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JP2012219330A - Apparatus of forming phase change memory and method of forming phase change memory - Google Patents

Apparatus of forming phase change memory and method of forming phase change memory Download PDF

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JP2012219330A
JP2012219330A JP2011086393A JP2011086393A JP2012219330A JP 2012219330 A JP2012219330 A JP 2012219330A JP 2011086393 A JP2011086393 A JP 2011086393A JP 2011086393 A JP2011086393 A JP 2011086393A JP 2012219330 A JP2012219330 A JP 2012219330A
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Japan
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substrate
target
phase change
change memory
film
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Application number
JP2011086393A
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Japanese (ja)
Inventor
Daisuke Mori
大介 森
Hiroshi Nishioka
浩 西岡
Makoto Kikuchi
真 菊地
Hidenao Kurihara
秀直 栗原
Hirotsuna Su
弘綱 鄒
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Ulvac Inc
Original Assignee
Ulvac Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus of forming a phase change memory that enhances the speed of reading and writing operations in the phase change memory including laminated metallic chalcogenide films, and to provide a method of forming the change memory.SOLUTION: A sputtering apparatus 10 includes a GeTe target 22a and an SbTetarget 22b having mutually different compositions. In addition, the sputtering apparatus 10 includes a substrate stage 13 which has a heating surface for heating a substrate S and heats the substrate S while sucking it to the heating surface, and a rotary section 18 for turning the substrate stage 13 in the circumferential direction of the substrate S. While the substrate stage 13 sucks and heats the substrate S and the rotary section 18 turns the substrate stage 13, the sputtering apparatus 10 sputters the GeTe target 22a and SbTetarget 22b at different timings from each other to stack two metallic chalcogenide films having mutually different compositions on the substrate S.

Description

この発明は、金属元素とカルコゲン元素とを含む互いに異なる組成の複数の金属カルコゲナイド膜が積層された積層体を有する相変化メモリを形成する相変化メモリの形成装置、及び相変化メモリの形成方法に関する。   The present invention relates to a phase change memory forming apparatus and a phase change memory forming method for forming a phase change memory having a laminate in which a plurality of metal chalcogenide films having different compositions including a metal element and a chalcogen element are laminated. .

従来から、例えば特許文献1に記載のように、金属元素とカルコゲン元素とを含む金属カルコゲナイド膜を用いた記憶素子である相変化メモリが広く知られている。金属カルコゲナイド膜は、それに与えられる熱エネルギーの違いによって、結晶相とアモルファス相との間で可逆的に相変化し、且つ常温においては、いずれの相も安定して保持されるという特性を有している。しかも、結晶相の金属カルコゲナイド膜とアモルファス相の金属カルコゲナイド膜とは、互いに異なる抵抗値を示す。そのため、こうした抵抗値の違いから、金属カルコゲナイド膜は、互いに異なる二値を記憶することのできる素子として用いられている。このように、上記記憶素子は、互いに異なる二つの相の抵抗値の違いによって情報を記憶するものであることから、記憶の維持に電力の供給を必要としない新たな不揮発性メモリとして注目を集めている。   Conventionally, for example, as described in Patent Document 1, a phase change memory that is a memory element using a metal chalcogenide film containing a metal element and a chalcogen element is widely known. A metal chalcogenide film has a characteristic that it reversibly changes between a crystalline phase and an amorphous phase due to a difference in thermal energy applied thereto, and that both phases are stably held at room temperature. ing. In addition, the crystalline metal chalcogenide film and the amorphous metal chalcogenide film have different resistance values. For this reason, the metal chalcogenide film is used as an element capable of storing two different values because of the difference in resistance value. As described above, since the memory element stores information based on the difference in resistance value between two different phases, it has attracted attention as a new nonvolatile memory that does not require power supply to maintain the memory. ing.

こうした相変化メモリの一部断面構造を図6に示す。相変化メモリ50の層間絶縁膜51に形成されたホールには、断熱層52に覆われた下部電極53が埋め込まれている。層間絶縁膜51上には、例えばGeSbTeからなる単層の金属カルコゲナイド膜54と上部電極55との積層体が、下部電極53の表面を覆う位置に形成されている。金属カルコゲナイド膜54は、これを挟む下部電極53と上部電極55との間を流れる電流によって加熱されること、及び該電流供給の停止に伴って冷却されること、これらの度合いによって、結晶相とアモルファス相との間で相変化する。 FIG. 6 shows a partial cross-sectional structure of such a phase change memory. In the hole formed in the interlayer insulating film 51 of the phase change memory 50, a lower electrode 53 covered with a heat insulating layer 52 is embedded. On the interlayer insulating film 51, a laminated body of a single layer metal chalcogenide film 54 made of, for example, Ge 2 Sb 2 Te 5 and the upper electrode 55 is formed at a position covering the surface of the lower electrode 53. The metal chalcogenide film 54 is heated by a current flowing between the lower electrode 53 and the upper electrode 55 sandwiching the metal chalcogenide film 54 and is cooled when the current supply is stopped. Phase change between amorphous phase.

こうした単層型の相変化によれば、上述のような抵抗値のスイッチング、つまりは情報の読み書きが確かに可能ではある。しかしながら、上記相変化には、金属カルコゲナイド膜54を構成する各原子の物理的な移動が金属カルコゲナイド膜54の厚さ方向で必要とされる。それゆえに、容量素子における電子の移動で情報を記憶するDRAM等の他の記憶素子と比較して、読み書き速度が低い。そこで、例えば非特許文献1に記載のように、上述のような単一の金属カルコゲナイド膜に代えて、互いに異なる組成の金属カルコゲナイド膜の積層体を用いる相変化メモリが提案されている。   According to such a single-layer type phase change, switching of the resistance value as described above, that is, reading and writing of information is certainly possible. However, the phase change requires physical movement of each atom constituting the metal chalcogenide film 54 in the thickness direction of the metal chalcogenide film 54. Therefore, the read / write speed is low as compared with other storage elements such as a DRAM that stores information by the movement of electrons in the capacitive element. Thus, for example, as described in Non-Patent Document 1, a phase change memory using a stacked body of metal chalcogenide films having different compositions instead of the single metal chalcogenide film as described above has been proposed.

積層型の相変化メモリは、例えば交互に積層されたGeTe層とSbTe層とを複数有している。そして、非特許文献1における数値計算結果によれば、結晶相とアモルファス層との間での相変化が、互いに隣接するGeTe層とSbTe層との界面でのGe原子の移動のみによって生じる。そのため、上述した相変化メモリでは、こうした積層構造が、書き込み速度を高めることができる方策の一つとして期待されている。 A stacked phase change memory has, for example, a plurality of GeTe layers and Sb 2 Te 3 layers that are alternately stacked. According to the numerical calculation results in Non-Patent Document 1, the phase change between the crystalline phase and the amorphous layer is caused only by the movement of Ge atoms at the interface between the adjacent GeTe layer and Sb 2 Te 3 layer. Arise. Therefore, in the above-described phase change memory, such a stacked structure is expected as one of the measures that can increase the writing speed.

国際公開2008/090963号公報International Publication No. 2008/090963

Japanese Journal of Applied Physics 48 (2009) 03A053, J. Tominaga, et alJapanese Journal of Applied Physics 48 (2009) 03A053, J. Tominaga, et al

しかしながら、上記非特許文献1では、上述のような原理で相変化が生じるという積層体の特性と、該特性による相変化メモリの性能に対する寄与とが提唱されているとはいえ、こうした特性とは、数値計算によって見出されたものでしかない。   However, although the non-patent document 1 proposes the characteristics of the laminated body in which the phase change occurs on the principle as described above and the contribution to the performance of the phase change memory by the characteristics, It was only discovered by numerical calculation.

そのため、例えばスパッタ法によって上述のような特性を有する積層体を成膜するに当たっての条件の検討は、未だ十分になされておらず、それゆえに、こうした成膜条件の開発が切望されている。   For this reason, for example, conditions for depositing a laminate having the above-described characteristics by sputtering have not yet been sufficiently studied, and therefore, development of such deposition conditions is eagerly desired.

なお、こうした問題は、相変化メモリが、GeTe層とSbTe層とからなる金属カルコゲナイド膜の積層体を有するものに限らず、他の金属カルコゲナイド膜からなる積層体を有するものであっても、概ね共通するものである。 Such a problem is not limited to the case where the phase change memory has a stacked body of metal chalcogenide films composed of GeTe layers and Sb 2 Te 3 layers, but has a stacked body composed of other metal chalcogenide films. Are generally common.

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属カルコゲナイド膜の積層体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のできる相変化メモリの形成装置、及び相変化メモリの形成方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a phase change memory forming apparatus capable of increasing the speed of read / write operations in a phase change memory having a stack of metal chalcogenide films, and a phase change memory. It is to provide a method for forming a change memory.

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。   Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.

請求項1に記載の発明は、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希ガスでスパッタするスパッタ源と、前記基板を加熱する加熱面を有して前記基板を該加熱面に吸着しながら加熱する基板ステージと、前記基板ステージを前記基板の周方向に回転させる回転部とを備え、前記基板ステージが前記基板を吸着且つ加熱した状態で、前記回転部が前記基板ステージを回転させつつ、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前記基板上にて積層することを要旨とする。   The invention according to claim 1 is a phase change memory forming apparatus for forming a phase change memory by laminating two or more metal chalcogenide films having different compositions on a substrate, wherein the compositions are different from each other. A sputtering source for sputtering each of two or more metal chalcogenide targets having a rare gas, a substrate stage having a heating surface for heating the substrate, and heating the substrate while adsorbing to the heating surface; A rotating unit that rotates the substrate stage in the circumferential direction of the substrate, and the sputtering unit rotates the substrate stage while the substrate stage sucks and heats the substrate, and the sputtering source includes the two sputtering sources. Two or more metals having different compositions by sputtering each of the above metal chalcogenide targets at different timings. The Rukogenaido film and summarized in that the stacking by the substrate.

本願発明者らは、組成の相異なる二つの金属カルコゲナイド膜が積層された積層構造を鋭意研究する中で、上記積層構造を構成する各金属カルコゲナイド膜の面方位が、成膜時に基板の面内で均一でないと、各金属カルコゲナイド膜の境界における相変化もまた成膜後に基板の面内で均一に生じにくいことを見出した。そして、金属カルコゲナイドに与えられる熱エネルギーの推移によって、該金属カルコゲナイドの相構造が容易に変わるという特性が、膜形成の途中にある金属カルコゲナイドでも同じであることを見出した。   The inventors of the present application have studied diligently a laminated structure in which two metal chalcogenide films having different compositions are laminated, and the plane orientation of each metal chalcogenide film constituting the laminated structure is in-plane of the substrate at the time of film formation. If not uniform, it has been found that the phase change at the boundary of each metal chalcogenide film is also difficult to occur uniformly in the plane of the substrate after film formation. The inventors have found that the characteristic that the phase structure of the metal chalcogenide easily changes depending on the transition of the thermal energy given to the metal chalcogenide is the same as that of the metal chalcogenide in the middle of film formation.

この点、請求項1に記載の発明では、相変化メモリの形成装置が、二つ以上の金属カルコゲナイドターゲットの各々を希ガスでスパッタするスパッタ源と、基板の吸着及び加熱を行う基板ステージと、基板ステージを回転させる回転部とを備えるようにしている。そして、相変化メモリの形成装置は、基板ステージによって基板を吸着且つ加熱した状態で、回転部によって基板ステージを回転させながら、上記金属カルコゲナイドターゲットのスパッタによって相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積層するようにしている。   In this regard, in the first aspect of the invention, the phase change memory forming apparatus includes a sputtering source that sputters each of two or more metal chalcogenide targets with a rare gas, a substrate stage that performs adsorption and heating of the substrate, And a rotating unit that rotates the substrate stage. The phase change memory forming apparatus includes two or more metals having different compositions by sputtering of the metal chalcogenide target while rotating the substrate stage by the rotating unit while the substrate is attracted and heated by the substrate stage. A chalcogenide film is stacked.

そのため、基板の位置が固定される構成と比較して、基板表面に到達するスパッタ粒子の数量が基板の面内で均一になる。加えて、基板ステージが基板を吸着していない構成と比較して、基板表面の温度が基板の面内で均一になる。それゆえに、基板表面から与えられるスパッタ粒子あたりの熱が基板の面内で均一となる。このような構成であれば、相構造が熱によって大きく変わる金属カルコゲナイドであっても、基板上に形成された金属カルコゲナイド膜の面方位が、成膜時に基板の面内で均一に保たれやすくなる。したがって、こうした金属カルコゲナイド膜の積層体を有する相変化メモリでは、各金属カルコゲナイド膜の境界における相変化が生じやすくなり、ひいては、相変化メモリにおける読み書き動作の速度を高めることができるようになる。   Therefore, the number of sputtered particles reaching the substrate surface is uniform in the plane of the substrate as compared with a configuration in which the position of the substrate is fixed. In addition, the temperature of the substrate surface becomes uniform in the plane of the substrate as compared with a configuration in which the substrate stage does not adsorb the substrate. Therefore, the heat per sputtered particle given from the substrate surface becomes uniform in the plane of the substrate. With such a configuration, even when a metal chalcogenide whose phase structure is greatly changed by heat, the plane orientation of the metal chalcogenide film formed on the substrate can be easily maintained in the plane of the substrate during film formation. . Therefore, in the phase change memory having such a stack of metal chalcogenide films, a phase change is likely to occur at the boundary of each metal chalcogenide film, and as a result, the read / write operation speed in the phase change memory can be increased.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の相変化メモリの形成装置において、前記基板ステージは、前記加熱面における静電気力によって前記基板を吸着することを要旨とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the phase change memory forming apparatus according to the first aspect, wherein the substrate stage adsorbs the substrate by electrostatic force on the heating surface.

基板ステージの加熱面に基板を吸引する吸引孔が設けられる構成であれば、該吸引孔の吸引力により基板を加熱面に吸着することが可能である。ただし、このような構成では、吸引孔と向かい合う部位で基板が加熱され難くなるため、基板の面内にて温度のばらつきを抑えることには限りがある。この点、請求項2に記載の発明では、基板ステージの加熱面に基板が静電吸着されるため、加熱面に吸引孔が形成される構成と比較して、加熱面に接触する基板の領域を大きくすることが可能である。それゆえに、基板の面内における温度のばらつきを抑えることが可能であるから、金属カルコゲン膜の積層構造を備える相変化メモリの読み書き速度がより確実に高められるようになる。   If the suction hole for sucking the substrate is provided on the heating surface of the substrate stage, the substrate can be sucked to the heating surface by the suction force of the suction hole. However, in such a configuration, since it becomes difficult for the substrate to be heated at a portion facing the suction hole, there is a limit to suppressing temperature variations in the plane of the substrate. In this regard, in the invention according to claim 2, since the substrate is electrostatically adsorbed on the heating surface of the substrate stage, the area of the substrate in contact with the heating surface is compared with a configuration in which suction holes are formed on the heating surface. Can be increased. Therefore, it is possible to suppress variations in temperature in the plane of the substrate, so that the read / write speed of the phase change memory including the laminated structure of the metal chalcogen film can be more reliably increased.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の相変化メモリの形成装置において、前記二つ以上のカルコゲナイドターゲットは、GeTeからなる第一のターゲットとSbTeからなる第二のターゲットから構成され、前記スパッタ源は、スパッタ対象を前記第一のターゲットと前記第二のターゲットとに交互に切り替えるとともに、スパッタ対象を切り替える際には、切り替え期間を置き、前記切り替え期間にて、スパッタ対象になるターゲットを露出させ、且つ該ターゲット以外のターゲットを覆うシャッタをさらに備え、前記基板ステージは、前記スパッタ源がターゲットをスパッタする期間での前記加熱面の温度と、前記切り替え期間での前記加熱面の温度とが等しくなるように、前記加熱面を温調することを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the phase change memory forming device according to the first or second aspect, the two or more chalcogenide targets are a first target composed of GeTe and a second target composed of Sb 2 Te 3 . The sputtering source alternately switches the sputtering target to the first target and the second target, and when switching the sputtering target, puts a switching period, in the switching period The substrate stage further includes a shutter that exposes a target to be sputtered and covers a target other than the target, and the substrate stage includes a temperature of the heating surface during a period during which the sputtering source sputters the target, and a switching period. The gist is to control the temperature of the heating surface so that the temperature of the heating surface becomes equal.

第一のターゲットがスパッタされた後に第二のターゲットをスパッタする際に、一方のスパッタ終了時と他方のスパッタ開始時との間隔が短くなると、このような間隔では、互いに異なるターゲットからスパッタされた粒子が、基板上で混ざりやすくなる。積層構造を備える相変化メモリでは、互いに隣接する金属カルコゲナイド膜の界面での原子の移動によりメモリ機能が発現するため、こうした界面における結晶の面方位が、特にメモリ機能の良否を大きく左右する。   When the second target is sputtered after the first target is sputtered, if the interval between the end of one sputter and the start of the other sputter is shortened, sputtering is performed from different targets at such an interval. Particles are likely to mix on the substrate. In a phase change memory having a stacked structure, a memory function is manifested by movement of atoms at the interface between adjacent metal chalcogenide films, and therefore the crystal plane orientation at such an interface greatly affects the quality of the memory function.

請求項3に記載の発明では、金属カルコゲナイドターゲットが、GeTeからなる第一のターゲットとSbTeからなる第二のターゲットとから構成される。そのため、GeTeターゲットのスパッタにより形成された膜と、SbTeターゲットのスパッタにより形成された膜との境界では、GeとSbTeとの比を「Ge:Sb:Te=2:2:5」とすることができる。これにより、膜の境界において安定な組成のGeSbTe構造を形成することができることから、該GeSbTe構造における熱による相変化も安定に行うことができる。 In a third aspect of the invention, the metal chalcogenide target is composed of a first target made of GeTe and a second target made of Sb 2 Te 3 . Therefore, at the boundary between the film formed by sputtering of the GeTe target and the film formed by sputtering of the Sb 2 Te 3 target, the ratio of Ge to SbTe is set to “Ge: Sb: Te = 2: 2: 5”. It can be. Thereby, since a GeSbTe structure having a stable composition can be formed at the boundary of the film, a phase change due to heat in the GeSbTe structure can also be stably performed.

そして、互いに異なるターゲットからスパッタされた粒子が混在することを抑えるべく、スパッタ対象が切り替わる切り替え期間において、スパッタ対象以外のターゲットがシャッタによって覆われる。そのうえ、スパッタ源がターゲットをスパッタする期間での加熱面の温度と、こうした切り替え期間での加熱面の温度とが等しくなるように、加熱面が温調される。それゆえに、互いに異なるターゲットからスパッタされた粒子が基板上で混ざることが、切り替え期間の確保によって抑えられ、且つ切り替え期間における基板温度の変化が、切り替え期間の基板温度とスパッタ期間の基板温度とを等しくすることで抑えられる。その結果、互いに異なるターゲットからスパッタされた粒子が隣接するカルコゲナイド膜の界面にて混ざることを抑えることが可能となる。   Then, in order to suppress the mixture of particles sputtered from different targets, the target other than the target to be sputtered is covered by the shutter during the switching period in which the target to be sputtered is switched. In addition, the temperature of the heating surface is adjusted so that the temperature of the heating surface during the period during which the sputtering source sputters the target is equal to the temperature of the heating surface during such a switching period. Therefore, mixing of the sputtered particles from different targets on the substrate can be suppressed by securing the switching period, and the change in the substrate temperature during the switching period can reduce the substrate temperature during the switching period and the substrate temperature during the sputtering period. It can be suppressed by making it equal. As a result, it is possible to suppress mixing of particles sputtered from different targets at the interface between adjacent chalcogenide films.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の相変化メモリの形成装置において、前記基板の直径は、150mm以上300mm以下であり、前記基板の面内における温度のばらつきは、−10℃以上+10℃以下であり、前記基板ステージの回転速度は、毎分60回以上毎分250回以下であることを要旨とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the phase change memory forming apparatus according to the third aspect, the diameter of the substrate is not less than 150 mm and not more than 300 mm, and the temperature variation in the plane of the substrate is −10 ° C. The gist is that the temperature is + 10 ° C. or less, and the rotation speed of the substrate stage is 60 times or more and 250 times or less per minute.

本願発明者らは、基板の直径が200mm以上300mm以下である場合、基板の面内における温度ばらつきが−10℃以上+10℃以下であって、基板ステージの回転速度が毎分60回以上250回以下であるときに、金属カルコゲナイド膜の略全体が、均一な面方位の結晶から構成される膜として形成されることを見出した。そこで、請求項4に記載の発明では、基板ステージが、基板の面内における温度のばらつきを−10℃以上+10℃以下とする。また、回転部は、こうした基板ステージを毎分60回以上且つ250回以下の速度で回転させる。これにより、金属カルコゲン膜を形成する結晶の面方位の均一性が、より確実に高められるようになる。ひいては、該金属カルコゲン膜の積層構造を備える相変化メモリの読み書き速度がより確実に高められるようになる。   When the diameter of the substrate is 200 mm or more and 300 mm or less, the inventors of the present application have a temperature variation in the plane of the substrate of −10 ° C. or more and + 10 ° C. or less, and the rotation speed of the substrate stage is 60 to 250 times per minute. It has been found that substantially the entire metal chalcogenide film is formed as a film composed of crystals having a uniform plane orientation when: Therefore, in the invention described in claim 4, the substrate stage sets the temperature variation in the plane of the substrate to −10 ° C. or higher and + 10 ° C. or lower. The rotating unit rotates such a substrate stage at a speed of 60 times or more and 250 times or less per minute. As a result, the uniformity of the plane orientation of the crystal forming the metal chalcogen film can be improved more reliably. As a result, the read / write speed of the phase change memory having the laminated structure of the metal chalcogen film can be increased more reliably.

請求項5に記載の発明は、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、前記基板を基板ステージの加熱面に吸着しながら該加熱面で加熱し、且つ前記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ターゲットの各々を互いに異なるタイミングで希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前記基板上にて積層することを要旨とする。   The invention according to claim 5 is a method of forming a phase change memory by forming a phase change memory by laminating two or more metal chalcogenide films having different compositions on a substrate. Sputtering each of two or more metal chalcogenide targets having different compositions while being adsorbed on the heating surface of the substrate stage and rotating the substrate stage with a rare gas at different timings. Thus, the gist is to stack two or more metal chalcogenide films having different compositions on the substrate.

請求項5に記載の発明では、基板ステージによって基板を吸着且つ加熱した状態で、基板ステージを回転させながら、二つ以上の金属カルコゲナイドターゲットのスパッタによって相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積層するようにしている。   In the invention according to claim 5, two or more metal chalcogenides having different compositions by sputtering of two or more metal chalcogenide targets while rotating the substrate stage while the substrate is adsorbed and heated by the substrate stage. The films are stacked.

そのため、基板の位置が固定される構成と比較して、基板表面に到達するスパッタ粒子の数量が基板の面内で均一になる。加えて、基板ステージが基板を吸着していない構成と比較して、基板表面の温度が基板の面内で均一になる。それゆえに、基板表面から与えられるスパッタ粒子あたりの熱が基板の面内で均一となる。このような構成であれば、相構造が熱によって大きく変わる金属カルコゲナイドであっても、基板上に形成された金属カルコゲナイド膜の面方位が、成膜時に基板の面内で均一に保たれやすくなる。したがって、こうした金属カルコゲナイド膜の積層体を有する相変化メモリでは、各金属カルコゲナイド膜の境界における相変化が生じやすくなり、ひいては、相変化メモリにおける読み書き動作の速度を高めることができるようになる。   Therefore, the number of sputtered particles reaching the substrate surface is uniform in the plane of the substrate as compared with a configuration in which the position of the substrate is fixed. In addition, the temperature of the substrate surface becomes uniform in the plane of the substrate as compared with a configuration in which the substrate stage does not adsorb the substrate. Therefore, the heat per sputtered particle given from the substrate surface becomes uniform in the plane of the substrate. With such a configuration, even when a metal chalcogenide whose phase structure is greatly changed by heat, the plane orientation of the metal chalcogenide film formed on the substrate can be easily maintained in the plane of the substrate during film formation. . Therefore, in the phase change memory having such a stack of metal chalcogenide films, a phase change is likely to occur at the boundary of each metal chalcogenide film, and as a result, the read / write operation speed in the phase change memory can be increased.

本発明の相変化メモリの形成装置における一実施形態としてのスパッタ装置の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the sputtering device as one Embodiment in the formation apparatus of the phase change memory of this invention. (a)同スパッタ装置によって形成される金属カルコゲナイド積層体の断面構造を示す断面図(b)(c)積層体における相変化の様子を模式的に示す図。(A) Sectional drawing which shows the cross-sectional structure of the metal chalcogenide laminated body formed with the same sputtering device. (B) (c) The figure which shows the mode of the phase change in a laminated body. 基板中心からの距離とX線回折(XRD)ピーク強度との関係を基板面内における温度ばらつき別に示したグラフ。The graph which showed the relationship between the distance from a substrate center, and an X-ray diffraction (XRD) peak intensity according to the temperature variation in a substrate surface. 基板中心からの距離とXRDピーク強度との関係を基板の回転速度別に示したグラフ。The graph which showed the relationship between the distance from a substrate center, and a XRD peak intensity according to the rotation speed of a board | substrate. 本実施形態の相変化メモリの形成装置によって形成された積層体1、他の相変化メモリの形成装置によって形成された積層体2、及び、従来の相変化メモリの備える金属カルコゲナイド膜のXRDピーク強度を示すグラフ。XRD peak intensity of the stack 1 formed by the phase change memory forming apparatus of the present embodiment, the stack 2 formed by another phase change memory forming apparatus, and the metal chalcogenide film provided in the conventional phase change memory Graph showing. 従来の相変化メモリの断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the conventional phase change memory.

以下、本発明の相変化メモリの形成装置、及び相変化メモリの形成方法における一実施形態について図1〜図5を参照して説明する。まず、相変化メモリの形成装置における一実施形態としてのスパッタ装置について図1を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of a phase change memory forming apparatus and a phase change memory forming method according to the present invention will be described with reference to FIGS. First, a sputtering apparatus as an embodiment of a phase change memory forming apparatus will be described with reference to FIG.

(装置構成)
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、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に対して直流電圧を供給するチャック電源15が接続されている。基板ステージ13の載置面13aには基板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基板Sを保持する構成と比較して、載置面13aに接触する基板Sの領域を大きくすることが可能である。これにより、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。
(Device configuration)
An upper lid 12 that seals the upper surface is fixed to a cylindrical vacuum chamber 11 provided in the sputtering apparatus 10. In the vacuum chamber 11, a substrate stage 13 that holds a disk-shaped substrate S to be processed is installed. The substrate stage 13 incorporates a chuck electrode 14 for electrostatically attracting the substrate S to the mounting surface 13 a of the substrate stage 13. A chuck power supply 15 that supplies a DC voltage to the chuck electrode 14 is connected to the chuck electrode 14. Since the substrate S is electrostatically attracted to the placement surface 13a of the substrate stage 13, for example, a suction hole for vacuum suction is formed on the placement surface 13a, or the substrate S is mechanically held by a mechanical chuck or the like. Compared with the structure to perform, it is possible to enlarge the area | region of the board | substrate S which contacts the mounting surface 13a. Thereby, the dispersion | variation in the temperature in the surface of the board | substrate S can be suppressed.

また、基板ステージ13には、加熱面となる上記載置面13aに載置された基板Sを加熱するヒータ16が内蔵されている。ヒータ16は、例えば、直流電圧の印加によって熱を放射する抵抗加熱ヒータであって、例えば基板Sを250℃に加熱する。ヒータ16には、該ヒータ16に対して直流電圧を供給するヒータ電源17が接続されている。また、基板ステージ13には、該基板ステージ13を基板Sの周方向に回転させる回転部18が接続されている。回転部18は、モータ、該モータの回転を基板ステージ13に伝達する回転軸等から構成されている。   Further, the substrate stage 13 incorporates a heater 16 for heating the substrate S placed on the placement surface 13a, which serves as a heating surface. The heater 16 is, for example, a resistance heater that radiates heat when a DC voltage is applied, and heats the substrate S to 250 ° C., for example. A heater power supply 17 that supplies a DC voltage to the heater 16 is connected to the heater 16. The substrate stage 13 is connected to a rotating unit 18 that rotates the substrate stage 13 in the circumferential direction of the substrate S. The rotating unit 18 includes a motor and a rotating shaft that transmits the rotation of the motor to the substrate stage 13.

基板ステージ13は、載置面13aに載置された基板Sを静電気力によって吸着しながら加熱することによって、基板Sの面内における温度のばらつきを−10℃以上+10℃以下とする。また、基板ステージ13は、回転部18によって基板Sの周方向に回転されることで、基板Sを毎分60回転以上毎分250回転以下の速度で回転させる。なお、基板Sの回転速度が毎分250回転を超えると、回転部18を構成するモータの回転が不安定になることから、基板Sの回転速度のばらつきが大きくなる。   The substrate stage 13 heats the substrate S placed on the placement surface 13a while being attracted by electrostatic force, thereby setting the temperature variation in the surface of the substrate S to −10 ° C. or more and + 10 ° C. or less. Further, the substrate stage 13 is rotated in the circumferential direction of the substrate S by the rotating unit 18, thereby rotating the substrate S at a speed of 60 to 250 revolutions per minute. Note that if the rotation speed of the substrate S exceeds 250 rotations per minute, the rotation of the motor constituting the rotation unit 18 becomes unstable, and thus the variation in the rotation speed of the substrate S increases.

真空槽11を封止する上蓋12には、金属製の第1バッキングプレート21aと第2バッキングプレート21bとが、絶縁材12aを介して嵌め込まれている。第1バッキングプレート21aの真空槽11側には、第一のターゲットとしてのGeTeターゲット22aが、上記基板ステージ13の載置面13aと略平行をなすように接着されている。他方、第1バッキングプレート21aにおけるGeTeターゲット22aの反対側には、第1磁石ユニット23aが配設されている。第1磁石ユニット23aは、GeTeターゲット22aの真空槽11側の面に磁場を形成する永久磁石を備えている。   A first backing plate 21a and a second backing plate 21b made of metal are fitted into the upper lid 12 that seals the vacuum chamber 11 via an insulating material 12a. On the vacuum chamber 11 side of the first backing plate 21a, a GeTe target 22a as a first target is bonded so as to be substantially parallel to the mounting surface 13a of the substrate stage 13. On the other hand, a first magnet unit 23a is disposed on the opposite side of the first backing plate 21a from the GeTe target 22a. The first magnet unit 23a includes a permanent magnet that forms a magnetic field on the surface of the GeTe target 22a on the vacuum chamber 11 side.

上記第2バッキングプレート21bの真空槽11側には、第二のターゲットとしてのSbTeターゲット22bが、上記基板ステージ13の載置面13aと略平行をなすように接着されている。他方、第2バッキングプレート21bにおけるSbTeターゲット22bの反対側には、第2磁石ユニット23bが配設されている。第2磁石ユニット23bは、SbTeターゲット22bの真空槽11側の面に磁場を形成する永久磁石を備えている。 An Sb 2 Te 3 target 22b as a second target is bonded to the vacuum chamber 11 side of the second backing plate 21b so as to be substantially parallel to the mounting surface 13a of the substrate stage 13. On the other hand, the second magnet unit 23b is disposed on the opposite side of the second backing plate 21b from the Sb 2 Te 3 target 22b. The second magnet unit 23b includes a permanent magnet that forms a magnetic field on the surface of the Sb 2 Te 3 target 22b on the vacuum chamber 11 side.

第1バッキングプレート21aには、第1スイッチSWaを介して、他方、第2バッキングプレート21bには、第2スイッチSWbを介して、並列に接続された高周波電源24と直流電源25とが接続されている。高周波電源24と直流電源25との各々は、電圧の印加を開始あるいは停止するためのスイッチを有している。高周波電源24から供給される高周波電力の周波数は、例えば13.56MHzである。   A high frequency power supply 24 and a DC power supply 25 connected in parallel are connected to the first backing plate 21a via the first switch SWa, and to the second backing plate 21b via the second switch SWb. ing. Each of the high frequency power supply 24 and the DC power supply 25 has a switch for starting or stopping the application of voltage. The frequency of the high frequency power supplied from the high frequency power supply 24 is, for example, 13.56 MHz.

真空槽11内の上蓋12側には、GeTeターゲット22a及びSbTeターゲット22bを覆うとともに、いずれかのターゲットの表面を選択的に露出させることのできるシャッタ26が配設されている。シャッタ26は、一方のターゲットがスパッタされているときに、他方のターゲットを覆うことによって、単一の膜に二つのターゲット22a,22bからスパッタされた粒子が混在したり、一方のターゲットからスパッタされた粒子が、他方のターゲットに付着したりすることを抑える。 A shutter 26 that covers the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b and can selectively expose the surface of one of the targets is disposed on the upper lid 12 side in the vacuum chamber 11. When one target is sputtered, the shutter 26 covers the other target, so that particles sputtered from the two targets 22a and 22b are mixed in a single film, or sputtered from one target. Particles are prevented from adhering to the other target.

真空槽11の下面に貫通形成された排気口11aには、排気部31が接続されている。排気部31は、真空槽11内の圧力を調整するバルブと、各種真空ポンプとを備えている。真空槽11の側面に貫通形成されたガス供給口11bには、上記ターゲット22a,22bをスパッタするアルゴン(Ar)ガスを供給する希ガス供給部32が接続されている。希ガス供給部32は、アルゴンガスを貯蔵するボンベに接続されるマスフローコントローラであって、真空槽11に供給するアルゴンガスの流量を例えば5sccm以上100sccm以下に調節する。また、同ガス供給口11bには、アルゴンガスに添加される添加ガス、例えば窒素(N)ガスや酸素(O)ガスを供給する添加ガス供給部33が接続されている。添加ガス供給部33は、窒素ガスあるいは酸素ガスを貯蔵するボンベに接続されるマスフローコントローラであって、真空槽11に供給する添加ガスの流量を例えば0.1sccm以上10sccm以下に調節する。 An exhaust unit 31 is connected to an exhaust port 11 a formed through the lower surface of the vacuum chamber 11. The exhaust unit 31 includes a valve for adjusting the pressure in the vacuum chamber 11 and various vacuum pumps. A rare gas supply unit 32 for supplying argon (Ar) gas for sputtering the targets 22a and 22b is connected to the gas supply port 11b formed through the side surface of the vacuum chamber 11. The rare gas supply unit 32 is a mass flow controller connected to a cylinder storing argon gas, and adjusts the flow rate of the argon gas supplied to the vacuum chamber 11 to, for example, 5 sccm or more and 100 sccm or less. The gas supply port 11b is connected to an additive gas supply unit 33 for supplying an additive gas added to the argon gas, for example, nitrogen (N 2 ) gas or oxygen (O 2 ) gas. The additive gas supply unit 33 is a mass flow controller connected to a cylinder storing nitrogen gas or oxygen gas, and adjusts the flow rate of the additive gas supplied to the vacuum chamber 11 to, for example, 0.1 sccm or more and 10 sccm or less.

上記ターゲット22a,22bがスパッタされるときには、希ガス供給部32から供給されるアルゴンガスの流量、添加ガスの流量、及び排気部31による排気流量によって、真空槽11内の圧力が所定の圧力に維持される。   When the targets 22a and 22b are sputtered, the pressure in the vacuum chamber 11 is set to a predetermined pressure by the flow rate of the argon gas supplied from the rare gas supply unit 32, the flow rate of the additive gas, and the exhaust flow rate of the exhaust unit 31. Maintained.

なお、本実施形態では、上記高周波電源24及び希ガス供給部32によってスパッタ源が構成されている。   In the present embodiment, the high-frequency power source 24 and the rare gas supply unit 32 constitute a sputtering source.

(作用)
上記スパッタ装置10の作用のうち、相変化メモリを構成する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(a)を参照して説明する。
(Function)
Of the operations of the sputtering apparatus 10, an operation performed when the sputtering apparatus 10 forms a stacked body of metal chalcogenide films constituting a phase change memory will be described with reference to FIG.

上記積層体を形成するときには、まず、排気部31によって減圧された真空槽11内に、図示しない搬出入口から搬入された基板Sが、ヒータ16によって加熱された基板ステージ13の載置面13aに載置される。基板Sは、図2(a)に示されるように、例えば直径150mm以上300mm以下のシリコン基板等上に形成された層間絶縁膜41と、層間絶縁膜41に形成されたホールの側面を覆う断熱層42と、断熱層42に覆われるようにホールに埋め込まれた下部電極43とを有している。   When forming the laminated body, first, the substrate S carried from the unillustrated carry-in / out port into the vacuum chamber 11 decompressed by the exhaust unit 31 is placed on the placement surface 13a of the substrate stage 13 heated by the heater 16. Placed. As shown in FIG. 2A, the substrate S has an insulating layer that covers, for example, an interlayer insulating film 41 formed on a silicon substrate having a diameter of 150 mm or more and 300 mm or less, and a side surface of a hole formed in the interlayer insulating film 41. The layer 42 and the lower electrode 43 embedded in the hole so as to be covered with the heat insulating layer 42 are provided.

基板Sが載置面13a上に載置されると、希ガス供給部32から真空槽11内にアルゴンガスが供給された後、チャック電源15からチャック電極14に直流電圧が印加されることで、基板Sが載置面13aに静電吸着される。次いで、回転部18が基板ステージ13を回転させることで、基板Sがその周方向に回転される。   When the substrate S is placed on the placement surface 13a, the argon gas is supplied from the rare gas supply unit 32 into the vacuum chamber 11, and then a DC voltage is applied to the chuck electrode 14 from the chuck power source 15. The substrate S is electrostatically attracted to the placement surface 13a. Next, the rotating unit 18 rotates the substrate stage 13 so that the substrate S is rotated in the circumferential direction.

そして、シャッタ26がGeTeターゲット22aの表面のみを真空槽11内に露出させた状態で、高周波電源24からの高周波電圧が、第1スイッチSWaを介して第1バッキングプレート21a及びGeTeターゲット22aに印加される。これにより、GeTeターゲット22aの周辺に生成されたプラズマ中の正イオンによって、GeTeターゲット22aがスパッタされる。GeTeターゲット22aがスパッタされると、層間絶縁膜41の表面全体に金属カルコゲナイド膜としてのGeTe膜44aが形成される。   The high frequency voltage from the high frequency power supply 24 is applied to the first backing plate 21a and the GeTe target 22a via the first switch SWa with the shutter 26 exposing only the surface of the GeTe target 22a in the vacuum chamber 11. Is done. As a result, the GeTe target 22a is sputtered by the positive ions in the plasma generated around the GeTe target 22a. When the GeTe target 22a is sputtered, a GeTe film 44a as a metal chalcogenide film is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 41.

GeTe膜44aが形成されると、スパッタの対象がGeTeターゲット22aからSbTeターゲット22bに切り替えられる。このターゲット22a,22b間の切り替え期間では、まず、第1スイッチSWa及び第2スイッチSWbの両方が切られた後、シャッタ26がGeTeターゲット22aを覆い、且つSbTeターゲット22bの表面を真空槽11内に露出させる。なお、上記ヒータ16は、切り替え期間中とGeTeターゲットのスパッタ中とで上記載置面13aの温度が同一となるように基板ステージ13を温調し続ける。そのため、基板Sの温度は、切り替え期間中とGeTeターゲットのスパッタ中とで同一の温度に維持される。 When the GeTe film 44a is formed, the target of sputtering is switched from the GeTe target 22a to the Sb 2 Te 3 target 22b. In the switching period between the targets 22a and 22b, first, after both the first switch SWa and the second switch SWb are turned off, the shutter 26 covers the GeTe target 22a and the surface of the Sb 2 Te 3 target 22b is vacuumed. It is exposed in the tank 11. The heater 16 keeps the temperature of the substrate stage 13 so that the temperature of the mounting surface 13a is the same during the switching period and during sputtering of the GeTe target. Therefore, the temperature of the substrate S is maintained at the same temperature during the switching period and during sputtering of the GeTe target.

上記ターゲット22a,22b間の切り替えが終了すると、上記第2スイッチSWbを介して高周波電源24から第2バッキングプレート21b及びSbTeターゲット22bに高周波電圧が印加される。これにより、SbTeターゲット22bの周辺に生成されたプラズマ中の正イオンによって、SbTeターゲット22bがスパッタされる。SbTeターゲット22bがスパッタされると、層間絶縁膜41上に形成されたGeTe膜44aの表面全体に金属カルコゲナイド膜としてのSbTe膜44bが形成される。 When the switching between the targets 22a and 22b is completed, a high frequency voltage is applied from the high frequency power supply 24 to the second backing plate 21b and the Sb 2 Te 3 target 22b via the second switch SWb. Thus, the positive ions in the plasma generated in the neighborhood of Sb 2 Te 3 target 22b, Sb 2 Te 3 target 22b is sputtered. When the Sb 2 Te 3 target 22b is sputtered, an Sb 2 Te 3 film 44b as a metal chalcogenide film is formed on the entire surface of the GeTe film 44a formed on the interlayer insulating film 41.

SbTe膜44bが形成されると、スパッタの対象がSbTeターゲット22bからGeTeターゲット22aに切り替えられる。このターゲット22a,22b間の切り替え期間では、上記GeTeターゲット22aからSbTeターゲット22bへの切り替え期間と同様に、第1スイッチSWa及び第2スイッチSWbの両方が切られた後、シャッタ26がSbTeターゲット22bを覆い、且つGeTeターゲット22aの表面を真空槽11内に露出させる。なお、上記ヒータ16も同様に、切り替え期間中とSbTeターゲット22bのスパッタ中とで上記載置面13aの温度が同一となるように基板ステージ13を温調し続ける。そのため、基板Sの温度は、切り替え期間中とSbTeターゲット22bのスパッタ中とで同一の温度に維持される。 When the Sb 2 Te 3 film 44b is formed, the sputtering target is switched from the Sb 2 Te 3 target 22b to the GeTe target 22a. In the switching period between the targets 22a and 22b, similarly to the switching period from the GeTe target 22a to the Sb 2 Te 3 target 22b, the shutter 26 is moved after both the first switch SWa and the second switch SWb are turned off. The Sb 2 Te 3 target 22 b is covered and the surface of the GeTe target 22 a is exposed in the vacuum chamber 11. Similarly, the heater 16 continues to adjust the temperature of the substrate stage 13 so that the temperature of the mounting surface 13a is the same during the switching period and during the sputtering of the Sb 2 Te 3 target 22b. Therefore, the temperature of the substrate S is maintained at the same temperature during the switching period and during the sputtering of the Sb 2 Te 3 target 22b.

上記ターゲット22a,22b間の切り替えが終了すると、上記第1スイッチSWaを介して高周波電源24から第1バッキングプレート及びGeTeターゲット22aに高周波電源が印加される。これにより、GeTeターゲット22aが再びスパッタされることで、上記SbTe膜44bの表面全体にGeTe膜44aが形成される。 When the switching between the targets 22a and 22b is completed, the high frequency power is applied from the high frequency power source 24 to the first backing plate and the GeTe target 22a via the first switch SWa. As a result, the GeTe target 22a is sputtered again, whereby the GeTe film 44a is formed on the entire surface of the Sb 2 Te 3 film 44b.

このように、GeTeターゲット22aとSbTeターゲット22bとが互いに異なるタイミングでスパッタされるとともに、GeTeターゲット22aとSbTeターゲット22bとを交互に所定回数、例えば10回ずつスパッタすることによって、20層の金属カルコゲナイド膜からなる積層体44が形成される。 As described above, the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b are sputtered at different timings, and the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b are alternately sputtered a predetermined number of times, for example, 10 times each. A laminated body 44 made of 20 metal chalcogenide films is formed.

上記切り替え期間における基板ステージ13の載置面13aの温度は、その前後のスパッタ期間であるGeTeターゲット22aのスパッタ期間とSbTeターゲット22bのスパッタ期間における載置面13aの温度と同一となるように調節される。そのため、GeTe膜44aとSbTe膜44bとの境界面のように、熱エネルギーによって相変化を生じる組成であっても、該熱エネルギーによる相変化が生じることを抑えることができる。 The temperature of the mounting surface 13a of the substrate stage 13 during the switching period is the same as the temperature of the mounting surface 13a during the sputtering period of the GeTe target 22a and the sputtering period of the Sb 2 Te 3 target 22b, which are the sputtering periods before and after the switching period. Adjusted as follows. Therefore, even if the composition causes a phase change due to thermal energy, such as a boundary surface between the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b, the occurrence of the phase change due to the thermal energy can be suppressed.

また、上述のように、スパッタの対象をGeTeターゲット22aとSbTeターゲット22bとの間で切り替えるときには、GeTeターゲット22aとSbTeターゲット22bとのいずれにも電圧が印加されていない状態とする。そして、スパッタの対象となるターゲットをシャッタ26の開口から露出させる一方、スパッタの対象でないターゲットをシャッタ26によって覆うようにした後に、スパッタ対象のターゲットに対して電圧を印加するようにしている。そのため、組成の相異なる金属カルコゲン膜であるGeTe膜44aとSbTe膜44bとの境界では、各膜を形成するためのスパッタ粒子の混合が抑えられるようになる。加えて、一方のターゲットからスパッタされた粒子が、他方のターゲットの表面に付着することも抑えられるようになるため、各ターゲット22a,22bのスパッタを開始した直後に形成された膜において、二つのターゲット22a,22bからスパッタされる粒子が混在することを抑えることができる。 Further, as described above, but when switching sputtering target with the GeTe target 22a and Sb 2 Te 3 target 22b is not any in the voltage of the GeTe target 22a and Sb 2 Te 3 target 22b is applied state And The target to be sputtered is exposed from the opening of the shutter 26, while the target that is not to be sputtered is covered by the shutter 26, and then a voltage is applied to the target to be sputtered. Therefore, mixing of sputtered particles for forming each film can be suppressed at the boundary between the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b, which are metal chalcogen films having different compositions. In addition, since particles sputtered from one target are also prevented from adhering to the surface of the other target, two films are formed in the film formed immediately after the sputtering of each target 22a, 22b is started. Mixing of particles sputtered from the targets 22a and 22b can be suppressed.

基板S上に積層体44が形成されると、回転部18による基板ステージ13の回転が停止された後、チャック電源15からチャック電極14への直流電圧の印加が停止される。そして、基板Sは、真空槽11の搬出入口から真空槽11外に搬出される。   When the stacked body 44 is formed on the substrate S, the application of the DC voltage from the chuck power supply 15 to the chuck electrode 14 is stopped after the rotation of the substrate stage 13 by the rotating unit 18 is stopped. Then, the substrate S is carried out of the vacuum chamber 11 from the carry-in / out port of the vacuum chamber 11.

なお、上記スパッタ装置10による積層体44の形成が終了すると、スパッタ装置等の公知の成膜装置によって積層体44上に上部電極が形成された後、ドライエッチング装置等によって積層体44及び上部電極の一部が選択的に除去される。これにより、上部電極と下部電極43とに挟まれた金属カルコゲナイド膜の積層体を有した相変化メモリが形成される。   When the formation of the stacked body 44 by the sputtering apparatus 10 is completed, an upper electrode is formed on the stacked body 44 by a known film forming apparatus such as a sputtering apparatus, and then the stacked body 44 and the upper electrode are formed by a dry etching apparatus or the like. Is selectively removed. As a result, a phase change memory having a stack of metal chalcogenide films sandwiched between the upper electrode and the lower electrode 43 is formed.

上記積層体44において生じる相変化を図2(b)及び図(c)を参照して説明する。上述のように、積層体44は、GeTe膜44aとSbTe膜44bとを交互に積層した構成であることから、GeTe膜44aとSbTe膜44bとの境界では、Ge原子、Sb原子、及びTe原子が存在することになる。こうした境界では、GeTe膜44aを構成するTe原子44TとGe原子44Gとのうち、Ge原子44Gのみが上記下部電極43と上部電極との間に印加される電圧に基づく熱エネルギーによって移動することによって、Ge原子、Sb原子、及びTe原子によって形成される化合物の相が可逆的に変化する。より詳細には、Ge原子、Sb原子、及びTe原子によって形成されるGeSbTe化合物は、比較的高温で短時間加熱された後に急冷されることによって、図2(b)に示されるアモルファス相となる一方、比較的低温で長期間加熱された後に穏やかに冷却されることによって、図2(c)に示される結晶相となる。このような熱処理によってアモルファス相あるいは結晶相となったGeSbTe化合物は、例えば20℃から25℃程度の室温においては、アモルファス相及び結晶相のいずれの状態であっても該状態に維持される。 A phase change occurring in the laminate 44 will be described with reference to FIGS. 2B and 2C. As described above, the stacked body 44 has a configuration in which the GeTe films 44a and the Sb 2 Te 3 films 44b are alternately stacked. Therefore, at the boundary between the GeTe films 44a and the Sb 2 Te 3 films 44b, Ge atoms, Sb atoms and Te atoms will be present. At such a boundary, among the Te atoms 44T and Ge atoms 44G constituting the GeTe film 44a, only the Ge atoms 44G move by thermal energy based on the voltage applied between the lower electrode 43 and the upper electrode. , Ge, Sb, and Te atoms change the phase of the compound reversibly. More specifically, the GeSbTe compound formed by Ge atoms, Sb atoms, and Te atoms is heated at a relatively high temperature for a short time and then rapidly cooled to form an amorphous phase shown in FIG. On the other hand, after being heated at a relatively low temperature for a long time and then gently cooled, the crystal phase shown in FIG. The GeSbTe compound that has become an amorphous phase or a crystalline phase by such heat treatment is maintained in this state regardless of whether it is in an amorphous phase or a crystalline phase at a room temperature of about 20 ° C. to 25 ° C., for example.

しかしながら、上述のようなGeTe膜44aとSbTe膜44bとの境界におけるGeSbTe化合物の相変化は、単にGeTe膜44aとSbTe膜44bとを交互に積層するのみでは、積層体44、言い換えれば基板Sの面内において均一に生じにくいことを本願発明者らは見出した。つまり、本願発明者らは、積層体44を構成するGeTe膜44aとSbTe膜44bとの全てが、成膜時に基板Sの面内において均一な面方位、特に[111]配向の結晶から形成されていないと、該積層体44における相変化も成膜後に基板の面内において均一に生じにくいことを見出した。加えて、本願発明者らは、GeTe膜44aとSbTe膜44bとの境界におけるGeSbTe化合物の相変化は、上記スパッタ装置10を用いてGeTe膜44a及びSbTe膜44bを形成している途中にあっても発現されることも見出した。 However, the phase change of the GeSbTe compound at the boundary between the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b as described above can be achieved by simply stacking the GeTe films 44a and the Sb 2 Te 3 films 44b alternately. In other words, the inventors of the present application have found that it does not easily occur in the plane of the substrate S. That is, the inventors of the present application have found that all of the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b constituting the stacked body 44 are crystals having a uniform plane orientation, particularly [111] orientation, in the plane of the substrate S at the time of film formation. It was found that the phase change in the laminate 44 would not occur evenly in the plane of the substrate after film formation. In addition, the inventors of the present application formed the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b using the sputtering apparatus 10 to change the phase of the GeSbTe compound at the boundary between the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b. It has also been found that it is expressed even during the course.

この点、本実施形態では、スパッタ装置10において積層体44を形成するときに、基板ステージ13によって基板Sを吸着且つ加熱した状態で、回転部18によって基板ステージ13を回転させながら、上記ターゲット22a,22bをスパッタすることによってGeTe膜44a及びSbTe膜44bの各々を形成するようにしている。 In this regard, in the present embodiment, when the stacked body 44 is formed in the sputtering apparatus 10, the target 22 a is rotated while the substrate stage 13 is rotated by the rotating unit 18 while the substrate S is attracted and heated by the substrate stage 13. , 22b are sputtered to form the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b.

そのため、基板Sの位置が固定されている構成と比較して、基板表面に到達するスパッタ粒子の数量が基板の面内で均一になる。加えて、基板ステージ13が基板Sを吸着していない構成と比較して、基板表面の温度が基板Sの面内で均一になる。それゆえに、基板表面から与えられるスパッタ粒子あたりの熱が基板Sの面内で均一となる。つまり、GeTe膜44a及びSbTe膜44bの組成や相構造が均一に保たれやすくなる。その結果、GeTe膜44a及びSbTe膜44bは、均一な面方位に成長しやすくなる。これにより、各膜を構成する結晶の配向が[111]配向にそろった結晶相として上記積層体44を形成することができる。 Therefore, compared to the configuration in which the position of the substrate S is fixed, the number of sputtered particles reaching the substrate surface is uniform in the plane of the substrate. In addition, the temperature of the substrate surface is uniform in the plane of the substrate S as compared with the configuration in which the substrate stage 13 does not adsorb the substrate S. Therefore, the heat per sputtered particle given from the substrate surface becomes uniform in the plane of the substrate S. That is, the composition and phase structure of the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b are easily maintained. As a result, the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b are easy to grow in a uniform plane orientation. Thereby, the said laminated body 44 can be formed as a crystal phase with which the orientation of the crystal | crystallization which comprises each film | membrane matched [111] orientation.

次に、基板Sの面内における温度ばらつきと、積層体44を構成する結晶の面方位との関係について図3を参照して説明する。なお、本実施形態では、積層体44を構成する結晶の面方位をX線回折(XRD)にて解析している。また、XRDにおけるピークの強度は、回折角に該当する面方位に配向性を有する結晶粒の体積に比例する。そこで、本実施形態では、[111]配向を主相とし、他を異相とするとともに、主相に配向した結晶が積層体44を構成する結晶の95%を超える場合、つまり主相に該当するピークの強度が、異相に該当するピークの強度の20倍以上である場合に、積層体44、つまりは積層体44を構成する各膜の面方位が略均一であるものと見なす。   Next, the relationship between the temperature variation in the plane of the substrate S and the plane orientation of the crystals constituting the stacked body 44 will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the plane orientation of the crystals constituting the stacked body 44 is analyzed by X-ray diffraction (XRD). The peak intensity in XRD is proportional to the volume of crystal grains having orientation in the plane orientation corresponding to the diffraction angle. Therefore, in the present embodiment, the [111] orientation is a main phase, the other is a different phase, and the crystal oriented in the main phase exceeds 95% of the crystals constituting the laminate 44, that is, the main phase. When the intensity of the peak is 20 times or more of the intensity of the peak corresponding to the different phase, the plane orientation of the laminated body 44, that is, each film constituting the laminated body 44 is considered to be substantially uniform.

図3に実線で示されるように、基板Sの面内における温度のばらつきが−10℃以上且つ+10℃以下であるとき、つまり、基板ステージ13の載置面13aに対して基板Sを静電吸着するときには、基板Sの全体において、主相のピーク強度が異相のピーク強度の20倍よりも大きいことが認められた。これに対し、図3に破線で示されるように、基板Sの面内における温度のばらつきが−20℃以上且つ+20℃以下であるとき、つまり、基板ステージ13の載置面13aに対して公知のメカニカルチャックを用いて機械的に保持するときには、基板Sの中心からの距離が50mmを超えない範囲でのみ、主相のピーク強度が異相のピーク強度の20倍以上であることが認められた。なお、図3に示されるXRDによる解析がなされた積層体44は、直径300mmの基板Sを基板ステージ13における設定温度を250℃とした上で、基板Sをその周方向に毎分100回の速度で回転させつつ形成したものである。   As shown by a solid line in FIG. 3, when the temperature variation in the surface of the substrate S is −10 ° C. or more and + 10 ° C. or less, that is, the substrate S is electrostatically applied to the mounting surface 13 a of the substrate stage 13. When adsorbing, it was recognized that the peak intensity of the main phase was larger than 20 times the peak intensity of the different phase in the entire substrate S. On the other hand, as shown by a broken line in FIG. 3, when the temperature variation in the surface of the substrate S is −20 ° C. or more and + 20 ° C. or less, that is, known with respect to the placement surface 13 a of the substrate stage 13. When the mechanical chuck is used to mechanically hold, the peak intensity of the main phase is recognized to be 20 times or more of the peak intensity of the different phase only in the range where the distance from the center of the substrate S does not exceed 50 mm. . The laminated body 44 analyzed by XRD shown in FIG. 3 has a substrate S having a diameter of 300 mm and a set temperature in the substrate stage 13 of 250 ° C., and the substrate S is rotated 100 times per minute in the circumferential direction. It is formed while rotating at a speed.

積層体44の形成時における基板Sの回転速度と、積層体44を構成する結晶の面方位との関係について図4を参照して説明する。図4に示されるように、基板Sの回転速度が毎分60回転以上であるときには、基板Sの全体において、主相のピーク強度が異相のピーク強度の20倍よりも大きいことに加え、基板Sの回転速度が高い程、ピーク強度比の平均値が大きいことが認められた。これに対し、基板Sの回転速度が毎分60回転よりも低いときには、基板Sの中心側においてのみ主相のピーク強度が異相のピーク強度の20倍以上であることが認められた。より詳細には、基板Sの回転速度が毎分40回転であるときには、基板Sの中心からの距離が60mm以内であるときに、他方、基板Sの回転速度が毎分20回転であるときには、基板Sの中心からの距離が40mm以内であるときに、主相のピーク強度が異相のピーク強度の20倍以上であることが認められた。なお、図4に示されるXRDによる解析がなされた積層体44は、直径300mmの基板Sを基板ステージ13によって吸着し、且つ設定温度を250℃とした上で形成したものである。   The relationship between the rotation speed of the substrate S when forming the stacked body 44 and the plane orientation of the crystals constituting the stacked body 44 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, when the rotation speed of the substrate S is 60 revolutions per minute, the peak intensity of the main phase is larger than 20 times the peak intensity of the different phase in the entire substrate S. It was confirmed that the higher the rotation speed of S, the larger the average value of the peak intensity ratio. On the other hand, when the rotation speed of the substrate S was lower than 60 revolutions per minute, it was confirmed that the peak intensity of the main phase was 20 times or more of the peak intensity of the different phase only on the center side of the substrate S. More specifically, when the rotation speed of the substrate S is 40 rotations per minute, when the distance from the center of the substrate S is within 60 mm, on the other hand, when the rotation speed of the substrate S is 20 rotations per minute, When the distance from the center of the substrate S was within 40 mm, it was confirmed that the peak intensity of the main phase was 20 times or more the peak intensity of the different phase. Note that the laminated body 44 analyzed by XRD shown in FIG. 4 is formed by adsorbing the substrate S having a diameter of 300 mm by the substrate stage 13 and setting the temperature to 250 ° C.

このように、上記積層体44の形成時には、基板ステージ13によって基板Sを静電吸着しつつ加熱することによって、基板Sの面内における温度のばらつきを−10℃以上+10℃以下とするとともに、回転部18による基板Sの回転数を毎分60回転以上毎分250回転以下とすることが好ましい。これにより、積層体44を構成するGeTe膜44a及びSbTe膜44bの各々を形成する結晶の面方位を[111]配向にそろえることが、基板Sの全体において可能となる。
[実施例]
[実施例1]
直径300mmのシリコン基板上に、以下の条件にてGeTe膜とSbTe膜とを交互に10層ずつ形成した。
○GeTe膜
・ターゲット GeTeターゲット(直径125mm)
・供給電力 500W
・アルゴンガス流量 50sccm
・真空槽内圧力 0.5Pa
・基板設定(載置面)温度 250℃
・基板温度ばらつき ±10℃(静電吸着)
・基板回転数 毎分100回転
・膜厚 10nm
○SbTe
・ターゲット SbTeターゲット(直径125mm)
・供給電力 500W
・アルゴンガス流量 50sccm
・真空槽内圧力 0.5Pa
・基板設定(載置面)温度 250℃
・基板温度ばらつき ±10℃
・基板回転数 毎分100回転
・膜厚 10nm
Thus, at the time of forming the stacked body 44, the substrate S is heated while being electrostatically attracted by the substrate stage 13, whereby the temperature variation in the surface of the substrate S is set to −10 ° C. or more and + 10 ° C. or less. It is preferable that the number of rotations of the substrate S by the rotating unit 18 is 60 to 250 rpm. As a result, it is possible for the entire substrate S to align the plane orientation of the crystals forming each of the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b constituting the stacked body 44 with the [111] orientation.
[Example]
[Example 1]
Ten layers of GeTe films and SbTe films were alternately formed on a silicon substrate having a diameter of 300 mm under the following conditions.
○ GeTe film ・ Target GeTe target (diameter 125mm)
・ Supply power 500W
・ Argon gas flow rate 50sccm
・ Vacuum chamber pressure 0.5Pa
・ Board setting (mounting surface) temperature 250 ℃
・ Substrate temperature variation ± 10 ℃ (electrostatic adsorption)
・ Substrate rotation speed: 100 revolutions per minute ・ Film thickness: 10 nm
○ Sb 2 Te 3 film ・ Target Sb 2 Te 3 target (diameter 125 mm)
・ Supply power 500W
・ Argon gas flow rate 50sccm
・ Vacuum chamber pressure 0.5Pa
・ Board setting (mounting surface) temperature 250 ℃
・ Substrate temperature variation ± 10 ℃
・ Substrate rotation speed: 100 revolutions per minute ・ Film thickness: 10 nm

[比較例1]
直径300mmのシリコン基板上に、GeTe膜とSbTe膜とを交互に10層ずつ形成した。なお、成膜条件としては、基板温度のばらつきが±20℃である点と、基板回転数が毎分20回転である点を除き、上記実施例1と同一の条件とした。また、基板は、公知のメカニカルチャックによって基板ステージの載置面に保持した。
[比較例2]
直径300mmのシリコン基板上に、以下の条件にて単一のGeSbTe膜を形成した。
・ターゲット GeSbTeターゲット(直径125mm)
・供給電力 500W
・アルゴンガス流量 50sccm
・真空槽内圧力 0.5Pa
・基板設定(載置面)温度 250℃
・基板温度ばらつき ±10℃(静電吸着)
・基板回転数 毎分0回転
・膜厚 200nm
図5には、上記実施例1、比較例1、及び比較例2の条件で形成された金属カルコゲン膜をXRDによって解析した結果が示されている。なお、図5におけるピークAは、[111]配向を示すピーク、ピークBは[200]配向を示すピーク、ピークCは[220]配向を示すピーク、ピークDは[222]配向を示すピークである。
[Comparative Example 1]
Ten layers of GeTe films and SbTe films were alternately formed on a silicon substrate having a diameter of 300 mm. The film forming conditions were the same as those in Example 1 except that the substrate temperature variation was ± 20 ° C. and the substrate rotation speed was 20 rotations per minute. The substrate was held on the mounting surface of the substrate stage by a known mechanical chuck.
[Comparative Example 2]
A single Ge 2 Sb 2 Te 5 film was formed on a silicon substrate having a diameter of 300 mm under the following conditions.
・ Target Ge 2 Sb 2 Te 5 target (diameter 125 mm)
・ Supply power 500W
・ Argon gas flow rate 50sccm
・ Vacuum chamber pressure 0.5Pa
・ Board setting (mounting surface) temperature 250 ℃
・ Substrate temperature variation ± 10 ℃ (electrostatic adsorption)
Substrate rotation speed 0 rotation per minute ・ Film thickness 200nm
FIG. 5 shows the result of XRD analysis of the metal chalcogen film formed under the conditions of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. In FIG. 5, peak A is a peak indicating [111] orientation, peak B is a peak indicating [200] orientation, peak C is a peak indicating [220] orientation, and peak D is a peak indicating [222] orientation. is there.

図5に示されるように、実施例1の条件で形成された積層体1を形成する結晶のほとんどが[111]配向であり、その他の配向性を有した結晶はほとんど形成されていないことが認められた。これに対し、比較例1の条件で形成された積層体2には、[111]配向の結晶が含まれるものの、[200]配向の結晶も同程度含まれているとともに、[220]配向及び[222]配向の結晶が含まれていることも認められた。また、比較例2の条件で形成された従来の金属カルコゲナイド膜には、[111]配向の結晶がほとんど含まれず、[200]配向の結晶及び[220]配向の結晶が大部分を占めていることが認められた。加えて、従来の金属カルコゲナイド膜には、[222]配向の結晶も含まれていることが認められた。   As shown in FIG. 5, most of the crystals forming the laminate 1 formed under the conditions of Example 1 have [111] orientation, and other crystals having other orientations are hardly formed. Admitted. On the other hand, the laminate 2 formed under the conditions of Comparative Example 1 includes [111] oriented crystals, but also includes [200] oriented crystals to the same extent, and [220] oriented and It was also observed that [222] oriented crystals were included. Further, the conventional metal chalcogenide film formed under the conditions of Comparative Example 2 contains almost no [111] -oriented crystals, and [200] -oriented crystals and [220] -oriented crystals account for the majority. It was recognized that In addition, it was confirmed that the conventional metal chalcogenide film also includes [222] oriented crystals.

上記実施例1、及び比較例1、及び比較例2と同様の条件にて形成した金属カルコゲナイド膜を用いた相変化メモリを作成し、各々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。   A phase change memory using a metal chalcogenide film formed under the same conditions as in Example 1 and Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was created, and the phase change from an amorphous state to a crystalline state in each of them was made. The set time, which is the time, and the reset time, which is the time until the phase changes from the crystalline state to the amorphous state, were measured. The measurement results are shown in Table 1 below.

Figure 2012219330
表1に示されるように、実施例1の条件で形成された積層体1を用いた相変化メモリによれば、比較例1及び比較例2の条件で形成された積層体2あるいは従来の金属カルコゲナイド膜を用いた相変化メモリと比較して、セット時間、及びリセット時間のいずれもが短縮された。
Figure 2012219330
As shown in Table 1, according to the phase change memory using the laminated body 1 formed under the conditions of Example 1, the laminated body 2 formed under the conditions of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 or the conventional metal Both the set time and the reset time were shortened compared with the phase change memory using a chalcogenide film.

以上説明したように、本実施形態の相変化メモリの形成装置、及び相変化メモリの形成方法によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。   As described above, according to the phase change memory forming apparatus and the phase change memory forming method of the present embodiment, the following effects can be obtained.

(1)スパッタ装置10が、基板Sの吸着及び加熱を行う基板ステージ13と、基板ステージ13を回転させる回転部18とを備えている。そして、スパッタ装置10は、基板ステージ13によって基板Sを吸着且つ加熱した状態で、回転部18によって基板ステージ13を回転させながら、GeTe膜44aとSbTe膜とを交互に積層するようにしている。そのため、GeTeターゲット22a及びSbTeターゲット22bから放出されたスパッタ粒子の数量の分布は、これらターゲット22a,22bと基板Sとの相対的な位置が基板Sの面内で固定されている場合と比較して、基板Sの面内において均一になる。加えて、基板Sにおける温度の均一性は、基板ステージ13が基板Sを吸着していない構成と比較して、基板Sの面内において高められる。それゆえに、基板Sの表面に到達するスパッタ粒子の単位面積あたりの数量の均一性は、基板Sの面内で高くなる。つまり、GeTe膜44a及びSbTe膜44bの組成が面内で均一となる。また、基板Sの表面からスパッタ粒子に与えられる熱エネルギーの単位面積あたりの大きさも、基板Sの面内で高くなる。このような構成であれば、温度の変動によって結晶構造の大きな変化を伴うGeTe膜44a及びSbTe膜44bであっても、基板S上に形成されたGeTe膜44a及びSbTe膜44bの結晶構造が、均一に保たれやすくなる。その結果、GeTe膜44a及びSbTe膜44bは、均一な面方位に成長しやすくなる。したがって、GeTe膜44a及びSbTe膜44bの積層体44を有する相変化メモリでは、GeTe膜44aとSbTe膜44bとの境界における相変化が生じやすくなり、ひいては、相変化メモリにおける読み書き動作の速度を高めることができるようになる。 (1) The sputtering apparatus 10 includes a substrate stage 13 that performs adsorption and heating of the substrate S, and a rotating unit 18 that rotates the substrate stage 13. The sputtering apparatus 10 alternately stacks the GeTe films 44 a and the Sb 2 Te 3 films while rotating the substrate stage 13 by the rotating unit 18 while the substrate S is attracted and heated by the substrate stage 13. ing. Therefore, the distribution of the number of sputtered particles emitted from the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b is such that the relative positions of the targets 22a and 22b and the substrate S are fixed in the plane of the substrate S. As compared with the above, it becomes uniform in the plane of the substrate S. In addition, the temperature uniformity in the substrate S is enhanced in the plane of the substrate S as compared with a configuration in which the substrate stage 13 does not attract the substrate S. Therefore, the uniformity of the quantity per unit area of the sputtered particles reaching the surface of the substrate S is increased in the plane of the substrate S. That is, the composition of the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b is uniform in the plane. Further, the size per unit area of the thermal energy given to the sputtered particles from the surface of the substrate S also increases in the plane of the substrate S. With such a configuration, even GeTe films 44a and Sb 2 Te 3 film 44b with a large change in the crystal structure by variations in temperature, GeTe films 44a and Sb 2 Te 3 film formed on a substrate S The crystal structure 44b is easily maintained uniformly. As a result, the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b are easy to grow in a uniform plane orientation. Therefore, in the phase change memory having a stack 44 of GeTe films 44a and Sb 2 Te 3 film 44b, it tends to occur the phase change at the boundary between the GeTe film 44a and Sb 2 Te 3 film 44b, and thus, in the phase change memory The reading / writing operation speed can be increased.

(2)基板ステージ13の載置面13aに基板Sを静電吸着するようにしている。そのため、載置面13aに接触する基板Sの領域を大きくすることができる。それゆえに、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ことから、積層体44を有する相変化メモリの読み書き速度がより確実に高められるようになる。   (2) The substrate S is electrostatically attracted to the mounting surface 13 a of the substrate stage 13. Therefore, the area | region of the board | substrate S which contacts the mounting surface 13a can be enlarged. Therefore, since the temperature variation in the plane of the substrate S can be suppressed, the read / write speed of the phase change memory having the stacked body 44 can be more reliably increased.

(3)スパッタ装置10は、GeTeターゲット22aとSbTeターゲット22bとの間でスパッタ対象を切り替える際には、切り替え期間を置くとともに、該切り替え期間にて、スパッタ対象になるターゲットを露出させ、且つそれ以外のターゲットを覆うシャッタを備えている。そのため、GeTeターゲット22aとSbTeターゲット22bとからスパッタされた粒子が、切り替え期間とその次の切り替え期間とに挟まれたスパッタ期間によって形成される単一の膜内にて混在することを抑えることができる。それゆえに、GeTeターゲット22aのスパッタにより形成された膜と、SbTeターゲット22bのスパッタにより形成された膜との境界では、GeとSbTeとの比を「Ge:Sb:Te=2:2:5」とすることができる。その結果、膜の境界において安定な組成のGeSbTe構造を形成することができることから、該GeSbTe構造における熱による相変化も安定に行うことができる。 (3) When switching the sputtering target between the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b, the sputtering apparatus 10 sets a switching period and exposes the target to be sputtered during the switching period. And a shutter that covers other targets. Therefore, particles sputtered from the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b are mixed in a single film formed by the sputtering period sandwiched between the switching period and the next switching period. Can be suppressed. Therefore, at the boundary between the film formed by sputtering of the GeTe target 22a and the film formed by sputtering of the Sb 2 Te 3 target 22b, the ratio of Ge to SbTe is expressed as “Ge: Sb: Te = 2: 2”. : 5 ". As a result, since a GeSbTe structure having a stable composition can be formed at the boundary of the film, a phase change due to heat in the GeSbTe structure can also be stably performed.

(4)基板ステージ13は、GeTeターゲット22aあるいはSbTeターゲット22bをスパッタする期間での載置面13aの温度と、切り替え期間での載置面13aの温度とが等しくなるように、載置面13aを温調する。そのため、切り替え期間における基板温度の変化が抑えられる。それゆえに、温度変化に基づいてGeTe膜44aとSbTe膜44bとの境界において結晶構造が変化することを抑えられ、ひいては、GeTeターゲット22aからスパッタされた粒子とSbTeターゲット22bからスパッタされた粒子とが、GeTe膜44aとSbTe膜44bとの界面にて混ざることを抑えることが可能である。 (4) The substrate stage 13 is mounted so that the temperature of the mounting surface 13a during the sputtering period of the GeTe target 22a or the Sb 2 Te 3 target 22b is equal to the temperature of the mounting surface 13a during the switching period. The placement surface 13a is temperature-controlled. Therefore, a change in the substrate temperature during the switching period can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the crystal structure from changing at the boundary between the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b based on the temperature change, and as a result, from the particles sputtered from the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b. It is possible to prevent the sputtered particles from being mixed at the interface between the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b.

(5)基板ステージ13は、基板Sの面内における温度のばらつきを−10℃以上+10℃以下とする。また、回転部18は、こうした基板ステージ13を毎分60回以上250回以下の速度で回転させる。そのため、金属カルコゲン膜であるGeTe膜44aとSbTe膜44bとを形成する結晶の面方位の均一性が、より確実に高められるようになる。ひいては、該金属カルコゲン膜の積層構造を備える相変化メモリの読み書き速度がより確実に高められるようになる。 (5) The substrate stage 13 sets the temperature variation in the plane of the substrate S to −10 ° C. or higher and + 10 ° C. or lower. The rotating unit 18 rotates the substrate stage 13 at a speed of 60 to 250 times per minute. Therefore, the uniformity of the plane orientation of the crystals forming the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b, which are metal chalcogen films, can be improved more reliably. As a result, the read / write speed of the phase change memory having the laminated structure of the metal chalcogen film can be increased more reliably.

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することができる。   In addition, the said embodiment can be changed and implemented suitably as follows.

・交互に10層ずつ積層されたGeTe膜44aとSbTe膜44bとによって積層体44を構成するようにした。これに限らず、GeTe膜44a及びSbTe膜の積層数は任意に変更可能である。 The stacked body 44 is configured by the GeTe films 44a and the Sb 2 Te 3 films 44b that are alternately stacked by 10 layers. However, the number of layers of the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film can be arbitrarily changed.

・GeTeターゲット22a及びSbTeターゲット22bは、基板ステージ13の載置面13aと略平行をなすように配置したが、載置面13aの法線方向に対して所定の角度を有するように配置してもよい。 The GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b are arranged so as to be substantially parallel to the placement surface 13a of the substrate stage 13, but have a predetermined angle with respect to the normal direction of the placement surface 13a. You may arrange.

・希ガス供給部32は、スパッタガスとしてアルゴンガスを供給するようにしたが、アルゴン以外の希ガス、例えばヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、クリプトン(Kr)ガス、及びキセノン(Xe)ガスを供給するようにしてもよい。   The rare gas supply unit 32 is configured to supply argon gas as a sputtering gas, but a rare gas other than argon, for example, helium (He) gas, neon (Ne) gas, krypton (Kr) gas, and xenon (Xe) ) Gas may be supplied.

・GeTeターゲット22a及びSbTeターゲット22bのスパッタ時に、添加ガス供給部33から添加ガスである窒素ガスや酸素ガスを供給するようにしてよい。 · GeTe during sputtering of the target 22a and Sb 2 Te 3 target 22b, may be adapted to supply nitrogen gas or oxygen gas is added gas from the additive gas supply unit 33.

・スパッタ装置10は、添加ガス供給部33を有していない構成であってもよい。   The sputtering apparatus 10 may have a configuration that does not include the additive gas supply unit 33.

・GeTeターゲット22a及びSbTeターゲット22bのスパッタ時には、直流電源25から各ターゲット22a,22bに直流電圧を印加するようにしてもよい。あるいは、高周波電源24からの高周波電圧と、直流電源25からの直流電圧との両方から同時に電圧を印加するようにしてもよい。 -When sputtering the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b, a DC voltage may be applied from the DC power source 25 to each of the targets 22a and 22b. Alternatively, the voltage may be applied simultaneously from both the high-frequency voltage from the high-frequency power supply 24 and the DC voltage from the DC power supply 25.

・第1スイッチSWa及び第2スイッチSWbのいずれもが高周波電源24と接続されていない状態で、シャッタ26の開口から露出するターゲットの切り替えを行うようにした、これに限らず、高周波電源24との接続を一方のスイッチから他方のスイッチへ切り替えた後に、シャッタ26の開口から露出するターゲットを切り替えるようにしてもよい。要は、GeTeターゲット22aの表面と、SbTeターゲット22bの表面とが同時にスパッタされないように、スイッチSWa,SWbの切り替えとシャッタ26の切り替えとを行うようにすればよい。 The target exposed from the opening of the shutter 26 is switched in a state where neither the first switch SWa nor the second switch SWb is connected to the high frequency power source 24. The target exposed from the opening of the shutter 26 may be switched after switching the connection from one switch to the other switch. In short, the switches SWa and SWb and the shutter 26 may be switched so that the surface of the GeTe target 22a and the surface of the Sb 2 Te 3 target 22b are not sputtered simultaneously.

・上記ターゲット22a,22bには、炭素(C)、ケイ素(Si)アルミニウム(Al)、スズ(Sn)、リン(P)、ヒ素(As)、銀(Ag)、インジウム(In)等の元素が添加されていてもよい。   The elements 22a and 22b include elements such as carbon (C), silicon (Si) aluminum (Al), tin (Sn), phosphorus (P), arsenic (As), silver (Ag), and indium (In). May be added.

・基板Sの直径は300mmに限らず、他の大きさの基板を用いるようにしてもよい。どのような大きさの基板Sを用いるようにしても、基板Sを吸着且つ加熱しつつ、該基板Sをその周方向に回転させる以上、基板S上に形成されるGeTe膜44a及びSbTe膜44bを形成する結晶の面方位をそろえやすくすることができる。 -The diameter of the board | substrate S is not restricted to 300 mm, You may make it use the board | substrate of another magnitude | size. Regardless of the size of the substrate S used, the GeTe film 44a and Sb 2 Te formed on the substrate S are rotated as long as the substrate S is rotated in the circumferential direction while adsorbing and heating the substrate S. It is possible to easily align the plane orientations of the crystals forming the three films 44b.

・温度ばらつきが−10℃以上+10℃以下の範囲に含まれず、且つ、基板Sの回転速度が毎分60回転以上250回転以下の範囲に含まれなくとも、基板Sの吸着、加熱、及び回転をGeTe膜44a及びSbTe膜44bの形成時に行うようにすれば、これら膜44a,44bを形成する結晶における面方位の均一化は少なからず図られる。つまり、温度ばらつきの範囲及び回転速度の範囲が上述の好ましい範囲に含まれなくとも、基板を回転させ、吸着させ、加熱する以上、これらのいずれかが欠けた構成と比較して、上記膜44a,44bを形成する結晶における面方位の均一化を図ることが可能である。 Even if the temperature variation is not included in the range of −10 ° C. or higher and + 10 ° C. or lower, and the rotation speed of the substrate S is not included in the range of 60 to 250 rotations per minute, adsorption, heating, and rotation of the substrate S If the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b are formed, the plane orientation in the crystals forming these films 44a and 44b can be made uniform. That is, even if the range of temperature variation and the range of rotation speed are not included in the above-described preferable range, the film 44a is compared with the configuration in which any of these is missing as long as the substrate is rotated, adsorbed, and heated. 44b can be made uniform in plane orientation.

・GeTe膜44aとSbTe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AgInTe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。 -GeTe films 44a and Sb 2 Te 3 films 44b were alternately stacked to form a GeSbTe compound at the boundary between these films. However, the present invention is not limited to this, and two metal chalcogenide targets may be configured such that an AgInSbTe compound or a GeCuTe compound is formed at the boundary between metal chalcogenide films having different compositions. In this case, as a combination of metal chalcogenide targets, for example, a combination of an AgInTe 2 target and an AgSbTe 2 target, or a combination of a GeTe target and a CuTe target can be employed.

・上記切り替え期間を設けることなく、スパッタ対象のターゲットを変更する際に、GeTeターゲット22aの表面と、SbTeターゲット22bとの両方がスパッタされる期間が存在してもよい。こうした構成であっても、これらターゲット22a,22bをスパッタするときに、基板ステージ13によって基板Sを吸着且つ加熱しつつ、該基板Sをその周方向に回転させた状態でGeTe膜44aとSbTe膜44bとを形成する以上、上記(1)及び(2)に準ずる効果を得ることができる。 -When changing the target to be sputtered without providing the switching period, there may be a period during which both the surface of the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b are sputtered. Even in such a configuration, when sputtering the targets 22a and 22b, the GeTe film 44a and the Sb 2 are rotated while the substrate S is rotated in the circumferential direction while the substrate S is attracted and heated by the substrate stage 13. As long as the Te 3 film 44b is formed, it is possible to obtain the effects equivalent to the above (1) and (2).

・GeTeターゲット22a及びSbTeターゲット22bをスパッタするときと、スパッタ対象の切り替え期間とで、基板ステージ13の載置面13aの温度が等しくなるように該載置面13aの温度を調節するようにした。これに限らず、GeTe膜44aとSbTe膜44bとの境界に形成されるGeSbTe化合物において結晶相からアモルファス相への変化が起こらない範囲であれば、載置面13aの温度が変化してもよい。 The temperature of the mounting surface 13a is adjusted so that the temperature of the mounting surface 13a of the substrate stage 13 is equal between the sputtering time of the GeTe target 22a and the Sb 2 Te 3 target 22b and the sputtering target switching period. I did it. Not limited to this, the temperature of the mounting surface 13a changes within a range in which the GeSbTe compound formed at the boundary between the GeTe film 44a and the Sb 2 Te 3 film 44b does not change from the crystalline phase to the amorphous phase. May be.

・スパッタ装置10が、シャッタ26を有していなくともよい。こうした構成であっても、上記ターゲット22a,22bをスパッタするときに、基板ステージ13によって基板Sを吸着且つ加熱しつつ、該基板Sをその周方向に回転させた状態でGeTe膜44aとSbTe膜44bとを形成する以上、上記(1)及び(2)に準ずる効果を得ることができる。 The sputtering apparatus 10 may not have the shutter 26. Even in such a configuration, when sputtering the targets 22a and 22b, the substrate S is adsorbed and heated by the substrate stage 13 while the substrate S is rotated in the circumferential direction thereof, and the GeTe film 44a and Sb 2. As long as the Te 3 film 44b is formed, it is possible to obtain the effects equivalent to the above (1) and (2).

・基板Sを基板ステージ13の載置面13aに静電気力によって吸着するようにしたが、例えば真空吸着等の他の吸着方法によって、基板Sの吸着を行うようにしてもよい。   Although the substrate S is adsorbed to the mounting surface 13a of the substrate stage 13 by electrostatic force, the substrate S may be adsorbed by another adsorption method such as vacuum adsorption.

・スパッタ装置10は、GeTeターゲット22aとSbTeターゲット22bとの二つの金属カルコゲナイドターゲットを有するようにしたが、三以上の金属カルコゲナイドターゲット、例えばGeTeターゲット、SbTeターゲット、及びGeSbターゲットを有するようにしてもよい。 The sputter apparatus 10 has two metal chalcogenide targets, that is, a GeTe target 22a and an Sb 2 Te 3 target 22b, but has three or more metal chalcogenide targets, for example, a GeTe target, an SbTe target, and a GeSb target. It may be.

10…スパッタ装置、11…真空槽、11a…排気口、11b…ガス供給口、12…上蓋、12a…絶縁材、13…基板ステージ、13a…載置面(加熱面)、14…チャック電極、15…チャック電源、16…ヒータ、17…ヒータ電源、18…回転部、21a…第1バッキングプレート、21b…第2バッキングプレート、22a…GeTeターゲット(第一のターゲット)、22b…SbTeターゲット(第二のターゲット)、23a…第1磁石ユニット、23b…第2磁石ユニット、24…高周波電源、25…直流電源、26…シャッタ、31…排気部、32…希ガス供給部、33…添加ガス供給部、41,51…層間絶縁膜、42,52…断熱層、43,53…下部電極、44…金属カルコゲナイド積層体、44a…GeTe膜、44b…SbTe膜、44G…ゲルマニウム原子、44T…テルル原子、50…相変化メモリ、54…金属カルコゲナイド膜、55…上部電極、S…基板、SWa…第1スイッチ、SWb…第2スイッチ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sputtering device, 11 ... Vacuum chamber, 11a ... Exhaust port, 11b ... Gas supply port, 12 ... Upper lid, 12a ... Insulating material, 13 ... Substrate stage, 13a ... Mounting surface (heating surface), 14 ... Chuck electrode, 15 ... chuck power supply, 16 ... heater, 17 ... heater power source, 18 ... rotary unit, 21a ... first backing plate, 21b ... second backing plate, 22a ... GeTe target (first target), 22b ... Sb 2 Te 3 Target (second target), 23a ... first magnet unit, 23b ... second magnet unit, 24 ... high frequency power supply, 25 ... DC power supply, 26 ... shutter, 31 ... exhaust section, 32 ... rare gas supply section, 33 ... Addition gas supply unit, 41, 51 ... interlayer insulation film, 42, 52 ... heat insulation layer, 43, 53 ... lower electrode, 44 ... metal chalcogenide laminate, 44a ... GeT Film, 44b ... Sb 2 Te 3 film, 44G ... germanium atom, 44T ... tellurium atom, 50 ... phase change memory, 54 ... metal chalcogenide film, 55 ... upper electrode, S ... substrate, SWa ... first switch, SWb ... first 2 switches.

Claims (5)

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希ガスでスパッタするスパッタ源と、
前記基板を加熱する加熱面を有して前記基板を該加熱面に吸着しながら加熱する基板ステージと、
前記基板ステージを前記基板の周方向に回転させる回転部とを備え、
前記基板ステージが前記基板を吸着且つ加熱した状態で、前記回転部が前記基板ステージを回転させつつ、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前記基板上にて積層する
ことを特徴とする相変化メモリの形成装置。
A phase change memory forming apparatus for forming a phase change memory by laminating two or more metal chalcogenide films having different compositions on a substrate,
A sputtering source for sputtering each of two or more metal chalcogenide targets having different compositions with a rare gas;
A substrate stage having a heating surface for heating the substrate and heating the substrate while adsorbing the substrate to the heating surface;
A rotating unit that rotates the substrate stage in the circumferential direction of the substrate;
With the substrate stage sucking and heating the substrate, the sputter source sputters each of the two or more metal chalcogenide targets at different timings while rotating the substrate stage. An apparatus for forming a phase change memory, wherein two or more metal chalcogenide films having different compositions are stacked on the substrate.
前記基板ステージは、前記加熱面における静電気力によって前記基板を吸着する
請求項1に記載の相変化メモリの形成装置。
The apparatus for forming a phase change memory according to claim 1, wherein the substrate stage attracts the substrate by electrostatic force on the heating surface.
前記二つ以上のカルコゲナイドターゲットは、GeTeからなる第一のターゲットとSbTeからなる第二のターゲットから構成され、
前記スパッタ源は、スパッタ対象を前記第一のターゲットと前記第二のターゲットとに交互に切り替えるとともに、スパッタ対象を切り替える際には、切り替え期間を置き、
前記切り替え期間にて、スパッタ対象になるターゲットを露出させ、且つ該ターゲット以外のターゲットを覆うシャッタをさらに備え、
前記基板ステージは、前記スパッタ源がターゲットをスパッタする期間での前記加熱面の温度と、前記切り替え期間での前記加熱面の温度とが等しくなるように、前記加熱面を温調する
請求項1又は2に記載の相変化メモリの形成装置。
The two or more chalcogenide targets are composed of a first target made of GeTe and a second target made of Sb 2 Te 3 ,
The sputtering source alternately switches the sputtering target to the first target and the second target, and when switching the sputtering target, put a switching period,
A shutter that exposes a target to be sputtered and covers a target other than the target in the switching period;
The substrate stage controls the temperature of the heating surface so that the temperature of the heating surface during a period during which the sputtering source sputters a target is equal to the temperature of the heating surface during the switching period. Or an apparatus for forming a phase change memory according to 2;
前記基板の直径は、150mm以上300mm以下であり、
前記基板の面内における温度のばらつきは、−10℃以上+10℃以下であり、
前記基板ステージの回転速度は、毎分60回以上毎分250回以下である
請求項3に記載の相変化メモリの形成装置。
The substrate has a diameter of 150 mm to 300 mm,
The temperature variation in the plane of the substrate is -10 ° C or higher and + 10 ° C or lower,
The phase change memory forming device according to claim 3, wherein the rotation speed of the substrate stage is not less than 60 times per minute and not more than 250 times per minute.
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、
前記基板を基板ステージの加熱面に吸着しながら該加熱面で加熱し、且つ前記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ターゲットの各々を互いに異なるタイミングで希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前記基板上にて積層する
ことを特徴とする相変化メモリの形成方法。
A phase change memory forming method for forming a phase change memory by laminating two or more metal chalcogenide films having different compositions on a substrate,
While the substrate is adsorbed to the heating surface of the substrate stage and heated by the heating surface, and the substrate stage is rotated, each of the two or more metal chalcogenide targets having different compositions is mixed with a rare gas at different timings. And forming two or more metal chalcogenide films having different compositions on the substrate by sputtering.
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