TW201440271A - 平坦化方法、基板處理系統、ｍｒａｍ製造方法及ｍｒａｍ元件 - Google Patents

平坦化方法、基板處理系統、ｍｒａｍ製造方法及ｍｒａｍ元件 Download PDF

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Kenichi Hara
Noriaki Toyoda
Isao Yamada
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Tokyo Electron Ltd
Univ Hyogo
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Abstract

本發明提供一種可於形成MRAM之MTJ元件前確實地將所成膜之金屬膜平坦化之平坦化方法。於晶圓(W)上，成膜埋設於SiO2膜(42)之Cu膜(43)之後，對Cu膜(43)之表面照射氧之GCIB而將Cu膜(43)平坦化，於成膜Ta膜(44)後及成膜Ru膜(45)或Ta膜(46)後，對Ta膜(44)、Ru膜(45)或Ta膜(46)照射氧之GCIB，而將Ta膜(44)、Ru膜(45)或Ta膜(46)平坦化，進而，成膜PtMn膜(47)後，對PtMn膜(47)之表面照射氧之GCIB而將PtMn膜(47)平坦化，其後，成膜CoFe薄膜(55)及Ru薄膜(56)，進而，依序成膜CoFeB薄膜(51)、MgO薄膜(50)及CoFeB薄膜(52)，藉此，形成MTJ元件(48)。

Description

平坦化方法、基板處理系統、MRAM製造方法及MRAM元件
本發明係關於一種於形成MRAM之MTJ元件前將所成膜之金屬膜平坦化之平坦化方法、基板處理系統、MRAM製造方法及MRAM元件。
近年來，作為代替DRAM(Dynamic Random Access Memory，動態隨機存取記憶體)或SRAM(Semirandom Access Memory，半隨機存取記憶體)之下一代非揮發性記憶體，開發有MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory，磁阻式隨機存取記憶體)(磁阻記憶體)。MRAM包含MTJ(Magnetic Tunnel Junction，磁穿隧接面)(磁性穿隧接面)元件代替電容器，並利用磁化狀態進行記憶。
MTJ元件包括絕緣膜例如MgO膜、及夾隔該MgO膜而對向之兩個鐵磁性膜例如CoFeB膜，但若MgO膜未經平坦化，則會對MTJ元件之特性造成不良影響，例如會導致MR比(Magneto-Resistance ratio，磁阻比)之降低。
如圖16所示，MTJ元件100形成於金屬膜104上，但由於MgO膜102及CoFeB膜101、103均為極薄之膜，故會受金屬膜104之表面之凹凸之影響而導致平坦度變差。
於改善平坦度之情形時，作為不使用電漿之平坦化方法，已知有使用GCIB(Gas Cluster Ion Beam，氣體團簇離子束)之平坦化方法。
GCIB係如下方法：朝向真空氛圍噴附氣體，而形成構成氣體之 分子之團簇，進而將該團簇離子化，並藉由偏壓電壓使經離子化之團簇加速而碰撞於晶圓(例如參照專利文獻1)。
已知團簇具有如下側向濺鍍效果：於該團簇碰撞於金屬膜等時，沿該金屬膜之表面使分子自團簇飛散，而優先對自該表面突出之凸部進行濺鍍。
於利用GCIB將金屬膜104平坦化之情形時，使用原子量較大之稀有氣體例如氬(Ar)氣體。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2012-104859號公報
然而，金屬膜104在多數情況下含有難蝕刻性之貴金屬，即便使用原子量較大之氬氣之GCIB，仍然難以對金屬膜104之凸部進行濺鍍而進行蝕刻，從而難以確實地將金屬膜104平坦化。
本發明之課題在於提供一種可於形成MRAM之MTJ元件前確實地將所成膜之金屬膜平坦化之平坦化方法、基板處理系統、MRAM製造方法及MRAM元件。
為解決上述課題，根據本發明，提供一種平坦化方法，其係於基板上，於形成MRAM之MTJ元件前對所成膜之金屬膜照射氧之GCIB。
於本發明中，較佳為於有機酸之氛圍內對上述金屬膜照射上述氧之GCIB。
於本發明中，較佳為於對上述金屬膜照射上述氧之GCIB後加熱上述基板。
於本發明中，較佳為於上述基板上於形成上述MTJ元件前成膜複數之金屬膜，於已成膜上述複數之金屬膜中之一金屬膜後且成膜覆蓋上述一金屬膜之另一金屬膜之前，對上述一金屬膜照射上述氧之GCIB。
於本發明中，較佳為至少對在即將形成上述MTJ元件之前所形成之上述金屬膜照射上述氧之GCIB。
於本發明中，較佳為於對上述金屬膜照射上述氧之GCIB之前加熱上述基板。
為解決上述課題，根據本發明，提供一種基板處理系統，其係包括成膜金屬膜之成膜處理室、及照射氧之GCIB之GCIB照射處理室者，且上述成膜處理室係於形成MRAM之MTJ元件前於基板上成膜上述金屬膜，上述GCIB照射處理室係於形成上述MTJ元件前對上述所成膜之金屬膜照射上述氧之GCIB。
於本發明中，較佳為進而包括加熱基板之加熱處理室，且上述加熱處理室係於上述金屬膜成膜後且對上述金屬膜照射氧之GCIB之前，對上述基板進行加熱。
為解決上述課題，根據本發明，提供一種MRAM製造方法，其包括：下部電極形成步驟，其形成下部電極；下部金屬層形成步驟，其於上述下部電極上形成下部金屬層；反鐵磁性層形成步驟，其於上述下部金屬層上形成反鐵磁性層；MTJ元件形成步驟，其於上述反鐵磁性層上形成MTJ元件；及上部電極形成步驟，其於上述MTJ元件上形成上部電極；且進而包括平坦化步驟，該平坦化步驟係於上述下部電極形成步驟與上述下部金屬層形成步驟之間、上述下部金屬層形成步驟與上述反鐵磁性層形成步驟之間、以及上述反鐵磁性層形成步驟與上述MTJ元件形成步驟之間之至少任一個期間內執行，於上述平坦化步驟中對所形成之金屬膜照射氧之GCIB。
為解決上述課題，根據本發明，提供一種MRAM製造方法，其包括：下部電極形成步驟，其形成下部電極；平坦化步驟，其將上述下部電極平坦化；MTJ元件形成步驟，其於上述經平坦化之下部電極上形成MTJ元件；反鐵磁性層形成步驟，其於上述MTJ元件上形成反鐵磁性層；上部金屬層形成步驟，其於上述反鐵磁性層上形成上部金屬層；及上部電極形成步驟，其於上述上部金屬層上形成上部電極；且於上述平坦化步驟中對所形成之金屬膜照射氧之GCIB。
為解決上述課題，根據本發明，提供一種MRAM元件，其係至少包括形成於金屬膜上之MTJ元件者，且上述金屬膜之平坦度以Ra計為1.0nm以下。
根據本發明，可於形成MRAM之MTJ元件前確實地將所成膜之金屬膜平坦化。
10、53‧‧‧基板處理系統
11‧‧‧FOUP
12‧‧‧裝載模組
13‧‧‧成膜處理模組
14‧‧‧平坦化處理模組
15‧‧‧傳送模組
16‧‧‧加載互鎖模組
17‧‧‧裝載口
18‧‧‧搬送臂
19‧‧‧搬送臂
20‧‧‧控制部
21‧‧‧處理室
22‧‧‧載置台
23‧‧‧靜電吸盤
24‧‧‧臂部
25‧‧‧GCIB照射裝置
26‧‧‧有機酸貯藏槽
27‧‧‧連通管
28‧‧‧閥
29‧‧‧本體
30‧‧‧噴嘴
31‧‧‧分離器
32‧‧‧離子化器
33‧‧‧加速器
34‧‧‧永久磁鐵
35‧‧‧窗孔板
36‧‧‧細孔
37‧‧‧窗孔
38‧‧‧窗孔
39‧‧‧氧氣團簇
40‧‧‧金屬膜
41‧‧‧MRAM
42‧‧‧SiO2膜
43‧‧‧Cu膜
44、46、49‧‧‧Ta膜
45‧‧‧Ru膜
47‧‧‧PtMn膜
48‧‧‧MTJ元件
50‧‧‧MgO薄膜
51、52‧‧‧CoFeB薄膜
54‧‧‧退火模組
55‧‧‧CoFe薄膜
56‧‧‧Ru薄膜
100‧‧‧MTJ元件
101‧‧‧CoFeB膜
102‧‧‧MgO膜
103‧‧‧CoFeB膜
104‧‧‧金屬膜
W‧‧‧晶圓
圖1係概略性地表示本發明之第1實施形態之基板處理系統之構成的俯視圖。
圖2係概略性地表示圖1中之平坦化處理模組之構成的剖面圖。
圖3係概略性地表示圖2中之GCIB照射裝置之構成的剖面圖。
圖4係用以對利用氧之GCIB之照射之平坦化處理進行說明的剖面圖。
圖5係概略性地表示應用本實施形態之平坦化方法之MRAM之構成的剖面圖。
圖6係用以對MRAM之製造過程中之Cu膜之凹凸向其他金屬膜之傳播進行說明的剖面圖。
圖7係用以對利用氧之GCIB之照射之Cu膜之平坦化進行說明的剖面圖。
圖8係用以對MRAM之製造過程中之Ta膜之凹凸向其他金屬膜之傳播進行說明的剖面圖。
圖9係用以對利用氧之GCIB之照射之Ta膜之平坦化進行說明的剖面圖。
圖10係用以對MRAM之製造過程中之PtMn膜之凹凸向其他金屬膜之傳播進行說明的剖面圖。
圖11係用以對利用氧之GCIB之照射之PtMn膜之平坦化進行說明的剖面圖。
圖12係應用本實施形態之平坦化方法之MRAM製造處理的流程圖。
圖13係概略性地表示本發明之第2實施形態之基板處理系統之構成的俯視圖。
圖14係本實施形態之平坦化方法之流程圖。
圖15係本實施形態之平坦化方法之變化例之流程圖。
圖16係概略性地表示MRAM之一般構成之剖面圖。
以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行說明。
首先，對本發明之第1實施形態之基板處理系統進行說明。
圖1係概略性地表示本實施形態之基板處理系統之構成的俯視圖。
於圖1中，基板處理系統10例如包括：裝載模組12，其自收容複數個晶圓W(圖中以虛線表示)之容器例如FOUP(Front Opening Unified Pod，前開式晶圓傳送盒)11搬出晶圓W；複數個成膜處理模組13(成膜處理室)，其等對晶圓W實施成膜處理；平坦化處理模組14(GCIB照射處理室)，其對經實施成膜處理之晶圓W實施下述圖4之平坦化處理；傳送模組15，其相對於各成膜處理模組13搬入搬出各晶圓W；及兩個 加載互鎖模組16，其於裝載模組12及傳送模組15之間進行各晶圓W之交接。
裝載模組12包括內部已釋放空氣之大致長方體狀之搬送室，且包含可安裝FOUP11之裝載口17，於搬送室之內部包含相對於安裝於該裝載口17之FOUP11進行各晶圓W之搬入搬出之搬送臂18(圖中以虛線表示)。
於傳送模組15之周圍，呈放射狀配置並連接有複數個成膜處理模組13，該傳送模組15包括內部實施了減壓之搬送室，並藉由配置於搬送室之內部之搬送臂19(圖中以虛線表示)，進行各成膜處理模組13、平坦化處理模組14及各加載互鎖模組16之間之各晶圓W之搬送。
加載互鎖模組16包括可將內部切換為大氣壓環境及減壓環境之待機室，且裝載模組12之搬送臂18及傳送模組15之搬送臂19經由加載互鎖模組16而進行各晶圓W之交接。
各成膜處理模組13包括內部實施了減壓之處理室，逐片地收容晶圓W，並藉由處理室內所產生之電漿之濺鍍，而對該晶圓W實施成膜處理。
基板處理系統10包括控制部20，該控制部20例如根據實現所期望之配方之程式控制基板處理系統10之各構成要素之動作，而對各晶圓W實施與所期望之配方對應之處理。再者，於圖1中，控制部20連接於裝載模組12，但控制部20亦可連接於基板處理系統10中之任一構成要素，又，任一構成要素亦可包括控制部20，進而，控制部20亦可構成為設置於與基板處理系統10不同之場所之外部伺服器。
圖2係概略性地表示圖1中之平坦化處理模組之構成的剖面圖。
於圖2中，平坦化處理模組14包括：處理室21，其收容晶圓W；載置台22，其配置於該處理室21內之下方；靜電吸盤23，其載置於該載置台22之上表面並靜電吸附晶圓W；臂部24，其使該靜電吸盤23與 經靜電吸附之晶圓W一同地自載置台22相隔；GCIB照射裝置25，其配置於處理室21之側壁部並大致水平地照射氧之GCIB；及有機酸貯藏槽26，其於內部貯藏有機酸例如乙酸，且與處理室21內連通。
於平坦化處理模組14中，臂部24係以經靜電吸附之晶圓W與GCIB照射裝置25對向之方式使靜電吸盤23自載置台22相隔，GCIB照射裝置25朝向對向之晶圓W照射氧之GCIB。
有機酸貯藏槽26係藉由連通管27而與處理室21連接，該連通管27包括閥28，藉由該閥28之開啟及關閉而控制處理室21及有機酸貯藏槽26之連通。於閥28開閥時，有機酸貯藏槽26內已蒸發之乙酸之氣體經由連通管27而導入至處理室21內。
載置台22係內置冷媒流路及加熱器(均未圖示)，於臂部24收容於載置台22而靜電吸盤23載置於載置台22之上表面時，使經靜電吸附之晶圓W冷卻，另一方面，亦可加熱該晶圓W。
圖3係概略性地表示圖2中之GCIB照射裝置之構成的剖面圖。
於圖3中，GCIB照射裝置25包括大致水平地配置且內部經減壓之筒狀之本體29、配置於該本體29之一端之噴嘴30、板狀之分離器31、離子化器32、加速器33、永久磁鐵34及窗孔板35。
噴嘴30係沿本體29之中心軸配置，並沿該中心軸噴出氧氣。分離器31係以覆蓋本體29內之橫截面之方式配置，且中心部沿本體29之中心軸朝向噴嘴30突出，於該突出之部分之頂部具有細孔36。窗孔板35亦以覆蓋本體29內之橫截面之方式配置，且於與本體29之中心軸對應之部分具有窗孔37，本體29之另一端亦於與本體29之中心軸對應之部分具有窗孔38。
離子化器32、加速器33及永久磁鐵34均以包圍本體29之中心軸之方式配置，離子化器32係藉由對內置之燈絲進行加熱而朝向本體29之中心軸釋出電子，加速器33係沿本體29之中心軸產生電位差，永久 磁鐵34係於本體29之中心軸附近產生磁場。
於GCIB照射裝置25中，自本體29之一端側(圖中左側)起至另一端側(圖中右側)依序配置有噴嘴30、分離器31、離子化器32、加速器33、窗孔板35及永久磁鐵34。
若噴嘴30朝向實施了減壓之本體29之內部噴出氧氣，則氧氣之體積急遽變大，氧氣引起急遽之絕熱膨脹而使氧分子急冷。若各氧分子進行急冷，則動能降低，並藉由作用於各氧分子間之分子間力(凡得瓦力)而相互密接，藉此，形成包含多數個氧分子之複數個氧氣團簇39。
分離器31係藉由細孔36而僅分選複數個氧氣團簇39中之沿本體29之中心軸移動之氧氣團簇39，離子化器32係藉由使電子碰撞於沿本體29之中心軸移動之氧氣團簇39，而將該氧氣團簇39離子化，加速器33係藉由電位差而使經離子化之氧氣團簇39向本體29之另一端側加速，窗孔板35係藉由窗孔37而僅分選經加速之氧氣團簇39中之沿本體29之中心軸移動之氧氣團簇39，永久磁鐵34係藉由磁場而變更相對較小之氧氣團簇39(包括經離子化之氧分子之單體)之進路。相對較大之氧氣團簇39亦會因永久磁鐵34而受到磁場之影響，但由於質量較大，故不會因磁力而導致進路變更，從而沿本體29之中心軸繼續移動。
已通過永久磁鐵34之相對較大之氧氣團簇39係通過本體29之另一端之窗孔38而向本體29外射出，從而朝向晶圓W照射。
然而，本發明者在本發明之前，為促進作為難蝕刻性金屬之銅之蝕刻，而於氧離子束及乙酸氣體之氛圍內，對藉由CMP(Chemical Mechanical Polishing，化學機械研磨)而表面已被研磨之銅基板照射氧之GCIB，結果確認到如下情況：均可將銅基板之表面蝕刻，但與照射氧離子束之情形相比，照射氧之GCIB之情形之銅基板之平坦度提高。例如，藉由CMP進行研磨後之銅基板之平坦度為Ra=0.819nm 時，確認到如下情況：於照射氧離子束之情形時，該平坦度反而變差為Ra=1.192nm，另一方面，於照射氧之GCIB之情形時，該平坦度提高至Ra=0.511nm。
進而，發明者於不存在乙酸氣體之氛圍內及乙酸氣體之氛圍內，分別朝向於藉由濺鍍成膜後結晶化所得之作為難蝕刻性金屬之鉑基板照射氧之GCIB，結果確認到鉑基板之平坦度均得到提高。例如，經結晶化之鉑基板之平坦度為Ra=1.85nm時，確認到如下情況：於不存在乙酸氣體之氛圍內照射氧之GCIB之情形時，該平坦度提高至Ra=1.0nm，進而，於乙酸氣體之氛圍內照射氧之GCIB之情形時，該平坦度提高至Ra=0.96nm。
又，亦確認到如下情況：於不存在乙酸氣體之氛圍內照射氧之GCIB之情形時，於鉑基板之表面不僅存在鉑，而且存在鉑之氧化物，另一方面，於乙酸氣體之氛圍內照射氧之GCIB之情形時，於鉑基板之表面僅存在鉑。
根據以上之確認結果，本發明者獲得如下見解：即便為難蝕刻性金屬，藉由照射氧之GCIB，亦可使其變質為氧化物，進而，該氧化物可藉由乙酸氣體而容易地去除。
根據以上見解，本發明者推測可藉由氧之GCIB而提高難蝕刻性之金屬膜之平坦度之原因如下所述。
首先，若氧之GCIB碰撞於難蝕刻性之金屬膜之表面，則藉由氧分子之團簇所具有之較大之動能而促進金屬與氧之化學反應，從而於金屬膜之表面生成金屬之氧化物。該化學反應係於氧分子之團簇易碰撞之表面之凸部優先進行，即便為難蝕刻性之貴金屬，貴金屬之氧化物因其本身之蒸汽壓高於其他一般之金屬之氧化物且為與處理室內之壓力相同之程度或者高於處理室內之壓力而容易昇華，進而，乙酸等具有羧基之有機酸與貴金屬形成錯合物而輔助貴金屬之氧化物之昇 華，因此，乙酸氣體亦易於去除金屬之氧化物。
另一方面，氧之GCIB係於碰撞於金屬膜之表面時沿該金屬膜之表面使氧分子自氧分子之團簇飛散，而優先對自該表面突出之凸部進行濺鍍。
即，若於有機酸氣體之氛圍中對金屬膜之表面照射氧之GCIB，則藉由表面之凸部優先變質為氧化物、昇華之化學去除與表面之凸部利用氧分子優先進行濺鍍之物理去除的協同效果，而金屬膜之平坦度提高。
然而，作為金屬膜之平坦化技術，對在形成金屬膜後藉由電漿中之陽離子對該金屬膜之表面進行濺鍍而使其平坦化之情況進行了研究，但由於陽離子因偏壓電壓而被拽入至金屬膜中，故有時不僅將金屬膜之表面之凹凸蝕刻，亦將平坦部蝕刻，而有時金屬膜之平坦度反而變差。
因此，可不使用利用電漿中之陽離子之濺鍍而使金屬膜之平坦度提高的上述氧之GCIB對金屬膜之表面之照射係作為金屬膜之平坦化技術非常有效。又，使(MTJ)元件之構成膜氧化之氧氣等氧化氣體會使元件之性能劣化，因此，於通常之MRAM之製造處理中不使用，但於本發明中，藉由如上述般將氧用於GCIB且併用利用有機酸之氧化膜之去除，而能夠使用氧。
於本實施形態中，根據上述見解，於MRAM之製造過程中，於形成MTJ元件前，如圖4所示，對所成膜之金屬膜40照射包含氧氣團簇39之氧之GCIB，而將該金屬膜40平坦化。
圖5係概略性地表示應用本實施形態之平坦化方法之MRAM之構成的剖面圖。MRAM係於晶圓W之表面形成有多數個，圖5表示對複數之金屬膜等之積層構造實施加工而獲得之MRAM。再者，圖6以下之積層構造亦以已實施加工之狀態表示。MRAM係包括MTJ元件之電 子器件，MTJ元件通常呈現氧化膜由作為(磁化方向被固定之)固定層之鐵磁性體層與作為(磁化方向自由之)自由層之鐵磁性體層夾持之構造，氧化膜通常包含AlOx或MgO，鐵磁性體層包含NiFe合金、CoFe合金或CoFeB合金等。
於圖5中，MRAM41(MRAM元件)包括：Cu膜43，其埋設於晶圓W之矽基部上所形成之SiO2膜42；Ta膜44，其成膜於該Cu膜43上；Ru膜45，其成膜於該Ta膜44上；Ta膜46，其成膜於該Ru膜45上；PtMn膜47，其係成膜於該Ta膜46上之反鐵磁性層；CoFe薄膜55，其形成於該PtMn膜47上；Ru薄膜56，其形成於該CoFe薄膜55上；MTJ元件48，其形成於該Ru薄膜56上；及Ta膜49，其成膜於該MTJ元件48上；MTJ元件48包括MgO薄膜50、及夾隔該MgO薄膜50而對向之兩個CoFeB薄膜51、52。Cu膜43及Ta膜44構成下部電極，Ta膜49構成上部電極。
Cu膜43係藉由如下方式而形成，即，藉由電漿蝕刻等於SiO2膜42形成槽之後，藉由鍍敷等於該槽埋入Cu；Ta膜44~Ru薄膜56、Ta膜49之各者係於各成膜處理模組13中藉由電漿之濺鍍而成膜，MTJ元件48之各薄膜50~52亦於各成膜處理模組13中藉由電漿之濺鍍而成膜。
關於MRAM41，為維持MTJ元件48之特性，較佳為，將各薄膜50~52、55、56尤其是MgO薄膜50平坦化，且MgO薄膜50之膜厚固定，例如約為1nm左右。
另一方面，於MRAM41之製造過程中，例如如圖6所示，成膜Cu膜43之後，藉由CMP對Cu膜43之表面進行研磨，但因CMP或接下來之形成於Ta膜44之上方之絕緣膜例如SiCN膜之蝕刻時之於電漿中之暴露，而導致於Cu膜43之表面產生凹凸。再者，SiCN膜係在Cu膜43之形成過程中藉由蝕刻而被去除，因此，未示於圖6中。
若不去除該Cu膜43之表面之凹凸而成膜Ta膜44之後之膜，則各金屬膜會傳播Cu膜43之表面之凹凸，而導致MTJ元件48之各薄膜50~52亦未平坦化。
因此，於本實施形態中，於Cu膜43之表面暴露於電漿中而於表面產生凹凸後且Ta膜44成膜之前，將晶圓W搬入至平坦化處理模組14，於處理室21內之乙酸氣體之氛圍中，如圖7所示，藉由GCIB照射裝置25對Cu膜43照射包含氧氣團簇39之氧之GCIB。於該情形時，藉由上述化學去除及物理去除將Cu膜43之凹凸去除，從而將Cu膜43之表面平坦化。
又，Ta膜44~Ta膜46之各者係藉由電漿之濺鍍而成膜，因此，剛成膜後為非晶質狀態，但其後，於Ta膜44~Ta膜46之各者中，為削減總能量而進行多晶成長，產生體積收縮及變形而於Ta膜44~Ta膜46之各者之表面產生凹凸。
此處，如圖8所示，若不去除例如因進行多晶成長而產生之Ta膜46之表面之凹凸而成膜PtMn膜47，則PtMn膜47~Ru薄膜56會傳播Ta膜46之表面之凹凸，而導致MTJ元件48之各薄膜50~52亦未平坦化。
因此，於本實施形態中，於在Ta膜46之表面因進行多晶成長而產生凹凸之後且PtMn膜47成膜之前，將晶圓W搬入至平坦化處理模組14，於處理室21內之乙酸氣體之氛圍中，如圖9所示，對Ta膜46照射氧之GCIB。於該情形時，藉由上述化學去除及物理去除將Ta膜46之凹凸去除，而將Ta膜46之表面平坦化。再者，關於Ta膜44~Ta膜46，既可藉由氧之GCIB而將任一個膜平坦化，亦可藉由氧之GCIB而將Ta膜44~Ta膜46之全部平坦化。
進而，PtMn膜47亦藉由電漿之濺鍍而成膜，因此，剛成膜後為非晶質狀態，但其後進行多晶成長而於表面產生凹凸。
此處，如圖10所示，若不去除因進行多晶成長而產生之PtMn膜 47之表面之凹凸，而形成MTJ元件48，則CoFe薄膜55、Ru薄膜56及CoFeB薄膜51會傳播PtMn膜47之表面之凹凸，而導致MgO薄膜50亦未平坦化。
因此，於本實施形態中，於在PtMn膜47之表面因進行多晶成長而產生凹凸後且形成MTJ元件48之前，將晶圓W搬入至平坦化處理模組14，於處理室21內之乙酸氣體之氛圍中，如圖11所示，對PtMn膜47照射氧之GCIB。於該情形時，藉由上述化學去除及物理去除將PtMn膜47之凹凸去除，而將PtMn膜47之表面平坦化。
再者，CoFe薄膜55或Ru薄膜56於剛成膜後亦為非晶質狀態，而亦存在因進行多晶成長而產生凹凸之情況，但由於CoFe薄膜55或Ru薄膜56比其他金屬膜更薄，故產生之凹凸並不那麼大，幾乎不會對MgO薄膜50之平坦度造成影響。進而，由於CoFe薄膜55或Ru薄膜56極薄，故平坦化本身較為困難。因此，關於MgO薄膜50之平坦化，與CoFe薄膜55或Ru薄膜56之平坦化相比，PtMn膜47之平坦化反而較有效。
圖12係應用本實施形態之平坦化方法之MRAM製造處理的流程圖。本製造處理係藉由控制部20根據特定之程式控制基板處理系統10之各構成要素之動作而執行。
於圖12中，首先，將晶圓W搬入至成膜處理模組13而成膜埋設於SiO2膜42之Cu膜43之後，將晶圓W搬入至研磨模組(未圖示)，藉由CMP研磨Cu膜43之表面，從而將該Cu膜43形成為下部電極之一部分(步驟S1201)。
繼而，將晶圓W搬入至平坦化處理模組14，使晶圓W靜電吸附於靜電吸盤23，並使該經靜電吸附之晶圓W冷卻至例如常溫以下，於例如5.3×10-3Pa下自有機酸貯藏槽26將已蒸發之乙酸氣體導入至處理室21內，並藉由臂部24而使靜電吸附於靜電吸盤23之晶圓W與GCIB 照射裝置25對向，自該GCIB照射裝置25朝向晶圓W照射氧之GCIB，從而將Cu膜43平坦化(步驟S1202)。此時，臂部24係使靜電吸盤23沿圖2中之上下方向或深度方向移動而藉由氧之GCIB掃描晶圓W之整面。再者，為促進利用氧之GCIB之Cu膜43之平坦化，亦可使晶圓W不正對於氧之GCIB，而使該晶圓W相對於氧之GCIB傾斜。
繼而，將晶圓W搬入至成膜處理模組13而成膜Ta膜44之後，成膜作為下部金屬層之Ru膜45及Ta膜46(步驟S1203)。Ta膜44、Ru膜45及Ta膜46可藉由相同之成膜處理模組13而成膜，亦可分別藉由不同之成膜處理模組13而成膜。
於Ta膜44、Ru膜45及Ta膜46中，伴隨進行多晶成長而於Ta膜44、Ru膜45及Ta膜46各自之表面產生凹凸，於多晶成長進行至某種程度後，將晶圓W搬入至平坦化處理模組14，與步驟S1202同樣地，藉由對晶圓W照射氧之GCIB，而將Ta膜44、Ru膜45及Ta膜46平坦化(步驟S1204)。
繼而，將晶圓W搬入至成膜處理模組13而成膜PtMn膜47(反鐵磁性層)(步驟S1205)。於PtMn膜47中，亦伴隨進行多晶成長而於表面產生凹凸，因此，於多晶成長進行至某種程度後，將晶圓W搬入至平坦化處理模組14，與步驟S1202同樣地，藉由對晶圓W照射氧之GCIB，而將PtMn膜47平坦化(步驟S1206)。
繼而，將晶圓W搬入至成膜處理模組13而成膜CoFe薄膜55及Ru薄膜56，進而依序成膜CoFeB薄膜51、MgO薄膜50及CoFeB薄膜52，藉此，於PtMn膜47上形成MTJ元件48(步驟S1207)。
其後，將晶圓W搬入至另一成膜處理模組13而於MTJ元件48上成膜Ta膜49，而形成上部電極(步驟S1208)，結束本處理。
根據圖12之MRAM製造處理，於晶圓W上，於形成MTJ元件48前，對所成膜之各金屬膜43~47照射氧之GCIB。若對各金屬膜43~ 47照射氧之GCIB，則即便各金屬膜43~47包含貴金屬，該各金屬膜43~47之表面亦氧化而變質為相對容易昇華之氧化物。又，若GCIB中之氧分子之團簇碰撞於各金屬膜43~47之表面，則沿該各金屬膜43~47之表面使氧分子飛散，而優先對自該表面突出之凸部進行濺鍍。即，各金屬膜43~47之表面之凸部係藉由化學去除及物理去除而優先被去除。藉此，可於形成MRAM之MTJ元件48前確實地將所成膜之各金屬膜43~47平坦化。
又，於圖12之MRAM製造處理中，由於併用化學去除及物理去除，故可提高平坦化速度，由於無需藉由加熱促進化學反應，故可於相對較低之溫度下將晶圓W平坦化，從而可抑制例如因加熱而引起之MTJ元件48之特性之變化。
進而，於圖12之MRAM製造處理中，由於不藉由電漿中之陽離子而進行濺鍍，故無反而使各金屬膜43~47之平坦度變差之擔憂，又，由於不使用鹵氣，故可無需於進行平坦化後進行用以去除鹵素之清洗。
於上述圖12之MRAM製造處理中，於乙酸氣體之氛圍內，對各金屬膜43~47照射氧之GCIB。乙酸易於去除金屬之氧化物，因此，可確實地將因氧之GCIB而變質為氧化物之各金屬膜43~47之表面之凸部去除，進而，亦可將因凸部之利用氧分子之優先之濺鍍而飛散並附著於處理室21之內壁等之金屬之氧化物去除，從而可減少處理室21之清洗次數，因此，可提高基板處理系統10之運轉率。
又，雖然有時於各金屬膜43~47之表面殘留氧化物，之後成膜之CoFeB薄膜51、52之一部分氧化，而對MTJ元件48之特性造成影響，但由於藉由乙酸氣體去除各金屬膜43~47表面之氧化物，故可防止CoFeB薄膜51、52之一部分之氧化，從而可防止對MTJ元件48之特性造成影響。
進而，於上述圖12之MRAM製造處理中，由於使該經靜電吸附之晶圓W冷卻至常溫以下，故乙酸氣體相對於晶圓W之吸附係數提高，從而可藉由乙酸氣體效率良好地去除各金屬膜43~47之氧化物。另一方面，若吸附於晶圓W之乙酸殘留至下一步驟例如利用濺鍍之成膜處理，則會對該下一步驟造成影響，因此，較佳為於照射氧之GCIB後，藉由載置台22之加熱器加熱晶圓W，使乙酸自晶圓W汽化而將其去除。
於上述圖12之MRAM製造處理中，於作為有機酸之乙酸氣體之氛圍下照射氧之GCIB，但於例如金屬膜含有作為貴金屬之Pt或Ru之情形時，由於該等貴金屬之氧化物(例如PtO、PtO2、RuO或RuO2)之蒸汽壓較高而易於昇華，故於照射氧之GCIB時，並非必須為乙酸氣體之氛圍。
又，於上述圖12之MRAM製造處理中，對較MTJ元件48更靠下方之金屬膜43~47照射氧之GCIB而進行平坦化，但無需將金屬膜43~47之全部平坦化，即便僅將至少任一個金屬膜平坦化，亦可期待MTJ元件48中之MgO薄膜50之平坦化。尤其是，若僅對靠近MTJ元件48之PtMn膜47照射氧之GCIB而進行平坦化，則例如，即便PtMn膜47於表面不僅具有本身之伴隨進行多晶成長而產生之凹凸，而且具有下方之各金屬膜43~46之表面之凹凸被傳播後所造成之凹凸，亦可一次性去除所有凹凸，因此，可提高平坦化之效率。但是，若長時間對PtMn膜47照射氧之GCIB，則Mn自PtMn膜47脫去而導致失去磁性，因此，於該情形時，較佳為於PtMn膜47上形成作為犧牲層之富含Mn之PtMn薄膜。
又，亦可藉由氧之GCIB之照射而將MgO薄膜50之正下方之CoFeB薄膜51平坦化，但由於CoFeB薄膜51之膜厚非常薄，故無法有效地進行CoFeB薄膜51之平坦化。因此，較佳為於進行CoFeB薄膜51 之平坦化之情形時亦進行其他金屬膜之平坦化。
繼而，對本發明之第2實施形態之平坦化方法及基板處理系統進行說明。
本實施形態係其構成及作用與上述第1實施形態基本相同，與上述第1實施形態之不同之處在於基板處理系統進而包括退火模組。因此，對重複之構成、作用省略說明，而於以下對不同之構成、作用進行說明。
圖13係概略性地表示本實施形態之基板處理系統之構成的俯視圖。
於圖13中，基板處理系統53與基板處理系統10不同，除了包括成膜處理模組13及平坦化處理模組14以外，進而包括退火模組54(加熱處理室)。退火模組54內置燈加熱器(未圖示)等，對所收容之晶圓W進行加熱。
然而，藉由濺鍍而成膜之各金屬膜43~47雖然自非晶質狀態進行多晶成長而於表面產生凹凸，但多晶成長進行得相對較慢，因此，若於多晶未完全地澈底成長時對各金屬膜43~47實施利用氧之GCIB之照射之平坦化，則存在如下可能性：各金屬膜43~47在經平坦化後亦進行多晶成長，而於經平坦化之表面產生凹凸。
於本實施形態中，應對上述情況，藉由對各金屬膜43~47進行加熱而促進多晶成長，從而於利用氧之GCIB之照射之平坦化前使各金屬膜43~47之多晶化飽和。
圖14係本實施形態之平坦化方法之流程圖。本方法係於圖12之MRAM製造處理中之步驟S1202、步驟S1204及步驟S1206中執行。
於圖14中，首先，將晶圓W搬入至退火模組54，並利用燈加熱器加熱晶圓W。此時，於為非晶質狀態之金屬膜43~47之任一者(以下，簡稱為「金屬膜」)中促進多晶成長，從而多晶化飽和(步驟 S1401)。再者，於加熱PtMn膜47之情形時，為了不失去該PtMn膜47之磁性，較佳為於PtMn之居里溫度以下進行加熱。
繼而，將晶圓W搬入至平坦化處理模組14，使晶圓W靜電吸附於靜電吸盤23，並自有機酸貯藏槽26將已蒸發之乙酸氣體導入至處理室21內，藉由臂部24而使靜電吸附於靜電吸盤23之晶圓W與GCIB照射裝置25對向，自該GCIB照射裝置25朝向晶圓W照射氧之GCIB，從而將金屬膜平坦化(步驟S1402)。此時，由於金屬膜之多晶化飽和，故該金屬膜在經平坦化後不會產生多晶成長，從而不會於經平坦化之表面產生凹凸。
繼而，再次將晶圓W搬入至退火模組54，並利用燈加熱器加熱晶圓W。此時，吸附於晶圓W之乙酸汽化而被去除(步驟S1403)，其後，結束本方法。
根據圖14之平坦化方法，由於在對金屬膜照射氧之GCIB之前加熱晶圓W，故可使該金屬膜之多晶化飽和，從而可防止如下情況：於藉由GCIB之照射使金屬膜平坦化後，於金屬膜中進行多晶成長，而導致該金屬膜之平坦度再次降低。
又，於為提高乙酸氣體相對於晶圓W之吸附係數而使晶圓W冷卻之情形時，較佳為，如圖15所示，於進行步驟S1401之晶圓W之加熱後且步驟S1402之利用氧之GCIB之照射之平坦化前，將晶圓W搬入至平坦化處理模組14，使晶圓W靜電吸附於靜電吸盤23，並使該經靜電吸附之晶圓W冷卻至例如常溫以下(步驟S1501)。
藉此，在晶圓W被冷卻後且利用氧之GCIB之照射之平坦化前晶圓W未被加熱，因此，可於平坦化時提高乙酸氣體相對於晶圓W之吸附係數。
於上述圖14之平坦化方法中，利用退火模組54進行用以使金屬膜之多晶化飽和之加熱，但該加熱亦可藉由平坦化處理模組14之載置 台22之加熱器而進行。
以上，使用上述各實施形態對本發明進行了說明，但本發明並不限定於上述各實施形態。
關於圖12之MRAM製造處理之流程圖或圖14之平坦化方法，只要存在與MTJ元件48接近之金屬層，則可應用於具有除圖5所示之構成以外之構成之MRAM之製造。
例如，有時因電子電路構成之關係而亦使用構造與圖5之MRAM41相反之MRAM，於製造該MRAM時，例如倒過來執行圖12之MRAM製造處理之各步驟。於該情形時，於步驟S1208後，執行與步驟S1202相同之平坦化而將Ta膜49平坦化，其後，執行步驟S1207。藉此，可進行構成MTJ元件48之各薄膜尤其是MTJ元件48中之MgO薄膜50之平坦化。又，於該情形時，無需步驟S1206、步驟S1204及步驟S1202之平坦化。
又，構成MRAM之下部金屬層之貴金屬亦不限定於Ru或Ta，亦可為其他貴金屬例如Pt。
進而，導入至處理室21內之有機酸氣體並不限定於乙酸氣體，例如，亦可將作為具有羧基之有機酸(羧酸)之甲酸或氯乙酸之氣體導入至處理室21內。
又，本發明之目的亦可藉由如下方式而達成：將記錄有實現上述各實施形態之功能之軟體之程式碼的記憶媒體供給至電腦例如控制部20，並由控制部20之CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)讀出並執行儲存於記憶媒體之程式碼。
於該情形時，自記憶媒體所讀出之程式碼本身將實現上述各實施形態之功能，而程式碼及記憶有該程式碼之記憶媒體構成本發明。
又，作為用以供給程式碼之記憶媒體，例如為RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)、NV-RAM(Non-Volatile Random Access Memory，非揮發性隨機存取記憶體)、Floppy(註冊商標)磁碟、硬碟、磁光碟、CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory，光碟唯讀記憶體)、CD-R(Compact Disc-Recordable，可錄光碟)、CD-RW(Compact Disc ReWritable，可重複錄寫光碟)、DVD(Digital Video Disk，數位多功能光碟)(DVD-ROM(Digital Video Disk-Read Only Memory，數位多功能光碟-唯讀記憶體)、DVD-RAM(Digital Video Disk-Random Access Memory，數位多功能光碟-隨機存取記憶體)、DVD-RW(Digital Video Disk-ReWritable，可重複錄寫數位多功能光碟)、DVD+RW(Digital Video Disk ReWritable，可重複錄寫數位多功能光碟))等光碟、磁帶、非揮發性記憶卡、其他ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)等可記憶上述程式碼者即可。或者，上述程式碼亦可藉由自連接於網際網路、商用網路或區域網路等之未圖示之其他電腦或資料庫等下載，而供給至控制部20。
又，亦包括如下情形：藉由控制部20執行所讀出之程式碼，不僅實現上述各實施形態之功能，而且根據其程式碼之指示，於CPU上工作之OS(Operating System，作業系統)等進行實際處理之一部分或全部，藉由其處理而實現上述各實施形態之功能。
進而，亦包括如下情形：於自記憶媒體所讀出之程式碼被寫入至插入至控制部20之功能擴展板或連接於控制部20之功能擴展單元所具備之記憶體後，根據其程式碼之指示，該功能擴展板或功能擴展單元所具備之CPU等進行實際處理之一部分或全部，藉由其處理而實現上述各實施形態之功能。
上述程式碼之形態亦可包括目標碼、藉由解釋器而執行之程式碼、供給至OS之腳本資料等形態。
本申請案係主張基於2013年3月7日申請之日本專利申請案第2013-045261號之優先權者，並將該日本專利申請案中所記載之全部 內容援用於本申請案中。
39‧‧‧氧氣團簇
40‧‧‧金屬膜

Claims (13)

  1. 一種平坦化方法，其特徵在於：於基板上，於形成MRAM(磁阻記憶體)之MTJ(磁性穿隧接面)元件前，對所成膜之金屬膜照射氧之GCIB(氣體團簇離子束)。
  2. 如請求項1之平坦化方法，其中於有機酸之氛圍內對上述金屬膜照射上述氧之GCIB。
  3. 如請求項2之平坦化方法，其中於對上述金屬膜照射上述氧之GCIB後加熱上述基板。
  4. 如請求項1至3中任一項之平坦化方法，其中於上述基板上於形成上述MTJ元件前成膜複數之金屬膜，於成膜上述複數之金屬膜中之一金屬膜後且成膜覆蓋上述一金屬膜之另一金屬膜之前，對上述一金屬膜照射上述氧之GCIB。
  5. 如請求項1至3中任一項之平坦化方法，其中至少對在即將形成上述MTJ元件前所形成之上述金屬膜照射上述氧之GCIB。
  6. 如請求項1至3中任一項之平坦化方法，其中於對上述金屬膜照射上述氧之GCIB之前加熱上述基板。
  7. 如請求項4之平坦化方法，其中於對上述金屬膜照射上述氧之GCIB之前加熱上述基板。
  8. 如請求項5之平坦化方法，其中於對上述金屬膜照射上述氧之GCIB之前加熱上述基板。
  9. 一種基板處理系統，其特徵在於：其係包括成膜金屬膜之成膜處理室、及照射氧之GCIB之GCIB照射處理室者；且上述成膜處理室係於形成MRAM之MTJ元件前於基板上成膜上述金屬膜， 上述GCIB照射處理室係於形成上述MTJ元件前，對上述所成膜之金屬膜照射上述氧之GCIB。
  10. 如請求項9之基板處理系統，其進而包括加熱基板之加熱處理室，且上述加熱處理室係於上述金屬膜成膜後且對上述金屬膜照射氧之GCIB之前，對上述基板進行加熱。
  11. 一種MRAM製造方法，其特徵在於包括：下部電極形成步驟，其形成下部電極；下部金屬層形成步驟，其於上述下部電極上形成下部金屬層；反鐵磁性層形成步驟，其於上述下部金屬層上形成反鐵磁性層；MTJ元件形成步驟，其於上述反鐵磁性層上形成MTJ元件；及上部電極形成步驟，其於上述MTJ元件上形成上部電極；且進而包括平坦化步驟，該平坦化步驟係於上述下部電極形成步驟與上述下部金屬層形成步驟之間、上述下部金屬層形成步驟與上述反鐵磁性層形成步驟之間、以及上述反鐵磁性層形成步驟與上述MTJ元件形成步驟之間之至少任一個期間內執行；於上述平坦化步驟中對所形成之金屬膜照射氧之GCIB。
  12. 一種MRAM製造方法，其特徵在於包括：下部電極形成步驟，其形成下部電極；平坦化步驟，其將上述下部電極平坦化；MTJ元件形成步驟，其於上述經平坦化之下部電極上形成MTJ元件；反鐵磁性層形成步驟，其於上述MTJ元件上形成反鐵磁性層；上部金屬層形成步驟，其於上述反鐵磁性層上形成上部金屬 層；及上部電極形成步驟，其於上述上部金屬層上形成上部電極；且於上述平坦化步驟中對所形成之金屬膜照射氧之GCIB。
  13. 一種MRAM元件，其特徵在於：其係至少包括形成於金屬膜上之MTJ元件者，且上述金屬膜之平坦度以Ra計為1.0nm以下。
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