DE112006000209T5

DE112006000209T5 - Bedampfungsvorrichtung und Filmausbildungsverfahren

Info

Publication number: DE112006000209T5
Application number: DE112006000209T
Authority: DE
Inventors: Yukio Tsukuba Kikuchi; Tasashi Tsukuba Morita
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-12-06
Also published as: CN101098980A; WO2006077837A1; KR20070086920A; US20090294279A1; TWI384472B; JPWO2006077837A1; TW200632881A; JP4673858B2

Abstract

Bedampfungsvorrichtung zum Ausführen eines Filmausbildungsprozesses auf einer Substratoberfläche eines scheibenförmigen Substrats während des Rotierens des Substrats um eine Rotationsachsenlinie, wobei die Bedampfungsvorrichtung umfasst:
eine Kammer mit einer darin ausgebildeten Zerstäubungsverarbeitungskammer;
einen Tisch, der in einem ersten Bereich der Kammer bereitgestellt ist, und der das Substrat in einer Ebene parallel zu der Substratoberfläche um die Rotationsachsenlinie rotiert, während das Substrat, mit der dem Inneren der Zerstäubungsverarbeitungskammer zugewendeten Substratoberfläche gehalten wird; und
eine Zerstäubungskathode, die an einer Position in einem Abstand von der Rotationsachsenlinie in einem zweiten Bereich der Kammer bereitgestellt ist, wobei der zweite Bereich sich auf der gegenüberliegenden Seite zu dem ersten Bereich mit der dazwischenliegenden Zerstäubungsverarbeitungskammer befindet, und eine dem Substrat in der Zerstäubungsverarbeitungskammer zugewendete Kathodenoberfläche aufweist, wobei
angenommen wird, dass eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie und einer äußeren Kante des Substrats R beträgt, eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie und einem Mittelpunkt der Kathodenoberfläche OF...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen mehrfach geschichteten Films, das zur Ausbildung eines Films angepasst ist, das ein Halbleiterbauelement wie beispielsweise ein einen magnetischen Kopf bildendes Riesen-Magnetwiderstands-Spinventil bzw. -Drehventil (engl. Giant Magneto-Resistance spin valve, GMR spin valve) und ein einen magnetischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (engl. Magnetic Random Access Memory, MRAM) bildendes magnetisches Tunnelwiderstands-Bauelement (engl. Tunneling Magneto-Resistance device, TMR device) bildet.
Die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-011364 wird beansprucht, angemeldet am 19. Januar 2005, wobei deren Inhalt hiermit durch Referenz miteinbezogen wird.
Hintergrund der Erfindung
Eine Bedampfungsvorrichtung ist weitgehend als Filmausbildungsvorrichtung genutzt worden. Im Allgemeinen sind bei einer Bedampfungsvorrichtung eine Verarbeitungskammer, in der ein Tisch, auf der ein zu verarbeitendes Substrat angeordnet ist, und eine Zerstäubungskathode (Target), auf der ein Filmausbildungsmaterial angeordnet ist, angeordnet. Patentdokument 1 offenbart, dass ein Film gleichmäßig in seiner Dicke und Qualität durch Rotieren des Substrats mit einer geeigneten Geschwindigkeit und Beibehalten eines Winkels θ einer Hauptachsenlinie des Targets hinsichtlich einer Normallinie des Substrats sein kann, wobei der Winkel innerhalb eines Bereichs von 15° ≤ θ ≤ 45° liegt, auch wenn das Target kleiner im Durchmesser ist als das Substrat.

[Patentdokument 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Offenlegung No. 2000-265263

[Offenbarung der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
In jüngster Vergangenheit wurde ein Tunnelübergangbauelement 10, wie es in 5A gezeigt ist, mit einem Halbleiterbauelement wie beispielsweise ein MRAM unter Entwicklung verwendet. Das Tunnelübergangbauelement 10 enthält eine magnetische Schicht (fixierte Schicht) 14, eine Tunnelbarrierenschicht 15, eine magnetische Schicht (freie Schicht) 16, usw. Die Tunnelbarrierenschicht 15 besteht aus AIO (bezeichnet Aluminiumoxid im Allgemeinen, einschließlich Aluminiumoxid), das durch Oxidation von Al (Metall-Aluminium) erzielt wird. Ein binärer Wert "1" oder "0" wird durch Nutzen des Widerstands des Tunnelübergangbauelements 10 gelesen, das abhängig davon, ob eine Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 14 parallel oder anti-parallel zu einer Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 16 ist, variiert wird.
Liegt eine Abweichung in der Filmdicke jeder Schicht (beispielsweise der freien Schicht 16) des Tunnelübergangbauelements 10 vor, wie es in 5B gezeigt ist, wird die Tunnelbarrierenschicht 15 mit Unebenheit laminiert. Der Tunnelwiderstand zeigt eine große Abweichung von mehr als 10% auf, auch wenn die Dickenabweichung der Tunnelbarrierenschicht 15 1 % beträgt, da der Tunnelwiderstand der Tunnelbarrierenschicht 15 exponentiell von deren Dicke abhängt. Des Weiteren verursacht eine grobe Abweichung des Widerstands des MRAM-Bauelements gemäß den Positionen auf dem Substrat große Probleme in der Massenherstellung, da das MRAM-Bauelement (Tunnelübergangbauelement) aus einem großen Substrat mit einer Größe von nicht weniger als 8 Zoll hergestellt wird. In ähnlicher Weise wird die Magnetisierung der freien Schicht 16 abhängig von den Positionen auf dem Substrat variiert, was zu Unregelmäßigkeit eines angelegten Magnetfelds führt, wenn die Magnetisierung eines verarbeiteten MRAM-Bauelements umgedreht wird, und die freie Schicht 16 Abweichung in ihrer Dicke aufweist. Diese Probleme betreffen die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des MRAM-Bauelements. Demgemäss besteht ein Bedarf, die Abweichung in der Dicke der Schichten des Tunnelübergangbauelements 10 zu reduzieren.
Allerdings erreichen in einer konventionellen Bedampfungsvorrichtung die von dem Target abgegebenen Partikel das Substrat, nachdem sie durch Kollision mit Zerstäubungsgasmolekülen wie beispielsweise Argongas gestreut wurden. Dies macht es schwierig, eine gleichmäßige Filmdicke zu erzielen, auch wenn ein Filmausbildungsprozess während des Rotierens des Substrats, abhängig von einer relativen Position zwischen dem Target und dem Substrat oder einer Distanz zwischen dem Substrat und einer Kammerwand, ausgeführt wird.
Im Besonderen ist es sehr schwierig eine gleichmäßige Filmdicke mit einem großen Substrat, das eine Größe von mehr als 8 Zoll aufweist, zu erzielen. In der in Patentdokument 1 offenbarten Technik ist es auch schwierig, eine Filmdicke mit einer Abweichung von kleiner oder gleich 1 % zu erzielen.
Zur Überwindung der vorstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bedampfungsvorrichtung und ein Filmausbildungsverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Abweichung in der Filmdicke zu reduzieren.
[Einrichtungen zum Lösen der Probleme]
Gemäß einem Aspekt (der vorliegenden Erfindung) wird zum Erreichen der oben genannten Aufgabe eine Bedampfungsvorrichtung zum Ausführen eines Filmausbildungsprozesses auf einer Substratoberfläche eines scheibenförmigen Substrats während des Rotierens des Substrats um eine Rotationsachsenlinie be reitgestellt, wobei die Bedampfungsvorrichtung umfasst: eine Kammer mit einer darin ausgebildeten Zerstäubungsverarbeitungskammer, einen in einem ersten Bereich der Kammer bereitgestellten Tisch, der das Substrat in einer zu der Substratoberfläche parallelen Ebene um die Rotationsachsenlinie während des Haltens des Substrats, mit der Substratoberfläche der Zerstäubungsverarbeitungskammer zugewendet, rotiert, und eine in einem Positionsabstand von der Rotationsachsenlinie in einem zweiten Bereich der Kammer bereitgestellten Zerstäubungskathode, wobei der zweite Bereich auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Bereichs mit der dazwischenliegenden Zerstäubungsverarbeitungskammer angeordnet ist und eine Kathodenoberfläche, die dem Substrat in der Zerstäubungsverarbeitungskammer zugewendet ist, aufweist. Unter der Annahme, dass eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie und einer äußeren Kante des Substrats R, eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie und einem Mittelpunkt der Kathodenoberfläche OF, und eine Höhe der Substratoberfläche zu dem Mittelpunkt der Kathodenoberfläche TS, beträgt, wird die folgende Beziehung im Wesentlichen erfüllt, R:OF:TS = 100:175:190 ± 20.
Des Weiteren schneidet die Rotationsachsenlinie eine durch den Mittelpunkt der Kathodenoberfläche durchlaufende Normallinie, und ein Schnittwinkel fällt in den Bereich von 22° ± 2°.
Mit dieser Konfiguration kann der Filmausbildungsprozess so ausgeführt werden, dass eine Differenz zwischen den Abweichungen der Filmdicken für verschiedene Materialarten nicht mehr als 1 % beträgt.
Des Weiteren bedeutet "im Wesentlichen" eine Abweichung von 5% u.Ä. des Verhältnisses von R:OF:TS von der obigen Beziehung und ein Wert von OF beträgt 175 ± 10 u.Ä.
Vorzugsweise ist eine das Substrat umgebende Schirmplatte mit axialer Symmetrie um die Rotationsachsenlinie angeordnet, und die Zerstäubungsverarbeitungskammer ist in einem durch die Schirmplatte und die Substratoberfläche umgebenen inneren Raum angeordnet.
Mit dieser Konfiguration kann die Schirmplatte eine axiale Symmetrie zu einem Effekt auf die Abweichung der Filmdicke bereitstellen; dabei kann die Abweichung in der Filmdicke reduziert werden.
Vorzugsweise enthält die Schirmplatte eine erste Schirmplatte von zylindrischer Form, die sich von dem zweiten Bereich zu dem ersten Bereich erstreckt, und eine zweite Schirmplatte mit einer Trichterform, die sich von einem Endteil der ersten Schirmplatte in dem ersten Bereich zu der äußeren Kante des Substrats erstreckt, und ein Neigungswinkel der zweiten Schirmplatte ist bezüglich der Substratoberfläche kleiner als oder gleich 0° und kleiner als oder gleich 20° eingestellt.
Mit dieser Konfiguration kann eine Abweichung in der Filmdicke bei einer äußeren Kante des Substrats, das aufgrund der zweiten Schirmplatte eintritt, reduziert werden.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Filmausbildungsverfahren durch Verwenden der obigen Bedampfungsvorrichtung bereitgestellt, mit einem ein Vakuum ausbildenden Schritt zum Bilden eines Vakuums in der Zerstäubungsverarbeitungskammer mit dem auf den Tisch angeordneten Substrat, und einem Filmausbildungsschritt zum Ausbilden des Films auf der Substratoberfläche durch Einleiten eines Zerstäubungsgases in die Zerstäubungsverarbeitungskammer, um Plasma während des Rotierens des Substrats durch Nutzen des Tischs zu erzeugen.
Mit dieser Konfiguration kann der Filmausbildungsprozess so ausgeführt werden, dass eine Differenz zwischen den Abweichungen der Filmdicke für verschiedene Materialarten nicht mehr als 1 % beträgt.
Vorzugsweise wird das Substrat mit der Rotationsgeschwindigkeit von größer oder gleich 30 1/min rotiert.
Mit dieser Konfiguration kann eine Abweichung in der Filmdicke in dem Kreisumfang des Substrats, auch wenn ein Film mit einer relativ kleinen Filmausbildungsgeschwindigkeit in einem Bereich von praktischen Filmausbildungsbedingungen ausgebildet wurde, um dünn zu sein, gemittelt werden. Demgemäss kann eine Abweichung in der Filmdicke reduziert werden.
Ferner kann ein mehrfach geschichteter Film einschließlich einer magnetischen Schicht in dem Filmausbildungsschritt ausgebildet werden.
Für einen mehrfach geschichteten Film einschließlich einer magnetischen Schicht besteht ein starker Bedarf, um eine Abweichung in der Filmdicke zu reduzieren. Demgemäss kann ein magnetischer mehrfach geschichteter Film mit guten Charakteristika unter Verwendung des obigen Filmausbildungsverfahrens ausgebildet werden.
[Wirkungen der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit der obigen Konfiguration ein Filmausbildungsprozess von verschiedenen Materialarten so ausgeführt werden, dass eine Abweichung in der Filmdicke nicht mehr als 1 % beträgt.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren]
1A ist eine perspektivische Ansicht einer Bedampfungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine seitliche Schnittansicht der Bedampfungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils B von 1B.
3A ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Neigungswinkel θ eines Targets und einer Filmdickenabweichung zeigt.
3B ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Neigungswinkel θ eines Targets und einer Filmdickenabweichung zeigt.
3C ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen dem Neigungswinkel θ eines Targets und einer Filmdickenabweichung zeigt.
4A ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines Tunnelübergangbauelements zeigt.
4B ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines MRAM mit dem Tunnelübergangbauelement zeigt.
5A ist eine beschreibende Ansicht einer Neel-Kopplung.
5B ist eine beschreibende Ansicht einer Neel-Kopplung.

5: Substrat
60: Bedampfungsvorrichtung
61: Kammer
62: Tisch
62a: Rotationsachsenlinie
64: Target (Zerstäubungskathode)
64a: Normallinie
70: Zerstäubungsverarbeitungskammer
71: Seitliche Schirmplatte (Schirmplatte, erste Schirmplatte)
72: Untere Schirmplatte (Schirmplatte, zweite Schirmplatte)

[Bester Weg zum Ausführen der Erfindung]
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die zugehörige Zeichnung beschrieben. In den in der folgenden Beschreibung benutzten Zeichnungsfiguren werden Schichten und Elemente auf eine wahrnehmbare Größe skaliert.
(Magnetischer mehrfach geschichteter Film)
Zuerst wird ein Tunnelübergangbauelement mit einem TMR-Film als ein Beispiel eines mehrfach geschichteten Films, einschließlich einer magnetischen Schicht, und eines MRAM, einschließlich des Tunnelübergangbauelements, beschrieben.
4A ist eine seitliche Schnittansicht, das ein Tunnelübergangbauelement zeigt. Ein Tunnelübergangbauelement 10 enthält eine anti-ferromagnetische Schicht (nicht gezeigt), bestehend aus PtMn, IrMn o.Ä., eine magnetische Schicht (fixierte Schicht) 14, bestehend aus NiFe, CoFe o.Ä., eine Tunnelbarrierenschicht 15, bestehend aus AlO o.Ä., und eine magnetische Schicht (freie Schicht) 16, bestehend aus NiFe, CoFe o.Ä. als Hauptkomponenten: Die aus AlO bestehende Tunnelbarrierenschicht 15 ist durch Oxidation von Metall-Aluminium ausgebildet. Des Weiteren umfasst ein reales Tunnelübergangbauelement eine mehrfach geschichtete Struktur mit 15 Schichten einschließlich Funktionsschichten in Erweiterung zu den oben erwähnten Schichten.
4B ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines MRAM mit dem Tunnelübergangbauelement zeigt. Ein MRAM 100 enthält das oben beschriebene Tunnelübergangbauelement 10 und ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) 110, die in der Form einer Matrix auf einem Substrat 5 angeordnet sind. Ein oberes Ende des Tunnelübergangbauelements 10 ist mit einer Bitleitung 102 verbunden, und ein unteres Ende hiervon ist mit einer Source-Elektrode oder einer Drain-Elektrode des MOSFET 110 verbunden. Des Weiteren ist eine Gate-Elektrode des MOSFET 110 mit einer Leitung für ein lesbares Wort 104 verbunden. Hingegen ist eine wiederbeschreibbare Leitung für ein lesbares Wort 106 unter dem Tunnelübergangbauelement 10 angeordnet.
In dem Tunnelübergangbauelement 10, das in 4A gezeigt ist, bleibt eine Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 14 konstant, während eine Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 16 umgekehrt werden kann. Der Widerstand des Tunnelübergangbauelement 10 wird abhängig davon, ob die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14 parallel oder anti-parallel zu der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 16 ist, variiert, und demgemäss wird die Intensität des Stroms, der durch die Tunnelbarrierenschicht 15 fließt, variiert, wenn eine Spannung an das Tunnelübergangbauelement 10 in seiner Dickenrichtung (TMR-Effekt) angelegt wird. Daher kann ein binärer Wert "1" oder "0" durch Erfassen der Intensität des Stroms gelesen werden, wenn der MOSFET 110 durch die Leitung für ein lesbares Wort 104, wie es in 4B gezeigt ist, angeschaltet wird.
Des Weiteren kann die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht umgekehrt werden, wenn ein Magnetfeld durch Stromzufuhr zu der wiederbeschreibbaren Leitung für ein lesbares Wort 106 erzeugt wird. Dies erlaubt es, den binären Wert "1" oder "0" wiederzubeschreiben.
Liegt eine Filmdickenabweichung in den Schichten (beispielsweise der freien Schicht 16) des Tunnelübergangbauelements 10 vor, wie es in 5B gezeigt ist, wird die Tunnelbarrierenschicht 15 laminiert und mit Unebenheit ausgebildet. Der Tunnelwiderstand zeigt eine große Abweichung von nicht weniger als 10%, auch wenn die Filmdickenabweichung der Tunnelbarrierenschicht 1 % beträgt, da der Tunnelwiderstand der Tunnelbarrierenschicht 15 exponentiell von deren Dicke abhängt. Des Weiteren verursacht eine grobe Abweichung des Widerstands des MRAM-Bauelements gemäß den Positionen auf dem Substrat große Probleme in der Massenherstellung, da das MRAM-Bauelement (Tunnelübergangbauelement) von einem großen Substrat mit einer Größe von mehr als 8 Zoll hergestellt wird. In ähnlicher Weise wird die Magnetisierung der freien Schicht 16 abhängig von den Positionen auf dem Substrat variiert, was zu Unregelmäßigkeit eines angelegten Magnetfelds führt, wenn die Magnetisierung eines verarbeiteten MRAM-Bauelements umgekehrt wird und die freie Schicht 16 Abweichungen in ihrer Dicke aufweist. Diese Probleme betreffen die Leistungsfähigkeit oder Effizienz des MRAM-Bauelements. Demgemäss besteht ein Bedarf, die Abweichung in der Dicke der Schichten des Tunnelübergangbauelements 10 zu reduzieren.
(Bedampfungsvorrichtung)
Nachstehend wird eine Bedampfungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1A bis 3C beschrieben.
1A ist eine perspektivische Ansicht einer Bedampfungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 1B ist eine seitliche Schnittansicht entlang der A-A-Linie von 1A. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält eine Bedampfungsvorrichtung 60 einen Tisch 62, der das scheibenförmige Substrat 5 durch ein darauf anordnen hält, und ein Target (Zerstäubungskathode) 64, die an entsprechenden vorbestimmten Positionen angeordnet sind. Es ist bevorzugt, dass die Bedampfungsvorrichtung 60 eine Magnetron-Bedampfungsvorrichtung mit beispielsweise einem Bauelement zum Anlegen eines Magnetfelds auf eine Oberfläche des Targets ist.
Wie es in 1B gezeigt ist, enthält die Bedampfungsvorrichtung 60 eine gehäuseartige Kammer 61, bestehend aus metallischem Material wie beispielsweise Al. Eine Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 (deren Details nachstehend noch beschrieben werden) ist innerhalb der Kammer 61 ausgebildet. Der Tisch 62, auf dem das Substrat 5 angeordnet ist, ist in einem zentralen Teil nahe des Bodens, der ein unterer Bereich (erster Bereich) der Kammer 61 ist, bereitgestellt. Der Tisch 62 ist derart aufgebaut, um entlang einer Rotationsachsenlinie 62a mit einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit zu rotieren. Daher kann das angeordnete Substrat 5 entlang einer Rotationsachsenlinie 62a in einer zu einer Oberfläche des Substrats 5 (Substratoberfläche) parallelen Ebene rotiert werden. Des Weiteren kann die Substratoberfläche mit dem Substrat 5, dessen Zentrum mit der Rotationsachsenlinie 62a ausgerichtet ist, rotiert werden.
Das Target 64 ist an einer Ecke nahe einer Decke angeordnet, die ein oberer Bereich (zweiter Bereich) der Kammer 61 ist. Eine Oberfläche des Targets 64 (Kathodenoberfläche) ist dem Substrat 5 innerhalb der Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 (deren Details nachstehend noch beschrieben werden) zugewendet. Ein auf dem Substrat 5 auszubildendes Filmmaterial ist auf der Kathodenoberfläche angeordnet. Die Anzahl der Targets 64 kann eins oder mehr betragen. Es ist bevorzugt, dass diese Targets 64 mit Abständen von gleichen Intervallen um die Rotationsachsenlinie 62a zu der Rotationsachsenlinie 62a des Tischs 62 angeordnet werden, wenn zwei oder mehrere Targets 64 genutzt werden. Mit dieser Konfiguration können Abweichungen der Filmdicke in dem Substrat 5 reduziert werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Targets 64 mit der dazwischenliegenden Rotationsachsenlinie 62a des Tischs 62 gegenüberliegend.
Die oben beschriebenen Targets 64 sind an vorbestimmten Positionen relativ zu dem auf dem Tisch 62 angeordneten Substrat 5 angeordnet. Hier wird angenommen, dass eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie 62a des Tischs 62 und einer äußeren Kante des auf den Tisch 62 angeordneten Substrats 5 R beträgt. Der Radius des Substrats 5 beträgt R, wenn das Substrat 5 auf dem Tisch 62 mit der Rotationsachsenlinie 62a ausgerichtet mit der Mitte des Substrats 5 angeordnet wird. Des Weiteren wird angenommen, dass eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie 62a des Tischs 62 und einem Mittelpunkt T der Oberfläche des Targets 64 OF, und eine Höhe von der Oberfläche des Substrats 5, das auf dem Tisch 62 angeordnet ist, zu dem Mittelpunkt T der Oberfläche des Targets 64 TS, beträgt, wobei das Target 64 angeordnet ist, um die folgende Beziehung im Wesentlichen zu erfüllen: R:OF:TS = 100:175:190 ± 20 (1)
Beispielsweise betragen OF und TS, wenn der Durchmesser des Substrats 5 200 mm beträgt, d.h., R = 100 mm, dann OF = 175 mm und TS = 190 mm. Wenn der Durchmesser des Substrats 5 300 mm beträgt, d.h., R = 150 mm, betragen OF = 262,5 mm und TS = 285 mm. Des Weiteren wird in einer allgemeinen Bedampfungsvorrichtung eine Toleranz auf TS eingestellt, da es einfacher ist, TS als OF einzustellen. Des Weiteren bedeutet "im Wesentlichen die folgende Beziehung (1) zu erfüllen", dass eine Abweichung von 5% o.Ä. des Verhältnisses von R:OF:TS von der Beziehung (1) in dem technischen Gebiet der Erfindung enthalten ist. Diese Abweichung beträgt ±10 mm o.Ä. der Toleranz von OF.
Des Weiteren ist die Rotationsachsenlinie 62a des Tischs 62, auf dem das Substrat 5 angeordnet ist, auf derselben Ebene wie die Normallinie 64a angeordnet, das durch den Mittelpunkt T auf der Oberfläche des Targets 64 (Kathodenoberfläche) läuft, und sie schneiden sich. Des Weiteren ist das Target 64 so angeordnet, dass ein Schnittwinkel θ die folgende Beziehung erfüllt: θ = 22° ± 2°(2)
Der Schnittpunkt der Normallinie 64a, der durch den Mittelpunkt T des Targets 64 läuft, mit der Oberfläche des Substrats 5 liegt innerhalb eines Bereiches von nicht mehr als 5 mm von der äußeren Kante des Substrats 5, wenn θ innerhalb dieses Bereichs fällt. Ist beispielsweise θ = 22° und beträgt der Durchmesser des Substrats 5 200 mm, dann wird eine Position von 2 mm von der äußeren Kante des Substrats 5 zu dem Schnittpunkt.
3A bis 3C sind Graphen, die Beziehungen zwischen dem Schnittwinkel θ des Targets und einer Filmdickenabweichung in der Zerstäubungsfilmausbildung von verschiedenen Metallmaterialien zeigen. In all den Zeichnungsfiguren repräsentiert eine vertikale Achse ein Verhältnis (%) von Standardabweichung σ der Filmdickenabweichung zur Filmdicke. Ein Atomgewicht von Ru (Ruthenium) beträgt ungefähr 101, ein Atomgewicht von Co, Ni und Fe beträgt ungefähr 5659, und ein Atomgewicht von Ir, Ta und Pt beträgt ungefähr 181–195. Die Graphen sind für jedes Element mit demselben Atomgewicht aufgetragen. 3A zeigt einen Fall für TS = 210 mm, 3B zeigt einen Fall für TS = 190 mm, und 3C zeigt einen Fall für TS = 170 mm.
Für TS = 190 mm kann 3B entnommen werden, dass die Filmdickenabweichung für jedes Element minimal in dem Bereich von θ = 22° ± 2° wird. In der Filmausbildung für Ru beträgt die Filmdickenabweichung nahezu 0% bei θ = 22°, wobei ein sehr gleichmäßiger Filmausbildungsprozess erreicht wird. In der Filmausbildung für Co, Ni und Fe mit Atomgewichten kleiner als das von Ru beträgt die Filmdickenabweichung ungefähr 0.1 % bei θ = 24°, und in der Filmausbildung für Ir, Ta und Pt mit Atomgewichten größer als das von Ru beträgt die Filmdickenabweichung ungefähr 0.5% bei θ = 20°. Demgemäss können in allen Fällen die Filmdickenabweichungen auf kleiner oder gleich 1 % reduziert werden.
Des Weiteren ist für TS = 210 mm aus 3A erkennbar, dass die Filmdickenabweichung von jedem Element in dem Bereich von θ = 22° ± 2° minimal wird. Es ist für alle Elemente wahrscheinlich, dass die Filmdickenabweichungen auf kleiner oder gleich 1 % reduziert werden können.
Des Weiteren ist für TS = 170 mm, wie es in 3C angegeben ist, die Filmdickenabweichung jedes Elements in dem Bereich von θ = 22° ± 2° minimal. Es ist für alle Elemente wahrscheinlich, dass die Filmdickenabweichungen auf kleiner oder gleich 1 % reduziert werden können.
Demgemäss kann eine Gleichmäßigkeit des Filmausbildungsprozesses für das Substrat durch Anordnen des Targets, um die obigen Beziehungen (1) und (2) zu erfüllen, verbessert werden.
Gemäß 1B ist eine Schirmplatte (eine seitliche Schirmplatte (erste Schirmplatte) 71 und eine untere Schirmplatte (zweite Schirmplatte) 72), bestehend aus rostfreiem Stahl o.Ä., bereitgestellt, um den Tisch 62 und das Target 64 zu umgeben. Die seitliche Schirmplatte 71 weist eine zylindrische Form auf und er streckt sich von einer Decke der Kammer 61 zu dem Tisch 62. Eine Mittelachse der seitlichen Schirmplatte 71 ist derart angeordnet, dass sie identisch mit der Rotationsachsenlinie 62a des Tischs 62 ist. Beispielsweise wird der Durchmesser der seitlichen Schirmplatte 71 auf 440 mm eingestellt. Des Weiteren ist die untere Schirmplatte 72 bereitgestellt, um sich von dem unteren Ende (Ende des ersten Bereiches) der seitlichen Schirmplatte 71 zu der äußeren Kante des Tischs 62 zu erstrecken. Die untere Schirmplatte 72 weist eine Trichterform auf und ihre Mittelachse ist derart angeordnet, dass sie mit der Rotationsachsenlinie 62a des Tischs 62 identisch ist.
Des Weiteren wird die Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 durch einen Raum definiert, der umgeben ist von der Substratoberfläche des auf den Tisch 62 angeordneten Substrat 5, der unteren Schirmplatte 72, der seitlichen Schirmplatte 71 und der Decke der Kammer 61. Daher wird das Substrat 5 durch den Tisch 62 gehalten, das mit der Substratoberfläche zu dem Inneren der Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 gerichtet ist. Die Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 weist eine achsensymmetrische Form auf, und ihre Symmetrieachse ist derart angeordnet, dass sie mit der Rotationsachsenlinie 62a des Tischs 62 identisch ist. Demgemäss kann jedes Teil des Substrats 5 zur gleichmäßigen Zerstäubungsverarbeitung angewendet werden; dadurch reduzieren sich die Filmdickenabweichungen. Des Weiteren wird ein Zerstäubungsgaszuführgerät (nicht gezeigt) innerhalb der Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 bereitgestellt, um Zerstäubungsgas zuzuführen. Des Weiteren wird die Kammer 61 mit einer Ausströmöffnung 69 bereitgestellt, die mit einer (nicht gezeigten) Ausströmpumpe verbunden ist.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils B von 1B. Wie es in 2 gezeigt wird, ist es bevorzugt, dass ein Winkel ϕ zwischen der Oberfläche des auf den Tisch 62 angeordneten Substrats 5 und einer Neigungsebene der unteren Schirmplatte 72 auf nicht mehr als 20° und nicht weniger als 0° eingestellt wird. Dies kann verhindern, dass die Gleichmäßigkeit der Filmdicke bei der äußeren Kante des Substrats 5 durch die untere Schirmplatte 72 verschlechtert wird. Des Weiteren ist ein Ausströmschlitz 74 zwischen dem Umkreis der unteren Schirmplatte 72 und dem unteren Ende der seitlichen Schirmplatte 71 ausgebildet. Der Ausströmschlitz 74 ist durch den Umkreis der Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 ausgebildet. Daher bildet ein Ausströmungsdurchgang innerhalb der Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 axiale Symmetrie aus; dadurch reduzieren sich die Filmdickenabweichungen in dem Substrat 5. Des Weiteren ist eine innere Kante der unteren Schirmplatte 72 an einer inneren Seite der äußeren Kante des auf den Tisch 62 angeordneten Substrats 5 angeordnet. Daher ist es möglich, das Einführen von Gas u.Ä. innerhalb der Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 in die Seite des Substrats 5 zu verhindern, um eine Verunreinigung des Substrats 5 zu verhindern.
(Filmausbildungsverfahren)
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Films auf die Oberfläche des Substrats unter Verwendung der Bedampfungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1A und 1B beschrieben.
Zuerst wird das Substrat 5 auf den Tisch 62 angeordnet und die Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 bildet ein Vakuum (Vakuumausbildungsprozess) aus. Als Nächstes wird ein Zerstäubungsgas wie Argon o.Ä. in die Zerstäubungsverarbeitungskammer 70 eingeleitet, um Plasma (Filmausbildungsprozess) zu erzeugen. Dann kollidieren Ionen des Zerstäubungsgases mit dem Target 64 als Kathode, und Atome eines Filmausbildungsmaterials werden von dem Target 64 abgegeben und auf dem Substrat 5 angebracht. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Filmausbildungsgeschwindigkeit an, wenn ein Magnetfeld an die Oberfläche des Targets angelegt wird, um ein Plasma von hoher Dichte nahe des Targets zu erzeugen.
Der Filmausbildungsprozess wird während des Rotierens des Substrats 5 unter Verwendung des Tischs 62 ausgeführt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Substrats 5 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 30 1/min, bevorzugterweise 120 1/min o.Ä. Dies ist der Grund dafür, warum die Filmdickenabweichungen in dem Umkreis des Substrats nicht gemittelt werden, wenn die Rotationsgeschwindigkeit gering ist, und demgemäss wird die Filmdickenabweichung in dem Kreisumfang des Substrats erzeugt. Im Besonderen wird ein Effekt der Filmdickenabweichungen wesentlich, wenn ein Film bei einer geringen Filmausbildungsgeschwindigkeit ausgebildet wird. Beispielsweise betragen die Filmdickenabweichungen größer oder gleich 1 %, wenn ein Film mit einer Filmdicke von kleiner oder gleich 100 Angström bei einer Filmausbildungsgeschwindigkeit von ungefähr 1 Angström pro Sekunde ausgebildet wird, und wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Substrats 5 weniger als 60 1/min beträgt.
In einem Bereich von praktischen Filmausbildungsbedingungen können die Filmdickenabweichungen auf kleiner oder gleich 1 % durch Einstellen der Rotationsgeschwindigkeit des Substrats 5 auf größer oder gleich 30 1/min beschränkt werden.
Des Weiteren wird von der Anordnung der Vorrichtung bestätigt, dass die maximale Rotationsgeschwindigkeit 300 1/min beträgt, obwohl die Rotationsgeschwindigkeit von größer oder gleich 120 1/min keinen unterscheidbaren Effekt zeigt. Daher kann gesagt werden, dass eine Rotationsgeschwindigkeit von größer oder gleich 30 1/min und kleiner oder gleich 300 1/min geeignet ist.
Wie bereits oben im Detail beschrieben, können die Bedampfungsvorrichtung und das Filmausbildungsverfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Filmdickenabweichungen reduzieren. Daher kann eine Filmdickenabweichung von kleiner oder gleich 1 % für verschiedene Arten von Targetmaterialien erreicht werden. Beispielsweise kann eine Filmdickenabweichung von 0.26% für Al erreicht werden, eine Filmdickenabweichung von 0.42% kann für TA erreicht werden, eine Filmdickenabweichung von 0.71 % kann für PtMn erreicht werden, eine Filmdickenabweichung von 0.47% kann für CoFe erreicht werden, eine Filmdickenabweichung von 0.39% kann für NiFe erreicht werden, und eine Filmdickenabweichung von 0.20% kann für Ru erreicht werden. Daher kann eine gleichmäßige Filmdicke für CoFe, NiTe, PtMn, IrMn u.Ä., die als magnetische Materialien genutzt werden, oder Ru und u.Ä. als nicht-magnetische Metalle, und auch für Cu, Ta, Al u.Ä., die häufig für Halbleiterbauelemente genutzt werden, erzielt werden.
Des Weiteren können Filmdickenabweichungen in Schichten durch Ausbilden eines magnetischen mehrfach geschichteten Films durch Verwenden der Bedampfungsvorrichtung und des Filmausbildungsverfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung reduziert werden. Im Besonderen kann eine Differenz des Widerstands des Tunnelübergangbauelements abhängig von den Positionen auf dem Substrat bei der Ausbildung eines Tunnelübergangbauelements reduziert werden, da eine Tunnelbarrierenschicht flach ausgebildet werden kann. Des Weiteren kann eine Magnetisierung der freien Schicht in dem Tunnelübergangbauelement gleichmäßig werden, wobei eine Abweichung eines Magnetfelds, das angelegt wurde, um eine Magnetisierungsrichtung der freien Schicht umzukehren, reduziert werden kann, da eine freie Schicht glatt ausgebildet werden kann. Dies ist zum Herstellen von MRAM-Bauelementen mit einer gleichmäßigen Leistungsfähigkeit oder Effizienz auf einem großen Wafer bzw. einer großen Halbleiterscheibe sehr wichtig.
Der technische Bereich der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, aber kann ausgelegt werden, um zahlreiche Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele zu enthalten, ohne von der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das bedeutet, dass detaillierte Materialien, Konstruktionen, Herstellungsbedingungen, usw., die in den Ausführungsbeispielen beschrieben und gezeigt wurden, nur Beispiele sind, aber als solche in vielfältiger Weise weitergebildet werden können.
Beispielsweise kann das Target nahe dem Boden der Kammer und der Tisch nahe der Decke der Kammer angeordnet werden, obwohl in dem obigen Ausführungsbeispiel veranschaulicht wurde, dass der Tisch nahe dem Boden der Kammer und das Target nahe der Decke der Kammer angeordnet sind. Des Weiteren kann das Substrat mit dem Zentrum des Substrats hinsichtlich der Rotationsachsenlinie des Tischs versetzt angeordnet werden, obwohl in dem obigen Ausführungsbeispiel veranschaulicht wurde, dass das Substrat mit dem Zentrum des Substrats ausgerichtet mit der Rotationsachsenlinie des Tischs an geordnet ist. Des Weiteren kann ein Filmausbildungsprozess gleichzeitig für eine Vielzahl von auf dem Tisch angeordneten Substraten ausgeführt werden.
[Gewerbliche Anwendbarkeit]
Die vorliegende Erfindung ist zur Ausbildung eines ein Halbleiterbauelement bildenden Films, wie beispielsweise ein einen magnetischen Kopf bildendes GMR-Spinventil bzw. -Drehventil, ein ein MRAM bildendes TMR-Bauelement, usw., angepasst.
ZUSAMMENFASSUNG
Bedampfungsvorrichtung zum Ausführen eines Filmausbildungsprozesses auf einer Substratoberfläche mit einem scheibenförmigen Substrat, während das Substrat um eine Rotationsachsenlinie rotiert, wobei die Bedampfungsvorrichtung umfasst: eine Kammer, einen Tisch, der das Substrat um die Rotationsachsenlinie rotiert, und eine Zerstäubungskathode, die eine dem Substrat zugewendete Kathodenoberfläche aufweist. Unter der Annahme, dass ein Abstand zwischen der Rotationsachsenlinie und einer äußeren Kante des Substrats R beträgt, eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie und einem Mittelpunkt der Kathodenoberfläche OF beträgt, und eine Höhe von der Substratoberfläche zu dem Mittelpunkt der Kathodenoberfläche TS beträgt, wird die folgende Bedingung im Wesentlichen erfüllt: R:OF:TS = 100:175:190 ± 20.
Des Weiteren schneidet die Rotationsachsenlinie eine Normallinie, die den Mittelpunkt der Kathodenoberfläche durchläuft, und daher fällt ein Schnittwinkel innerhalb eines Bereichs von 22° ± 2°.

Claims

Bedampfungsvorrichtung zum Ausführen eines Filmausbildungsprozesses auf einer Substratoberfläche eines scheibenförmigen Substrats während des Rotierens des Substrats um eine Rotationsachsenlinie, wobei die Bedampfungsvorrichtung umfasst: eine Kammer mit einer darin ausgebildeten Zerstäubungsverarbeitungskammer; einen Tisch, der in einem ersten Bereich der Kammer bereitgestellt ist, und der das Substrat in einer Ebene parallel zu der Substratoberfläche um die Rotationsachsenlinie rotiert, während das Substrat, mit der dem Inneren der Zerstäubungsverarbeitungskammer zugewendeten Substratoberfläche gehalten wird; und eine Zerstäubungskathode, die an einer Position in einem Abstand von der Rotationsachsenlinie in einem zweiten Bereich der Kammer bereitgestellt ist, wobei der zweite Bereich sich auf der gegenüberliegenden Seite zu dem ersten Bereich mit der dazwischenliegenden Zerstäubungsverarbeitungskammer befindet, und eine dem Substrat in der Zerstäubungsverarbeitungskammer zugewendete Kathodenoberfläche aufweist, wobei angenommen wird, dass eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie und einer äußeren Kante des Substrats R beträgt, eine Distanz zwischen der Rotationsachsenlinie und einem Mittelpunkt der Kathodenoberfläche OF beträgt, und eine Höhe von der Substratoberfläche zu dem Mittelpunkt der Kathodenoberfläche TS beträgt, und die folgende Beziehung im Wesentlichen erfüllt wird, R:OF:TS = 100:175:190 ± 20; unddie Rotationsachsenlinie eine Normallinie schneidet, die durch den Mittelpunkt der Kathodenoberfläche läuft, wobei ein Schnittwinkel in einem Bereich von 22° ± 2° liegt.
Die Bedampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Schirmplatte, die das Substrat umgibt, mit einer axialen Symmetrie um die Rotationsachsenlinie angeordnet ist, und wobei die Zerstäubungsverarbeitungskammer durch einen inneren Raum umgeben durch die Schirmplatte und die Substratoberfläche definiert ist.
Die Bedampfungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schirmplatte enthält: eine erste Schirmplatte mit einer zylindrischen Form, die sich von dem zweiten Bereich zu dem ersten Bereich erstreckt; und eine zweite Schirmplatte mit einer Trichterform, die sich von einem Endteil der ersten Schirmplatte in dem ersten Bereich zu einer äußeren Kante des Substrats erstreckt, wobei ein Einfallswinkel der zweiten Schirmplatte mit Bezug auf die Substratoberfläche kleiner als oder gleich 20° eingestellt ist.
Verfahren zum Ausbilden eines Films mit Verwendung einer Bedampfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: einen ein Vakuum ausbildenden Schritt zur Ausbildung eines Vakuums in der Zerstäubungsverarbeitungskammer, wobei das Substrat auf dem Tisch angeordnet ist; und einen einen Film ausbildenden Schritt zum Ausbilden des Films auf der Substratoberfläche durch Einführen eines Zerstäubungsgases in die Zerstäubungsverarbeitungskammer und Erzeugen von Plasma, während das Substrat unter Verwendung des Tischs rotiert wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Films nach Anspruch 4, wobei das Substrat mit einer Rotationsgeschwindigkeit von nicht weniger als 30 1/min rotiert wird.
Verfahren zum Ausbilden eines Films nach Anspruch 5, wobei ein mehrfach geschichteter Film einschließlich einer magnetischen Schicht in dem Filmausbildungsschritt ausgebildet wird.