TWI528489B - Manufacturing device - Google Patents

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TWI528489B
TWI528489B TW103143043A TW103143043A TWI528489B TW I528489 B TWI528489 B TW I528489B TW 103143043 A TW103143043 A TW 103143043A TW 103143043 A TW103143043 A TW 103143043A TW I528489 B TWI528489 B TW I528489B
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Canon Anelva Corp
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Description

製造裝置
本發明，係有關於製造裝置，特別是有關對於作為磁碟片驅動裝置之磁性再生頭、磁性隨機存取記憶體之記憶元件、磁性感測器等而使用之磁阻元件、半導體記憶體之記憶元件等的將多層薄膜作了應用之裝置的製造製程而為合適之多層薄膜之製造裝置。
先前技術之多層薄膜的成膜裝置，係存在有：在1個的濺鍍成膜腔中而具備有與多層薄膜中之膜種類相同數量或者是其以上之數量的濺鍍陰極之形態(參考專利文獻1)、和將具備著複數個的濺鍍陰極之濺鍍成膜腔，具備有複數個的所謂叢集系統之形態(參考專利文獻2)。
作為其他形態，係存在有：將具備著1個的濺鍍陰極之濺鍍成膜腔，至少具備有與多層薄膜中之膜種類相同數量個的叢集系統之形態(參考專利文獻3)。
進而，作為其他形態，係如圖8中所示一般，揭示有一種：使用具備設置有1個的靶材116a之第1真空腔110和設置有4個的靶材116b、116c、116d、116e之第2 真空腔112以及將此些之2個的真空腔110、112作連結之搬送室114的濺鍍裝置，而在基板上成膜由磁阻元件所成之多層膜的濺鍍裝置(參考專利文獻4)。
進而，作為其他之形態，使用圖來對於在專利文獻5中所揭示之濺鍍系統600作說明。圖9之濺鍍系統600，係包含有：第1單靶材DC磁控管濺鍍模組604、和多靶材DC濺鍍模組606、和多靶材離子束濺鍍模組608、以及第2單靶材DC磁控管濺鍍模組610。裝載鎖定室616，係成為能夠進行晶圓之進入(ingress)以及送出(egress)。控制面板614，係對於濺鍍系統600之參數以及製程作控制。
首先，使用圖10，針對使用圖9中所記載之濺鍍系統600所製作的自旋閥感測器300作說明。圖10中所記載之自旋閥感測器300，係具備有基板302、和底部遮蔽層311(Ni-Fe膜)、和底部間隙層304(Al2O3膜)、和多重種晶層306(第1種晶層Al2O3膜、第2種晶層Ni-Cr-Fe膜、第3種晶層Ni-Fe膜)、和反強磁性釘扎(pinning)層308(Pt-Mn膜)、和Co-Fe膜310、和Ru膜312、和Co-Fe膜314、和間隔層316(Cu(Cu-O)膜)、和Co-Fe膜318、和Ni-Fe膜320、和帽層322(Al膜(Al-O))、和上部間隙層324(Al2O3膜)、以及上部遮蔽層(Ni-Fe膜)325。另外，在圖10中，係對於強磁性檢測層307(稱作「自由層」)為經由間隔層316而從強磁性固定層309分離一事有所展示。在圖10所示之自旋閥感測器300中，固定層(pinned layer)309，係經由與被稱作釘扎層(pinning layer)之反強磁性膜作交換耦合，而使其之磁化被拘束，而，被稱作「檢測(sensing)」層或者是「自由(free)」層307之其他的強磁性膜之磁化，係並未被固定，並與從被作了記錄的磁性媒體而來之磁場(訊號磁場)作回應而自由地旋轉。
接著，針對使用圖9中所記載之濺鍍系統600而製作自旋閥感測器300之方法作說明。首先，於第1單靶材DC磁控管濺鍍模組604中，於晶圓之上形成底部間隙層304。之後，為了層積多重種晶層306，將晶圓移動至第2單靶材DC磁控管濺鍍模組610處，並層積第1種晶層Al2O3膜。之後，為了分別層積第2種晶層Ni-Fe-Cr膜以及第3種晶層Ni-Fe膜，將晶圓移動至多靶材離子束濺鍍模組608處，並層積Ni-Cr-Fe膜以及Ni-Fe膜。之後，為了層積自旋閥感測器之剩餘的層，而將晶圓移動至多靶材DC磁控管濺鍍模組606處。剩餘之層，係包含有Pt-Mn膜308、Co-Fe膜310、Ru膜312、Co-Fe膜314、Cu(Cu-O)膜316、Co-Fe膜318、Ni-Fe膜320、Al(Al-O)膜322。在該些之層積後，晶圓係被退火，並被層積Ta膜。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2002-167661號公報
[專利文獻2]日本特開平08-239765號公報
[專利文獻3]日本特開2007-311461號公報
[專利文獻4]日本特開2000-269568號公報
[專利文獻5]日本特開2003-158313號公報
在近年之多層薄膜應用裝置中，除了層積數有所增加之外，亦成為在形成多層薄膜的膜之間而使用有膜厚大幅相異者或者是將金屬膜、絕緣膜以及半導體膜作了複合者。
若是想要藉由具備有複數之具備著複數個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔的叢集型之製造裝置(專利文獻1、專利文獻2)，來成膜此種多層薄膜，則在多層薄膜中，對於膜厚相較於其他膜而為10倍以上厚度的膜或者是濺鍍率相較於其他膜而為1/10以下的低濺鍍率之氧化膜，而進行濺鍍所需之時間，相較於成膜其他之較薄之膜的時間，係會變長，而會成為製造裝置之產率上的律速之原因。特別是，當成膜包含單一之元素之膜的情況時，複數之濺鍍陰極，係會成為只有一個會起作用，在所佔據的作業面積一事上亦會有所問題。
又，當使用專利文獻1以及專利文獻2所記載之製造裝置，來成為將金屬膜、絕緣膜以及半導體膜作了複合之多層薄膜的情況時，係存在著若是金屬膜混入至絕緣膜或半導體膜中則會使裝置特性顯著地降低之所謂層間之相互污染的問題。
另一方面，在將具備著1個的濺鍍陰極之濺鍍成膜腔，至少具備有與多層薄膜中之膜種類相同數量個的叢集 型之製造裝置(專利文獻3)中，係能夠避免層間之相互污染。但是，由於係成為多數之濺鍍成膜腔，因此，係有著製造裝置大型化並導致成本之增大、設置面積之增大、消耗能量之增大等的問題。又，在專利文獻3所記載之製造裝置中，亦有著無法成膜包含有複數元素之膜的問題。
進而，在專利文獻4所記載之濺鍍裝置中，當在1個的多層薄膜中而相同膜種存在有複數層的情況時，由於係並未針對每一層而分別配置濺鍍靶材，因此，在一連串的成膜製程中，係會成為將基板對於相同之製程腔而作2次的搬送。亦即是，當使用圖8中所示之專利文獻4所記載之濺鍍裝置，來成膜包含有Ta/NiFe/CoFeB/Cu/CoFeB/PdPtMn/Ta之磁阻效果膜的情況時，係成為如同下述一般地而使基板被對於第1真空腔110作2次的搬送。亦即是，係必須要進行下述之動作：首先，在第1真空腔110內，將Ta作為靶材並進行濺鍍，而在基板表面上形成Ta膜，並在將該基板搬送至第2真空腔112處之後，將NiFe、CoFeB、Cu、PdPtMn作為靶材而進行濺鍍，而成膜NiFe膜、CoFeB膜、Cu膜和PdPtMn膜，之後，再度將基板搬送至第1真空腔110處，並在第1真空腔110內，將Ta作為靶材而進行濺鍍，而在基板表面上形成Ta膜。如此這般，在專利文獻4所記載之濺鍍裝置的情況時，於一連串之成膜製程中，由於係成為將基板對於相同之製程腔而作2次的搬送，因此，在產率上係存在有問題。進而，亦有著無法實現所謂 的序列式之基板搬送的問題。
進而，在圖9所示之專利文獻5的濺鍍系統600中，晶圓係依序被搬送至第1單靶材DC磁控管濺鍍模組604、第2單靶材DC磁控管濺鍍模組610、多靶材離子束濺鍍模組608、多靶材DC磁控管濺鍍模組606處，而製作出圖11中所記載之自旋閥感測器300。故而，專利文獻5之濺鍍系統600，相較於專利文獻4中所記載之濺鍍裝置，係能夠實現所謂的序列式之基板搬送。
但是，在專利文獻5之濺鍍系統600中，係藉由多靶材DC磁控管濺鍍模組606，來進行自旋閥感測器300之從反強磁性釘扎層308(Pt-Mn膜)起直到間隙層322(Al膜(Al-O))為止的成膜。
一般而言，在自旋閥感測器300中，反強磁性釘扎層308(Pt-MN膜)的膜厚，(10nm~20nm)，相較於其他之層、例如相較於Co-Fe膜318之膜厚(1nm~5nm)，係高出1位數。故而，在多靶材DC磁控管濺鍍模組606中之成膜時間(亦稱作「工時」)，相較於在第1單靶材DC磁控管濺鍍模組604、第2單靶材DC磁控管濺鍍模組610、多靶材離子束濺鍍模組608處之成膜時間，係顯著的變長。產率，係依據在單位時間內所能夠處理之基板的工件數量(工時)而被決定。故而，假設就算是在第1單靶材DC磁控管濺鍍模組604、第2單靶材DC磁控管濺鍍模組610、多靶材離子束濺鍍模組608處之工時係為短，若是在多靶材DC磁控管濺鍍模組606中之工時係為長，則產 率係會依據多靶材DC磁控管濺鍍模組606之工時而被決定。其結果，專利文獻5之濺鍍系統600，在產率上係依舊存在有問題。
本發明之目的，係在於提供一種：就算是當在1個的多層薄膜中而同一膜種存在有複數層的情況時，亦能夠實現所謂的序列式之基板搬送，並能夠將產率提升之製造裝置。
為了達成此種目的，本發明之其中一種形態，係為一種在基板上使多層膜成長之製造裝置，其特徵為，具備有：搬送腔，係具備有基板搬送機構；和第1濺鍍成膜腔，係具備有1個的濺鍍陰極；和第2濺鍍成膜腔，係具備有1個的濺鍍陰極；和第3濺鍍成膜腔，係具備有1個的濺鍍陰極；和第4濺鍍成膜腔，係具備有2個以上的濺鍍陰極；和第5濺鍍成膜腔，係具備有2個以上的濺鍍陰極；和製程腔，係用以進行濺鍍以外之製程，前述第1濺鍍成膜腔、和前述第2濺鍍成膜腔、和前述第3濺鍍成膜腔、和前述第4濺鍍成膜腔、和前述第5濺鍍成膜腔、以及前述製程腔，係以分別能夠與前述搬送腔進行基板之授受的方式，而被配置在前述搬送腔之周圍。
若依據本發明，則具備有1個的濺鍍陰極之第1濺鍍成膜腔、和具備有1個的濺鍍陰極之第2濺鍍成膜腔、和具備有1個的濺鍍陰極之第3濺鍍成膜腔、和具備有2個 以上的濺鍍陰極之第4濺鍍成膜腔、和具備有2個以上的濺鍍陰極之第5濺鍍成膜腔、以及進行濺鍍以外之製程的製程腔，係被配置在搬送腔之周圍。故而，就算是當在1個的多層薄膜中而同一膜種存在有複數層的情況時，亦能夠實現所謂的序列式之基板搬送，並成為能夠將產率提升。
11‧‧‧基板搬送機構
11A‧‧‧基板搬送機器人
11B‧‧‧基板搬送機器人
11C‧‧‧基板搬送機器人
12‧‧‧搬送腔
13A‧‧‧濺鍍成膜腔
13B‧‧‧濺鍍成膜腔
13C‧‧‧濺鍍成膜腔
13D‧‧‧濺鍍成膜腔
13E‧‧‧濺鍍成膜腔
13F‧‧‧濺鍍成膜腔
13G‧‧‧濺鍍成膜腔
14‧‧‧製程腔
15A‧‧‧裝載鎖定室
15B‧‧‧裝載鎖定室
16‧‧‧閘閥
21‧‧‧真空槽
22‧‧‧上部電極
23‧‧‧下部電極
24‧‧‧匹配箱
25‧‧‧基板
26‧‧‧電漿
31‧‧‧濺鍍陰極
32‧‧‧濺鍍靶材
33‧‧‧基板平台
34‧‧‧O型環
35‧‧‧載置台
35A‧‧‧載置台
35B‧‧‧載置台
41‧‧‧Ta層
42‧‧‧PtMn層
43‧‧‧CoFe層
44‧‧‧Ru層
45‧‧‧CoFeB層
46‧‧‧MgO層
47‧‧‧CoFeB層
48‧‧‧Ta層
49‧‧‧Ru層
50‧‧‧Ta層
60‧‧‧RF電源
110‧‧‧第1真空腔
112‧‧‧第2真空腔
114‧‧‧搬送室
116a‧‧‧靶材
116b‧‧‧靶材
116c‧‧‧靶材
116d‧‧‧靶材
300‧‧‧自旋閥感測器
302‧‧‧基板
304‧‧‧底部間隙層
306‧‧‧多重種晶層
307‧‧‧強磁性檢測層
308‧‧‧反強磁性釘扎層
309‧‧‧強磁性固定層
310‧‧‧Co-Fe膜
311‧‧‧底部遮蔽層
312‧‧‧Ru膜
314‧‧‧Co-Fe膜
316‧‧‧間隔層
318‧‧‧Co-Fe膜
320‧‧‧Ni-Fe膜
322‧‧‧帽層
324‧‧‧上部間隙層
325‧‧‧上部遮蔽層
600‧‧‧濺鍍系統
604‧‧‧第1單靶材DC磁控管濺鍍模組
606‧‧‧多靶材DC濺鍍模組
608‧‧‧多靶材離子束濺鍍模組
610‧‧‧第2單靶材DC磁控管濺鍍模組
614‧‧‧控制面板
616‧‧‧裝載鎖定室
[圖1]對於本發明之其中一種實施形態的多層薄膜之製造裝置的第1例作展示之構成圖。
[圖2]對於本發明之其中一種實施形態的具備有複數個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔的其中一例作展示之構成圖。
[圖3]對於本發明之其中一種實施形態的具備有1個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔的其中一例作展示之構成圖。
[圖4]對於本發明之其中一種實施形態的以使濺鍍靶材之表面成為與基板面略平行的方式來將濺鍍陰極作了搭載之濺鍍成膜腔的其中一例作展示之構成圖。
[圖5]使用本發明之其中一種實施形態之製造裝置所製作了的穿隧磁阻元件之膜構成圖。
[圖6]對於本發明之其中一種實施形態的多層薄膜之製造裝置的第2例作展示之構成圖。
[圖7]對於可適用在本發明之其中一種實施形態的製程腔之內部構造作展示的構成圖。
[圖8]對於先前技術(專利文獻4)之多層薄膜之製造裝 置的其中一例作展示之構成圖。
[圖9]對於先前技術(專利文獻5)之多層薄膜之製造裝置的其中一例作展示之構成圖。
[圖10]對於藉由先前技術(專利文獻5)之多層薄膜之製造裝置所作成的自旋閥感測器之其中一例作展示的構成圖。
使用圖面，對於本發明之實施形態的多層膜之製造裝置作說明。
圖1，係為對於本發明之其中一種實施形態的多層薄膜之製造裝置的第1例作展示之構成圖。圖1之製造裝置，係為適合於在多層薄膜之成膜中而維持低成本並同時將產率提升，且進而能夠經由對於層間之相互污染作防止或降低來對於裝置特性之低下作抑制者。
本發明之製造裝置的特徵點，係在於：在具備有基板搬送機構之搬送腔的周圍，配置有用以進行濺鍍以外之製程的製程腔(蝕刻腔14)、和具備有1個的濺鍍陰極之第1濺鍍成膜腔(濺鍍成膜腔13A)、和具備有1個的濺鍍陰極之第2濺鍍成膜腔(濺鍍成膜腔13C)、和具備有1個的濺鍍陰極之第3濺鍍成膜腔(濺鍍成膜腔13E)、和具備有2個以上的濺鍍陰極之第4濺鍍成膜腔(濺鍍成膜腔13B)、以及具備有2個以上的濺鍍陰極之第5濺鍍成膜腔(濺鍍成膜腔13D)。另外，在圖1中，於具備有基板搬送機構 之搬送腔的周圍，係分別設置有：3個的具備1個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔、和2個的具備2個以上濺鍍陰極之濺鍍成膜腔、以及1個的用以進行濺鍍以外之製程的製程腔。如同後述一般，從產率之提升的觀點來看，具備有1個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔，係需要3個以上。
在圖1中，於作為基板搬送機構11而具備有2個的基板搬送機器人11A、11B之搬送腔12處，係被連接有13A~13E之5個的濺鍍成膜腔、和用以藉由逆濺鍍蝕刻來將基板25表面之氧化物以及污染物除去的蝕刻腔14、以及2個的裝載鎖定室15A、15B。在濺鍍成膜腔13A~13E中，13A和13C以及13E係具備有1個濺鍍陰極31，13B和13D則係具備有5個濺鍍陰極31。另外，圖1中所記載之作為基板搬送機構11的基板搬送機器人，係亦可為1個。
於上述所列舉之所有的腔和裝載鎖定室15A、15B，係以具備有用以將各腔內排氣為真空之真空幫浦為理想，裝載鎖定室15A、15B以外之腔，係常時被維持為真空。另外，在後述之全部的實施例中，係以所有的腔和裝載鎖定室均具備有真空幫浦一事作為前提。
裝載鎖定室15A、15B，當在製程前而將基板25從大氣中而搬入的情況時，和在製程後而將基板25搬出至大氣的情況時，係被維持為與大氣壓同等之壓力。另一方面，當將配置在裝載鎖定室15A、15B處之基板25搬入至被排氣為真空之搬送腔12內的情況時、和在製程後而 從搬送腔12來將基板25作回收的情況時，則係被排氣為真空。裝載鎖定室15A、15B，係並非一定需要2個，而亦可為1個。
在濺鍍成膜腔13A、和濺鍍成膜腔13B、和濺鍍成膜腔13C、和濺鍍成膜腔13D、和濺鍍成膜腔13E、和製程腔14、以及裝載鎖定室15A、15B的各室之間，係分別被設置有閘閥16。各閘閥16，除了對於基板25進行搬送的情況之外，係被作關閉。基板搬送機器人11，係構成為從裝載鎖定室15A、15B而將基板25取出，並依據從電腦程式而來之命令來將基板25搬入至所期望之腔中。
具備有複數之濺鍍陰極31的濺鍍成膜腔13B、濺鍍成膜腔13D，係如圖2中所示一般，在濺鍍成膜腔13B、13D之上部處配置有複數之濺鍍陰極31。在濺鍍成膜腔13B、13D內部之下方處，係被設置有可經由在濺鍍成膜腔13B、13D外部所具備的動力源(未圖示)來作旋轉之基板平台33。至少在成膜時，係在基板平台33上載置用以使薄膜作堆積之基板25。各濺鍍陰極31，係具備有與形成多層薄膜之各層的膜種相對應之材料的濺鍍靶材32，在圖2中，係以使濺鍍靶材32之表面朝向基板平台33之略中心方向的方式，而作傾斜配置。但是，係並非一定需要作傾斜配置，亦能夠以使濺鍍靶材32之表面成為與基板25之面略平行的方式來作配置。
當在本成膜腔中成膜薄膜的情況時，較理想，係一面使基板平台33旋轉，一面對於所期望之濺鍍陰極31投入 DC或RF電力，並在到達了所期望之膜厚之後，將電力供給切斷。亦可預先在基板25和濺鍍靶材32之間配置閘門，並在持續進行電力之投入的狀態下，藉由閘門之開閉來對於膜厚作控制。在成膜多層薄膜的情況時，係只要維持於在旋轉之基板平台33上載置有基板的狀態，而依序進行上述之成膜操作即可。另外，在圖1中，於濺鍍成膜腔13B中，係設置有4種類之靶材31，其材質，係為PtMn、CoFe、Ru、CoFeB。又，閘閥16，係經由O型環34而被設置在濺鍍成膜腔13B之側壁處。又，於濺鍍成膜腔13D中，係設置有4種類之靶材31，其材質，係為PtMn、CoFe、Ru、CoFeB。又，閘閥16，係經由O型環34而被設置在真空腔13A之側壁處。
具備有1個濺鍍陰極31的濺鍍成膜腔13A、13C、13E，係如圖3中所示一般，只需要在具備有複數之濺鍍陰極的濺鍍成膜腔中而將濺鍍陰極設為1個即可，且成膜操作亦只要相同的來進行即可。較理想，係搭載大小為較在具備有複數之濺鍍陰極的濺鍍成膜腔中所搭載之濺鍍陰極更大的濺鍍陰極，以成為能夠得到高成膜速率。或者是，亦可如圖4中所示一般，以使濺鍍靶材之表面成為與基板面略平行的方式來搭載濺鍍陰極。於此情況，係並不需要特別使基板平台旋轉。另外，在圖1中，於濺鍍成膜腔13A中，係設置有1種類之靶材32，其材質，係為能夠形成氧化物膜或氮化物膜又或是半導體膜之材質。又，於濺鍍成膜腔13C，係設置有1種類之靶材32，其材質， 係為能夠形成膜厚10nm以上之金屬膜的材質。又，於濺鍍成膜腔13E，係設置有1種類之靶材32，其材質，係為能夠形成膜厚10nm以上之金屬膜的材質。另外，在圖1中，亦可於濺鍍成膜腔13A中，設置以能夠形成膜厚為10nm以上之金屬膜的材質所形成之靶材，並在濺鍍成膜腔13C、濺鍍成膜腔13E之其中一者處，設置以能夠形成氧化物膜或氮化物膜亦或是半導體膜之材質所形成的靶材。亦即是，只要在具備有1個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔13A、13C、13E的至少1個中，來成膜相對於其他之膜而膜厚為較厚(例如，10nm以上)之膜即可。
進行濺鍍成膜以外之製程的製程腔14，係被與搬送腔12作連接。作為該製程腔14，係可採用用以經由電漿、離子束、原子束、分子束、氣體團簇束來將被形成在基板或者是基板上之薄膜除去的製程腔。除此之外，例如，作為製程腔14，係亦可採用：用以經由化學性氣相成長法來在被形成於基板或者是基板上之薄膜上而形成薄膜之製程腔；用以在氣體、中性活性種、離子或者是該些之混合氛圍中而使被形成在基板或者是基板上之薄膜產生化學反應的製程腔；或者是用以對於基板進行加熱、冷卻或者是加熱與冷卻的製程腔。
於圖7中，對於製程腔14之內部構造作展示。製程腔14，係具備有真空槽21，在此真空槽21內，係被設置有上部電極22和下部電極23。上部電極22，係被接地，下部電極23，係透過匹配箱24而被與RF電源(高頻電 源)60作連接。在下部電極23之上，係被搭載有基板25。在成立有電漿產生條件的狀態下，於上部電極22和下部電極23之間係產生有電漿26。
作為上述製程腔14之處理動作的代表例，係可列舉有：將0.075Pa之Ar氣體導入至真空槽21之內部，並對於下部電極23投入15W(每單位面積0.029W/cm2)之RF電力而使電漿26產生，再進而以使基板偏壓電壓(Vdc)成為被包含在較0V更小且-300V以上之範圍內的電壓之條件下，來進行電漿處理。基板偏壓電壓之上限值，係以-2~-3V為理想，最理想之電壓，係為被包含在-15V~基板偏壓電壓之上限值為止的範圍內之電壓。此電壓，係為能夠使電漿產生之電壓。作為被導入至真空槽21中之製程氣體，亦可代替Ar而使用Kr、Xe、Ne等之惰性氣體或者是相類似之氣體。作為在製程腔14中之製程氣體的壓力，係設定為0.01~100Pa之範圍內的較低之壓力。
接下來，使用圖面，針對本發明之實施例作說明。
(第1實施例)
圖5，係為使用本發明之其中一種實施形態之製造裝置所製作了的穿隧磁阻元件(磁阻多層膜)之膜構成圖。在基板25上，係被形成有層積體，該層積體，係具備Ta層41、PtMn層42、CoFe層43、Ru層44、CoFeB層45、MgO層46、CoFeB層47、Ta層48、Ru層49以及Ta層50。亦即是，在基板25上，作為基底層，而形成膜厚 20nm之Ta層41，接著，以膜厚15nm來形成身為反強磁性材料之PtMn層42，並以膜厚2.5nm來形成身為強磁性體之CoFe層43，再以膜厚0.9nm來形成非磁性體之Ru層44，並以膜厚3nm來形成身為強磁性體之CoFeB層45，再以膜厚1.2nm來形成身為氧化物之MgO層46。接著，再度以膜厚3nm來形成身為強磁性體之CoFeB層47、並在其上成膜膜厚1.5nm之極薄的Ta層48，之後，形成膜厚10nm之Ru層49以及膜厚50nm之Ta層50。最下部Ta膜41和最上部Ta膜50之膜厚，係為特別厚，接著係以PtMn層42和上方之Ru層49的膜厚為較厚。另一方面，從CoFe層43起直到正中間之Ta層47為止，係層積有每一層之膜厚為3nm以下之較薄的層。又，僅有MgO層46係身為氧化物。於圖5中，Ta層41係作為基底層而起作用，PtMn層42係作為反強磁性層而起作用，強磁性體CoFe層43和非磁性體Ru層44以及強磁性體CoFeB層45之層積，係作為磁化固定層而起作用，MgO層46係作為非磁性絕緣層而起作用，CoFeB層47係作為磁化自由層而起作用，Ta層48和Ru層49以及Ta層50之層積，係作為保護層而起作用。
圖1之製造裝置，係為適合於在多層薄膜之成膜中而維持低成本並同時將產率提升，且進而能夠經由對於層間之相互污染作防止或降低來對於裝置特性之低下作抑制者。
如同上述一般，在圖1中，於具備有基板搬送機構之 搬送腔的周圍，係分別設置有：3個的具備1個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔、和2個的具備2個以上濺鍍陰極之濺鍍成膜腔、以及1個的用以進行濺鍍以外之製程的製程腔。如同後述一般，從產率之提升的觀點來看，具備有1個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔，係至少需要3個，具備有2個以上的濺鍍陰極之濺鍍成膜腔，係至少需要2個。
當使用圖1之裝置來製造圖5中所記載之磁阻元件(磁阻多層膜)的情況時，在濺鍍成膜腔13A和13E中，係均為安裝有Ta靶材32，並分別用來成膜圖5中所示之最下層的Ta膜41和最上層的Ta膜47。在濺鍍成膜腔13B中，係安裝有PtMn、CoFe、Ru、CoFeB之4個的濺鍍靶材32，剩餘之1個的濺鍍陰極31，係作為預備用而空出。在濺鍍成膜腔13C中，係安裝有MgO之燒結靶材32。在濺鍍成膜腔13D中，係安裝有CoFeB、Ta、Ru之3個的濺鍍靶材32，剩餘之2個的濺鍍陰極31，係作為預備用而空出。
就算是在1個的多層薄膜中而同一膜種存在有複數層的情況時亦係針對每一層而各別配置濺鍍靶材32的原因，係在於為了實現在一連串的成膜製程中而不會將基板25對於相同之製程腔而作2次的搬送之所謂的序列式之基板搬送之故。亦即是，在對於同種類之層而改變膜厚地來作複數層之形成的情況時，係對於較薄之層，而藉由3個的具備1個濺鍍陰極之濺鍍成膜腔中的1個來形成，並對於較厚之層，而藉由該3個的濺鍍成膜腔之另外的成膜 腔來形成。故而，不會有對於同一個濺鍍成膜腔而被作2次搬送的情況，便能夠形成相同種類但相異膜厚之層。若是實現此種序列式之基板25的搬送，則在對於複數之基板25進行連續處裡的情況時之製程時間的橫棒圖表中，由於係能夠使各基板25之製程時間棒相互重疊，因此產率係大幅度提升。在濺鍍成膜腔13A~濺鍍成膜腔13E、和蝕刻腔14、以及裝載鎖定室15A、15B的各室之間，係分別被設置有閘閥16。另外，符號35，係為當藉由2個的基板搬送機器人11A、11B而對於基板25作授受時之用以將基板25暫時作載置的載置台，而亦可另外具備有基板25之對位機構以及基板25之缺口合致機構。
以下之表1，係對於圖1之裝置構成中的製程時間表作展示。
依據表1之製程時間表，針對圖5中所記載之穿隧磁 阻元件的成膜手續作說明。將未處理基板25，從裝載鎖定室15A來使用基板搬送機器人11A(表1之製程1)而搬入至蝕刻腔14中，並在蝕刻腔14而藉由逆濺鍍蝕刻來將基板25表面之氧化物以及污染物除去(表1之製程2)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11A來載置於搬送腔12內之載置台35上(表1之製程3)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11B來搬入至濺鍍成膜腔13A中，並在基板25上作為基底層而成膜膜厚20nm之Ta層(表1之製程4)。接著，將成膜有Ta層之基板25，藉由基板搬送機器人11B來搬入至濺鍍成膜腔13B中(表1之製程5)，並在基板25上，成膜15nm之身為反強磁性材料的PtMn層42、接著成膜2.5nm之身為強磁性體之CoFe層43、再接著成膜0.9nm之非磁性體的Ru層44、並接著成膜3nm之身為強磁性體之CoFeB層45(表1之製程6)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11B來搬入至濺鍍成膜腔13C中(表1之製程7)，並以1.2nm來成膜身為氧化物之MgO層46(表1之製程8)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11B而搬入至濺鍍成膜腔13D中(表1之製程9)，並在基板25上，再度以膜厚3nm來形成身為強磁性體之CoFeB層47、並在其上成膜膜厚1.5nm之極薄的Ta層48，之後，形成膜厚10nm之Ru層49以及膜厚50nm之Ta層50(表1之製程10)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11B來搬入至濺鍍成膜腔13E中(表1之製程11)，並成膜50nm之Ta層50(表1之製程12)。接著，將 基板25藉由基板搬送機器人11A來搬入至裝載鎖定室15B中(表1之製程13)。
如同表1之製程時間表中所示一般，工時成為最長之製程腔，係為在濺鍍成膜腔13B中而為180秒。由於產率會被此所律速，因此，所導出之產率，係成為20枚/小時。另外，在本說明書中，所謂「工時(takt time)」，係指從基板被搬入至某一腔中起並被進行處理之後直到被從該腔所搬出為止所需的時間。又，在本說明書中，所謂產率，係指在單位時間內所能夠處理之基板的工件數量。
如上述一般，濺鍍成膜腔13B以及濺鍍成膜腔13D，由於係具有預備之濺鍍陰極31，因此，經由利用在各個的腔13B、13D之陰極31處分別安裝PtMn和Ru靶材並使2個的濺鍍陰極31同時進行放電之共濺鍍(co-sputter)法，由於成膜速率係提升至2倍，因此，係能夠將表1之製程6的PtMn和表1之製程10的Ru之成膜時間分別縮短至1/2。
此情況下之製程時間表，係成為如同上述表2之製程6以及製程10一般，雖然造成律速者仍為濺鍍成膜腔13B，但是濺鍍成膜腔13B之工時係從180秒而縮短至140秒，濺鍍成膜腔13D之工時係從145秒而縮短至110秒。故而，產率係提升為25.7枚/小時。
作為比較例，在表3中，針對使用專利文獻1所記載之濺鍍裝置來形成圖5中所記載之穿隧磁阻元件的情況時之時間表作展示。
如同上述表3中所示一般，濺鍍成膜腔C之工時，係為295秒，而產率，係為12.2。另外，在裝置構成圖1中，就算是將製程腔之位置作交換，只要是以能夠實現序列式之基板25之搬送的方式來配置濺鍍靶材，則表1以及表2中所示之產率係被維持。
(第2實施例)
在第1實施例中，就算是將MgO成膜用之濺鍍成膜腔替換為以化學性氣相成長法所進行之濺鍍成膜腔，亦能夠得到相同的效果。
(第3實施例)
圖6，係對於為了製作圖5中所示之穿隧磁阻元件所適用的本發明之其他實施形態的製造裝置作展示之圖。於作為基板搬送機構而具備有3個的基板搬送機器人11A、 11B、11C之搬送腔12處，係被連接有13A~13G之7個的濺鍍成膜腔、和用以藉由逆濺鍍蝕刻來將基板25表面之氧化物以及污染物除去的蝕刻腔14、以及2個的裝載鎖定室15A、15B。在濺鍍成膜腔13A~13G中，濺鍍成膜腔13C，係具備有5個濺鍍陰極，濺鍍成膜腔13E，係具備有2個濺鍍陰極。另一方面，濺鍍成膜腔13A、13B、13D、13F、13G，係具備有1個濺鍍陰極。具備有2個以上的陰極之第1濺鍍成膜腔(濺鍍成膜腔13C、13E)，係在形成上述磁化固定層和上述磁化自由層以及上述保護層之一部份的層(Ta層47)時而被使用。具備有1個濺鍍陰極之第2濺鍍成膜腔(濺鍍成膜腔13A、13B、13D、13F、13G)，係在形成上述基底層和上述反強磁性層和上述非磁性絕緣層以及上述保護層之一部份以外的層(Ta層50)時而被使用。製程腔(蝕刻腔14)，係在蝕刻時而作使用。另外，在第1濺鍍成膜腔中，係亦可設置用以進行共濺鍍(co-sputter)之2個以上的由相同材料所成之靶材。
在濺鍍成膜腔13A中，係安裝有Ta靶材，在濺鍍成膜腔13B中，係安裝有PtMn靶材，在濺鍍成膜腔13C中，係安裝有CoFe、Ru、和2個的CoFeB靶材31，剩餘之1個，係作為預備用而空出。2個的CoFeB靶材31，係用以進行共濺鍍。在濺鍍成膜腔13D中，係安裝有MgO靶材，在濺鍍成膜腔13E中，係安裝有CoFeB靶材和Ta靶材，在濺鍍成膜腔13F和13G中，係分別安裝有 各1個的Ru和Ta靶材。
於表4中，展示本實施例中之製程時間表。
依據上述表4之製程時間表，針對圖5中所記載之穿隧磁阻元件的成膜手續作說明。將未處理基板25，從裝載鎖定室15A來使用基板搬送機器人11A(表4之製程1)而搬入至蝕刻腔14中，並在蝕刻腔14而藉由逆濺鍍蝕刻來將基板25表面之氧化物以及污染物除去(表4之製程2)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11A來載置於搬送腔12內之載置台35A上(表4之製程3)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11B來搬入至濺鍍成膜腔13A中，並在基板25上作為基底層而成膜膜厚20nm之Ta層41(表4之製程4)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11B來載置於搬送腔12內之載置台35B上(表4之製程5)。接著，在基板25上，藉由濺鍍法來作為反強磁性材 料而成膜膜厚15nm之PtMn層42(表4之製程6)。接著，將前述基板藉由基板搬送機器人11C來搬入至濺鍍成膜腔13C中(表4之製程7)，並在基板25上，以3nm來成膜身為強磁性體之CoFeB層45、以1.2nm來成膜身為氧化物之MgO層46，並藉由共濺鍍法來成膜膜厚3nm之身為強磁性體的CoFeB層45(表4之製程8)。
接著，將基板25藉由基板搬送機器人11C來搬入至濺鍍成膜腔13D中(表4之製程9)，並以在基板25上，藉由濺鍍法來以1.2nm而成膜身為氧化物之MgO層46(表4之製程10)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11C來搬入至濺鍍成膜腔13E中(表4之製程11)，並再度以3nm來成膜身為強磁性體之CoFeB層47，再於其上成膜1.5nm之極薄的Ta層48(表4之製程12)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11B來搬入至濺鍍成膜腔13F中(表4之製程13)，並成膜10nm之Ru層49(表4之製程14)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11B來搬入至濺鍍成膜腔13G中(表4之製程15)，並成膜50nm之Ta層50(表4之製程16)。接著，將基板25藉由基板搬送機器人11A來搬入至裝載鎖定室15B中(表4之製程17)。
如此這般，當依據表5之製程時間表來形成圖5中所記載之穿隧磁阻元件的情況時，於各腔中之工時係被更進一步的均一化，工時最長之濺鍍成膜腔B的工時，係為100秒。在圖6所示之裝置構成中，由於係實現有序列式之基板搬送，因此，所導出之產率，係提升至36枚/小 時。另外，在裝置構成圖6中，就算是將製程腔之位置作交換，只要是以能夠實現序列式之基板25之搬送的方式來配置濺鍍靶材，則表4中所示之產率係被維持。
(第1比較例)
作為第1比較例，在表5中，針對使用專利文獻4所記載之濺鍍裝置來形成圖5中所記載之穿隧磁阻元件的情況時之時間表作展示。
根本上，在專利文獻4所記載之濺鍍成膜腔中，係僅在第1真空腔110中設置有1個的靶材材料(Ta)。故而，若是想要使用專利文獻4中所記載之濺鍍裝置來形成圖5中所記載之穿隧磁阻元件，則Ta以外之層係必須要藉由第2真空腔112來成膜。又，專利文獻4中所記載之濺鍍裝置，由於係並不具備有進行濺鍍以外之製程的製程腔，因此，係無法進行上述表5之製程12(氧化製程)。因此， 上述表5，係想定為藉由在專利文獻4所記載之濺鍍裝置中設置了製程腔的圖1中之製造裝置來形成了圖5中所記載之穿隧磁阻元件的情況。專利文獻4所記載之濺鍍裝置的工時(在專利文獻4的情況中，係為第2真空腔112之總和的時間)係為450秒，產率係為8.8(枚/小時)。可以得知，相較於本發明之其中一種實施形態的圖1之裝置構成，係顯著的變差。如此這般，在專利文獻4所記載之濺鍍裝置的情況時，於一連串之成膜製程中，由於係成為將基板對於相同之製程腔而作2次的搬送，因此，係無法實現所謂的序列式之基板搬送。
(第2比較例)
作為第2比較例，在表6中，針對使用專利文獻5所記載之濺鍍裝置來形成圖5中所記載之穿隧磁阻元件的情況時之時間表作展示。
於表6中，展示專利文獻5所記載之濺鍍裝置中的製程時間表。
根本上，專利文獻5中所揭示之濺鍍系統600，由於係並不具備有進行濺鍍以外之製程的製程腔，因此，係無法進行氧化製程。又，為了使用專利文獻5所揭示之濺鍍系統600來實現所謂的序列式之基板搬送，係需要將上述表6之從MgO起直到CoFeB、Ta、Ru為止之成膜，全部在多靶材離子束濺鍍模組608中來進行。如此一來，由於係成為除了濺鍍率為低而在成膜中會耗費時間的MgO之成膜以外，亦係將3個的金屬層在同一腔中進行成膜，因此，工時係成為445.0秒，而產率係成為8.1枚/小時。進而，將氧化物和金屬在同一腔中進行成膜一事，係會導致金屬層被氧所污染並使膜特性產生劣化之所謂的交叉污染的問題。故而，就算是使用專利文獻5中所揭示之濺鍍系統600，亦無法實現所謂之序列式的基板搬送並謀求產率之提升。
11‧‧‧基板搬送機構
11A‧‧‧基板搬送機器人
11B‧‧‧基板搬送機器人
12‧‧‧搬送腔
13A‧‧‧濺鍍成膜腔
13B‧‧‧濺鍍成膜腔
13C‧‧‧濺鍍成膜腔
13D‧‧‧濺鍍成膜腔
13E‧‧‧濺鍍成膜腔
14‧‧‧製程腔
15A‧‧‧裝載鎖定室
15B‧‧‧裝載鎖定室
16‧‧‧閘閥
25‧‧‧基板
31‧‧‧濺鍍陰極
35‧‧‧載置台

Claims (8)

  1. 一種使多層膜成長作為在基板上的磁阻元件之叢集型製造裝置，包含：搬送腔，係具備有基板搬送機構；第1濺鍍成膜腔，係只具備有1個的濺鍍陰極；第2濺鍍成膜腔，係只具備有1個的濺鍍陰極；第3濺鍍成膜腔，係只具備有1個的濺鍍陰極；第4濺鍍成膜腔，係具備有2個以上的濺鍍陰極；第5濺鍍成膜腔，係具備有2個以上的濺鍍陰極；製程腔，係用以進行濺鍍以外之製程，以及裝載鎖定室，係用以將前述基板在前述多層的膜形成於其上之前輸送至前述搬送腔中並將前述基板在前述多層的膜形成於其上之後從前述搬送腔取出，其中前述裝載鎖定室、前述製程腔、前述第1濺鍍成膜腔、前述第4濺鍍成膜腔、前述第2濺鍍成膜腔、前述第5濺鍍成膜腔、以及前述第3濺鍍成膜腔，係以此順序而被配置在前述搬送腔之周圍，從而接連且循序地與前述搬送腔進行基板之授受。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之製造裝置，其中，前述多層膜，係具備著：包含膜厚為10nm以上之金屬膜的第1膜和包含氧化物膜與氮化物膜以及半導體膜中之至少1層的第2膜、和包含膜厚為10nm以上之金屬膜的第3膜，且前述第1濺鍍成膜腔，係為成膜前述第1膜者，且前 述第3濺鍍成膜腔，係為成膜前述第3膜者。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之製造裝置，其中，前述第2濺鍍成膜腔成膜包含在前述多層膜中的氧化物膜、氮化物膜和半導體膜之至少1層。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載之製造裝置，其中，前述多層膜，係具備著：包含膜厚為在不同量級中大於前述多層膜中最薄膜之金屬膜的第1膜、包含氧化物膜與氮化物膜以及半導體膜中之至少1層的第2膜、以及包含膜厚為在不同量級中大於前述最薄膜之金屬膜的第3膜，且前述第1濺鍍成膜腔形成前述第1膜，以及前述第3濺鍍成膜腔形成前述第3膜。
  5. 一種使多層膜成長作為在基板上的磁阻元件之叢集型製造裝置，包含：搬送腔，係具備有基板搬送機構；第1濺鍍成膜腔，係只具備有1個的濺鍍陰極；第2濺鍍成膜腔，係只具備有1個的濺鍍陰極；第3濺鍍成膜腔，係只具備有1個的濺鍍陰極；第4濺鍍成膜腔，係具備有2個以上的濺鍍陰極；第5濺鍍成膜腔，係具備有2個以上的濺鍍陰極；製程腔，係用以進行濺鍍以外之製程，以及裝載鎖定室，係用以將前述基板在前述多層的膜形成於其上之前輸送至前述搬送腔中並將前述基板在前述多層的膜形成於其上之後從前述搬送腔取出，其中前述裝 載鎖定室、前述製程腔、前述第1濺鍍成膜腔、前述第2濺鍍成膜腔、前述第4濺鍍成膜腔、前述第3濺鍍成膜腔、以及前述第5濺鍍成膜腔，係以此順序而被配置在前述搬送腔之周圍，從而接連且循序地與前述搬送腔進行基板之授受。
  6. 如申請專利範圍第5項所記載之製造裝置，其中，前述多層膜，係具備著：包含膜厚為10nm以上之金屬膜的第1膜、和包含膜厚為10nm以上之金屬膜的第2膜、和包含氧化物膜與氮化物膜以及半導體膜中之至少1層的第3膜，且前述第1濺鍍成膜腔，係為成膜前述第1膜者，且前述第2濺鍍成膜腔，係為成膜前述第2膜者。
  7. 如申請專利範圍第5項所記載之製造裝置，其中，前述第3濺鍍成膜腔成膜包含在前述多層膜中的氧化物膜、氮化物膜和半導體膜之至少1層。
  8. 如申請專利範圍第5項所記載之製造裝置，其中，前述多層膜，係具備著：包含膜厚為在不同量級中大於前述多層膜中最薄膜之金屬膜的第1膜、包含膜厚為在不同量級中大於前述最薄膜之金屬膜的第2膜以及包含氧化物膜與氮化物膜以及半導體膜中之至少1層的第3膜，且前述第1濺鍍成膜腔形成前述第1膜，以及前述第2濺鍍成膜腔形成前述第2膜。
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