介绍
金属和介质薄膜被用于各种各样的半导体器件之应用，包括了电晶体栅极堆积、存储元件成形、器件内部连接之金属化和绝缘层。沉积工艺已经成熟并具备优良特性、其包括：用磁电管反应溅射法产生物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)及原子层沉积(ALD)。然而、当今存储器和逻辑器件的创新，在需求一个能表现更超越现有能力的薄膜沉积设备。一个新世代的工艺设备正被要求着。
在非易失性存储器方面、下一世代的架构、如磁阻式随机存储器(MRAM)正被开发来取代已接近极限的闪存。磁阻式随机存储器(MRAM)存储元件是立基于磁隧道接合(MTJ)技术，它也是被用于硬盘驱动器读取头的核心技术。 磁隧道接合(MTJ)包含金属层和介质层、最薄可有<10Å。 这些层必须被沉积在 300 毫米晶片上并且具有亚埃等级重复性和光滑性及 <1% 的不均匀度。
在逻辑上、高介电率介质和金属栅极将分别取代氮氧化硅(SiON)和多晶硅，用以保持器件的缩放比例符合摩尔定律。在金属栅极方面、二元合金和三元合金被用做功函调整、重申、这些必须被以亚埃等级的厚度重复性和高均匀度来进行沉积、并且不得对下层之半导体接合产生破坏。
这两项技术展示了下一世代性能的利益将来自超光滑界面的纳米级薄膜。 传统IC系统并非为此新时代而设计的、因此一个在堆积技术上的变革是理应被要求的。
本文描述了专为运用于磁阻式随机存储器(MRAM)和硬盘驱动器的磁隧道接合(MTJs) 沉积，和用于高级互补型金属氧化物半导体(CMOS)的金属合金栅极沉积，所设计的新型200毫米/300毫米离子束加工系统。 在此解释了现有沉积技术的极限性、 并强调了离子束加工技术的效益。
磁阻式随机存储器和硬盘驱动器读取头所应用的磁隧道接合
磁阻式随机存储器(MRAM)是一种非易失性存储器技术、它具有潜在的功能以取代现有的易失性和非易失性技术的产物，如：动态随机存储器(DRAM)、静态随机存储器(SRAM)和闪存存储器。表1比较了各种存储技术的属性差异，并表明只有磁阻式随机存储器(MRAM)结合了非易失性及高速读写速度，近无限的持久性和小元件体积。 磁阻式随机存储器(MRAM) 可被轻易的结合入互补型金属氧化物半导体(CMOS)的铜内部连接、使它自己被嵌入也同样能个别的执行其功能。
|
DRAM
动态随机存储器 |
SRAM
静态随机存储器 |
Flash
闪存 |
FeRAM
铁电随机存储器 |
PC-RAM
相变随机存储器 |
MRAM
磁阻式随机存储器 |
| 非易失性 |
否 |
否 |
是 |
是 |
是 |
是 |
| 写速 |
快 |
最快 |
慢 |
中 |
中 |
快 |
| 读速 |
快 |
最快 |
快 |
快 |
快 |
快 |
| 单元密度 |
高 |
低 |
高 |
中 |
高 |
高 |
| 单元泄露 |
高 |
低/高 |
低 |
低 |
低 |
低 |
| 持久性 |
无限 |
无限 |
有限 |
有限 |
有限 |
无限 |
表1： 存储技术对比。
然而闪存和动态随机存储器(DRAM)是立基于荷电存储、而磁阻式随机存储器(MRAM)储存要素立基于可编程磁排列、一种称为隧道磁阻(TMR)的现象。 这种储存元件本身叫做一个磁隧道接合(MTJ)，概念上它包含2个磁层、一个“固定层”和一个“自由层”、由一个薄的介质“隧道”载体区隔开。 同样的磁隧道接合(MTJ)技术也被用在硬盘驱动器读取头上。
| 层 |
厚度 (Å) |
| 钽 (Ta) |
50 |
| 铁化钴 (CoFe) |
 20 |
| 钌 (Ru) |
8 |
| 硼铁化钴 (CoFeB) |
20 |
| 氧化镁 (MgO) |
10 |
| 硼铁化钴 (CoFeB) |
25 |
| 钌 (Ru) |
8 |
| 铁化钴 ( CoFe) |
30 |
| 铂锰 (PtMn) |
150 |
| 钽 (Ta) |
50 |
| 钌 (Ru) |
200 |
| 钽 (Ta) |
50 |
| 基片 |
- |
表2： 用于MRAM的典型MTJ存储单元结构
在现实中、如表2所示、磁隧道结(MTJ)含12个或更多不同的层和7种或更多不同的材料。 堆栈中最薄的膜 <10Å且这些膜必须按极高的均匀度和重复性沉积在300毫米晶片上。 在氧化鎂 (MgO) 隧道载体，绝对厚度、晶体学纹理和介质质量极为关键。 必须俱备亚埃等级之厚度重复性。 每一层的光滑度是器件性能良好的关键、当每一个堆栈层按先后次序被沉积时，原子等级的光滑度界面必须被保持著。 另外、必须在加工室内提供一个磁场源、目的是在沉积铁磁薄膜时对其进行排列。
互补型金属氧化物半导体(CMOS)金属栅极
金属栅极在互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术中被当成取代离子注入型多晶硅而导入，并赋予了金属沉积设备新的需求。 不同的二元或三元合金必须被用来供给在n-mos和p-mos晶体管上所需的功函。 例如TiC、 TiCN、 TiAIN 及TiLaN。 功函随着由合金成分和厚度而定、 并且超光滑薄膜必须被按高均匀度沉积并不可对敏感的各个底层产生破坏。
传统薄膜沉积设备的局限性
传统物理气相沉积(PVD)系统、立基于磁控溅射技术，并无足够的靶材容量，以构筑磁隧道接合(MTJ)堆栈。 每个沉积室通常仅含单一靶材、 并且每个系统通常仅含5或6个加工室。 还有、 传统300毫米系统中物理气相沉积(PVD)溅射靶材通常比晶片所占的面积大。 因此、磁隧道接合(MTJ)材料的靶材成本、如:铂锰 (PtMn)、 极其昂贵。
除了这些实际的考虑因素外、磁电管操作的最低气压是大约1mT、低过此范围，离子溅射将熄灭。 这对磁隧道接合(MTJ)和金属栅极沉积产生一个挑战、因为薄膜的平滑度是和沉积气压有着极强的依存性、较低的气压能给予较平滑的薄膜。
在磁电管溅射中还有一个更和气压相关的观点；溅射流的能量取决于气压， 低气压放电传统上会产生更多含高能量的溅射流。 对于超薄薄膜、更高的能量可能导致层面粗糙度提高、 并会破坏接合堆栈内的超薄介质隧道载体层。