TWI384472B - 濺鍍裝置及成膜方法 - Google Patents

Description

濺鍍裝置及成膜方法

本發明係有關於構成磁頭之巨磁阻(Giant Magnetic Resistive；GMR)自旋閥，或構成MRAM(Magnetic Random Access Memory磁性隨機存取記憶體)之穿隧接面磁阻(Tunneling Magnetic Resistive；TMR)元件等，適合於構成半導體裝置之覆膜形成的濺鍍裝置及成膜方法。

本申請案係對2005年1月19日申請之日本專利申請第2005－011364號主張優先權，在此援用其內容。

作為成膜處理裝置，係廣泛利用濺鍍裝置。一般之濺鍍裝置，係於處理室內裝配有放置被處理基板之桌台，和配置成膜材料之濺鍍陰極(標靶)來構成。專利文件1中，係以適當速度使基板旋轉，同時將標靶對於基板法線之中心軸線角度θ保持在15°≦θ≦45°的關係；藉此，即使標靶之直徑是與基板相同或以下，亦可達成平均膜厚、膜質。

〔專利文件1〕日本特開2000－265263號公報

最近，持續開發中之MRAM等半導體裝置中，係採用第5圖A所示之穿隧接面元件10。此穿隧元件10，係層積磁性層(固定層)14、穿隧屏障層15、以及磁性層(自由層)16等而構成。此穿隧屏障層15，係由將Al(金屬鋁)氧化所得到之AlO(表示所有鋁之氧化物，亦包含所謂鋁氧者。以下相同)等所形成。然後，節由使此等固定層14及自由層16之磁化方向為平行或反平行，利用穿隧接面元件10之阻抗值不同，來讀出「1」或「0」。

如第5圖B所示，穿隧接面元件10之各層內(例如自由層16)若有膜厚分布，則穿隧屏障層15會層積形成為凹凸狀。穿隧屏障層15之穿隧阻抗值係以指數函數關聯於其膜厚，放假設金屬鋁之膜厚分布為1%，穿隧阻抗值分布也會具有10%以上的較大分布。然後MRAM元件(穿隧接面元件)因為是以8吋基板以上之較大基板來製作，故MRAM元件之阻抗值若依基板上位置而有較大不一致，則在量產上會有大問題。又同樣的，若自由層16有膜厚分布，則自由層16之磁化會依基板上之位置而有不同，故加工後之MRAM元件在磁化反轉時，會出現為施加磁場的散亂。此等現象，最終都會成為有關所製作之MRAM元件性能的問題。從而，係要求降低穿隧接面元件10之各層中的膜厚分布不均。

然而先前之濺鍍裝置中，從標靶飛出之粒子，會與氬等濺鍍氣體分子衝突而散亂的到達基板。因此依據標靶與基板之相對位置，或從基板到室壁為止之距離等，即使一邊使基板旋轉一邊進行成膜處理，也難以得到良好的膜厚分布。

尤其基板尺寸大到8吋以上時，係極難以得到良好的膜厚分布。即使是專利文件1之發明，針對其所有技術範圍也難以得到1%以下的膜厚分布。

本發明係為了解決上述課題而成者，其目的為提供一種濺鍍裝置及成膜方法，可減低膜厚分布之不均。

為了達成上述目的，本發明之濺鍍裝置，係一邊使圓盤狀基板在旋轉軸線周圍旋轉，一邊對此基板表面進形成膜處理；其特徵係具備於內部形成濺鍍處理室的室；和設置於上述室之第1範圍，使上述基板表面向著上述濺鍍處理室內來保持上述基板，同時使此基板以上述旋轉軸線為中心在與上述基板表面平行之面內旋轉的，桌台；和在包夾上述處理室而位於與上述第1範圍相反側之上述室之第2範圍中，設置於從上述旋轉軸線離開之位置，具有在上述濺鍍處理室內與上述基板相對之陰極表面的，濺鍍陰極；若將從上述旋轉軸線到上述基板之外周緣部為止的距離作為R，從上述旋轉軸線到上述陰極表面中心點為止的距離作為OF，從上述基板表面到上述陰極表面中心點為止的高度作為TS，則大約滿足R：OF：TS＝100：175：190±20的關係；同時使上述旋轉軸線與通過上述陰極表面之中心點的法線交叉，其交叉角度滿足22°±2°。

若依此構成，則針對多種材料，可進行膜厚分布不均在1%以內的成膜處理。

另外所謂「大約」，係包含R：OF：TS之比例從上述數式錯開5%左右的情況，在OF值為175±10左右。

又，包圍上述基板之遮蔽板，係以上述旋轉軸線為中心配置為軸對稱形狀；上述濺鍍處理室，係形成於上述遮蔽板與上述基板表面所包圍的內側空間為佳。

若依此構成，藉由遮蔽板之存在，可對於膜厚分布帶來之影響附加軸對象性，而可減低膜厚分布之不均。

又，上述遮蔽板係具備從上述第2範圍向著上述第1範圍，延伸為圓筒狀的第1遮蔽板；和從此第1遮蔽板中上述第1範圍側之端部，延伸並掛在上述基板外週緣部的漏斗狀第2遮蔽板；上述第2遮蔽板對上述基板表面之傾斜角度，係設定為0°以上20°以下。

若依此構成，則可降低第2遮蔽板所造成之基板外週緣部的膜厚分布不均。

另一方面，本發明之成膜方法，係使用申請專利範圍第1項~第3項之任一項所記載的濺鍍裝置；其特徵係具有於上述桌台保持上述基板，然後將上述濺鍍處理室內抽真空的抽真空工程；和一邊以上述桌台旋轉上述基板，一邊對上述濺鍍處理室內導入濺鍍氣體來產生電漿，而對上述基板表面進行成膜處理的成膜工程。

若依此構成，則針對多種材料，可進行濃厚分布不均在1%以內的成膜處理。

又，使上述基板以30rpm以上之旋轉數來旋轉者為佳。

若依此構成，則即使以較慢成膜速度形成較薄覆膜的情況下，在現實之成膜條件範圍中，亦可使膜厚分布在基板之圓周方向平均化。

又上述成膜處理中，可形成有包含磁性層之多層膜。

包含磁性層之多層膜，係強烈要求有膜厚分布不均的降低。從而，藉由使用本發明之成膜方法，可形成具有良好特性之磁性多層膜。

本發明中因為採用上述之構造，故針對多種材料，可進行膜厚分布不均在1%以內的成膜處理。

以下參考圖示，說明本發明之實施方式。另外以下說明所使用之各圖示，為了作為可辨識各構件之大小，而適當變更各構件之比例尺。

(磁性多層膜)

一開始，說明包含磁性層之多層膜之一例，亦即具備TMR膜之穿隧接面元件，和具備該穿隧接面元件之MRAM。

第4圖A，係穿隧接面元件之側面剖面圖。穿隧接面元件10，係主要由PtMn或IrMn等所構成之反強磁性層(未圖示)、NiFe或CoFe等所構成之磁性層(固定層)14、AlO等所構成之穿隧屏障層15、以及NiFe或CoFe等所構成之磁性層(自由層)16來構成。AlO所構成之穿隧屏障層15，係將金屬鋁氧化來形成。另外實際上，也層積有上述以外的功能層，成為大約15層的多層構造。

第4圖B係具備穿隧接面元件之MRAM的概略構造圖。MRAM100，係將上述穿隧接面元件10及MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field－Effect Transistor金氧半導體場效電晶體)110，在基板5上列整配置為矩陣狀而構成。穿隧接面元件10之上端部係連接於位元線102，其下端部連接於MOSFET110之源極電極或汲極電極。又MOSFET110之閘極電極，係連接於讀出用字元線104。另一方面，穿隧接面元件10之下方，配置有改寫用字元線106。

第4圖A所示之穿隧接面元件10中，固定層14之磁化方向係保持一定，而自由層16之磁化方向就會反轉。藉由此等固定層14及自由層16之磁化方向成為平行或反平行，穿隧接面元件10之阻抗值會不同，故對穿隧接面元件10之厚度方向施加電壓時，流動於穿隧屏障層15之電流會有大幅度不同(TMR效應)。因此藉由以第4圖B所示之讀出用字元線104讓MOSFET110為ON，測定其電流值，藉此可讀出「1」或「0」。

又若對改寫用字元線106供給電流，在其周圍產生磁場，則可使自由層之磁化方向反轉。藉此，可改寫為「1」或「0」。

然而如第5圖B所示，若穿隧接面元件10之各層內(例如自由層16)有膜厚分布，則穿隧屏障層15會層積形成為凹凸狀。穿隧屏障層15之穿隧阻抗值係以指數函數關聯於其膜厚，故假設金屬鋁之膜厚分布為1%，穿隧阻抗值分布也會具有10%以上的較大分布。然後MRAM元件(穿隧接面元件)因為是以8吋基板以上之較大基板來製作，故MRAM元件之阻抗值若依基板上位置而有較大不一致，則在量產上會有大問題。又同樣的，若自由層16有膜厚分布，則自由層16之磁化會依基板上之位置而有不同，故加工後之MRAM元件在磁化反轉時，會出現為施加磁場的散亂。此等現象，最終都會成為有關所製作之MRAM元件性能的問題。從而，係要求降低穿隧接面元件10之各層中的膜厚分布不均。

(濺鍍裝置)

因此，針對本實施方式之濺鍍裝置，使用第1圖A到第3圖C來說明。

第1圖A係本實施方式之濺鍍裝置的立體圖，第1圖B係第1圖A之A－A線的側面剖面圖。然後本實施方式之濺鍍裝置60，係將藉由放置圓盤狀基板5來保持基板5的桌台62，和標靶(濺鍍陰極)64配置在特定位置來構成。此濺鍍裝置60，係以具備例如對於標靶表面之磁場施加手段(未圖示)的磁控管濺鍍裝置為佳。

如第1圖B所示，濺鍍裝置60係具備以Al等金屬材料來形成箱型的室61。此室61之內部，係形成有濺鍍處理室70(詳細於後敘述)。室61之下部範圍(第1範圍)，其底面附近中央部，設置有放置基板5之桌台62。桌台62，係構成可用旋轉軸線62a為中心，以任意旋轉數來旋轉。藉此，被放置之基板5會以旋轉軸線62a為中心，在與基板5表面(基板表面)平行之面內旋轉。另外亦可在使此基板5之中心與旋轉軸線62a為一致的狀態下，來旋轉基板表面。

室61之上部範圍(第2範圍)，其天花板附近之周緣部，配置有標靶64。此標靶64之表面(陰極表面)，係在濺鍍處理室70(詳細於後敘述)內與基板5相對。此陰極表面，係配置有應該形成於基板5之覆膜的材料。標靶64之數量可以是1個，也可以是複數。使用複數個標靶64時，係從桌台62之旋轉軸線62a離開，平均配置在此旋轉軸線62a周圍者為佳。藉此，可減低基板5中膜厚分布之不均。本實施方式中，係使2個標靶64包夾桌台62之旋轉軸線62a來相對配置。

上述標靶64，係對放置在桌台62之基板5，配置於特定位置。現在將從桌台62之旋轉軸線62a，到放置於桌台62之基板5之外周緣部為止的距離作為R。另外使旋轉軸線62a與基板5中心一致，將基板5放置於桌台62時，把基板5之半徑作為R。然後將從桌台62之旋轉軸線62a到標靶64之表面中心點為止的距離作為OF，以及將從放置於桌台62之基板5表面到標靶64之表面中心點T為止的高度作為TS；使此時大約滿足R：OF：TS＝100：175：190±20………(1)的關係，而來配置標靶64。若舉一個例子，則在基板5直徑為200mm時，因為R＝100mm，故設定OF＝175mm及TS＝190mm。又在基板5直徑為300mm時，因為R＝150mm，故設定OF＝262.5mm及TS＝285mm。另外一般濺鍍裝置中，因為TS比OF更容易調整，故對TS設定容限。又所謂「大概滿足數式(1)之關係」，係代表包含R：OF：TS之比例從上述數式錯開5%左右的情況，也涵蓋於本發明之技術範圍。此錯開若以OF之容限來表示，則為±10mm左右。

此外，放置基板5之桌台62的旋轉軸線62a，和通過標靶64表面(陰極表面)之中心點T的法線64a，係配置為相互交叉在同一平面上。然後使其交叉角度成為θ＝22°±2°………(2)來配置標靶64。θ為上述範圍時，通過標靶64之中心點T的法線64a，其與基板5之表面的交點，會位於從基板5外周開始5mm以內的範圍。若舉出一例，則θ＝22°，而基板5之直徑為200mm時，從基板5之外周緣部開始2mm的位置會是交點。

第3圖A~第3圖C，係將各種金屬材料濺鍍成膜時，表示標靶之傾斜角度θ與膜厚分布之關係的圖表。另外各圖之縱軸，係表示膜厚分布之標準差σ對於膜厚的比例(%)。又Ru(銣)之原子量約為101，Co、Ni、Fe之原子量約為56~59，Ir、Ta及Pt之原子量約為181~195，針對每個原子量相同之元素作成圖表。然後第3圖A為TS＝210mm之情況，第3圖B為TS＝190mm之情況，第3圖C為TS＝170mm之情況。

如第3圖B所示，得知TS＝190mm時，θ＝22°±2°之範圍內各元素的膜厚分布極小。成膜Ru時，得知θ＝22°之膜厚分布幾乎為0%，而成為極為平均的成膜處理。又將原子量比Ru小之Co、Ni、Fe加以成膜時，θ＝24°之膜厚分布約為0.1%；將原子量比Ru大之Ir、Ta、Pt加以成膜時，θ＝20°之膜厚分布約為0.5%。從而不論何種情況，都可將膜厚分布之不均降到1%以內。

又如第3圖A所示，得知TS＝210mm時，θ＝22°±2°之範圍內各元素的膜厚分布也極小。然後任一個元素之情況下，皆可針對極小值將膜厚分布之不均降到1%以內。

更且如第3圖C所示，得知TS＝170mm時，θ＝22°±2°之範圍內各元素的膜厚分布也極小。然後任一個元素之情況下，皆可針對極小值將膜厚分布之不均降到1%以內。

從而藉由滿足上述數式(1)及數式(2)來配置標靶，可提高成膜處理對於基板之均質性。

回到第1圖，係包圍上述桌台62及標靶64地，設置有不銹鋼等所構成之遮蔽板(側部遮蔽板(第1遮蔽板)71及下部遮蔽板(第2遮蔽板)72)。側部遮蔽板71係形成圓筒狀，從室61之天花板面向著桌台62延伸。然後，使其中心軸與桌台62之旋轉軸線62a一致地來配置。若舉一例，則側部遮蔽板71之直徑係設定為440mm。又，從側部遮蔽板71之下端部(第1範圍側之端部)掛在桌台62之外周緣部，係設置有下部遮蔽板72。然後放置於桌台62之基板5的基板表面，下部遮蔽板72及側部遮蔽板71，以及室61之天花板面所包圍的空間，係形成濺鍍處理室70。亦即基板5，係以使基板表面向著濺鍍處理室70內的狀態，來被保持於桌台62。此濺鍍處理室70為軸對稱形狀，其對稱軸係一致於桌台62之旋轉軸線62a。藉此，可對基板5之各部分進行均質的濺鍍處理，而可降低膜厚分布之不均。另外上述濺鍍處理室70中，設置有供給濺鍍氣體之濺鍍氣體供給手段(未圖示)。又室61設置有排氣口69，並連接於未圖示之排氣泵。

第2圖，係第1圖B之B部分的放大圖。如第2圖所示，放置於桌台62之基板5表面，與下部遮蔽板72之斜面的夾角φ，係設定在20°以下且0°以上為佳。藉此，可防止基板5外周緣部之膜厚分布平均性，因為下部遮蔽板72之影響而降低。又下部遮蔽板72之外周部與側部遮蔽板71之下端部之間，形成有排氣細縫74。此排氣細縫74，係對整個濺鍍處理室70之週邊來形成。藉此，濺鍍處理室70內部之排氣流路徑會成為軸對稱，而可減低基板5之膜厚分布不均。另外下部遮蔽板72之內周緣，係配置為比放置於桌台62之基板5的外周緣部更內側。藉此，可防止濺鍍處理室70內之氣體等繞到基板5的側面，而抑制污染。

(成膜方法)

其次使用第1圖A及第1圖B，說明使用本實施方式之濺鍍裝置，對基板表面進形成膜處理的方法。

首先於桌台62放置基板5，將濺鍍處理室70抽真空(抽真空工程)。其次，對濺鍍處理室70導入氬等濺鍍氣體，來產生電漿(成膜工程)。這麼一來濺鍍氣體之離子，會衝撞陰極亦即標靶64，從標靶64飛出成膜材料之原子，而附著於基板5。此時，對標靶表面施加磁場，於標靶附近產生高密度電漿，可藉此使成膜速度高速化。

此成膜處理，係一邊以桌台使基板5旋轉來一邊進行。基板5之旋轉數，以30rpm以上為佳，設定在例如120rpm左右即可。這是因為若旋轉敷較小，則膜厚分布在基板之圓周方向無法平均化，故在基板5之圓周方向會產生膜厚分布不均之故。尤其以較慢成膜速度來成膜較薄之覆膜時，膜厚分布之不均會更明顯。例如以每1秒1埃(Angstrom)左右之成膜速度，來成膜膜厚在100埃以下之覆膜時，若基板5之旋轉數不滿60rpm，則有膜厚分布不均到達1%以上之虞。

實際之成膜條件範圍中，係藉由使基板5之旋轉數在30rpm以上，可將膜厚分布不均抑制在1%以內。

另外120rpm以上，雖然效果沒有太大差別，但是由裝置構造所確認之最大旋轉數為300rpm。因此30rpm以上300rpm以下是理想旋轉數。

如以上所述，藉由本實施方式之濺鍍裝置及成膜方法，可降低膜厚分布不均。亦即對於多種類之標靶材料，可實現不均在1%以下的膜厚分布。若舉出一例，則對Al可實現0.26%，對Ta可實現0.42%，對PtMn可實現0.71%，對CoFe可實現0.47%，對nf可實現0.39%，對Ru可實現0.20%的膜厚分布。藉此，常用於半導體裝置之Cu或Ta、Al等不用說，即使對於磁性材料亦即CoFe或NiTe、PtMn、IrMn等，或對於非磁性金屬之Ru等，同樣可得到良好的膜厚分布。

然後，使用本實施方式之濺鍍裝置及成膜方法，來形成磁性多層膜，藉此可降低各層內之膜厚分布不均。尤其形成穿隧接面元件時，因為可平坦地形成穿隧屏障層，故可降低穿隧接面元件根據基板上位置的阻抗值不均。又因為可將自由層平坦形成，故穿隧接面元件中自由層之磁化可平均化，並減低用以反轉自由層磁化方向所施加之磁場的不平均等，對於在大口徑晶圓上生產具有平均性能之MRAM元件來說非常重要。

另外本發明之技術範圍，並不限定於上述實施方式，在不脫離本發明主旨之範圍內，包含對上述實施方式施加各種變更者。亦即實施方式所舉出之具體材料或構造等，只是一個例子，而可以做適當變更。

例如上述實施方式中，雖然在室之底面附近配置桌台，而在天花板面附近配置標靶，但亦可上下反轉，在室之底面附近配置標靶，而在天花板面附近配置桌台。又上述實施方式中，雖使基板中心對桌台之旋轉軸線一致地來配置基板，但亦可使基板中心對桌台之旋轉軸線偏離地來配置基板。又，可在桌台上配置複數基板，同時來進行成膜處理。

產業上之可利用性

本發明，係適合於構成磁頭之GMR自旋閥，或構成MRAM之TMR元件等，構成半導體裝置之覆膜形成。

5．．．基板

60．．．濺鍍裝置

61．．．室

62．．．桌台

62a．．．旋轉軸線

64．．．標靶(濺鍍陰極)

64a．．．法線

70．．．濺鍍處理室

71．．．側部遮蔽板(遮蔽板，第1遮蔽板)

72．．．下部遮蔽板(遮蔽板，第2遮蔽板)

〔第1圖A〕本實施方式之濺鍍裝置的立體圖〔第1圖B〕本實施方式之濺鍍裝置的側面剖面圖〔第2圖〕第1圖B之B部分的放大圖〔第3圖A〕表示標靶之傾斜角度θ與膜厚分布之關係的圖表〔第3圖B〕表示標靶之傾斜角度θ與膜厚分布之關係的圖表〔第3圖C〕表示標靶之傾斜角度θ與膜厚分布之關係的圖表〔第4圖A〕穿隧接面元件之概略構造圖〔第4圖B〕具備穿隧接面元件之MRAM的概略構造圖〔第5圖A〕穿隧接面之說明圖〔第5圖B〕穿隧接面之說明圖

5．．．基板

60．．．濺鍍裝置

61．．．室

62．．．桌台

62a．．．旋轉軸線

64．．．標靶(濺鍍陰極)

64a．．．法線

69．．．排氣口

70．．．濺鍍處理室

71．．．側部遮蔽板(遮蔽板，第1遮蔽板)

72．．．下部遮蔽板(遮蔽板，第2遮蔽板)

Claims (2)

1. 一種濺鍍裝置，係一邊使圓盤狀基板在旋轉軸線周圍旋轉，一邊對此基板表面進形成膜處理；其特徵係具備於內部形成濺鍍處理室的室；和設置於上述室之第1範圍，使上述基板表面向著上述濺鍍處理室內來保持上述基板，同時使此基板以上述旋轉軸線為中心在與上述基板表面平行之面內旋轉的，桌台；和在包夾上述處理室而位於與上述第1範圍相反側之上述室之第2範圍中，設置於從上述旋轉軸線離開之位置，具有在上述濺鍍處理室內與上述基板相對之陰極表面的，濺鍍陰極；於上述桌台保持上述基板，然後將上述濺鍍處理室內抽真空一邊經由上述桌台將上述基板以30rpm以上之旋轉數旋轉，一邊於上述濺鍍處理室內導入濺鍍氣體來產生電漿，而對上述基板表面進行成膜處理；若將從上述旋轉軸線到上述基板之外周緣部為止的距離作為R，從上述旋轉軸線到上述陰極表面中心點為止的距離作為OF，從上述基板表面到上述陰極表面中心點為止的高度作為TS，則大約滿足R：OF：TS=100：175：190±20 的關係；同時使上述旋轉軸線與通過上述陰極表面之中心點的法線交叉，其交叉角度滿足22°±2°。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之成膜方法，其中，上述成膜工程中，形成有包含磁性層之多層膜。