TWI644461B - 磁阻效應元件的製造方法 - Google Patents

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Abstract

有關本發明的一實施形態的磁阻效應元件的製造方法，具有：在形成參考層的基板上形成Mg膜，並藉由將Mg膜氧化而在參考層之上形成MgO層的工程；將形成MgO層的基板加熱的工程；在加熱工程之後，在MgO層之上形成Mg層的工程；將形成Mg層的基板冷卻的工程；以冷卻工程來將基板冷卻的狀態，在Mg層之上形成自由層的工程；其中，形成Mg層的工程、冷卻工程、形成自由層的工程，係在相同處理室內進行。

Description

磁阻效應元件的製造方法
本發明係有關於磁阻效應元件的製造方法，特別是有關於適合用於MRAM的垂直TMR元件的磁阻效應元件的製造方法。
作為因磁場而造成電阻變化的磁阻效應元件，已知有利用TMR穿隧式磁阻(Tunnel Magneto Resistance)效應進行資訊的記憶或者磁性的檢出的TMR元件(也稱為MTJ元件)。近年來，期待有在MRAM磁阻式隨機存取記憶體(Magnetic Random Access Memory)等的MTJ元件的應用。
專利文獻1中揭示MTJ元件及其製造方法。MTJ元件包含層積：自由層(磁化自由層)、穿隧阻障層、及參考層(磁化固定層)的構造，而自由層及參考層的磁化方向分別與其層積方向平行。
為了使利用MTJ元件的MRAM裝置的特性提升，提升MR比(磁阻比)極為重要。已知由專利文獻1所記載的CoFeB/MgO/CoFeB所構成的層積構造呈現出超 過100%的高MR比。
利用專利文獻1所記載的技術的MTJ元件為底部固定構造的MTJ元件。專利文獻1的MTJ元件具備：作為參考層(磁化固定層)的CoFeB層、作為自由層(磁化自由層)的CoFeB層、及夾於參考層與自由層之間的作為穿隧阻障層的MgO層。MgO層(穿隧阻障層)藉由進行Mg成膜後將該Mg膜作氧化處理來形成。此外，在MgO層的自由層(磁化自由層)側，為了防止氧從MgO層向自由層擴散，在MgO層上再形成Mg層。將在MgO層的自由層(磁化自由層)側形成的該Mg層稱為Mg蓋。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]JP 2007-142424 A
為了形成MgO層(穿隧阻障層)，在進行Mg成膜及其氧化處理之後，進行促使氧的向Mg膜擴散的熱處理。接著，在熱處理之後進行Mg蓋的成膜，進行接下來的自由層的成膜。因此，在進行自由層的成膜之前，需要進行將到熱處理為止所進行的基板送回至Mg成膜用的腔室而形成Mg蓋的返送搬送工程。該返送搬送工 程使得基板的搬送工程變得複雜，而使得產率降低。
本發明鑑於上述問題，目的為提供一種磁阻效應元件的製造方法，將製造磁阻效應元件時的搬送工程簡單化，並能夠提升產率。
有關本發明的磁阻效應元件的製造方法，具有：在形成參考層的基板上形成Mg膜，並藉由將前述Mg膜氧化而在前述參考層之上形成MgO層的工程；將形成前述MgO層的前述基板加熱的工程；在前述加熱工程之後，在前述MgO層之上形成Mg層的工程；將形成前述Mg層的前述基板冷卻的工程；以前述冷卻工程來將前述基板冷卻的狀態，在前述Mg層之上形成自由層的工程；其中，前述形成Mg層的工程、前述冷卻工程、前述形成自由層的工程，係在相同處理室內進行。
此外，有關本發明的磁阻效應元件的製造方法，具有：在形成參考層的基板上形成Mg膜，並藉由將前述Mg膜氧化而在前述參考層之上形成MgO層的工程；將形成前述MgO層的前述基板加熱的工程；在前述加熱工程之後，在前述MgO層之上形成Mg層的工程；將形成前述Mg層的前述基板冷卻的工程；以前述冷卻工程來將前述基板冷卻的狀態，在前述Mg層之上形成第1自由層的工程；在前述冷卻工程之後，在室溫下，在前述第1自由層之上形成第2自由層的工程；其中，前述形成 Mg層的工程、前述冷卻工程、前述形成第1自由層的工程，係在相同處理室內進行，前述形成第2自由層的工程係在與前述相同處理室相異的處理室內進行。
根據本發明的磁阻效應元件的製造方法，能夠提升製造磁阻效應元件時的產率。
10‧‧‧基板處理系統
A-F‧‧‧處理室
11‧‧‧搬送室
12、13‧‧‧搬送裝置
15、16‧‧‧預抽室
100‧‧‧MTJ元件(底部固定構造)
107‧‧‧參考層
108a‧‧‧MgO層
108b‧‧‧Mg蓋
109‧‧‧自由層
109a‧‧‧第1自由層
109b‧‧‧第2自由層
[圖1]有關本發明的一實施形態之進行磁阻效應元件的成膜處理的基板處理系統的概略構成圖。
[圖2]有關本發明的一實施形態之處理室的概略構成圖。
[圖3]進行有關本發明的一實施形態之成膜處理的例示的MTJ元件的構成的模式圖。
[圖4A]表示有關本發明的一實施形態之磁阻效應元件的製造方法之流程圖。
[圖4B]表示有關比較例之磁阻效應元件的製造方法之流程圖。
[圖5A]表示有關本發明的一實施形態之磁阻效應元件的製造方法之時序圖。
[圖5B]表示有關比較例之磁阻效應元件的製造方法之時序圖。
以下，雖參照圖式詳細說明本發明的實施形態，但本發明不限於本實施形態。此外，在以下說明的圖式中，有相同機能者附加同一符號，並有省略重覆的說明的情形。
圖1為有關本實施形態之進行磁阻效應元件的成膜處理的基板處理系統10的概略構成圖。基板處理系統10為枚葉型的真空處理裝置，具備：搬送室11、複數處理室A~F、預抽室15、16、搬送裝置12、13。在搬送室11中，複數處理室A~F、預抽室15、16通過閘閥來連接。進行成膜處理的基板，藉由設於搬送室11內的搬送裝置12、13，在預抽室15、16及各處理室A~F之間以預定的處理順序被搬送。在預抽室15、16的外側(不連接搬送室11之側)，設有用以對基板處理系統10進行基板的供給/排出的自動裝載器(未圖示)。
處理室A為進行濺鍍成膜的腔室，具備：成膜所用的靶極電極、成膜時載置基板的基板支架。處理室A能夠進行Mg蓋及自由層(磁化自由層)的成膜。靶極電極具備Mg靶極及CoFeB靶極、或是Mg靶極及CoFe靶極。有關處理室A係根據圖2再作說明。
處理室B為電漿蝕刻室，具備：放帶氣體(Ar氣體)的導入裝置、將放帶氣體電漿化的放帶電極、蝕刻時載置基板的基板支架。處理室B能夠以電漿蝕 刻進行基板的清理。
處理室C為熱處理室，具備：基板加熱用加熱裝置、裝置冷卻用冷卻裝置、加熱及冷卻時載置基板的基板支架。處理室C能夠進行MgO層的熱處理。
處理室D為進行濺鍍成膜的腔室，具備：成膜所用的靶極電極、成膜時載置基板的基板支架。處理室D能夠進行固定層(Pinned Layer)、參考層(Reference Layer)、中間層(Inter Layer)的成膜。靶極電極具備：作為固定層成膜用的CoFe靶極、作為中間層成膜用的Ru靶極、作為參考層成膜用的CoFeB靶極。
處理室E為進行濺鍍成膜及氧化處理的腔室，具備：成膜所用的靶極電極、成膜時載置基板的基板支架、氧化處理所用的氧導入裝置。靶極電極具備Mg靶極。處理室E能夠形成MgO層。
處理室F為進行濺鍍成膜的腔室，具備：成膜所用的靶極電極、成膜時載置基板的基板支架。靶極電極具備Ta、Ru、IrMn、CoFeB、NiFe靶極。處理室F能夠進行：作為緩衝層(Buffer layer)的Ta/Ru、作為反強磁性層(Pinning layer)的IrMn、作為自由層(Free Layer)的CoFeB/NiFe、作為蓋層(Cap Layer)的Ru/Ta的成膜。
圖2為有關本實施形態之處理室A的概略構成圖。處理室A在能夠真空排氣的容器30內，具備有：靶極電極(陰極電極)41、42、靶極44、45、基板支架 31、壓住基板W的環37。例如，靶極44為Mg靶極，靶極45為CoFeB、CoFe等的磁性材料靶極。基板支架31的上面(基板載置面)以載置基板W的狀態，成為在與基板W的內側之間形成有間隙35的形狀。
基板支架31的內部設置有將冷卻氣體導入間隙35的氣體導入線33。冷卻氣體可以使用Ar或He。容器30通過閘閥51連接至搬送室11。搬送裝置12通過閘閥51將基板W以能載置於基板支架31上的方式構成。
基板支架31面對間隙35的部分(冷卻面31a)藉由未圖示的冷卻裝置來冷卻。冷卻裝置可以採用液態氮等的冷媒循環、GM(Gifford-McMahon)冷卻器等的習知冷卻手段。基板支架31將冷卻氣體導入間隙35，藉由冷卻氣體的熱交換作用能將基板W冷卻。此外，基板支架31也能從間隙35將冷卻氣體排出。不將冷卻氣體導入間隙35的狀態下，因為即便將冷卻面31a冷卻，在冷卻面31a與基板W之間也不存在熱交換的冷卻氣體，因而不會進行基板W的冷卻。也就是說，不將冷卻氣體導入間隙35而進行的處理，會使基板W的溫度維持在室溫。在之後的說明中，將冷卻面31a冷卻並將冷卻氣體導入間隙35的狀態稱為冷卻模式，未將冷卻面31a冷卻但未將冷卻氣體導入間隙35的狀態稱為非冷卻模式。基板支架31可以選擇冷卻模式和非冷卻模式的任一種模式。
圖3為進行有關本實施形態之成膜處理的例示的MTJ(Magnetic Tunnel Junction)元件100的構成的 模式圖。MTJ元件100，例如用於MRAM、磁感測器等。
MTJ元件100為底部固定構造的MTJ元件。MTJ元件100具備：基板101上的下部電極102、由Ta/Ru層形成的緩衝層103。再來，MTJ元件100在緩衝層103之上，具備：由反強磁性材料IrMn形成的釘扎層(Pinning layer)104、由強磁性材料即CoFe形成的固定層(Pinned layer)105。
MTJ元件100在固定層105之上，具備：由Ru形成的中間層106、由強磁性材料CoFeB形成的參考層107。固定層105為中間隔著中間層106而與參考層107作磁性結合的合成反平行固定層。再來，MTJ元件100在參考層107之上，具備：穿隧阻障層108、由含有CoFeB、CoFe、NiFe的多層膜形成的自由層109、蓋層110、上部電極111。
穿隧阻障層108由MgO層108a與Mg蓋108b構成。Mg蓋108b形成於MgO層108a的自由層109側。MgO層108a藉由重覆Mg成膜與氧化處理而形成。Mg蓋108b具有防止氧從MgO層108a向自由層109擴散的效果。
自由層109由第1自由層109a與第2自由層109b構成。第1自由層109a與第2自由層109b雖具有相同成份或相同機能，但如同後述，形成第1自由層109a時的溫度與形成第2自由層109b時的溫度相異。
此外，作為MTJ元件100並不限於本實施形 態所揭示的構成，只要是在MgO層有Mg蓋的構成的話，在不損及MTJ元件的機能的範圍內，可以進行層的增減、各層的構成材料的變更、上下的層積順序的逆轉的任意變更等。
圖4A為表示有關本實施形態的MTJ元件100的製造方法的流程圖。MTJ元件100係使用圖1所示的枚葉型基板處理系統10來製造，Mg蓋108b在圖2所示的處理室A內形成。
首先，基板處理系統10將被搬入至預抽室15或16的基板W移動至處理室B。基板處理系統10在處理室B內進行蝕刻處理(蝕刻工程)。在蝕刻處理中，藉由蝕刻法來將附著於基板W表面的雜質等除去。
接著，基板處理系統10將基板W移動至處理室F。基板處理系統10在處理室F內，形成緩衝層103，接著，形成釘扎層104(固定層成膜工程)。
接著，基板處理系統10將基板W移動至處理室D。基板處理系統10在處理室D內，形成固定層105、中間層106，再來，形成作為參考層107的CoFeB層(參考層成膜工程)。
接著，基板處理系統10將基板W移動至處理室E。基板處理系統10在處理室E內，形成MgO層108a(MgO層成膜工程)。MgO層108a藉由重覆因濺鍍的Mg成膜與氧導入的Mg層的氧化處理來形成。Mg成膜與氧化處理的重覆數雖為任意，但本實施形態為2次。此 外，本實施形態在MgO層108a進行最初的Mg成膜前進行氧導入(前氧化處理)。藉由前氧化處理，能使MgO層108a的Mg氧化更平均。
進行MgO層成膜工程後，基板處理系統10將基板W移動至處理室C。基板處理系統10在處理室C內，將基板W作熱處理(熱處理工程)。熱處理係以改善MgO層108a的結晶性為目的而進行，使得基板的溫度從300℃被加熱至400℃。在之後進行的冷卻工程中，因為基板W被冷卻至-100℃以下，因急速的溫度變化而使基板W有破裂的可能性。為了防止這種情形，在結束熱處理後，在處理室C內進行將基板W冷卻至室溫的工程。到室溫的基板冷卻，將基板W置於水冷的基板支架，進行因冷卻氣體而進行的熱交換。
進行熱處理工程後，基板處理系統10將基板W移動至處理室A。基板處理系統10在處理室A內，在MgO層108a之上形成Mg蓋108b(Mg蓋成膜工程)。Mg蓋成膜工程將因氧化而形成的MgO層108a的表面所剩餘的氧吸引，具有防止Mg蓋之後成膜的自由層109的氧化的效果。Mg蓋成膜工程從其性質上來看需要在室溫以上的基板溫度成膜。
設於處理室A內的基板支架31的冷卻面31a，被冷卻至-100℃以下的極低溫。不過，若是不導入熱交換用的媒體(冷卻氣體)至間隙35的狀態的話，將基板W放置於基板支架31也不會冷卻，可以以基板溫度 在室溫的狀態成膜。在此所指的室溫，係指未冷卻的狀態(非冷卻模式)的溫度。Mg蓋108b的成膜在非冷卻模式下進行。
接著，基板處理系統10在相同處理室A內，將基板W冷卻至-100℃以下的極低溫(冷卻工程)。基板W的冷卻，藉由將媒體(冷卻氣體)導入至基板支架31的間隙35而進行(冷卻模式)。
接著，基板處理系統10在相同處理室A內，以將基板W冷卻的狀態(冷卻模式)，形成第1自由層109a(自由層冷卻成膜工程)。第1自由層109a為自由層109的一部分。
接著，基板處理系統10將基板W移動至處理室F。基板處理系統10在處理室F內，在室溫下形成第2自由層109b(自由層室溫成膜工程)。第2自由層109b為自由層109的一部分，以第1自由層109a與第2自由層109b構成自由層109。
當形成自由層109時，自由層109的Mg蓋108b側的部分可以被冷卻，以冷卻基板W的狀態形成第1自由層109a與第2自由層109b兩者也可以(自由層成膜工程)。將自由層冷卻成膜工程與自由層室溫成膜工程合稱為自由層成膜工程。
最後，基板處理系統10在相同處理室F內，形成蓋層110(蓋層成膜工程)。
圖4B為表示有關比較例之MTJ元件的製造 方法之流程圖。在比較例中，Mg蓋成膜工程並非在進行冷卻工程及自由層冷卻成膜工程的處理室A，而是在進行MgO製膜工程的處理室E進行。也就是說，基板處理系統在處理室C內進行熱處理工程後，再度將基板W移動至處理室E。接著，基板處理系統在處理室E內進行Mg蓋成膜工程後，將基板W移動至處理室A。因此，在處理室間的基板W搬送次數增加(返送搬送)，產率降低下。相對於此，本實施形態的製造方法(圖4A)中，因為在進行冷卻工程的處理室A進行Mg蓋成膜工程，與比較例相比，處理室間的基板W搬送次數減少了。
圖5A表示有關本實施形態之MTJ元件100的製造方法之時序圖。圖5A表示5枚基板(編號1~5)滯留(包含搬送時間)的處理室A~F中的處理工程的時序圖。各處理工程以四角形來表示，附加的符號對應至圖4A的處理工程(10)~(19)。
在本實施形態(圖5A)中，因為在進行冷卻工程(16)的處理室A進行Mg蓋成膜工程(15)，在進行Mg蓋成膜工程(15)期間，在處理室E中可以對其他編號的基板W作成膜處理。例如，在處理室A中編號1的基板的Mg蓋成膜工程(15)結束之前，在處理室E能夠開始編號2的基板的MgO成膜工程(13)。在本實施形態中，與比較例相比，可以將基板1枚的處理時間縮短20%左右。
圖5B為表示有關比較例之MTJ元件的製造 方法之時序圖。圖5B與圖5A一樣，表示5枚基板(編號1~5)滯留(包含搬送時間)的處理室A~F中的處理工程的時序圖。各處理工程以四角形來表示，附加的符號對應至圖4B的處理工程(10)~(19)。
在比較例中，因為MgO成膜工程(13)與Mg蓋成膜工程(15)在相同處理室E進行，如本實施形態(圖5A)所示，MgO成膜工程(13)與Mg蓋成膜工程(15)無法同時對2枚基板進行。例如，至少在對編號1的基板的Mg蓋成膜工程(15)結束為止，需要延遲對編號2的基板的MgO成膜工程(13)之開始。
因此，根據本實施形態的製造方法，能夠將製造磁阻效應元件時的搬送工程簡單化，也能夠提升磁阻效應元件的產率。

Claims (2)

  1. 一種磁阻效應元件的製造方法，具有：在形成參考層的基板上形成Mg膜，並藉由將前述Mg膜氧化而在前述參考層之上形成MgO層的工程；將形成前述MgO層的前述基板加熱的工程；在前述加熱工程之後，在前述MgO層之上形成Mg層的工程；將形成前述Mg層的前述基板冷卻的工程；以前述冷卻工程來將前述基板冷卻的狀態，在前述Mg層之上形成第1自由層的工程；在前述冷卻工程之後，在室溫下，在前述第1自由層之上形成第2自由層的工程；其中，前述形成Mg層的工程、前述冷卻工程、前述形成第1自由層的工程，係在相同處理室內進行，前述形成第2自由層的工程係在與前述相同處理室相異的處理室內進行。
  2. 如請求項1的磁阻效應元件的製造方法，其中，前述相同處理室具備：用以形成前述Mg層的Mg靶極、用以形成前述自由層的磁性材料靶極、載置前述基板的基板支架；前述基板支架的基板載置面，以載置前述基板的狀態，在與前述基板之間具有形成間隙的形狀，前述基板支架係以能夠選擇：將冷卻氣體導入前述間隙而將前述基板冷卻的冷卻模式、以及不將冷卻氣體導入前述間隙而不將前述基板冷卻的非冷卻模式的方式構成；形成前述Mg層的工程在前述非冷卻模式進行；前述冷卻工程在前述冷卻模式進行。
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