은, 기판(5)에 대해 스퍼터 처리를 행하는 스퍼터 처리실(70)(스퍼터실)이다. 이 스퍼터 처리실(70)은 축 대칭의 형상이고, 그 대칭축은 테이블(62)의 회전축(62a)과 일치한다. 이 때문에, 기판(5)의 각 부에 대해 균질한 스퍼터 처리를 하는 것이 가능하게 되고, 그 결과, 막두께 분포의 편차를 저감할 수 있다.

스퍼터 처리실(70)을 구성하는 측부 실드판(71)의 상부에는, 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급 수단(가스 공급 수단)(73)이 접속되어 있다. 이 스퍼터 가스 공급 수단(73)은, 스퍼터 처리실(70) 내에 아르곤(Ar) 등의 스퍼터 가스를 도입한다. 스퍼터 가스는, 스퍼터 처리실(70)의 외부에 설치된 스퍼터 가스의 공급원(74)으로부터 공급된다. 또, 스퍼터 가스 공급 수단(73)으로부터 O₂ 등의 반응 가스를 공급하는 것도 가능하다. 또한, 챔버(61)의 측면에는 배기구(69)가 설치되어 있다. 이 배기구(69)는, 도시하지 않은 배기 펌프(진공 배기 수단)에 접속되어 있다.

챔버(61)의 천정면 부근의 주연부에는, 테이블(62)의 회전축(62a) 둘레(기판(5)의 둘레방향)을 따라 동일 간격으로 복수(예를 들면, 4개)의 타겟(64)이 배치되어 있다. 타겟(64)은 도시하지 않은 외부 전원(전원)에 접속되고, 음전위(캐소드)로 유지되어 있다.

타겟(64)의 표면에는, 터널 배리어층(15)의 성막재료가 배치되어 있다. 이 성막재료로는 절연성을 갖는 것이 이용된다. 본 실시형태에서는, 예를 들면 고 MR이 얻어지는 Mg0 등이 이용되고 있다.

또, 상술한 타겟(64)은, 테이블(62)에 놓여지는 기판(5)에 대해 소정 위치에 설치되어 있다. 여기서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 테이블(62)의 회전축(62a)부터 테이블(62)에 놓여지는 기판(5)의 외단점까지의 거리를 R이라고 한다. 본 실시형태에서는, 테이블(62)의 회전축(62a)과 기판(5)의 중심(O)이 일치하므로, 기판(5)의 반경이 R이 된다. 그리고, 테이블(62)의 회전축(62a)부터 타겟(64)의 표면의 중심점(T)까지의 거리를 OF, 및 테이블(62)에 놓여지는 기판(5)의 표면부터 타겟(64)의 표면의 중심점(T)까지의 높이를 TS라고 했을 때, 예를 들면 OF=175mm, TS=195mm 정도로 설정되어 있다.

또한, 타겟(64)은, 그 표면의 중심점(T)을 지나는 법선(중심축)(64a)이 기판(5)의 회전축(62a)에 대해, 예를 들면 각도(θ)(22.5도 정도)로 경사지고, 타겟(64)의 법선(64a)과 기판(5)의 표면이 기판(5)의 주연부분에서 교차하도록 배치되어 있다. 이 경우, 타겟(64)의 중심점(T)을 지나가는 법선(64a)과 기판(5)의 표면의 교점은, 기판(5)의 직경이 200mm인 경우에는 기판(5)의 외주연으로부터 2mm 정도의 위치가 된다.

여기서, 도 3에도 도시된 바와 같이, 타겟(64)과 기판(5) 사이이며 기판(5)의 직경방향 외측에는, 측부 실드판(71)을 따라 복수(예를 들면, 4개)의 영구자석(자기장 인가 수단)(65)이 배치되어 있다. 각 영구자석(65)은, 기판(5)의 주위를 둘러싸도록 기판(5)의 둘레방향을 따라 동일 간격으로 배치되어 있다. 각 영구자석(65)은, 기판(5)의 둘레방향을 따라 기판(5)의 직경방향 내측으로 향하는 면의 극성이 교대로 배열되도록 배치되어 있다. 즉, 영구자석(65)은, 서로 인접하는 영구자석(65)끼리의 극성이 서로 다르게 배치되어 있다. 또, 영구자석(65)은, 기판(5)을 사이에 두고 서로 대향하는 영구자석(65)끼리의 극성이 서로 같게 되도록 배치되어 있다.

상술한 바와 같이, 영구자석(65)은 기판(5)의 둘레방향을 따라 설치되어 있다. 또한, 타겟(64)도 기판(5)의 둘레방향을 따라 설치되어 있다. 또, 이들 영구자석(65)과 타겟(64)은, 기판(5)의 둘레방향에서의 동일한 각도 위치, 즉 평면에서 보아 겹치도록 배치되어 있다. 그리고, 서로 인접하는 영구자석(65) 중에서 한쪽의 영구자석(65)의 N극에서 다른 쪽의 영구자석(65)의 S극으로 향하여 자력선(Q)이 연장되도록 자기장이 발생한다. 이에 의해, 각 타겟(64)과 기판(5) 사이에서, 기판(5)의 표면과 평행한 수평 자기장 성분을 갖고, 또한 기판(5)의 주연부분을 따르는 자기장이 발생한다(도 3 중 화살표(Q) 참조). 이 때, 적어도 기판(5)의 중심(O) 부근에서는, 각 영구자석(65)으로부터 발생하는 자기장의 중합에 의해 자기장 강도가 0이 되는 부분이 존재한다.

(성막방법)

다음에, 본 실시형태의 스퍼터 장치에 의한 성막방법에 대해서 설명한다. 이하의 설명에서는, 주로 스퍼터 장치(23)에서 행하는 터널 배리어층(15)의 성막방법에 대해서 설명한다.

우선, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 테이블(62)에 기판(5)을 올려놓고, 회전 기구에 의해 테이블(62)을 소정의 회전수로 회전시킨다. 그리고, 스퍼터 처리실(70) 안을 진공 펌프에 의해 진공화하고, 그 후, 스퍼터 가스 공급 수단(73)으로부터 스퍼터 처리실(70) 내로 아르곤 등의 스퍼터 가스를 도입한다. 그리고, 타겟(64)에 접속된 외부 전원으로부터 타겟(64)으로 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 그러면, 스퍼터 가스의 이온이, 캐소드인 타겟(64)에 충돌하여 타겟(64)으로부터 성막재료의 원자가 튀어나온다. 튀어나온 성막재료의 원자는 기판(5)에 부착된다. 이상에 의해, 기판(5)의 표면에 터널 배리어층(15)이 성막된다(도 4a 및 도 4b 참조). 그 때, 타겟(64) 근방에 고밀도 플라즈마를 생성시키면, 성막속도를 고속화시킬 수 있다.

그런데, 상술한 바와 같이, 기판을 회전시키면서 복수의 타겟에 의해 성막처리를 행하는 스퍼터 장치에 있어서는, 양호한 막두께 분포를 얻을 수 있는 한편, 기판의 표면 상에서, 막특성이 다른 것에 기인하여 막저항값의 편차가 생기는 문제가 있다.

구체적으로는, 타겟(64)의 축선과 기판(5)의 표면의 교점 부근의 영역, 즉 기판(5)의 주연부분에서는, 타겟(64) 근방으로부터 입사하는 전자나 산소 이온의 비행거리가 짧고, 기판(5)의 표면에 대한 입사각도 작기 때문에, 입사하는 전자나 산소 이온의 에너지가 크다. 그 때문에, 터널 배리어층(15)의 결정 배향성에의 손상이 국소적으로 커지고, 터널 배리어층(15)의 저항값이 증가한다.

한편, 기판(5)의 주연부분으로부터 중심부로 향함에 따라 타겟(64) 근방으로부터 입사하는 전자나 산소 이온의 비행거리가 길고, 기판(5)의 표면에 대한 입사각도 커지기 때문에, 입사하는 전자나 산소 이온의 에너지가 작아진다. 그 때문에, 터널 배리어층(15)의 결정 배향성에의 손상은 작아지고, 터널 배리어층(15)의 저항값은 기판의 주연부분에 비해 작아진다. 그 결과, 기판(5)의 표면 상에서 저항 분포에 편차가 생겨 기판(5)의 막특성 분포의 균일성이 저하되는 문제가 있다.

여기서, 본 실시형태에서는, 기판(5)과 타겟(64) 사이에서, 영구자석(65)에 의해 자기장을 발생시킴으로써, 전자나 산소 이온이 기판(5)의 표면에 입사하는 것을 막고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 타겟(64)과 기판(65) 사이에 배치된 영구자석(65)에 의해 자기장을 인가하면, 기판(5)의 표면과 대략 평행하고 또한 기판(5)의 주위를 둘러싸는 자기장이 발생한다(도 3 중 화살표(Q) 참조). 구체적으로는, 서로 인접하는 영구자석(65) 중에서 한쪽의 영구자석(65)의 N극으로부터 다른 쪽의 영구자석(65)의 S극의 영구자석으로 향하여 자력선(Q)이 연장되도록 자기장이 발생한다.

이 때, 기판(5)의 표면 상에서 기판(5)의 주연부분에 자기장이 집중되는 한편, 영구자석(65)으로부터 떨어져 중심(O)으로 향함에 따라 자기장은 약해져 간다. 그 결과, 기판(5)의 주연부분에는, 기판(5)의 주위를 둘러싸는 보다 강한 자기장이 발생한다. 기판(5)과 타겟(64) 사이의 자기장은 가장 자기장이 강한 영역, 즉 기판(5)의 주연부분에서 1O(Oe)이상이 되도록 인가되는 것이 바람직하다.

타겟(64) 근방의 플라즈마 중에서 발생하여 기판(5)을 향해 비행하고 있는 전자나 산소 이온은, 자기장이 발생하고 있는 영역에 다다르면, 전자나 산소 이온의 비행방향 및 자기장 방향 각각에 직교하는 방향으로 편향된다. 특히, 전자나 산소 이온의 입사량이 많은, 기판(5)의 주연부분에서 강한 자기장이 발생하고 있기 때문에, 기판(5)의 주연부분을 향해 비행하는, 에너지가 큰 전자나 산소 이온은 보다 확실히 편향된다.

이는, 일반적으로 전하(q)를 가진 하전 입자가 F=q(E+v×B)로 나타나는 로렌츠 힘(F)을 받는 것을 이용한 것이다. 또, E는 입자가 비행하는 공간에서의 전기장이고, B는 자기장의 강도, v는 하전 입자의 속도이다.

여기서, 하전 입자의 속도(v)에 대해 수직(기판(5)의 표면에 평행)인 방향으로 작용하는 자기장(B)을 형성하면, 하전 입자는 이들 방향에 수직인 방향으로 힘을 받는다. 따라서, 본 실시형태에서는, 로렌츠 힘을 받은 전자나 산소 이온이 그 비행방향 및 자기장 방향에 직교하는 방향으로 편향되기 때문에, 이들 전자나 산소 이온은 기판(5)의 표면에 입사하지 않고 비행한다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, 타겟(64)과 기판(5) 사이이며 기판(5)의 직경방향 외측에는, 기판(5)의 주위를 둘러싸도록 복수의 영구자석(65)이 설치되어 있다.

이 구성에 따르면, 기판(5)의 주위를 둘러싸도록 설치된 복수의 영구자석(65)에 의해 자기장을 발생시킴으로써, 기판(5)의 표면과 평행한 자기장이 발생한다. 그 때문에, 플라즈마 중에서 발생하는 전자나 산소 이온은, 발생한 자기장으로부터 로렌츠 힘을 받아 전자나 산소 이온의 비행방향 및 자기장 방향 각각에 직교하는 방향으로 편향된다. 특히, 영구자석(65)을 짝수개(예를 들면, 4개) 설치한 경우, 기판(5)의 주위를 완전히 둘러싸는 강한 자기장이 발생한다. 이 때문에, 전자나 산소 이온의 에너지가 다른 부분보다 큰 기판(5)의 주연부분에서도 전자나 산소 이온이 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 기판(5)이나 기판(5) 상에 형성되는 터널 배리어층(15)에의 손상을 저감할 수 있기 때문에, MgO 등을 절연 재료로 하는 터널 배리어층(15)의 터널 저항값이 증가하는 것을 억제할 수 있다.

그 결과, 스퍼터링법에 의한 성막시에 기판 크기가 200mm이상인 대형 기판을 이용하는 경우에도, 터널 배리어층(15)의 모든 성막과정에 있어서 기판(5)에의 전자나 산소 이온의 입사가 기판(5)의 전체에 대해 균등하게 억제되기 때문에, 기판(5)에 성막되는 터널 배리어층(15)의 막특성의 기판면 내의 균일성을 향상시킬 수 있다.

또한, 회전 기구에 의해 기판(5)을 그 표면과 평행하게 회전시키면서 성막을 행할 수 있기 때문에, 기판(5)의 표면의 각 부에서 균일하게 성막이 행해진다. 그 결과, 예를 들면 1% 이하의 양호한 막두께 분포 균일성을 달성할 수 있다. 또한, 기판(5)의 주연부분에서 영구자석(65)에 의해 발생하는 자기장을 균일하게 인가할 수 있기 때문에, 터널 접합 소자(10)의 하부층에 성막되는 MgO 등의 터널 배리어층(15)의 초기 성장 과정뿐만 아니라, 터널 배리어층(15)의 모든 성막과정에 있어서 기판(5)에의 손상을 저감할 수 있다. 그 결과, 특히 수Å~20Å로 매우 얇은 터널 배리어층(15)에 대해서는, 모든 성막과정을 통해 그 결정성 등의 막특성을 유지하는 것이 가능하게 된다.

또, 각 영구자석(65)이, 타겟(64)과 평면에서 보아 겹치도록 배치되어 있기 때문에, 기판(5)에 입사하는 전자나 산소 이온의 에너지가 큰 영역에는 강한 자기장을 발생시키고, 에너지가 작은 영역에는 약한 자기장을 발생시킬 수 있다. 이에 의해, 기판(5)에 입사하는 전자나 산소 이온을 균등하게 편향할 수 있다. 그 결과, 기판(5)에의 전자나 산소 이온의 입사가 기판(5)의 전체에 대해 균등하게 억제되기 때문에, 막특성을 향상시킬 수 있다.

그리고, 이러한 스퍼터 장치(23)에 의해, 터널 배리어층(절연막)(15)을 형성함으로써, 플라즈마 중에서 발생하는 전자 또는 산소 이온이 기판(5)의 표면에 입사하는 것을 막고, 기판(5)에의 손상을 저감할 수 있다. 그 결과, 기판(5)의 전체면에 걸쳐 결정 배향성이 높은 터널 배리어층(15)을 성막할 수 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 상술한 예에서 나타낸 각 구성부재나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 여러가지 변경 가능하다.

예를 들면, 본 실시형태에서는 TMR소자에서의 터널 배리어층의 성막재료로서 Mg0막을 형성하는 경우에 대해 설명하였지만, 성막재료는 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 실시형태에서는 기판(5)을 둘러싸도록 4개의 영구자석(65)을 배치하였지만(도 3 참조), 적어도 3개 이상의 영구자석에 의해 기판을 둘러싸는 구성이면, 적절히 설계 변경이 가능하다.

예를 들면 도 5에 도시된 바와 같이, 기판(5)의 직경방향 외측에서 기판(5)을 둘러싸도록 8개의 영구자석(165)을 배치하는 구성도 가능하다. 이 구성에 따르면, 기판(5)의 주연부분의 자기장 강도를 보다 균일화할 수 있기 때문에, 기판(5)의 주연부분에 입사하는 전자나 산소 이온을 효율적으로 편향할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 영구자석을 측부 실드판과 평행하게 배치함으로써, 기판과 평행한 자기장을 발생시켰지만, 기판의 표면을 따르는 자기장이면, 영구자석을 기판에 대해 경사지게(예를 들면, 0~35도 정도) 해도 된다. 예를 들면, 전자나 산소 이온의 비행방향에 직교하는 자기장을 인가시키도록 영구자석을 배치하는 것도 가능하다.

스퍼터링법에 의한 성막시에, 기판에의 하전 입자의 입사를 기판 전체에 대해 균등하게 억제함으로써, 막특성을 향상시킬 수 있는 스퍼터 장치 및 성막방법을 제공할 수 있다.

5 기판
23 스퍼터 장치
62 테이블
64 타겟
65 영구자석(자기장 인가 수단)
73 스퍼터 가스 공급 수단(가스 공급 수단)

Claims

기판의 표면에 성막처리를 행하는 스퍼터 장치로서,
상기 기판이 놓여지는 테이블;
이 테이블에 놓인 상기 기판의 법선에 대해 중심축이 경사지도록 배치된 복수의 타겟;
상기 각 타겟과 상기 기판 사이에, 상기 기판의 주위를 둘러싸도록 설치된 복수의 자기장 인가 수단;을 구비하고,
이들 자기장 인가 수단은, 상기 기판의 주연(周緣)부분의 상방에, 상기 기판의 표면과 평행한 수평 자기장 성분을 갖는 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항에 있어서,
적어도 3개 이상의 상기 자기장 인가 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항에 있어서,
상기 테이블을, 상기 테이블에 놓인 상기 기판의 법선에 평행한 회전축 둘레로 회전시키는 회전 기구를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항에 있어서,
적어도 4개 이상이며 짝수개의 상기 자기장 인가 수단을 구비하고,
상기 각 자기장 인가 수단은, 서로 인접하는 상기 각 자기장 인가 수단의 상기 기판측의 극성이 서로 다르게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항에 있어서,
상기 각 자기장 인가 수단과 상기 각 타겟이, 상기 기판의 둘레방향에서의 동일한 각도위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항에 있어서,
상기 각 타겟은 Mg0을 성막재료로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
제1항에 있어서,
상기 테이블 및 상기 각 타겟이 배치된 스퍼터실;
이 스퍼터실 내의 진공 배기를 행하는 진공 배기 수단;
상기 스퍼터실 내에 스퍼터 가스를 공급하는 가스 공급 수단;
상기 각 타겟에 전압을 인가하는 전원;을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.
기판이 놓여지는 테이블;
이 테이블에 놓인 상기 기판의 법선에 대해 중심축이 경사지도록 배치된 복수의 타겟;
상기 타겟과 상기 기판 사이에 기판의 주위를 둘러싸도록 설치된 복수의 자기장 인가 수단;을 구비하는 스퍼터 장치를 이용한 성막방법으로서,
상기 기판의 주연부분의 상방에, 상기 기판의 표면과 평행한 수평 자기장 성분을 갖는 자기장을 인가하면서 상기 기판의 표면에 성막처리를 행하는 것을 특징으로 하는 성막방법.
제8항에 있어서,
상기 스퍼터 장치는 적어도 3개 이상의 상기 자기장 인가 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스퍼터 장치.