磁阻元件的制造方法
磁阻元件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁阻元件的制造方法。
【背景技术】
[0002]迄今为止，磁阻变化元件已主要用作用于从硬盘驱动器的介质在磁场中读取的元件。磁阻元件利用通过将磁场施加至元件来改变电阻的磁阻效果，并且硬盘驱动器工业使用用与使用巨磁阻(GMR)效果的GMR磁头相比显示更大的电阻变化率的隧道磁阻(TMR)效果的TMR磁头，其进而实现记录密度的显著改进。同时，作为通过将该TMR技术与半导体元件融合获得的集成磁性存储器的MRAM(磁性随机存取存储器)已经开始其商品化。MRAM不同于迄今仅由半导体元件形成的SRAM (静态RAM)或DRAM (动态RAM)，其包括在半导体器件的上部形成的由磁性材料制成的TMR元件。此外，MRAM由于其非挥发性使得能够显著改进功耗，由此期望实现移动通信市场中更大的容量。
[0003]MRAM使用，如非专利文献I公开的作为TMR元件的，其中自由层和参照层的磁化方向沿与多层膜方向垂直的方向自旋的面内(in-plane)磁化型的元件。MRAM提出由于用于存储数据的大的存储器单元使得没有大的存储容量的问题。然而，通过近几年的研宄和开发，可期望使用自旋注入的STT(自旋转移力矩)_MRAM以克服MRAM的固有缺陷，由此实现更大的容量。该技术可通过利用由电子的自旋生成的磁矩改变磁性材料的磁化方向，由此能够使得微细化并且还能够使写入数据所需的电流值减小。因此，STT-MRAM即使具有小尺寸的元件也可操作，由此适用于更高的密度。STT-MRAM使用与使用MRAM的情况相同的面内磁化型的元件，和其中自由层和参照层的磁化方向沿与多层膜的方向相同的方向自旋的垂直磁化型的元件。垂直磁化型的代表的多层膜结构在非专利文献2中公开。此外，加快材料和结构的研宄和开发，从而即使在具有小尺寸元件的情况下磁化也可反转，并且如非专利文献3中记载，还报道了其中在自由层的上部形成氧化物层的结构。
[0004]TMR元件的制造不仅使用非专利文献I和2中记载的结构，而且还广泛使用其中包括溅射由期望的沉积材料制成的靶从而在对面基板上沉积膜的溅射沉积(以下，也仅称溅射)方法(参考专利文献I)。此外，需要用于改进元件的电阻变化率的结晶退火装置，退火后的基板冷却装置和用于形成氧化层的氧化装置，以及溅射装置。在将来，为了实现STT-RAM的实用化，充分使用这些装置以开发高性能元件结构以及材料是必须的。
[0005]引f列表
[0006]专利f献
[0007]专利文献1:国际专利公开N0.W0/2012/086183_8] 非专利文献
[0009]非专利文献I:Young-suk Choi 等人,Journal of App1.Phys.48(2009) 120214
[0010]非专利文献2:D.C.Worledge 等人，Appl.Phys.Lett.98 (2011) 022501
[0011]非专利文献3:Kubota 等人，Journal of Appl.Phys.111，07C723 (2012)
【发明内容】
[0012]对于制造上述MRAM，为了实现低成本化，寻求改进生产量。此外，例如，当作为MRAM的结构元件的金属膜氧化以形成阻挡层时，不存在金属膜的快速氧化导致杂质的混入，进而元件的可靠性或特性劣化。还为了减少杂质的混入的目的，寻求改进生产量。
[0013]此外，迄今为止，作为阻挡层形成用金属膜的氧化处理，有时采用其中包括将具有在其上形成的金属膜的基板加热至预定温度从而使金属膜氧化的方法。在该情况下，在氧化处理室内将具有在其上形成的金属膜的基板加热至目标温度，然后，将氧导入至氧化处理室以进行氧化处理。
[0014]然而，在用于形成阻挡层的金属膜的材料为镁(Mg)的情况下，当将Mg加热至目标温度时，Mg随着温度上升而升华，因为特别是Mg为易升华材料。因此，在氧导入开始时，Mg的膜厚度通过Mg的升华量而降低。因此，氧化处理完成后，通过氧化处理生成的氧化镁(MgO)的膜厚度小于设计值。同时，考虑到在Mg沉积期间的升华，Mg可以预先可想象地形成比设计值更大的厚度；然而，这包括相对于设计值Mg的过量沉积，由此导致成本提高。
[0015]鉴于上述问题而进行本发明。本发明的目的为提供一种磁阻元件的制造方法，其在形成金属氧化物的隧道势皇层时改进生产量的同时，能够降低在金属氧化期间的金属的升华。
[0016]为了获得上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种磁阻元件的制造方法，其包括:形成磁化自由层和磁化固定层之一的步骤；在形成的磁化自由层和磁化固定层之一上形成隧道势皇层的步骤；以及在隧道势皇层上形成磁化自由层和磁化固定层中的另一者的步骤，其中隧道势皇层的形成步骤包括在基板上沉积金属膜的沉积步骤，和使金属膜进行氧化处理的氧化步骤，其中氧化步骤包括将具有其上形成的金属膜的基板保持在进行氧化处理的处理容器内的基板保持件上的基板保持步骤，通过在金属膜不升华的温度下将氧气导入至处理容器内而将氧气供给至基板的供给步骤，和在导入氧气的同时或其后加热基板的加热步骤。
[0017]根据本发明的第二个方面，提供一种磁阻元件的制造方法，其包括:形成磁化自由层和磁化固定层之一的步骤；在形成的磁化自由层和磁化固定层之一上形成隧道势皇层的步骤；以及在隧道势皇层上形成磁化自由层和磁化固定层中的另一者的步骤，其中隧道势皇层的形成步骤包括在基板上沉积金属膜的沉积步骤，和使金属膜进行氧化处理的氧化步骤，其中氧化步骤包括将具有其上形成的金属膜的基板保持在进行氧化处理的处理容器内的基板保持件上的保持步骤，通过在金属膜不升华的温度下将氧气导入至处理容器内而将氧气供给至基板的供给步骤，和在导入氧气的同时或其后加热基板的加热步骤，其中氧化步骤进一步包括，在保持步骤后，通过改变基板保持件相对于处理容器的相对位置，在处理容器内形成由基板保持件的基板保持面和处理容器内设置的包围部形成的空间的步骤，其中形成空间使得基板保持面由包围部包围并且在包围部与基板保持件之间形成间隙，其中导入至空间的氧气通过间隙从空间排出。
[0018]根据本发明，可在改进形成金属氧物的隧道势皇层的生产量的同时，降低在金属氧化期间金属的升华。
【附图说明】
[0019]图1为作为应用于根据本发明的一个实施方案的氧化处理的元件的一个实例的面内磁化型元件的多层结构的示意图。
[0020]图2为作为应用于根据本发明的一个实施方案的氧化处理的元件的一个实例的垂直磁化型元件的多层结构的示意图。
[0021]图3为作为应用于根据本发明的一个实施方案的氧化处理的元件的一个实例的面内磁化型元件的多层结构的示意图。
[0022]图4为示出根据本发明的一个实施方案的氧化处理设备在基板输送状态下和在氧化处理状态下的概略构造的示意图。
[0023]图5为示出根据本发明的一个实施方案的氧化处理设备在氧化处理状态下的概略构造的不意图。
[0024]图6为示出根据本发明的一个实施方案的氧化处理设备在基板输送状态下的概略构造的不意图。
[0025]图7为示出根据本发明的一个实施方案的磁阻元件的制造方法的过程的流程图。
[0026]图8为示出根据本发明的一个实施方案的隧道势皇层的形成步骤中的氧化处理过程的流程图。
[0027]图9为根据本发明的一个实施方案的氧化处理的时间图。
[0028]图10为示出根据本发明的一个实施方案的Mg的蒸汽压的温度依赖性的图。
[0029]图11为示出根据本发明的一个实施方案的氧化处理设备在氧化处理状态下的概略构造的的不意图。
[0030]图12为示出根据本发明的一个实施方案的隧道势皇层的形成步骤中的氧化处理过程的流程图。
【具体实施方式】
[0031]尽管以下将参考附图描述本发明的实施方案，但应理解本发明不限于这些实施方案。在下述附图中，具有相同功能的部分由相同的附图标记表示，并且省略该部分的重复描述。
[0032]图1为非专利文献I中公开的面内磁化型元件(以下称为MTJ(磁性隧道结)元件)的多层结构的示意图。在MTJ元件100中，作为处理基板上的下部电极层108，例如，首先层叠包含钽(Ta)和铜(Cu)的化合物。下部电极层108具有例如作为Ta(5nm)/CuN(20nm) /Ta(5nm)的结构。上部Ta还用作底层膜，并且，除了 Ta之外，可使用如铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr)、钛(Ti)、钼(Mo)或钨(W)等金属。此外，可以在Ta等上沉积例如，包含镍(Ni)、铁(Fe)、络(Cr)和钌(Ru)的至少一种元素的层。
[0033]在下部电极层108上沉积，例如，以3-20nm的程度的厚度沉积包含IrMn、PtMn,FeMn、NiMruRuRhMn或CrPtMn等的反铁磁性层107。在反铁磁性层107上沉积参照层106、非磁性中间层105和参照层104。参照层106包含例如，CoFe等的磁性膜，并且厚度为l_5nm的程度。非磁性中间层105包含选自钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)和铼(Re)的至少一种元素，或者这些金属的两种以上的合金，并且厚度为0.85nm的程度。参照层104包含例如，CoFe或CoFeB等的磁性膜，并且厚度为l_5nm的程度。反铁磁性层107、固定磁性层106、非磁性中间层105和固定磁性层104形成合成型的参照层。该参照层可构造为具有反铁磁性层和参照层106的双层结构。参照层为其中将磁化方向固定的层。
[0034]在参照层104上形成阻挡层103。优 选，阻挡层103由MgO制成以获得高的MR比。除了 MgO以外，还可使用包含镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅(Si)的至少一种或两种以上的氧化物。可使用用RF溅射等以直接形成氧化物的任意方法，和其中包括沉积金属然后将金属氧化的方法。通过在保持室密封时的密封氧化、使该室排气时的流动氧化、利用活性氧的自由基氧化或者等离子体氧化等而进行氧化。在阻挡层103上沉积厚度为1-1Onm的程度的具有由包含CoFeB或者Co、Fe或Ni等至少一种或两种以上的合金的材料的一层或两层以上形成的结构的自由层102。自由层为其中不固定磁化的层，并且根据相对于参照层的磁化的相对角度来改变电阻。在自由层102上沉积作为上部电极层101的例如作为Ta(8nm)/Ru(5nm)/Cu(30nm)/Ru(7nm)的多层结构。该层具有保护元件的功能，并且Ta部分可由例如钌(Ru)、钛(Ti)或铂(Pt)的材料代替。此TMR元件通过群集型(cluster type)的基板处理装置在真空中制造。
[0035]图1中，反铁磁性层107由15nm厚的PtMn制成；参照层106由2.5nm厚的Co7tlFe3tl制成;非磁性中间层105由0.85nm厚的Ru制成;参照层104由3nm厚的C06ciFe2ciB2tl制成；阻挡层103由1.0nm厚的MgO制成；以及自由层102由3nm厚的C06ciFe2ciB2ci制成。
[0036]图2为非专利文献2中公开的垂直磁化型元件(以下，称为P-MTJ元件)的多层结构的示意图。在P-MTJ元件200中，首先在处理基板上层叠缓冲层211、210。例如，将包含镍(Ni)、铁(Fe)、铬(Cr)和钌(Ru)的至少一种元素的材料用于缓冲层211。此外，如钽(Ta)、铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr)、钛(Ti)、钼(Mo)或钨(W)等金属可用于缓冲层210，并且除了这些之外，还可使用包含镁(Mg)、销(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅(Si)的至少一种或两种以上的氧化物。
[0037]在缓冲层210上沉积作为自由层209的例如，CoFeB0此外，可在CoFeB与MgO之间沉积Co和Fe的至少一种或两种以上的合金。CoFeB或CoFeB/CoFe磁性层的总膜厚度为0.8-2.0nm的程度。在自由层209上形成阻挡层208。优选，阻挡层由MgO制成以获得高的MR比。除了 MgO以外，可使用包含镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅
(Si)的至少一种或两种以上的氧化物。可使用用RF溅射等以直接形成氧化物的任意方法，和其中包括沉积金属然后将金属氧化的方法。通过在保持室密封时的密封氧化、使该室排气时的流动氧化、利用活性氧的自由基氧化或者等离子体氧化等而进行氧化。
[0038]在阻挡层208上沉积包含CoFe等且厚度为0.2-lnm的程度的参照层207，包含CoFeB等且厚度为0.5-2.0nm的程度的参照层206，包含Ta等的取向分离层205，以及用于将垂直磁各向异性赋予参照层206和参照层207的参照层204。图2中，两层参照层通过具有Co/Pd的多层结构的实例而各自示出；然而，除此之外，还可使用如Co/Pd、Co/Pt或Co/Ni任何形式的多层结构，如TbTeCo或GdFeCo等无定形材料，以及如FePt、CoPt, MnGa或MnAl等有序合金。此外，可使用其中省略参照层207从而参照层206的CoFeB与阻挡层208直接接触的形式。此外，取向分离层205可以由除了 Ta之外的，钽(Ta)、铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)、钼(Pt)和钌(Ru)等至少一种或两种以上的合金，或者包含镁(Mg)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅(Si)等至少一种或两种以上的氧化物制成。
[0039]在参照层204上形成包含钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)和铼(Re)的至少一种或两种以上的合金且厚度为0.Snm的程度的非磁性中间层203。在非磁性中间层203上形成由如Co/Pd、Co/Pt或Co/Ni等多层结构，如TbTeCo或GdFeCo等无定形材料，以及如FePt、CoPt、MnGa或MnAl等有序合金构成的参照层202。参照层207、参照层206、取向分离层205、参照层204的多层结构部、非磁性中间层203和参照层202形成合成型的参照层。该参照层可具有其中省略非磁性中间层203和参照层202并且参照层207、参照层206、取向分离层205和参照层204形成参照层的结构。在参照层202上形成作为覆盖层201的Ta(5nm)。Ta可以由例如^!了(Ru)、钛(Ti)或钼(Pt)的材料代替。此类TMR元件通过群集型的基板处理装置在真空中制造。
[0040]图2中，缓冲层211由5nm厚的RuCoFe制成;缓冲层210由2nm厚的Ta制成；自由层209由0.8nm厚的CoFeB制成；阻挡层208由0.9nm厚的MgO制成；参照层207由0.5nm厚的Fe制成；参照层206由0.8nm厚的CoFeB制成；取向分离层205由0.3nm厚的Ta制成；并且参照层204具有包括各自具有0.25nm厚的Co和0.8nm厚的Pt的四个层叠体的结构。非磁性中间层203由0.9nm厚的Ru制成，参照层202具有包括各自具有0.25nm厚的Co和0.8nm厚的Pt的十四个层叠体的结构，并且覆盖层201由20nm厚的Ru制成。
[0041]图3为非专利文献3中公开的面内磁化型元件(以下，称为MTJ元件)的多层结构的示意图。在MTJ元件300中，首先在处理基板上沉积作为缓冲层309的例如，Ta(5nm)。上部的Ta也用作底层膜，并且除了 Ta之外，还可使用如铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr)Ji (Ti)、钼(Mo)或钨(W)等金属。此外，可以在Ta等上沉积例如，包含镍(Ni)、铁(Fe)、铬(Cr)和钌(Ru)等的至少一种元素的层。在缓冲层309上沉积例如，3-20nm的程度的厚度的包含IrMn、PtMn、FeMn、NiMruRuRhMn或CrPtMn等的反铁磁性层308。在反铁磁性层308上沉积参照层307、非磁性中间层306和参照层305。参照层307包含例如，CoFe等，并且厚度为l-5nm的程度。非磁性中间层306包含钌(Ru)、络(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)和铼(Re)的至少一种或两种以上的合金，并且厚度为0.8nm的程度。参照层305包含例如，CoFe或CoFeB等，并且厚度为l_5nm的程度。反铁磁性层308、固定磁性层307、非磁性中间层306和固定磁性层305形成合成型的参照层。该参照层可构造为具有反铁磁性层和两层参照层的双层结构。参照层为其中将磁化方向固定的层。
[0042]在参照层305上形成阻挡层304。优选，阻挡层304由MgO制成以获得高的MR比。除了 MgO之外，可使用包含镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅(Si)的至少一种或两种以上的氧化物。可使用用RF溅射等以直接形成氧化物的任意方法，和其中包括沉积金属然后将金属氧化的方法。通过在保持室密封时的密封氧化、使该室排气时的流动氧化、利用活性氧的自由基氧化或者等离子体氧化等而进行氧化。在阻挡层304上沉积例如，厚度为1-1Onm的程度的具有由包含CoFeB或Co、Fe或Ni等至少一种或两种以上的合金的材料的一层或两层以上的层形成的结构的自由层303。自由层303为其中不固定磁化的层，并且根据相对于参照层的磁化的相对角度来改变电阻。
[0043]在自由层303上形成氧化物覆盖层302。氧化物覆盖层302通过借助将垂直磁各向异性赋予自由层的磁化使自旋扭矩(spin torque)提供更容易的磁化反转，而具有降低磁化反转的临界电流密度JcO的效果。包含镁(Mg)、销(Al)、钛(Ti)、锌(Zn)、給(Hf)、锗(Ge)或硅(Si)等的至少一种或两种以上的氧化物可应用于氧化物覆盖层。通过在保持室密封时的密封氧化、使该室排气时的流动氧化、利用活性氧的自由基氧化或者等离子体氧化等而进行氧化。在氧化物覆盖层302上形成作为覆盖层301的Ta(5nm)。Ta可以由例如，钌(Ru)、钛(Ti)或铂(Pt)等材料代替。此类TMR元件通过群集型的基板处理装置在真空中制造。
[0044]图3中，反铁磁性层308由15nm厚的PtMn制成；参照层307由2.5nm厚的Co7tlFe3tl制成;非磁性中间层306由0.85nm厚的Ru制成;参照层305由3nm厚的C06ciFe2ciB2tl制成；阻挡层304由Inm厚的MgO制成；自由层303由2nm厚的Fe8tlB2tl制成；氧化物覆盖层302由0-2.4nm厚的MgO盖制成；以及覆盖层301由5nm厚的Ta制成。
[0045](第一实施方案)
[0046]图4为示出根据本实施方案的氧化处理设备400在基板输送状态下和在第一氧化处理(或第一氧化处理状态)下的构造的示意图。图5为示出根据本实施方案的氧化处理设备400的构造的示意图，并且示出第一氧化处理的另一实例。图6为示出根据本实施方案的氧化处理设备400在第二氧化处理(或第二氧化处理状态)下的构造的示意图。在本实施方案中，氧化处理设备400形成由图1-3的实例示出的各元件的阻挡层。在本实施方案中，阻挡层由MgO制成，并且使具有在其上形成的Mg的基板在氧化处理设备400内进行氧化处理，从而形成MgO。
[0047]在本实施方案中，“第一氧化处理”指在Mg不升华的温度(例如，室温)下进行的隧道势皇层 形成的氧化。此外，“第二氧化处理”指在有意地加热基板的同时或在预定的温度下加热基板的状态下进行的隧道势皇层形成的氧化。在本实施方案中，在第一氧化处理后进行第二氧化处理。此处，在本发明中，升华不发生的温度指其中在超过饱和蒸气压的真空中不脱离金属膜的温度。
[0048]在图4-6中，氧化处理设备400包括处理容器401、作为用于使处理容器排气的排气单元的真空泵402、构造为保持设置在处理容器401内的基板403的基板保持件404、设置在处理容器401内的圆筒构件405、用于将氧气导入至处理容器401内的氧气导入手段的气体导入单元406以及基板输送口 407。基板输送口 407设置有插板阀(slit valve)。
[0049]基板保持件404包括构造为保持基板403的基板保持面404a、其上形成基板保持面404a的放置部404b以及从基板保持面404a朝向气体导入单元406突出并且能够支承与基板保持面404a分离的基板403的突起部(或支承部)404c。突起部404c构造为能够实行其中突起部404c从基板保持面404a突出的突出状态，和其中突起部404c收纳在基板保持面404a内部的收纳状态。因此，基板403保持在在突出状态下(参见图4和5)的突起部404c上，并且基板403保持在在收纳状态下(参见图6)的基板保持面404a上。
[0050]在基板保持件404内设置作为加热装置的加热器408。此外，作为用于改变基板保持件404和圆筒构件405的相对位置的位置变化手段的基板保持件驱动单元409连接至基板保持件404。
[0051]基板保持件驱动单元409沿箭头P的方向(或其中将基板保持件404移动至更接近氧化处理空间410的方向，和其中移动基板保持件404远离氧化处理空间410的方向)移动基板保持件404。此外，基板保持件驱动单元409构造为在突出状态与收纳状态之间切换突起部404c。具体地，在基板保持件驱动单元409的控制下，当确立突出状态时，在将突起部404c收纳在基板保持件404内的情况下，使得突起部404c从基板保持面404a突出；当确立收纳状态时，将从基板保持面404a突出的突起部404c收纳在基板保持件404的内部。在本实施方案中，在基板输送期间和第一氧化处理期间，在基板保持件驱动单元409的控制下，将基板保持件404移动至图4中所示的位置，并且使得突起部404c从基板保持面404a突出并且进入突出状态。在基板搬入期间，在该状态下，将基板403经由基板输送口407输送至处理容器401，并且将基板403载置在突起部404c上。在基板的搬出期间，保持在突起部404c上的基板403经由基板输送口 407搬出处理容器401。同时，在第一氧化处理时，在图4和5所示的状态下，气体导入单元406将氧气导入至处理容器401，从而，在加热氧化之前发生Mg的氧化。此外，在第二氧化处理时，在基板保持件驱动单元409的控制下，将突起部404c收纳在基板保持件404内，从而，将基板403配置在基板保持面404a上，并且在加热基板403的同时进行氧化处理(参见图6)。
[0052]气体导入单元406远离面对基板保持件404的处理容器401的壁401a而设置，并且包括具有很多孔的簇射板(shower plate) 411，设置在壁401a内且具有将氧气导入至处理容器401内的气体导入口的氧导入路径412，以及在簇射板411与壁401a之间形成空间并且构造为使经由氧导入路径412导入的氧气扩散的扩散空间413。在本实施方案中，氧导入路径412设置为将氧气导入至扩散空间413，并且经由氧导入路径412导入且在扩散空间413内扩散的氧气经由簇射板411均匀地供给至基板面内。可设置多个氧导入路径412。
[0053]圆筒构件405为具有从壁401a朝向面对壁401a的侧(此处，基板保持件侧)延伸的延伸部405a的构件，延伸部405a安装至包括氧导入路径412连接至其的处理容器401的壁401a的至少一部分的区域401b内的壁401a，以该方式完全围绕簇射板411。在本实施方案中，圆筒构件405为其中垂直于延伸方向截取的截面为圆形的圆筒构件；然而，截面可具有如多角形状等其它形状。此外，圆筒构件405例如，由铝制成。优选，圆筒构件405由铝制成，因为圆筒构件405可容易地加工。此外，除了铝之外，圆筒构件405还可以例如，由钛或不锈钢(SUS)制成。此外，圆筒构件405可以构造为可拆卸地安装至壁401a。将簇射板411设置在由延伸部405a或者等效地，圆筒构件405的中空部，和圆筒构件405的比簇射板411更接近壁401a的部分包围的空间内，壁401a在区域401b内的至少一部分和簇射板411形成扩散空间413。
[0054]为了改进MgO的氧分布，并由此改进MgO的面内的RA分布，必需在作为氧化对象的Mg的表面上设置更均匀的氧压力。换言之，在从气体导入口向排气侧的方向为一个方向的情况下，气体导入口的压力高，并且排气侧的压力低。例如，在如Mg的高反应性材料的情况下，已知该压力梯度导致氧分布恶化。因此，设置有簇射板411的结构是优选的。具体地，即使氧导入路径412不与作为排气单元的真空泵402同轴(例如，如图4和5所示，在氧导入路径412的氧导入方向垂直于真空泵402的排气方向的情况下)，簇射板411和圆筒构件405的设置也能够在图5和6所示的位置向基板403的表面均匀地供氧，由此能够降低通过氧化生成的MgO在基板403面内的氧化分布的不均匀。因此，可改进RA分布。
[0055]氧气经由簇射板411的孔导入至氧化处理空间410内，由此，簇射板411可以称为气体导入单元406的区域(也称为“氧气导入区域”)，其中设置用于限定氧气向氧化处理空间的导入的部分。
[0056]在通过实例不设置簇射板411的情况下，氧气经由氧导入路径412导入至氧化处理空间410，由此，区域401b形成氧气导入区域。
[0057]在本实施方案中，可以说氧气导入区域、圆筒构件405和基板保持件404 (或基板保持面404a)形成氧化处理空间410。
[0058]此外，如图5和6所示，圆筒构件405设置为当将基板保持件404插入圆筒构件405的开口部405b时，在延伸部405a与基板保持件404的至少一部分(或载置部4b)之间形成间隙415。具体地，圆筒构件405构造为在氧化处理空间410中形成期间，在延伸部405a与包围基板保持件404并且具有在其上形成的基板保持面404a的载置部404b之间设置间隙415。因此，从气体导入单元406导入至氧化处理空间410内的氧气通过间隙415从氧化处理空间410排气至氧化处理空间410的外部空间414。从氧化处理空间410经由间隙415排气至外部空间414的氧气通过真空泵402从处理容器401排气。
[0059]基板保持件驱动单元409沿箭头P的方向移动基板保持件404，从而基板保持面404a收纳在圆筒构件405内，并且停止其中基板保持面404a (或载置部404b)插入开口部405b的预定位置处基板保持件404的移动。因此，如图5和6所示，形成仅通过间隙415与外部空间414连通的氧化处理空间410。此时，氧化处理空间410由簇射板411、延伸部405a和基板保持件404(或基板保持面404a)形成。因此，在本实施方案中，在处理容器401中，簇射板411和延伸部405a形成其与基板保持面404a —起形成比通过处理容器401的内壁划分的空间更小的空间的包围部。因此，圆筒构件405的包围部为划分与簇射板411 一起的氧化处理空间410和基板保持件404 (或基板保持面404a)的包围构件，使得在氧化处理期间通过气体导入单元406导入的氧气限制地导入处理容器401内的氧化处理空间410。
[0060]如上所述，在不通过实例的方式设置簇射板411的情况下，氧化处理空间410由区域401b、延伸部405a和基板保持件404形成，因此，在该情况下，上述包围部为其中作为处理容器401的内壁的一部分区域401b，和延伸部405a。
[0061]此外，基板保持件驱动单元409可以构造为基板保持面404a沿基板保持面404a的面内方向可旋转。换言之，基板保持件404可构造为基板保持面404a围绕基板保持面404a的法线方向旋转。因此，在基板保持面404a旋转的情况下，基板保持件404可设置有静电卡盘(ESC)，从而基板403静电吸附至基板保持面404a上。因此，基板吸附在ESC上，从而，例如，在第二氧化处理期间，在预定温度下加热基板403的状态下基板403旋转的同时可进行氧化。
[0062]优选，使基板403表面上的氧压力均匀以改进氧分布，由此改进RA分布。因此，即使从簇射板411的导入不均匀，基板保持面404a也旋转，从而使基板403旋转，由此可以使供给至基板403表面的氧气的浓度分布均匀。因此，可改进RA分布。
[0063]此外，在本实施方案中，基板保持件驱动单元409构造为沿圆筒构件405内的延伸部405a的延伸方向移动基板保持件404。换言之，基板保持件驱动单元409可以沿其中基板保持件404移动至更接近作为氧气导入区域的簇射板411的方向，和沿其中将基板保持件404远离簇射板411移动的方向移动圆筒构件405内的基板保持件404。
[0064]图7为示出根据本实施方案的磁阻元件的制造方法的过程的流程图。此处所述磁阻元件具有其中通过实例的方式在基板上依次层叠磁化自由层、隧道势皇层和磁化固定层的结构。不用说本发明可应用于具有其中在基板上依次层叠磁化固定层、隧道势皇层和磁化自由层的结构的磁阻元件的制造。
[0065]首先，制备其上形成作为磁化自由层 的底层的预定层的基板403。在步骤S71中，在特定沉积室中，在底层上形成磁化自由层。在另一实例中，在其中在其上依次层叠磁化固定层、隧道势皇层和磁化自由层的结构的情况下，在底层上形成磁化固定层。换言之，在步骤S71中，在底层上形成磁化自由层和磁化固定层之一。
[0066]在步骤S72中，在上述特定沉积室或其它室中，在步骤S71沉积的磁化自由层上形成Mg。因此，作为沉积步骤的该步骤沉积用于形成由氧化制成的隧道势皇层的上述金属膜。
[0067]在步骤S73中，步骤S72中具有其上形成的Mg的基板403经由基板输送口 407输送至氧化处理设备400，并且在氧化处理设备400内进行氧化处理。氧化处理的细节将如下所述。
[0068]在步骤S74中，将具有通过步骤S73的氧化处理在其上形成的MgO (或隧道势皇层)的基板403输送至上述特定沉积室或其它室中，并且在作为隧道势皇层的MgO上形成磁化固定层。在上述另一实例中，在其中在其上依次层叠磁化固定层、隧道势皇层和磁化自由层的结构的情况下，在MgO上形成磁化自由层。换言之，在步骤S74中，在隧道势皇层上形成磁化自由层和磁化固定层的另一者。
[0069]图8为示出根据本实施方案的隧道势皇层的形成步骤中氧化处理过程的流程图。图9为图8的氧化处理的时间图表。在图8示出的实施方案中，基板保持件404具有ESC功能和基板旋转机构。
[0070]在步骤S81中，在时间tl时，打开基板输送口 407的插板阀以将具有在其上形成的Mg的基板403输送至处理容器401，并且基板403载置在突出状态的突起部404c上。因此，具有其上形成的Mg的基板403保持在基板保持件上。在时间t2时，关闭插板阀。
[0071]在步骤S82中，在图4示出的状态下，在时间t3时，气体导入单元406将氧气导入至处理容器401。此时，加热器408未驱动，并且处理容器401内的温度为室温。通过该氧导入，使基板403上的Mg氧化(或进行第一氧化处理)。在本实施方案中，在第一氧化处理时，重要的是，使Mg的升华最小化。因此，基板温度不限于室温，并且基板403可以通过加热器408或外部加热装置(未示出)加热，条件是该温度为Mg不升华的温度。此外，加热器408可以一直驱动从而一直加热基板保持件404以改进生产量。还在该情况下，在步骤S81中，将基板403载置在突起部404c上，因此，基板403的温度保持在Mg不升华的温度下。
[0072]在步骤S83中，在维持步骤S82中开始的氧气导入的同时，在时间t4时，突起部404c向下移动并且收纳在基板保持件404内，从而，配置在突起部404c上的基板403载置在基板保持面404a上。
[0073]在步骤S84中，在维持步骤S82中开始的氧气导入的同时，在时间t5时，驱动加热器408以开始加热载置在基板保持面上的基板403。换言之，加热器408加热基板保持面404a，由此加热基板403。此外，开启基板保持件404的ESC功能，从而使基板403静电吸附在基板保持面404a上。开启ESC功能，从而，基板403可以在短时间内加热至预定温度，并且在时间t6时，基板403达到目标加热温度。该步骤在加热Mg的同时开始在基板403上形成的且通过第一氧化处理未氧化的Mg的氧化(或第二氧化处理)。上述目标加热温度可以设定为等于或高于Mg升华的温度，或可以设定为低于该温度。然而，优选的是，该加热步骤在Mg不升华的条件下加热基板403。
[0074]在步骤S85中，在维持步骤S82中开始的氧气导入的同时，在时间t7时，驱动基板保持件驱动单元409，从而将基板保持件404移动至其中形成如图6所示的氧化处理空间410的位置。从而，在处理容器401内形成作为小于处理容器401的空间的氧化处理空间410。同时，驱动基板保持件驱动单元409，从而使基板保持面404a围绕基板保持面404a的法线方向旋转，从而旋转基板403。该步骤可在将基板保持件404移动至更接近作为氧气导入区域(或氧气导入单元)的簇射板411的同时进行基板403的加热和氧导入。
[0075]在本实施方案中，在步骤S84后形成氧化处理空间410 ;然而，氧化处理空间410的形成时间不限于此。例如，可在步骤S84前的任意时间(例如，步骤S81与步骤S82之间等)形成氧化处理空间410。
[0076]在步骤S86中，在时间t8时，控制气体导入单元406以停止步骤S82中开始的氧导入。同时，控制基板保持件驱动单元409以停止基板保持面404a并且将基板保持件404移动至图4所示的位置。然后，在时间t9时，停止加热器408的驱动并且关闭ESC功能，并且在时间tlO时，收纳状态下的突起部404c从基板保持面404a向上移动以突出，从而具有在其上形成的MgO的基板403保持在突起部404c上。然后，在时间til时，打开基板输送口 407的插板阀以将保持在突起部404c上的基板搬出处理容器401外，并且在时间tl2时，关闭插板阀。在本实施方案中，连接至处理容器401的真空泵402 —直驱动，从而在上述步骤S81至S86中一直使处理容器401排气。然而，真空泵402的驱动不限于此，并且真空泵402还可以根据各步骤限制地驱动。
[0077]根据本实施方案，在突起部404c保持基板403以与基板保持面404a分离的状态下供给氧气，并且在作为Mg不升华的温度的室温下使基板403上形成的Mg首先氧化。因此，基板403上的Mg的表面(或露出面)及其附近可以在Mg不升华的温度下氧化。如图10所示，镁(Mg)膜比其它金属膜的蒸汽压更低。例如，如可从图10看出的，在1X10_9至IXlO-8Torr的气氛下在约423K(约150°C )下Mg开始升华。因此，基板403上形成的Mg在I X 10_9至I X 10 _8Torr的气氛下在约150°C以上的温度下升华，然后Mg气化。在本实施方案中，为了使Mg的升华最小化，第一氧化处理供给氧气以使Mg在Mg不升华的温度下进行氧化处理。这能够在将Mg的升华降低至最小的同时，使基板403上形成的Mg的一部分氧化以形成MgO。
[0078]然后，在本实施方案中，突起部404c收纳在基板保持件404内以将保持在突起部404c上并且使在其上形成Mg在其表面及其附近转化为MgO的基板403载置在基板保持面404a上，并且在载置在基板保持面404a上的基板403通过加热器408加热至预定温度的同时，在低压下进行氧化处理(或第二氧化处理)。因此，通过第一氧化处理未氧化的Mg通过借助在如上所述被加热的同时进行氧化的强氧化力而氧化。因此，在加热发生的同时进行的氧化，特别是在高真空中，具有Mg的升华量增多的问题。同时，在本实施方案中，在加热发生的同时进行的氧化前的阶段，通过第一氧化处理在基板403上形成的Mg的表面及其附近转化为MgO。因此，通过第一氧化处理形成的MgO不容易升华，由此起到覆盖层的作用以抑制下层Mg (或Mg的表面及其附近内部的区域)的升华。
[0079]此外，在本实施方案中，在基板403的加热前的阶段，导入氧气以进行氧化处理(或第一氧化处理)，由此，在加热基板的同时进行的氧化处理(或第二氧化处理)开始时，Mg的一部分已经转化为MgO。因此，与以前相比，可改进生产量。因此，氧化处理所需的时间缩短，由此，混入MgO的杂质可减少。
[0080]在本实施方案中，用于基板403的加热的基板保持面404a的加热在将基板403载置在基板保持面404a上之后(或步骤S83后)进行；然而，基板保持面404a的加热可以在步骤S83前进行。例如，基板保持面404a的加热可以在步骤S81与步骤S83之间进行。从而，在其中基板403载置在用于第二氧化处理的基板保持面404a的阶段，基板保持面404a处于需要加热的状态。因此，直到基板保持面404a加热至期望温度的待机时间可缩短，由此，可进一步改进生产量。
[0081]在本实施方案中，在步骤S82中氧导入后，在步骤S84中进行基板的加热。然而，在本实施方案中，重要的是，在加热基板的同时进行的氧化前，在Mg的升华降低至最小化的同时形成的MgO形成在Mg的表面及其附近。因此，如果这可以实现，则氧气导入和基板的加热可以同时进行。例如，可进行以下:在没有设置突起部404c的情况下，将基板403载置在基板保持面404a上，并且通过气体导入单元406的氧导入和通过加热器408的基板的加热同时进行。在该情况下，例如，即使将基板加热至等于或高于Mg升华的温度，在基板加热后的预定时间的期间，基板温度保持在Mg不升华的温度下，由此，在该期间的氧化可以称为在Mg的升华最小化的情况下的氧化(或第一氧化处理)。然后，随着基板温度升高，从第一氧化处理至第二氧化处理连续地变化处理。
[0082]如上所述，在本实施方案中，第二氧化处理为使Mg的面内均匀氧化的氧化处理，并且为在基板温度升高至预定温度以上的同时进行的氧化处理。第一氧化处理为在降低Mg的升华的同时，形成对由第二氧化处理的氧化引起的Mg的升华起覆盖层的作用的MgO的氧化处理，并且为在第二氧化处理前，通过在Mg不升华的基板温度(例如，室温)下将氧供给至基板403而进行的氧化处理。依次进行如上所述的第一氧化处理和第二氧化处理，从而，即使在加热基板的同时在低压气氛下进行氧化处理，Mg的升华也可以降低，并且RA分布也可以改进。
[0083](第二实施方案)
[0084]在第一实施方案中，在处理容器401内形成小于处理容器401的氧化处理空间410 ;然而，可以不形成氧化处理空间410。图11为示出根据第二实施方案的氧化处理设备的概略构造的示意图。除了氧化处理设备1100不包括圆筒构件405以外 ，氧化处理设备1100具有与图4-6所示的氧化处理设备400相同的结构。
[0085]图12为示出根据第二实施方案的隧道势皇层的形成步骤中氧化处理过程的流程图。
[0086]在步骤S121中，打开基板输送口 407的插板阀，从而将具有在其上形成的Mg的基板403输送至处理容器401内，并且以突出状态将基板403载置在突起部404c上。在基板的载置完成后，关闭插板阀。
[0087]在步骤S122中，关闭已打开的闸阀416以停止排气操作。如果在步骤S121中真空泵402不驱动，则该步骤不是必需的。在步骤S123中，气体导入单元406将氧气导入至处理容器401中。此时，加热器408不驱动，并且处理容器401内的温度为室温。通过该氧导入，基板403上的Mg氧化(或进行第一氧化处理)。
[0088]在步骤S124中，停止在步骤S123中开始的氧导入。即使当通过该步骤停止氧气导入时，也用预定量的氧气填充处理容器401，由此在处理容器401内形成氧气氛。
[0089]在步骤S125中，在停止氧气导入的状态下，突起部404c向下移动并且收纳在基板保持件404内，从而，将突起部404c上配置的基板403载置在基板保持面404a上。
[0090]在步骤S126中，在停止氧气导入的状态下，驱动加热器408，从而开始加热载置在基板保持面404a上的基板403。换言之，加热器408加热基板保持面404a从而加热基板403。尽管在步骤S124中停止氧气导入，但是在基板403的周围形成氧气氛，从而，在该加热步骤中的加热开始基板403上形成的通过第一氧化处理没有被氧化的Mg的加热和氧化(或第二氧化处理)。然后，在步骤S127中，打开步骤S122中关闭的闸阀416，从而开始排气操作。如果在步骤S121中不驱动真空泵402，则在步骤S1272中再启动真空泵402的驱动，从而使处理容器401排气。
[0091]在第二实施方案中，步骤S125与步骤S126之间，气体导入单元406可进行将氧气再供给至处理容器401内的氧气再供给步骤。在该情况下，在步骤S126后可进行停止氧气供给的步骤。此外，在步骤S126中，在供给氧气再供给步骤中导入的氧气的同时加热基板403。
【主权项】
1.一种磁阻元件的制造方法，其包括: 形成磁化自由层和磁化固定层之一的步骤； 在形成的所述磁化自由层和所述磁化固定层之一上形成隧道势皇层的步骤；和 在所述隧道势皇层上形成所述磁化自由层和所述磁化固定层的另一者的步骤， 其中所述形成隧道势皇层的步骤包括 在基板上沉积金属膜的沉积步骤，和 使所述金属膜进行氧化处理的氧化步骤， 其中所述氧化步骤包括 将具有其上形成的金属膜的所述基板保持在进行所述氧化处理的处理容器内的基板保持件上的基板保持步骤， 通过在所述金属膜不升华的温度下将氧气导入至所述处理容器内而将所述氧气供给至所述基板的供给步骤， 在导入所述氧气的同时或其后加热所述基板的加热步骤。2.根据权利要求1所述的磁阻元件的制造方法， 其中所述基板保持步骤包括，将所述基板载置在从所述基板保持件的基板保持面突出的支承部上， 其中所述供给步骤包括，在所述基板载置在所述支承部上的状态下，在所述金属膜不升华的温度下将所述氧气供给至所述基板， 其中所述制造方法进一步包括，将载置在所述支承部上的所述基板载置在所述基板保持面上的载置步骤， 其中所述加热步骤包括，加热载置在所述基板保持面上的所述基板。3.根据权利要求2所述的磁阻元件的制造方法，其中在所述载置步骤前加热所述基板保持面。4.根据权利要求2所述的磁阻元件的制造方法，其进一步包括在所述加热步骤前的所述氧气供给的停止步骤。5.根据权利要求4所述的磁阻元件的制造方法， 其中所述停止步骤包括，在所述载置步骤前停止所述氧气的供给， 其中所述制造方法进一步包括，在所述载置步骤后，将所述氧气供给至所述基板的氧气再供给步骤。6.根据权利要求5所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在供给通过所述氧气再供给步骤所供给的氧气的同时，加热所述基板。7.根据权利要求5所述的磁阻元件的制造方法，其中所述氧气再供给步骤包括，在将所述基板移动至更接近所述处理容器内设置的、并且构造为将所述氧气导入所述处理容器中的氧气导入单元的同时，供给所述氧气。8.根据权利要求5所述的磁阻元件的制造方法，其中所述氧气再供给步骤包括，在沿所述基板的面内方向旋转所述基板的同时，供给所述氧气。9.根据权利要求2所述的磁阻元件的制造方法，其中所述载置步骤和所述加热步骤包括，通过所述导入的步骤维持所述氧气的导入。10.根据权利要求9所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在将所述基板移动至更接近所述处理容器的所述氧气体导入单元的同时，加热所述基板。11.根据权利要求9所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在沿所述基板的面内方向旋转所述基板的同时，加热所述基板。12.根据权利要求1所述的磁阻元件的制造方法，其中所述金属膜为镁。13.根据权利要求1所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在所述金属膜不升华的条件下加热所述基板。14.一种磁阻元件的制造方法，其包括: 形成磁化自由层和磁化固定层之一的步骤； 在形成的所述磁化自由层和所述磁化固定层之一上形成隧道势皇层的步骤；和 在所述隧道势皇层上形成所述磁化自由层和所述磁化固定层的另一者的步骤， 其中所述形成隧道势皇层的步骤包括 在基板上沉积金属膜的沉积步骤，和 使所述金属膜进行氧化处理的氧化步骤， 其中所述氧化步骤包括: 将具有其上形成的所述金属膜的基板保持在进行所述氧化处理的处理容器内的基板保持件上的基板保持步骤， 通过在所述金属膜不升华的温度下将氧气导入至所述处理容器内而将所述氧气供给至所述基板的供给步骤，和 在导入所述氧气的同时或其后加热所述基板的加热步骤。 其中所述氧化步骤进一步包括，在所述基板保持步骤后，通过改变所述基板保持件相对于所述处理容器的相对位置，在所述处理容器内形成由所述基板保持件的基板保持面和所述处理容器内设置的包围部形成的空间的步骤，其中形成所述空间使得所述基板保持面由所述包围部包围并且在所述包围部与所述基板保持件之间形成间隙， 其中导入至所述空间的所述氧气通过所述间隙从所述空间排出。15.根据权利要求14所述的磁阻元件的制造方法， 其中所述基板保持步骤包括，将所述基板载置在从所述基板保持面突出的支承部上，其中所述导入的步骤包括，在将所述基板载置在所述支承部的状态下，在所述金属膜不升华的温度下将所述氧气供给至所述基板， 其中所述制造方法进一步包括，将载置在所述支承部上的所述基板载置在所述基板保持面上的载置步骤， 其中所述加热步骤包括，加热载置在所述基板保持面上的所述基板。16.根据权利要求15所述的磁阻元件的制造方法，其中在所述载置步骤前加热所述基板保持面。17.根据权利要求15所述的磁阻元件的制造方法，其进一步包括，在所述加热步骤前的所述氧气供给的停止步骤。18.根据权利要求17所述的磁阻元件的制造方法， 其中所述停止步骤包括，在所述载置步骤前，停止供给所述氧气， 其中所述制造方法进一步包括，在所述载置步骤后，将所述氧气供给至所述基板的氧气再供给步骤。19.根据权利要求18所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在通过所述氧气再供给步骤供给所述氧气的同时，加热所述基板。20.根据权利要求18所述的磁阻元件的制造方法，其中所述氧气再供给步骤包括，在将所述基板移动至更接近所述处理容器内设置的、并且构造为将所述氧气导入所述处理容器中的氧气导入单元的同时，供给所述氧气。21.根据权利要求18所述的磁阻元件的制造方法，其中所述氧气再供给步骤包括，在沿所述基板的面内方向旋转所述基板的同时，供给所述氧气。22.根据权利要求15所述的磁阻元件的制造方法，其中所述载置步骤和所述加热步骤包括，通过所述导入的步骤维持所述氧气的导入。23.根据权利要求22所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在将所述基板移动至更接近所述处理容器的所述氧气体导入单元的同时，加热所述基板。24.根据权利要求22所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在沿所述基板的面内方向旋转所述基板的同时，加热所述基板。25.根据权利要求14所述的磁阻元件的制造方法，其中所述金属膜为镁。26.根据权利要求14所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在所述金属膜不升华的条件下加热所述基板。
【专利摘要】本发明提供一种磁阻效果元件的制造方法，所述磁阻效果元件当在金属氧化物的隧道势垒层的形成期间改进生产量的同时使金属氧化时，能够降低金属的升华。本发明的实施方案为磁阻效果元件的制造方法，其中所述方法包括隧道势垒层的形成步骤。隧道势垒层的形成步骤包括膜形成步骤和氧化步骤。在膜形成步骤中，在基板上形成金属膜，和在氧化步骤中，使金属膜进行氧化处理。在氧化步骤中，将Mg形成的基板保持在其中进行氧化处理的处理容器内的基板保持件上，在Mg不升华的温度下将氧气导入至处理容器内，将氧气供给至基板，并且在氧气导入后加热基板。
【IPC分类】H01L21/8246, H01L43/12, H01L43/08, H01L27/105, H01L21/316
【公开号】CN104885245
【申请号】CN201380067306
【发明人】清野拓哉, 西村和正, 奥山博基, 大谷裕一, 室冈勇太, 岛根由光
【申请人】佳能安内华股份有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年9月4日
【公告号】DE112013006168T5, WO2014097510A1
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁阻元件的制造方法。
【背景技术】
[0002]迄今为止，磁阻变化元件已主要用作用于从硬盘驱动器的介质在磁场中读取的元件。磁阻元件利用通过将磁场施加至元件来改变电阻的磁阻效果，并且硬盘驱动器工业使用用与使用巨磁阻(GMR)效果的GMR磁头相比显示更大的电阻变化率的隧道磁阻(TMR)效果的TMR磁头，其进而实现记录密度的显著改进。同时，作为通过将该TMR技术与半导体元件融合获得的集成磁性存储器的MRAM(磁性随机存取存储器)已经开始其商品化。MRAM不同于迄今仅由半导体元件形成的SRAM (静态RAM)或DRAM (动态RAM)，其包括在半导体器件的上部形成的由磁性材料制成的TMR元件。此外，MRAM由于其非挥发性使得能够显著改进功耗，由此期望实现移动通信市场中更大的容量。
[0003]MRAM使用，如非专利文献I公开的作为TMR元件的，其中自由层和参照层的磁化方向沿与多层膜方向垂直的方向自旋的面内(in-plane)磁化型的元件。MRAM提出由于用于存储数据的大的存储器单元使得没有大的存储容量的问题。然而，通过近几年的研宄和开发，可期望使用自旋注入的STT(自旋转移力矩)_MRAM以克服MRAM的固有缺陷，由此实现更大的容量。该技术可通过利用由电子的自旋生成的磁矩改变磁性材料的磁化方向，由此能够使得微细化并且还能够使写入数据所需的电流值减小。因此，STT-MRAM即使具有小尺寸的元件也可操作，由此适用于更高的密度。STT-MRAM使用与使用MRAM的情况相同的面内磁化型的元件，和其中自由层和参照层的磁化方向沿与多层膜的方向相同的方向自旋的垂直磁化型的元件。垂直磁化型的代表的多层膜结构在非专利文献2中公开。此外，加快材料和结构的研宄和开发，从而即使在具有小尺寸元件的情况下磁化也可反转，并且如非专利文献3中记载，还报道了其中在自由层的上部形成氧化物层的结构。
[0004]TMR元件的制造不仅使用非专利文献I和2中记载的结构，而且还广泛使用其中包括溅射由期望的沉积材料制成的靶从而在对面基板上沉积膜的溅射沉积(以下，也仅称溅射)方法(参考专利文献I)。此外，需要用于改进元件的电阻变化率的结晶退火装置，退火后的基板冷却装置和用于形成氧化层的氧化装置，以及溅射装置。在将来，为了实现STT-RAM的实用化，充分使用这些装置以开发高性能元件结构以及材料是必须的。
[0005]引f列表
[0006]专利f献
[0007]专利文献1:国际专利公开N0.W0/2012/086183_8] 非专利文献
[0009]非专利文献I:Young-suk Choi 等人,Journal of App1.Phys.48(2009) 120214
[0010]非专利文献2:D.C.Worledge 等人，Appl.Phys.Lett.98 (2011) 022501
[0011]非专利文献3:Kubota 等人，Journal of Appl.Phys.111，07C723 (2012)
【发明内容】
[0012]对于制造上述MRAM，为了实现低成本化，寻求改进生产量。此外，例如，当作为MRAM的结构元件的金属膜氧化以形成阻挡层时，不存在金属膜的快速氧化导致杂质的混入，进而元件的可靠性或特性劣化。还为了减少杂质的混入的目的，寻求改进生产量。
[0013]此外，迄今为止，作为阻挡层形成用金属膜的氧化处理，有时采用其中包括将具有在其上形成的金属膜的基板加热至预定温度从而使金属膜氧化的方法。在该情况下，在氧化处理室内将具有在其上形成的金属膜的基板加热至目标温度，然后，将氧导入至氧化处理室以进行氧化处理。
[0014]然而，在用于形成阻挡层的金属膜的材料为镁(Mg)的情况下，当将Mg加热至目标温度时，Mg随着温度上升而升华，因为特别是Mg为易升华材料。因此，在氧导入开始时，Mg的膜厚度通过Mg的升华量而降低。因此，氧化处理完成后，通过氧化处理生成的氧化镁(MgO)的膜厚度小于设计值。同时，考虑到在Mg沉积期间的升华，Mg可以预先可想象地形成比设计值更大的厚度；然而，这包括相对于设计值Mg的过量沉积，由此导致成本提高。
[0015]鉴于上述问题而进行本发明。本发明的目的为提供一种磁阻元件的制造方法，其在形成金属氧化物的隧道势皇层时改进生产量的同时，能够降低在金属氧化期间的金属的升华。
[0016]为了获得上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种磁阻元件的制造方法，其包括:形成磁化自由层和磁化固定层之一的步骤；在形成的磁化自由层和磁化固定层之一上形成隧道势皇层的步骤；以及在隧道势皇层上形成磁化自由层和磁化固定层中的另一者的步骤，其中隧道势皇层的形成步骤包括在基板上沉积金属膜的沉积步骤，和使金属膜进行氧化处理的氧化步骤，其中氧化步骤包括将具有其上形成的金属膜的基板保持在进行氧化处理的处理容器内的基板保持件上的基板保持步骤，通过在金属膜不升华的温度下将氧气导入至处理容器内而将氧气供给至基板的供给步骤，和在导入氧气的同时或其后加热基板的加热步骤。
[0017]根据本发明的第二个方面，提供一种磁阻元件的制造方法，其包括:形成磁化自由层和磁化固定层之一的步骤；在形成的磁化自由层和磁化固定层之一上形成隧道势皇层的步骤；以及在隧道势皇层上形成磁化自由层和磁化固定层中的另一者的步骤，其中隧道势皇层的形成步骤包括在基板上沉积金属膜的沉积步骤，和使金属膜进行氧化处理的氧化步骤，其中氧化步骤包括将具有其上形成的金属膜的基板保持在进行氧化处理的处理容器内的基板保持件上的保持步骤，通过在金属膜不升华的温度下将氧气导入至处理容器内而将氧气供给至基板的供给步骤，和在导入氧气的同时或其后加热基板的加热步骤，其中氧化步骤进一步包括，在保持步骤后，通过改变基板保持件相对于处理容器的相对位置，在处理容器内形成由基板保持件的基板保持面和处理容器内设置的包围部形成的空间的步骤，其中形成空间使得基板保持面由包围部包围并且在包围部与基板保持件之间形成间隙，其中导入至空间的氧气通过间隙从空间排出。
[0018]根据本发明，可在改进形成金属氧物的隧道势皇层的生产量的同时，降低在金属氧化期间金属的升华。
【附图说明】
[0019]图1为作为应用于根据本发明的一个实施方案的氧化处理的元件的一个实例的面内磁化型元件的多层结构的示意图。
[0020]图2为作为应用于根据本发明的一个实施方案的氧化处理的元件的一个实例的垂直磁化型元件的多层结构的示意图。
[0021]图3为作为应用于根据本发明的一个实施方案的氧化处理的元件的一个实例的面内磁化型元件的多层结构的示意图。
[0022]图4为示出根据本发明的一个实施方案的氧化处理设备在基板输送状态下和在氧化处理状态下的概略构造的示意图。
[0023]图5为示出根据本发明的一个实施方案的氧化处理设备在氧化处理状态下的概略构造的不意图。
[0024]图6为示出根据本发明的一个实施方案的氧化处理设备在基板输送状态下的概略构造的不意图。
[0025]图7为示出根据本发明的一个实施方案的磁阻元件的制造方法的过程的流程图。
[0026]图8为示出根据本发明的一个实施方案的隧道势皇层的形成步骤中的氧化处理过程的流程图。
[0027]图9为根据本发明的一个实施方案的氧化处理的时间图。
[0028]图10为示出根据本发明的一个实施方案的Mg的蒸汽压的温度依赖性的图。
[0029]图11为示出根据本发明的一个实施方案的氧化处理设备在氧化处理状态下的概略构造的的不意图。
[0030]图12为示出根据本发明的一个实施方案的隧道势皇层的形成步骤中的氧化处理过程的流程图。
【具体实施方式】
[0031]尽管以下将参考附图描述本发明的实施方案，但应理解本发明不限于这些实施方案。在下述附图中，具有相同功能的部分由相同的附图标记表示，并且省略该部分的重复描述。
[0032]图1为非专利文献I中公开的面内磁化型元件(以下称为MTJ(磁性隧道结)元件)的多层结构的示意图。在MTJ元件100中，作为处理基板上的下部电极层108，例如，首先层叠包含钽(Ta)和铜(Cu)的化合物。下部电极层108具有例如作为Ta(5nm)/CuN(20nm) /Ta(5nm)的结构。上部Ta还用作底层膜，并且，除了 Ta之外，可使用如铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr)、钛(Ti)、钼(Mo)或钨(W)等金属。此外，可以在Ta等上沉积例如，包含镍(Ni)、铁(Fe)、络(Cr)和钌(Ru)的至少一种元素的层。
[0033]在下部电极层108上沉积，例如，以3-20nm的程度的厚度沉积包含IrMn、PtMn,FeMn、NiMruRuRhMn或CrPtMn等的反铁磁性层107。在反铁磁性层107上沉积参照层106、非磁性中间层105和参照层104。参照层106包含例如，CoFe等的磁性膜，并且厚度为l_5nm的程度。非磁性中间层105包含选自钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)和铼(Re)的至少一种元素，或者这些金属的两种以上的合金，并且厚度为0.85nm的程度。参照层104包含例如，CoFe或CoFeB等的磁性膜，并且厚度为l_5nm的程度。反铁磁性层107、固定磁性层106、非磁性中间层105和固定磁性层104形成合成型的参照层。该参照层可构造为具有反铁磁性层和参照层106的双层结构。参照层为其中将磁化方向固定的层。
[0034]在参照层104上形成阻挡层103。优 选，阻挡层103由MgO制成以获得高的MR比。除了 MgO以外，还可使用包含镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅(Si)的至少一种或两种以上的氧化物。可使用用RF溅射等以直接形成氧化物的任意方法，和其中包括沉积金属然后将金属氧化的方法。通过在保持室密封时的密封氧化、使该室排气时的流动氧化、利用活性氧的自由基氧化或者等离子体氧化等而进行氧化。在阻挡层103上沉积厚度为1-1Onm的程度的具有由包含CoFeB或者Co、Fe或Ni等至少一种或两种以上的合金的材料的一层或两层以上形成的结构的自由层102。自由层为其中不固定磁化的层，并且根据相对于参照层的磁化的相对角度来改变电阻。在自由层102上沉积作为上部电极层101的例如作为Ta(8nm)/Ru(5nm)/Cu(30nm)/Ru(7nm)的多层结构。该层具有保护元件的功能，并且Ta部分可由例如钌(Ru)、钛(Ti)或铂(Pt)的材料代替。此TMR元件通过群集型(cluster type)的基板处理装置在真空中制造。
[0035]图1中，反铁磁性层107由15nm厚的PtMn制成；参照层106由2.5nm厚的Co7tlFe3tl制成;非磁性中间层105由0.85nm厚的Ru制成;参照层104由3nm厚的C06ciFe2ciB2tl制成；阻挡层103由1.0nm厚的MgO制成；以及自由层102由3nm厚的C06ciFe2ciB2ci制成。
[0036]图2为非专利文献2中公开的垂直磁化型元件(以下，称为P-MTJ元件)的多层结构的示意图。在P-MTJ元件200中，首先在处理基板上层叠缓冲层211、210。例如，将包含镍(Ni)、铁(Fe)、铬(Cr)和钌(Ru)的至少一种元素的材料用于缓冲层211。此外，如钽(Ta)、铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr)、钛(Ti)、钼(Mo)或钨(W)等金属可用于缓冲层210，并且除了这些之外，还可使用包含镁(Mg)、销(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅(Si)的至少一种或两种以上的氧化物。
[0037]在缓冲层210上沉积作为自由层209的例如，CoFeB0此外，可在CoFeB与MgO之间沉积Co和Fe的至少一种或两种以上的合金。CoFeB或CoFeB/CoFe磁性层的总膜厚度为0.8-2.0nm的程度。在自由层209上形成阻挡层208。优选，阻挡层由MgO制成以获得高的MR比。除了 MgO以外，可使用包含镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅
(Si)的至少一种或两种以上的氧化物。可使用用RF溅射等以直接形成氧化物的任意方法，和其中包括沉积金属然后将金属氧化的方法。通过在保持室密封时的密封氧化、使该室排气时的流动氧化、利用活性氧的自由基氧化或者等离子体氧化等而进行氧化。
[0038]在阻挡层208上沉积包含CoFe等且厚度为0.2-lnm的程度的参照层207，包含CoFeB等且厚度为0.5-2.0nm的程度的参照层206，包含Ta等的取向分离层205，以及用于将垂直磁各向异性赋予参照层206和参照层207的参照层204。图2中，两层参照层通过具有Co/Pd的多层结构的实例而各自示出；然而，除此之外，还可使用如Co/Pd、Co/Pt或Co/Ni任何形式的多层结构，如TbTeCo或GdFeCo等无定形材料，以及如FePt、CoPt, MnGa或MnAl等有序合金。此外，可使用其中省略参照层207从而参照层206的CoFeB与阻挡层208直接接触的形式。此外，取向分离层205可以由除了 Ta之外的，钽(Ta)、铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)、钼(Pt)和钌(Ru)等至少一种或两种以上的合金，或者包含镁(Mg)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅(Si)等至少一种或两种以上的氧化物制成。
[0039]在参照层204上形成包含钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)和铼(Re)的至少一种或两种以上的合金且厚度为0.Snm的程度的非磁性中间层203。在非磁性中间层203上形成由如Co/Pd、Co/Pt或Co/Ni等多层结构，如TbTeCo或GdFeCo等无定形材料，以及如FePt、CoPt、MnGa或MnAl等有序合金构成的参照层202。参照层207、参照层206、取向分离层205、参照层204的多层结构部、非磁性中间层203和参照层202形成合成型的参照层。该参照层可具有其中省略非磁性中间层203和参照层202并且参照层207、参照层206、取向分离层205和参照层204形成参照层的结构。在参照层202上形成作为覆盖层201的Ta(5nm)。Ta可以由例如^!了(Ru)、钛(Ti)或钼(Pt)的材料代替。此类TMR元件通过群集型的基板处理装置在真空中制造。
[0040]图2中，缓冲层211由5nm厚的RuCoFe制成;缓冲层210由2nm厚的Ta制成；自由层209由0.8nm厚的CoFeB制成；阻挡层208由0.9nm厚的MgO制成；参照层207由0.5nm厚的Fe制成；参照层206由0.8nm厚的CoFeB制成；取向分离层205由0.3nm厚的Ta制成；并且参照层204具有包括各自具有0.25nm厚的Co和0.8nm厚的Pt的四个层叠体的结构。非磁性中间层203由0.9nm厚的Ru制成，参照层202具有包括各自具有0.25nm厚的Co和0.8nm厚的Pt的十四个层叠体的结构，并且覆盖层201由20nm厚的Ru制成。
[0041]图3为非专利文献3中公开的面内磁化型元件(以下，称为MTJ元件)的多层结构的示意图。在MTJ元件300中，首先在处理基板上沉积作为缓冲层309的例如，Ta(5nm)。上部的Ta也用作底层膜，并且除了 Ta之外，还可使用如铪(Hf)、铌(Nb)、锆(Zr)Ji (Ti)、钼(Mo)或钨(W)等金属。此外，可以在Ta等上沉积例如，包含镍(Ni)、铁(Fe)、铬(Cr)和钌(Ru)等的至少一种元素的层。在缓冲层309上沉积例如，3-20nm的程度的厚度的包含IrMn、PtMn、FeMn、NiMruRuRhMn或CrPtMn等的反铁磁性层308。在反铁磁性层308上沉积参照层307、非磁性中间层306和参照层305。参照层307包含例如，CoFe等，并且厚度为l-5nm的程度。非磁性中间层306包含钌(Ru)、络(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)和铼(Re)的至少一种或两种以上的合金，并且厚度为0.8nm的程度。参照层305包含例如，CoFe或CoFeB等，并且厚度为l_5nm的程度。反铁磁性层308、固定磁性层307、非磁性中间层306和固定磁性层305形成合成型的参照层。该参照层可构造为具有反铁磁性层和两层参照层的双层结构。参照层为其中将磁化方向固定的层。
[0042]在参照层305上形成阻挡层304。优选，阻挡层304由MgO制成以获得高的MR比。除了 MgO之外，可使用包含镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、锌(Zn)、铪(Hf)、锗(Ge)和硅(Si)的至少一种或两种以上的氧化物。可使用用RF溅射等以直接形成氧化物的任意方法，和其中包括沉积金属然后将金属氧化的方法。通过在保持室密封时的密封氧化、使该室排气时的流动氧化、利用活性氧的自由基氧化或者等离子体氧化等而进行氧化。在阻挡层304上沉积例如，厚度为1-1Onm的程度的具有由包含CoFeB或Co、Fe或Ni等至少一种或两种以上的合金的材料的一层或两层以上的层形成的结构的自由层303。自由层303为其中不固定磁化的层，并且根据相对于参照层的磁化的相对角度来改变电阻。
[0043]在自由层303上形成氧化物覆盖层302。氧化物覆盖层302通过借助将垂直磁各向异性赋予自由层的磁化使自旋扭矩(spin torque)提供更容易的磁化反转，而具有降低磁化反转的临界电流密度JcO的效果。包含镁(Mg)、销(Al)、钛(Ti)、锌(Zn)、給(Hf)、锗(Ge)或硅(Si)等的至少一种或两种以上的氧化物可应用于氧化物覆盖层。通过在保持室密封时的密封氧化、使该室排气时的流动氧化、利用活性氧的自由基氧化或者等离子体氧化等而进行氧化。在氧化物覆盖层302上形成作为覆盖层301的Ta(5nm)。Ta可以由例如，钌(Ru)、钛(Ti)或铂(Pt)等材料代替。此类TMR元件通过群集型的基板处理装置在真空中制造。
[0044]图3中，反铁磁性层308由15nm厚的PtMn制成；参照层307由2.5nm厚的Co7tlFe3tl制成;非磁性中间层306由0.85nm厚的Ru制成;参照层305由3nm厚的C06ciFe2ciB2tl制成；阻挡层304由Inm厚的MgO制成；自由层303由2nm厚的Fe8tlB2tl制成；氧化物覆盖层302由0-2.4nm厚的MgO盖制成；以及覆盖层301由5nm厚的Ta制成。
[0045](第一实施方案)
[0046]图4为示出根据本实施方案的氧化处理设备400在基板输送状态下和在第一氧化处理(或第一氧化处理状态)下的构造的示意图。图5为示出根据本实施方案的氧化处理设备400的构造的示意图，并且示出第一氧化处理的另一实例。图6为示出根据本实施方案的氧化处理设备400在第二氧化处理(或第二氧化处理状态)下的构造的示意图。在本实施方案中，氧化处理设备400形成由图1-3的实例示出的各元件的阻挡层。在本实施方案中，阻挡层由MgO制成，并且使具有在其上形成的Mg的基板在氧化处理设备400内进行氧化处理，从而形成MgO。
[0047]在本实施方案中，“第一氧化处理”指在Mg不升华的温度(例如，室温)下进行的隧道势皇层 形成的氧化。此外，“第二氧化处理”指在有意地加热基板的同时或在预定的温度下加热基板的状态下进行的隧道势皇层形成的氧化。在本实施方案中，在第一氧化处理后进行第二氧化处理。此处，在本发明中，升华不发生的温度指其中在超过饱和蒸气压的真空中不脱离金属膜的温度。
[0048]在图4-6中，氧化处理设备400包括处理容器401、作为用于使处理容器排气的排气单元的真空泵402、构造为保持设置在处理容器401内的基板403的基板保持件404、设置在处理容器401内的圆筒构件405、用于将氧气导入至处理容器401内的氧气导入手段的气体导入单元406以及基板输送口 407。基板输送口 407设置有插板阀(slit valve)。
[0049]基板保持件404包括构造为保持基板403的基板保持面404a、其上形成基板保持面404a的放置部404b以及从基板保持面404a朝向气体导入单元406突出并且能够支承与基板保持面404a分离的基板403的突起部(或支承部)404c。突起部404c构造为能够实行其中突起部404c从基板保持面404a突出的突出状态，和其中突起部404c收纳在基板保持面404a内部的收纳状态。因此，基板403保持在在突出状态下(参见图4和5)的突起部404c上，并且基板403保持在在收纳状态下(参见图6)的基板保持面404a上。
[0050]在基板保持件404内设置作为加热装置的加热器408。此外，作为用于改变基板保持件404和圆筒构件405的相对位置的位置变化手段的基板保持件驱动单元409连接至基板保持件404。
[0051]基板保持件驱动单元409沿箭头P的方向(或其中将基板保持件404移动至更接近氧化处理空间410的方向，和其中移动基板保持件404远离氧化处理空间410的方向)移动基板保持件404。此外，基板保持件驱动单元409构造为在突出状态与收纳状态之间切换突起部404c。具体地，在基板保持件驱动单元409的控制下，当确立突出状态时，在将突起部404c收纳在基板保持件404内的情况下，使得突起部404c从基板保持面404a突出；当确立收纳状态时，将从基板保持面404a突出的突起部404c收纳在基板保持件404的内部。在本实施方案中，在基板输送期间和第一氧化处理期间，在基板保持件驱动单元409的控制下，将基板保持件404移动至图4中所示的位置，并且使得突起部404c从基板保持面404a突出并且进入突出状态。在基板搬入期间，在该状态下，将基板403经由基板输送口407输送至处理容器401，并且将基板403载置在突起部404c上。在基板的搬出期间，保持在突起部404c上的基板403经由基板输送口 407搬出处理容器401。同时，在第一氧化处理时，在图4和5所示的状态下，气体导入单元406将氧气导入至处理容器401，从而，在加热氧化之前发生Mg的氧化。此外，在第二氧化处理时，在基板保持件驱动单元409的控制下，将突起部404c收纳在基板保持件404内，从而，将基板403配置在基板保持面404a上，并且在加热基板403的同时进行氧化处理(参见图6)。
[0052]气体导入单元406远离面对基板保持件404的处理容器401的壁401a而设置，并且包括具有很多孔的簇射板(shower plate) 411，设置在壁401a内且具有将氧气导入至处理容器401内的气体导入口的氧导入路径412，以及在簇射板411与壁401a之间形成空间并且构造为使经由氧导入路径412导入的氧气扩散的扩散空间413。在本实施方案中，氧导入路径412设置为将氧气导入至扩散空间413，并且经由氧导入路径412导入且在扩散空间413内扩散的氧气经由簇射板411均匀地供给至基板面内。可设置多个氧导入路径412。
[0053]圆筒构件405为具有从壁401a朝向面对壁401a的侧(此处，基板保持件侧)延伸的延伸部405a的构件，延伸部405a安装至包括氧导入路径412连接至其的处理容器401的壁401a的至少一部分的区域401b内的壁401a，以该方式完全围绕簇射板411。在本实施方案中，圆筒构件405为其中垂直于延伸方向截取的截面为圆形的圆筒构件；然而，截面可具有如多角形状等其它形状。此外，圆筒构件405例如，由铝制成。优选，圆筒构件405由铝制成，因为圆筒构件405可容易地加工。此外，除了铝之外，圆筒构件405还可以例如，由钛或不锈钢(SUS)制成。此外，圆筒构件405可以构造为可拆卸地安装至壁401a。将簇射板411设置在由延伸部405a或者等效地，圆筒构件405的中空部，和圆筒构件405的比簇射板411更接近壁401a的部分包围的空间内，壁401a在区域401b内的至少一部分和簇射板411形成扩散空间413。
[0054]为了改进MgO的氧分布，并由此改进MgO的面内的RA分布，必需在作为氧化对象的Mg的表面上设置更均匀的氧压力。换言之，在从气体导入口向排气侧的方向为一个方向的情况下，气体导入口的压力高，并且排气侧的压力低。例如，在如Mg的高反应性材料的情况下，已知该压力梯度导致氧分布恶化。因此，设置有簇射板411的结构是优选的。具体地，即使氧导入路径412不与作为排气单元的真空泵402同轴(例如，如图4和5所示，在氧导入路径412的氧导入方向垂直于真空泵402的排气方向的情况下)，簇射板411和圆筒构件405的设置也能够在图5和6所示的位置向基板403的表面均匀地供氧，由此能够降低通过氧化生成的MgO在基板403面内的氧化分布的不均匀。因此，可改进RA分布。
[0055]氧气经由簇射板411的孔导入至氧化处理空间410内，由此，簇射板411可以称为气体导入单元406的区域(也称为“氧气导入区域”)，其中设置用于限定氧气向氧化处理空间的导入的部分。
[0056]在通过实例不设置簇射板411的情况下，氧气经由氧导入路径412导入至氧化处理空间410，由此，区域401b形成氧气导入区域。
[0057]在本实施方案中，可以说氧气导入区域、圆筒构件405和基板保持件404 (或基板保持面404a)形成氧化处理空间410。
[0058]此外，如图5和6所示，圆筒构件405设置为当将基板保持件404插入圆筒构件405的开口部405b时，在延伸部405a与基板保持件404的至少一部分(或载置部4b)之间形成间隙415。具体地，圆筒构件405构造为在氧化处理空间410中形成期间，在延伸部405a与包围基板保持件404并且具有在其上形成的基板保持面404a的载置部404b之间设置间隙415。因此，从气体导入单元406导入至氧化处理空间410内的氧气通过间隙415从氧化处理空间410排气至氧化处理空间410的外部空间414。从氧化处理空间410经由间隙415排气至外部空间414的氧气通过真空泵402从处理容器401排气。
[0059]基板保持件驱动单元409沿箭头P的方向移动基板保持件404，从而基板保持面404a收纳在圆筒构件405内，并且停止其中基板保持面404a (或载置部404b)插入开口部405b的预定位置处基板保持件404的移动。因此，如图5和6所示，形成仅通过间隙415与外部空间414连通的氧化处理空间410。此时，氧化处理空间410由簇射板411、延伸部405a和基板保持件404(或基板保持面404a)形成。因此，在本实施方案中，在处理容器401中，簇射板411和延伸部405a形成其与基板保持面404a —起形成比通过处理容器401的内壁划分的空间更小的空间的包围部。因此，圆筒构件405的包围部为划分与簇射板411 一起的氧化处理空间410和基板保持件404 (或基板保持面404a)的包围构件，使得在氧化处理期间通过气体导入单元406导入的氧气限制地导入处理容器401内的氧化处理空间410。
[0060]如上所述，在不通过实例的方式设置簇射板411的情况下，氧化处理空间410由区域401b、延伸部405a和基板保持件404形成，因此，在该情况下，上述包围部为其中作为处理容器401的内壁的一部分区域401b，和延伸部405a。
[0061]此外，基板保持件驱动单元409可以构造为基板保持面404a沿基板保持面404a的面内方向可旋转。换言之，基板保持件404可构造为基板保持面404a围绕基板保持面404a的法线方向旋转。因此，在基板保持面404a旋转的情况下，基板保持件404可设置有静电卡盘(ESC)，从而基板403静电吸附至基板保持面404a上。因此，基板吸附在ESC上，从而，例如，在第二氧化处理期间，在预定温度下加热基板403的状态下基板403旋转的同时可进行氧化。
[0062]优选，使基板403表面上的氧压力均匀以改进氧分布，由此改进RA分布。因此，即使从簇射板411的导入不均匀，基板保持面404a也旋转，从而使基板403旋转，由此可以使供给至基板403表面的氧气的浓度分布均匀。因此，可改进RA分布。
[0063]此外，在本实施方案中，基板保持件驱动单元409构造为沿圆筒构件405内的延伸部405a的延伸方向移动基板保持件404。换言之，基板保持件驱动单元409可以沿其中基板保持件404移动至更接近作为氧气导入区域的簇射板411的方向，和沿其中将基板保持件404远离簇射板411移动的方向移动圆筒构件405内的基板保持件404。
[0064]图7为示出根据本实施方案的磁阻元件的制造方法的过程的流程图。此处所述磁阻元件具有其中通过实例的方式在基板上依次层叠磁化自由层、隧道势皇层和磁化固定层的结构。不用说本发明可应用于具有其中在基板上依次层叠磁化固定层、隧道势皇层和磁化自由层的结构的磁阻元件的制造。
[0065]首先，制备其上形成作为磁化自由层 的底层的预定层的基板403。在步骤S71中，在特定沉积室中，在底层上形成磁化自由层。在另一实例中，在其中在其上依次层叠磁化固定层、隧道势皇层和磁化自由层的结构的情况下，在底层上形成磁化固定层。换言之，在步骤S71中，在底层上形成磁化自由层和磁化固定层之一。
[0066]在步骤S72中，在上述特定沉积室或其它室中，在步骤S71沉积的磁化自由层上形成Mg。因此，作为沉积步骤的该步骤沉积用于形成由氧化制成的隧道势皇层的上述金属膜。
[0067]在步骤S73中，步骤S72中具有其上形成的Mg的基板403经由基板输送口 407输送至氧化处理设备400，并且在氧化处理设备400内进行氧化处理。氧化处理的细节将如下所述。
[0068]在步骤S74中，将具有通过步骤S73的氧化处理在其上形成的MgO (或隧道势皇层)的基板403输送至上述特定沉积室或其它室中，并且在作为隧道势皇层的MgO上形成磁化固定层。在上述另一实例中，在其中在其上依次层叠磁化固定层、隧道势皇层和磁化自由层的结构的情况下，在MgO上形成磁化自由层。换言之，在步骤S74中，在隧道势皇层上形成磁化自由层和磁化固定层的另一者。
[0069]图8为示出根据本实施方案的隧道势皇层的形成步骤中氧化处理过程的流程图。图9为图8的氧化处理的时间图表。在图8示出的实施方案中，基板保持件404具有ESC功能和基板旋转机构。
[0070]在步骤S81中，在时间tl时，打开基板输送口 407的插板阀以将具有在其上形成的Mg的基板403输送至处理容器401，并且基板403载置在突出状态的突起部404c上。因此，具有其上形成的Mg的基板403保持在基板保持件上。在时间t2时，关闭插板阀。
[0071]在步骤S82中，在图4示出的状态下，在时间t3时，气体导入单元406将氧气导入至处理容器401。此时，加热器408未驱动，并且处理容器401内的温度为室温。通过该氧导入，使基板403上的Mg氧化(或进行第一氧化处理)。在本实施方案中，在第一氧化处理时，重要的是，使Mg的升华最小化。因此，基板温度不限于室温，并且基板403可以通过加热器408或外部加热装置(未示出)加热，条件是该温度为Mg不升华的温度。此外，加热器408可以一直驱动从而一直加热基板保持件404以改进生产量。还在该情况下，在步骤S81中，将基板403载置在突起部404c上，因此，基板403的温度保持在Mg不升华的温度下。
[0072]在步骤S83中，在维持步骤S82中开始的氧气导入的同时，在时间t4时，突起部404c向下移动并且收纳在基板保持件404内，从而，配置在突起部404c上的基板403载置在基板保持面404a上。
[0073]在步骤S84中，在维持步骤S82中开始的氧气导入的同时，在时间t5时，驱动加热器408以开始加热载置在基板保持面上的基板403。换言之，加热器408加热基板保持面404a，由此加热基板403。此外，开启基板保持件404的ESC功能，从而使基板403静电吸附在基板保持面404a上。开启ESC功能，从而，基板403可以在短时间内加热至预定温度，并且在时间t6时，基板403达到目标加热温度。该步骤在加热Mg的同时开始在基板403上形成的且通过第一氧化处理未氧化的Mg的氧化(或第二氧化处理)。上述目标加热温度可以设定为等于或高于Mg升华的温度，或可以设定为低于该温度。然而，优选的是，该加热步骤在Mg不升华的条件下加热基板403。
[0074]在步骤S85中，在维持步骤S82中开始的氧气导入的同时，在时间t7时，驱动基板保持件驱动单元409，从而将基板保持件404移动至其中形成如图6所示的氧化处理空间410的位置。从而，在处理容器401内形成作为小于处理容器401的空间的氧化处理空间410。同时，驱动基板保持件驱动单元409，从而使基板保持面404a围绕基板保持面404a的法线方向旋转，从而旋转基板403。该步骤可在将基板保持件404移动至更接近作为氧气导入区域(或氧气导入单元)的簇射板411的同时进行基板403的加热和氧导入。
[0075]在本实施方案中，在步骤S84后形成氧化处理空间410 ;然而，氧化处理空间410的形成时间不限于此。例如，可在步骤S84前的任意时间(例如，步骤S81与步骤S82之间等)形成氧化处理空间410。
[0076]在步骤S86中，在时间t8时，控制气体导入单元406以停止步骤S82中开始的氧导入。同时，控制基板保持件驱动单元409以停止基板保持面404a并且将基板保持件404移动至图4所示的位置。然后，在时间t9时，停止加热器408的驱动并且关闭ESC功能，并且在时间tlO时，收纳状态下的突起部404c从基板保持面404a向上移动以突出，从而具有在其上形成的MgO的基板403保持在突起部404c上。然后，在时间til时，打开基板输送口 407的插板阀以将保持在突起部404c上的基板搬出处理容器401外，并且在时间tl2时，关闭插板阀。在本实施方案中，连接至处理容器401的真空泵402 —直驱动，从而在上述步骤S81至S86中一直使处理容器401排气。然而，真空泵402的驱动不限于此，并且真空泵402还可以根据各步骤限制地驱动。
[0077]根据本实施方案，在突起部404c保持基板403以与基板保持面404a分离的状态下供给氧气，并且在作为Mg不升华的温度的室温下使基板403上形成的Mg首先氧化。因此，基板403上的Mg的表面(或露出面)及其附近可以在Mg不升华的温度下氧化。如图10所示，镁(Mg)膜比其它金属膜的蒸汽压更低。例如，如可从图10看出的，在1X10_9至IXlO-8Torr的气氛下在约423K(约150°C )下Mg开始升华。因此，基板403上形成的Mg在I X 10_9至I X 10 _8Torr的气氛下在约150°C以上的温度下升华，然后Mg气化。在本实施方案中，为了使Mg的升华最小化，第一氧化处理供给氧气以使Mg在Mg不升华的温度下进行氧化处理。这能够在将Mg的升华降低至最小的同时，使基板403上形成的Mg的一部分氧化以形成MgO。
[0078]然后，在本实施方案中，突起部404c收纳在基板保持件404内以将保持在突起部404c上并且使在其上形成Mg在其表面及其附近转化为MgO的基板403载置在基板保持面404a上，并且在载置在基板保持面404a上的基板403通过加热器408加热至预定温度的同时，在低压下进行氧化处理(或第二氧化处理)。因此，通过第一氧化处理未氧化的Mg通过借助在如上所述被加热的同时进行氧化的强氧化力而氧化。因此，在加热发生的同时进行的氧化，特别是在高真空中，具有Mg的升华量增多的问题。同时，在本实施方案中，在加热发生的同时进行的氧化前的阶段，通过第一氧化处理在基板403上形成的Mg的表面及其附近转化为MgO。因此，通过第一氧化处理形成的MgO不容易升华，由此起到覆盖层的作用以抑制下层Mg (或Mg的表面及其附近内部的区域)的升华。
[0079]此外，在本实施方案中，在基板403的加热前的阶段，导入氧气以进行氧化处理(或第一氧化处理)，由此，在加热基板的同时进行的氧化处理(或第二氧化处理)开始时，Mg的一部分已经转化为MgO。因此，与以前相比，可改进生产量。因此，氧化处理所需的时间缩短，由此，混入MgO的杂质可减少。
[0080]在本实施方案中，用于基板403的加热的基板保持面404a的加热在将基板403载置在基板保持面404a上之后(或步骤S83后)进行；然而，基板保持面404a的加热可以在步骤S83前进行。例如，基板保持面404a的加热可以在步骤S81与步骤S83之间进行。从而，在其中基板403载置在用于第二氧化处理的基板保持面404a的阶段，基板保持面404a处于需要加热的状态。因此，直到基板保持面404a加热至期望温度的待机时间可缩短，由此，可进一步改进生产量。
[0081]在本实施方案中，在步骤S82中氧导入后，在步骤S84中进行基板的加热。然而，在本实施方案中，重要的是，在加热基板的同时进行的氧化前，在Mg的升华降低至最小化的同时形成的MgO形成在Mg的表面及其附近。因此，如果这可以实现，则氧气导入和基板的加热可以同时进行。例如，可进行以下:在没有设置突起部404c的情况下，将基板403载置在基板保持面404a上，并且通过气体导入单元406的氧导入和通过加热器408的基板的加热同时进行。在该情况下，例如，即使将基板加热至等于或高于Mg升华的温度，在基板加热后的预定时间的期间，基板温度保持在Mg不升华的温度下，由此，在该期间的氧化可以称为在Mg的升华最小化的情况下的氧化(或第一氧化处理)。然后，随着基板温度升高，从第一氧化处理至第二氧化处理连续地变化处理。
[0082]如上所述，在本实施方案中，第二氧化处理为使Mg的面内均匀氧化的氧化处理，并且为在基板温度升高至预定温度以上的同时进行的氧化处理。第一氧化处理为在降低Mg的升华的同时，形成对由第二氧化处理的氧化引起的Mg的升华起覆盖层的作用的MgO的氧化处理，并且为在第二氧化处理前，通过在Mg不升华的基板温度(例如，室温)下将氧供给至基板403而进行的氧化处理。依次进行如上所述的第一氧化处理和第二氧化处理，从而，即使在加热基板的同时在低压气氛下进行氧化处理，Mg的升华也可以降低，并且RA分布也可以改进。
[0083](第二实施方案)
[0084]在第一实施方案中，在处理容器401内形成小于处理容器401的氧化处理空间410 ;然而，可以不形成氧化处理空间410。图11为示出根据第二实施方案的氧化处理设备的概略构造的示意图。除了氧化处理设备1100不包括圆筒构件405以外 ，氧化处理设备1100具有与图4-6所示的氧化处理设备400相同的结构。
[0085]图12为示出根据第二实施方案的隧道势皇层的形成步骤中氧化处理过程的流程图。
[0086]在步骤S121中，打开基板输送口 407的插板阀，从而将具有在其上形成的Mg的基板403输送至处理容器401内，并且以突出状态将基板403载置在突起部404c上。在基板的载置完成后，关闭插板阀。
[0087]在步骤S122中，关闭已打开的闸阀416以停止排气操作。如果在步骤S121中真空泵402不驱动，则该步骤不是必需的。在步骤S123中，气体导入单元406将氧气导入至处理容器401中。此时，加热器408不驱动，并且处理容器401内的温度为室温。通过该氧导入，基板403上的Mg氧化(或进行第一氧化处理)。
[0088]在步骤S124中，停止在步骤S123中开始的氧导入。即使当通过该步骤停止氧气导入时，也用预定量的氧气填充处理容器401，由此在处理容器401内形成氧气氛。
[0089]在步骤S125中，在停止氧气导入的状态下，突起部404c向下移动并且收纳在基板保持件404内，从而，将突起部404c上配置的基板403载置在基板保持面404a上。
[0090]在步骤S126中，在停止氧气导入的状态下，驱动加热器408，从而开始加热载置在基板保持面404a上的基板403。换言之，加热器408加热基板保持面404a从而加热基板403。尽管在步骤S124中停止氧气导入，但是在基板403的周围形成氧气氛，从而，在该加热步骤中的加热开始基板403上形成的通过第一氧化处理没有被氧化的Mg的加热和氧化(或第二氧化处理)。然后，在步骤S127中，打开步骤S122中关闭的闸阀416，从而开始排气操作。如果在步骤S121中不驱动真空泵402，则在步骤S1272中再启动真空泵402的驱动，从而使处理容器401排气。
[0091]在第二实施方案中，步骤S125与步骤S126之间，气体导入单元406可进行将氧气再供给至处理容器401内的氧气再供给步骤。在该情况下，在步骤S126后可进行停止氧气供给的步骤。此外，在步骤S126中，在供给氧气再供给步骤中导入的氧气的同时加热基板403。
【主权项】
1.一种磁阻元件的制造方法，其包括: 形成磁化自由层和磁化固定层之一的步骤； 在形成的所述磁化自由层和所述磁化固定层之一上形成隧道势皇层的步骤；和 在所述隧道势皇层上形成所述磁化自由层和所述磁化固定层的另一者的步骤， 其中所述形成隧道势皇层的步骤包括 在基板上沉积金属膜的沉积步骤，和 使所述金属膜进行氧化处理的氧化步骤， 其中所述氧化步骤包括 将具有其上形成的金属膜的所述基板保持在进行所述氧化处理的处理容器内的基板保持件上的基板保持步骤， 通过在所述金属膜不升华的温度下将氧气导入至所述处理容器内而将所述氧气供给至所述基板的供给步骤， 在导入所述氧气的同时或其后加热所述基板的加热步骤。2.根据权利要求1所述的磁阻元件的制造方法， 其中所述基板保持步骤包括，将所述基板载置在从所述基板保持件的基板保持面突出的支承部上， 其中所述供给步骤包括，在所述基板载置在所述支承部上的状态下，在所述金属膜不升华的温度下将所述氧气供给至所述基板， 其中所述制造方法进一步包括，将载置在所述支承部上的所述基板载置在所述基板保持面上的载置步骤， 其中所述加热步骤包括，加热载置在所述基板保持面上的所述基板。3.根据权利要求2所述的磁阻元件的制造方法，其中在所述载置步骤前加热所述基板保持面。4.根据权利要求2所述的磁阻元件的制造方法，其进一步包括在所述加热步骤前的所述氧气供给的停止步骤。5.根据权利要求4所述的磁阻元件的制造方法， 其中所述停止步骤包括，在所述载置步骤前停止所述氧气的供给， 其中所述制造方法进一步包括，在所述载置步骤后，将所述氧气供给至所述基板的氧气再供给步骤。6.根据权利要求5所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在供给通过所述氧气再供给步骤所供给的氧气的同时，加热所述基板。7.根据权利要求5所述的磁阻元件的制造方法，其中所述氧气再供给步骤包括，在将所述基板移动至更接近所述处理容器内设置的、并且构造为将所述氧气导入所述处理容器中的氧气导入单元的同时，供给所述氧气。8.根据权利要求5所述的磁阻元件的制造方法，其中所述氧气再供给步骤包括，在沿所述基板的面内方向旋转所述基板的同时，供给所述氧气。9.根据权利要求2所述的磁阻元件的制造方法，其中所述载置步骤和所述加热步骤包括，通过所述导入的步骤维持所述氧气的导入。10.根据权利要求9所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在将所述基板移动至更接近所述处理容器的所述氧气体导入单元的同时，加热所述基板。11.根据权利要求9所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在沿所述基板的面内方向旋转所述基板的同时，加热所述基板。12.根据权利要求1所述的磁阻元件的制造方法，其中所述金属膜为镁。13.根据权利要求1所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在所述金属膜不升华的条件下加热所述基板。14.一种磁阻元件的制造方法，其包括: 形成磁化自由层和磁化固定层之一的步骤； 在形成的所述磁化自由层和所述磁化固定层之一上形成隧道势皇层的步骤；和 在所述隧道势皇层上形成所述磁化自由层和所述磁化固定层的另一者的步骤， 其中所述形成隧道势皇层的步骤包括 在基板上沉积金属膜的沉积步骤，和 使所述金属膜进行氧化处理的氧化步骤， 其中所述氧化步骤包括: 将具有其上形成的所述金属膜的基板保持在进行所述氧化处理的处理容器内的基板保持件上的基板保持步骤， 通过在所述金属膜不升华的温度下将氧气导入至所述处理容器内而将所述氧气供给至所述基板的供给步骤，和 在导入所述氧气的同时或其后加热所述基板的加热步骤。 其中所述氧化步骤进一步包括，在所述基板保持步骤后，通过改变所述基板保持件相对于所述处理容器的相对位置，在所述处理容器内形成由所述基板保持件的基板保持面和所述处理容器内设置的包围部形成的空间的步骤，其中形成所述空间使得所述基板保持面由所述包围部包围并且在所述包围部与所述基板保持件之间形成间隙， 其中导入至所述空间的所述氧气通过所述间隙从所述空间排出。15.根据权利要求14所述的磁阻元件的制造方法， 其中所述基板保持步骤包括，将所述基板载置在从所述基板保持面突出的支承部上，其中所述导入的步骤包括，在将所述基板载置在所述支承部的状态下，在所述金属膜不升华的温度下将所述氧气供给至所述基板， 其中所述制造方法进一步包括，将载置在所述支承部上的所述基板载置在所述基板保持面上的载置步骤， 其中所述加热步骤包括，加热载置在所述基板保持面上的所述基板。16.根据权利要求15所述的磁阻元件的制造方法，其中在所述载置步骤前加热所述基板保持面。17.根据权利要求15所述的磁阻元件的制造方法，其进一步包括，在所述加热步骤前的所述氧气供给的停止步骤。18.根据权利要求17所述的磁阻元件的制造方法， 其中所述停止步骤包括，在所述载置步骤前，停止供给所述氧气， 其中所述制造方法进一步包括，在所述载置步骤后，将所述氧气供给至所述基板的氧气再供给步骤。19.根据权利要求18所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在通过所述氧气再供给步骤供给所述氧气的同时，加热所述基板。20.根据权利要求18所述的磁阻元件的制造方法，其中所述氧气再供给步骤包括，在将所述基板移动至更接近所述处理容器内设置的、并且构造为将所述氧气导入所述处理容器中的氧气导入单元的同时，供给所述氧气。21.根据权利要求18所述的磁阻元件的制造方法，其中所述氧气再供给步骤包括，在沿所述基板的面内方向旋转所述基板的同时，供给所述氧气。22.根据权利要求15所述的磁阻元件的制造方法，其中所述载置步骤和所述加热步骤包括，通过所述导入的步骤维持所述氧气的导入。23.根据权利要求22所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在将所述基板移动至更接近所述处理容器的所述氧气体导入单元的同时，加热所述基板。24.根据权利要求22所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在沿所述基板的面内方向旋转所述基板的同时，加热所述基板。25.根据权利要求14所述的磁阻元件的制造方法，其中所述金属膜为镁。26.根据权利要求14所述的磁阻元件的制造方法，其中所述加热步骤包括，在所述金属膜不升华的条件下加热所述基板。
【专利摘要】本发明提供一种磁阻效果元件的制造方法，所述磁阻效果元件当在金属氧化物的隧道势垒层的形成期间改进生产量的同时使金属氧化时，能够降低金属的升华。本发明的实施方案为磁阻效果元件的制造方法，其中所述方法包括隧道势垒层的形成步骤。隧道势垒层的形成步骤包括膜形成步骤和氧化步骤。在膜形成步骤中，在基板上形成金属膜，和在氧化步骤中，使金属膜进行氧化处理。在氧化步骤中，将Mg形成的基板保持在其中进行氧化处理的处理容器内的基板保持件上，在Mg不升华的温度下将氧气导入至处理容器内，将氧气供给至基板，并且在氧气导入后加热基板。
【IPC分类】H01L21/8246, H01L43/12, H01L43/08, H01L27/105, H01L21/316
【公开号】CN104885245
【申请号】CN201380067306
【发明人】清野拓哉, 西村和正, 奥山博基, 大谷裕一, 室冈勇太, 岛根由光
【申请人】佳能安内华股份有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年9月4日
【公告号】DE112013006168T5, WO2014097510A1
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