專利名稱：磁性多層膜的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種磁性多層膜的制造方法，該方法適于形成被膜，該被膜用于構成巨磁電阻(Giant Magnetic Resistive，GMR)自旋閥或隧道磁電阻(Tunneling Magnetic Resistive，TMR)元件等半導體設備，該巨磁電阻自旋閥用于構成磁頭，該隧道磁電阻元件用于構成磁隨機存取存儲器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)。
本申請主張2005年1月5日申請的日本專利申請第2005-000403號的優先權，在此引用其內容。
背景技術：
近來，正在進行開發的MRAM具有由TMR膜組成的隧道接合元件。
圖8A是隧道接合元件的側剖面圖。隧道接合元件10是由第1磁性層(固定層)14、非磁性層(隧道勢壘層)15、第2磁性層(自由層)16等層壓而成。該隧道勢壘層15由電絕緣性材料構成。并且，固定層14面內中的磁化方向保持一固定方向，自由層16面內中的磁化方向隨外部磁場的方向能夠發生反轉。隧道接合元件10的電阻值根據這些固定層14和自由層16的磁化方向是平行還是反平行而不同，在對隧道接合元件10的厚度方向上施加電壓時，流過隧道勢壘層15的電流大小不同(TMR效應)。所以，通過檢測該電流值，可以讀出“1”或“0”。
專利文獻1日本國特開2003-86866號公報在該隧道接合元件中，如圖8b所示，如果在固定層14以下的各個層內存在膜厚分布，則層壓在其表面的隧道勢壘層15呈凹凸狀地形成。
從而，在夾著隧道勢壘層15的固定層14和自由層16之間，產生磁性的奈耳(Neel)耦合。其結果，在自由層16中的磁化方向的保持力變大，反轉其磁化方向時需要很大的磁場，同時所需要的磁場大小不均勻。因此，要求平坦地形成隧道勢壘層15。
在專利文獻1中，記載了自旋閥型巨磁電阻薄膜的制造方法，其中，自旋閥型巨磁電阻薄膜為磁性多層膜之中的一種膜。自旋閥型巨磁電阻薄膜由堆積在襯底上的緩沖層、非磁性傳導層以及夾著該非磁性傳導層的磁化固定層和磁化自由層等構成。而且，專利文獻1中的發明的特征在于，對在非磁性傳導層和緩沖層之間形成的多個界面中的至少一處進行等離子體處理。
然而，在這種等離子體處理中，采用電極結構為平行平板的電容耦合型裝置而進行。此時，對襯底施加偏壓，所以氬等處理氣體的離子被引入襯底。其結果，磁性多層膜的表面受到被蝕刻等損傷，阻礙磁性多層膜的功能。
發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種磁性多層膜的制造方法，在不阻礙磁性多層膜的功能的情況下，能夠平坦地形成非磁性層。
為了實現上述目的，本發明的磁性多層膜的制造方法，包括在襯底上形成第1磁性層的第1磁性層形成工序；在所述第1磁性層上形成非磁性層的非磁性層形成工序；在所述非磁性層上形成第2磁性層的第2磁性層形成工序；其特征在于，該方法還包括等離子體處理工序，在所述非磁性層形成工序之前，將所述襯底放到等離子體處理裝置中，使所述襯底與所述等離子體處理裝置處于電絕緣狀態，用感應耦合等離子體進行處理。
并且，本發明的另一磁性多層膜的制造方法，包括在襯底上形成第1磁性層的第1磁性層形成工序；在所述第1磁性層上形成非磁性層的非磁性層形成工序；在所述非磁性層上形成第2磁性層的第2磁性層形成工序；其特征在于，該方法還包括等離子體處理工序，在所述非磁性層形成工序之前，將所述襯底放到等離子體處理裝置中，使所述襯底接地，用感應耦合等離子體進行處理。
通過上述過程，不會將等離子體中產生的離子引入襯底。因此，可以在磁性多層膜的表面不受到被蝕刻等損傷的情況下，將非磁性層形成前的磁性多層膜的表面平坦化。因此，在不阻礙磁性多層膜的功能的情況下，能夠平坦地層壓形成非磁性層。
另外，在所述等離子體處理工序中，對所述等離子體處理裝置的輸入功率優選為5W～400W。
根據這種構成，可以防止磁性多層膜的表面被蝕刻。
因此，不會阻礙磁性多層膜的功能。
并且，所述等離子體處理工序中的等離子體處理時間優選為180秒以內。
根據這種構成，可以防止磁性多層膜的表面被蝕刻。
因此，不會阻礙磁性多層膜的功能。
還有，所述等離子體處理工序中的等離子體處理，優選對與所述非磁性層接觸的所述第1磁性層的表面進行。
根據這種構成，由于非磁性層與第1磁性層相接層壓形成，所以通過將第1磁性層的表面平坦化，可以最有效地將非磁性層平坦化。
再有，在所述第1磁性層形成工序之前，該方法還可以進一步包括，對所述襯底形成第1基底層的第1基底層形成工序；在所述第1基底層上形成第2基底層的第2基底層形成工序；在所述第2基底層上形成反鐵磁性層的反鐵磁性層形成工序；其中，所述等離子體處理工序中的等離子體處理，是在所述第2基底層形成工序之前，對所述第1基底層的表面進行。
根據這種構成，也能夠在不阻礙磁性多層膜的功能的情況下，平坦地形成非磁性層。
所述磁性多層膜優選為隧道磁電阻膜，所述非磁性層優選為隧道勢壘層。
根據這種構成，即使在從一個襯底的取出個數少的情況下，也可以將等離子體處理所伴隨的制造效率的下降程度停留在最小限度，同時能夠平坦地形成非磁性層。
本發明中，采用了如上所述的構成，所以不會將等離子體產生的離子引入襯底。因此，在磁性多層膜的表面不受到被蝕刻等損傷的情況下，能夠將非磁性層形成前的磁性多層膜的表面平坦化。從而，在不阻礙磁性多層膜的功能的情況下，能夠平坦地層壓形成非磁性層。
圖1是隧道接合元件的側剖面圖；圖2是本實施方式中磁性多層膜的制造裝置的結構示意圖；圖3是等離子體處理裝置的結構示意圖；圖4A是本實施方式中磁性多層膜的制造方法的說明圖；圖4B是本實施方式中磁性多層膜的制造方法的說明圖；圖4C是本實施方式中磁性多層膜的制造方法的說明圖；圖5是表示對RE天線的輸入功率和蝕刻狀態之間關系的曲線圖；圖6是表示等離子體處理時間和固定層的表面粗糙度之間關系的曲線圖；圖7是示出磁性多層膜的VSM分析結果的曲線圖；圖8A是奈耳耦合的說明圖；圖8B是奈耳耦合的說明圖。
符號的說明5 襯底12a 第1基底層12b 第2基底層13 反鐵磁性層14 固定層(第1磁性層)15 隧道勢壘層(非磁性層)
16 自由層(第2磁性層)60 等離子體處理裝置具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施方式進行說明。另外，在下面用于說明的各個附圖中，為了使各個構件的大小達到可以認出的程度，對各個構件的縮放比例做了適當的更改。
(磁性多層膜)首先，對具有TMR膜的隧道接合元件和具有該隧道接合元件的MRAM進行說明，所述TMR膜為包含磁性層的多層膜的一個實例。
圖1是隧道接合元件的側剖面圖。該隧道接合元件10在襯底5的表面形成有基底層12。該基底層12包括，由Ta等組成的第1基底層12a和由NiFe等組成的第2基底層12b。在該基底層12的表面形成有由PtMn、IrMn等組成的反鐵磁性層13。所述第2基底層12b具有調整該反鐵磁性層13的結晶性的功能。在該反鐵磁性層13的表面形成有固定層(第1磁性層)14。所述反鐵磁性層13具有固定該固定層14的磁化方向的功能。固定層14形成為層壓鐵型(積層フエリ型)的固定層，包括由CoFe等組成的第1固定層14a、由Ru等組成的中間固定層14b以及由CoFe等組成的第2固定層14c。從而，固定層14中的磁化方向被牢固地耦合。
在該固定層14的表面形成有由AlO(表示所有鋁氧化物，包含被稱為氧化鋁(alumina)的物質)等電絕緣性材料組成的隧道勢壘層(非磁性層)15。該隧道勢壘層15通過將厚度大約為10埃()的金屬鋁層氧化而形成。在該隧道勢壘層15的表面形成有由NiFe等組成的自由層(第2磁性層)16。該自由層16的磁化方向能夠隨著隧道接合元件10周圍的磁場而反轉。在該自由層16的表面形成有由Ta等組成的保護層17。另外，實際的隧道接合元件還包含除上述層之外的功能層，為大約15層的多層結構。
在該隧道接合元件10中，根據固定層14和自由層16的磁化方向是平行還是反平行，隧道接合元件10的電阻值不同，在對隧道接合元件10的厚度方向上施加電壓時，流過隧道勢壘層15的電流大小不同(TMR效應)。所以，通過測量該電流值，可以讀出“1”或“0”。而且，如果在隧道接合元件10的周圍產生磁場，反轉自由層的磁化方向，則可以重寫“1”或“0”。
在上述隧道接合元件10中，如果在固定層14以下的各個層中存在膜厚分布，則層壓在其表面的隧道勢壘層15呈凹凸狀地形成(參見圖8B)。從而，在夾著隧道勢壘層15的固定層14和自由層16之間，產生磁性的奈耳耦合。其結果，自由層16中的磁化方向的保持力變大，反轉其磁化方向時需要很大的磁場，同時所需要的磁場的大小不均勻。因此，要求平坦地形成隧道勢壘層15。
(磁性多層膜的制造裝置)下面結合圖2和圖3對本實施方式中的磁性多層膜的制造裝置進行說明。
圖2是本實施方式中磁性多層膜的制造裝置的結構示意圖。本實施方式中的磁性多層膜的制造裝置主要包括進行反鐵磁性層的成膜工序(1)的第1濺射裝置73、進行固定層的成膜工序(2)的第2濺射裝置74、作為隧道勢壘層的形成前處理而進行等離子體處理的等離子體處理裝置60、進行金屬鋁的成膜工序(3)的第3濺射裝置75、進行金屬鋁的氧化工序的熱處理裝置75a以及進行自由層的成膜工序(4)的第4濺射裝置76。這些各個裝置以襯底傳送室54為中心以放射狀配置。從而，不會將提供給本實施方式中的磁性多層膜的制造裝置的襯底暴露于大氣中，并能夠在襯底上形成磁性多層膜。
圖3是等離子體處理裝置的結構示意圖。本實施方式中，采用感應耦合方式(Inductive Coupling Plasma；ICP)的等離子體處理裝置60。由于和電容耦合方式相比，感應耦合方式可以隔開等離子體和襯底之間的距離，從而可以減少針對襯底的損傷，而且，由于在具有磁鐵的電容耦合方式下，很難控制磁場，難以實現等離子體的均勻性。
本實施方式中的等離子體處理裝置60配備有由石英等構成壁面的室(chamber)61。在室61底面的內側設置有用于放置襯底5的臺子62。該臺子62由電絕緣材料構成，能夠以電浮狀態保持所放置的襯底。另外，還可以通過臺子62將襯底接地。而在室61側面的外側，設置有在室61的內部產生等離子體的RF天線68，該RF天線68連接有RF電源69。另外，雖然沒有圖示出來，在室61的內部設置有處理氣體導入單元，用于導入氬氣等處理氣體，而且還設置有排氣單元，用于將處理后的氣體排出。
(磁性多層膜的制造方法)下面，結合圖4A～圖7對本實施方式中的磁性多層膜的制造方法進行說明。
圖4A～圖4C是本實施方式中磁性多層膜的制造方法的說明圖。本實施方式中的磁性多層膜的制造方法為，在形成隧道勢壘層15之前，使襯底處于電絕緣狀態，在感應耦合方式的等離子體處理裝置中處理固定層14的表面。
首先，使用如圖2所示的磁性多層膜的制造裝置，按照圖1所示的結構，在襯底5的表面依次形成基底層12(第1基底層12a和第2基底層12b)、反鐵磁性層13以及固定層14(第1基底層形成工序、第2基底層形成工序、反鐵磁性層形成工序、第1磁性層形成工序)。
在此，如果在基底層12、反鐵磁性層13或固定層14的層內存在膜厚分布，則如圖4A所示，最上層的固定層14的表面形成凹凸。如果在其表面層壓形成隧道勢壘層，則如圖8B所示，隧道勢壘層呈凹凸狀地形成。
那么，如圖4B所示，對固定層的表面進行等離子體處理使其平坦(等離子體處理工序)。所述等離子體處理使用如圖3所示的等離子體處理裝置60來進行。具體而言，首先將形成到固定層為止的襯底5放置在室61中的臺子62上。此時，要么將襯底5保持在電浮狀態使其處于電絕緣狀態，要么將襯底5接地，在任何情況下，都不對襯底5施加偏壓。然后，向抽為真空的室6 1內導入氬氣等處理氣體。接著，由RF電源69向RF天線68輸入高頻功率，使得在室61內產生等離子體。氬等離子體的壓力優選為0.05～1.0Pa，例如可以為0.9Pa。被該等離子體所激活的處理氣體緩慢地作用于襯底5的表面，從而固定層的表面被平坦化。
圖5是表示對RF天線的輸入功率和蝕刻狀態之間關系的曲線圖。另外，圖5中的蝕刻速度的曲線，不是關于構成固定層的CoFe的蝕刻速度所記載的曲線，而是關于容易測量蝕刻量的SiO2的蝕刻速度所記載的曲線。其原因在于，考慮到CoFe的蝕刻速度和SiO2的蝕刻速度表示相同傾向的特點。在對RF天線的輸入功率為400W以下時，SiO2的蝕刻速度變得非常小，在300W以下時，SiO2的蝕刻速度幾乎變為0。因此，認為在這些情況下，在固定層不會受到蝕刻的情況下，只有其表面被平坦化。
另外，在圖5中，同時記入了等離子體處理后的CoFe的磁化曲線。在固定層受到蝕刻而層厚減少時，與此成比例地，固定層的磁化也減少。在對RF天線的輸入功率為400W以下時，CoFe的磁化基本相同，而超過400W時，CoFe的磁化急劇減少。根據該結果可以證明，輸入功率在400W以下時，在固定層不會受到蝕刻的情況下，只有其表面被平坦化。
根據以上內容，在本實施方式中，將對RF天線的輸入功率設為400W以下(更優選為300W以下)，進行上述等離子體處理。從而，因為固定層不會受到蝕刻，所以可以在不阻礙其功能的情況下使表面平坦化。另外，可以根據等離子體和襯底的距離，調整對RF天線的輸入功率，從而可以調整平坦化的程度。并且，為了維持等離子體，至少需要輸入5W的功率。
圖6是表示等離子體處理時間和固定層的表面粗糙度之間關系的曲線圖。該曲線是，在對RF天線的輸入功率為200W和300W的情況下，在規定時間的等離子體處理后測量中心線平均粗糙度Ra的曲線。
本實施方式中，將等離子體處理時間設為10～30秒。根據圖6，在等離子體處理前固定層的表面粗糙度約為0.25nm，在300W下進行等離子體處理30秒后，表面粗糙度減少到大約0.2nm。這樣，通過本實施方式的磁性多層膜的制造方法，可以使固定層的表面平坦化。另外，因為處理時間長則固定層會受到蝕刻，所以處理時間最好是在180秒以內。
然后，如圖4C所示，在固定層14的表面形成隧道勢壘層15(非磁性層形成工序)。具體而言，在固定層14的表面形成金屬鋁層并對其進行氧化，形成由AlO構成的隧道勢壘層15。因為通過上述過程固定層14的表面變得平坦，所以能夠平坦地形成隧道勢壘層15。之后，在隧道勢壘層15的表面形成如圖1所示的自由層16(第2磁性層形成工序)，進而依次形成保護層17。通過以上方式，形成圖1所示的磁性多層膜10。
圖7是示出磁性多層膜的VSM(振動型磁強計)分析結果的曲線圖。圖7中，用實線表示通過本實施方式進行固定層平坦化后形成的磁性多層膜，用虛線表示在沒有進行固定層平坦化的情況下形成的磁性多層膜。
在沒有進行固定層平坦化的情況下，由于隧道勢壘層呈凹凸狀地形成，所以在固定層和自由層之間的奈耳耦合變強。其結果，反轉自由層的磁化方向時需要很大的磁場，圖7中虛線的循環切換量大約為4.0Oe(奧斯特)。而在進行了固定層的平坦化的情況下，由于隧道勢壘層平坦形成，所以在固定層和自由層之間的奈耳耦合變弱。其結果，反轉自由層的磁化方向時，以較小的磁場就足夠了，圖7中的實線的循環切換量減半，大約為2.0Oe。
如上所述，本實施方式中的磁性多層膜的制造方法中，采用的結構為在形成非磁性層隧道勢壘層之前，將襯底與等離子體處理裝置60電絕緣的狀態下、或將襯底接地的狀態下，利用感應耦合等離子體處理固定層的表面。通過上述結構，因為沒有將偏壓施加于襯底，所以不會將等離子體中產生的處理氣體的離子引入襯底。因此，在固定層的表面不受到被蝕刻等損傷的情況下，可以使固定層的表面平坦化。從而，在不阻礙磁性多層膜的功能的情況下，可以平坦地層壓形成隧道勢壘層。這樣，因為在固定層和自由層之間的奈耳耦合變弱，所以反轉自由層的磁化方向時無需很大的磁場，而且所需磁場的大小還不會不均勻。
再有，本實施方式中，將固定層的表面平坦化，但也可以將在隧道勢壘層形成前的固定層之外的層表面平坦化。但是，由于如圖1所示的中間固定層14b具有牢固地固定固定層14中的磁化方向的功能，所以在形成中間固定層14b的前后不適合實施等離子體處理。而且，由于反鐵磁性層13具有固定固定層14的磁化方向的功能，所以不適合對其表面進行等離子體處理。進而，由于第2基底層12b具有調整反鐵磁性層13的結晶性的功能，所以不適合對其表面進行等離子體處理。所以，在將固定層之外的層表面平坦化時，最好是對第1基底層12a的表面進行等離子體處理來將其平坦化。
而且，在形成隧道勢壘層之前，如果對多個層表面進行平坦化，則可以更加平坦地層壓形成隧道勢壘層15。但是，需要調整隧道勢壘層15的平坦化和制造效率的二律背反問題。如專利文獻1所示，在襯底上形成GMR膜來制造磁頭等時，因為從一個襯底的取出個數多，所以制造效率不會成為大的問題。然而，像本實施方式，在襯底上形成TMR膜制造MRAM等時，因為從一個襯底的取出個數少，所以制造效率是一個大的問題。這里，由于隧道勢壘層是層壓形成在固定層的表面，所以為了使隧道勢壘層平坦化，將固定層的表面平坦化是最有效果的。從而，通過僅對固定層表面進行平坦化，可以將等離子體處理所伴隨的制造效率的下降停留在最小限度，同時能夠平坦地形成隧道勢壘層。
本發明的技術范圍并不限于上述實施方式，在不超出本發明的精神的范圍內，本發明的技術范圍包含對上述實施方式進行各種變更的情況。也就是說，實施方式中舉出的具體材料、結構、制造條件等只不過是一個例子而已，可以進行適當地變更。
本發明適用于被膜的形成。其中，該被膜用于構成GMR自旋閥或TMR元件等半導體設備，該GMR自旋閥用于構成磁頭，該TMR元件用于構成MRAM。
權利要求
1.一種磁性多層膜的制造方法，該方法包括在襯底上形成第1磁性層的第1磁性層形成工序；在所述第1磁性層上形成非磁性層的非磁性層形成工序；在所述非磁性層上形成第2磁性層的第2磁性層形成工序；其特征在于，該方法還包括等離子體處理工序，在所述非磁性層形成工序之前，將所述襯底放到等離子體處理裝置中，使所述襯底與所述等離子體處理裝置處于電絕緣狀態，用感應耦合等離子體進行處理。
2.一種磁性多層膜的制造方法，該方法包括在襯底上形成第1磁性層的第1磁性層形成工序；在所述第1磁性層上形成非磁性層的非磁性層形成工序；在所述非磁性層上形成第2磁性層的第2磁性層形成工序；其特征在于，該方法還包括等離子體處理工序，在所述非磁性層形成工序之前，將所述襯底放到等離子體處理裝置中，使所述襯底接地，用感應耦合等離子體進行處理。
3.根據權利要求1或2所述的磁性多層膜的制造方法，其特征在于，在所述等離子體處理工序中，對所述等離子體處理裝置的輸入功率為5W～400W。
4.根據權利要求1或2所述的磁性多層膜的制造方法，其特征在于，所述等離子體處理工序中的等離子體處理時間為180秒以內。
5.根據權利要求1或2所述的磁性多層膜的制造方法，其特征在于，所述等離子體處理工序中的等離子體處理，是對與所述非磁性層接觸的所述第1磁性層的表面進行。
6.根據權利要求1或2所述的磁性多層膜的制造方法，其特征在于，在所述第1磁性層形成工序之前，進一步包括對所述襯底形成第1基底層的第1基底層形成工序；在所述第1基底層上形成第2基底層的第2基底層形成工序；在所述第2基底層上形成反鐵磁性層的反鐵磁性層形成工序；其中，所述等離子體處理工序中的等離子體處理，是在所述第2基底層形成工序之前，對所述第1基底層的表面進行。
7.根據權利要求1或2所述的磁性多層膜的制造方法，其特征在于，所述磁性多層膜為隧道磁電阻膜，所述非磁性層為隧道勢壘層。
全文摘要
一種磁性多層膜的制造方法，包括在襯底上形成第1磁性層的第1磁性層形成工序；在所述第1磁性層上形成非磁性層的非磁性層形成工序；在所述非磁性層上形成第2磁性層的第2磁性層形成工序；其特征在于，該方法還包括等離子體處理工序，在所述非磁性層形成工序之前，將所述襯底放到等離子體處理裝置中，使所述襯底與所述等離子體處理裝置處于電絕緣狀態，用感應耦合等離子體進行處理。
文檔編號H01L21/8246GK101095246SQ200580045808
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月29日 優先權日2005年1月5日
發明者菊地幸男, 森田正 申請人:株式會社愛發科