KR20140007493A - 저항 변화 소자의 제조 방법 및 그 제조 장치 - Google Patents

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요헤이 오가와
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Abstract

[과제] 소망한 저항률을 가지는 금속 산화물층을 정밀하게 형성할 수 있는 저항 변화 소자의 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다. [해결 수단] 본 발명의 일 실시형태에 따른 저항 변화 소자의 제조 방법은, 제1저항률을 가지는 제1금속 산화물을 형성하는 공정과, 상기 제1저항률과는 다른 제2저항률을 가지는 제2금속 산화물을 형성하는 공정을 포함한다. 상기 제1금속 산화물은, 금속의 산화물로 이루어지는 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 금속으로 이루어지는 제2타겟을 제1전력으로 스퍼터함으로써, 기판 상에 형성된다. 상기 제2금속 산화물층은, 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제1전력과 다른 제2전력으로 스퍼터함으로써, 상기 제1금속 산화물층 상에 형성된다.

Description

저항 변화 소자의 제조 방법 및 그 제조 장치{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING VARIABLE RESISTANCE ELEMENT}
본 발명은 비휘발성 메모리 등에 사용되는 저항 변화 소자의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
반도체 메모리에는, DRAM(Dynamic Random Access Memory) 등의 휘발성 메모리와 플래시 메모리 등의 비휘발성 메모리가 있다. 비휘발성 메모리로서 NAND형의 플래시 메모리 등이 알려져 있지만, 더욱 미세화가 가능한 디바이스로서 ReRAM(Resistance RAM)이 주목받고 있다.
ReRAM은 펄스 전압을 받아 저항값이 변화하는 가변 저항체를 저항 소자로서 이용한다. 이 가변 저항체는, 전형적으로는 산화도, 즉 저항률이 다른 2층 이상의 금속 산화물층이며, 이들을 상하 전극으로 끼워 넣은 구조를 하고 있다. 산화도가 다른 산화물의 층 구조를 형성하는 방법으로서, 금속으로 이루어지는 타겟을 산소 분위기에서 스퍼터하는, 이른바 반응성 스퍼터에 의해서 금속 산화물을 형성하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면 특허문헌 1에는, 금속으로 이루어지는 타겟을 스퍼터하면서 산소의 공급량을 줄임으로써, 산소 농도가 높은 n형의 천이금속 산화물층과 산소 농도가 낮은 p형의 천이금속 산화물층을 적층하는 방법이 기재되어 있다.
일본 특허공개 제2008-244018호 공보(단락［0036］［0037］)
그렇지만, 산소의 유량 변화에 대한 금속 산화물층의 저항률 변화가 크기 때문에, 산화 가스의 공급량에 의해서 금속 산화물층의 저항률을 제어하는 것은 용이하지 않고, 소망한 저항률을 가지는 금속 산화물층을 형성하는 것은 곤란했다. 게다가 타겟 표면이나 실드(방착판) 표면에서의 도입 산소의 흡착 등에 의해, 웨이퍼면 내나 웨이퍼 간에 저항률의 분포가 발생하기 쉽고, 그 분포를 컨트롤하는 것도 곤란했다. 이 때문에, 소망한 저항률을 가지는 금속 산화물층을 정밀하게 형성할 수 없었다.
이상과 같은 사정을 감안하여, 본 발명의 목적은, 소망한 저항률을 가지는 금속 산화물층을 정밀하게 형성할 수 있는 저항 변화 소자의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 한 형태에 따른 저항 변화 소자의 제조 방법은, 제1저항률을 가지는 제1금속 산화물을 형성하는 공정과, 상기 제1저항률과는 다른 제2저항률을 가지는 제2금속 산화물을 형성하는 공정을 포함한다.
상기 제1금속 산화물은, 금속의 산화물로 이루어지는 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 금속으로 이루어지는 제2타겟을 제1전력으로 스퍼터함으로써, 기판 상에 형성된다.
상기 제2금속 산화물층은, 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제1전력과 다른 제2전력으로 스퍼터함으로써, 상기 제1금속 산화물층 상에 형성된다.
본 발명의 한 형태에 따른 저항 변화 소자의 제조 장치는, 진공 챔버와, 제1스퍼터 캐소드와, 제2스퍼터 캐소드와, 제어 유닛을 구비한다.
상기 제1스퍼터 캐소드는, 상기 진공 챔버에 장착되고, 금속의 산화물로 이루어지는 제1타겟을 포함한다.
상기 제2스퍼터 캐소드는, 상기 진공 챔버에 장착되고, 상기 금속으로 이루어지는 제2타겟을 포함한다.
상기 제어 유닛은, 상기 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 제1전력으로 스퍼터하는 제1상태와, 상기 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제1전력과 다른 제2전력으로 스퍼터하는 제2상태를 순차로 전환하는 전환부를 가진다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 저항 변화 소자의 제조 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 저항 변화 소자의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 따른 제1금속 산화물층, 제2금속 산화물층을 형성할 때의, 금속 산화물 타겟으로 공급되는 전력의 경시적인 변화를 모식적으로 나타낸 도이다.
도 4는 금속 타겟을 이용하여 희가스와 산소 가스에 의해 스퍼터하고, 산소 가스의 유량을 변화시켰을 때에, 형성된 금속 산화물층의 저항률의 변화를 나타낸 도이다.
도 5는 금속 타겟과 금속 산화물 타겟을 동시에 스퍼터하고, 금속 타겟의 공급 전력을 변화시켰을 때에, 형성된 금속 산화물층의 저항률의 변화를 나타낸 도이다.
도 6A는 산소 유량의 조정에 의해서 저항률을 제어했을 경우의, 금속 산화물층의 저항률의 웨이퍼면 내의 분포를 나타내는 일 실험결과이다.
도 6B는 금속 타겟의 공급 전력의 제어에 의해서 저항률을 제어했을 경우의, 금속 산화물층의 저항률의 웨이퍼면 내의 분포를 나타내는 일 실험결과이다.
도 7A는 산소 유량의 조정에 의해서 저항률을 제어했을 경우의, 금속 산화물층의 저항률의 웨이퍼간 분포를 나타내는 일 실험결과이다.
도 7B는 금속 타겟의 공급 전력의 제어에 의해서 저항률을 제어한 경우의, 금속 산화물층의 저항률의 웨이퍼간 분포를 나타내는 일 실험결과이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 저항 변화 소자의 제조 방법은, 제1저항률을 가지는 제1금속 산화물을 형성하는 공정과, 상기 제1저항률과는 다른 제2저항률을 가지는 제2금속 산화물을 형성하는 공정을 포함한다.
상기 제1금속 산화물은, 금속 산화물로 이루어지는 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 금속으로 이루어지는 제2타겟을 제1전력으로 스퍼터함으로써, 기판 상에 형성된다.
상기 제2금속 산화물층은, 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제1전력과 다른 제2전력으로 스퍼터함으로써, 상기 제1금속 산화물층 상에 형성된다.
상기 저항 변화 소자의 제조 방법은, 금속의 산화물로 이루어지는 제1타겟과, 상기 금속으로 이루어지는 제2타겟을 동시에 스퍼터하여 성막한다. 이 때, 타겟 파워를 변화시킴으로써 형성되는 금속 산화물층의 산화도를 제어한다. 이것에 의해서, 소망한 산화도, 즉 저항률을 가지는 금속 산화물층을 정밀하게 형성할 수 있다.
상기 제1금속 산화물층은, 상기 제1타겟을 제3전력으로 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제1전력으로 스퍼터함으로써 형성되고,
상기 제2금속 산화물층은, 상기 제1타겟을 상기 제3전력으로 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제2전력으로 스퍼터함으로써 형성되어도 좋다.
이것에 의해서, 상기 제1타겟의 전력을 변화시키지 않고, 제2타겟의 전력에 의해서만 형성되는 금속 산화물층의 저항률을 제어할 수 있다.
상기 제1금속 산화물층과 상기 제2금속 산화물층은, 모두 희가스를 이용하여 스퍼터함으로써 형성되어도 좋다.
이것에 의해서, 플라즈마 형성에 기여하는 가스에 의한 영향을 줄여, 보다 정밀하게 금속 산화물층의 저항률을 제어할 수 있다.
상기 제1타겟을 구성하는 산화물 재료 및 제2타겟을 구성하는 금속 재료는 특히 한정되지 않고, 예를 들면 상기 제1타겟은 탄탈륨 산화물로 이루어지고, 상기 제2타겟은 탄탈륨으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 저항 변화 소자의 제조 장치는 진공 챔버와, 제1스퍼터 캐소드와, 제2스퍼터 캐소드와, 제어 유닛을 구비한다.
상기 제1스퍼터 캐소드는 상기 진공 챔버에 장착되고, 금속의 산화물로 이루어지는 제1타겟을 포함한다.
상기 제2스퍼터 캐소드는 상기 진공 챔버에 장착되고, 상기 금속으로 이루어지는 제2타겟을 포함한다.
상기 제어 유닛은 상기 제1타겟을 스퍼터하면서 상기 제2타겟을 제1전력으로 스퍼터하는 제1상태와, 상기 제1타겟을 스퍼터하면서 상기 제2타겟을 상기 제1전력과 다른 제2전력으로 스퍼터하는 제2상태를 순차로 전환하는 전환부를 가진다.
상기 저항 변화 소자의 제조 장치에 따른 제어 유닛은, 제2타겟의 스퍼터 파워가 다른 제1상태와 제2상태를 순차로 전환하는 전환부를 가진다. 제2타겟의 스퍼터 파워에 의해서 금속 산화물층의 저항률을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에, 저항률이 다른 금속 산화물의 적층 구조를 형성하는 것이 가능해진다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태를 설명한다.
＜제1실시형태＞
(저항 변화 소자의 제조 장치의 구성)
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 저항 변화 소자의 제조 장치를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태에서는, 상기 제조 장치는 스퍼터 장치로 구성된다. 스퍼터 장치(10)는 진공 챔버(11)와, 진공 챔버(11)에 장착된 스퍼터 캐소드(12A)와, 스퍼터 캐소드(12B)와, 컨트롤러(13)를 구비한다.
진공 챔버(11)는 내부에 처리실(C)을 정의하고 있고, 도시하지 않는 진공 배기 수단을 통해 처리실(C)을 소정의 진공도까지 감압할 수 있다고 한다. 또, 처리실(C)의 내부에 아르곤(Ar) 가스를 도입하기 위한 가스 도입 배관(19)이 진공 챔버(11)의 주변으로부터 처리실(C) 내에 장착되어 있다.
기판 지지대(14)는, 진공 챔버(11) 내의 약 중앙에 설치되고, 내부에는 정전 척용 전극(141)이 적당히 설치되어 있다. 이것에 의해, 웨이퍼(W)를 기판 지지대(14)의 표면에 밀착시킬 수 있다. 또, 기판 지지대(14)의 주위에는 방착판(17)이 배설되고, 스퍼터된 스퍼터 입자의 진공 챔버(11) 내벽에의 부착을 억제한다.
기판 지지대(14)는 대좌(台座)(15) 상에 설치된다. 대좌(15)는, 그 아래쪽 면 중심부에 회전축(15L)이 장착되어 있고, 모터 등의 구동원(도시하지 않음)을 통해 회전 가능하게 구성되어 있다. 이것에 의해, 웨이퍼(W)를 그 중심의 주위에 자전시키는 기판 회전 기구가 구성되어 있다. 또한, 회전축(15L)은 베어링 기구(軸受機構)(도시하지 않음)나 자성 유체 실(seal) 등의 실 기구(151)를 통해 진공 챔버(11)에 장착되어 있다.
스퍼터 캐소드(12A) 및 스퍼터 캐소드(12B)는, 스퍼터 입자가 웨이퍼(W)의 법선 방향에 대해서 경사 방향으로부터 입사하도록, 각각 소정 각도 경사로 하여 진공 챔버(11)의 상부에 장착되어 있다. 스퍼터 캐소드(12A) 및 스퍼터 캐소드(12B)에는, 타겟(T1) 및 타겟(T2)이 처리실(C)에 접해 각각 설치되어 있다. 또, 도시를 생략하지만, 스퍼터 캐소드(12A,12B)에는, 타겟(T1,T2)을 냉각 가능하게 지지하는 배킹 플레이트나, 타겟(T1,T2)의 표면에 자장을 형성하는 자기 회로 등이 설치되어 있다.
타겟(T1)은 산화물 재료, 예를 들면 탄탈륨 산화물(TaOX)로 구성된다. 타겟(T1)의 구성 재료는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면, ZrOx, HfOx, TiOx, AlOx, SiOx, FeOx, NiOx, CoOx, MnOx, SnOx, ZnOx, VOx, WOx, CuOx 등의 천이금속의 2원계 산화물을 이용할 수 있다.
타겟(T2)은 금속 재료, 예를 들면 탄탈륨(Ta)으로 구성된다. 타겟(T2)의 구성 재료는 이것에 한정되지 않고, 타겟(T1)에 이용된 천이금속을 이용할 수 있다.
또한, 스퍼터 캐소드의 수는 2개에 한정되지 않고, 3 이상이어도 좋다. 이들 복수의 스퍼터 캐소드는 동시에 사용되는 예에 한정되지 않고, 단독으로 이용되어도 좋다. 이 경우, 성막에 사용하는 타겟을 선택하기 위한 셔터 기구(16)가 처리실(C)의 내부에 설치된다.
셔터 기구(16)는, 예를 들면, 복수매의 차폐판(161)과 이들 차폐판(161)을 개개로 회전시키는 회동축(回動軸)(162)을 구비하고 있다. 각 차폐판(161)은, 예를 들면, 모든 스퍼터 캐소드를 가릴 수 있는 크기의 우산 모양(傘狀)의 금속판으로 이루어지고, 각 스퍼터 캐소드의 대응 부위에 미리 개구가 형성되어 있다. 그리고, 회동축(162)을 구동시켜 161의 회전 위치를 적당히 조정함으로써, 개구 시키는 임의의 1개 또는 2개 이상의 스퍼터 타겟을 선택할 수 있도록 한다. 또한, 차폐판(161)의 수는 도시된 예에 한정되지 않는다.
타겟(T1)은 진공 챔버(11) 외부에 설치된 RF 전원(18A)에 접속된다. RF 전원(18A)은, 예를 들면, 주파수 13.56 MHz, 전력 500 W이다. 한편, 타겟(T2)은 진공 챔버(11) 외부에 설치된 가변 전원(18B)에 접속된다. 가변 전원(18B)은 가변 직류 전원으로 구성된다. 가변 전원(18B)의 전력 가변 범위는, 예를 들면 10~450 W이다.
컨트롤러(13)(제어 유닛)는 전형적으로는 컴퓨터로 구성되어 있고, 스퍼터 장치(10)의 전체의 동작, 즉 상기 진공 배기 수단, 가스 유량, 정전 척용 전극(141), RF 전원(18A), 가변 전원(18B) 등을 제어한다. 컨트롤러(13)는 진공 챔버(11) 외부에 설치되어 있다.
컨트롤러(13)는 타겟(T1)을 스퍼터하면서, 타겟(T2)을 제1전력(P1)으로 스퍼터하는 제1상태와, 제1타겟(T1)를 스퍼터하면서, 타겟(T2)을 제2전력(P2)으로 스퍼터하는 제2상태를 순차로 전환한다. 본 실시형태에서, 가변 전원(18B)은 가변 직류 전원으로 구성되어 있고, 해당 가변 전원(18B)은 상기 제1상태와 제2상태를 바꾸는 전환부를 구성한다.
본 실시형태에서는, 제1전력(P1)은 제2전력(P2)보다 낮은 값으로 설정된다. 제1전력(P1)은, 예를 들면 500 W로 설정되고, 제2전력(P2)은, 예를 들면 200 W로 설정된다.
스퍼터 장치(10)는, 예를 들면 도 2에 모식적으로 나타내는 저항 변화 소자를 제조한다. 다음으로, 저항 변화 소자의 구성에 대해 설명한다.
(저항 변화 소자의 구성)
도 2는, 본 실시형태에 따른 저항 변화 소자(1)의 구성을 나타낸 모식도이다. 저항 변화 소자(1)는 기판(2), 하부 전극층(3), 제1금속 산화물층(4), 제2금속 산화물층(5), 상부 전극층(6)을 가진다.
기판(2)은, 예를 들면 실리콘 기판 등을 이용할 수 있지만, 특별히 재료는 한정되지 않는다.
하부 전극층(3)은, 기판(2) 상에 형성되고, 본 실시형태에서는 Ta으로 형성된다. 또한, 재료는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 Hf, Zr, Ti, Al, Fe, Co, M n, Sn, Zn, Cr, V, W 등의 천이금속, 혹은 이러한 합금(TaSi, WSi, TiSi 등의 실리콘 합금, TaN, WaN, TiN, TiAlN 등의 질소 화합물, TaC 등의 탄소 합금 등) 등을 이용할 수 있다.
제1금속 산화물층(4)은 하부 전극층(3) 상에 형성되고, 본 실시형태에서는 TaOx로 형성된다. 여기서, 제1금속 산화물층(4)에 이용되는 TaOx는, 화학양론 조성에 가까운 산화물이다. 또한, 재료는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면, ZrOx, HfOx, TiOx, AlOx, SiOx, FeOx, NiOx, CoOx, MnOx, SnOx, ZnOx, VOx, WOx, CuOx 등의 천이금속의 2원계의 산화물 등을 이용할 수 있다. 또, 제1금속 산화물층(4)이 가지는 저항률은, 소망한 소자 특성을 얻을 수 있으면 한정되지 않지만, 예를 들면 106 Ω㎝보다 큰 값이다.
제2금속 산화물층(5)은 제1금속 산화물층(4) 상에 형성되고, 본 실시형태에서는 TaOx로 형성된다. 여기서, 제2금속 산화물층(5)에 이용되는 TaOx는, 제1금속 산화물층(4)을 형성하는 TaOx보다 산화도가 낮고, 산소 결손을 다수 포함하는 산화물이다. 또한, 재료는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면, ZrOx, HfOx, TiOx, AlOx, SiOx, FeOx, NiOx, CoOx, MnOx, SnOx, ZnOx, VOx, WOx, CuOx 등의 천이금속의 2원계의 산화물 등을 이용할 수 있다. 제1금속 산화물층(4)과 같은 산화물이어도 다른 산화물이어도 좋다. 또, 제2금속 산화물층(5)이 가지는 저항률은, 제1금속 산화물층(4)의 저항률보다 작으면 좋고, 예를 들면, 1 Ω㎝보다 크고 106 Ω㎝ 이하이다.
상부 전극층(6)은, 제2금속 산화물층(5) 상에 형성되고, 본 실시형태에서는 Ta로 형성된다. 또한, 재료는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 Hf, Zr, Ti, Al, Fe, Co, M n, Sn, Zn, Cr, V, W 등의 천이금속, 혹은 이러한 합금(TaSi, WSi, TiSi등의 실리콘 합금, TaN, WaN, TiN, TiAlN 등의 질소 화합물, TaC 등의 탄소 합금) 등을 이용할 수 있다.
저항 변화 소자(1)의 제1금속 산화물층(4)은 제2금속 산화물층(5)보다 산화도가 높기 때문에, 제2금속 산화물층보다 높은 저항률을 가진다. 여기서, 상부 전극층(6)에 정전압, 하부 전극층(3)에 부전압을 각각 가하면, 고저항인 제1금속 산화물층(4) 중 산소이온(O2 -)이 저저항인 제2금속 산화물층(5) 중으로 확산해, 제1금속 산화물층(4)의 저항이 저하한다(저저항 상태). 한편, 하부 전극층(3)에 정전압, 상부 전극층(6)에 부전압을 각각 가하면, 제2금속 산화물층(5)으로부터 제1금속 산화물층(4)에 O2 -가 확산해, 다시 제1금속 산화물층(4)의 산화도가 높아져, 저항이 높아진다(고저항 상태).
즉, 제1금속 산화물층(4)은 하부 전극층(3) 및 상부 전극층(6) 간의 전압을 제어함으로써, 저저항 상태와 고저항 상태를 가역적으로 스위칭한다. 게다가 저저항 상태 및 고저항 상태는, 전압이 인가되어 있지 않아도 보지(保持)되기 때문에, 저항 변화 소자(1)는 비휘발성 메모리 소자로서 이용 가능해진다.
다음으로, 스퍼터 장치(10)를 이용한 저항 변화 소자(1)의 제조 방법에 대해 설명한다.
(저항 변화 소자의 제조 방법)
저항 변화 소자(1)의 제조 방법은, 이하의 4 공정을 가진다. 즉, 하부 전극층(3)의 형성 공정, 제1금속 산화물층(4)의 형성 공정, 제2금속 산화물층(5)의 형성 공정 및 상부 전극층(6)의 형성 공정이다. 이하, 각각 대해 설명한다.
(하부 전극층의 형성)
하부 전극층(3)의 형성 방법으로서는, 예를 들면 증착, 스퍼터법, CVD법, ALD법 등이 채용된다. 본 실시형태에서는, 스퍼터 장치(10)에 의해서 하부 전극층(3)이 형성된다. 이 경우, 셔터 기구(16)에 의해 개방된 타겟(T2)만이 스퍼터 된다.
이 경우, 소정의 진공도로 감압된 처리실(C) 내의 기판 지지대(14) 상에 기판(2)이 재치되고, 스퍼터 가스로서 Ar 가스가 처리실(C) 내에 도입된다. 그리고, 기판 지지대(14)를 소정의 회전 속도로 회전시키면서 타겟(T2)을 스퍼터함으로써, 기판(2) 상에 막후(膜厚) 균일성이 높은 하부 전극층(3)을 성막할 수 있다. 이 때의 타겟(T2)의 공급 전력은 특히 한정되지 않고, 예를 들면 200 W이다.
(제1금속 산화물층의 형성)
다음으로, 하부 전극층(3) 상에, 제1금속 산화물층(4)이 형성된다. 처리실(C)의 내부에 가스 도입 배관(19)에 의해 Ar 가스가 소정의 유량으로 도입된다. 셔터 기구(16)는 타겟(T1) 및 타겟(T2)을 개방시킨다. 그리고, 컨트롤러(13)는 상기 제1상태에서, 타겟(T1) 및 타겟(T2)을 동시에 스퍼터 한다. 이것에 의해, 하부 전극층(3)의 표면 전체에 걸쳐서 막후 균일성이 높은 제1금속 산화물층(4)이 형성된다.
(제2금속 산화물층의 형성)
계속해서, 제2금속 산화물층(5)을 형성한다. 이 공정에서는, 컨트롤러(13)는 상기 제2상태에서, 타겟(T1,T2)을 동시에 스퍼터 한다. 이것에 의해, 제1금속 산화물층(4)의 표면 전체에 걸쳐서 막후 균일성이 높은 제2금속 산화물층(5)이 형성된다.
본 실시형태에서, RF 전원(18A)의 전력은, 제1금속 산화물층(4)의 형성 공정과 제2금속 산화물층(5)의 형성 공정을 통해 일정하게 유지되고 있다. 즉, 가변 전원(18B)의 전력만을 조절함으로써, 타겟(T2)의 스퍼터 레이트를 제어해, 제1금속 산화물층(4) 및 제2금속 산화물층(5)의 저항률을 각각 제어하도록 하고 있다.
도 3은, 제1금속 산화물층(4), 제2금속 산화물층(5)을 형성할 때의, 가변 전원(18B)의 전력 변화를 나타내는 타이밍 차트이며, 횡축은 시간, 종축은 전력 값을 나타낸다. 컨트롤러(13)는 전원(18B)의 전력을 P1에서 P2로 순차로 바꾼다. 스퍼터 개시부터 시각 t1까지의 기간에는 제1금속 산화물층(4)이 형성되고, 시각 t1에서 시각 t2까지의 기간에는 제2금속 산화물층(5)이 형성된다. 시각 t1, t2는 전력(P1,P2)의 크기, 필요로 하는 막후 등에 따라 설정된다.
(상부 전극층의 형성)
계속해서, 제2금속 산화물층(5) 상에, 상부 전극층(6)이 형성된다. 상부 전극층(6)은 하부 전극층(3)과 동일하게 형성할 수 있고, 본 실시형태에서는, 스퍼터 장치(10)에 의해서 상부 전극층(6)이 형성된다.
이상과 같이, 본 실시형태에 따른 저항 변화 소자(1)의 제조 방법에서는, 타겟(T2)에 공급되는 스퍼터 전력을 변화시킴으로써, 형성되는 제1금속 산화물층(4) 및 제2금속 산화물층(5)의 산화도를 제어하고 있다.
예를 들면, 스퍼터법에 의해 금속 산화물층의 산화도를 제어하는 경우, 산화성 분위기에서의 금속 타겟의 반응성 스퍼터법이 이용된다. 이 방법에 따라 형성된 금속 산화물층의 저항률은, 일반적으로 도 4와 같은 산소 유량 의존성을 나타낸다. 도 4는, Ta 타겟을 산화성 분위기에서 스퍼터함으로써 금속 산화물층을 형성했을 때의, 산소 유량과 금속 산화물층의 저항률의 관계를 나타내는 일 실험결과이다.
도 4로부터, 1 Ω㎝보다 큰 저항률을 가지는 금속 산화물층을 형성할 때에, 산소 유량에 대한 저항률의 변화가 매우 커지는 것을 알 수 있다. 이것은, 산소 유량을 크게 했을 경우, 타겟의 산화가 진행되어, 형성되는 금속 산화물층의 산화도가 상승하기 쉽기 때문이라고 생각된다. 이것으로부터, 1 Ω㎝보다 크고 106 Ω㎝ 이하의 저항률을 가지는 제2금속 산화물층(5)을 형성하기 위해서는, 매우 정밀하게 산소 유량을 조정하지 않으면 안되 어려움을 수반한다.
한편, 본 실시형태에서는, 전압을 조정함으로써, 저항률을 제어하고 있다. 도 5는, 금속 타겟과 금속 산화물 타겟을 동시에 스퍼터하고, 금속 타겟의 공급 전력을 변화시켰을 때에, 형성된 금속 산화물층의 저항률의 변화를 나타내는 일 실험결과이다. 이 때, 금속 산화물 타겟의 공급 전력은 일정하게 하고, 스퍼터 가스는 Ar로 했다.
도 5에 의해, 1 Ω㎝보다 크고 106 Ω㎝ 이하의 저항률에 대응하는 금속 타겟의 공급 전력은 완만하게 변화한다. 이것은, 반응성 가스를 이용하지 않기 때문에 도입되는 가스에 의한 영향이 적고, 안정한 스퍼터가 가능하기 때문이라고 생각된다. 따라서, 본 실시형태에 따른 제2금속 산화물층(5)을 작성할 때도, 가변 전원(18B)의 전력만을 조정함으로써, 정밀하게 저항률을 제어할 수 있다.
또, 산소 유량에 의해서 저항률을 조정할 때는, 타겟 표면이나 방착판 표면에서의 산화 등에 의해서 웨이퍼면 내나 웨이퍼 간에 저항률의 분포가 발생하기 쉽고, 그 분포를 컨트롤하는 것도 곤란하다. 다음으로, 본 실시형태에 따른 방법을 이용하여 금속 산화물층을 형성한 예와, 산소 유량의 조정에 의해 저항률을 제어해 금속 산화물층을 형성한 예를 비교하여 본 발명의 효과에 대해서 더 설명한다.
도 6A, B는 금속 산화물층의 저항률의 웨이퍼면 내의 분포를 나타내는 일 실험결과이고, 도 7A, B는 복수의 웨이퍼를 연속적으로 스퍼터 했을 때의 금속 산화물층의 저항률의 웨이퍼간 분포를 나타내는 일 실험결과이다. 도 6A, 도 7A는 산소 유량의 조정에 의해서 저항률을 제어했을 경우를 나타내고, 도 6B, 도 7B는 본 실시형태에 따른 방법, 즉 금속 타겟의 공급 전력의 제어에 의해서 저항률을 제어한 경우를 나타내고 있다. 실험에는, 12 인치 웨이퍼를 사용했다.
도 6A에서는, 웨이퍼의 중심에 가까운 부분에서는 저항률이 낮고, 중심에서 멀어짐에 따라서 저항률이 높은 웨이퍼 내 분포를 나타내고, 실제로, 웨이퍼면 내의 저항률 분포는 ±65%이다. 이것은, 기판 지지대의 주위에 위치하는 방착판 표면이나 웨이퍼의 주연부에서 산소 가스가 반응해 버려, 웨이퍼 중심부에서 스퍼터 입자와 반응하는 산소 가스의 양이 감소하기 때문이라고 생각된다.
한편, 도 6B에서는, 저항률은 균일한 웨이퍼 내 분포를 나타내고, ±2%의 범위에 들어가고 있다. 이것은, 스퍼터에 반응성 가스를 사용하지 않기 때문에 도입되는 가스에 의한 영향이 적고, 산화도가 균일한 금속 산화물층을 형성할 수 있기 위해라고 생각할 수 있다.
도 7 A에서는, 연속적으로 스퍼터하는 웨이퍼 매수가 증가함에 따라서 저항률의 상승을 볼 수 있고, 웨이퍼간의 저항률의 분포는 ±42.9%이다. 이것은, 스퍼터에 따른 시간이 경과함에 따라서 산소 가스에 의한 금속 타겟의 산화가 진행되어, 스퍼터 입자의 산화도가 높아지는 결과, 형성된 금속 산화물층의 산화도가 상승하기 때문이라고 생각된다.
한편, 도 7B에서는, 웨이퍼 사이에서의 저항률의 분포가 ±4.5%이고, 거의 균일한 분포를 나타내고 있다. 이것은, 스퍼터에 반응성 가스를 사용하지 않기 때문에, 시간 경과에 의한 타겟 조성의 변화가 적고, 안정적으로 스퍼터를 실시할 수 있기 때문이라고 생각된다. 이것으로부터, 본 실시형태에서는, 연속적으로 복수의 금속 산화물층을 형성했을 때에도, 웨이퍼 사이에서의 저항률을 정밀하게 제어할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 소망한 산화도, 즉 저항률을 가지는 금속 산화물층을 정밀하게 형성할 수 있으므로, 목적으로 하는 전기적 특성을 가지는 저항 변화 소자를 안정하게 제조할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상에 근거해 여러 가지의 변형이 가능하다.
예를 들면 이상의 실시형태에서는, 타겟(T2)에의 공급 전력을 제어했지만, 필요에 따라서 타겟(T1)의 공급 전력을 제어해도 좋다.
또, 이상의 실시형태에서는, 제1금속 산화물층(4)이 제2금속 산화물층(5)보다 높은 저항률을 가지는 저항 변화 소자를 제작했지만, 이것을 대신하여, 제2금속 산화물층(5)이 제1금속 산화물층(4)보다 높은 저항률을 가지는 저항 변화 소자를 제작하는 것도 가능하다.
이상의 실시형태에서는, 스퍼터 가스로서 Ar만을 이용했지만, 필요에 따라서, 다른 가스와의 혼합가스를 이용하여도 좋다.
1: 저항 변화 소자
2: 기판
3: 하부 전극층
4: 제1금속 산화물층
5: 제2금속 산화물층
6: 상부 전극층
10: 스퍼터 장치
11: 진공 챔버
12A, 12B: 스퍼터 캐소드
13: 컨트롤러
14: 기판 지지대
18A: RF 전원
18B: 가변 전원
T1, T2: 타겟

Claims (5)

  1. 금속 산화물로 이루어지는 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 금속으로 이루어지는 제2타겟을 제1전력으로 스퍼터함으로써, 제1저항률을 가지는 제1금속 산화물층을 기판 상에 형성하고,
    상기 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제1전력과 다른 제2전력으로 스퍼터함으로써, 상기 제1저항률과는 다른 제2저항률을 가지는 제2금속 산화물층을 상기 제1금속 산화물층 상에 형성하는, 저항 변화 소자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속 산화물층은 상기 제1타겟을 제3전력으로 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제1전력으로 스퍼터함으로써 형성되고,
    상기 제2금속 산화물층은 상기 제1타겟을 상기 제3전력으로 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제2전력으로 스퍼터함으로써 형성되는, 저항 변화 소자의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1금속 산화물층과 상기 제2금속 산화물층은 모두 희(希)가스를 이용하여 스퍼터함으로써 형성되는, 저항 변화 소자의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1타겟은 탄탈륨 산화물로 이루어지고,
    상기 제2타겟은 탄탈륨으로 이루어지는, 저항 변화 소자의 제조 방법.
  5. 진공 챔버,
    상기 진공 챔버에 장착되고, 금속 산화물로 이루어지는 제1타겟을 포함하는 제1스퍼터 캐소드,
    상기 진공 챔버에 장착되고, 상기 금속으로 이루어지는 제2타겟을 포함하는 제2스퍼터 캐소드와,
    상기 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 제1전력으로 스퍼터하는 제1상태, 상기 제1타겟을 스퍼터하면서, 상기 제2타겟을 상기 제1전력과 다른 제2전력으로 스퍼터하는 제2상태를 순차로 전환하는 전환부(切替部)를 가지는 제어 유닛을 구비하는, 저항 변화 소자의 제조 장치.
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