WO2006077837A1 - スパッタ装置および成膜方法 - Google Patents

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Yukio Kikuchi
Tadashi Morita
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Ulvac, Inc.
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    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance

Definitions

  • the present invention relates to a giant magnetoresistive (GMR) spin valve constituting a magnetic head, a tunneling magnetoresistive (TMR) element constituting an MRAM (Magnetic Random Access Memory), etc.
  • GMR giant magnetoresistive
  • TMR tunneling magnetoresistive
  • the present invention relates to a sputtering apparatus and a film forming method suitable for forming a film constituting a semiconductor device.
  • a sputtering apparatus is widely used as a film forming apparatus.
  • a general sputtering apparatus includes a table on which a substrate to be processed is placed and a sputtering cathode (target) on which a film forming material is arranged in a processing chamber.
  • the substrate is rotated at an appropriate speed, and the angle ⁇ of the center axis of the target with respect to the normal of the substrate is 15.
  • ⁇ ⁇ ⁇ 45 ° it is said that uniform film thickness and film quality can be achieved even if the target diameter is less than or equal to that of the substrate.
  • Patent Document 1 JP 2000-265263 A
  • Tunnel junction elements 10 as shown in FIG. 5A are employed in semiconductor devices such as MRAM, which are being developed recently.
  • the tunnel junction element 10 is formed by laminating a magnetic layer (fixed layer) 14, a tunnel barrier layer 15, a magnetic layer (free layer) 16, and the like.
  • the tunnel barrier layer 15 is formed of AIO obtained by oxidizing Al (aluminum metal) (representing all oxides of aluminum, including what is referred to as alumina, and the same shall apply hereinafter). Then, using the fact that the resistance value of the tunnel junction element 10 differs depending on whether the magnetization directions of the fixed layer 14 and the free layer 16 are parallel or antiparallel, “1” or “0” is read out. .
  • AIO oxidizing Al (aluminum metal)
  • tunnel barrier layer 15 when there is a film thickness distribution in each layer (for example, free layer 16) of tunnel junction element 10, tunnel barrier layer 15 is formed in an uneven shape. Since the tunnel resistance value of the tunnel barrier layer 15 depends exponentially on the film thickness, even if the metal aluminum film thickness distribution is 1%, the tunnel resistance value distribution has a large distribution of 10% or more. It will be. And since MRAM elements (tunnel junction elements) are manufactured on a large substrate of 8 inches or more, if the resistance value of the MRAM element varies greatly depending on the position on the substrate, mass production becomes a big problem.
  • the magnetization of the free layer 16 varies depending on the position on the substrate, resulting in variations in the applied magnetic field when the processed MRAM element is reversed. Appear. Both of these are issues related to the performance of the MRAM device that is manufactured. Therefore, it is required to reduce the variation in film thickness distribution in each layer of the tunnel junction element 10.
  • the particles sputtered from the target while being scattered by the conventional sputtering apparatus are scattered by collision with sputtering gas molecules such as argon and reach the substrate. for that reason
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a sputtering apparatus and a film forming method capable of reducing variations in film thickness distribution.
  • a sputtering apparatus of the present invention is a sputtering apparatus for performing a film forming process on a substrate surface of a substrate while rotating a disk-shaped substrate around a rotation axis.
  • a sputtering force sword having a force sword surface provided at a position spaced apart from the rotation axis in the second region of the substrate and facing the substrate in the sputtering process chamber, and an outer peripheral edge of the substrate from the rotation axis R is the distance from the rotation axis to the center point of the force sword surface, and F is the distance from the substrate surface to the center point of the force sword surface.
  • the film forming process can be performed for many types of materials so that the variation in the film thickness distribution is within 1%.
  • “Approximate” includes the case where the ratio of R: ⁇ F: TS deviates by about 5% from the above formula, and the value of OF is about 175 ⁇ 10.
  • a shield plate surrounding the substrate is disposed in an axially symmetric shape with the rotation axis as a central axis, and the sputtering chamber is surrounded by the shield plate and the substrate surface. I hope it is formed in the space.
  • the presence of the shield plate makes it possible to give axial influence to the influence on the film thickness distribution, and to reduce variations in the film thickness distribution.
  • the shield plate includes a first shield plate extending in a cylindrical shape from the second region toward the first region, and an end portion of the first shield plate on the first region side. And a funnel-shaped second shield plate extending to the outer peripheral edge of the substrate, and the inclination angle of the second shield plate with respect to the substrate surface is set to 0 ° or more and 20 ° or less. It is desirable that
  • the film forming method of the present invention is a film forming method using the sputtering apparatus, wherein the substrate is held on the table, and the vacuum processing step of evacuating the sputtering processing chamber; While the substrate is rotated by a table, a sputtering gas is introduced into the sputtering chamber to generate plasma, thereby forming a film on the substrate surface. It is characterized by having.
  • the film forming process can be performed for many types of materials so that the variation in the film thickness distribution is within 1%.
  • the film thickness distribution can be averaged in the circumferential direction of the substrate within the range of realistic film formation conditions.
  • the applied force S can reduce variations in film thickness distribution.
  • a multilayer film including a magnetic layer can be formed.
  • a multilayer film including a magnetic layer is strongly required to reduce variation in film thickness distribution. Therefore, by using the film forming method of the present invention, it is possible to form a magnetic multilayer film having good characteristics.
  • FIG. 1A is a perspective view of a sputtering apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 1B is a side sectional view of the sputtering apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged view of part B in FIG. 1B.
  • FIG. 3A is a graph showing the relationship between the target tilt angle ⁇ and the film thickness distribution.
  • FIG. 3B is a graph showing the relationship between the target tilt angle ⁇ and the film thickness distribution.
  • FIG. 3C is a graph showing the relationship between the target tilt angle ⁇ and the film thickness distribution.
  • FIG. 4A is a schematic configuration diagram of a tunnel junction element.
  • FIG. 4B is a schematic configuration diagram of an MRAM including a tunnel junction element.
  • FIG. 5A is an explanatory diagram of nail coupling.
  • FIG. 5B is an explanatory diagram of nail coupling.
  • tunnel junction element including a TMR film, which is an example of a multilayer film including a magnetic layer, and an MRAM including the tunnel junction element will be described.
  • FIG. 4A is a side sectional view of the tunnel junction element.
  • the tunnel junction element 10 includes an antiferromagnetic layer (not shown) made of PtMn, IrMn, etc., a magnetic layer (fixed layer) 14 made of NiFe, CoFe, etc., a tunnel barrier layer 15 made of AIO, etc., and NiFe, CoFe, etc.
  • the magnetic layer (free layer) 16 is mainly configured.
  • the tunnel barrier layer 15 made of AlO is formed by oxidizing metal aluminum. Actually, functional layers other than those described above are laminated to form a multilayer structure of about 15 layers.
  • FIG. 4B is a schematic configuration diagram of an MRAM including a tunnel junction element.
  • the MRAM 100 is configured by arranging the above-described tunnel junction element 10 and MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) 110 in a matrix on the substrate 5.
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
  • the upper end portion of the tunnel junction element 10 is connected to the bit line 102, and the lower end portion thereof is connected to the source electrode or drain electrode of the MOSFET 110.
  • the gate electrode of the MOSFET 110 is connected to the read word line 104.
  • a rewrite word line 106 is arranged below the tunnel junction element 10.
  • FIG. 10 In the tunnel junction element 10 shown in FIG.
  • the magnetization direction of the fixed layer 14 is kept constant, and the magnetization direction of the free layer 16 can be reversed.
  • the resistance value of the tunnel junction element 10 varies depending on whether the magnetization directions of the fixed layer 14 and the free layer 16 are parallel or antiparallel, so that when a voltage is applied in the thickness direction of the tunnel junction element 10, The current flowing through the barrier layer 15 is different (TMR effect). Therefore, by turning on the MOSFET 110 by the read lead wire 104 shown in FIG. 4B and measuring the current value, “1” or “0” can be read out.
  • the tunnel barrier layer 15 when there is a film thickness distribution in each layer of the tunnel junction element 10 (for example, the free layer 16), the tunnel barrier layer 15 is formed in a concavo-convex shape.
  • the tunnel resistance value of the tunnel barrier layer 15 depends exponentially on the film thickness, so even if the metal aluminum film thickness distribution is 1%, the tunnel resistance value distribution is a large distribution of 10% or more. Will have.
  • the MRAM element tunnel junction element
  • the MRAM element tunnel junction element
  • the resistance value of the MRAM element varies greatly depending on the position on the substrate, it will be a big problem in mass production. .
  • the free layer 16 has a film thickness distribution
  • the magnetization of the free layer 16 differs depending on the position on the substrate. And appear. All of these are problems related to the performance of the fabricated MRAM device. Therefore, it is required to reduce the variation in film thickness distribution in each layer of the tunnel junction element 10.
  • FIG. 1A is a perspective view of the sputtering apparatus according to the present embodiment
  • FIG. 1B is a side sectional view taken along line A_A of FIG. 1A
  • the sputtering apparatus 60 includes a table 62 for holding the substrate 5 by placing the disk-shaped substrate 5 and a target (sputtering force sword) 64 arranged at predetermined positions. Has been.
  • This sputtering device 60 is For example, a magnetron sputtering apparatus equipped with a means for applying a magnetic field to the target surface (not shown) is desirable.
  • the sputtering apparatus 60 includes a chamber 61 formed in a box shape from a metal material such as A1. Inside the chamber 61, a sputtering treatment chamber 70 (details will be described later) is formed.
  • a table 62 on which the substrate 5 is placed is provided in the central portion near the bottom surface, which is the lower region (first region) of the chamber 61.
  • the table 62 is configured to be able to rotate at an arbitrary number of rotations around the rotation axis 62a.
  • the placed substrate 5 can be rotated in a plane parallel to the surface (substrate surface) of the substrate 5 around the rotation axis 62a.
  • the substrate surface can also be rotated in a state where the center of the substrate 5 and the rotation axis 62a coincide with each other.
  • a target 64 is disposed in the peripheral region near the ceiling surface, which is the upper region (second region) of the chamber 61.
  • the surface (force sword surface) of the target 64 is opposed to the substrate 5 in the sputtering processing chamber 70 (details will be described later).
  • a film material to be formed on the substrate 5 is arranged.
  • the number of targets 64 may be one or more. When a plurality of targets 64 are used, it is desirable that they are spaced apart from the rotation axis 62a of the table 62 and equally arranged around the rotation axis 62a. Thereby, the dispersion
  • the two targets 64 are arranged to face each other with the rotation axis 62a of the table 62 interposed therebetween.
  • the target 64 described above is arranged at a predetermined position with respect to the substrate 5 placed on the table 62.
  • R be the distance from the rotation axis 62a of the table 62 to the outer peripheral edge of the substrate 5 placed on the table 62.
  • the radius of the substrate 5 is R.
  • the distance from the rotation axis 62a of the table 62 to the center point T of the surface of the target 64 is defined as OF, the surface force of the substrate 5 placed on the table 62, and the center point of the surface of the target 64.
  • the target 64 is arranged so as to satisfy the relationship.
  • a tolerance is set for TS.
  • “roughly satisfying the relationship of the formula (1)” means that even if the ratio of R: ⁇ F: TS deviates from the formula (1) by about 5%, it is included in the technical scope of the present invention. To do. If this deviation is shown as a tolerance of ⁇ F, it will be about ⁇ 10mm.
  • FIGS. 3A to 3C are graphs showing the relationship between the target tilt angle ⁇ and the film thickness distribution when various metal materials are formed by sputtering.
  • the vertical axis in each figure indicates the ratio (%) of the standard deviation ⁇ of the film thickness distribution to the film thickness.
  • the atomic weight of Ru (ruthenium) is about 101
  • the atomic weight of Co, Ni, and Fe is about 56 to 59
  • the atomic weight of Ir, Ta, and Pt is about 181 to 195
  • the uniformity of the film forming process on the substrate can be improved.
  • a shield plate made of stainless steel or the like so as to surround the above-described table 62 and target 64 (side shield plate (first shield plate) 71 and lower shield plate (second shield plate) 72) Is provided.
  • the side shield plate 71 is formed in a cylindrical shape and extends from the ceiling surface of the chamber 61 toward the table 62.
  • the central axis is arranged so as to coincide with the rotation axis 62 a of the table 62.
  • the diameter of the side shield plate 71 is set to 440 mm.
  • a lower shield plate 72 is provided from the lower end portion (end portion on the first region side) of the side shield plate 71 to the outer peripheral edge portion of the table 62.
  • the lower shield plate 72 is formed in a funnel shape, and is arranged so that the central axis thereof coincides with the rotation axis 62 a of the tape nozzle 62.
  • Sputter processing chamber 70 is formed in a space surrounded by the substrate surface of substrate 5 placed on table 62, lower shield plate 72 and side shield plate 71, and the ceiling surface of chamber 61. ing. That is, the substrate 5 is held by the table 62 with the substrate surface facing the inside of the sputtering chamber 70.
  • the sputter processing chamber 70 has an axisymmetric shape, and the axis of symmetry coincides with the rotational axis 62 a of the table 62. This makes it possible to perform a homogeneous sputtering process on each part of the substrate 5 and reduce variations in film thickness distribution.
  • the sputtering chamber 70 described above is provided with a sputtering gas supply means (not shown) for supplying a sputtering gas.
  • the chamber 61 is provided with an exhaust port 69 force S and connected to an exhaust pump (not shown).
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion B in FIG. 1B.
  • the angle ⁇ formed by the surface of the substrate 5 and the inclined surface of the lower shield plate 72 is preferably set to 20 ° or less and 0 ° or more.
  • an exhaust slit 74 is formed between the outer peripheral portion of the lower shield plate 72 and the lower end portion of the side shield plate 71. The exhaust slit 74 is formed over the entire circumference of the sputtering treatment chamber 70.
  • the exhaust flow path inside the sputter processing chamber 70 is axisymmetric, and variations in the film thickness distribution in the substrate 5 can be reduced.
  • the inner peripheral edge of the lower shield plate 72 is disposed on the inner side of the outer peripheral edge portion of the substrate 5 placed on the table 62. As a result, it is possible to prevent the gas isoelectric substrate 5 in the sputter processing chamber 70 from getting around the side surface, and contamination can be suppressed.
  • the substrate 5 is placed on the table 62, and the sputtering chamber 70 is evacuated (evacuation process).
  • a sputtering gas such as argon is introduced into the sputtering chamber 70 to generate plasma (film formation process).
  • the target 64 which is the ion power sword of the sputtering gas, and the atoms of the film forming material jump out of the target 64 and adhere to the substrate 5.
  • the deposition rate can be increased by applying a magnetic field to the target surface to generate high-density plasma near the target.
  • This film forming process is performed while the substrate 5 is rotated by the table 62.
  • the rotation speed of the substrate 5 is preferably set to 30 rpm or more, for example, about 120 rpm. This is because if the number of rotations is small, the film thickness distribution is not averaged in the circumferential direction of the substrate, and thus the film thickness distribution varies in the circumferential direction of the substrate 5. In particular, when a thin film is formed at a slow film formation rate, the influence of variations in film thickness distribution becomes significant.
  • the variation in film thickness distribution is 1% or more. There is a risk of becoming.
  • the number of rotations of the substrate 5 is 30 rpm or more,
  • the variation in thickness distribution can be kept within 1%.
  • variations in film thickness distribution can be reduced by the sputtering apparatus and film forming method according to the present embodiment.
  • a film thickness distribution with a variation of 1% or less can be realized for many types of target materials.
  • a film thickness distribution of 20% can be realized.
  • not only Cu, Ta, A1, etc., which are often used in semiconductor devices, but also magnetic materials such as CoFe, NiTe, PtMn, IrMn, etc., or nonmagnetic metals such as Ru are equally good. Thickness distribution can be obtained.
  • the magnetic multilayer film using the sputtering apparatus and the film forming method according to the present embodiment, it is possible to reduce the variation in the film thickness distribution in each layer.
  • the tunnel barrier layer can be formed flat, so that variation in resistance value of the tunnel junction element due to the position on the substrate can be reduced.
  • the free layer can be formed flatly, the magnetization of the free layer in the tunnel junction element is made uniform, and variations in the applied magnetic field to reverse the magnetization direction of the free layer are reduced. It is extremely important for the production of MRAM devices with uniform performance on caliber wafers.
  • the table is arranged near the bottom surface of the chamber and the target is arranged near the ceiling surface.
  • the target is arranged near the bottom surface of the chamber by flipping up and down and the table is arranged near the ceiling surface. Moyore.
  • the substrate may be arranged by offsetting the center of the substrate with respect to the axis.
  • a plurality of substrates can be arranged on the table and film formation can be performed simultaneously.
  • the present invention is suitable for forming a film constituting a semiconductor device such as a GMR spin valve constituting a magnetic head and a TMR element constituting an MRAM.

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Abstract

　円盤状の基板を回転軸線回りに回転させながら、この基板の基板表面に成膜処理を行うスパッタ装置であって、チャンバと、前記基板を前記回転軸線を中心として回転させるテーブルと、前記基板と対向するカソード表面を有するスパッタリングカソードと、を備え、前記回転軸線から前記基板の外周縁部までの距離をＲとし、前記回転軸線から前記カソード表面の中心点までの距離をＯＦとし、前記基板表面から前記カソード表面の中心点までの高さをＴＳとすると、おおよそ 　　Ｒ：ＯＦ：ＴＳ　＝　１００：１７５：１９０±２０ 　の関係を満たすとともに、前記回転軸線と、前記カソード表面の中心点を通る法線とが交差し、その交差角度が２２°±２°の関係を満たすことを特徴とするスパッタ装置。

Description

明 細 書
スパッタ装置および成膜方法
技術分野
[0001] 本発明は、磁気ヘッドを構成する巨大磁気抵抗（Giant Magnetic Resistive； GMR) スピンバルブや、 MRAM (Magnetic Random Access Memory)を構成するトンネル接 合磁気抵抗（Tunneling Magnetic Resistive ;TMR)素子など、半導体デバイスを構成 する被膜の形成に好適な、スパッタ装置および成膜方法に関するものである。
本願は、 2005年 01月 19日に出願された日本国特許出願第 2005— 011364号 に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。
背景技術
[0002] 成膜処理装置として、スパッタ装置が広く利用されている。一般的なスパッタ装置は 、被処理基板を載置するテーブルと、成膜材料を配置したスパッタカソード（ターゲッ ト）とを、処理チャンバ内に配設して構成されている。特許文献 1では、基板を適度の 早さで回転させると共に、基板の法線に対するターゲットの中心軸線の角度 Θを 15 。 ≤ Θ≤45° の関係に保つことにより、ターゲットの径を基板と同等以下にしても、 均一膜厚、膜質を達成できるとされている。
特許文献 1 :特開 2000— 265263号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 近時、開発が進められている MRAMなどの半導体デバイスには、図 5Aに示すよう なトンネル接合素子 10が採用されている。このトンネル接合素子 10は、磁性層（固定 層） 14、トンネルバリア層 15、および磁性層（フリー層） 16等を積層して構成されてい る。そのトンネルバリア層 15は、 Al (金属アルミニウム）を酸化して得られる AIO (アル ミニゥムの酸化物全般を表し、アルミナと称されるものを含む。以下同じ。）等によって 形成されている。そして、これら固定層 14およびフリー層 16の磁化方向が平行か反 平行かにより、トンネル接合素子 10の抵抗値が異なることを利用して、「1」または「0」 を読み出すようになつている。 [0004] 図 5Bに示すように、トンネル接合素子 10の各層内（例えば、フリー層 16)に膜厚分 布があると、トンネルバリア層 15が凹凸状に積層形成される。トンネルバリア層 15のト ンネル抵抗値はその膜厚に指数関数的に依存するので、仮に金属アルミニウムの膜 厚分布が 1 %であつても、トンネル抵抗値分布は 10 %以上の大きな分布を持つこと になる。そして、 MRAM素子（トンネル接合素子）は 8インチ基板以上の大きな基板 で作製されるために、基板上の位置により MRAM素子の抵抗値が大きくばらつけば 、量産上は大きな問題となる。また、同様にフリー層 16に膜厚分布があると、基板上 の位置によってフリー層 16の磁化が異なることになるので、加工された MRAM素子 の磁化反転の際に、印加磁場のばらつきとなって現れてくる。これらはいずれも、作 製される MRAM素子の性能にかかわる問題である。したがって、トンネル接合素子 1 0の各層における膜厚分布のばらつきを低減することが要求されている。
[0005] し力、しながら、従来のスパッタ装置にぉレ、ては、ターゲットから飛び出した粒子が、 アルゴン等のスパッタガス分子との衝突により散乱されて基板に到達する。そのため
、ターゲットと基板との相対位置や、基板からチャンバ壁までの距離等によっては、た とえ基板を回転させながら成膜処理を行っても、良好な膜厚分布を得ることが困難で ある。
特に、基板サイズが 8インチ以上に大きくなると、良好な膜厚分布を得ることが極め て困難になる。特許文献 1に係る発明でも、その技術的範囲の全てにおいて 1%以 下の膜厚分布を得ることは困難である。
[0006] 本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、膜厚分布のばらつき を低減することが可能な、スパッタ装置および成膜方法の提供を目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 上記目的を達成するため、本発明のスパッタ装置は、円盤状の基板を回転軸線回 りに回転させながら、この基板の基板表面に成膜処理を行うスパッタ装置であって、 内部にスパッタ処理室が形成されたチャンバと、前記チャンバの第 1領域に設けられ
、前記基板表面を前記スパッタ処理室内に向けて前記基板を保持するとともに、この 基板を、前記回転軸線を中心として前記基板表面と平行な面内で回転させるテープ ルと、前記スパッタ処理室を挟んで前記第 1領域と反対側に位置する前記チャンバ の第 2領域における、前記回転軸線から離間した位置に設けられ、前記基板と前記 スパッタ処理室内で対向する力ソード表面を有するスパッタリング力ソードと、を備え、 前記回転軸線から前記基板の外周縁部までの距離を Rとし、前記回転軸線から前記 力ソード表面の中心点までの距離を〇Fとし、前記基板表面から前記力ソード表面の 中心点までの高さを TSとすると、おおよそ
R:〇F :TS = 100 : 175 : 190± 20
の関係を満たすとともに、前記回転軸線と、前記力ソード表面の中心点を通る法線と が交差し、その交差角度が 22° ± 2° の関係を満たすことを特徴とする。
この構成によれば、多くの種類の材料について、膜厚分布のばらつきが 1%以内と なるように成膜処理を行うことができる。
なお、「おおよそ」とは、 R:〇F :TSの比率が上式から 5%程度ずれた場合を含み、 OFの値で 175 ± 10程度となる。
[0008] また、前記基板を取り囲むシールド板が、前記回転軸線を中心軸として、軸対称形 状に配設され、前記スパッタ処理室は、前記シールド板と前記基板表面とで囲まれた 内側の空間に形成されてレ、ることが望ましレ、。
この構成によれば、シールド板が存在することによって、膜厚分布に及ぼす影響に 軸対象性を附与することが可能になり、膜厚分布のばらつきを低減することができる。
[0009] また、前記シールド板は、前記第 2領域から前記第 1領域に向けて円筒状をなして 延在する第 1シールド板と、この第 1シールド板の前記第 1領域側の端部から、前記 基板の外周縁部にかけて延在する漏斗状の第 2シールド板と、を備え、 前記基板 表面に対する前記第 2シールド板の傾斜角度が、 0° 以上であって 20° 以下に設定 されていることが望ましい。
この構成によれば、第 2シールド板に起因する基板の外周縁部の膜厚分布のばら つきを低減することができる。
[0010] 一方、本発明の成膜方法は、前記スパッタ装置を用いた成膜方法であって、前記 テーブルに前記基板を保持させて、前記スパッタ処理室内を真空引きする真空引き 工程と、前記テーブルにより前記基板を回転させながら、前記スパッタ処理室内にス パッタガスを導入してプラズマを発生させて、前記基板表面に成膜処理を行う成膜ェ 程と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、多くの種類の材料について、膜厚分布のばらつきが 1%以内と なるように成膜処理を行うことができる。
[0011] また、前記基板を、 30rpm以上の回転数で回転させることが望ましい。
この構成によれば、比較的遅い成膜速度で薄い被膜を形成する場合でも、現実的 な成膜条件の範囲では、膜厚分布を基板の周方向に平均化することができる。した 力 Sつて、膜厚分布のばらつきを低減することができる。
[0012] また、前記成膜処理では、磁性層を含む多層膜を形成することができる。
磁性層を含む多層膜では、膜厚分布のばらつきの低減が強く要求されている。した がって、本発明の成膜方法を使用することにより、良好な特性を有する磁性多層膜を 形成すること力 Sできる。
発明の効果
[0013] 本発明においては、上記の如き構成を採用しているので、多くの種類の材料につ いて、膜厚分布のばらつきが 1%以内となるように成膜処理を行うことができる。 図面の簡単な説明
[0014] [図 1A]本実施形態に係るスパッタ装置の斜視図である。
[図 1B]本実施形態に係るスパッタ装置の側面断面図である。
[図 2]図 1Bの B部の拡大図である。
[図 3A]ターゲットのチルト角度 Θと膜厚分布との関係を表すグラフである。
[図 3B]ターゲットのチルト角度 Θと膜厚分布との関係を表すグラフである。
[図 3C]ターゲットのチルト角度 Θと膜厚分布との関係を表すグラフである。
[図 4A]トンネル接合素子の概略構成図である。
[図 4B]トンネル接合素子を備えた MRAMの概略構成図である。
[図 5A]ネール結合の説明図である。
[図 5B]ネール結合の説明図である。
符号の説明
[0015] 5 基板
60 スパッタ装置 61 チャンバ
62 テーブル
62a 回転軸線
64 ターゲット（スパッタリング力ソード）
64a 法線
70 スパッタ処理室
71 側部シールド板（シールド板、第 1シールド板）
72 下部シールド板（シールド板、第 2シールド板）
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に 用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変 更している。
[0017] (磁性多層膜）
最初に、磁性層を含む多層膜の一例である TMR膜を備えたトンネル接合素子と、 そのトンネル接合素子を備えた MRAMについて説明する。
図 4Aは、トンネル接合素子の側面断面図である。トンネル接合素子 10は、 PtMn や IrMn等からなる反強磁性層（不図示）、 NiFeや CoFe等からなる磁性層（固定層） 14、 AIO等からなるトンネルバリア層 15、および NiFeや CoFe等からなる磁性層（フ リー層) 16を主として構成されている。 Al〇からなるトンネルバリア層 15は、金属アル ミニゥムを酸化することによって形成されている。なお実際には、上記以外の機能層 も積層されて、 15層程度の多層構造になっている。
[0018] 図 4Bは、トンネル接合素子を備えた MRAMの概略構成図である。 MRAM100は 、上述したトンネル接合素子 10および MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field -Effect Transistor) 110を、基板 5上にマトリクス状に整列配置して構成されている。ト ンネル接合素子 10の上端部はビット線 102に接続され、その下端部は MOSFET1 10のソース電極またはドレイン電極に接続されている。また、 MOSFET110のゲー ト電極は、読み出し用ワード線 104に接続されている。一方、トンネル接合素子 10の 下方には、書き換え用ワード線 106が配置されている。 [0019] 図 4Aに示すトンネル接合素子 10では、固定層 14の磁化方向は一定に保持され、 フリー層 16の磁化方向は反転しうるようになっている。これら固定層 14およびフリー 層 16の磁化方向が平行か反平行かによつて、トンネル接合素子 10の抵抗値が異な るので、トンネル接合素子 10の厚さ方向に電圧を印加した場合に、トンネルバリア層 15を流れる電流の大きさが異なる (TMR効果)。そこで、図 4Bに示す読み出し用ヮ ード線 104により MOSFET110を ONにして、その電流値を測定することにより、「1」 または「0」を読み出すことができるようになつている。
また、書き換え用ワード線 106に電流を供給して、その周囲に磁場を発生させれば 、フリー層の磁化方向を反転させることができる。これにより、「1」または「0」を書き換 えることができるようになつている。
[0020] ところで、図 5Bに示すように、トンネル接合素子 10の各層内（例えば、フリー層 16) に膜厚分布があると、トンネルバリア層 15が凹凸状に積層形成される。トンネルバリア 層 15のトンネル抵抗値はその膜厚に指数関数的に依存するので、仮に金属アルミ 二ゥムの膜厚分布が 1 %であつても、トンネル抵抗値分布は 10%以上の大きな分布 を持つことになる。そして、 MRAM素子（トンネル接合素子）は 8インチ基板以上の大 きな基板で作製されるために、基板上の位置により MRAM素子の抵抗値が大きくば らつけば、量産上は大きな問題となる。また、同様にフリー層 16に膜厚分布があると 、基板上の位置によってフリー層 16の磁化が異なることになるので、加工された MR AM素子の磁化反転の際に、印加磁場のばらつきとなって現れてくる。これらはいず れも、作製される MRAM素子の性能にかかわる問題である。したがって、トンネル接 合素子 10の各層における膜厚分布のばらつきを低減することが要求されている。
[0021] (スパッタ装置）
そこで、本実施形態に係るスパッタ装置につき、図 1Aないし図 3Cを用いて説明す る。
図 1Aは本実施形態に係るスパッタ装置の斜視図であり、図 1Bは図 1Aの A_A線 における側面断面図である。そして、本実施形態に係るスパッタ装置 60は、円盤状 の基板 5を載置することで基板 5を保持するテーブル 62と、ターゲット（スパッタリング 力ソード） 64とを、所定位置に配設して構成されている。このスパッタ装置 60は、例え ばターゲット表面に対する磁界の印加手段（不図示）を備えたマグネトロンスパッタ装 置とすることが望ましい。
[0022] 図 1Bに示すように、スパッタ装置 60は、 A1等の金属材料により箱型に形成された チャンバ 61を備えている。このチャンバ 61の内部には、スパッタ処理室 70 (詳細に ついては後述する）が形成されている。チャンバ 61の下部領域（第 1領域）である、底 面付近の中央部には、基板 5を載置するテーブル 62が設けられている。テーブル 62 は、回転軸線 62aを中心として、任意の回転数で回転しうるように構成されている。こ れにより、載置された基板 5を、回転軸線 62aを中心として、基板 5の表面（基板表面 )と平行な面内で回転させることができるようになつている。なお、この基板 5の中心と 回転軸線 62aとを一致させた状態で、基板表面を回転させることもできる。
[0023] チャンバ 61の上部領域 (第 2領域）である、天井面付近の周縁部には、ターゲット 6 4が配置されている。このターゲット 64の表面（力ソード表面）は、基板 5と、スパッタ処 理室 70 (詳細については後述する）内で対向するようになっている。この力ソード表 面には、基板 5に形成すべき被膜の材料が配置されている。ターゲット 64の個数は 1 個でもよく複数個でもよい。複数個のターゲット 64を用いる場合には、テーブル 62の 回転軸線 62aから離間させて、この回転軸線 62aの回りに等配することが望ましい。 これにより、基板 5における膜厚分布のばらつきを低減することができる。本実施形態 では、 2個のターゲット 64がテーブル 62の回転軸線 62aを挟んで対向配置されてい る。
[0024] 上述したターゲット 64は、テーブル 62に載置される基板 5に対して所定位置に配 設されている。いま、テーブル 62の回転軸線 62aから、テーブル 62に載置される基 板 5の外周縁部までの距離を Rとする。なお、回転軸線 62aと基板 5の中心とを一致さ せて、基板 5をテーブル 62に載置する場合には、基板 5の半径が Rとなる。そして、テ 一ブル 62の回転軸線 62aからターゲット 64の表面の中心点 Tまでの距離を OF、お よびテーブル 62に載置される基板 5の表面力、らターゲット 64の表面の中心点丁まで の高さを TSとしたときに、おおよそ、
R:〇F :TS = 100 : 175 : 190± 20 · · (1)
の関係を満たすように、ターゲット 64が配置されている。一例を挙げれば、基板 5の 直径が 200mmの場合には、 R= 100mmであるから、 OF= 175mmおよび TS = 1 90mmに設定されている。また、基板 5の直径が 300mmの場合には、 R= 150mm であるから、 OF = 262. 5mmおよび TS = 285mmに設定されている。なお、一般的 なスパッタ装置では、〇Fよりも TSを調整することの方が容易であるから、 TSに公差 を設定している。また、「おおよそ式（1)の関係を満たす」とは、 R :〇F : TSの比率が 式（ 1 )から 5%程度ずれた場合でも、本発明の技術的範囲に含まれることを意味する 。このずれを、〇Fの公差として示すと、 ± 10mm程度となる。
[0025] これに加えて、基板 5を載置するテーブル 62の回転軸線 62aと、ターゲット 64の表 面 (力ソード表面）の中心点 Tを通る法線 64aとが、相互に交差するように同一平面上 に配置されている。そして、その交差角度 Θが、
Θ = 22° ± 2° · · (2)
となるように、ターゲット 64が配置されている。 Θが上記範囲の場合、ターゲット 64の 中心点 Tを通る法線 64aと基板 5の表面との交点は、基板 5の外周力 5mm以内の 範囲に位置することになる。一例を挙げれば、 Θ = 22° で、基板 5の直径が 200m mの場合には、基板 5の外周縁部から 2mmの位置が交点となる。
[0026] 図 3A〜図 3Cは、様々な金属材料をスパッタ成膜する場合におけるターゲットのチ ルト角度 Θと膜厚分布との関係を表すグラフである。なお、各図の縦軸は、膜厚分布 の標準偏差 σの膜厚に対する割合（％)を示している。また、 Ru (ルテニウム）の原子 量は約 101であり、 Co, Ni, Feの原子量は約 56〜59であり、 Ir, Taおよび Ptの原 子量は約 181〜： 195であって、原子量が同等の元素ごとにグラフを作成している。そ して、図 3Aは TS = 210mmの場合であり、図 3Bは TS = 190mmの場合であり、図 3 Cは TS = 170mmの場合である。
[0027] 図 3Bに示すように、 TS = 190mmとする場合には、 Θ = 22° ± 2° の範囲で各元 素の膜厚分布が極小となることがわかる。 Ruを成膜する場合には、 Θ = 22° におい て膜厚分布がほぼ 0%になり、極めて均一な成膜処理がなされることがわかる。また、 Ruより原子量の小さい Coや Ni, Fe等を成膜する場合には、 Θ = 24° において膜 厚分布が約 0. 1 %になり、 Ruより原子量の大きい Irや Ta， Pt等を成膜する場合には 、 Θ = 20° において膜厚分布が約 0. 5%になる。したがって、いずれの場合にも、 膜厚分布のばらつきを 1 %以内に低減することができる。
[0028] また、図 3Aに示すように、 TS = 210mmとする場合にも、 Θ = 22° ± 2° の範囲 で各元素の膜厚分布が極小となることがわかる。そして、いずれの元素の場合にも、 極小値において膜厚分布のばらつきを 1 %以内に低減することができる。
さらに、図 3Cに示すように、 TS = 170mmとする場合にも、 Θ = 22° ± 2° の範囲 で各元素の膜厚分布が極小となることがわかる。そして、いずれの元素の場合にも、 極小値において膜厚分布のばらつきを 1 %以内に低減することができる。
したがって、上述した式（1)および式（2)を満たすようにターゲットを配置することに より、基板に対する成膜処理の均質性を向上させることができる。
[0029] 図 1Bに戻り、上述したテーブル 62およびターゲット 64を取り囲むように、ステンレス 等からなるシールド板 (側部シールド板（第 1シールド板） 71および下部シールド板（ 第 2シールド板） 72)が設けられている。側部シールド板 71は円筒状に形成され、チ ヤンバ 61の天井面からテーブル 62に向けて延在している。そして、その中心軸がテ 一ブル 62の回転軸線 62aと一致するように配設されている。一例を挙げれば、側部 シールド板 71の直径は 440mmに設定されている。また、側部シールド板 71の下端 部（第 1領域側の端部）からテーブル 62の外周縁部にかけて、下部シールド板 72が 設けられている。この下部シールド板 72は漏斗状に形成され、その中心軸がテープ ノレ 62の回転軸線 62aと一致するように配設されている。
[0030] そして、テーブル 62に載置された基板 5の基板表面、下部シールド板 72および側 部シールド板 71、並びにチャンバ 61の天井面によって囲まれた空間に、スパッタ処 理室 70が形成されている。すなわち、基板 5は、基板表面をスパッタ処理室 70内に 向けた状態で、テーブル 62に保持されるようになっている。このスパッタ処理室 70は 軸対称形状とされ、その対称軸はテーブル 62の回転軸線 62aと一致している。これ により、基板 5の各部に対して均質なスパッタ処理を行うことが可能になり、膜厚分布 のばらつきを低減することができる。なお、上述したスパッタ処理室 70には、スパッタ ガスを供給するスパッタガス供給手段（不図示）が設けられている。また、チャンバ 61 には排気口 69力 S設けられ、図示しない排気ポンプに接続されている。
[0031] 図 2は、図 1Bの B部の拡大図である。図 2に示すように、テーブル 62に載置される 基板 5の表面と、下部シールド板 72の斜面とのなす角度 φは、 20° 以下であって 0 ° 以上に設定することが望ましい。これにより、基板 5の外周縁部における膜厚分布 の均一性が、下部シールド板 72の影響によって低下するのを防止することができる。 また、下部シールド板 72の外周部と側部シールド板 71の下端部との間には、排気ス リット 74が形成されている。この排気スリット 74は、スパッタ処理室 70の全周にわたつ て形成されている。これにより、スパッタ処理室 70の内部における排気流路が軸対称 となって、基板 5における膜厚分布のばらつきを低減することができる。なお、下部シ 一ルド板 72の内周縁は、テーブル 62に載置される基板 5の外周縁部より内側に配 置されている。これにより、スパッタ処理室 70内のガス等力 基板 5の側面に回りこむ のを防止することが可能になり、コンタミネーシヨンを抑制することができる。
[0032] (成膜方法）
次に、本実施形態に係るスパッタ装置を用いて、基板の表面に成膜処理を行う方 法につき、図 1A及び図 1Bを用いて説明する。
まず、テーブル 62に基板 5を載置し、スパッタ処理室 70を真空引きする（真空引き 工程）。次に、スパッタ処理室 70にアルゴン等のスパッタガスを導入し、プラズマを発 生させる（成膜工程)。するとスパッタガスのイオン力 力ソードであるターゲット 64に 衝突し、ターゲット 64から成膜材料の原子が飛び出して、基板 5に付着する。その際 、ターゲット表面に磁界を印加して、ターゲット付近に高密度プラズマを生成させるこ とで、成膜速度を高速化させることができる。
[0033] この成膜処理は、テーブル 62により基板 5を回転させながら行う。基板 5の回転数 は、 30rpm以上とすることが望ましぐ例えば 120rpm程度に設定すればよい。回転 数が小さいと、膜厚分布が基板の周方向に平均化されないので、基板 5の周方向に 膜厚分布のばらつきが発生するからである。特に、遅い成膜速度で薄い被膜を形成 する場合には、膜厚分布のばらつきの影響が顕著になる。例えば、 1秒につき 1オン ダストローム程度の成膜速度で、膜厚力 S100オングストローム以下の被膜を形成する 場合に、基板 5の回転数を 60rpm未満にすると、膜厚分布のばらつきが 1 %以上に なるおそれがある。
現実的な成膜条件の範囲では、基板 5の回転数を 30rpm以上とすることにより、膜 厚分布のばらつきを 1 %以内に抑えることができるのである。
なお、 120i"pm以上では、その効果に差はみられな力 た力 装置の構成から確認 できた最大回転数は、 300rpmであった。そのため、 30rpm以上 300rpm以下が、 好適な回転数といえる。
[0034] 以上に詳述したように、本実施形態に係るスパッタ装置および成膜方法により、膜 厚分布のばらつきを低減することができる。すなわち、多くの種類のターゲット材料に つき、ばらつきが 1 %以下の膜厚分布を実現することができる。一例を挙げれば、 A1 にっき 0. 260/0、丁 aこ さ 0. 42%, PtMnこ さ 0. 71%, CoFeこ さ 0. 47%, NiFeにっき 0. 39%、 Ruにっき 0. 20%の膜厚分布を実現することができる。これに より、半導体デバイスに多用される Cuや Ta, A1等は勿論のこと、磁性材料である Co Feや NiTe， PtMn, IrMn等、或いは非磁性金属である Ru等についても、同様に良 好な膜厚分布を得ることができる。
そして、本実施形態に係るスパッタ装置および成膜方法を使用して、磁性多層膜を 形成することにより、各層内の膜厚分布のばらつきを低減することができる。特に、ト ンネル接合素子を形成する場合には、トンネルバリア層を平坦に形成することができ るので、基板上の位置によるトンネル接合素子の抵抗値のばらつきを低減することが できる。また、フリー層を平坦に形成することができるので、トンネル接合素子におけ るフリー層の磁化が均一化され、フリー層の磁化方向を反転させるために印加する磁 場のばらつきの低減など、大口径ウェハー上で均一な性能を有する MRAM素子の 生産にとってきわめて重要である。
[0035] なお、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなぐ本発 明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたもの を含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過 ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、チャンバの底面付近にテーブルを配置し天井面 付近にターゲットを配置したが、上下反転してチャンバの底面付近にターゲットを配 置し天井面付近にテーブルを配置してもよレ、。また、上述した実施形態では、テープ ルの回転軸線に対して基板の中心を一致させて基板を配置した力 S、テーブルの回転 軸線に対して基板の中心をオフセットさせて基板を配置してもよい。また、テーブル 上に複数の基板を配置して同時に成膜処理を行うことも可能である。
産業上の利用可能性
本発明は、磁気ヘッドを構成する GMRスピンバルブや、 MRAMを構成する TMR 素子など、半導体デバイスを構成する被膜の形成に好適なものである。

Claims

請求の範囲
[1] 円盤状の基板を回転軸線回りに回転させながら、この基板の基板表面に成膜処理 を行うスパッタ装置であって、
内部にスパッタ処理室が形成されたチャンバと、
前記チャンバの第 1領域に設けられ、前記基板表面を前記スパッタ処理室内に向 けて前記基板を保持するとともに、この基板を、前記回転軸線を中心として前記基板 表面と平行な面内で回転させるテーブルと、
前記スパッタ処理室を挟んで前記第 1領域と反対側に位置する前記チャンバの第 2 領域における、前記回転軸線から離間した位置に設けられ、前記基板と前記スパッ タ処理室内で対向する力ソード表面を有するスパッタリング力ソードと、
を備え、
前記回転軸線から前記基板の外周縁部までの距離を Rとし、前記回転軸線から前 記力ソード表面の中心点までの距離を OFとし、前記基板表面から前記力ソード表面 の中心点までの高さを TSとすると、おおよそ
R: OF :TS = 100 : 175 : 190± 20
の関係を満たすとともに、
前記回転軸線と、前記力ソード表面の中心点を通る法線とが交差し、その交差角度 力 ¾2° ± 2° の関係を満たすことを特徴とするスパッタ装置。
[2] 前記基板を取り囲むシールド板が、前記回転軸線を中心軸として、軸対称形状に 配設され、
前記スパッタ処理室は、前記シールド板と前記基板表面とで囲まれた内側の空間 に形成されてレ、ることを特徴とする請求項 1に記載のスパッタ装置。
[3] 前記シールド板は、
前記第 2領域から前記第 1領域に向けて円筒状をなして延在する第 1シールド板と この第 1シールド板の前記第 1領域側の端部から、前記基板の外周縁部にかけて 延在する漏斗状の第 2シールド板と、
を備え、 前記基板表面に対する前記第 2シールド板の傾斜角度が、 20° 以下に設定され ていることを特徴とする請求項 2に記載のスパッタ装置。
[4] 請求項 1〜3の何れかに記載のスパッタ装置を用いた成膜方法であって、
前記テーブルに前記基板を保持させて、前記スパッタ処理室内を真空引きする真 空引き工程と、
前記テーブルにより前記基板を回転させながら、前記スパッタ処理室内にスパッタ ガスを導入してプラズマを発生させて、前記基板表面に成膜処理を行う成膜工程と、 を有することを特徴とする成膜方法。
[5] 前記基板を、 30rpm以上の回転数で回転させることを特徴とする請求項 4に記載 の成膜方法。
[6] 前記成膜工程では、磁性層を含む多層膜を形成することを特徴とする請求項 5に 記載の成膜方法。
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