專利名稱：真空薄膜形成設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁盤驅動裝置的磁再現頭、磁性隨機存取存儲器的存儲元件以及磁傳 感器。
背景技術：
使用絕緣膜MgO作為隧道阻擋層的隧道磁阻薄膜在室溫下表現出200%以上的非 常大的磁阻變化率，因此，期望將其應用于再現磁頭和MRAM的存儲元件。為了讓磁頭的分 辨率更高并且MRAM的集成度更高，存在使元件尺寸減小的需求，并且為了確保高速數據傳 送，必須減小接合阻抗。盡管能夠通過減小隧道阻擋層MgO的膜厚來減小接合阻抗，但同時 會導致磁阻變化率也降低的問題。這是因為MgO膜生長的初始階段時晶體定向被擾亂。高頻濺射存在如下問題由于偏壓電壓容易被施加在與等離子體接觸的結構上， 并且由與等離子體之間的電位差所加速的、來自等離子體的正離子的流入不可避免，因而 基板或膜形成期間的膜被損壞。另外，還要考慮由于絕緣膜沉積在基板上而使基板電位逐 漸變化。專利文獻1公開了能夠通過改變對高頻濺射裝置中的基板電極設置的可變電阻 的電阻值來改變基板電極相對于陽極電極的電位的技術。專利文獻2公開了在基板和靶材 之間設置有用于控制入射到基板的粒子的電極的高頻濺射裝置。[專利文獻1]日本特開平9-302464號公報[專利文獻2]日本特開平6-179968號公報
發明內容
發明要解決的問題在以往的高頻濺射方法中，當形成絕緣膜時，難以確保工藝再現性。由于絕緣膜沉 積在護罩和基板座上，電位隨時間變化，因此，不能保持等離子體的狀態和基板上的自偏壓 的大小恒定。因此，每個要處理的基板的質量不同。特別是當在同一膜形成設備中形成金 屬薄膜時，質量變化顯著。另外，在基板是導電性基板的情況下，由于絕緣膜沉積在基板上， 基板上的自偏壓的大小隨時間變化，從而導致工藝的不穩定性。本發明的目的是始終將基 板上的自偏壓自動地調整為固定值，并以良好的工藝再現性形成高質量的絕緣膜。用于解決問題的方案為了實現上述目的，根據本發明的真空薄膜形成設備包括高頻濺射裝置，其包括室；排氣部件，其對所述室的內部進行排氣；氣體導入部件，其將氣體供給至所述室中； 基板座，其設置在所述室內；以及電極，其設置在所述基板座內；以及至少一個真空處理 室，其能夠從由物理氣相沉積(PVD)室、化學氣相沉積(CVD)室、物理蝕刻室、化學蝕刻室、 基板加熱室、基板冷卻室、氧化處理室、還原處理室和灰化室構成的組中選擇，其中，所述高 頻濺射裝置還包括電連接至所述電極以調整所述基板座上的基板的電位的可變阻抗機構。發明的效果
根據本發明的利用可變阻抗機構來控制施加至基板的自偏壓的大小的真空薄膜 形成設備，能夠始終將基板上的自偏壓自動地調整為固定值，并以良好的工藝再現性形成
高質量的薄膜。
圖1是根據本發明的高頻濺射裝置的示意圖。圖2是示出使用根據本發明的高頻濺射裝置來形成膜的方法的圖。圖3是根據本發明的高頻濺射裝置的示意圖。
圖4是包括根據本發 明的濺射裝置的真空薄膜形成設備的示意圖。圖5是使用根據本發明的濺射裝置制造出的磁阻薄膜的示意圖。圖6是示出接合阻抗相對于使用根據本發明的濺射裝置制造的、經過處理的基板 的數量的變化的圖。附圖標記說明1高頻濺射裝置；3基板座；4可變阻抗機構；SVdc運算電路；9阻抗控制部；10輸 入檢測器；11高頻電源。
具體實施例方式圖1是體現本發明的特征的高頻濺射裝置1的示意圖。參照圖1說明可應用本發 明的高頻濺射裝置1的結構。濺射裝置1包括濺射陰極13a和13b，并且濺射陰極13a和 13b均包括靶材承載臺。在陰極13a和13b的靶材承載臺上分別承載有靶材5a和5b。在 本實施例中，靶材5a是絕緣體MgO靶材并且靶材5b是金屬Ta靶材，然而，用戶可以通過選 擇適當地改變靶材。陰極13a連接至高頻電源6，并且陰極13b連接至DC電源15。濺射裝 置1還包括基板座3和金屬護罩7，其中，基板座3設置有用于承載待進行濺射處理的基板 2的基板承載臺，金屬護罩7用于防止從靶材5釋放出的濺射粒子附著至真空室16。陰極 13a和13b各自的靶材承載臺安裝成使得它們的表面不與基板座3的基板承載臺平行。這 里，優選為靶材5a和5b的直徑等于或小于基板座3的直徑。可變阻抗機構4電連接至設置在基板座3內的電極12。可變阻抗機構4包括通過 組合電容C和線圈L而構成的阻抗匹配電路。另外，阻抗控制部9連接至可變阻抗機構4， 并且高頻電源11經由輸入檢測器10連接至可變阻抗機構4。通過氣體供應裝置14將Ar 等氣體提供至室16的內部。盡管沒有示意性示出，濺射裝置1還包括用于從室16的內部 排出氣體的排氣部件。參照圖2說明使用高頻濺射裝置1來形成膜的方法。本實施例中使用的高頻濺射 裝置1所使用的方法和所安裝成的裝置如下承載在濺射陰極13上并且直徑為D的靶材5 的中心軸線A相對于直徑為d的基板2的法線H形成角度θ，適當地確定法線H與中心軸 線A和包括基板2的平面的交點P之間的偏移距離F，適當地確定靶材5和基板2之間的 距離L，然后進行濺射，并且其特征為按照下述設置基板2的直徑d和靶材5的直徑D之間 的比、角度θ和距離F、L的值。0表示基板2的中心點，并且B表示通過中心點0的基板2 的中心軸線。進行配置以使角度θ滿足15°彡θ彡45°，距離F滿足50讓彡F彡400讓，距離L滿足50mm彡L彡800mm，并且在下面的實施例中，θ設置為30°，F設置為250mm，并 且L設置為346. 6mm。在膜形成期間，真空室內的壓力保持在約10_7Pa以下，以形成膜而不使雜質混入 到薄膜中。當通過氣體供應裝置14將Ar氣體導入到真空室內并通過高頻電源6將高頻電 力(13. 56MHz至60MHz)施加至陰極13a時，在真空室16中產生等離子體。從等離子體提 取出的Ar離子與靶材5撞擊，并且MgO膜作為濺射粒子形成在基板2上。如上所述，當通過將高頻電力施加至絕緣體(MgO)靶材5a來進行濺射時，由于等 離子體的產生，處于浮動電位的基板座3容易帶負電壓。因此，自偏壓作用在基板2上，來 自等離子體的Ar正離子被等離子體的正電位和基板的負電位之間的電位差加速并且流入 基板2，因此，基板2和膜形成期間的膜被損壞。為了應對該問題，根據本發明的濺射裝置1 包括可變阻抗機構4。下面說明使用作為本發明主體部份的可變阻抗機構4的匹配方法。可變阻抗機構 4連接至設置在基板座3內的電極12，此外，高頻電源11連接至可變阻抗機構4。小的偏壓 電力從高頻電源11施加至基板座3。這里，要施加的偏壓電壓具有小至在膜形成期間不會 破壞膜的功率(4W)。輸入檢測器10檢測高頻電源11的輸入波以及當未實現匹配并且沒有功率消耗時 產生的反射波，并將這兩種波輸入至阻抗控制部9。阻抗控制部9基于從輸入檢測器發送來 的輸入波的值和來自電極側的反射波的值來控制可變阻抗機構4。更具體地，阻抗控制部9 適當地調整包括在可變阻抗機構4中的阻抗匹配電路的電容Cl、C2和線圈L1、L2的比率， 并控制可變阻抗機構4以使得檢測不到上述反射波。在圖1中，僅示意性地示出電容Cl、 C2和線圈Li、L2，然而，根據實施例，可以通過改變設計來適當地選擇電容C和線圈L或其 組合。當檢測不到反射波而只檢測到輸入波時，可變阻抗機構4判斷為實現匹配，即，基板 2上的自偏壓為零。如上所述，通過將偏壓電力(電力行波)施加至基板2并基于反射波的檢測來控 制可變阻抗機構4，能夠實現自動匹配。通過使用可變阻抗機構4來調整基板2的電位，能 夠使從等離子體流入的正離子的入射能量最優化。如果在高頻濺射裝置1中形成MgO以外的金屬膜(例如，Ta)，則不但MgO膜而且 Ta膜也附著至護罩7或真空室16的內壁。這里所說的護罩7是為防止膜附著到真空室16 而設置的，并且可以由裝置的用戶進行替換。護罩7的電位依賴于已進行膜形成處理的膜 的數量或膜的多次附著而隨時間改變。因此，產生了膜的均質性和均一性損失的問題，然 而，可以通過使用包括本發明的可變阻抗機構4的高頻濺射裝置1來解決該問題。此外，由 于絕緣膜逐漸沉積在導電基板2上，基板2的電位隨時間變化。S卩，由于絕緣體在電學上起 電容的作用，因此沉積有MgO膜的基板的電位發生變化。根據本發明，能夠將基板的電位總 是調整為最佳值。接著說明圖3。如圖3所示，在承載基板2的基板座3中設置有電極12。在電極 12上設置有流入電子檢測傳感器(Vdc檢測傳感器)17，流入電子檢測傳感器17通過從等 離子體取入流入電子來檢測電流值。這里，Vdc表示地和基板之間的電位差。本實施例中的 高頻濺射裝置設置有運算電路8和阻抗控制部9，其中，運算電路8包括將由流入電子檢測 傳感器17檢測到的電流值轉換為Vdc的運算部8a，阻抗控制部9對來自運算電路8的Vdc信號進行運算處理并控制可變阻抗機構4的阻抗。可變阻抗機構4包括通過組合電容C和 線圈L而構成的阻抗匹配電路，并且電連接至設置在基板座3內的電極12。與第一實施例 中的高頻濺射裝置不同，并非必需使用高頻電源。下面說明本實施例中的高頻濺射裝置的工作。Vdc檢測傳感器17取入從等離子體 流入基板2的流入電子，并檢測電流值。從檢測到的高頻電流值中，由運算電路8的LC電 路僅提取出直流分量，并且由運算部8a基于歐姆定律獲得Vdc。基于由運算部8a計算出的 Vdc,阻抗控制部9調整可變阻抗機構4，以使得通過適當地調整構成可變阻抗機構4的電 容Cl、C2和線圈Li、L2之間的比率，來使Vdc為零。在圖3中僅示意性地示出了電容Cl、 C2和線圈L1、L2，然而，根據實施例，可以適當地改變電容C和線圈L的選擇和組合的設計。 如果由于阻抗的 改變因而基板成為具有大的負電位，則膜結構被流入離子破壞。相反，如果 基板電位變得過于接近地電位，則流入電子經由膜流入地，膜結構被電流破壞。最佳阻抗介 于上述兩種情況之間。如本實施例中所示，通過監測Vdc等放電參數并提供自動反饋來改 變阻抗，能夠總是將由于絕緣膜逐漸沉積在導電基板2和導電護罩7上而隨時間變化的基 板電位調整為最佳電位。圖4示出包括圖1所示的本發明的濺射裝置1的用于制造隧道磁阻薄膜的真空 薄膜形成設備400的總體結構圖。真空薄膜形成設備400為簇型，并且包括多個真空處理 室411、421、431、441和451。真空處理室至少包括物理氣相沉積(PVD)室、化學氣相沉積 (CVD)室、物理蝕刻室、化學蝕刻室、基板加熱室、基板冷卻室、氧化處理室、還原處理室以及 灰化室，然而，本發明不限于上述處理室。包括真空運送機器人482a和482b的真空基板運 送室481安裝在中心位置，并且每個真空處理室經由真空運送室相互連接。真空運送機器 人482a和482b包括可伸縮臂483a和483b以及用于搭載基板的手484a和484b。臂483a 和483b的基端部可旋轉地安裝至真空基板運送室481。圖4所示的真空薄膜形成設備400 的真空基板運送室481設置有負載鎖定室465和475。通過負載鎖定室465和475，將待處 理基板從外部運送到真空薄膜形成設備400中，同時，將已經過形成磁性多層膜的處理的 基板運送到真空薄膜形成設備400的外部。在真空基板運送室481和各負載鎖定室465和 475之間，分別設置有將兩個室分隔開、并且在必要時能夠自由地開/閉的閘門閥490f和 490g。圖4所示的真空薄膜形成設備400在真空基板運送室481周圍設置有四個膜形成室 411、421、431和451以及一個預處理室441。在真空基板運送室481和處理室之間，分別設 置有將兩個室分隔開、并且在必要時能夠自由地開/閉的閘門閥490a到490e。每個室都附 加有真空排氣部件、氣體導入部件、電力供應部件等，然而，并沒有示意性地示出這些部件。 圖4所示的真空薄膜形成設備400的濺射膜形成室411、421、431和451均是在同一室內連 續地形成構成磁阻元件的多層膜的膜形成室，并且一個膜形成室設置有至少一個靶材和濺 射陰極。在濺射室411中，對于放置在室底部中央的基板座412上的基板413，在頂面部分 別經由未示意地示出的濺射陰極配置Ta靶材414a、MgO靶材414b。如圖4所示，還可以在 濺射室411上承載靶材414c和414d，并根據實施例適當地使用這些靶材。在真空基板運送 室481和濺射室411之間，設置有將兩個室分隔開、并且在必要時能夠自由地開/閉的閘門 閥 490e。在濺射室421中，對于放置在室底部中央的基板座422上的基板423，在頂面部分別經由未示意地示出的濺射陰極配置Ru靶材424a、IrMn靶材424b、70CoFe靶材424c以及CoFeB靶材424d。如圖4所示，還可以在濺射室421上承載靶材424e，并根據實施例適當地 使用該靶材。在真空基板運送室481和濺射室421之間，設置有將兩個室分隔開、并且在必 要時能夠自由地開/閉的閘門閥490d。在濺射室431中，對于放置在室底部中央的基板座432上的基板433，分別經由未 示意地示出的濺射陰極配置Ta靶材434a和Cu靶材434b。如圖4所示，還可以在濺射室 431上承載靶材434c、434d和434e，并根據實施例適當地使用這些靶材。在真空基板運送 室481和濺射室431之間，設置有將兩個室分隔開、并且在必要時能夠自由地開/閉的閘門 閥 490c。在預處理室441中，對于放置在室底部中央的基板座442上的基板443，通過物理 蝕刻進行膜形成前的基板的清潔等預處理。在真空基板運送室481和預處理室441之間， 設置有將兩個室分隔開、并且在必要時能夠自由地開/閉的閘門閥490b。在濺射室451中，對于放置在室底部中央的基板座452上的基板453，在頂面部分 別經由未示意地示出的濺射陰極配置CoFeB靶材454a、Ta靶材454b、Cu靶材454c和Ru靶 材454d。如圖4所示，還可以在濺射室451上承載靶材454e，并根據實施例適當地使用該 靶材。在真空基板運送室481和濺射室451之間，設置有將兩個室分隔開、并且在必要時能 夠自由地開/閉的閘門閥490a。除了負載鎖定室465和475以外的所有室均為1 X ICT6Pa以下的真空室，并且在真 空中通過真空運送機器人482a和482b在各真空室之間移動基板。用于形成自旋閥型隧道 磁阻薄膜的基板放置在首先設置成大氣壓的負載鎖定室465或475中，在對負載鎖定室465 或475進行排氣之后，通過真空運送機器人482a和482b將基板運送至期望的真空室。如圖5所示，基本的膜結構如下在熱氧化的基板501上，Ta膜502(50人；)/CuN膜 503 (2 0 0人)/Ta 膜 504 (3 OA) /CuN膜 505 (2 00A) /Ta 膜 506 (30A)用作下電極層，Ru 膜507 (50A)用作種子層，IrMn膜508 (70入)用作反鐵磁性層，包括CoFe膜509 (25A) /Ru膜510 (9λ) /CoFeB膜511 (30人；)的反鐵磁性結合體用作磁化固定層，并且MgO膜 512(10到16入)用作隧道阻擋層。形成CoFeB膜513 (30Α)作為磁化自由層。最后，使 用 Ta 膜 514 (80Α) /Cu 膜 515 (300Α) /Ta 膜 516 (5θλ) /Ru 膜 517 (70人)的堆疊結 構作為上電極。為了有效地形成這種膜結構，作為濺射靶材，將用于隧道阻擋層的MgO和用于形 成清潔氛圍的Ta布置在濺射室411中，將Ru、IrMn、CoFe, CoFeB布置在濺射室421中，將 Ta、Cu布置在濺射室431中，并且將CoFeB、Ta、Cu、Ru布置在濺射室451中。首先，將基板 運送到預處理室441，通過逆濺射蝕刻將在空氣中污染的表面層物理去除約2nm，然后，將 基板運送到濺射室431中，并形成包括Ta膜502、CuN膜503、Ta膜504、CuN膜505和Ta膜 506的膜直至下電極層。之后，將基板移動到濺射室421，然后形成包括Ru膜507的種子層 以及包括IrMn膜508、CoFe膜509、Ru膜510和CoFeB膜511的反鐵磁性結合層，并且在 將基板移動到濺射室411之后，形成隧道阻擋層MgO膜512 (膜厚為10到1 6人)。這里，通 過使用上述傾斜濺射方法形成隧道阻擋層MgO膜512，能夠獲得10到1 6人的非常薄的MgO膜。在形成隧道阻擋層之后，將基板移動到濺射室451，并形成包括CoFeB膜513的磁化自 由層和包括Ta膜514、Cu膜515、Ta膜516和Ru膜517的上電極層，然后將基板返送回負 載鎖定室465或475。在磁場中將所制造的隧道磁阻薄膜放入退火爐中，并且在施加強度為SkOe以上 的、方向與一個方向平行的磁場的情況下，在真空中在期望的溫度下進行期望時間的退火 處理。圖5示出以上述方式制成的磁阻薄膜。當使用真空薄膜形成設備400來形成隧道阻 擋層512為MgO膜的磁阻薄膜時，通過使用圖1所示的高頻濺射裝置1來形成MgO隧道阻 擋層512，能夠獲得高性能的磁阻薄膜。使用圖5所示的隧道磁阻薄膜，能夠制造再現磁頭、MRAM和磁傳感器等MTJ裝置。圖6是示出接合阻抗Μ(Ω · μπι2)相對處理過的基板的數量(片)的變化的圖。 在通過使用真空薄膜形成設備400并通過在高頻濺射裝置1中形成MgO隧道阻擋層512來 制造圖5中的隧道磁阻薄膜時，對如下(a)、(b)兩種情況下的基板之間的再現性進行比較 (a)可變阻抗機構4的電容比C1/C2固定；(b)通過施加4W這樣的非常小的偏壓電力來進 行自動匹配，并自動控制C1/C2比率。在C1/C2比率固定的情況(a)下，RA隨著處理過的 基板的數量的增加而增加。這是因為MgO膜厚增加。另一方面，在始終對阻抗進行調整以 保持恒定的基板電位和等離子體狀態的情況(b)下，沒有觀察到如(a)的情況下的RA的逐 漸增加，因此改善了工藝再現性。在本實施例中，使用MgO作為絕緣膜并且通過使用隧道磁 阻膜的RA來檢查再現性，然而，可以想見在其它絕緣膜的情況下，本發明對于改善工藝再 現性同樣有效。上述實施例并不意圖限定本發明的范圍，并且基于本實施例中的教導和啟示，可 以對上述實施例進行適當變形以實現權利要求書的范圍的主題內容。
權利要求
一種真空薄膜形成設備，包括高頻濺射裝置，其包括室；排氣部件，其對所述室的內部進行排氣；氣體導入部件，其將氣體供給至所述室中；基板座，其設置在所述室內；以及電極，其設置在所述基板座內；以及至少一個真空處理室，其能夠從由物理氣相沉積(PVD)室、化學氣相沉積(CVD)室、物理蝕刻室、化學蝕刻室、基板加熱室、基板冷卻室、氧化處理室、還原處理室和灰化室構成的組中選擇，其中，所述高頻濺射裝置還包括電連接至所述電極以調整所述基板座上的基板的電位的可變阻抗機構。
2.根據權利要求1所述的真空薄膜形成設備，其特征在于，所述高頻濺射裝置和所述至少一個真空處理室經由真空運送室相互連接。
3.根據權利要求2所述的真空薄膜形成設備，其特征在于， 所述高頻濺射裝置還包括流入電子檢測部件，其設置在所述電極上以檢測流入電子； 運算電路，其將由所述流入電子檢測部件檢測到的電流轉換為基板電位；以及 控制電路，其對來自所述運算電路的基板電位信號進行運算處理，以控制所述可變阻 抗機構。
4.根據權利要求2所述的真空薄膜形成設備，其特征在于，還包括 偏壓電力供給用高頻電源，其向所述電極供給輸入電力；檢測器，其連接至所述偏壓電力供給用高頻電源，以檢測來自所述偏壓電力供給用高 頻電源的入射波和來自所述電極側的反射波；以及控制電路，其基于檢測到的入射波和反射波來控制所述可變阻抗機構，以防止檢測到 反射波。
5.一種MTJ裝置，其具有由根據權利要求1所述的真空薄膜形成設備所形成的磁阻薄膜。
6.一種使用根據權利要求1所述的真空薄膜形成設備來形成薄膜的方法，所述方法包括使用所述高頻濺射裝置的匹配步驟；以及在所述至少一個真空處理裝置中對基板進行真空處理的真空處理步驟。
全文摘要
為了始終將基板上的自偏壓自動地調整為固定值并以良好的工藝再現性形成高質量的絕緣膜，根據本發明的真空薄膜形成設備包括高頻濺射裝置，其包括室；排氣部件，其對所述室的內部進行排氣；氣體導入部件，其將氣體供給至所述室中；基板座，其設置在所述室內；以及電極，其設置在所述基板座內；以及至少一個真空處理室，其能夠從由物理氣相沉積(PVD)室、化學氣相沉積(CVD)室、物理蝕刻室、化學蝕刻室、基板加熱室、基板冷卻室、氧化處理室、還原處理室和灰化室構成的組中選擇，其中，所述高頻濺射裝置還包括電連接至所述電極以調整所述基板座上的基板的電位的可變阻抗機構。
文檔編號H01L43/08GK101821423SQ20078010096
公開日2010年9月1日 申請日期2007年10月4日 優先權日2007年10月4日
發明者中村貫人, 恒川孝二, 永峰佳紀 申請人:佳能安內華股份有限公司