JP5705689B2 - 相変化メモリの形成方法、及び相変化メモリの形成装置 - Google Patents
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Description
本発明の態様の一つは、互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイド膜を基板上にて積層することによって相変化メモリを形成する相変化メモリの形成方法であって、前記基板の温度を250℃以上350℃以下に加熱しつつ、互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイドターゲットの各々を互いに異なるタイミングでアルゴンガスによりスパッタして、互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイド膜を毎秒3nm以上10nm以下の速度で前記基板上に積層することを要旨とする。
本発明の態様の一つでは、基板ステージの載置面によって基板の吸着及び加熱を行うようにしている。そのため、基板の面内における温度ばらつきを小さくすることができる。それゆえに、基板の面内において該基板からスパッタ粒子に対して与えられるエネルギーのばらつきを小さくすることができ、ひいては、スパッタ粒子の表面拡散のばらつきを小さくすることができる。したがって、基板の面内における膜成長及び平坦性を高めることができる。
スパッタ装置10の備える円筒状の真空槽11には、その上面を封止する上蓋12が固着されている。真空槽11内には、処理対象である円板状の処理基板Sを保持する基板ステージ13が設置されている。基板ステージ13には、処理基板Sを該基板ステージ13の載置面13aに静電的に吸着するためのチャック電極14が内蔵されている。チャック電極14には、該チャック電極14に対して直流電流を供給するチャック電源15が接続されている。これにより、基板ステージ13の載置面13aには処理基板Sが静電吸着されるため、載置面13aに例えば真空吸着用の吸引孔が形成される構成や、メカニカルチャック等によって機械的に処理基板Sを保持する構成と比較して、載置面13aに接触する処理基板Sの領域を大きくすることが可能である。これにより、処理基板Sの面内における温度のばらつきを抑えることができる。
[スパッタ装置の作用]
上記スパッタ装置10の作用のうち、金属カルコゲナイド膜の積層体を該スパッタ装置10が形成する際に行う動作について図2を参照して説明する。なお、図2には、スパッタ装置10に搭載された制御装置からアルゴンガス供給部32、高周波電源24、第1スイッチSWa、第2スイッチSWb、及びシャッタ26に対する駆動指令の出力態様が示されている。
次に、上記積層体にて生じる相変化について図3を参照して説明する。図3(a)に示されるように、基板上に形成されたSiO2からなる絶縁膜41の凹部には、該凹部の内周面にSiNからなる断熱層42が形成され、該断熱層42の内部には、Wからなる下部電極43が埋め込まれている。そして、絶縁膜41の上面には、下部電極43の上端面を覆うように、積層体44が形成されている。積層体44は、1nmの厚さを有したGeTe膜44aと、同じく1nmの厚さを有したSb2Te3膜44bとが交互に積層された構成である。また、積層体44上には、例えばWからなる上部電極45が積層されている。積層体44と上部電極45とは、絶縁膜41の上面全体に形成された後、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングされている。
直径200mmのシリコン基板に対して以下の条件にて、GeTe膜を形成した。
・GeTeターゲット Ge:36.3質量%、Te:63.7質量%
・Arガス流量 50sccm
・真空槽内の圧力 0.2〜0.5Pa
・ターゲット電力 50W〜1000W
・シリコン基板の温度 300℃
・膜厚 10nm
スパッタ速度を1nm/sec以上13nm/sec以下の範囲で変更し、各GeTe膜の表面における二乗平均平方根粗さ(JIS B 0601)(nm)を算出した。二乗平均平方根粗さの算出値とスパッタ速度との関係を図4に示す。また、X線回折(X-ray Diffraction : XRD)を用い、各GeTe膜の結晶性を評価した。上記スパッタ速度のうち、3nm/sec以上10nm/sec以下の低速GeTe膜で認められた回折ピークを図5の実線L1に示し、スパッタ速度が10nm/secを超える高速GeTe膜で認められた回折ピークを図5の一点鎖線L2に示す。
[実施例]
上記成膜条件のうち、スパッタ速度が3nm/sec以上10nm/sec以下である条件にてGeTe膜及びSb2Te3膜を交互に10層ずつ積層することにより、実施例1の相変化メモリを得た。また、上記成膜条件のうち、スパッタ速度が3nm/sec未満となる条件にてGeTe膜及びSb2Te3膜を交互に10層ずつ積層することにより、比較例1の相変化メモリを得た。また、上記成膜条件のうち、スパッタ速度が10nm/secを超える条件にてGeTe膜及びSb2Te3膜を交互に10層ずつ積層することにより、比較例2の相変化メモリを得た。さらに、以下の条件にて形成したGe2Sb2Te5膜を相変化膜とすることにより、比較例3の相変化メモリを得た。
・真空槽内の圧力 0.5Pa
・ターゲット電力 500W
・シリコン基板の温度 250℃
・膜厚 200nm
そして、各々の相変化メモリにおけるアモルファスの状態から結晶の状態に相変化するまでの時間であるセット時間と、結晶の状態からアモルファスの状態に相変化するまでの時間であるリセット時間とを測定した。この測定結果を以下の表1に示す。
(1)各ターゲット22a,22bから放出されたスパッタ粒子は、スパッタされたときと、処理基板Sに到達したときとにおいて、処理基板S上での表面拡散が可能な程度のエネルギーを得ることができる。しかも、スパッタ粒子の表面拡散を妨げない程度の頻度で、処理基板S上に新たなスパッタ粒子が到達することから、処理基板Sの面内において膜の成長速度の均一性が高められる。その結果、GeTe膜44a及びSb2Te3膜44bの平坦性が高くなり、ひいては、膜を構成する結晶の面方位が[111]配向にそろいやすくなる。その結果、GeTe膜44aとSb2Te3膜との境界での相変化が均一に生じることになり、こうした相変化に要する時間も短くなり、ひいては、上記積層体44を有する相変化メモリにおいて、読み書き動作の速度を高めることができる。
・基板ステージ13を回転することなく、GeTe膜44a及びSb2Te3膜44bを形成するようにしてもよい。こうした構成であっても、上記(1)、(3)〜(6)に準じた効果を得ることができる。
・GeTe膜44aとSb2Te3膜44bとを交互に積層することによって、これら膜の境界にGeSbTe化合物が形成されるようにした。これに限らず、互いに異なる組成を有した金属カルコゲナイド膜の境界に、AgInSbTe化合物が形成される、あるいはGeCuTe化合物が形成されるように、二つの金属カルコゲナイドターゲットを構成するようにしてもよい。この場合、金属カルコゲナイドターゲットの組み合わせとしては、例えばAgInTe2ターゲットとAgSbTe2ターゲットとの組み合わせ、あるいはGeTeターゲットとCuTeターゲットとの組み合わせを採用することができる。こうした構成であっても、上記(1)〜(3)に準じた効果を得ることができる。
Claims (7)
- 互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイド膜を基板上にて積層することによって相変化メモリを形成する相変化メモリの形成方法であって、
前記基板の温度を250℃以上350℃以下に加熱しつつ、
互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイドターゲットの各々を互いに異なるタイミングでアルゴンガスによりスパッタして、互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイド膜を毎秒3nm以上10nm以下の速度で前記基板上に積層する
ことを特徴とする相変化メモリの形成方法。 - 前記基板が載置される基板ステージを回転させつつ、互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイド膜を前記基板上に積層する
請求項1に記載の相変化メモリの形成方法。 - 前記基板ステージにおける前記基板の載置面を加熱面とし、
前記基板を前記加熱面に吸着しつつ加熱する
請求項2に記載の相変化メモリの形成方法。 - 前記金属カルコゲナイドターゲットは、GeTeターゲットとSb2Te3ターゲットとからなり、
前記GeTeターゲットは、Geを9.13質量%以上69.5質量%以下、Teを30.5質量%以上90.87質量%以下含んでなり、
前記Sb2Te3ターゲットは、Sbを29質量%以上89.6質量%以下、Teを10.4質量%以上71質量%以下含んでなり、
前記GeTeターゲット及び前記Sb2Te3ターゲットの各々を0.05Pa以上1Pa以下の雰囲気にてスパッタして、GeTe膜及びSb2Te3膜を毎秒3nm以上10nm以下の速度で前記基板上に積層する
請求項1〜3のいずれか一項に記載の相変化メモリの形成方法。 - 前記金属カルコゲナイドターゲットのうち、スパッタ対象である前記金属カルコゲナイドターゲットを露出させ、且つ、前記スパッタ対象以外の前記金属カルコゲナイドターゲットを覆うシャッタを用い、
前記スパッタ対象の切り替えを行うときには、前記シャッタから露出される前記金属カルコゲナイドターゲットを切り替える
請求項1〜4のいずれか一項に記載の相変化メモリの形成方法。 - 二つ以上の金属カルコゲナイドターゲット間でのスパッタ対象の切り替え時における前記加熱面の温度と、前記金属カルコゲナイドターゲットのスパッタ時における前記加熱面の温度とを等しくする
請求項3に記載の相変化メモリの形成方法。 - 互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイド膜を基板上にて積層することによって相変化メモリを形成する相変化メモリの形成装置であって、
互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイドターゲットの各々をアルゴンガスでスパッタするスパッタ源と、
前記基板を加熱する基板ステージを備え、
前記基板ステージが前記基板の温度を250℃以上350℃以下に加熱した状態で、前記スパッタ源が前記二つ以上の金属カルコゲナイドターゲットの各々を互いに異なるタイミングでスパッタすることにより、互いに異なる組成を有した二つ以上の金属カルコゲナイド膜を毎秒3nm以上10nm以下の速度で前記基板上に積層する
ことを特徴とする相変化メモリの形成装置。
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