双室离子束溅射淀积系统的制作方法

专利名称：双室离子束溅射淀积系统的制作方法
本申请的主题涉及1997年5月23日申请的08/862453号申请，该申请为与本发明共同的受让人所拥有且具有相同的发明人。
本发明一般涉及利用离子束溅射淀积制造薄膜，特别涉及制造如磁阻传感器等多层薄膜结构用的改进的离子束溅射淀积系统，以及提高了产出率的改进的淀积工艺。
现有技术中已公知利用RF或DC磁控溅射淀积系统制造如磁记录传感器和存储介质等薄膜器件。这种溅射淀积系统的特征是，在引入如氩等惰性可电离气体的抽空室内的正交(crossed)电磁场。该气体被由电场加速的电子电离，在靶结构附近形成等离子体。这种正交电磁场将电子限制在靶和衬底结构之间的区域。气体离子撞击靶结构，引发原子发射，这些原子打到一般为其上需要淀积一层或多层所选靶材料的衬底的工件上。
在现有技术的常规溅射淀积系统中，使用相对高的工作压力，以得到低内应力的薄膜，这会在衬底上产生无方向性的溅射流。然而，随着器件尺寸变得越来越小，这种无方向性流使制造工艺产生了问题。
现有技术中已知在某些应用中利用离子束溅射淀积克服常规RF/DC溅射技术中遇到的问题。离子束溅射淀积的几个方面不同于常规溅射工艺，且具有显著的优点。例如，(1)利用低本底压力使得从靶到衬底的输运过程中溅射粒子几乎不散射；(2)控制离子束的方向性可以改变束到靶的入射角；(3)具有窄能量分布的近单一能量的束提供了对作为离子能量函数的溅射成品率和淀积工艺的控制，并能进行准确的束聚焦和扫描；(4)离子束独立于靶和衬底工艺，允许靶及衬底材料和几何形状改变，同时保持恒定的束特性，并允许独立地控制束能量和电流密度。
参见

图1，图1是展示现有技术的离子束溅射淀积系统100的简化示意图。离子束溅射淀积系统100包括真空室120，其中装有离子束源121。离子束系统100还包括在旋转靶支架125上的可选择多靶123。由离子源121提供的离子束133指向靶123，在那里撞击离子引发靶材料的溅射。从靶材料发射的溅射原子126指向淀积衬底(也称为工件)131，其上将形成一层靶材料。
与衬底131紧邻的厚度监测仪137提供淀积期间生长膜厚度的实时现场监测。衬底或其它工件131安装在可移动的基座或支撑部件141上，这种部件可以通过门阀138回到装载口139，以改变工件131。如果需要对特殊结构进行淀积，则还可以在工件131上加磁场。基座141还可以在淀积期间借旋转/线性电机旋转，以使淀积衬底131旋转。离子束溅射淀积系统工作期间，真空室120借真空泵160通过可以由门阀162关闭的气门135保持在合适的低压、例如，授予Krauss等人的美国专利4923585和授予Pinarbasi等人的美国专利5942605都记载了制造利用离子束溅射淀积于衬底上的薄膜的设备和方法，这里引入这些文献作参考。Krauss等人公开了利用具有石英晶体监测仪的计算机控制的单离子束，利用所要求膜和层状结构的元素组分构成的多重靶，生产任意组分的淀积膜及任意厚度的层状结构。Pinarbasi公开了使离子束气体原子质量与靶材料原子质量匹配，以便提供具有密度和物理性质很接近它们的体材料性质值的薄膜。作为靶材料的函数控制离子束溅射气体的质量和离子束能量，以提供单层和多层结构，其中使每层的所选性质最佳，以使所得结构的每层具有特定功能。
现有技术中已采用离子束溅射淀积系统淀积用于磁记录装置的各向异性的磁阻(AMR)传感器和大磁阻(GMR)传感器。在GMR传感器中，磁阻(MR)敏感层的电阻作为被非磁性层(间隔层)隔离的磁性层之间的传导电子的与自旋相关的传输(the spin-dependenttransmission)的函数，和作为发生在磁性与非磁性层的界面和磁性层内的伴随的与自旋相关的散射的函数而改变。一般称只利用被一层GMR催化非磁性金属化材料(例如铜)隔离的两层铁磁材料(例如Ni-Fe或Co或Ni-Fe/Co)的GMR传感器为自旋阀(spin valve)(SV)传感器。
图2示出了现有SV传感器200的空气轴承表面图，该SV传感器包括被中心区202隔离的端区204和206。自由层(自由铁电层)210与栓销层(栓销铁磁层)220(包括很薄的Co层间层222)被非磁性导电间隔层215隔离。栓销层220通过与淀积在衬底250上的抗铁磁(AFM)层230交换耦合(exchange coupling)固定。然而，自由层的磁化在存在外部场时自由旋转。自由层210、间隔层215、栓销层220和AFM层230皆形成于中间区域202。分别形成于端区204和206的硬偏置层252和254提供用于MR自由层210的纵向偏置。分别形成于硬偏置层252和254上的引线260和265提供用于从电流源270到MR传感器200的检测电流Is流的电连接。电连接到引线260和265的信号探测器280探测由于外部磁场(例如由存储于磁盘上的数据位产生的场)引起的变化而导致的SV传感器200电阻的改变。
由于NiO的高抗侵蚀特性，其中AFM层230由NiO构成的SV传感器200是当前研究的热点。在离子束溅射淀积系统100中淀积这种SV传感器，首先是利用反应离子束溅射淀积由Al2O3构成的衬底层250和由NiO构成的AFM层230的第一淀积工艺，然后是利用在惰性气体气氛中的离子束溅射淀积金属层的第二淀积工艺。衬底层250是通过在含氧气体中离子束溅射铝(Al)靶形成Al2O3层淀积的。NiO AFM层230是通过在含氧气体中溅射镍(Ni)靶到能得到所要求互换特性的厚度，一般为200-500埃，而淀积在衬底层250上的。然后，必须将含氧气体抽出真空室，并在淀积随后的金属层前溅射清洁靶。然后在惰性溅射气体例如氩中，在NiO AFM层230上依次淀积由Ni-Fe构成的栓销层220、由Cu构成的间隔层215、由Ni-Fe构成的自由层220和由Ta构成的帽盖层205。
为了实现NiO AFM层230与栓销铁磁层220间的良好交换特性，铁磁层应淀积于具有最少污染的新淀积NiO表面上。因此，必须使定义为从完成NiO淀积到随后在NiO上淀积铁磁层的时间的保持时间最短，以使NiO表面上的污染最少。
现有技术的离子束溅射淀积系统的一个问题是，不能在不严重降低可能的淀积系统的产出的情况下，NiO层的淀积和在NiO层上栓销铁磁层的淀积之间的保持时间不能显著减少到使两层间的互换特性最佳。由于每个晶片需要的处理时间很长，使离子束溅射淀积系统的生产率很低，导致了NiO SV传感器的高生产成本。
因此，需要一种离子束溅射淀积系统和淀积工艺，能够在淀积栓销铁磁层之前，使NiO AFM层表面的保持时间最短，并控制NiO AFM层表面的保持时间，从而得到改进的SV传感器性能，提高淀积系统晶片的生产率，以降低生产成本。
本发明的目的是公开一种双室淀积系统，该系统具有由晶片装卸室连接的两个离子束溅射(IBS)淀积室，装卸室提供将晶片(衬底)引入任一个IBS淀积室，及在IBS淀积室之间在真空条件下移动晶片的装置。
本发明另一目的是公开一种双室淀积系统，其中在隔开的IBS淀积室中进行反应离子束溅射淀积和金属层淀积，以改善自旋阀传感器各层的特性。
本发明再一目的是公开一种用于具有由NiO构成的AFM层的自旋阀传感器各层的离子束溅射淀积的工艺，其中通过在第一IBS淀积室中淀积AFM层，在第二IBS淀积室中，在AFM层上淀积金属层，提高AFM层和栓销层间的互换耦合。
本发明又一目的是公开一种用于具有由NiO构成的AFM层的自旋阀传感器各层的离子束溅射淀积的工艺，其中离子束淀积工艺的生产率提高了。
根据本发明的原理，公开了一种双室淀积系统，该系统包括第一IBS淀积室；第二IBS淀积室；及位于第一和第二IBS淀积室之间的晶片装卸室。按本发明的优选实施例，第一和第二IBS淀积室每个都包括离子束源、具有多个靶的旋转靶支架、基座或衬底支架、及真空泵。晶片装卸室包括具有真空泵的第一和第二存取室、晶片校准器、固定于可旋转的转台上用于移动衬底的径向运动线性传送器和真空泵。晶片装卸室通过门阀连接到第一和第二IBS淀积室，在门阀打开时，提供用于线性传送器的存取口，以向或从每个IBS淀积室中移进或移出衬底，在其关闭时，提供晶片装卸室与第一和第二IBS淀积室间的真空密封。
按本发明的优选实施例，双室淀积系统构成为在晶片上淀积具有NiO构成的AFM层的自旋阀传感器各层。第一IBS淀积室用于在含氧气体中反应溅射淀积Al2O3衬底层和NiO AFM层。第二IBS淀积室用于在惰性气体气氛中随后溅射淀积金属层。这种隔离的反应溅射淀积工艺和金属淀积工艺比利用单室的工艺在以下方面有进步，减少了泵抽气时间，减少了靶的氧污染，减少了NiO层表面的污染，减少了生产周期时间，提高了系统的生产率。
连续流程淀积工艺定义为插入第一晶片并为第一IBS淀积室进行校准。第一晶片移到第一IBS淀积室，在那里进行反应溅射淀积工艺。然后将第一晶片从第一IBS淀积室移出到晶片校准器，为第二IBS淀积室进行校准，并移到用于进行金属层淀积处理的第二IBS淀积室。然后插入第二晶片，校准并移到第一IBS淀积室，在那里与在第二IBS淀积室中在第一晶片淀积金属层同时进行反应溅射淀积。在第一晶片上的金属层淀积完成后，将第一晶片移出第二IBS淀积室，并在存取室中的晶片盒中放置晶片。然后第二晶片从第一IBS室移到校准器，然后进入第二IBS淀积室。然后第三晶片插入到系统中，继续进行工艺流程。在每个晶片传输步骤，第一和第二IBS淀积室通过合适的门阀封闭彼此隔离，以减少交叉污染。系统每个部分的真空泵用于实现处理程序期间所要求的低压力条件。
离子束溅射淀积系统的处理程序由软件程序编程的计算机系统遥控。所说的软件程序控制门阀的开关、真空泵的工作、晶片装卸器的运动及离子束溅射淀积工艺，以保持所要求工作条件下的有效工艺流程。通过控制NiO层的反应溅射淀积的完成到随后金属淀积工艺用的第二IBS淀积室的可用性，以减少会污染NiO表面的时间，从而实现SV传感器中的NiO AFM层的互换耦合特性的改善。
结合以下的具体撰写的说明书，会更清楚本发明的上述及附加目的。特点和优点。
为了更充分理解本发明的特性和优点及应用的优选模式，可以结合附图参考以下的具体说明。各附图中，相同的参考数字表示相同或类似的部件。
图1是现有技术的离子束溅射淀积系统的框图；图2是现有技术的SV传感器的未按比例的空气轴承表面的示图；图3是本发明的双室淀积系统的优选实施例的俯视图；图4是双室淀积系统的晶片装卸室部分的俯视图；图5是具有NiO AFM层的改进SV传感器的未按比例的空气支承表面的示图。
以下的说明是目前实施本发明的最佳实施例。本说明的目的是例示本发明的一般原则，并不意味着对这里所要求的本发明思想的限制。
参见图3，该图示出了本发明优选实施例的双室淀积系统300的俯视图。双室淀积系统300包括第一IBS淀积室302、第二IBS淀积室304及位于第一和第二IBS淀积室302和304之间并借门阀308和308’分别与它们连接的晶片装卸室306。在图3中，第二IBS淀积室304中与第一IBS淀积室302的部件类似的部件由带撇号的相同数字表示。第一IBS淀积室302和第二IBS淀积室304为基本上相同的离子束溅射淀积组件，包括离子束源328、支撑多个靶330的旋转靶支架333、安装于可动衬底台336上的衬底332。衬底台336固定于连接到安装在IBS淀积室302上的工作台角度驱动器340的工作台支撑臂338。工作台角度驱动器340可以旋转大约90度，以改变衬底台336的方向，从而定位衬底332，使之从面对旋转靶支架333(如图3所示)到朝上(出纸面方向)以便通过门阀308进行存取。衬底台336还可以借旋转/线性电机在淀积期间旋转，以旋转淀积衬底332，从而提高所淀积膜的均匀性。利用低温真空泵350和涡轮分子真空泵344，通过与一些门阀348配合的一些气门346，抽空IBS淀积室302，并保持在适合的低压。
IBS淀积室302还包括离子束腐蚀枪352，用于在衬底332的表面处产生和导向离子束，以便在膜淀积到衬底上之前去除污染物。紧邻衬底332的厚度监测仪342提供淀积期间生长膜厚度的实时现场监测。固定在淀积衬底332前的流量调节器335部分阻挡来自靶330的溅射原子流，用于与淀积衬底332的旋转一起提高淀积层的厚度均匀性。在正淀积的特殊结构需要时，还可以在衬底332上加磁场。还包括分别覆盖靶330和衬底332的靶挡板(未示出)和衬底挡板337，用于防止溅射清洁工艺期间表面被污染。
晶片装卸室306提供向双室淀积系统300移动衬底332和将衬底移出淀积系统300、及向第一IBS淀积室302或向第二IBS淀积室304移动衬底332和从它们中移出衬底332或在第一和第二IBS淀积室303和304之间移动衬底332的装置。晶片装卸室306包括真空室307、用于接收支撑多个衬底(优选实施例中为12个晶片)的衬底(晶片)盒360的第一存取室312和第二存取室312’。在衬底盒360置于第一存取室312中后，真空泵332降低带有提供与真空室307隔离的关闭的门阀320的存取室内的压力。真空室307借低温真空泵326，通过现有技术已知的气门和门阀324保持在合适的低压。邻接第一存取室312的第一晶片校准器316提供旋转衬底332的装置以使晶片圆周上的参考切口对准预定位置，以在第一IBS淀积室302中进行膜淀积，或对准另一预定位置，以在第二IBS淀积室304中进行膜淀积。邻接第二存取室312’的第二晶片校准器316’可用于对准插入第二存取室312’中的衬底，或者，对于将利用晶片装卸室306的移动装置插入两个存取室中的衬底，可用单个晶片对准器将衬底移到第一晶片校准器312。
参见图4，该图示出了双室淀积室300的中心部分400，以更具体地展现晶片装卸室306。晶片装卸室306包括中心固定于真空室307中的转台402，该转台支撑具有固定于传送器末端上的衬底支架407的机械线性传送器406。转台402可以借旋转电机顺时针或逆时针旋转，如箭头404所示。线性传送器406可以在旋转/线性电机的驱动下伸缩，以在相对于转台402的中心的径向上移动衬底支架407，如箭头408所示，正如现有技术所公知的。
衬底(晶片)在双室淀积系统300内的移动由借线性传送器406的顺序地线性径向平移和利用转台402的角旋转实现。例如，为了将位置A处衬底支架407上的衬底从晶片校准器316移到衬底台336，传送器406缩回，以将衬底定位在B处，然后转台402顺时针旋转，以将衬底定位在C处，然后传送器406通过打开的门阀308伸出，以将衬底放置在位置D处的衬底台336上。同样，可以通过打开的门阀310，通过位置E将衬底移到第二IBS淀积室304中位置F处的衬底台336’上。
在双室淀积系统300工作期间，可以保持连续工作流程，首先，将第一晶片盒360装于第一存取室312，然后将第二晶片盒360’送入第二存取室312’。在第一存取室312中的所有衬底处理过后，处理第二存取室312’中的衬底，同时在第一存取室312中，用新衬底盒替换衬底盒360。
利用本发明的双室淀积系统淀积包括NiO AFM层的自旋阀传感器结构，提供了制造具有改善的互换耦合和制造工艺中提高的GMR系数的SV传感器的方法。SV传感器中用NiO作AFM层是优选的，因为NiO的良好抗侵蚀性和其相对高的阻挡温度(blocking temperature)(阻挡温度是给定材料的栓销场达到零时的温度)。然而，利用现有技术的单室离子束溅射淀积系统制造NiO SV传感器，由于需要很长时间抽出反应溅射淀积所用的含氧气体，和溅射清洁随后金属层淀积用的氧污染的靶，所以导致了不能接受的低淀积系统生产率。通过对一系列晶片进行批量反应溅射淀积，可以提高生产率，但这种处理程序会导致暴露的NiO表面的长的和变化的保持时间。
表1NiO在真空中的保持时间对SV传感器特性的影响保持时间(分钟)He(Oe) dR/R(％) Hex(Oe) Hp(Oe)5-10 15 5.77 250 4507519 5.41 150 200150 35 4.3 75 100其中He=铁磁耦合场dR/R=磁阻系数Hex=互换场Hp=栓销场表1展示了本发明人对淀积NiO AFM层和在保持在真空气氛中的NiO表面上淀积Ni-Fe栓销层之间的保持时间的影响的实验结果。这些结果表明，要始终如一地生产具有良好互换特性的SV传感器，必须优先考虑在栓销层淀积前保持恒定的最少保持时间的工艺顺序。利用现有技术的单室离子束溅射淀积系统，保持时间一般在5-10分钟的范围内，以便处理程序完成一个晶片。这种保持时间导致了可接受的互换特性，然而，系统的生产率很低(大约为6个晶片/天)。利用提高生产率的处理程序导致了保持时间超过20分钟，晶片的保持时间发生了不可接受地巨大改变。
利用本发明的双室淀积系统淀积NiO SV传感器各层，提供了显著提高系统生产率，同时保持或提高SV传感器特性的方法。这种改进是通过用系统的一个IBS淀积室进行反应气体溅射淀积工艺，用系统的第二IBS淀积室进行金属层惰性气体溅射淀积实现的。然后利用优先保持所有晶片NiO层的最少保持时间的连续流程工艺。
参见图5，该图示出了由利用本发明的双室淀积系统300淀积该结构的多层膜制造的具有NiO构成的AFM层的SV传感器500。SV传感器500包括由Al2O3形成的衬底层550、由NiO形成的AFM层530、包括由Ni-Fe形成的第二铁磁亚层(FM2)524和由Co形成的第一铁磁亚层(FM1)522的栓销层550、由Cu形成的间隔层515、由Ni-Fe形成的自由层510及由Ta形成的帽盖层505。晶片(衬底)560移到双室淀积系统300(图3)的第一IBS淀积室302，在含反应性氧的气体中溅射Al靶，形成Al2O3层，从而在晶片560上淀积衬底层550。在含反应性氧的气体中溅射Ni靶，形成NiO层，从而在衬底层550上淀积AFM层530。然后晶片560移到双室淀积系统300的第二IBS淀积室304，该室用于利用惰性气体以溅射不同的金属靶，从而淀积SV传感器结构的其余各层。在第二IBS淀积室中，在AFM层530上依次淀积FM2层524、FM1层522、间隔层515、自由层510和帽盖层505。
利用上述的连续流程工艺，利用在分开的IBS淀积室中的分开的反应气体溅射工艺和惰性气体金属层淀积，可以制造具有始终如一的良好特性的SV传感器500，同时能够实现相当高的淀积系统生产率。保持时间从先前的5-10分钟减少到2-5分钟，生产率从先前的大约每天6片提高到每天40-60片。对SV传感器性能一致性和淀积系统生产率的这些改进提供了这些NiO SV传感器的可用制造工艺。
尽管结合优选实施例特殊地展示和说明了本发明，但所属领域的技术人员应理解，可以在形式上和细节上作出各种变化，而不脱离本发明的精神、范围和教导。因此，可以认为所公开的发明仅是例示性的，对本发明范围的限制如所附的权利要求书所述。
权利要求
1．一种双室淀积系统，包括第一离子束溅射(IBS)淀积室；第二IBS淀积室；及用于将衬底移到所说双室淀积系统内的晶片装卸室，所说晶片装卸室设置在所说第一和第二IBS淀积室之间，并与它们真空密封连接。
2．一种双室淀积系统，包括第一离子束溅射(IBS)淀积室；第二IBS淀积室；及用于将衬底移到所说双室淀积系统内的晶片装卸室，所说晶片装卸室设置在所说第一和第二IBS淀积室之间，并与它们真空密封连接，所说晶片装卸室包括真空室；转台，其可旋转地固定于所说真空室的内表面上；固定于所说转台上的线性传送器，所说线性传送器具有固定于未端、用于支撑所说衬底的衬底支架，所说衬底支架相对于所说转台的中心可径向运动；及与所说真空室真空密封连接的第一存取室，用于向所说真空室送入多个衬底。
3．根据权利要求2的双室淀积系统，其中所说晶片装卸室还包括用于可旋转地对准所说衬底的晶片校准器，所说校准器设置于所说第一存取室和所说真空室之间。
4．根据权利要求2的双室淀积系统，其中所说晶片装卸室还包括与所说真空室真空密封连接的第二存取室，用于向所说真空室送入多个衬底。
5．一种用于淀积具有抗铁磁(AFM)层和金属层的双室淀积系统，所说双室淀积系统包括第一离子束溅射(IBS)淀积室，用于通过反应离子束溅射，在衬底上淀积所说AFM层；第二IBS淀积室，用于在所说衬底上淀积金属层；及用于将所说衬底移到所说双室淀积系统内的晶片装卸室，所说晶片装卸室设置在所说第一和第二IBS淀积室之间，并与它们真空密封连接，所说晶片装卸室包括真空室；转台，其可旋转地固定于所说真空室的内表面上；固定于所说转台上的线性传送器，所说线性传送器具有固定于未端、用于支撑所说衬底的衬底支架，所说衬底支架相对于所说转台的中心可径向运动；及与所说真空室真空密封连接的第一存取室，用于向所说真空室送入多个衬底。
6．根据权利要求5的双室淀积系统，其中所说晶片装卸室还包括用于可旋转地对准所说衬底的晶片校准器，所说校准器设置于所说第一存取室和所说真空室之间。
7．根据权利要求5的双室淀积系统，其中所说晶片装卸室还包括与所说真空室真空密封连接的第二存取室，用于向所说真空室送入多个衬底。
8．一种在双室淀积系统中制造自旋阀(SV)磁阻传感器的工艺，所说系统包括第一IBS淀积室、第二IBS淀积室及晶片装卸室，所说工艺包括以下步骤a)在所说第一IBS淀积室中，在衬底上反应溅射淀积抗铁磁(AFM)层；b)在真空条件下，将所说衬底从所说第一IBS淀积室移到所说第二IBS淀积室；及c)在所说第二IBS淀积室中，在所说AFM层上溅射淀积第一铁磁层。
9．根据权利要求8的工艺，还包括在所说第二IBS淀积室中，在所说铁磁层上淀积一层非磁性导电材料层的步骤。
10．根据权利要求9的工艺，还包括在所说第二IBS淀积室中，在所说非磁性导电层上淀积第二铁磁层的步骤。
11．根据权利要求8的工艺，其中所说AFM层由NiO构成。
全文摘要
一种双室淀积系统包括两个离子束溅射(IBS)淀积室,它们通过晶片装卸室连接,用于以提高的工艺生产率淀积多层薄膜结构。可以在隔离的IBS淀积室中,在衬底上进行反应离子束溅射淀积和金属层淀积,同时保持整个工艺的真空条件。具有AFM层的自旋阀(SV)磁阻传感器各层的离子束溅射淀积工艺,提高了系统的生产率,同时保持了SV传感器的性能,其中所说AFM层由在与随后的金属层淀积隔离的IBS淀积室中进行的NiO的反应溅射淀积形成的NiO构成。
文档编号H01F41/30GK1236826SQ9910679
公开日1999年12月1日 申请日期1999年5月20日 优先权日1998年5月21日
发明者M·皮纳尔巴斯 申请人:国际商业机器公司