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KR20130088200A - 제조장치 - Google Patents

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KR20130088200A
KR20130088200A KR1020137019663A KR20137019663A KR20130088200A KR 20130088200 A KR20130088200 A KR 20130088200A KR 1020137019663 A KR1020137019663 A KR 1020137019663A KR 20137019663 A KR20137019663 A KR 20137019663A KR 20130088200 A KR20130088200 A KR 20130088200A
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KR
South Korea
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sputtering
substrate
film
transfer
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KR1020137019663A
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코지 츠네카와
Original Assignee
캐논 아네르바 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 하나의 다층박막이 동일한 타입의 복수의 층들을 포함하더라도 소위 순차적 기판이송을 구현하고 스루풋을 향상시킬 수 있는 제조장치를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 제조장치는 이송챔버(12), 각각 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 3개의 스퍼터링 증착챔버(13A,13C,13E), 각각 2이상의 스퍼터링 음극을 포함한 2개의 스퍼터링 증착챔버(13B,13D), 및 스퍼터링과는 다른 프로세스를 수행하기 위한 프로세스 챔버(14)를 포함하고, 3개의 스퍼터링 증착챔버(13A,13C,13E), 2개의 스퍼터링 증착챔버(13B,13D), 및 프로세스 챔버(14)는 각각이 이송챔버(12)와 함께 기판의 전달 및 수용을 수행할 수 있도록 이송챔버(12) 주위로 배열된다.

Description

제조장치{MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기 디스크 드라이브 장치의 자기재생헤드, 자기 랜덤 엑세스 메모리의 기억소자, 자기센서에 사용되는 자기저항소자, 반도체 메모리의 기억소자 등과 같은 다층박막을 도포하는 디바이스의 제조 프로세스에 바람직한 다층박막 제조장치에 관한 것이다.
종래 다층박막의 성막장치는 한 스퍼터링 증착챔버가 다층박막의 하나 이상의 막 타입들의 개수와 같은 개수로 스터퍼링 음극을 포함하는 구성(특허문헌 1 참조) 또는 복수의 스퍼터링 음극들을 각각 포함하는 복수의 스퍼터링 증착챔버들을 구비하는 소위 클러스터 시스템의 구성(특허문헌 2 참조)을 갖는다.
또 다른 구성으로, 클러스터 시스템은 다층박막의 막 타입의 개수와 적어도 같은 개수로 하나의 스퍼터링 음극을 각각 포함하는 스퍼터링 증착챔버들을 포함한다(특허문헌 3 참조).
또한, 또 다른 구성으로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 내부에 하나의 타겟(116a)이 설치된 제 1 진공챔버(110), 내부에 4개의 타겟(116b, 116c, 116d, 및 116e)이 설치된 제 2 진공챔버(112), 및 이들 2개의 진공챔버(110 및 112)를 연결하는 이송챔버(114)를 포함한 스퍼터링 장치를 이용해 기판 위에 자기저항소자를 포함한 다층박막을 증착하기 위한 스퍼터링 장치가 개시되어 있다(특허문헌 4 참조).
또한, 또 다른 구성으로, 도 9의 이용에 의해 특허문헌 5에 개시된 스퍼터링 시스템(600)을 설명할 것이다. 도 9의 스퍼터링 시스템(600)은 제 1 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(604), 멀티타겟 DC 스퍼터링 모듈(606), 멀티타켓 이온빔 스퍼터링 모듈(608), 및 제 2 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(610)을 포함한다. 로드락(616)이 웨이퍼의 진출입을 가능하게 한다. 컨트롤패널(614)이 스퍼터링 시스템(600)의 파라미터와 프로세서를 제어한다.
먼저, 도 10을 이용해, 도 9에 기술된 스퍼터링 시스템(600)을 이용해 제조된 스핀밸브센서(300)를 설명할 것이다. 도 10에 기술된 스핀밸브센서(300)는 기판(302), 하단실드층(311)(Ni-Fe막), 하단갭층(304)(Al2O3막), 멀티시드층(306)(제 1 시드층:Al2O3막, 제 2 시드층:Ni-Cr-Fe막, 및 제 3 시드층:Ni-Fe막), 반강자성 피닝층(308)(Pt-Mn막), Co-Fe막(310), Ru막(312), Co-Fe막(314), 스페이서층(316)(Cu(CU-0)막), Co-Fe막(318), Ni-Fe막(320), 캡층(322)(Al(Al-0)막), 상부갭층(324)(Al2O3막), 및 상부실드층(Ni-Fe막)(325)을 포함한다. 여기서, 도 10은 강자성 감지층(307)("자유층"이라고 함)이 스페이서층(316)에 의해 강자성 핀층(309)과 떨어져 있는 것을 나타낸다. 도 10에 도시된 스핀밸브센서(300)에서, 핀층(309)의 자화는 핀층이라고 하는 반자성막과 교환 짝이룸(exchange coupling)에 의해 한정되고, "감지"층 또는 "자유"층(307)이라고 하는 또 다른 강자성 박막의 자화는 고정되지 않고 기록된 자기매체로부터 자기장(신호 자기장)에 응답해 자유롭게 회전된다.
다음, 도 9에 기술된 스퍼터링 시스템(600)을 이용해, 스핀밸브센서(300)를 제조하는 방법을 설명할 것이다. 먼저, 하단갭층(304)은 제 1 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(604)에서 웨이퍼 위에 형성된다. 그 후, 멀티시드층(306)을 적층하기 위해, 웨이퍼는 제 2 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(610)로 옮겨져, 제 1 시드층(Al2O3)막이 적층된다. 그런 후, 제 2 시드층(Ni-Fe-Cr)막과 제 3 시드층(Ni-Fe)막을 적층하기 위해, 웨이퍼는 멀티타겟 이온빔 스퍼터링 모듈(608)로 옮겨지고 Ni-Cr-Fe막과 Ni-Fe막이 각각 적층된다. 그 후, 웨이퍼는 스핀밸브센서의 나머지 층들을 적층하기 위해 멀티타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(606)로 옮겨진다. 나머지층들은 Pt-Mn막(308), Co-Fe막(310), Ru막(312), Co-Fe막(314), Cu(Cu-0)막(316), Co-Fe막(318), Ni-Fe막(320), 및 Al(Al-0)막(322)을 포함한다. 적층 후에, 웨이퍼는 어닐링되고 Ta막이 적층된다.
특허문헌 인용목록
PTL 1: 일본특허출원공개공보 No. 2002-167661
PTL 2: J일본특허출원공개공보 No. H08-239765
PTL 3: 일본특허출원공개공보 No.2007-311461
PTL 4: 일본특허출원공개공보 No. 2000-269568
PTL 5 : 일본특허출원공개공보 No. 2003-158313
최근 다층박막 애플리케이션 장치에서, 적층된 층들의 개수 증가 이외에, 다층박막을 형성하고 금속막, 절연막 및 반도체막을 조합한 막들 가운데 크기 순으로 두께가 다른 막을 이용하는 경향이 있다.
복수의 스퍼터링 음극들을 각각 포함한 복수의 스퍼터링 증착챔버들을 포함하는 클러스터타입 제조장치에 의해 이런 다층박막을 형성하는 경우(특허문헌 1 및 특허문헌 2), 크기가 다른 순으로 두께가 더 두꺼운 막 또는 다층박막에서 크기가 다른 순으로 스퍼터링율이 더 낮은 산화막을 스퍼터링으로 형성하는 시간이 또 다른 박막을 형성하는 시간보다 더 길어지며, 이는 제조장치의 스루풋(throughput)을 제한하는 원인이 되었다. 특히, 단일요소를 포함한 박막을 형성할 경우, 복수의 스퍼터링 음극들 중 단 하나만 기능하기 때문에 풋프린트에서 또한 문제가 되었다.
또한, 특허문헌 1 또는 특허문헌 2에 기술된 제조장치를 이용해 금속막, 절연막 및 반도체막을 조합하여 형성된 다층박막의 경우에 대해, 금속막이 절연막 또는 반도체막에 혼합될 경우 디바이스 특성이 상당히 저하되는 소위 층간 교차오염 문제가 있어 왔다.
다른 한편으로, 다층박막에서 막 타입의 개수와 적어도 같은 개수로 하나의 스퍼터링 음극을 각각 포함한 스퍼터링 증착챔버들을 포함하는 클러스터타입 제조장치(특허문헌 3)에서, 층간 교차오염이 방지될 수 있다. 그러나, 스퍼터링 증착챔버의 개수가 증가되어야할 필요가 있기 때문에, 제조장치의 크기가 증가되고 따라서 비용 증가, 풋프린트 증가, 및 에너지소비 증가 문제가 있었다. 또한, 특허문헌 3에 기술된 제조장치에서, 복수의 요소들을 포함한 박막이 형성될 수 없는 문제가 있었다.
더욱이, 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 장치에서, 하나의 다층박막이 동일한 막 타입의 복수의 층들을 포함하는 경우, 스퍼터링 타겟이 각 층에 대해 제공되지 않기 때문에 일련의 성막 프로세스에서 기판이 동일한 챔버에 2회 전달된다. 즉, Ta/NiFe/CoFeB/Cu/CoFeB/PdPtMn/Ta를 포함한 자기저항효과 박막이 특허문헌 4에 기술되고 도 8에 도시된 스퍼터링 장치의 사용에 의해 형성될 때, 기판은 다음과 같이 제 1 진공챔버(110)에 2회 전달된다. 먼저, 제 1 진공챔버(110)에 타겟으로서 Ta를 이용한 스퍼터링에 의해 Ta 막이 기판 표면에 형성되고, 기판은 제 2 진공챔버(112)로 전달되고, 그런 후 타겟으로서 NiFe, CoFeB, Cu, PdPtMn을 이용해 스퍼터링함으로서 NiFe막, CoFeB막, Cu막, PdPtMn막이 형성된다. 그 후, 기판은 제 1 진공챔버(110)에서 타겟으로서 Ta를 이용한 스퍼터링에 의해 기판표면에 Ta 막을 형성하기 위해 다시 제 1 진공챔버(110)로 옮겨질 필요가 있다. 이런 식으로, 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 장치의 경우에, 기판은 일련의 성막 프로세스에서 동일한 처리챔버에 2회 전달되고 따라서 스루풋에 문제가 되었다. 더욱이, 소위 순차적 기판 이송이 구현될 수 없는 문제가 있었다.
또한, 도 9에 도시된 특허문헌 5의 스퍼터링 시스템에서, 웨이퍼는 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(604), 제 2 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(610), 멀티타겟 이온빔 스퍼터링 모듈(608), 및 멀티타겟 DC 스퍼터링 모듈(606), 이런 순으로, 옮겨지고 도 11에 기술된 스핀밸브센서(300)가 제조된다. 따라서, 특허문헌 5의 스퍼터링 시스템(600)은 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 장치에 비해 소위 순차적 기판 이송을 구현한다.
그러나, 특허문헌 5의 스퍼터링 시스템(600)에서는, 스핀밸브센서(300)에서 반강자성 피닝층(308)(Pt-Mn막)으로부터 캡층(322)(Al(Al-O)막)까지 성막은 멀티타겟 DC 스퍼터링 모듈(606)에서 수행된다.
일반적으로, 스핀밸브센서(300)에서, 반강자성 피닝층(308)(Pt-Mn막)의 막두께(10에서 20㎚)는 다른 층들, 가령, Co-Fe막(318)(1에서 5㎚)의 막두께보다 1차수 더 크다. 따라서, 멀티타겟 DC 스퍼터링 모듈(606)에서 성막시간(또한 "택 타임(takt time)"이라고도 함)은 제 1 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(604), 제 2 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(610), 및 멀티타겟 이온빔 스퍼터링 모듈(608)에서의 성막시간에 비해 상당히 길다. 스루풋은 단위시간(택 타임)에 처리될 수 있는 기판 작업량에 의해 결정된다. 따라서, 택 타임이 각각의 제 1 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(604), 제 2 싱글타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈(610), 멀티타겟 이온빔 스퍼터링 모듈(608), 및 멀티타겟 DC 스퍼터링 모듈(606)에서 짧더라도, 스루풋은 멀티타겟 DC 스퍼터링 모듈(606)의 택 타임이 더 길면 멀티타겟 DC 스퍼터링 모듈(606)의 택 타임에 의해 결정된다. 그 결과, 특허문헌 5의 스퍼터링 시스템(600)은 스루풋에서 문제가 있다.
본 발명은 소위 순차적 기판 이송을 구현하고 다층박막이 동일한 막타입의 복수의 층들을 포함하더라도 스루풋을 향상시킬 수 있는 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이런 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일태양은 기판 위에 다층박막을 성장시키는 제조장치로서, 기판이송장치를 포함한 이송챔버; 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 1 스퍼터링 증착챔버; 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 2 스퍼터링 증착챔버; 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 3 스퍼터링 증착챔버; 2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 4 스퍼터링 증착챔버; 2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 5 스퍼터링 증착챔버; 및 스퍼터링과는 다른 프로세스를 수행하기 위한 프로세스 챔버를 포함하고, 제 1 스퍼터링 증착챔버, 제 2 스퍼터링 증착챔버, 제 3 스퍼터링 증착챔버, 제 4 스퍼터링 증착챔버, 제 5 스퍼터링 증착챔버, 및 프로세스 챔버가 이송챔버 주위로 배열되어 각각이 이송챔버와 함께 기판의 수송 및 수용을 수행할 수 있는 제조장치이다.
본 발명에 따르면, 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 1 스퍼터링 증착챔버; 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 2 스퍼터링 증착챔버; 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 3 스퍼터링 증착챔버; 2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 4 스퍼터링 증착챔버; 2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 5 스퍼터링 증착챔버; 및 스퍼터링과는 다른 프로세스를 수행하기 위한 프로세스 챔버가 이송챔버 주위로 배열된다. 따라서, 한 다층박막이 동일한 막 타입의 복수의 층들을 포함하더라도, 소위 순차적 기판 이송을 구현하고 스루풋을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다층박막 제조장치의 제 1 예를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 스퍼터링 음극들을 포함한 스퍼터링 증착챔버의 일예를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하나의 스퍼터링 음극들을 포함한 스퍼터링 증착챔버의 일예를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 기판 표면에 실질적으로 평행한 스퍼터링 타겟 면을 만들기 위해 스퍼터링 음극을 실장한 스퍼터핑 증착챔버의 일예를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제조장치의 사용에 의해 제조되는 터널자기저항소자의 막조성물 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다층박막 제조장치의 제 2 예를 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 프로세스 챔버의 내부구조를 도시한 구성도이다.
도 8은 종래 다층박막 제조장치의 일예(특허문헌 4)를 도시한 구성도이다.
도 9는 종래 다층박막 제조장치의 일예(특허문헌 5)를 도시한 구성도이다.
도 10은 종래 다층박막 제조장치(특허문헌 5)에 의해 제조된 스핀밸브센서의 일예를 도시한 구성도이다.
도면을 이용해 본 발명의 실시예에 따른 다층박막 제조장치를 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다층박막 제조장치의 제 1 예를 도시한 구성도이다. 도 1의 제조장치는 저가를 유지하는 한편 스루풋을 향상시키고 또한 다층박막 형성시 층간 교차오염을 예방하거나 줄임으로써 장치특성 열화를 억제하는데 적합하다.
본 발명의 제조장치의 특징은 스퍼터핑과는 다른 프로세스를 수행하기 위한 프로세스 챔버(에칭챔버 14), 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 1 스퍼터링 증착챔버(스퍼터링 증착챔버 13A), 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 2 스퍼터링 증착챔버(스퍼터링 증착챔버 13C), 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 3 스퍼터링 증착챔버(스퍼터링 증착챔버 13E), 2이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 4 스퍼터링 증착챔버(스퍼터링 증착챔버 13B), 및 2이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 5 스퍼터링 증착챔버(스퍼터링 증착챔버 13D)가 기판이송장치를 포함한 이송챔버 주위로 배열되어 있다. 여기, 도 1에서, 각각 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 3개의 스퍼터링 증착챔버들, 각각 2이상의 스퍼터링 음극을 포함한 2개의 스퍼터링 증착챔버들, 및 스퍼터링과 다른 프로세스를 수행하기 위한 프로세스 챔버가 기판이송장치를 포함한 이송챔버 주위로 제공된다. 후술되는 바와 같이, 스루풋 향상 관점에서 하나의 스퍼터링 음극을 각각 포함한 3이상의 스퍼터링 증착챔버들을 제공하는 것이 필요하다.
도 1에서, 5개의 스퍼터링 증착챔버들(13A에서 13E), 역(逆) 스퍼터링 에칭에 의한 기판(25) 표면상에 산화물 및 오염을 제거하기 위한 에칭챔버(14), 및 2개의 로드락 챔버(15A 및 15B)가 기판이송장치(11)로서 2개의 기판 이송로봇(11A 및 11B)을 포함한 이송챔버(12)에 연결되어 있다. 스퍼터링 증착챔버들(13A에서 13E) 중에, 13A, 13C 및 13E 각각은 하나의 스퍼터링 음극(31)을 포함하고, 13B 및 13D 각각은 5개의 스퍼터핑 음극(31)을 포함한다. 하나의 기판이송로봇이 도 1에 기술된 기판이송장치(11)로 사용될 수 있음에 유의하라.
모든 챔버들 및 로드락 챔버들(15A 및 15B) 각각은 상기 챔버들을 진공으로 배기시키기 위한 진공펌프를 가지며, 로드락 챔버들(15A 및 15B) 이외의 챔버들은 항상 진공으로 유지된다. 여기서, 후술되는 모든 실시예들에서, 모든 챔버들과 로드락 챔버들은 진공펌프가 있는 것으로 추정한다.
로드락 챔버들(15A 및 15B)은 기판(25)이 프로세스 전에 대기에서 가져올 때 그리고 기판(25)이 프로세스 후에 대기로 꺼내질 때 대기압과 동일한 압력을 갖도록 유지된다. 다른 한편으로, 로드락 챔버들(15A 및 15B)은 상기 로드락 챔버들(15A 및 15B)에 배치된 기판들(25)이 진공으로 배기되는 이송챔버(12)로 옮겨지고 기판(25)이 프로세스 후에 이송챔버(12)로부터 회수될 때 진공으로 배기된다. 로드락 챔버들(15A 및 15B)의 개수는 반드시 2개일 필요가 없으며 하나일 수 있다.
스퍼터링 증착챔버(13A), 스퍼터링 증착챔버(13B), 스퍼터링 증착챔버(13C), 스퍼터링 증착챔버(13D), 스퍼터링 증착챔버(13E) 및 프로세서 챔버(14) 각각에 그리고 각각의 로드락 챔버들(15A 및 15B) 사이에 게이트 밸브(16)가 제공된다. 각각의 게이트 밸브(16)는 기판(25)이 이송될 때를 제외하고는 닫혀 있다. 기판이송로봇(11)은 로드락 챔버(15A 및 15B)로부터 기판(25)을 꺼내어 상기 기판(25)을 컴퓨터 프로그램으로부터의 명령어에 의해 소정 챔버로 이송시키도록 구성된다.
복수의 스퍼터링 음극(31)을 각각 포함한 스퍼터링 증착챔버(13B) 및 스퍼터링 증착챔버(13D)에서, 복수의 스퍼터링 음극(31)이 도 2에 도시된 바와 같이 스퍼터링 증착챔버(13B 및 13D)의 각 상부에 배치된다. 스퍼터링 증착챔버(13B 및 13D)의 각 내부 아래쪽에, 스퍼터링 증착챔버(13B 및 13D) 외부에 제공된 전원(도면에 미도시됨)에 의해 회전될 수 있는 기판 스테이지(33)가 제공된다. 성막을 위한 기판(25)이 적어도 성막동안 기판 스테이지(33) 위에 위치된다. 스퍼터링 음극(31) 각각은 다층박막을 형성하는 각 층의 막 타입에 일치하는 재료로 제조되고, 스퍼터링 타겟(32)의 표면이 실질적으로 도 2에서 기판 스테이지(33)의 중심 방향으로 바라보도록 비스듬히 배치된 스퍼터링 타겟(32)을 포함한다. 스퍼터링 음극(31)은 반드시 비스듬히 배치될 필요가 없으며 스퍼터링 타겟(32)의 표면이 실질적으로 기판(5) 표면과 평행하도록 배치될 수 있음에 유의하라.
박막이 이 증착챔버에 형성되면, DC 또는 RF 전원이 바람직하게는 기판 스테이지(33)가 회전되는 동안 소정의 스퍼터링 음극(31)에 가해지고, 소정의 막두께에 도달하면 전원이 내려진다. 기판(25)과 스퍼터링 타겟(25) 사이에 셔터가 배치될 수 있고 막 두께는 전원이 인가되는 동안 셔터의 개폐에 의해 제어될 수 있다. 다층박막이 형성될 때, 상기 성막 동작은 기판이 회전 기판 스테이지(33)에 배치되는 동안 순차적으로 수행될 수 있다. 여기, 도 1에서, 4 종류의 타겟들(31)이 스퍼터링 증착챔버(13B)에 배치되고 그 재료들은 PtMn, CoFe, Ru 및 CoFeB이다. 또한, 게이트 밸브(16)가 오링(34)을 통해 스퍼터링 증착챔버(13B)의 측벽에 제공된다. 또한, 4 종류의 타겟들(31)이 스퍼터링 증착챔버(13D)에 배치되고 그 재료들은 PtMn, CoFe, Ru 및 CoFeB이다. 또한, 게이트 밸브(16)가 오링(34)을 통해 스퍼터링 증착챔버(13A)의 측벽에 제공된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 스퍼터링 음극(31)을 각각 포함한 스퍼터링 증착챔버(13A,13C,13E)에서, 하나의 스퍼터링 음극은 복수의 스퍼터링 음극을 포함한 스퍼터링 증착챔버에 단지 배치될 수 있고 동일한 성막 동작이 수행될 수 있다. 바람직하기로, 스퍼터링 음극은 더 큰 성막율을 얻기 위해 복수의 스퍼터핑 음극들을 포함한 스퍼터링 증착챔버에 배치된 스퍼터링 음극의 크기보다 더 큰 크기를 갖도록 배치된다. 대안으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 음극은 스퍼터링 타겟의 표면이 실질적으로 기판 표면에 나란하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 기판 스테이지는 특히 회전할 필요가 없다. 여기, 도 1에서, 한 종류의 타겟(32)이 스퍼터링 증착챔버(13A)에 배치되고 그 재료는 산화물막, 질화물막, 또는 박도체 막을 형성할 수 있는 재료이다. 또한, 한 종류의 타겟(32)이 스퍼터링 증착챔버(13C)에 배치되고 그 재료는 10nm보다 적지 않은 두께를 갖는 금속막을 형성할 수 있는 재료이다. 또한, 한 종류의 타겟(32)이 스퍼터링 증착챔버(13E)에 배치되고 그 재료는 10nm보다 적지 않은 두께를 갖는 금속막을 형성할 수 있는 재료이다. 도 1에서, 10nm보다 적지 않은 두께를 갖는 금속막을 형성할 수 있는 재료에 의해 형성된 타겟이 스퍼터링 증착챔버(13A)에 배치될 수 있고, 산화물막, 질화물막, 또는 박도체 막을 형성할 수 있는 재료에 의해 형성된 타겟은 스퍼터링 증착챔버(13C) 또는 스퍼터링 증착챔버(13E)에 배치될 수 있다. 즉, 하나의 스퍼터링 음극을 각각 포함한 스퍼터링 증착챔버(13A,13C,13E) 중 적어도 하나에서, 다른 막의 두께보다 더 큰 (가령, 10nm보다 작지 않은) 두께를 갖는 막이 형성될 수 있다.
스퍼터링 증착과 다른 프로세스를 수행하는 프로세스 챔버(14)가 이송챔버(12)에 연결된다. 프로세스 챔버(14)로서, 플라즈마, 이온빔, 원자빔, 분자빔, 및 가스 클러스터빔으로 기판에 또는 기판 위에 형성된 박막을 제거하기 위해 프로세스 챔버가 이용될 수 있다. 다른 예로, 프로세스 챔버(14)로서, 화학기상증착법에 의해 기판에 또는 기판 위에 형성된 박막 위에 박막을 제거하기 위해 프로세스 챔버, 기판에 또는 기판 위에 형성된 박막이 가스, 중성 활성종, 이온 또는 그 혼합 분위기에서 화학적으로 반응하게 하는 프로세스 챔버, 또는 기판을 가열, 냉각, 또는 가열과 냉각을 위한 프로세스 챔버가 이용될 수 있다.
프로세스 챔버(14)의 내부 구조가 도 7에 도시되어 있다. 프로세스 챔버(14)는 진공챔버(21)를 포함하고, 상부전극(22)과 하부전극(23)이 이 진공챔버(21)에 제공된다. 상부전극(22)은 접지되어 있고 하부전극(23)은 매칭박스(24)를 통해 RF 전원(고주파 전원)(60)에 연결되어 있다. 기판(25)이 하부전극(23)에 배치된다. 플라즈마 발생조건이 확립되면 상부전극(22)과 하부전극(23) 사이에 플라즈마(26)가 발생된다.
상기 프로세스 챔버(14)에서 처리 동작의 대표적인 예로서, 0.075Pa의 Ar가스가 진공챔버(21)의 내부로 주입되고, 15W의 RF 전력(단위면적당 0.029 W/㎠)이 하부전극(23)에 인가되어 플라즈마(26)를 발생시키고, 기판 바이어스 전압(Vdc)이 0V 보다 작고 -300V보다 적지 않은 범위에 포함된 전압인 조건 하에서 플라즈마 처리가 더 수행된다. 기판 바이어스 전압의 상한값은 바람직하게는 -2V에서 -3V이며, 가장 바람직한 전압은 -15V에서 기판 바이어스 전압의 상한값까지 범위에 포함된 전압이다. 이 전압은 플라즈마를 발생시킬 수 있는 전압이다. 진공챔버(21)에 주입되는 가령 Kr, Xe, Ne 또는 유사한 가스와 같은 불활성 가스가 Ar 대신 사용될 수 있다. 프로세스 챔버(14)에서 프로세스 가스압력은 0.01에서 100Pa 범위의 낮은 압력으로 설정된다.
다음, 도면을 이용해 본 발명의 실시예들을 설명할 것이다.
(제 1 실시예)
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제조장치를 사용해 제조된 터널자기저항소자(자기저항 다층박막)의 막조성도이다. 기판(25)에, Ta층(41), PtMn층(42), CoFe층(43), Ru층(44), CoFeB층(45), MgO층(46), CoFeB층(47), Ta층(48), Ru층(49), 및 Ta층(50)을 포함한 적층바디가 형성된다. 즉, 기판(25) 위에, 기반층으로서 20nm의 막 두께를 갖는 Ta층(41)이 형성되고, 연이어 15㎚의 막 두께를 갖는 반강자성 재료로 된 PtMn층(42)이 형성되며, 연이어 2.5㎚의 막 두께를 갖는 강자성 재료로 된 CoFe층(43)이 형성되고, 0.9㎚의 막 두께를 갖는 비자성 재료로 된 Ru층(44)이 형성되며, 3㎚의 막 두께를 갖는 강자성 재료로 된 CoFeB층(45)이 형성되고, 1.2㎚의 막 두께를 갖는 산화물의 MgO층(46)이 형성된다. 연이어, 다시 3㎚의 막 두께를 갖는 강자성 재료로 된 CoFeB층(47)이 형성되고, 그 위에 1.5㎚의 매우 적은 막 두께를 갖는 Ta층(48)이 형성되며, 그런 후 10㎚와 50㎚의 막 두께를 갖는 Ru층(49)과 Ta층(50)이 각각 형성된다. 하단 Ta막(41)과 상단 Ta막(50)은 현저하게 두께가 크고 부수적으로 PtMn층(42)과 상부 Ru층(49)도 두께가 크다. 다른 한편으로, CoFe층(43)에서 중간 Ta층(47)까지 한 층당 3㎚ 보다 크지 않은 막 두께를 갖는 얇은 층들이 적층된다. 또한, MgO층(46)만이 산화물이다. 도 5에서, Ta층(41)은 기반층으로서 기능하고, PtMn층(42)은 반강자성층으로서 기능하며, 강자성 CoFe층(43), 비자성 Ru층(44), 강자성 CoFeB층(45)으로 된 적층은 자화고정층으로서 기능을 하고, MgO층(46)은 비자성 절연층으로서 기능하며, CoFeB층(47)은 자화자유층으로서 기능하고, Ta층(48), Ru층(49), 및 Ta층(50)의 적층은 보호층으로서 기능한다.
도 1은 낮은 단가를 유지하면서 스루풋을 향상시키고 또한 이런 다층박막의 증착시 층간 교차오염을 막거나 줄임으로써 디바이스 특성 열화를 억제하는데 적합한 제조장치를 도시한 것이다.
상술한 바와 같이, 도 1에서, 각각 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 3개의 스퍼터링 챔버들, 각각 2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 2개의 스퍼터링 챔버들, 및 스퍼터링과는 다른 프로세스를 수행하기 위한 하나의 프로세스 챔버가 기판이송장치를 포함한 이송챔버 주위에 제공된다. 후술되는 바와 같이, 각각 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 적어도 3개의 스퍼터링 증착챔버들과 각각 2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 적어도 2개의 스퍼터링 챔버들이 스루풋 향상 관점에서 필요하다.
도 5에 기술된 터널자기저항소자(자기저항 다층박막)가 도 1의 장치를 이용해 제조되는 경우, Ta 타겟(32)이 스퍼터링 증착챔버(13A 및 13E) 각각에 부착되고 도 5에 도시된 바와 같이 하단 Ta막(41)과 상단 Ta막(47)을 각각 형성하는데 사용된다. 4개 스퍼터링 타겟(32)의 PtMn, CoFe, Ru 및 CoFeB이 스퍼터링 챔버(13B)에 부착되고 나머지 하나의 스퍼터링 음극(31)은 백업을 위해 빈 채로 남아 있다. MgO 소결 타겟(32)이 스퍼터링 증착챔버(13C)에 부착된다. 3개 타겟(32)의 CoFeB , Ta 및 Ru가 스퍼터링 증착챔버(13D)에 부착되고 나머지 2개의 스퍼터링 음극(31)은 백업을 위해 빈 채로 남아 있다.
하나의 다층박막이 동일한 타입의 복수의 층들을 포함하나 스퍼터링 타겟(32)이 각 층에 배치되는 이유는 일련의 성막 프로세스에서 기판(25)이 동일 프로세스 챔버에 2번 이송되지 않는 소위 순차적 기판 이송을 구현하기 위해서이다. 즉, 동일한 타입의 복수의 층들이 다른 두께로 형성될 경우, 각각 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 3개의 스퍼터링 증착챔버 중 적어도 하나에 의해 더 얇은 층이 형성되고, 3개의 스퍼터링 증착챔버 중 또 다른 하나에 의해 더 두꺼운 층이 형성된다. 따라서, 기판이 동일 스퍼터링 증착챔버에 2번 이송되지 않고도 동일한 타입이나 두께가 다른 층들이 형성될 수 있다. 이런 순차적 기판(25) 이송이 구현될 경우, 복수의 기판(25)의 연속 처리를 위해 각각의 기판(25)의 처리시간 막대들이 처리시간 막대 그래프에 겹쳐질 수 있고, 따라서 스루풋이 크게 향상된다. 게이트 밸브(16)가 스퍼터링 증착챔버(13A 내지 13E) 각각과 에칭챔버(14) 및 로드락 챔버(15A 및 15B) 각각 사이에 제공된다. 여기서, 참조번호(35)는 2개 기판이송로봇(11A 및 11B)이 기판(25)을 수용 및 전달할 때 일시적으로 기판(25)을 두기 위한 배치 스테이지를 나타내고, 기판(25)의 위치정렬장치와 기판(25)의 노치정렬장치가 별도로 제공될 수 있다.
아래의 표 1은 도 1의 장치 구성에서 프로세스 테이블을 나타낸 것이다.
[초]
프로세스 챔버 이벤트 처리시간 택 타임
1 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
2 에칭챔버(14) 에칭 80.0 80.0
3 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
4 스퍼터링증착챔버A(1PVD)13A Ta 증착 40.0 40.0
5 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
6 스퍼터링증착챔버B(5PVD)13B PtMn 증착 80.0 180.0
CoFe 증착 25.0
Ru 증착 25.0
CoFeB 증착 50.0
7 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
8 스퍼터링증착챔버C(1PVD)13C MgO 증착 60.0 60.0
9 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
10 스퍼터링증착챔버D(5PVD)13D CoFeB 증착 50.0 145.0
Ta 증착 25.0
Ru 증착 70.0
11 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
12 스퍼터링증착챔버E(1PVD)13E Ta 증착 100.0 100.0
13 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
총 시간 675.0 675.0
스루풋 = 20.0
표 1의 프로세스 타임테이블을 따라, 도 5에 기술된 터널자기저항소자의 성막 순서를 설명할 것이다. 기판이송로봇(11A)을 이용해 미처리 기판(25)이 로드락 챔버(15A)로부터 에칭챔버(14)로 이송되고(표 1의 프로세스 1), 기판(25) 표면상의 산화물과 오염이 에칭챔버(14)에서 역스퍼터링 에칭에 의해 제거된다(표 1의 프로세스 2). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11A)에 의해 이송챔버(12)내 배치 단계(35)에 놓인다(표 1의 프로세스 3). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11B)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13A)로 이송되고 20㎚의 막두께를 갖는 Ta층이 기반층으로서 기판(25) 위에 증착된다(표 1의 프로세스 4). 다음, Ta 층이 증착되는 기판(25)이 기판이송로봇(11B)을 이용해 스퍼터링 증착챔버(13B)로 이송되고(표 1의 프로세스 5), 기판(25) 위에, 반강자성 재료로 된 PtMn층(42)이 15㎚로 증착되고, 연이어 강자성 재료로 된 CoFe층(43)이 2.5㎚로 증착되며, 비자성 재료로 된 Ru층(44)이 0.9㎚로 증착되고, 강자성 재료로 된 CoFeB층(45)이 3㎚로 증착된다(표 1의 프로세스 6). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11B)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13C)로 이송되고(표 1의 프로세스 7), 산화물의 MgO층(46)이 1.2㎚로 증착된다(표 1의 프로세스 8). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11B)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13D)로 이송되고(표 1의 프로세스 9), CoFeB층(47)이 3㎚로 기판(25) 위에 다시 증착되고 그 위에 Ta층(48)이 1.5㎚의 더 작은 두께로 증착되며, 이후 10㎚의 Ru층(49)과 50㎚의 Ta층(50)이 증착된다(표 1의 프로세스 10). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11B)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13E)로 이송되고(표 1의 프로세스 11), 50㎚의 Ta층(50)이 증착된다(표 1의 프로세스 12). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11A)에 의해 로드락 챔버(15B)로 이송된다(표 1의 프로세스 13).
도 1의 프로세스 타임테이블에 도시된 바와 같이, 가장 긴 택 타임을 필요로 하는 프로세스 챔버는 스퍼터링 증착챔버(13B)이고 택 타임은 180초이다. 스루풋은 이 택 타임에 의해 제한되고 도출된 스루풋은 20 웨이퍼/시간이다. 여기, 본 명세서에서, "택 타임"은 프로세스 후에 기판이 몇몇 챔버 밖으로 이송될 때까지 기판이 몇몇 챔버로 이송된 후 시간을 의미한다. 또한, 본 명세서에서, 스루풋은 단위시간내에 처리될 수 있는 기판 작업량을 말한다.
상술한 바와 같이, 스퍼터링 증착챔버(13B) 및 스퍼터링 증착챔버(13D) 각각이 백업을 위해 스퍼터링 음극(31)을 가지며, 따라서, PtMn 및 Ru의 타겟들이 챔버(13B 및 13D)의 음극(31)에 각각 부착될 수 있으며, 동시에 2개의 스퍼터링 음극들(31)을 방전시키는 코스퍼터링 방법이 이용될 수 있다. 이로써, 성막율이 2배 증가되고 표 1의 프로세스 6에서 PtMn 및 표 1의 프로세스 10에서 Ru에 대해 절반까지 증착시간을 줄일 수 있다.
[초]
프로세스 챔버 이벤트 처리시간 택 타임
1 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
2 에칭챔버(14) 에칭 80.0 80.0
3 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
4 스퍼터링증착챔버A(1PVD)13A Ta 증착 40.0 40.0
5 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
6 스퍼터링증착챔버B(5PVD)13B PtMn 증착* 40.0 140.0
CoFe 증착 25.0
Ru 증착 25.0
CoFeB 증착 50.0
7 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
8 스퍼터링증착챔버C(1PVD)13C MgO 증착 60.0 60.0
9 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
10 스퍼터링증착챔버D(5PVD)13D CoFeB 증착 50.0 110.0
Ta 증착 25.0
Ru 증착* 35.0
11 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
12 스퍼터링증착챔버E(1PVD)13E Ta 증착 100.0 100.0
13 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
총 시간 600.0 600.0
*코스퍼터링
스루풋 = 25.7
이 경우 프로세스 타임테이블은 상기 표 2의 프로세스 6 및 프로세스 10에 의해 특정되고, 스퍼터링 증착챔버(13B)에 대한 택 타임이 180초에서 140초로 줄어들며, 상기 스퍼터링 증착챔버(13B)가 여전히 택 타임을 제한하고 있으나 스퍼터링 증착챔버(13D)에 대한 택 타임은 145초에서 110초로 줄어든다. 따라서, 스루풋은 25.7 웨이퍼/시간으로 향상된다.
비교예로서, 표 3은 도 5에 기술된 터널자기저항소자가 특허문헌 1에 기술된 스퍼터링 장치를 이용해 형성될 때의 타임테이블을 나타낸 것이다.
[초]
프로세스 챔버 이벤트 처리시간 택 타임
1 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
2 에칭챔버 에칭 80.0 80.0
3 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
4
 스퍼터링증착챔버A(4PVD)
 Ta 증착* 60.0 100.0
PtMn 증착* 40.0
5 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
6 스퍼터링증착챔버B(4PVD) CoFe 증착 25.0 125.0
Ru 증착 25.0
CoFeB 증착 50.0
Mg 증착 25.0
7 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
8 산화챔버 산화 90.0 90.0
9 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
10 스퍼터링증착챔버C(4PVD) CoFeB 증착 50.0 295.0
Ta 증착 25.0
Ru 증착 70.0
Ta 증착* 150.0
11 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
총 시간 750.0 750.0
*코스퍼터링
스루풋 = 12.2
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 스퍼터링 증착챔버(C)에 대한 택 타임은 295초이고, 스루풋은 12.2이다. 프로세스 챔버의 위치가 장치 구성도(1)에서 스위치될 때에도 또한, 순차 기판(25) 이송을 구형하기 위해 스퍼터링 타겟이 배치될 경우에만, 표 1 및 표 2에 나타낸 스루풋이 유지되는 것에 유의하라.
(제 2 실시예)
제 1 실시예에서 MgO 성막을 위해 스퍼터링 증착챔버가 화학기상법을 이용한 증착챔버로 대체될 때에도 동일한 효과를 또한 얻을 수 있다.
(제 3 실시예)
도 6은 도 5에 도시된 터널자기저항소자를 제조하기 위해 적용되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제조장치를 도시한 도면이다. 기판이송장치로서 3개의 기판이송로봇(11A,11B,11C)을 포함한 이송챔버(12)에, 참조번호(13A 내지 13G)의 7개의 스퍼터링 증착챔버들, 역 스퍼터링 에칭에 의해 기판(25) 표면에 산화물 및 오염을 제거하기 위한 에칭 챔버(14), 및 2개의 로드락 챔버(15A 및 15B)가 연결된다. 스퍼터링 증착챔버들(13A 내지 13G) 중에서, 스퍼터링 증착챔버(13C)는 5개의 스퍼터링 음극을 포함하고, 스퍼터링 증착챔버(13E)는 2개의 스퍼터링 음극을 포함한다. 다른 한편으로, 스퍼터링 증착챔버(13A, 13B, 13D, 13F, 및 13G) 각각은 하나의 스프터링 음극을 포함한다. 2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 1 스퍼터링 증착챔버(스퍼터링 증착챔버(13C 또는 13E))는 상기 자화고정층, 상기 자화자유층 또는 상기 보호층의 부분층(Ta층(47))을 형성하는데 사용된다. 하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 2 스퍼터링 증착챔버(스퍼터링 증착챔버(13A, 13B, 13D, 13F 또는 13G))는 상기 반강자성층, 상기 비자성 절연층 및 상기 보호층의 부분층(Ta층(50))과는 다른 층을 형성하는데 사용된다. 프로세스 챔버(에칭챔버(14))가 에칭을 위해 사용된다. 제 1 스퍼터링 증착챔버는 코스퍼터링을 수행하기 위해 동일한 재료로 제조된 2 이상의 타겟들을 포함할 수 있음에 유의하라.
Ta 타겟은 스퍼터링 증착챔버(13A)에 부착되고, PtMn 타겟은 스퍼터링 증착챔버(13B)에 부착되며, CoFe 타겟, Ru 타겟, 및 2개의 CoFeB 타겟(31)이 스퍼터링 증착챔버(13C)에 부착되며 나머지 하나의 음극은 백업을 위해 빈 채로 남아 있다. 2개의 CoFeB 타겟(31)이 코스퍼터링을 위해 사용된다. MgO 타겟이 스퍼터링 증착챔버(13D)에 부착되고, CoFeB 타겟과 Ta 타겟이 스퍼터링 증착챔버(13E)에 부착되며, 하나의 Ta 타겟이 스퍼터링 증착챔버(13F 및 13G) 각각에 부착된다.
본 실시예에서 프로세스 타임테이블이 표 4에 도시되어 있다.
[초]
프로세스 챔버 이벤트 처리시간 택 타임
1 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
2 에칭챔버(14) 에칭 80.0 80.0
3 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
4 스퍼터링증착챔버A(1PVD)13A Ta 증착 40.0 40.0
5 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
6 스퍼터링증착챔버B(1PVD)13B PtMn 증착 30.0 30.0
7 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
8 스퍼터링증착챔버C(5PVD)13C CoFe 증착 25.0 75.0
Ru 증착 25.0
CoFeB 증착* 25.0
9 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
10 스퍼터링증착챔버D(1PVD)13D MgO 증착 60.0 60.0
11 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
12 스퍼터링증착챔버E(5PVD)13E CoFeB 증착 50.0 75.0
Ta 증착 25.0
13 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
14 스퍼터링증착챔버F(1PVD)13F Ru 증착 30.0 10.0
15 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
16 스퍼터링증착챔버G(1PVD)13G Ta 증착 100.0 100.0
17 이송챔버(12) 웨이퍼 이송 10.0 10.0
총 시간 580.0 560.0
스루풋 = 36.0
표 4의 프로세스 타임테이블을 따라, 도 5에 기술된 터널자기저항소자의 성막 순서를 설명할 것이다. 미처리 기판(25)이 기판이송로봇(11A)에 의해 로드락 챔버(15A)로부터 에칭 챔버(14)로 옮겨지고(표 4의 프로세스 1), 기판(25) 표면상의 산화물과 오염이 역 스퍼터링 에칭에 의해 에칭 챔버(14)에서 제거된다(표 4의 프로세스 2), 다음, 기판(25)이 기판이송로봇(11A)에 의해 이송챔버(12)에 있는 배치 스테이지(35A)에 두어진다(표 4의 프로세스 3). 다음, 기판(25)이 기판이송로봇(11B)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13A)로 이송되고 Ta층(41)이 기반층으로서 20nm의 막 두께를 가지며 기판(25) 위에 증착된다(표 4의 프로세스 4). 다음, 기판(25)이 기판이송로봇(11B)에 의해 이송챔버(12)에 있는 배치 스테이지(35B)에 두어진다(표 4의 프로세스 5). 다음, PtMn층(42)이 스퍼터링 방법에 의해 반가장성 재료로서 15nm의 막 두께를 가지며 기판(25) 위에 증착된다(표 4의 프로세스 6). 다음, 기판(25)이 기판이송로봇(11C)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13C)로 이송되고(표 4의 프로세스 7), 강자성재료로 된 CoFeB층(45)과 산화물의 MgO층(46)이 3nm 및 1.2nm로 기판(25) 위에 각각 증착되며, 강자성 재료로 된 CoFeB층(45)이 코스퍼터링 방법에 의해 3nm의 막 두께를 가지며 증착된다(표 4의 프로세스 8).
다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11C)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13D)로 이송되고(표 4의 프로세스 9), 산화물의 MGO층(46)이 스퍼터링 방법에 의해 1.2nm로 기판(25) 위에 증착된다(표 4의 프로세스 10). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11C)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13E)로 이송되고(표 4의 프로세스 11), 강자성 재료의 CoFeB층(47)이 다시 3nm로 증착되고 매우 얇은 Ta층(48)이 1.5nm로 그 위에 증착된다(표 4의 프로세스 12). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11B)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13F)로 이송되고(표 4의 프로세스 13), Ru층(49)이 10nm로 증착된다(표 4의 프로세스 14). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11B)에 의해 스퍼터링 증착챔버(13G)로 이송되고(표 4의 프로세스 15), Ta층(50)이 50nm로 증착된다(표 4의 프로세스 16). 다음, 기판(25)은 기판이송로봇(11A)에 의해 로드락 챔버(15B)로 이송된다(표 4의 프로세스 17).
도 5에 기술된 터널자기저항소자가 이런 식으로 표 5의 프로세스 타임테이블을 따라 형성될 경우, 각 챔버에 대한 택 타임이 더 균일해지고, 가장 긴 택 타임을 갖는 스퍼터링 증착챔버(B)에 대한 택 타임은 100초이다. 순차적 기판 이송이 도 6에 도시된 장치 구성으로 구현되기 때문에, 도출된 스루풋은 36 웨이퍼/시간으로 향상된다. 또한 프로세스 챔버의 위치가 장치 구성도(6)에서 스위치될 경우에도, 테이블 4에 나타낸 스루풋은 순차적 기판이송을 구현하도록 스퍼터링 타겟이 증착될 경우에만 유지됨에 유의하라.
(제 1 비교예)
제 1 비교예로서, 도 5에 기술된 터널자기저항소자가 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 장치를 이용해 형성될 경우, 표 5의 타임테이블이 나타나게 된다.
[초]
프로세스 챔버 이벤트 처리시간 택 타임
1 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
2 제2진공챔버(112) 에칭 80 80
3 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
4 제1진공챔버(110) Ta 증착 40 40
5 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
6 제2진공챔버(112) PtMn 증착 80 205
7 제2진공챔버(112) CoFe 증착 25
8 제2진공챔버(112) Ru 증착 25
9 제2진공챔버(112) CoFeB 증 50
10 제2진공챔버(112) Mg 증착 25
11 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
12 프로세스챔버 산화 90 90
13 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
14 제2진공챔버(112) CoFeB 증착 50 50
15 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
16 제1진공챔버(110) Ta 증착 25 25
17 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
18 제2진공챔버(112) Ru 증착 70 70
19 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
20 제1진공챔버(110) Ta 증착 150 150
21 이송챔버(114) 웨이퍼 이송 10 10
총 시간 800 800
스루풋 = 8.8
본래, 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 증착챔버에서, 유일한 하나의 타겟재료(Ta)만이 제 1 진공챔버(110)에 배치된다. 따라서, 도 5에 기술된 터널자기저항소자가 특허문헌 4를 이용해 만들도록 시도할 경우, Ta층과는 다른 층들이 진공챔버(112)에 의해 증착될 필요가 있다. 또한, 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 장치는 스퍼터링과는 다른 프로세스를 수행하는 프로세스 챔버를 포함하지 않으므로, 상기 표 5의 프로세스(12)(산화 프로세스)를 수행할 수 없다. 따라서, 상기 표 5는 도 5에 기술된 터널자기저항소자가 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 장치에 대한 프로세스 챔버가 제공되는 도 1의 제조장치에 의해 형성되는 경우를 가정한다. 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 장치에 기술된 스퍼터링 장치의 택 타임(특허문헌 4의 경우에 제 2 진공챔버(112)에 대한 총 시간)은 405초이고, 스루풋은 8.8(웨이퍼/시간)이다. 명확히 이 스루풋은 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 장치 구성의 스루풋보다 상당히 더 나쁘다. 또한, 특허문헌 4에 기술된 스퍼터링 장치의 경우, 기판은 일련의 성막 이온 프로세스에서 동일 프로세스 챔버에 2회 이송되므로, 소위 순차적 기판이송이 구현될 수 없다.
(제 2 비교예)
제 2 비교예로서, 도 5에 기술된 터널자기저항소자가 특허문헌 5에 기술된 스퍼터링 장치를 이용해 형성될 경우 표 6의 타임테이블이 나타나게 된다.
특허문헌 5에 기술된 스퍼터링 장치에 대한 프로세스 타임테이블이 표 6에 나타나 있다.
[초]
프로세스 챔버 이벤트 처리시간 택 타임
1 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10
2 에칭챔버 에칭 80.0 80
3 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10
4 제1싱글 타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈 Ta 증착 40.0 40
5 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10
6 멀티타겟 DC 스퍼터링 모듈 PtMn 증착 80.0 180.0
CoFe 증착 25.0
Ru 증착 25.0
CoFeB 증착 50.0
7 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
8


 멀티타겟 이온빔 스퍼터링 모듈


 MgO 증착 300.0 445.0
CoFeB 증착 50.0
Ta 증착 25.0
Ru 증착 70.0
9 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
10 제1싱글 타겟 DC 마그네트론 스퍼터링 모듈 Ta 증착 100.0 100.0
11 이송챔버 웨이퍼 이송 10.0 10.0
총 시간 905.0 905.0
스루풋 = 8.1
본래, 특허문헌 5에 개시된 스퍼터링 시스템(600)은 스퍼터링과는 다른 프로세스를 수행하는 프로세스 챔버를 포함하지 않으므로, 산화 프로세스를 수행할 수 없다. 또한, 특허문헌 5에 개시된 스퍼터링 시스템(600)을 이용한 소위 순차적 기판이송을 구현하기 위해, 상기 표 6에서 MgO에서 CoFeB, Ta, 및 Ru까지의 모든 성막은 멀티타겟 이온빔 스퍼터링 모듈(608)에 의해 수행될 필요가 있다. 이 경우, 낮은 스퍼터링율로 인해 긴 시간을 필요로 하는 MgO 성막 이외에, 3개의 금속층들이 동일한 챔버에 증착되므로, 택 타임이 445.0초이고 스루풋은 8.1 웨이퍼/시간이 된다. 또한, 동일 챔버에 산화물과 금속의 증착으로 인해 금속층에 산소 오염이 야기되고 막 특성을 열화시키는 소위 교차오염 문제가 야기된다. 따라서, 또한 특허문헌 5에 개시된 스퍼터링 시스템(600)을 이용해도, 소위 순차적 기판이송을 구현하여 스루풋을 향상시킬 수 없다.

Claims (8)

  1. 기판 위에 다층박막을 성장시키는 제조장치로서,
    기판이송장치를 포함한 이송챔버;
    하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 1 스퍼터링 증착챔버;
    하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 2 스퍼터링 증착챔버;
    하나의 스퍼터링 음극을 포함한 제 3 스퍼터링 증착챔버;
    2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 4 스퍼터링 증착챔버;
    2 이상의 스퍼터링 음극을 포함한 제 5 스퍼터링 증착챔버; 및
    스퍼터링과는 다른 프로세스를 수행하기 위한 프로세스 챔버를 구비하고,
    제 1 스퍼터링 증착챔버, 제 2 스퍼터링 증착챔버, 제 3 스퍼터링 증착챔버, 제 4 스퍼터링 증착챔버, 제 5 스퍼터링 증착챔버 및 프로세스 챔버는 각각이 이송챔버와 함께 기판의 전달 및 수용을 수행할 수 있도록 이송챔버 주위로 배열되는 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다층박막은 두께가 10㎚ 보다 적지 않은 금속막을 포함한 제 1 막, 두께가 10㎚ 보다 적지 않은 금속막을 포함한 제 2 막, 적어도 한 층의 산화막, 질화막, 및 반도체막을 포함한 제 3 막을 포함한 막이고, 제 1 스퍼터링 증착챔버는 제 1 막을 형성하며, 제 2 스퍼터링 증착챔버는 제 2 막을 형성하며, 제 3 스퍼터링 증착챔버는 제 3 막을 형성하는 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    이송챔버는 이송챔버 및 제 1 내지 제 5 증착챔버 사이에 기판을 이송하기 위한 기판이송로봇을 포함하는 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    이송챔버는 진공으로 유지되는 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    프로세스 챔버는 플라즈마, 이온빔, 원자빔, 분자빔, 또는 가스 클러스터빔으로 기판에 또는 기판 위에 형성된 박막을 제거하기 위한 챔버인 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    프로세스 챔버는 화학기상 증착법에 의해 기판에 또는 기판 위에 형성된 박막 위에 박막을 형성하기 위한 챔버인 제조장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    프로세스 챔버는 기판에 또는 기판 위에 형성된 박막이 가스, 중성활성종, 이온, 또는 그 혼합 분위기에서 화학적으로 반응하게 하기 위한 챔버인 제조장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    프로세스 챔버는 기판을 가열, 냉각, 또는 가열 및 냉각시키기 위한 챔버인 제조장치.
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