KR20170058271A - 자기 터널 접합을 위한 MgO 증착 동안의 인터페이스 엔지니어링 - Google Patents

자기 터널 접합을 위한 MgO 증착 동안의 인터페이스 엔지니어링 Download PDF

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케이티 린 나르디
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

자기 디바이스들을 제조하는 방법들이 본 명세서에 기술된다. 방법들은 원자층 증착 또는 화학적 기상 증착을 사용하여 금속 옥사이드 막을 증착하기 전, 증착 동안, 또는 증착 후에 환원제에 CoFeB 막과 같은 자기 막을 노출시키는 단계를 수반한다. 일부 방법들은 환원제에 대한 노출, 마그네슘-함유 전구체에 대한 노출, 및 산화제에 대한 노출을 수반하여 사이클들로 자기 막을 노출시키는 단계를 포함한다. 방법들은 자기 터널 접합의 일부를 형성하도록 CoFeB 층 상에 마그네슘 옥사이드 층을 증착하기에 적합하다.

Description

자성 터널 접합을 위한 MgO 증착 동안의 인터페이스 엔지니어링{INTERFACE ENGINEERING DURING MGO DEPOSITION FOR MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS}
반도체 제조 프로세스들은 금속들 및 금속 합금들을 포함한 다양한 재료들의 층들에 인접한 금속 옥사이드들을 포함한 스택들의 제조를 포함한다. 그러나, 이들 재료들을 증착하고 그 후에 에칭하기 위한 기법들은 디바이스들이 축소되고 그리고 다양한 타입들의 구조체들의 제조가 보다 복잡해지기 때문에 많은 과제들을 제기한다. 그 결과, 다른 제조 기법들이 관심을 끈다.
기판들을 프로세싱하는 방법들이 본 명세서에 제공된다. 일 양태는 자성 막의 표면 상에 금속 옥사이드 막을 증착하는 단계; 및 금속 옥사이드 막과 자성 막 사이의 인터페이스에서 옥사이드를 환원시키도록 금속 옥사이드 막의 증착 동안 환원제에 자성 막을 노출시키는 단계에 의해 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법이다. 일부 실시예들에서, 자성 디바이스는 자성 터널 접합이다.
금속 옥사이드 막은 자성 터널 접합의 일부를 형성하도록 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 화학적 기상 증착에 의해 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 약 400 ℃ 미만의 온도로 제조될 수도 있다. 환원제는 직접 수소 플라즈마 또는 리모트 수소 플라즈마일 수도 있다. 환원제는 수소, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다.
다양한 실시예들에서, 금속 옥사이드 막은 자성 막을 금속 전구체와 산화제의 교번하는 사이클들에 노출시킴으로써 증착된다. 증착 사이클 각각은 실질적으로 자기 제한적일 수도 있다. 자성 막은 자성 막이 금속 전구체에 노출될 때 환원제에 적어도 부분적으로 노출될 수도 있다. 일 사이클에서 사용된 환원제는 또 다른 사이클에서 사용된 환원제와 상이할 수도 있다.
환원제는 수소, 수소 플라즈마 종, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 환원제는 직접 수소 플라즈마 또는 리모트 수소 플라즈마이다.
금속 옥사이드 막은 자성 터널 접합의 일부를 형성하도록 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 화학적 기상 증착에 의해 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 약 400 ℃ 미만의 온도로 제조될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 약 20 ㎚ 미만의 두께로 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 마그네슘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 니켈 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 란타늄 옥사이드, 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 옥사이드, 및 스트론튬 티타늄 옥사이드 중 임의의 것일 수도 있다.
금속 옥사이드 막은 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들과 같은 하나 이상의 마그네슘-함유 전구체들을 사용하여 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 물, 산소, 산소 플라즈마, 과산화수소, 오존, 및 이들의 조합들과 같은 산화제들을 사용하여 증착될 수도 있다.
자성 막을 환원제에 노출시키는 단계는, 기판을 알콜, 알데히드, 및 카르복실산일 수도 있는 유기 시약에 노출시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 금속 옥사이드 막을 가진 자성 디바이스는 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 갖는다. 자성 막은 임의의 금속 옥사이드가 증착되기 전에 환원제에 노출될 수도 있다. 자성 막은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다.
금속 옥사이드 막의 증착 및 환원제에 대한 노출은 사이클들로 수행될 수도 있다. 환원제는 직접 수소 플라즈마 또는 리모트 수소 플라즈마일 수도 있다. 환원제는 수소, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다. 일 사이클에서 사용된 환원제는 또 다른 사이클에서 사용된 환원제와 상이할 수도 있다. 금속 옥사이드 막을 포함한 자성 디바이스는 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 가질 수도 있다.
자성 막을 환원제에 노출시키는 단계는, 기판을 알콜들, 알데히드들, 및 카르복실산들과 같은 유기 시약에 노출시키는 단계를 더 포함한다.
자성 막은 임의의 금속 옥사이드가 증착되기 전에 환원제에 노출될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 약 20 ㎚ 미만의 두께로 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 마그네슘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 니켈 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 란타늄 옥사이드, 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 옥사이드 및 스트론튬 티타늄 옥사이드 중 임의의 것일 수도 있다. 자성 막은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들과 같은 마그네슘-함유 전구체들을 사용하여 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 물, 산소, 산소 플라즈마, 과산화수소, 오존, 및 이들의 조합들 중 임의의 것과 같은 산화제들을 사용하여 증착될 수도 있다.
또 다른 양태는 (i) 금속 막을 마그네슘-함유 전구체에 노출시키는 단계; (ii) 금속 막을 산화제에 노출시키는 단계; 및 (iii) 마그네슘 옥사이드의 증착 동안 금속 막을 환원시키도록 금속 막을 환원제에 노출시키는 단계에 의해, 금속 막 상에 마그네슘 옥사이드를 증착함으로써 기판들을 프로세싱하는 방법을 수반할 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 단계 (i) 내지 단계 (iii) 은 사이클들로 반복된다. 증착 사이클 각각은 실질적으로 자기 제한적일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 단계 (iii) 은 n번째 사이클마다 수행되고, 여기서 n은 2 이상의 정수이다.
다양한 실시예들에서, 단계 (iii) 은 단계 (i) 및 단계 (ii) 전에 수행된다. 마그네슘 옥사이드는 약 400 ℃ 미만의 온도로 증착될 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 환원제는 수소, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들 중 임의의 것이다. 일 사이클에서 사용된 환원제는 또 다른 사이클에서 사용된 환원제와 상이할 수도 있다.
마그네슘 옥사이드는 약 20 ㎚ 미만의 두께로 증착될 수도 있다. 마그네슘 옥사이드는 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 갖는 자성 디바이스를 형성하도록 증착될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 단계 (iii) 은 알콜들, 알데히드들, 및 카르복실산들과 같은 유기 시약에 금속 막을 노출시키는 단계를 더 포함한다.
금속 막은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다. 마그네슘 옥사이드는 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들과 같은 마그네슘-함유 전구체들을 사용하여 증착된다.
산화제는 물, 산소, 산소 플라즈마, 과산화수소, 오존, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다.
또 다른 양태는 (a) 제 1 표준 전극 전위를 가진 금속 막을 제 2 표준 전극 전위를 가진 금속 전구체에 노출시키는 단계; (b) 금속 옥사이드 막을 형성하도록 금속 막을 산화제에 노출시키는 단계; 및 (c) 금속 막을 제 1 표준 전극 전위와 제 2 표준 전극 전위 사이의 표준 전극 전위를 가진 환원제에 노출시키는 단계에 의해 자성 디바이스들을 제조하는 방법을 수반한다.
다양한 실시예들에서, 단계 (a) 내지 단계 (c) 는 증착 사이클들로 반복된다. 일부 실시예들에서, 단계 (c) 는 n번째 사이클마다 수행되고, 여기서 n은 2 이상의 정수이다. 증착 사이클 각각은 실질적으로 자기 제한적일 수도 있다. 일 사이클에서 사용된 환원제는 또 다른 사이클에서 사용된 환원제와 상이할 수도 있다.
환원제는 수소, 수소 플라즈마 종, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다. 환원제는 직접 수소 플라즈마 또는 리모트 수소 플라즈마일 수도 있다.
금속 옥사이드 막은 자성 터널 접합의 일부를 형성하도록 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 약 400 ℃ 미만의 온도로 제조될 수도 있다.
금속 옥사이드 막을 포함한 자성 디바이스는 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 갖는다. 금속 옥사이드 막은 약 20 ㎚ 미만의 두께로 증착될 수도 있다. 금속 옥사이드 막은 마그네슘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 니켈 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 란타늄 옥사이드, 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 옥사이드 및 스트론튬 티타늄 옥사이드 중 임의의 것일 수도 있다. 금속 막은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 및 이들의 조합들 중 임의의 것일 수도 있다.
금속 옥사이드 막은 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들과 같은 하나 이상의 마그네슘-함유 전구체들을 사용하여 증착될 수도 있다.
금속 옥사이드 막은 물, 산소, 산소 플라즈마, 과산화수소, 오존, 및 이들의 조합들과 같은 산화제들을 사용하여 증착될 수도 있다.
또 다른 양태는 자성 디바이스들을 제조하기 위한 장치를 수반하고, 장치는: (a) 기판 웨이퍼 상에 자성 막을 가진 기판 웨이퍼를 홀딩하기 위한 페데스탈을 포함한 적어도 하나의 프로세스 챔버; (b) 진공에 커플링하기 위한 적어도 하나의 유출부; (c) 하나 이상의 금속-함유 전구체 소스들, 하나 이상의 산화제들, 및 하나 이상의 환원제들에 커플링된 하나 이상의 프로세스 가스 유입부들; 및 (d) 장치의 동작들을 제어하기 위한 제어기를 포함하고, 제어기는: (i) 적어도 하나의 프로세스 챔버로 환원제를 도입하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션; (ii) 적어도 하나의 프로세스 챔버로 마그네슘-함유 전구체를 도입하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션; 및 (iii) 금속 기판 상에 마그네슘 옥사이드 막을 형성하도록 적어도 하나의 프로세스 챔버로 산화제를 도입하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션을 포함한다.
일부 실시예들에서, 장치는 또한 (e) 플라즈마 생성기를 포함한다.
제어기는 또한 (iv) 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 교번하는 펄스들로 반복하고 그리고 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 수행하는 n 사이클들마다 머신-판독가능 인스트럭션 (i) 을 수행하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제어기는 또한 (iv) 머신-판독가능 인스트럭션 (i) 동안 플라즈마를 점화하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션; 및 (v) 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 교번하는 펄스들로 반복하고 그리고 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 수행하는 n 사이클들마다 머신-판독가능 인스트럭션 (i) 을 수행하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 제어기는 또한 (iv) 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 동안 플라즈마를 점화하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션; 및 (v) 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 교번하는 펄스들로 반복하고 그리고 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 수행하는 n 사이클들마다 머신-판독가능 인스트럭션 (i) 을 수행하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션을 포함할 수도 있다.
이들 및 다른 양태들은 도면들을 참조하여 이하에 더 기술된다.
도 1은 예시적인 기판의 개략적인 예시이다.
도 2a 및 도 2b는 개시된 실시예들에 따라 수행된 방법들의 동작들을 도시한 프로세스 흐름도들이다.
도 2c는 개시된 실시예들에 따른 방법의 사이클들의 예를 도시한 타이밍 시퀀스도이다.
도 3은 개시된 실시예들을 수행하기 위한 예시적인 프로세스 챔버의 개략도이다.
도 4는 개시된 실시예들을 수행하기 위한 예시적인 프로세스 장치의 개략도이다.
다음의 기술에서, 다수의 특정한 세부 사항들이 제시된 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 개시된 실시예들은 이러한 특정한 세부 사항들 전부 또는 일부 없이도 실시될 수도 있다. 다른 예들에서, 공지된 프로세스 동작들은 개시된 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않았다. 개시된 실시예들은 특정한 실시예들과 함께 기술될 것이지만, 이는 개시된 실시예들을 제한하려고 의도된 것이 아님이 이해될 것이다.
반도체 제조는 MRAM (magnetic random access memory) 디바이스들과 같은 자성 디바이스들의 제조를 수반할 수도 있다. 이들 디바이스들은 복수의 얇은 금속 층들 또는 막들 및 MTJ (magnetic tunnel junction) 를 함께 형성하는 터널 유전체 층을 포함할 수도 있다. 자성 터널 접합 (MTJ) 은 2 개의 자성 멀티층들 사이의 얇은 터널 유전체 층으로 구성되고, 2 개의 자성 멀티층들 중 하나는 "고정 층"이고 그리고 다른 하나는 "프리 (free) 층"이다. 스핀 분극된 전자들은 양자 터널링 프로세스에 의해 터널 유전체를 통과한다. 이것은 자성-기반 메모리 또는 로직 디바이스들에 대한 기초로서 기능한다.
STT (spin-transfer torque) 는 MTJ 내의 자성 층의 배향이 스핀 분극된 전류를 사용하여 수정될 수 있는 효과이다. 전하 캐리어들 (예를 들어, 전자들) 은 캐리어에 대해 고유한 소량의 각 운동량인, 스핀으로서 공지된 특성을 갖는다. 전류는 일반적으로 분극되지 않는다 (50 % 스핀-업 전자들 및 50 % 스핀-다운 전자들). 두꺼운 자성 층 (보통 "고정 층"으로 불림) 을 통해 전류를 흘림으로써, 양 스핀의 보다 많은 전자들을 가진 스핀 분극된 전류가 생성될 수 있다. 이 스핀 분극된 전류가 제 2, 보다 얇은 자성 층 ("프리 층") 으로 지향된다면, 각 운동량은 이 층으로 전달될 수 있고, 층의 자성 배향을 변화시킨다. 이 효과는 진동들을 활성화시키거나 심지어 자석의 배향을 플립핑하도록 (flip) 사용될 수 있다.
STT (spin-transfer torque) 는 MRAM (magnetic random-access memory) 내의활성 엘리먼트들을 플립핑하도록 사용될 수 있다. STT-RAM 또는 STT-MRAM (spin-transfer torque magnetic random-access memory) 은 활성 엘리먼트들을 플립핑하도록 자기장들을 사용하는 종래의 MRAM (magnetoresistive random-access memory) 에 비해 보다 저 전력 소모 및 보다 양호한 확장성의 이점들을 갖는다. STT 기술은 저 전류 필요조건들과 감소된 비용을 결합한 MRAM 디바이스들을 가능하게 할 가능성을 갖는다. Ralph, D. C.; Stiles, M. D. (April 2008). "Spin transfer torques". Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320 (7): 1190-1216.
자성 터널 접합들은 또한 전류 CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) 디바이스들에서 사용되는 MOSFET들 (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) 을 위한 가능한 대체품으로서 스핀트로닉 (spintronic) 로직 게이트들을 위해 사용될 수 있다. MTJ는 로직 스위치를 형성하도록 다른 자성 재료들 및 디바이스 엘리먼트들과 함께 사용될 수 있다.
예시적인 MTJ 스택이 도 1에 제공된다. 도 1은 실리콘 옥사이드 에칭 정지 층 (101), 탄탈륨 나이트라이드 배리어 층 (103), 백금 망간 합금 층 (105), 제 1 CoFeB 층 (113), 루테늄 금속 층 (115), 제 2 CoFeB 층 (117), 유전체 층 (119), 제 3 CoFeB 층 (121), NiFe 또는 CoPd 층 (123), 루테늄 층 (125), 제 2 NiFe 또는 CoPd 층 (127), 및 탄탈륨 층 (129) 을 포함한 스택 (100) 을 도시한다. MTJ 스택 (120) 은 도면에 도시된 바와 같이 모든 층들로 구성된다. 일부 실시예들에서, 고정 층은 층들 (101, 103, 105, 113, 115, 및 117) 을 포함한다. 일부 실시예들에서, 고정 층은 층들 (103, 105, 113, 115, 및 117) 을 포함한다. 다양한 실시예들에서, 고정 층은 하부 자성 층들 (101 내지 117) 을 포함한다. 터널 유전체는 상부 자성 층들 (121 내지 129) 을 포함할 수도 있는 프리 층으로부터 고정 층을 분리시킨다. 일부 실시예들에서, 프리 층은 층들 (129, 127, 125, 123, 및 121) 을 포함한다. 일부 실시예들에서, 프리 층은 층들 (123 및 121) 을 포함한다. 자성 디바이스 내의 유전체 층 (119) 은 약 20 ㎚ 미만, 또는 약 2 ㎚ 미만의 두께를 가질 수도 있다.
특정한 재료들이 도면에 도시되었지만, 다른 적합한 재료들이 이러한 스택 내에 존재할 수도 있다는 것을 주의하라. 층 (121) 및 층 (117) 은 금속들 및/또는 금속 합금들, 예컨대, 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 또는 이들의 조합들을 포함할 수도 있다. 유전체 층 (119) 은 금속 옥사이드 층, 예컨대, 마그네슘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 니켈 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 란타늄 옥사이드, 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 옥사이드, 및 스트론튬 티타늄 옥사이드일 수도 있다.
도 1이 하단에 고정 층 그리고 상단에 프리 층을 도시하였지만, 다른 배향들도 당업자들에 의해 입증되었다. 예를 들어, 프리 층이 하단에 있을 수도 있고 그리고 고정 층이 상단에 있을 수도 있다. 다른 예들에서, MTJ는 수직 대신에 수평으로 배향될 수도 있다.
STT-MRAM의 고 밀도 스케일링에서 아직 극복되어야 할 중요한 과제들 중 하나는 MRAM 스택의 층들의 제조에 관한 과제이다. 특히, (도 1에 도시된 유전체 층 (119) 과 같은) 유전체 층은 2 개의 금속-함유 층들 (고정 층 및 프리 층) 에 인접하고, 그리고 MTJ를 제조하는 종래의 방법들은 다양한 과제들에 직면하였다. 예를 들어, 유전체 층은 통상적으로 (터널링이 발생하게 하도록) 매우 얇은 금속 옥사이드 층이지만 금속 옥사이드 유전체 층을 증착하는 종래의 기법들은 또한 자유 층 또는 고정 층 내의 하부 금속들을 산화시킬 수도 있다. 유전체 층과 하부 금속 층, 통상적으로 CoFeB 사이의 인터페이스가 자성 디바이스 내의 터널링의 효율에 기여하기 때문에, 고정 층 또는 프리 층 내의 하부 또는 다른 금속 막들의 산화는 디바이스를 비효율적이게, 신뢰할 수 없게, 또는 동작 불가능하게 만들 수도 있다.
자성 터널 접합 재료들을 제조하기 위한 일 종래의 기법은 PVD (physical vapor deposition) 이다. PVD 방법에서, 멀티층 막 스택은 블랭킷 막들로서 증착되고, 그리고 막들은 그 후에 3 차원 MTJ 필라를 형성하도록 에칭된다. 그러나, 이들 자성 금속들 중 일부에 대한 에칭 프로세스들은 공지되지 않거나 매우 어렵고 그리고 종종 MTJ 층들을 손상시킨다.
금속-함유 층 상에 자성 디바이스를 위한 터널 유전체를 제조하는 방법들이 본 명세서에 제공된다. 개시된 실시예들은 증착 전구체, 환원제, 및 산화제를 사용하는 ALD (atomic layer deposition) 또는 CVD (chemical vapor deposition) 에 의한 얇은 터널 옥사이드의 증착을 포함한다.
ALD는 순차적이고 주로 자기 제한적인 반응들을 사용하여 재료의 박층들을 증착하는 기법이다. 통상적으로, ALD 사이클은 기판 표면에 적어도 하나의 반응물질을 전달하고 흡착하고, 그리고 이어서 부분적인 막층을 형성하도록 하나 이상의 반응물질들과 흡착된 반응물질을 반응시키는 동작들을 포함한다. 예로서, 금속 옥사이드 증착 사이클은 다음의 동작들을 포함할 수도 있다: (i) 금속-함유 전구체를 전달하거나 흡착, (ii) 챔버로부터 과잉의 금속-함유 전구체의 퍼지 또는 배기, (iii) 제 2 반응물질 또는 산화제의 전달, 및 (iv) 챔버로부터 과잉의 반응물질 또는 산화제의 퍼지 또는 배기. 반응물질 또는 산화제는 다운스트림 또는 직접 플라즈마로부터의 종을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 기판 표면에 제 1 반응물질을 흡착시키는 것은 기판 표면의 적어도 95 % 또는 약 100 % 또는 100 %를 포화시킨다. 다른 타입들의 막들은 다양한 전구체들과 공-반응물질들의 펄스들을 사용하여 증착될 수도 있다.
대부분의 CVD 기법들과 달리, ALD 프로세스들은 층 단위 기반으로 (layer-by-layer basis) 막들을 증착하도록 순차적이고 주로 자기 제한적인 증착 반응들을 사용한다. ALD 프로세스의 일 예에서, 활성 표면 사이트들의 집단을 포함한 기판 표면은 기판을 하우징하는 챔버에 제공된 도즈 (dose) 의 금속-함유 전구체와 같은 제 1 전구체의 가스 상 분포에 노출된다. 제 1 전구체의 화학 흡착된 종 및/또는 물리 흡착된 분자들을 포함한, 이러한 제 1 전구체의 분자들은 기판 표면 상에 흡착된다. 제 1 전구체 도즈 후에, 이어서 챔버는 흡착된 종의 대부분 또는 흡착된 종만이 남아 있도록 가스 상으로 남아 있는 제 1 전구체의 대부분 또는 전부를 제거하기 위해서 배기되거나 퍼지된다. 일부 구현예들에서, 챔버는 완전히 배기되거나 퍼지되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 반응기는 가스 상의 제 1 전구체의 분압이 반응을 완화시키기 위해 충분히 낮도록 배기되거나 퍼지될 수도 있다. 산화제와 같은 제 2 반응물질은 이들 분자들 중 일부가 표면 상에 흡착된 제 1 전구체와 반응하도록 챔버에 도입된다. 일부 프로세스들에서, 제 2 반응물질은 흡착된 제 1 전구체와 즉시 반응한다. 다른 실시예들에서, 제 2 반응물질은 소스의 활성화가 일시적으로 적용된 후에만 반응한다. 이어서 챔버는 결합되지 않은 제 2 반응물질 분자들을 제거하도록 다시 배기되거나 퍼지될 수도 있다. 상기에 기술된 바와 같이, 일부 실시예들에서 챔버는 완전히 배기되거나 퍼지되지 않을 수도 있다. 부가적인 ALD 사이클들은 막 두께를 구축하도록 사용될 수도 있다.
특정한 실시예들에서, ALD 제 1 전구체 도즈는 기판 표면 사이트들을 부분적으로 포화시킨다. 일부 실시예들에서, ALD 사이클의 도즈 페이즈는 전구체가 표면을 고르게 또는 완전히 포화시키기 전에 종료된다. 통상적으로, 전구체 플로우는 이 시점에서 턴 오프되거나 (turned off) 방향 전환되고, 그리고 퍼지 가스만이 흐른다. 이 서브-포화 레짐 (regime) 으로 동작함으로써, ALD 프로세스는 사이클 시간을 감소시키고 그리고 쓰루풋을 증가시킨다. 서브-포화 레짐으로 동작하는 ALD 프로세스들의 예들은, 전체가 참조로서 본 명세서에 인용되는, 2013년 10월 23일 출원되고, 발명의 명칭이 "SUB-SATURATED ATOMIC LAYER DEPOSITION AND CONFORMAL FILM DEPOSITION"인 미국 특허 출원 제 14/061,587 호에 제공된다.
일부 구현예들에서, ALD 방법들은 플라즈마 활성화를 포함한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 본 명세서에 기술된 ALD 방법들 및 장치들은 2011년 4월 11일 출원되고 발명의 명칭이 "PLASMA ACTIVATED CONFORMAL FILM DEPOSITION"인 미국 특허 출원 제 13/084,399 호 (현재 미국 특허 제 8,728,956 호), 및 2011년 4월 11일 출원되고 발명의 명칭이 "SILICON NITRIDE FILMS AND METHODS"인 미국 특허 출원 제 13/084,305 호에 일반적으로 기술된, CFD (conformal film deposition) 방법들일 수도 있고, 상기 특허 출원들은 전체가 참조로서 본 명세서에 인용된다.
자성 디바이스들 내에 금속 옥사이드 층들을 증착하도록 ALD를 사용하는 이점들은 얇은 막들의 정밀한 제어, 평활하고 컨포멀한 (conformal) 막들의 형성을 포함한다. 그럼에도 불구하고, 다양한 실시예들에서, 금속 옥사이드 층들은 CVD에 의해 증착될 수도 있다. CVD에서, 기판은 동시에, 금속-함유 전구체 및 반응물질, 예컨대, 산화제에 노출된다 (예를 들어, 금속-함유 전구체 및 산화제는 기판을 하우징하는 챔버 내에 함께 존재함). 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들이 ALD를 사용한 금속 옥사이드 층들의 증착을 수반하지만, 이러한 층들은 또한 CVD에 의해 증착될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
개시된 실시예들은 또한 금속 옥사이드를 증착하는 동안 하부 막들의 산화를 방지하고 그리고/또는 환원시키도록 환원 동작을 포함한다. 예를 들어, 마그네슘 옥사이드가 CoFeB 막 상에 증착된다면, 마그네슘 옥사이드가 기판의 표면으로부터 모든 코발트 옥사이드, 철 옥사이드, 또는 붕소 옥사이드를 환원시키도록 그리고 이에 따라 자성 디바이스 내의 CoFeB/MgO 인터페이스의 무결성을 유지하도록 증착되는 동안, CoFeB 막은 환원제에 주기적으로 노출될 수도 있다. 이 실시예는 또한 금속 옥사이드 증착 동안 자성 터널 접합의 노출된 측벽을 따른 산화를 방지하거나 환원시킬 수도 있다. 개시된 실시예들은 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 가진 금속 옥사이드들과 같은 고 터널 자성 저항 유전체들을 증착하기에 특히 적합하다.
도 2a는 특정한 개시된 실시예들에 따라 동작들을 수행하기 위한 프로세스 흐름도를 제공한다. 본 명세서에 제공된 예들이 마그네슘 옥사이드 막들을 증착하는 맥락에서 개시된 실시예들을 기술하지만, 방법들은 임의의 금속 옥사이드 막들 또는 터널 옥사이드 막들, 예컨대, 알루미늄 옥사이드, 니켈 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 란타늄 옥사이드, 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 옥사이드, 또는 스트론튬 티타늄 옥사이드를 증착하도록 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
동작 201에서, 기판이 프로세스 챔버에 제공된다. 기판은 상부에 증착된 유전체, 도전성, 또는 반도전성 재료와 같은 재료의 하나 이상의 층들을 가진 웨이퍼들을 포함한, 실리콘 웨이퍼, 예를 들어, 200-㎜ 웨이퍼, 300-㎜ 웨이퍼, 또는 450-㎜ 웨이퍼일 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 기판은 패터닝된다. 패터닝된 기판은 좁은 그리고/또는 재차 들어간 개구들, 피처들 내의 협착부들 (constriction), 및 고 종횡비들 중 하나 이상을 특징으로 할 수도 있는, 필라들, 폴들 (poles), 트렌치들, 비아 또는 콘택트 홀들과 같은 "피처들"을 가질 수도 있다. 피처(들)는 상기에 기술된 층들 중 하나 이상 내에 형성될 수도 있다. 피처의 일 예는 반도체 기판 또는 기판 상의 층 내의 필라 또는 폴이다. 또 다른 예는 기판 또는 층 내의 트렌치이다. 다양한 실시예들에서, 피처는 배리어 층 또는 접착 층과 같은, 하층을 가질 수도 있다. 하층들의 비제한적인 예들은 유전체 층들 및 도전성 층들, 예를 들어, 실리콘 옥사이드들, 실리콘 나이트라이드들, 실리콘 카바이드들, 금속 옥사이드들, 금속 나이트라이드들, 금속 카바이드들, 및 금속 층들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 패터닝된 기판은 기판에 걸친 다양한 토포그래피를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 부분적으로 또는 완전히 제조된 로직 및/또는 메모리 디바이스들이 기판 상에 존재할 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 기판은 자성 디바이스를 형성하기에 적합한 금속들, 유전체 재료, 및 반도체 재료의 층들을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 자성 디바이스는 MRAM이다. 예를 들어, 일부 기판들은 메모리 엘리먼트가 MTJ를 포함하는 MRAM 설계와 같은, 도 1에 도시된 재료의 하나 이상의 층들을 포함할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 자성 디바이스는 MTJ를 포함하는 자성 또는 스핀트로닉 로직 디바이스이다. MTJ 메모리 엘리먼트는 얇은 터널 배리어에 의해 분리된 2 개의 전극들을 포함한다. 2개의 전극들은 실질적으로 원형, 타원형, 정사각형 또는 둥근 정사각형 형상일 수도 있는 강자성 얇은 막 층들일 수도 있다. 일부 실시예들에서, MTJ 메모리 엘리먼트는 부가적인 자성 층들을 포함한다. 예를 들어, MTJ 메모리 엘리먼트는 얇은 금속 층을 샌드위치한 한 쌍의 강자성 층들을 더 포함할 수도 있고 - 이들 강자성 층들은 합성 반강자성체 및 반강자성 층으로서 지칭될 수도 있다. 본 명세서에 기술된 방법들을 사용하여 기판들 상에 제조될 수도 있는 예시적인 MRAM 메모리 엘리먼트들의 형상들 및 설계들의 추가의 기술은, "Semiconductor Manufacturing Magazine" pp. 90-96에 공개된, Ditizio, Robert 등에 의한 "Cell Shape and Patterning Considerations for Magnetic Random Access Memory (MRAM) Fabrication"에 제공된다.
다양한 실시예들에서, 기판의 표면은 금속 층이다. 금속 층은 코발트, 철, 니켈, 팔라듐, 백금, 루테늄, 붕소, 및 이들의 조합들을 포함할 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 기판은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 또는 이들의 조합들이다. 다양한 실시예들에서, 금속 층은 산화되기 쉬운 하나 이상의 층들을 포함한다. 금속 막은 블랭킷 막들의 멀티층으로서 기판 상에 존재할 수도 있거나 금속 막은 이미 패터닝된 막들의 3 차원 스택으로서 패터닝될 수도 있다.
다양한 개시된 실시예들은 약 0.1 Torr 내지 약 20 Torr, 또는 약 0.5 Torr 내지 약 5 Torr의 압력으로 수행될 수도 있다. 많은 실시예들에서, 개시된 방법들은 약 450 ℃ 미만, 또는 약 50 ℃ 내지 약 400 ℃, 예컨대, 약 100 ℃ 내지 300 ℃의 기판 온도로 수행될 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 페데스탈은 기판 온도를 제어하도록 약 400 ℃ 미만의 온도로 설정될 수도 있다.
동작들 203 및 299에서, 불활성 가스가 흐를 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 불활성 가스의 일부 또는 전부는 전구체 및/또는 반응물질들을 위한 캐리어 가스로서 사용된다. 예시적인 캐리어 가스들은 아르곤, 질소, 및 헬륨을 포함한다. 일부 실시예들에서, 불활성 가스는 일부 동작들에서 퍼지 가스로서 사용된다. 일부 실시예들에서, 캐리어 가스는 반응물질들과 함께 또는 반응물질들 없이, 일부 동작들에서 방향 전환된다. 불활성 가스는 프로세스 챔버의 압력 및/또는 온도 제어, 액체 반응물질의 기화, 반응물질의 보다 신속한 전달을 돕도록 그리고/또는 프로세스 챔버 및/또는 프로세스 챔버 배관으로부터 프로세스 가스들을 제거하기 위한 스윕핑 가스로서 제공될 수도 있다.
동작 203에서, 기판은 환원제에 노출된다. 환원제는 철 또는 코발트와 같은, 기판의 표면 상의 금속(들)의 전위와 마그네슘의 전위 사이의 표준 전극 전위를 가진 환원제일 수도 있다. 표준 전극 전위가 실제 동작 조건들 하에서 가변할 것이지만, 이것은 유용한 추정치일 수도 있다. 이것은 금속 하층의 산화로부터 형성된 모든 금속 옥사이드들을 환원할 수도 있지만, 차후의 동작들에서 증착된 금속 옥사이드의 임의의 환원을 최소화시킨다. 동작 203에서, 환원제는 금속 옥사이드의 증착 전에 공기 노출에 기인하여 형성된 금속 하층의 모든 산화를 환원시킬 수도 있다. 예를 들어, 차후의 동작들에서 마그네슘 옥사이드를 증착시킨다면, 마그네슘에 대한 표준 전극 전위는 다음과 같다:
Figure pat00001
철에 대한 표준 전극 전위는 다음과 같다:
Figure pat00002
코발트에 대한 표준 전극 전위는 다음과 같다:
Figure pat00003
CoFeB와 같은 금속 기판 상에 마그네슘 옥사이드 층을 증착시키기 위해서, 환원제는 환원제가 -2.70 V 내지 -0.89 V, 또는 -2.70 V 내지 -0.28 V의 표준 전극 전위를 갖도록 선택될 수도 있다. 예를 들어, 수소는 수소가 다음과 같이 표준 전극 전위를 갖기 때문에, 환원제로서 사용될 수도 있다.
Figure pat00004
환원제는 증기, 가스, 또는 플라즈마일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 환원제는 가스이다. 적합한 환원제 가스들의 예들은 수소, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들을 포함한다. 예시적인 하이드라진들은 메틸 하이드라진, 에틸 하이드라진, 및 디메틸 하이드라진을 포함한다. 환원제들은 상기에 논의된 바와 같이, 불활성 가스와 혼합될 수도 있거나 불활성 가스와 동시에 전달될 수도 있다.
다양한 실시예들에서, 환원제는 수소 플라즈마와 같은, 환원 가스들 중 일 환원 가스의 플라즈마로부터의 종을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 플라즈마는 예컨대, 직접 플라즈마로 프로세싱 챔버 내에서 생성된다. 다른 실시예들에서, 플라즈마는 예컨대, 다운스트림 플라즈마 소스를 사용하여, 프로세싱 챔버에 대해 리모트로 생성된다. 예를 들어, 플라즈마는 챔버 내에서 기판 표면 바로 위에 형성될 수도 있다. 인-시츄 플라즈마는 300 ㎜ 웨이퍼들에 대해 약 0.05 W/㎠ 내지 약 2.5 W/㎠의 기판 면적당 전력으로 점화될 수도 있다. 예를 들어, 전력은 300 ㎜ 웨이퍼들을 프로세싱하는 챔버에 대해, 약 150 W 내지 약 6000 W, 또는 약 600 W 내지 약 6000 W, 또는 약 800 W 내지 약 4000 W의 범위일 수도 있다. 예를 들어, 플라즈마들은 2 개의 용량 결합된 플레이트들을 사용하여 가스에 RF (radio frequency) 필드를 인가함으로써 생성될 수도 있다. RF 필드에 의한 플레이트들 사이의 가스의 이온화는 플라즈마를 점화하고, 플라즈마 방전 구역 내에서 자유 전자들을 생성한다. 이들 전자들은 RF 필드에 의해 가속되고 그리고 가스 상 반응물질 분자들과 충돌할 수도 있다. 반응물질 분자들과 이들 전자들의 충돌은 증착 프로세스에 참여하는 이온들 및 라디칼 종을 형성할 수도 있다. RF 필드는 임의의 적합한 전극들을 통해 커플링될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 다양한 실시예들에서, 적어도 약 13.56 ㎒, 또는 적어도 약 27 ㎒, 또는 적어도 약 40 ㎒, 또는 적어도 약 60 ㎒의 주파수를 가진 고 주파수 플라즈마가 사용된다. 일부 실시예들에서, 마이크로파-기반 플라즈마가 사용될 수도 있다. 전극들의 비제한적인 예들은 프로세스 가스 분배 샤워헤드들 및 기판 지지 페데스탈들을 포함한다. 플라즈마 프로세스들은 가스에 대한 RF 필드의 용량 결합과 다른 하나 이상의 적합한 방법들에 의해 형성될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시예들에서, 플라즈마는 제 2 반응물질이 챔버의 업스트림의 리모트 플라즈마 생성기에서 점화되고, 이어서 기판이 하우징되는 챔버로 전달되도록, 리모트 플라즈마이다. 다른 실시예들에서, 플라즈마는 프로세스 챔버 주위에 랩핑되거나 (wrapped) 프로세스 챔버 하드웨어에서 코일링된 (coiled) 하나 이상의 유도 결합된 코일들을 사용하여 가스에 RF 필드를 인가함으로써 생성된다.
일부 실시예들에서, 동작 203은 기판을 환원제에 노출시키는 것 및 기판을 유기 시약에 노출시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 환원제는 유기 시약과 함께 도입될 수도 있다. 유기 시약들은 알콜들, 알데히드들, 및 카르복실산들을 포함한다. 예시적인 유기 시약들은 메탄올, 에탄올, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 포름알데히드, 및 아세트알데히드를 포함한다.
기판은 차후의 동작들을 위해 하부 막의 표면을 환원시키고 그리고/또는 준비하기에 충분한 지속기간 동안 환원제에 노출될 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 환원제에 대한 노출의 지속기간은 약 0.01 내지 약 60 초일 수도 있다.
동작 299에서, 금속 옥사이드는 기판 상에 증착된다. 다양한 실시예들에서, 금속 옥사이드는 CVD에 의해 증착된다. 다양한 실시예들에서, 동작 299는 ALD에 의한 금속 옥사이드의 증착을 수반할 수도 있다. ALD에 의해 금속 옥사이드를 증착하는 일 예는 도 2b에 대해 이하에 더 기술된다.
다양한 실시예들에서, 동작 203은 일부 금속 옥사이드가 동작 299에서 기판 상에 증착될 때까지 수행되지 않는다. 일부 실시예들에서, 동작 299는 동작 203 전에 수행된다.
동작들 203 및 299는 기판 상에 목표된 두께의 금속 옥사이드 막을 증착하도록 다양한 사이클들로 반복될 수도 있다. 임의의 적합한 수의 증착 사이클들이 금속 옥사이드를 증착하도록 프로세스에 포함될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 203은 증착 사이클마다 수행되거나 수행되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 동작 299는 반복될 수도 있고, 한편 동작 203은 동작 299가 반복되는 n 회마다 수행되고, 여기서 n은 1 초과의 정수이다. 일부 실시예들에서, 동작 203은 기판 상에 임의의 금속 옥사이드를 증착하기 전에 수행된다. 일부 실시예들에서, 동작들 203 및 299의 반복된 사이클들에서 사용된 환원제는 사이클 각각 동안, 또는 임의의 수의 사이클들 동안 상이할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 프로세스는 동작 299로 종료될 수도 있지만 다른 경우들에서 프로세스는 동작 203으로 종료될 수도 있다. 동작 293에서, 기판은 다시 환원제에 선택 가능하게 노출될 수도 있다. 동작 203에서 사용된 환원제들 중 임의의 환원제는 동작 293에서 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 293에서 사용된 환원제는 동작 203에서 사용된 환원제와 상이하다. 일부 실시예들에서, 동작 293에서 사용된 환원제는 동작 203에서 사용된 환원제와 동일하다. 다양한 실시예들에서, 챔버는 동작들 203, 299, 및 293 중 임의의 동작들을 수행하기 전 또는 수행한 후에 퍼지 가스를 사용하여 배기되거나 퍼지될 수도 있다. 예시적인 퍼지 가스들은 아르곤, 질소, 및 헬륨을 포함한다.
도 2b는 특정한 개시된 실시예들에 따라 수행된 동작들의 프로세스 흐름도를 제공한다. 도 2b는 도 2a의 동작 299가 도 2b의 동작들 207 내지 215에서 기판 상에 금속 옥사이드를 증착하는 일 예를 나타내도록 확장되는, 도 2a의 동작들에 따라 방법을 수행하는 예를 제공한다. 도 2b에 도시된 동작들 201 및 203은 도 2a의 동작들 201 및 203에 대응할 수도 있다. 동작들 201 및 203에 대해 도 2a에 대하여 상기에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예들이 사용될 수도 있다. 도 2b의 동작 293은 도 2a의 동작 293에 대응할 수도 있다.
동작 205에서, 챔버는 프로세스 챔버로부터 모든 과잉의 환원제 또는 환원된 부산물들을 제거하도록 선택 가능하게 배기되거나 퍼지된다. 예시적인 퍼지 가스들은 아르곤, 질소, 및 헬륨을 포함한다. 일부 실시예들에서, 동작 205는 프로세스 챔버를 배기하기 위한 하나 이상의 배기 서브페이즈들 (subphases) 을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 동작 205가 일부 실시예들에서 생략될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 동작 205는 약 0 초 내지 약 60 초, 예를 들어, 약 0.2 초와 같은, 임의의 적합한 지속기간을 가질 수도 있다.
동작 207에서, 기판은 물리 흡착, 또는 화학 흡착을 통해, 하부 막 표면 상에 금속 전구체를 흡착하기에 충분한 지속기간 동안 금속 전구체에 노출된다. 본 명세서에 기술된 예들이 제 1 전구체로서 마그네슘-함유 전구체를 사용하지만, 제 1 전구체가 자성 막 상에 금속 옥사이드 또는 터널 옥사이드 막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 전구체일 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 동작 207의 지속기간은 사용된 금속-함유 전구체의 타입을 포함하여, 다양한 요인들에 따라 결정된다. 예를 들어, 일부 금속-함유 전구체들은 다른 것들보다 기판 상에 보다 쉽게 흡착할 수도 있다. 지속기간은 또한 금속 전구체가 상부에 흡착되는 막 표면의 타입에 따라 결정될 수도 있다. 일부 ALD 실시예들에서, 금속 전구체 도즈는 표면 사이트들을 부분적으로 또는 완전히 포화시킨다. 일부 실시예들에서, 금속 전구체는 표면 사이트들과 반응할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 금속 전구체는 캐리어 가스와 함께 또는 캐리어 가스 없이, 동작 207 동안 연속적으로 챔버 내로 흐른다. 다른 실시예들에서, 금속 전구체는 연속적인 플로우 없이 소크 시간 동안 챔버로 도입되고 그리고 챔버에 담긴다.
동작 207은 일부 실시예들에서 ALD 사이클의 일부일 수도 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 일반적으로 ALD 사이클은 표면 증착 반응을 1 회 수행하도록 사용된 동작들의 최소 세트이다. 일부 실시예들에서, 일 사이클의 결과는 기판 표면 상의 적어도 하나의 부분적인 마그네슘 옥사이드 막 모노레이어 (monolayer) 의 생성이다. 사이클은 반응물질들 및/또는 부산물들 중 하나 이상을 퍼지하는 동작 및/또는 증착될 때 부분적인 막을 처리하는 동작과 같은 특정한 보조적인 동작들을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 사이클은 고유의 시퀀스의 동작들의 일 예를 포함한다. 상기에 논의된 바와 같이, 일반적으로 일 사이클은 표면 증착 반응을 1 회 수행하도록 사용된 동작들의 최소 세트이다. 일 사이클의 결과는 기판 표면 상의 적어도 하나의 부분적인 막 모노레이어, 예를 들어, 부분적인 마그네슘 옥사이드 막 층의 생성이다.
동작 207 동안, 기판은 금속 전구체가 흡착된 층을 형성하기 위해서 기판 표면 상에 흡착되도록 금속 전구체에 노출된다. 본 명세서의 다른 곳에 기술된 바와 같이, 다양한 실시예들은 실질적으로 자기 제한적인 사이클들을 사용하여 금속 옥사이드 막을 증착하는 것을 수반한다. 실질적으로 자기 제한적인 사이클에서, 금속 전구체는 표면 사이트들의 100 %에 흡착되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 일단 표면이 마그네슘-함유 전구체로 포화된다면, 거의 또는 전혀 부가적인 마그네슘-함유 전구체가 기판 표면 상에 흡착되지 않도록 자기 제한적인으로 마그네슘-함유 전구체가 기판 표면 상에 흡착된다. 예를 들어, 마그네슘-함유 전구체들은 활성 표면 사이트들의 약 60 % 상에 흡착될 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 금속 전구체가 챔버로 흐를 때, 금속 전구체는 하부 막의 표면 상의 활성 사이트들 상에 흡착하고, 표면 상에 금속 전구체의 적어도 하나의 부분적인 모노레이어를 형성한다. 다양한 실시예들에서, 이 층은 모노레이어 미만일 수도 있고, 그리고 약 0.2 Å 내지 약 5 Å의 두께를 가질 수도 있다. 본 명세서에 제공된 방법들은 약 450 ℃ 미만, 또는 약 50 ℃ 내지 약 400 ℃, 예컨대, 약 100 ℃ 내지 300 ℃의 기판 온도로 수행될 수도 있다. 동작 207은 약 0.1 Torr 내지 약 20 Torr, 또는 약 0.5 Torr 내지 약 5 Torr의 압력으로 수행될 수도 있다. 동작 207을 포함한 ALD 사이클은 일정한 온도 및 압력으로 수행될 수도 있거나, 온도 또는 압력은 동작 207과 다른 동작들 간에 가변할 수도 있다.
개시된 실시예들에 따라 사용되기에 적합한 마그네슘-함유 전구체들은 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들을 포함한다.
동작 209에서, 챔버는 기판의 표면 상에 흡착되지 않는 가스 상의 과잉의 금속-함유 전구체 (예를 들어, 마그네슘-함유 전구체) 를 제거하도록 선택 가능하게 배기되거나 퍼지된다. 챔버를 퍼지하는 것은 다른 동작들에서 사용된 캐리어 가스일 수도 있거나 상이한 가스일 수도 있는 퍼지 가스 또는 스윕핑 가스를 흘리는 것을 수반할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 퍼지는 챔버를 배기하는 것을 수반할 수도 있다. 예시적인 퍼지 가스들은 아르곤, 질소, 수소, 및 헬륨을 포함한다. 일부 실시예들에서, 동작 209는 프로세스 챔버를 배기하기 위한 하나 이상의 배기 서브페이즈들을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 동작 209는 일부 실시예들에서 생략될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 동작 209는 약 0 초 내지 약 60 초, 예를 들어 약 0.1 초와 같은 임의의 적합한 지속기간을 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 퍼지 가스들의 플로우 레이트를 증가시키는 것은 동작 209의 지속기간을 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 퍼지 가스 플로우 레이트는 동작 209의 지속기간을 변경하기 위해 프로세스 챔버 및/또는 프로세스 챔버 배관의 다양한 반응물질 열역학적 특성들 및/또는 기하학적 특성들에 따라 조정될 수도 있다. 일 비제한적인 예에서, 퍼지 페이즈의 지속기간은 퍼지 가스 플로우 레이트를 조절함으로써 조정될 수도 있다. 이것은 증착 사이클 시간을 감소시킬 수도 있고, 이는 프로세스 쓰루풋을 개선할 수도 있다. 퍼지 후에, 마그네슘-함유 전구체들은 기판 표면 상에 흡착된 채로 남아 있다. 퍼지 동작 209의 이들 실시예들은 또한 동작들 205 및 213과 같은, ALD 사이클의 다른 퍼지 단계들에 적용된다.
동작 211에서, 기판은 산화제와 같은 제 2 반응물질에 노출된다. 다양한 실시예들에서, 산화제는 하부 막의 표면 상에 적어도 하나의 부분적인 금속 옥사이드 모노레이어, 예컨대, 마그네슘 옥사이드 모노레이어를 형성하도록 사용된 산소-함유 반응물질이다. 산소-함유 반응물질은 적어도 하나의 산소 원자를 포함하는 반응물질 또는 반응물질들의 혼합물이다. 예시적인 산화제들은 물, 산소, 과산화수소, 오존, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 산화제는 상기에 기술된 가스들 중 일 가스 그리고 가능하게는 수소, 헬륨, 아르곤, 또는 질소와 같은 다른 가스들의 추가로부터 생성된 플라즈마로부터의 종을 포함한다. 일부 실시예들에서, 플라즈마는 챔버의 업스트림의 리모트 플라즈마 생성기 내에서 생성된 리모트 플라즈마이다. 다양한 실시예들에서, 플라즈마가 챔버 내에서 기판 표면 바로 위에 형성되도록 플라즈마는 인-시츄 플라즈마이다. 플라즈마는 도 2a의 동작 203 동안 플라즈마를 점화하는 것에 대해 상기에 기술된 조건들 중 임의의 조건들을 사용하여 생성될 수도 있다. 주파수 및 전력을 포함한 플라즈마 조건들은 선택된 산화제의 타입뿐만 아니라 동작 207에서 사용된 금속 전구체 (예를 들어, 마그네슘-함유 전구체) 에 따라 결정될 수도 있다. 플라즈마는 기판의 표면 상에 금속 옥사이드를 형성하도록 금속 전구체와 산화제 사이의 반응을 활성화시킬 수도 있다.
동작 213에서, 챔버는 챔버로부터 모든 과잉의 산화제 또는 반응 부산물들을 제거하도록 선택 가능하게 배기되거나 퍼지된다. 챔버가 퍼지된 후에, 금속 옥사이드 (예컨대, 마그네슘 옥사이드) 의 적어도 하나의 부분적인 모노레이어는 기판의 하부 금속 막 상에 남아 있다. 동작 213은 퍼지 가스들의 예시적인 화학반응들 및 지속기간을 포함하여, 동작 209에 대해 상기에 기술된 조건들 중 임의의 조건들에 대하여 수행될 수도 있다.
동작 215에서, 목표된 두께의 막이 증착되는지가 결정된다. 그렇지 않다면, 동작들 203 내지 213이 기판 상에 목표된 두께의 금속 옥사이드 막을 증착하도록 사이클들로 반복된다. 임의의 적합한 수의 증착 사이클들이 목표된 막 두께의 금속 옥사이드를 증착하도록 ALD 프로세스에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 동작들 203 내지 213은 금속 옥사이드를 약 20 ㎚ 미만 또는 약 1.5 ㎚ 미만의 두께로 증착하도록 반복될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 203은 증착 사이클마다 수행되거나 수행되지 않을 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 203은 동작들 207 내지 213을 수행하는 n 사이클들마다 수행되고, 여기서 n은 2 이상의 정수이다. 예를 들어, 기판은 동작 203에서 2 번째 ALD 사이클마다, 또는 3 번째 ALD 사이클마다, 4 번째 ALD 사이클마다, 등으로 환원제에 노출될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 동작 215는 동작 203을 수행한 후에 수행될 수도 있고, 여기서 동작 203은 동작들 205 내지 213을 수행한 후에 수행된다. 일부 실시예들에서, 동작 203은 기판 상에 임의의 금속 옥사이드를 증착하기 전에 수행된다. 일부 실시예들에서, 동작들 203 내지 213의 반복된 사이클들에서 사용된 환원제는 사이클 각각 동안, 또는 임의의 수의 사이클들 동안 상이할 수도 있다. 일 실시예에서, 제 1 환원 가스는 초기 동작 203 동안 사용될 수도 있지만 이어서 제 2 환원 가스는 동작들 205 내지 213을 수행한 후에 동작 203의 반복된 사이클들 동안 사용될 수도 있다.
동작 293에서, 기판은 환원제에 다시 선택 가능하게 노출될 수도 있다. 동작 203에서 사용된 환원제들 중 임의의 환원제들은 동작 293에서 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 293에서 사용된 환원제는 동작 203에서 사용된 환원제와 상이하다. 일부 실시예들에서, 동작 293에서 사용된 환원제는 동작 203에서 사용된 환원제와 동일하다.
일부 실시예들에서, 동작 203은 동작 207 또는 211 중 하나 동안 또는 양자 동안 수행될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이것은 환원제 및/또는 금속 전구체 또는 산화제의 펄스들이 일시적으로 분리되도록 수행된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 동작 207은 기판을 금속 전구체 및 환원제에 교번하는, 일시적으로 분리된 펄스들로 노출시키는 것을 포함할 수도 있다. 비슷하게, 일부 실시예들에서, 동작 211은 교번하는, 일시적으로 분리된 펄스들로, 금속 전구체에 기판을 노출시키는 것 및 환원제에 기판을 노출시키는 것을 포함할 수도 있다.
다양한 실시예들에서, 챔버는 동작들 203, 215, 299, 및 293 중 임의의 동작들을 수행하기 전 또는 수행한 후에 퍼지 가스를 사용하여 퍼지될 수도 있다. 예시적인 퍼지 가스들은 아르곤, 질소, 및 헬륨을 포함한다. 일부 실시예들에서, 동작들 203 및 207은 동시에 수행된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 증착 사이클은 기판을 금속 전구체 및 환원제 양자에 실질적으로 동시에 노출시키는 것, 프로세스 챔버를 퍼지하는 것, 기판을 산화제에 노출시키는 것, 및 프로세스 챔버를 퍼지하는 것을 포함할 수도 있다. 실질적으로 동시에는 금속 전구체 및 환원제에 대한 노출이 도즈 시간의 적어도 약 50 % 또는 적어도 약 65 % 동안 동시에 발생하는 경우에 금속 전구체 및 환원제 양자를 흘리는 것으로서 규정될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 203 및 207 동안의 노출들은 기판이 또한 금속 전구체에 노출될 때 기판이 환원제에 적어도 부분적으로 노출되도록 오버랩될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 211 및 동작 203 동안의 노출들은 기판이 또한 산화제에 노출될 때 기판이 환원제에 적어도 부분적으로 노출되도록 오버랩될 수도 있다.
도 2b가 ALD에 의해 금속 옥사이드를 증착시킴으로써 개시된 실시예들을 수행하는 예를 도시하지만, 다양한 실시예들에서, 금속 옥사이드는 ALD와 CVD의 조합을 사용하여 증착될 수도 있다. 예를 들어, ALD의 n 사이클들마다, 기판이 환원제에 노출될 수도 있고 이어서 CVD에 의해 금속 옥사이드를 증착하도록 금속 전구체 및 산화제에 동시에 노출될 수도 있고, 여기서 n은 1 이상의 임의의 정수이다.
도 2b가 부가적인 동작들을 도시하지 않지만, 일부 실시예들에서, 금속 옥사이드 층의 증착 후에, 공기에 대해 막을 노출시키기 전에 금속 옥사이드 층의 상단 상에 또 다른 막을 증착하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 금속 옥사이드 막이 공기 노출 동안 산소, 수증기, 질소, 또는 이산화탄소를 일시적으로 흡수할 수 있기 때문이다. 일 예에서, CoFeB와 같은 프리 층을 포함한 자성 막은 금속 옥사이드 막의 상단 상에 증착될 수도 있다. 또 다른 예에서, 희생적인 캡핑 막은 자성 디바이스의 나머지를 프로세싱하기 전에 기판으로 하여금 상이한 장치로 이송되게 하도록 금속 옥사이드 상에 증착될 수도 있다.
도 2c는 특정한 개시된 실시예들에 따른 예시적인 펄스들의 타이밍 시퀀스도이다. 도 2c는 다양한 프로세스 파라미터들, 예컨대, 캐리어 또는 퍼지 불활성 가스 플로우, 마그네슘-함유 전구체 플로우 (도 2c에서 마그네슘 전구체 플로우로서도시됨), 환원제 플로우, 산화제 플로우, 및 플라즈마에 대한, 예시적인 증착 프로세스 200의 페이즈들을 도시한다. 이 예에서, 마그네슘 옥사이드는 수소 플라즈마와 같은 환원제에 기판을 먼저 노출시키고, 마그네슘-함유 전구체에 기판을 노출시키고, 수증기와 같은 산화제에 기판을 노출시키고, 플라즈마 없이 환원제에 기판을 노출시키고, 그리고 다양한 사이클들의 노출들 사이에 질소와 같은 불활성 가스를 사용하여 퍼지함으로써 기판 상에 증착된다.
도 2c의 선들은 이에 따라 플로우 또는 플라즈마가 챔버 내에 존재할 때를 나타낸다. 예시적인 프로세스 파라미터들은 이로 제한되지 않지만, 불활성 및 프로세스 가스들에 대한 플로우 레이트들, 플라즈마 전력 및 주파수, 기판 온도, 및 프로세스 챔버 압력을 포함한다. 2 개의 증착 사이클들 210A 및 210B가 도시된다. 증착 사이클 각각은 다양한 페이즈들을 포함한다. 예를 들어, 증착 사이클 210A는 환원제 페이즈 253A, 퍼지 페이즈 255A (선택 가능할 수도 있음), 마그네슘 전구체 노출 페이즈 257A, 퍼지 페이즈 259A (선택 가능할 수도 있음), 산화제 노출 페이즈 261A, 및 퍼지 페이즈 263A (선택 가능할 수도 있음) 를 포함한다. 비슷하게, 증착 사이클 210B는 환원제 페이즈 253B, 퍼지 페이즈 255B, 마그네슘 전구체 노출 페이즈 257B, 또 다른 퍼지 페이즈 259B, 산화제 노출 페이즈 261B, 및 퍼지 페이즈 263B를 포함한다. 도시된 바와 같이, 예시적인 프로세스 200에서, 불활성 가스는 증착 사이클들 210A 및 210B 전반에 걸쳐 흐른다. 다양한 실시예들에서, 불활성 가스는 캐리어 가스로서 또는 퍼지 가스로서 사용된다. 일부 실시예들에서, 캐리어 가스는 퍼지 가스와 상이할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 불활성 가스는 퍼지 페이즈들 (예를 들어, 255A, 259A, 263A, 255B, 259B, 및 263B) 동안에만 흐른다. 불활성 가스는 도 2a 및 도 2b에 대해 상기에 기술된 가스들 중 임의의 가스일 수도 있다. 이 예가 불활성 가스의 일정한 플로우를 도시하지만, 그것은 모든 실시예들에 대한 경우가 아닐 수도 있다. 일부 실시예들에서, 부가적인 캐리어 가스 플로우에 기인하여 반응물질 노출 페이즈들 중 하나 또는 양자 동안 보다 고 불활성 가스 플로우가 있을 수도 있다. 일부 실시예들에서, 챔버를 퍼지하기 위해서 필요한 시간량을 감소시키도록 퍼지 페이즈들 동안 보다 고 불활성 가스 플로우가 있을 수도 있다.
환원제 페이즈 253A에서, 환원제가 마그네슘-함유 전구체 또는 산화제 플로우 없이 챔버 내로 흐르고, 반면에 플라즈마가 점화되고 그리고 불활성 가스가 흐른다. 이 페이즈는 도 2a 및 도 2b의 동작 203에 대응할 수도 있다. 도 2b의 동작 205에 대응할 수도 있는 퍼지 페이즈 255A에서, 불활성 가스가 흐르고 반면에 마그네슘-함유 전구체 플로우, 환원제 플로우, 산화제 플로우, 및 플라즈마는 존재하지 않는다. 마그네슘-함유 전구체 노출 페이즈 257A에서, 마그네슘-함유 전구체 및 캐리어 가스가 챔버 내로 흐르고 반면에 환원제, 산화제, 및 플라즈마는 존재하지 않는다. 이것은 도 2b의 동작 207에 대응할 수도 있다. 퍼지 페이즈 259A에서, 불활성 가스가 챔버 내로 흐르고, 반면에 마그네슘-함유 전구체 플로우, 환원제 플로우, 산화제 플로우, 및 플라즈마 전압 및/또는 전력은 존재하지 않는다. 이것은 도 2b의 동작 209에 대응할 수도 있다. 산화제 노출 페이즈 261A에서, 불활성 가스 및 산화제가 챔버 내로 흐르고 반면에 마그네슘-함유 전구체 플로우, 환원제 플로우, 및 플라즈마는 존재하지 않는다. 일부 실시예들에서, 선택된 산화제 및 증착될 금속 옥사이드의 타입 및 금속 옥사이드가 상부에 증착되는 막의 타입에 따라, 플라즈마가 이 페이즈 동안 턴 온될 수도 있다는 것을 주의하라. 이 페이즈는 도 2b의 동작 211에 대응할 수도 있다. 도 2c를 다시 참조하면, 퍼지 페이즈 263A에서, 불활성 가스가 챔버 내로 흐르고, 반면에 마그네슘-함유 전구체 플로우, 환원제 플로우, 산화제 플로우, 및 플라즈마는 존재하지 않는다. 이들 페이즈들 중 임의의 페이즈에서, 챔버 내에 존재하지 않는 가스들이 턴 오프될 수도 있거나 가스들이 턴 온될 수도 있지만 챔버를 바이패싱하는 방향전환 라인 내로 흐를 수도 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 이들 페이즈들은 이어서 도 2b의 동작 215에서 막이 충분한 두께로 증착되지 않았는지를 결정할 시에 증착 사이클 210B로 반복될 수도 있다는 것을 주의하라.
장치
임의의 적합한 챔버 또는 장치는 개시된 실시예들을 수행하도록 사용될 수도 있다. 예시적인 장치들은 캘리포니아 프리몬트 소재의 Lam Research Corp.로부터의 Vector 제품들, Concept-1 Altus™, Concept 2 Altus™, Concept-2 Altus-S™, Concept 3 Altus™ 증착 시스템, 및 Altus Max™, 또는 임의의 다양한 다른 상업적으로 입수 가능한 ALD (atomic layer deposition), PDL (pulsed deposition layer), 또는 CVD (chemical vapor deposition) 툴들을 포함한다.
본 명세서에 개시된 방법들을 수행하기 위한 적합한 장치는 전체가 참조로서 본 명세서에 인용되는, 2011년 4월 11일 출원되고 발명의 명칭이 "PLASMA ACTIVATED CONFORMAL FILM DEPOSITION"인 미국 특허 출원 제 13/084,399 호 (현재 미국 특허 제 8,728,956 호); 및 2011년 4월 11일 출원되고 발명의 명칭이 "SILICON NITRIDE FILMS AND METHODS"인 미국 특허 출원 제 13/084,305 호; 및 2013년 1월 10일 출원되고 발명의 명칭이 "APPARATUSES AND METHODS FOR DEPOSITING SIC/SICN FILMS VIA CROSS-METATHESIS REACTIONS WITH ORGANOMETALLIC CO-REACTANTS"인 미국 특허 제 8,993,460 호에서 더 논의되고 기술된다. 추가의 예들은 예시적인 장치들을 기술하는 목적을 위해 참조로서 인용되는, 2002년 6월 19일 출원되고 발명의 명칭이 "METHODS OF FORMING TUNGSTEN NUCLEATION LAYER"인 미국 특허 제 6,905,543 호; 2015년 5월 4일 출원되고 발명의 명칭이 "METHODS OF PREPARING TUNGSTEN AND TUNGSTEN NITRIDE THIN FILMS USING TUNGSTEN CHLORIDE PRECURSOR"인 미국 특허 출원 제 14/703,732 호 및 2014년 6월 30일 출원되고 발명의 명칭이 "LINER AND BARRIER APPLICATIONS FOR SUBTRACTIVE METAL INTEGRATION"인 미국 특허 출원 제 14/320,245 호를 포함한다. 다른 예들은 전체가 참조로서 본 명세서에 인용되는, 2006년 10월 3일 출원되고 발명의 명칭이 "DUAL SEAL DEPOSITION PROCESS CHAMBER AND PROCESS"인 미국 특허 제 7,737,035 호; 및 2005년 6월 7일 출원되고 발명의 명칭이 "ATOMIC LAYER DEPOSITION SYSTEMS AND METHODS"인 미국 특허 제 6,902,620 호를 포함한다.
도 3은 개시된 실시예들을 수행하기에 적합한 챔버의 일 예를 제공한다. 도 4는 개시된 실시예들을 수행하기에 적합한 툴의 일 예를 제공한다. 도 3은 저압 분위기를 유지하기 위한 프로세스 챔버 바디 (302) 를 갖는 ALD (atomic layer deposition) 프로세스 스테이션 (300) 의 예시적인 실시예의 개략도를 도시한다. 도 3이 플라즈마를 생성하기 위한 선택 가능한 RF 전력 공급부 (314) 를 포함하지만, 일부 실시예들에서 리모트 플라즈마 생성기가 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 플라즈마는 개시된 실시예들에서 사용되지 않는다. 도 3은 개시된 실시예들을 수행하기 위해 사용될 수도 있는 일 타입의 챔버의 일 예로서 제공된다.
복수의 ALD 프로세스 스테이션들 (300) 은 공동 저압 프로세스 툴 분위기에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 도 4는 멀티스테이션 프로세싱 툴 (400) 의 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 이하에 상세히 기술될 것들을 포함하는, ALD 프로세스 스테이션 (300) 의 하나 이상의 하드웨어 파라미터들은 하나 이상의 컴퓨터 제어기들 (350) 에 의해 프로그램적으로 조정될 수도 있다.
ALD 프로세스 스테이션 (300) 은 프로세스 가스들을 분배 샤워헤드 (306) 로 전달하기 위한 반응물질 전달 시스템 (301a) 과 유체적으로 연통한다. 반응물질 전달 시스템 (301a) 은 샤워헤드 (306) 로의 전달을 위한, 마그네슘-함유 전구체 가스, 또는 산화제 가스와 같은 환원제 가스, 또는 금속 전구체 가스와 같은 프로세스 가스들을 블렌딩 그리고/또는 컨디셔닝하기 위한 혼합 용기 (304) 를 포함할 수도 있다. 하나 이상의 혼합 용기 밸브들 (320) 은 혼합 용기 (304) 로의 프로세스 가스들의 도입을 제어할 수도 있다.
예로서, 도 3의 실시예는 혼합 용기 (304) 로 공급될 액체 반응물질을 기화하기 위한 기화 지점 (303) 을 포함한다. 일부 실시예들에서, 기화 지점 (303) 은 가열된 기화기일 수도 있다. 이러한 기화기들로부터 생성된 포화된 반응물질 증기는 다운스트림 전달 파이프에서 응결될 수도 있다. 양립할 수 없는 가스들의 응결된 반응물질로의 노출은 작은 입자들을 생성할 수도 있다. 이들 작은 입자들은 파이프를 막고 (clog), 밸브 동작을 지연시키고, 기판들을 오염시키는 등을 할 수도 있다. 이들 문제들을 해결하기 위한 일부 방법들은 잔여 반응물질을 제거하기 위해 전달 파이프를 퍼지 및/또는 배기하는 것을 수반한다. 그러나, 전달 파이프를 퍼지하는 것은 프로세스 스테이션 쓰루풋을 저하시키는, 프로세스 스테이션 사이클 시간을 증가시킬 수도 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 기화 지점 (303) 의 전달 파이핑 다운스트림에서 열 추적될 수도 있다. 일부 예들에서, 혼합 용기 (304) 가 또한 열 추적될 수도 있다. 비제한적인 일 예에서, 기화 지점 (303) 의 파이핑 다운스트림은 혼합 용기 (304) 에서 대략 100 ℃ 내지 대략 150 ℃로 연장하는 증가하는 온도 프로파일을 갖는다.
일부 실시예들에서, 고체 전구체가 사용될 수도 있다. 고체 전구체는 고체 전구체의 증기가 캐리어 가스 스트림으로 챔버로 전달될 수 있도록 가열될 수도 있거나 고체 전구체는 업스트림 챔버 또는 장치 (미도시) 내에서 기화될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 액체 전구체 또는 액체 반응물질은 액체 주입기에서 기화될 수도 있다. 예를 들어, 액체 주입기는 액체 반응물질의 펄스들을 혼합 용기의 업스트림에서 캐리어 가스 스트림으로 주입할 수도 있다. 일 실시예에서, 액체 주입기는 보다 높은 압력으로부터 보다 낮은 압력으로 액체를 플래시함으로써 또는 가열된 표면 상에서 액체를 플래시함으로써 반응물질을 기화시킬 수도 있다. 또 다른 예에서, 액체 주입기는 가열된 전달 파이프에서 나중에 기화되는 분산된 마이크로드롭릿들로 액체를 원자화할 수도 있다. 보다 작은 드롭릿들이 보다 큰 드롭릿들보다 보다 고속으로 기화될 수 있어서, 액체 주입과 기화 완료 간의 지연을 감소시킨다. 보다 고속의 기화는 기화 지점 (303) 으로부터 파이핑 다운스트림의 길이를 감소시킬 수도 있다. 일 시나리오에서, 액체 주입기는 혼합 용기 (304) 에 바로 장착될 수도 있다. 또 다른 시나리오에서, 액체 주입기는 분배 샤워헤드 (306) 에 바로 장착될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 기화 지점 (303) 의 업스트림에, 액체 유량 제어기 (LFC) 가 기화 및 프로세스 스테이션 (300) 으로의 전달을 위해 액체의 질량 유량을 제어하기 위해 제공될 수도 있다. 예를 들어, 액체 유량 제어기 (LFC) 는 LFC의 다운스트림에 위치된 열적 질량 유량 미터 (MFM) 를 포함할 수도 있다. 이어서 LFC의 플런저 밸브가 MFM과 전기적으로 통신하는 PID (proportional-integral-derivative) 제어기에 의해 제공된 피드백 제어 신호들에 응답하여 조정될 수도 있다. 그러나, 이는 피드백 제어를 사용하여 액체 플로우를 안정화시키기 위해 1 초 이상 걸릴 수도 있다. 이는 액체 반응물질을 도징하기 위한 시간을 연장할 수도 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, LFC는 피드백 제어 모드와 직접 제어 모드 사이에서 동적으로 전환될 수도 있다. 일부 실시예들에서, LFC 및 PID 제어기의 센스 튜브를 디스에이블함으로써 동적 전환이 수행될 수도 있다.
샤워헤드 (306) 는 기판 (312) 을 향하여 프로세스 가스들을 분배한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 기판 (312) 은 분배 샤워헤드 (306) 아래에 위치되고, 페데스탈 (308) 상에 놓인 것으로 도시된다. 분배 샤워헤드 (306) 는 임의의 적합한 형상을 가질 수도 있고, 기판 (312) 으로 프로세스 가스들을 분배하기 위해 임의의 적합한 수 및 배열의 포트들을 가질 수도 있다.
일부 실시예들에서, 페데스탈 (308) 은, 기판 (312) 을 기판 (312) 과 분배 샤워헤드 (306) 사이의 볼륨에 노출시키기 위해 상승되거나 하강될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 페데스탈 높이는 적합한 컴퓨터 제어기 (350) 에 의해 프로그램적으로 조정될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
또 다른 시나리오에서, 페데스탈 (308) 의 높이를 조정하는 것은 플라즈마 밀도로 하여금 프로세스에 포함된 플라즈마 활성화 사이클들 동안 가변되게 할 수도 있다. 프로세스 페이즈의 종료 시, 페데스탈 (308) 은 또 다른 기판 이송 페이즈 동안 페데스탈 (308) 로부터 기판 (312) 의 제거를 허용하도록 하강될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 분배 샤워헤드 (306) 의 위치는 기판 (312) 과 분배 샤워헤드 (306) 사이의 볼륨을 가변시키기 위해 페데스탈 (308) 에 대해 조정될 수도 있다. 또한, 페데스탈 (308) 및/또는 분배 샤워헤드 (306) 의 수직 위치는 본 개시의 범위 내에 있는 임의의 적합한 메커니즘에 의해 가변될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시예들에서, 페데스탈 (308) 은 기판 (312) 의 배향을 회전시키기 위한 회전 축을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 이들 예시적인 조정들은 하나 이상의 적합한 컴퓨터 제어기들 (350) 에 의해 프로그램적으로 수행될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 컴퓨터 제어기 (350) 는 도 4의 제어기 (450) 에 대해 이하에 기술된 피처들 중 임의의 피처들을 포함할 수도 있다.
상기 논의된 바와 같이 플라즈마가 사용될 수도 있는 일부 실시예들에서, 분배 샤워헤드 (306) 및 페데스탈 (308) 은 플라즈마에 전력을 공급하기 위해 RF 전력 공급부 (314) 및 매칭 네트워크 (316) 와 전기적으로 통신한다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 에너지는 프로세스 스테이션 압력, 가스 농도, RF 소스 전력, RF 소스 주파수, 및 플라즈마 전력 펄스 타이밍 중 하나 이상을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 예를 들어, RF 전력 공급부 (314) 및 매칭 네트워크 (316) 는 목표된 조성의 라디컬 종을 갖는 플라즈마를 형성하기 위해 임의의 적합한 전력으로 동작될 수도 있다. 적합한 전력들의 예들은 상기에 포함되었다. 유사하게, RF 전력 공급부 (314) 는 임의의 적합한 주파수의 RF 전력을 제공할 수도 있다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (314) 는 서로 독립적으로 고 주파수 및 저 주파수 RF 전력 소스들을 제어하도록 구성될 수도 있다. 예시적인 저 주파수 RF 주파수들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 0 ㎑ 내지 500 ㎑의 주파수를 포함할 수도 있다. 예시적인 고 주파수 RF 주파수들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 1.8 ㎒ 내지 2.45 ㎓, 또는 약 13.56 ㎒ 초과, 또는 27 ㎒ 초과, 또는 30 ㎒ 초과, 또는 60 ㎒초과의 주파수들을 포함할 수도 있다. 표면 반응들을 위한 플라즈마 에너지를 제공하도록 임의의 적합한 파라미터들이 불연속적으로 또는 연속적으로 조절될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
일부 실시예들에서, 플라즈마는 하나 이상의 플라즈마 모니터들에 의해 인-시츄 모니터링될 수도 있다. 일 시나리오에서, 플라즈마 전력은 하나 이상의 전압, 전류 센서들 (예를 들어, VI 프로브들) 에 의해 모니터링될 수도 있다. 또 다른 시나리오에서, 플라즈마 밀도 및/또는 프로세스 가스 농도는 하나 이상의 OES (optical emission spectroscopy sensors) 에 의해 측정될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 플라즈마 파라미터들은 이러한 인-시츄 플라즈마 모니터들로부터의 측정치들에 기초하여 프로그램적으로 조정될 수도 있다. 예를 들어, OES 센서는 플라즈마 전력의 프로그램적인 제어를 제공하기 위해 피드백 루프에서 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 및 다른 프로세스 특성들을 모니터링하기 위해 다른 모니터들이 사용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 모니터들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 적외선 (IR) 모니터들, 음향 모니터들, 및 압력 트랜스듀서들을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 제어기 (350) 에 대한 인스트럭션들은 IOC (input/output control) 시퀀싱 인스트럭션들을 통해 제공될 수도 있다. 예를 들어, 제어기 (350) 는 금속 옥사이드를 증착하기 위한 환원제 및 프로세스 가스들을 프로세스 스테이션 (300) 으로 도입하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 제어기 (350) 는 수소와 같은 환원제를 도입하고 그리고 프로세스 스테이션 (300) 내에서 플라즈마를 점화하고, 프로세스 스테이션 (300) 을 퍼지하고, 마그네슘-함유 전구체를 도입하고, 프로세스 스테이션 (300) 을 퍼지하고, 수증기와 같은 산화제를 프로세스 스테이션 (300) 으로 도입하고, 그리고 프로세스 스테이션 (300) 을 퍼지하도록 구성될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 챔버는 금속 상의 옥사이드의 양을 분석하기 위한 인-시츄 계측 디바이스 및/또는 시스템 (미도시) 을 가진 센서 (미도시) 를 포함할 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 계측 디바이스는 금속 상의 옥사이드의 양이 특정한 문턱값에 도달할 때 챔버로의 환원제의 도입을 트리거링할 (triggering) 수도 있다. 예를 들어, 센서는 옥사이드의 양을 검출할 수도 있고, 그리고 제어기 (350) 는 센서가 기판 (312) 의 표면 상의 일 타입의 옥사이드의 특정한 양을 검출할 때 프로세스 스테이션 (300) 로 환원제르르 도입하도록 구성될 수도 있다.
일 예에서, 프로세스 페이즈를 위해 조건들을 설정하기 위한 인스트럭션들은 프로세스 레시피의 대응하는 레시피 페이즈에 포함될 수도 있다. 일부 경우들에서, 프로세스 레시피 페이즈들은 프로세스 페이즈를 위한 모든 인스트럭션들이 이 프로세스 페이즈와 동시에 실행되도록 순차적으로 배열될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 반응기 파라미터들을 설정하기 위한 인스트럭션들은 레시피 페이즈에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 레시피 페이즈는 불활성 및/또는 반응물질 가스 (예를 들어, 환원제) 의 플로우 레이트를 설정하기 위한 인스트럭션들, 캐리어 가스 (예컨대, 질소) 의 플로우 레이트를 설정하기 위한 인스트럭션들, 및 제 1 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제 2, 후속하는 레시피 페이즈는 불활성 및/또는 반응물질 가스 (예를 들어, 마그네슘-함유 전구체) 의 플로우를 도입하기 위한 인스트럭션들, 캐리어 가스 (예컨대, 질소) 의 플로우를 도입하기 위한 인스트럭션들, 및 제 2 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제 3, 후속하는 레시피 페이즈는 불활성 및/또는 반응물질 가스의 플로우를 조절하거나 중지시키기 위한 인스트럭션들, 및 캐리어 또는 퍼지 가스의 플로우를 조절하기 위한 인스트럭션들 및 제 3 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제 4, 후속하는 레시피 페이즈는 수증기와 같은 산화제의 플로우를 조절하기 위한 인스트럭션들, 캐리어 또는 퍼지 가스의 플로우를 조절하기 위한 인스트럭션들, 및 제 4 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트력션들을 포함할 수도 있다. 제 5 후속하는 레시피 페이즈는 불활성 및/또는 반응물질 가스의 플로우를 조절하거나 중지시키기 위한 인스트럭션들, 및 캐리어 또는 퍼지 가스의 플로우를 조절하기 위한 인스트럭션들 및 제 5 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 이 예에서, 불활성, 캐리어 또는 반응물질 가스의 플로우를 도입하거나, 조절하거나 중지시키는 것은 가스 플로우 레이트들을 변화시키거나 플로우 레이트들을 변화시키지 않고 가스 전달 밸브들의 상태를 변화시키는 것을 수반할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 반응물질 전달 시스템 (310a) 은 방향전환 라인들 (미도시) 및 챔버를 바이패싱하는 방향전환 라인 또는 챔버로 플로우를 전달하는 3 방향 밸브들을 포함할 수도 있다. 이들 레시피 페이즈들은 더 세분화될 수도 있고/있거나 본 개시의 범위 내의 임의의 적합한 방식으로 반복될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
일부 실시예들에서, 페데스탈 (308) 은 히터 (310) 를 통해 온도 제어될 수도 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션 (300) 에 대한 압력 제어는 쓰로틀 밸브 (318) 에 의해 제공될 수도 있다. 도 3의 실시예에서 나타낸 바와 같이, 쓰로틀 밸브 (318) 는 다운스트림 진공 펌프 (미도시) 로의 컨덕턴스를 쓰로틀링한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션 (300) 의 압력 제어는 또한 프로세스 스테이션 (300) 으로 도입된 하나 이상의 가스들의 플로우 레이트를 가변함으로써 조정될 수도 있다. 본 명세서의 다른 곳에 기술된 바와 같이, 예시적인 인-시츄 플라즈마 챔버가 도 3에 도시되지만, 일부 실시예들에서, 리모트 플라즈마 생성기를 가진 리모트 플라즈마 챔버가 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 유도 결합된 플라즈마 챔버가 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 플라즈마는 개시된 실시예들의 다양한 동작들 동안 생성되지 않는다.
하나 이상의 프로세스 스테이션들은 멀티-스테이션 프로세싱 툴 내에 포함될 수도 있다. 멀티-스테이션 프로세싱 툴의 예는 도 4에 도시된다. 도 4가 다양한 개시된 실시예들을 수행하기에 적합한 멀티-스테이션 프로세싱 툴의 일 예를 도시하지만, 일부 실시예들에서 상이한 멀티-스테이션 프로세싱 툴이 사용될 수도 있다는 것을 주의하라.
도 4는 인바운드 로드록 (402) 및 아웃바운드 로드록 (404) 중 하나 또는 양자가 리모트 플라즈마 소스 (미도시) 를 포함할 수도 있는, 인바운드 로드록 (402) 및 아웃바운드 로드록 (404) 을 갖는, 멀티스테이션 프로세싱 툴 (400) 의 실시예의 개략도를 도시한다. 대기압에서 로봇 (406) 은, 카세트로부터 포드 (408) 를 통해 인바운드 로드록 (402) 으로 로딩된 웨이퍼들을 대기 포트 (410) 를 통해 이동시키도록 구성된다. 웨이퍼는 인바운드 로드록 (402) 내의 페데스탈 (412) 상에 로봇 (406) 에 의해 배치되고, 대기 포트 (410) 는 폐쇄되고, 로드록은 펌프 다운된다 (pump down). 인바운드 로드록 (402) 이 리모트 플라즈마 소스를 포함하면, 웨이퍼는 프로세싱 챔버 (414) 내로 도입되기 전에 로드록 내에서 리모트 플라즈마 처리에 노출될 수도 있다. 또한, 웨이퍼는 또한 예를 들어, 수분 및 흡착된 가스들을 제거하기 위해 인바운드 로드록 (402) 내에서 가열될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 웨이퍼는 웨이퍼를 챔버 내의 스테이션 내로 수송하기 전에 인바운드 로드록 (402) 내에서 환원제에 노출될 수도 있다. 이 로드록 (402) 내에서 사용된 환원제는 수소 플라즈마를 제외하고 본 명세서에 기술된 환원제 중 임의의 환원제일 수도 있다. 다음에, 프로세싱 챔버 (414) 로의 챔버 이송 포트 (416) 가 개방되고, 또 다른 로봇 (미도시) 이 프로세싱을 위해 반응기 내에 도시된 제 1 스테이션의 페데스탈 상의 반응기 내로 웨이퍼를 배치한다. 도 4에 도시된 실시예는 로드록들을 포함하지만, 일부 실시예들에서, 웨이퍼의 프로세스 스테이션으로의 직접적인 진입이 제공될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
도시된 프로세싱 챔버 (414) 는 도 4에 도시된 실시예들에서 1 내지 4로 번호가 붙여진, 4 개의 프로세스 스테이션들을 포함한다. 스테이션 각각은 가열된 페데스탈 (스테이션 1에 대해 418로 도시됨), 및 가스선 유입부들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션 각각이 상이한 목적 또는 다수의 목적들을 가질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세스 스테이션은 ALD와 PEALD 프로세스 모드 사이에서 전환가능할 수도 있고, 여기서 PEALD는 산화제와 같은 제 2 반응물질에 기판을 노출시킬 때 플라즈마를 점화하는 것을 수반한다. 부가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예들에서, 프로세싱 챔버 (414) 는 ALD 및 PEALD 프로세스 스테이션들의 하나 이상의 매칭된 쌍들을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 스테이션들은 CVD를 수행하도록 구성될 수도 있지만 동일한 챔버 내의 하나 이상의 다른 스테이션들은 ALD 또는 PEALD를 수행하도록 구성된다. 도시된 프로세싱 챔버 (414) 는 4 개의 스테이션들을 포함하지만, 본 개시에 따른 프로세싱 챔버는 임의의 적합한 수의 스테이션들을 가질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세싱 챔버는 5 개 이상의 스테이션들을 갖는 반면, 다른 실시예들에서 프로세싱 챔버는 3 개 이하의 스테이션들을 가질 수도 있다.
도 4는 또한 프로세싱 챔버 (414) 내에서 웨이퍼들을 이송하기 위한 웨이퍼 처리 시스템 (490) 의 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 웨이퍼 처리 시스템은 다양한 프로세스 스테이션들 사이 및/또는 프로세스 스테이션과 로드 록 사이에서 웨이퍼들을 이송할 수도 있다. 임의의 적합한 웨이퍼 처리 시스템이 채택될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 비제한적인 예들은 웨이퍼 캐로절들 (carousels) 및 웨이퍼 처리 로봇들을 포함한다. 도 4는 또한 프로세스 툴 (400) 의 프로세스 조건들 및 하드웨어 상태들을 제어하도록 채용된 시스템 제어기 (450) 의 실시예를 도시한다. 시스템 제어기 (450) 는 하나 이상의 메모리 디바이스들 (456), 하나 이상의 대용량 저장 디바이스들 (454), 및 하나 이상의 프로세서들 (452) 을 포함할 수도 있다. 프로세서 (452) 는 CPU 또는 컴퓨터, 아날로그 입력/출력 연결부 및/또는 디지털 입력/출력 연결부, 스텝퍼 모터 제어 보드들, 등을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어기 (450) 는 프로세스 툴 (400) 의 모든 액티비티들을 제어한다. 시스템 제어기 (450) 는 대용량 저장 디바이스 (454) 에 저장되고, 메모리 디바이스 (456) 로 로딩되고, 프로세서 (452) 상에서 실행되는 시스템 제어 소프트웨어 (458) 를 실행한다. 대안적으로, 제어 로직은 제어기 (450) 내에서 하드코딩될 수도 있다. ASIC, PLD (예를 들어, FPGA (field-progra㎜able gate array)), 등이 이 목적들을 위해 사용될 수도 있다. 이하의 논의에서, "소프트웨어" 또는 "코드"가 사용될 때마다, 기능적으로 유사한 하드코딩된 로직이 그 자리에 사용될 수도 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (458) 는 타이밍, 가스들의 혼합, 가스 플로우 레이트들, 챔버 및/또는 스테이션 압력, 챔버 및/또는 스테이션 온도, 웨이퍼 온도, 타깃 전력 레벨들, RF 전력 레벨들, 기판 페데스탈, 척 및/또는 서셉터 위치, 및 프로세스 툴 (400) 에서 수행된 특정한 프로세스의 다른 파라미터들을 포함할 수도 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (458) 는 임의의 적합한 방식으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 다양한 프로세스 툴 구성요소 서브루틴들 또는 제어 객체들이 다양한 프로세스 툴 프로세스들을 수행하기 위해 사용된 프로세스 툴 구성요소들의 동작을 제어하도록 작성될 수도 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (458) 는 임의의 적합한 컴퓨터 판독가능 프로그래밍 언어로 코딩될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어 소프트웨어 (458) 는 상기 기술된 다양한 파라미터들을 제어하기 위한 IOC (input/output control) 시퀀싱 (sequencing) 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 시스템 제어기 (450) 와 연관된 대용량 저장 디바이스 (454) 및/또는 메모리 디바이스 (456) 에 저장된 다른 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 프로그램들이 일부 실시예들에서 채용될 수도 있다. 이러한 목적을 위한 프로그램들 또는 프로그램들의 섹션들의 예들은 기판 포지셔닝 (positioning) 프로그램, 프로세스 가스 제어 프로그램, 압력 제어 프로그램, 히터 제어 프로그램, 및 플라즈마 제어 프로그램을 포함한다.
기판 포지셔닝 프로그램은 페데스탈 (418) 상에 기판을 로딩하고 기판과 프로세스 툴 (400) 의 다른 부분들 사이의 간격을 제어하도록 사용된 프로세스 툴 컴포넌트들에 대한 프로그램 코드를 포함할 수도 있다.
프로세스 가스 제어 프로그램은 프로세스 스테이션 내의 압력을 안정화시키기 위해 증착 전에 가스 조성 (예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같은 환원제 가스들, 마그네슘-함유 가스들, 산화제 가스들, 캐리어 가스들 및 퍼지 가스들) 및 플로우 레이트들을 제어하기 위한 코드 및 선택 가능하게 하나 이상의 프로세스 스테이션들로 가스를 흘리기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 압력 제어 프로그램은 예를 들어, 프로세스 스테이션의 배기 시스템의 쓰로틀 밸브, 프로세스 스테이션으로의 가스 플로우, 등을 조절함으로써 프로세스 스테이션 내의 압력을 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.
히터 제어 프로그램은 기판을 가열하기 위해 사용된 히팅 유닛으로의 전류를 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 히터 제어 프로그램은 기판으로의 (헬륨과 같은) 열 전달 가스 (heat transfer gas) 의 전달을 제어할 수도 있다.
플라즈마 제어 프로그램은 본 명세서의 실시예들에 따른, 하나 이상의 프로세스 스테이션들 내의 프로세스 전극들에 인가된 RF 전력 레벨들을 설정하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.
압력 제어 프로그램은 본 명세서의 실시예들에 따른 반응 챔버 내에서 압력을 유지하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어기 (450) 와 연관된 사용자 인터페이스가 있을 수도 있다. 사용자 인터페이스는 디스플레이 스크린, 장치의 그래픽적인 소프트웨어 디스플레이 및/또는 프로세스 조건들의 그래픽적인 소프트웨어 디스플레이, 및 포인팅 디바이스들, 키보드들, 터치 스크린들, 마이크로폰들 등의 사용자 입력 디바이스들을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 시스템 제어기 (450) 에 의해 조정된 파라미터들은 프로세스 조건들과 관련될 수도 있다. 비제한적인 예들은 프로세스 가스 조성 및 플로우 레이트들, 온도, 압력, (RF 전력 레벨들과 같은) 플라즈마 조건들, 압력, 온도 등을 포함한다. 이들 파라미터들은 사용자 인터페이스를 활용하여 입력될 수도 있는, 레시피의 형태로 사용자에게 제공될 수도 있다.
프로세스를 모니터링하기 위한 신호들은 다양한 프로세스 툴 센서들로부터 시스템 제어기 (450) 의 아날로그 입력 연결부 및/또는 디지털 입력 연결부에 의해 제공될 수도 있다. 프로세스를 제어하기 위한 신호들은 프로세스 툴 (400) 의 아날로그 출력 연결부 및/또는 디지털 출력 연결부 상에 출력될 수도 있다. 모니터링될 수도 있는 프로세스 툴 센서들의 비제한적인 예들은 질량 유량 제어기들, (압력계들 (manometers) 과 같은) 압력 센서들, 열전대들 (thermocouple), 등을 포함한다. 적절하게 프로그램된 피드백 및 제어 알고리즘들이 프로세스 조건들을 유지하기 위해 이들 센서들로부터의 데이터를 사용할 수도 있다.
시스템 제어기 (450) 는 상기 기술된 증착 프로세스들을 구현하기 위한 프로그램 인스트럭션들을 제공할 수도 있다. 프로그램 인스트럭션들은 DC 전력 레벨, RF 전력 레벨, 압력, 온도, 등과 같은 다양한 프로세스 파라미터들을 제어할 수도 있다. 인스트럭션들은 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들에 따른 막 스택들의 인-시츄 증착을 동작시키기 위한 파라미터들을 제어할 수도 있다.
시스템 제어기 (450) 는, 통상적으로 장치가 개시된 실시예들에 따른 방법을 수행하도록 인스트럭션들을 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들 및 하나 이상의 메모리 디바이스들을 포함할 것이다. 개시된 실시예들에 따른 프로세스 동작들을 제어하기 위한 인스트럭션들을 포함하는 머신 판독가능 매체는 시스템 제어기 (450) 에 커플링될 수도 있다.
일부 구현예들에서, 시스템 제어기 (450) 는 상술한 예들의 일부일 수도 있는 시스템의 일부이다. 이러한 시스템들은, 프로세싱 툴 또는 툴들, 챔버 또는 챔버들, 프로세싱용 플랫폼 또는 플랫폼들, 및/또는 특정 프로세싱 컴포넌트들 (웨이퍼 페데스탈, 가스 플로우 시스템, 등) 을 포함하는, 반도체 프로세싱 장비를 포함할 수 있다. 이들 시스템들은 반도체 웨이퍼 또는 기판의 프로세싱 이전에, 프로세싱 동안에 그리고 프로세싱 이후에 그들의 동작을 제어하기 위한 전자장치에 통합될 수도 있다. 전자장치들은 시스템 또는 시스템들의 다양한 컴포넌트들 또는 하위부품들을 제어할 수도 있는 "제어기"로서 지칭될 수도 있다. 시스템 제어기 (450) 는, 시스템의 프로세싱 조건들 및/또는 타입에 따라서, 프로세싱 가스들의 전달, 온도 설정사항들 (예를 들어, 가열 및/또는 냉각), 압력 설정사항들, 진공 설정사항들, 전력 설정사항들, 무선 주파수 (RF) 생성기 설정사항들, RF 매칭 회로 설정사항들, 주파수 설정사항들, 플로우 레이트 설정사항들, 유체 전달 설정사항들, 위치 및 동작 설정사항들, 툴들 및 다른 이송 툴들 및/또는 특정 시스템과 연결되거나 인터페이싱된 로드록들 내외로의 웨이퍼 이송들을 포함하는, 본 명세서에 개시된 프로세스들 중 임의의 프로세스들을 제어하도록 프로그램될 수도 있다.
일반적으로 말하면, 시스템 제어기 (450) 는 인스트럭션들을 수신하고, 인스트럭션들을 발행하고, 동작을 제어하고, 세정 동작들을 인에이블하고, 엔드포인트 측정들을 인에이블하는 등을 하는 다양한 집적 회로들, 로직, 메모리, 및/또는 소프트웨어를 갖는 전자장치로서 규정될 수도 있다. 집적 회로들은 프로그램 인스트럭션들을 저장하는 펌웨어의 형태의 칩들, 디지털 신호 프로세서들 (DSP), ASIC (application specific integrated circuit) 으로서 규정되는 칩들 및/또는 프로그램 인스트럭션들 (예를 들어, 소프트웨어) 을 실행하는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 마이크로제어기들을 포함할 수도 있다. 프로그램 인스트럭션들은 반도체 웨이퍼 상에서 또는 반도체 웨이퍼에 대한 특정 프로세스를 실행하기 위한 동작 파라미터들을 규정하는, 다양한 개별 설정사항들 (또는 프로그램 파일들) 의 형태로 시스템 제어기 (450) 로 또는 시스템으로 전달되는 인스트럭션들일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 파라미터들은 하나 이상의 층들, 재료들, 금속들, 산화물들, 실리콘, 이산화 실리콘, 표면들, 회로들, 및/또는 웨이퍼의 다이들의 제조 동안에 하나 이상의 프로세싱 단계들을 달성하도록 프로세스 엔지니어에 의해서 규정된 레시피의 일부일 수도 있다.
시스템 제어기 (450) 는, 일부 구현예들에서, 시스템에 통합되거나, 시스템에 커플링되거나, 이와 달리 시스템에 네트워킹되거나, 또는 이들의 조합으로 될 수 있는 컴퓨터에 커플링되거나 이의 일부일 수도 있다. 예를 들어, 시스템 제어기 (450) 는 웨이퍼 프로세싱의 리모트 액세스를 가능하게 할 수 있는 공장 (fab) 호스트 컴퓨터 시스템의 전부 또는 일부이거나 "클라우드" 내에 있을 수도 있다. 컴퓨터는 제조 동작들의 현 진행을 모니터링하고, 과거 제조 동작들의 이력을 조사하고, 복수의 제조 동작들로부터 경향들 또는 성능 계측치들을 조사하고, 현 프로세싱의 파라미터들을 변경하고, 현 프로세싱을 따르는 프로세싱 단계들을 설정하고, 또는 새로운 프로세스를 시작하기 위해서 시스템으로의 리모트 액세스를 인에이블할 수도 있다. 일부 예들에서, 리모트 컴퓨터 (예를 들어, 서버) 는 로컬 네트워크 또는 인터넷을 포함할 수도 있는 네트워크를 통해서 프로세스 레시피들을 시스템에 제공할 수 있다. 리모트 컴퓨터는 차후에 리모트 컴퓨터로부터 시스템으로 전달될 파라미터들 및/또는 설정사항들의 입력 또는 프로그래밍을 인에이블하는 사용자 인터페이스를 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 시스템 제어기 (450) 는 하나 이상의 동작들 동안에 수행될 프로세스 단계들 각각에 대한 파라미터들을 특정한, 데이터의 형태의 인스트럭션들을 수신한다. 이 파라미터들은 시스템 제어기 (450) 가 제어하거나 인터페이싱하도록 구성된 툴의 타입 및 수행될 프로세스의 타입에 특정적일 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 상술한 바와 같이, 시스템 제어기 (450) 는 예를 들어 서로 네트워킹되어서 함께 공통 목적을 위해서, 예를 들어 본 명세서에 기술된 프로세스들 및 제어들을 위해서 협력하는 하나 이상의 개별 제어기들을 포함함으로써 분산될 수도 있다. 이러한 목적을 위한 분산형 제어기의 예는 챔버 상의 프로세스를 제어하도록 조합되는, (예를 들어, 플랫폼 레벨에서 또는 리모트 컴퓨터의 일부로서) 리모트로 위치한 하나 이상의 집적 회로들과 통신하는 챔버 상의 하나 이상의 집적 회로들일 수 있다.
비한정적으로, 예시적인 시스템들은 플라즈마 에칭 챔버 또는 모듈, 증착 챔버 또는 모듈, 스핀-린스 챔버 또는 모듈, 금속 도금 챔버 또는 모듈, 세정 챔버 또는 모듈, 베벨 에지 에칭 챔버 또는 모듈, PVD (physical vapor deposition) 챔버 또는 모듈, CVD (chemical vapor deposition) 챔버 또는 모듈, ALD (atomic layer deposition) 챔버 또는 모듈, ALE (atomic layer etch) 챔버 또는 모듈, 이온 주입 챔버 또는 모듈, 트랙 (track) 챔버 또는 모듈, 및 반도체 웨이퍼들의 제조 및/또는 제작 시에 사용되거나 연관될 수도 있는 임의의 다른 반도체 프로세싱 시스템들을 포함할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 툴에 의해서 수행될 프로세스 단계 또는 단계들에 따라서, 시스템 제어기 (450) 는, 반도체 제작 공장 내의 툴 위치들 및/또는 로드 포트들로부터/로 웨이퍼들의 컨테이너들을 이동시키는 재료 이송 시에 사용되는, 다른 툴 회로들 또는 모듈들, 다른 툴 컴포넌트들, 클러스터 툴들, 다른 툴 인터페이스들, 인접 툴들, 이웃하는 툴들, 공장 도처에 위치한 툴들, 메인 컴퓨터, 또 다른 제어기 또는 툴들 중 하나 이상과 통신할 수도 있다.
본 명세서에 기술된 장치/프로세스는 예를 들어, 반도체 디바이스들, 디스플레이들, LED들, 광전 패널들 등의 제조 또는 제작을 위한 리소그래픽 패터닝 툴들 또는 프로세스들과 함께 사용될 수도 있다. 통상적으로, 반드시 그러한 것은 아니지만, 이러한 툴들/프로세스들은 공동 제조 설비 내에서 함께 사용되거나 수행될 것이다. 막의 리소그래픽 패터닝은 통상적으로, 단계들 각각이 다수의 가능한 툴들을 사용하여 인에이블되는, 이하의 단계들: (1) 스핀-온 (spin-on) 툴 또는 스프레이-온 (spray-on) 툴을 사용하여 워크피스, 즉, 기판 상에 포토레지스트를 도포하는 단계; (2) 고온 플레이트 또는 노 또는 UV 경화 툴을 사용하여 포토레지스트를 경화하는 단계; (3) 웨이퍼 스텝퍼와 같은 툴을 사용하여 가시광선 또는 UV 또는 x-선 광에 포토레지스트를 노출시키는 단계; (3) 습식 벤치와 같은 툴을 사용하여 레지스트를 선택적으로 제거하여 레지스트를 패터닝하도록 레지스트를 현상하는 단계; (4) 건식 또는 플라즈마 보조 에칭 툴을 사용함으로써 그 아래에 놓인 막 또는 워크피스 내로 레지스트 패턴을 전사하는 단계; 및 (6) RF 또는 마이크로파 플라즈마 레지스트 스트립퍼와 같은 툴을 사용하여 레지스트를 제거하는 단계의 일부 또는 전부를 포함한다.
결론
전술한 실시예들이 이해의 명확성을 목적으로 다소 상세히 기술되었지만, 특정한 변화들 및 수정들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 실시될 수도 있다는 것이 자명할 것이다. 본 실시예들의 프로세스들, 시스템들, 및 장치를 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다는 것을 주의해야 한다. 따라서, 본 실시예들은 예시적이고 제한하지 않는 것으로 간주되고, 실시예들은 본 명세서에 제공된 상세들로 제한되지 않는다.

Claims (70)

  1. 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    자성 막의 표면 상에 금속 옥사이드 막을 증착하는 단계; 및
    상기 금속 옥사이드 막과 상기 자성 막 사이의 인터페이스에서 옥사이드를 환원시키도록 상기 금속 옥사이드 막의 상기 증착 동안 환원제에 상기 자성 막을 노출시키는 단계를 포함하는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 금속 전구체와 산화제의 교번하는 펄스들의 사이클들에 상기 자성 막을 노출시킴으로써 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 환원제는 수소, 수소 플라즈마 종, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 환원제는 직접 수소 플라즈마 또는 리모트 수소 플라즈마인, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    일 사이클에서 사용된 상기 환원제는 또 다른 사이클에서 사용된 상기 환원제와 상이한, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    증착 사이클 각각은 실질적으로 자기 제한적인, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 자성 막은 상기 자성 막이 상기 금속 전구체에 노출될 때 상기 환원제에 적어도 부분적으로 노출되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 자성 터널 접합의 일부를 형성하도록 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 화학적 기상 증착에 의해 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 약 400 ℃ 미만의 온도로 제조되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  11. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막을 포함한 상기 자성 디바이스는 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 갖는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  12. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 막을 상기 환원제에 노출시키는 단계는, 기판을 알콜들, 알데히드들, 및 카르복실산들로 구성된 그룹으로부터 선택된 유기 시약에 노출시키는 단계를 더 포함하는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  13. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 막은 임의의 금속 옥사이드가 증착되기 전에 상기 환원제에 노출되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  14. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 약 20 ㎚ 미만의 두께로 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  15. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 마그네슘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 니켈 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 란타늄 옥사이드, 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 옥사이드 및 스트론튬 티타늄 옥사이드로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  16. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 막은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  17. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 마그네슘-함유 전구체들을 사용하여 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  18. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 물, 산소, 산소 플라즈마, 과산화수소, 오존, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 산화제들을 사용하여 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 자성 터널 접합의 일부를 형성하도록 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 화학적 기상 증착에 의해 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 약 400 ℃ 미만의 온도로 제조되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원제는 직접 수소 플라즈마 또는 리모트 수소 플라즈마인, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원제는 수소, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막의 증착 및 상기 환원제에 대한 노출은 사이클들로 수행되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 환원제는 직접 수소 플라즈마 또는 리모트 수소 플라즈마인, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 환원제는 수소, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    일 사이클에서 사용된 상기 환원제는 또 다른 사이클에서 사용된 상기 환원제와 상이한, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  28. 제 1 항 또는 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막을 포함한 상기 자성 디바이스는 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 갖는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  29. 제 1 항 또는 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 막을 상기 환원제에 노출시키는 단계는 기판을 알콜들, 알데히드들, 및 카르복실산들로 구성된 그룹으로부터 선택된 유기 시약에 노출시키는 단계를 더 포함하는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  30. 제 1 항 또는 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 막은 임의의 금속 옥사이드가 증착되기 전에 상기 환원제에 노출되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  31. 제 1 항 또는 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 약 20 ㎚ 미만의 두께로 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  32. 제 1 항 또는 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 마그네슘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 니켈 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 란타늄 옥사이드, 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 옥사이드 및 스트론튬 티타늄 옥사이드로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  33. 제 1 항 또는 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 막은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  34. 제 1 항 또는 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 마그네슘-함유 전구체들을 사용하여 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  35. 제 1 항 또는 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 물, 산소, 산소 플라즈마, 과산화수소, 오존, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 산화제들을 사용하여 증착되는, 자성 디바이스를 위한 층을 제조하는 방법.
  36. 기판들을 프로세싱하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    (i) 금속 막을 마그네슘-함유 전구체에 노출시키는 단계;
    (ii) 상기 금속 막을 산화제에 노출시키는 단계; 및
    (iii) 마그네슘 옥사이드의 증착 동안 상기 금속 막을 환원시키도록 상기 금속 막을 환원제에 노출시키는 단계에 의해, 상기 금속 막 상에 상기 마그네슘 옥사이드를 증착하는 단계를 포함하는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 단계 (i) 내지 상기 단계 (iii) 은 사이클들로 반복되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 단계 (iii) 은 n번째 사이클마다 수행되고, 여기서 n은 2 이상의 정수인, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  39. 제 36 항에 있어서,
    상기 단계 (iii) 은 상기 단계 (i) 및 상기 단계 (ii) 전에 수행되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  40. 제 37 항에 있어서,
    증착 사이클 각각은 실질적으로 자기 제한적인, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  41. 제 37 항에 있어서,
    일 사이클에서 사용된 상기 환원제는 또 다른 사이클에서 사용된 상기 환원제와 상이한, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  42. 제 36 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 옥사이드는 약 400 ℃ 미만의 온도로 증착되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  43. 제 36 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원제는 수소, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  44. 제 36 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 옥사이드는 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 갖는 자성 디바이스를 형성하도록 증착되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  45. 제 36 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (iii) 은 상기 금속 막을 알콜들, 알데히드들, 및 카르복실산들로 구성된 그룹으로부터 선택된 유기 시약에 노출시키는 단계를 더 포함하는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  46. 제 36 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 옥사이드는 약 20 ㎚ 미만의 두께로 증착되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  47. 제 36 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 막은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  48. 제 36 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 옥사이드는 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 마그네슘-함유 전구체들을 사용하여 증착되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  49. 제 36 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제는 물, 산소, 산소 플라즈마, 과산화수소, 오존, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 기판들을 프로세싱하는 방법.
  50. 자성 디바이스들을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    (a) 제 1 표준 전극 전위를 가진 금속 막을 제 2 표준 전극 전위를 가진 금속 전구체에 노출시키는 단계;
    (b) 금속 옥사이드 막을 형성하도록 상기 금속 막을 산화제에 노출시키는 단계; 및
    (c) 상기 금속 막을 상기 제 1 표준 전극 전위와 상기 제 2 표준 전극 전위 사이의 표준 전극 전위를 가진 환원제에 노출시키는 단계를 포함하는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 단계 (a) 내지 상기 단계 (c) 는 증착 사이클들로 반복되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 는 n번째 사이클마다 수행되고, 여기서 n은 2 이상의 정수인, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  53. 제 51 항에 있어서,
    상기 증착 사이클 각각은 실질적으로 자기 제한적인, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  54. 제 50 항에 있어서,
    상기 환원제는 수소, 수소 플라즈마 종, 암모니아, 하이드라진들, 하이드라지드들, 포르말린, 보란 디메틸아민, 금속 보로하이드라이드들, 유기 보로하이드라이드들, 보란들, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  55. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 자성 터널 접합의 일부를 형성하도록 증착되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  56. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 약 400 ℃ 미만의 온도로 제조되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  57. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원제는 직접 수소 플라즈마 또는 리모트 수소 플라즈마인, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  58. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    일 사이클에서 사용된 상기 환원제는 또 다른 사이클에서 사용된 상기 환원제와 상이한, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  59. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막을 포함한 상기 자성 디바이스는 적어도 약 200 %의 터널 자성 저항을 갖는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  60. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 약 20 ㎚ 미만의 두께로 증착되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  61. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 마그네슘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 니켈 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 란타늄 옥사이드, 란타늄 알루미늄 옥사이드, 스트론튬 옥사이드 및 스트론튬 티타늄 옥사이드로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  62. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 막은 코발트 철, 코발트 철 붕소, 니켈 철, 코발트 팔라듐, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  63. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 비스(에틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(n-프로필-테트라메틸-사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(펜타메틸사이클로펜타디에닐)마그네슘, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이토)마그네슘, 마그네슘 β-디케토네이트, 마그네슘 N,N-디메틸아미노디보로네이트, 마그네슘 비스(디-섹부틸아세타미디네이트), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 마그네슘-함유 전구체들을 사용하여 증착되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  64. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 옥사이드 막은 물, 산소, 산소 플라즈마, 과산화수소, 오존, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 산화제들을 사용하여 증착되는, 자성 디바이스들을 제조하는 방법.
  65. 자성 디바이스들을 제조하기 위한 장치에 있어서,
    상기 장치는,
    (a) 기판 웨이퍼 상에 자성 막을 가진 상기 기판 웨이퍼를 홀딩하기 위한 페데스탈을 포함한 적어도 하나의 프로세스 챔버;
    (b) 진공에 커플링하기 위한 적어도 하나의 유출부;
    (c) 하나 이상의 금속-함유 전구체 소스들, 하나 이상의 산화제들, 및 하나 이상의 환원제들에 커플링된 하나 이상의 프로세스 가스 유입부들; 및
    (d) 상기 장치의 동작들을 제어하기 위한 제어기를 포함하고, 상기 제어기는,
    (i) 상기 적어도 하나의 프로세스 챔버로 환원제를 도입하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션;
    (ii) 상기 적어도 하나의 프로세스 챔버로 마그네슘-함유 전구체를 도입하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션; 및
    (iii) 금속 기판 상에 마그네슘 옥사이드 막을 형성하도록 상기 적어도 하나의 프로세스 챔버로 산화제를 도입하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션을 포함하는, 자성 디바이스들을 제조하기 위한 장치.
  66. 제 65 항에 있어서,
    (e) 플라즈마 생성기를 더 포함하는, 자성 디바이스들을 제조하기 위한 장치.
  67. 제 65 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    (iv) 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 교번하는 펄스들로 반복하고 그리고 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 수행하는 n 사이클들마다 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (i) 을 수행하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션들을 더 포함하는, 자성 디바이스들을 제조하기 위한 장치.
  68. 제 66 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    (iv) 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (i) 동안 플라즈마를 점화하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션; 및
    (v) 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 교번하는 펄스들로 반복하고 그리고 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 수행하는 n 사이클들마다 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (i) 을 수행하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션을 더 포함하는, 자성 디바이스들을 제조하기 위한 장치.
  69. 제 66 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    (iv) 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 동안 플라즈마를 점화하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션; 및
    (v) 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 교번하는 펄스들로 반복하고 그리고 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (ii) 및 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (iii) 을 수행하는 n 사이클들마다 상기 머신-판독가능 인스트럭션 (i) 을 수행하기 위한 머신-판독가능 인스트럭션을 더 포함하는, 자성 디바이스들을 제조하기 위한 장치.
  70. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 디바이스는 자성 터널 접합인, 자성 디바이스들을 제조하기 위한 장치.
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