JP5149285B2 - スパッタリングにより成膜する磁気デバイスの製造装置及び磁気デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、同一の反応容器内で磁性層及び非磁性層を有する多層膜を形成するスパッタリング装置、並びにこれを用いた磁気デバイスの製造装置及び製造方法に関する。

磁性層をスパッタリング法で形成する場合、磁性層の磁化方向を揃えるために一軸磁気異方性を付与する。磁性層に一軸磁気異方性を付与する方法としては、例えば、基板近傍に永久磁石を固定し、基板面に平行かつ一方向に向きが揃った磁場を印加しながら磁性層をスパッタ成膜する磁場中成膜法が一般的である。

しかし、多層膜に含まれる非磁性層を成膜する場合には、磁場印加の必要がない。スパッタ成膜では外部磁場の影響によりプラズマ形状が変化するため、磁場印加の必要がないときにまで磁石よって基板に磁場が印加されると、膜厚分布が悪くなる。

このような磁場中成膜法に関連する技術として、基板の廻りにこれを中心として２つの永久磁石を固定すると共に、永久磁石の両端に補助磁石を固定し、基板に対して常に一定の方向の磁場を印加する磁性膜形成装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、磁石の回転機構と基板ホルダの回転機構とを独立して設け、磁界方向の検出手段と基板方向の検出手段とによって基板の方向と磁界の方向とを所定の角度以内に一致させて回転する機構を設けた基板処理装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、成膜の際に基板の表面付近に特定の向きの磁界を印加し、特定向きにのみ磁化され易い性質を付与する容易軸付与用磁界発生装置を備え、回転機構が上記発生装置を基板と一体に回転させる磁性膜作成装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平０６−２０７２７０号公報 特開２００２−５３９５６号公報 特開２００２−４３１５９号公報

ところで、特許文献１の技術では、基板ホルダ上に永久磁石が固定されているため、磁場の印加が必要ない非磁性膜を成膜する場合でも、基板に磁場が印加されてしまうという問題があった。

また、特許文献２の技術では、磁石と基板ホルダとに独立して回転機構を設けており、基板に対して任意の方向に磁場を印加することができるが、磁場を印加する必要性のない場合に磁場を切ることはできないという問題があった。

さらに、特許文献３の技術では、磁石として電磁石を採用しているので、必要に応じて磁場を切ることができるが、電源ラインと冷却水ラインを導入しなければならず、装置が大型化し、製造コストが増大するという問題があった。

そこで本発明は、成膜する膜の材質に応じて基板への磁場の印加の有無を切換可能であり、同一チャンバ内で磁性層と非磁性層との双方を成膜できるスパッタリング装置及び磁気デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。

即ち、
基板を支持する基板ホルダと、
上記基板ホルダの周囲に配された磁石ホルダと、
上記磁石ホルダの上に移動可能に載置される磁石と、
上記基板ホルダに、上記磁石に臨ませて突設された支持部材と、
上記磁石に配され、上記支持部材に係合される連結部材と、
少なくとも上記基板ホルダを上記基板ホルダの回転軸を中心として回転移動させる回転機構と、
上記回転機構の回転移動により上記支持部材と上記連結部材との位置が一致しているときに、上記基板ホルダを上昇させて上記支持部材と上記連結部材とを係合し、もしくは上記基板ホルダを下降させて上記支持部材と上記連結部材とを脱離し、上記基板への磁場の印加の有無を切り替える連結切替え機構と、
を備えていることを特徴とするスパッタリングにより成膜する磁気デバイスの製造装置である。

本発明によれば、回転機構の回転移動により支持部材と連結部材との位置が一致しているときに、連結切替え機構が基板ホルダを上下動させて支持部材と連結部材とを係合、もしくは脱離し、基板への磁場の印加の有無を切り替える。したがって、成膜する膜の材質に応じて基板への磁場の印可の有無を切換可能であり、同一チャンバ内で磁性層と非磁性層との双方を成膜できる。

第１の実施形態のスパッタリング装置を示し、磁石が待機位置にある場合の正面断面図である。 第１の実施形態のスパッタリング装置において、基板に磁場を印加して成膜している状態を示す正面断面図である。 第１の実施形態のスパッタリング装置において、基板に磁場を印加せずに成膜している状態を示す正面断面図である。 基板ホルダが環状の磁石を支持している状態を示す平面図である。 基板ホルダが環状の磁石を支持していない状態を示す平面図である。 図２の領域Ｃの拡大断面図である。 磁場中成膜時の磁場印加方向と磁気特性測定時の磁場印加方向との関係を示す説明図である。 ＮｉＦｅ薄膜の面内膜厚分布を示す説明図である。 ＭＯＫＥ測定による磁場中成膜時の磁気特性を示す説明図である。 ＭＯＫＥ測定による磁場なし成膜時の磁気特性を示す説明図である。 第２の実施形態のスパッタリング装置における基板ホルダが待機位置にある状態の平面図である。 第２の実施形態のスパッタリング装置における基板ホルダが連結位置にある状態の平面図である。 磁性デバイスの製造装置の装置構成例を示す平面図である。 第３の実施形態の磁性デバイスの製造装置を用いて作成するトンネル磁気抵抗素子の断面模式図である。

符号の説明

１００、２００ スパッタリング装置
１０１ チャンバ
１０２ 基板ホルダ
１０３ 支持部材
１０４、２０４ 磁石
１０５ 連結部材
１０６ 磁石ホルダ
１０７ ターゲット
１０８ 電源
１０９ ゲートバルブ
１１０ 排気系
１１１ バルブ
１１２ ガス導入系
１１３ カソードユニット
１１４ 搬入口
１２１ 回転機構
１２２ 上下駆動機構
１２３ 回転軸
１２５ 磁場中成膜時の磁場印加方向
１２６ 磁気特性測定時の磁場印加方向（Ｅａｓｙ ａｘｉｓ）
１２７ 磁気特性測定時の磁場印加方向（Ｈａｒｄ ａｘｉｓ）
１２９ ノッチ
１３０ 磁場中成膜したＮｉＦｅ薄膜の膜厚分布
１３１ 磁場なし成膜したＮｉＦｅ薄膜の膜厚分布
Ｗ 基板
３００ 磁性デバイス（トンネル磁気抵抗素子）の製造装置
３１０ 真空搬送チャンバ
３１１ 真空搬送機構
３２０Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ スパッタ成膜チャンバ
３３０ ゲートバルブ
３４０ 基板前処理チャンバ
３５０ 酸化処理チャンバ
３６０ ロードロックチャンバ

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

〔第１の実施形態〕
図１及び図２を参照して、本発明に係る基板処理装置の第１の実施形態の全体構成について説明する。本例においては、基板処理装置の一例としてスパッタリング装置について説明するが、これに限定されるものではなく、例えばＣＶＤ装置や分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）装置、エッチング装置であってもよい。

図１は、第１の実施形態のスパッタリング装置を示し、磁石が待機位置にある状態の正面断面図である。図２は、第１の実施形態のスパッタリング装置において、基板に磁場を印加して成膜している状態を示す正面断面図である。図３は、第１の実施形態のスパッタリング装置において、基板に磁場を印加せずに成膜している状態を示す正面断面図である。図４は、基板ホルダが環状の磁石を支持している状態を示す平面図である。図５は、基板ホルダが環状の磁石を支持していない状態を示す平面図である。図６は、図２の領域Ｃの拡大断面図である。

図１から図３に示すように、本実施形態では、処理基板（ウェハ）Ｗ上に薄膜を成膜する装置として、例えば、マグネトロンスパッタリング装置１を例示している。本実施形態のスパッタリング装置１は、処理室を区画する真空排気可能なチャンバ１０１を備えている。チャンバ１０１内には、基板Ｗを支持するアノード電極としての基板ホルダ１０２と、基板Ｗの斜め上方に複数配され、下面にターゲット１０７を支持する複数のカソード電極（以下、「カソードユニット」という）１１３と、を備えている。

チャンバ１０１には、ゲートバルブ１０９を介して排気系１１０が接続され、この排気系１１０には、チャンバ内の処理室を所定の真空度まで減圧する不図示の排気ポンプ等の排気装置が接続されている。また、チャンバ１０１の上壁には、処理ガス（プロセスガス）の導入手段として、不図示の流量制御器やバルブ１１１などを備えたガス導入系１１２が接続され、このガス導入系１１２から処理室に処理ガスが所定の流量で導入される。

さらに、チャンバ１０１の上壁には、上述したように、基板Ｗの処理面にターゲット１０７を臨ませて支持する複数のカソードユニット１１３が設けられている。各カソードユニット１１３には、整合回路等を介して高電圧を印加可能な電源１０８がそれぞれ接続され、通電する電源１０８を選択することで、使用するターゲット１０７ａ、１０７ｂを定めることができる。カソードユニット１１３のターゲット１０７の背面には、プラズマを高密度で形成する不図示のカソードマグネットが配置されている。

なお、複数のカソードユニット１１３の下方には、各ターゲット１０７の前方を選択的に開閉するシャッタを設けてもよい。また、各カソードユニット１１３は、基板面に対してターゲット面を傾斜させて設けてもよい。

ターゲット１０７の材料としては、例えば、タンタル（Ｔａ）や銅（Ｃｕ）などの単一組成のものや、またＦｅＮｉＣｏのような２以上の組成からなる複合組成のものも用いることができる。ターゲット材料のうち、ＴａやＣｕは非磁性材料であり、一方、ＦｅＮｉＣｏは磁性材料である。成膜材料の詳細については、後述する。

基板ホルダ１０２は、基板Ｗを支持する載置台であって、上述したようにアノード電極として機能し、回転機構１２１に接続されて回転軸１２３を中心に回転可能に構成されており、成膜中は回転している。

基板ホルダ１０２の周囲には、基板Ｗに磁場を印加するための環状の磁石１０４が設けられている。環状磁石１０４の内側には、一方向の磁場が付与されるように磁極が設定されている。この環状磁石１０４は、磁石ホルダ１０６の上に移動可能に載置されている。

図４及び図５に示すように、環状磁石１０４の内面には、基板ホルダ１０２に（内方に）臨んで円周方向の４箇所に均等に配置された４つの連結部材１０５が突設されている。一方、基板ホルダ１０２の側面には、同様に、磁石１０４に（外方に）臨んで円周方向の４箇所に均等に配置された４つの支持部材１０３が突設されている。即ち、これら支持部材１０３及び連結部材１０５は、例えば、それぞれ円周方向に９０度間隔を隔てて設けられ、上記回転機構１２１及び回転軸１２３によって基板ホルダ１０２が回転移動することにより、円周方向の位置（角度）が一致するようになっている。基板ホルダ１０２の支持部材１０３の高さ位置は、磁石１０４の連結部材１０５の高さ位置よりも、低く設定されている。

さらに、基板ホルダ１０２の回転軸１２３には、シリンダ装置等の上下動可能な連結切替え機構１２２を備え、この連結切替え機構１２２により基板ホルダ１０２及び支持部材１０３が上下動するように構成されている。したがって、支持部材１０３と連結部材１０５の円周方向の位置（角度）を一致させた状態で、連結切替え機構１２２により基板ホルダ１０２を上昇させると、連結部材１０５を介して環状磁石１０４が磁石ホルダ１０６から持ち上げられるようになっている。一方、連結切替え機構１２２を下降させれば、磁石ホルダ１０６上に環状磁石１０４を載置することができる。即ち、この連結切替え機構１２２によって、基板Ｗへの磁場の印加の有無を切替えることができる。

図６に示すように、支持部材１０３及び連結部材１０５の当接面には、両者の滑りを防止するため、噛み合い部として、凹凸形状の座ぐり部１２４が形成されている。

なお、支持部材１０３及び連結部材１０５の数や配置角度は限定されないが、環状磁石１０４の場合は３箇所以上の複数であることが好ましい。

そして、チャンバ１０１の側壁には、不図示のロボット・アーム等の搬送装置により基板ホルダ１０２上に基板Ｗを搬入するための開閉可能な搬入口１１４が設けられている。

次に、図１から図１０を参照して、第１の実施形態のスパッタリング装置１００の作用を説明すると共に、本発明に係る磁気デバイスの製造方法について説明する。

本実施形態のスパッタリング装置１００におけるスパッタリングは、チャンバ１００内の処理室に処理ガスを導入し、カソードユニット１１３に電源１０８から選択的に電力を印加すると共に、カソードマグネットによりカソードユニット１１３に磁場を形成する。これにより、スパッタリング装置１００は、処理室にプラズマ放電を発生させ、基板Ｗ上にターゲット物質の薄膜を成膜するが、成膜する物質に応じて基板Ｗへの磁場の印加の有無を切替える。

まず、基板Ｗに磁場を印加しないで成膜する方法を説明する。図５に示す初期状態では、基板ホルダ１０２の支持部材１０３と環状磁石１０４の連結部材１０５との位置がずれている。基板ホルダ１０２は磁石１０４と接触しないで、上下動可能である。この状態では、環状磁石１０４は磁石ホルダ１０６上に待機しているため、図３に示すように、基板ホルダ１０２が成膜位置まで上昇して、基板ホルダ１０２を回転させながら基板上に成膜すると、基板Ｗに磁場を印加しないで非磁性膜のスパッタ成膜が可能である。

次に、基板Ｗに磁場を印加しながら成膜する方法を説明する。磁場中成膜をする場合は、基板Ｗが基板ホルダ１０２上に搬入された後、基板ホルダ１０２が環状磁石１０４を支持すべく、上記磁石１０４の下方まで下降する。そして、図４に示すように、基板ホルダ１０２が上昇する前に、基板ホルダ１０２の支持部材１０３が磁石１０４の連結部材１０５と一致する位置（重なる位置）まで、例えば、基板ホルダ１０２が時計回りに４５度回転する。

その後、基板ホルダ１０２が上昇すると、図６に示すように、基板ホルダ１０２の支持部材１０３と磁石１０４の連結部材１０５の座ぐり部１２４同士が互いに噛み合い、角度ずれ（位置ずれ）なく、基板ホルダ１０２が磁石１０４を持ち上げることができる。よって、図２に示すように、基板Ｗへ磁場を印加しながら基板ホルダ１０２と磁石１０４とが同一の回転軸１２３上で回転する状態で、磁性膜の磁場中成膜を行うことができる。

図５において、基板ホルダ１０２の回転角度を変え、例えば、基板ホルダ１０２が時計回りに１２５度回転して磁石１０４を持ち上げる。すると、基板ホルダ１０２を時計回りに４５度回転して基板ホルダ１０２が磁石１０４を支持するときと比較して、９０度角度を変えて基板Ｗに磁場を印加することができる。このような手順で支持部材１０３と連結部材１０５の数や組み合わせによって任意に磁場の印加方向を変えることが可能である。

次に、本実施形態のスパッタリング装置１００及び磁性膜デバイスの製造方法を用いて作成したＮｉＦｅ薄膜の磁気特性と膜厚分布について説明する。図７は、磁場中成膜時の磁場印加方向と磁気特性測定時の磁場印加方向との関係を示す説明図である。

図７において、矢印１２５は、基板ＷにＮｉＦｅ薄膜を磁場中で成膜した際の磁場印加方向を示しており、基板Ｗに付与したノッチ１２９と平行に磁場を印加した。矢印１２６と１２７は磁気特性を測定する際に磁場を印加した方向である。１２６と１２７は直交しており、便宜上ノッチ１２９、１２５と平行の１２６をＥａｓｙ ａｘｉｓ、１２７をＨａｒｄ ａｘｉｓと呼ぶ。

図８は、ＮｉＦｅ薄膜の面内膜厚分布を示す説明図であり、８インチ基板の面内膜厚を等高線表示している。図８において、１３０が磁場中成膜したＮｉＦｅ薄膜の膜厚であり、１３１が磁場なし成膜をしたものである。磁場なし成膜をした１３１は、回転成膜により膜厚が同心円形状をしているが、１３０は磁場中成膜の影響で膜厚が一方向に偏った形状をしている。膜厚が基板面内に均一に成膜されているか判断する指標として、膜厚の標準偏差を平均値で割った値の百分率１σを使用する。磁場中成膜が１σ＝０．８％に対して磁場なし成膜が１σ＝０．１％となり、膜厚分布がよいことが判る。磁場中成膜をすると、磁性薄膜が結晶磁気異方性による一軸磁気異方性が付与される。

図９は、ＭＯＫＥ測定による磁場中成膜時の磁気特性を示す説明図である。また図１０は、ＭＯＫＥ測定による磁場なし成膜時の磁気特性を示す説明図である。

図９及び図１０では、ＮｉＦｅ薄膜をＭＯＫＥ（磁気光学カー効果：Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｋｅｒｒ Ｅｆｆｅｃｔ）により磁気特性を測定している。ＭＯＫＥの測定原理は、例えば、「実験物理講座６ 磁気測定Ｉ」、近桂一郎、安岡弘志編、丸善東京、２０００年２月１５日発行に開示されている。なお、図９及び図１０において、Ｅａｓｙ ａｘｉｓを符号Ｅで、Ｈａｒｄ ａｘｉｓを符号Ｈで示している。

図９は、本発明を使用して磁場中成膜したＮｉＦｅ薄膜１２０の磁気特性であり、グラフから算出された異方性磁界Ｈ_KはＥａｓｙ ａｘｉｓで１０３．５Ａ／ｍ（１．３Ｏｅ）、Ｈａｒｄ ａｘｉｓで３２６．３Ａ／ｍ（４．１Ｏｅ）と差がある。磁化曲線からも明確な差があるため、一軸異方性が付与されている。

一方、図１０は、本発明を使用して磁場なし成膜したＮｉＦｅ薄膜１２１の磁気特性である。Ｈ_KはＥａｓｙ ａｘｉｓとＨａｒｄ ａｘｉｓで共に約３９．７９Ａ／ｍ（０．５Ｏｅ）とほぼ同じであり、磁化曲線も似た曲線をしていることから異方性が付与されていない。

前述したように、基板ホルダ１０２と磁石１０４が独立した構造をもつことで、成膜しようとする多層膜の材質にあわせて、同一の反応容器１０１内で磁場中成膜と磁場なし成膜を使い分けることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、回転機構１２１の回転移動により支持部材１０３と連結部材１０５との位置が一致させる。この状態で、連結切替え機構１２２が基板ホルダ１０２を上下動させて支持部材１０３と連結部材１０５とを係合、もしくは脱離し、基板Ｗへの磁場の印加の有無を切り替える。したがって、回転機構１２１及び連結切替え機構１２２の操作によって、成膜する膜の材質に応じて基板Ｗへの磁場の印加の有無を切換可能であり、同一チャンバ１０１内で磁性層と非磁性層との双方を成膜できる。即ち、一つのチャンバ１０１内で磁性層の磁場中成膜による一軸磁気異方性の付与や、磁場なし成膜による膜厚分布のよい膜の形成が可能であり、用途に合わせて良好な薄膜を形成することができる。

〔第２の実施形態〕
図１１及び図１２を参照して、本発明に係るスパッタリング装置の第２の実施形態について説明する。図１１は、第２の実施形態のスパッタリング装置における基板ホルダが待機位置にある状態の平面図である。図１２は、第２の実施形態のスパッタリング装置における基板ホルダが連結位置にある状態の平面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成の部材については、同一の符号を付して説明する。

図１１及び図１２に示すように、第２の実施形態のスパッタリング装置２００では、基板ホルダ１０２を挟んで互いに極性の異なる２つの棒磁石２０４が設けられ、基板ホルダ１０２上の基板Ｗに一方向磁場を印加できるようになっている。

棒磁石２０４の内面には、基板ホルダ１０２に（内方に）臨んで、それぞれの中央の各１箇所に連結部材１０５が突設されている。一方、基板ホルダ１０２の側面には、同様に、磁石２０４に（外方に）臨んで円周方向の２箇所に均等に配置された２つの支持部材１０３が突設されている。即ち、これら支持部材１０３及び連結部材１０５は、例えば、上記回転機構１２１及び回転軸１２３によって基板ホルダ１０２が回転移動することにより、基板ホルダ１０２の円周方向の位置（角度）が磁石２０４の連結部材１０５の位置に一致するようになっている。基板ホルダ１０２の支持部材１０３の高さ位置は、磁石２０４の連結部材１０５の高さ位置よりも、低く設定されている。

また、第１の実施形態と同様に、支持部材１０３及び連結部材１０５の当接面には、両者の滑りを防止するため、噛み合い部１２４として、凹凸形状の座ぐり部が形成されている（図６参照）。

なお、上記磁石２０４には連結部材１０５を突設させているが、上記支持部材１０３が磁石２０４の下に入り込む場合には、上記磁石２０４の下面に噛み合い部１２４を形成して、連結部材１０５を突設させないように構成してもよい。

さらに、基板ホルダ１０２には、第１の実施形態と同様の構成で、回転機構１２１及び連結切替え機構１２２が備えられている。即ち、回転機構１２１及び連結切替え機構１２２を用いて、支持部材１０３と連結部材１０５との位置が一致しているときに、基板ホルダ１０２を上下動させて支持部材１０３と連結部材１０５とを係合、もしくは脱離させて、基板への磁場の有無を切り替えできる。

第２の実施形態のスパッタリング装置２００は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に、第２の実施形態によれば、装置構成が簡単で、基板Ｗに簡易に磁場を印加することができる。

〔第３の実施形態〕
第３の実施形態は、第１及び第２の実施形態のスパッタリング装置１００、２００を磁性デバイス（トンネル磁気抵抗素子）の製造装置に適用する場合を例示する。図１３は、磁性デバイスの製造装置の装置構成例を示す平面図である。

図１３に示すように、磁性デバイス（トンネル磁気抵抗素子）の製造装置３００は中央に真空搬送チャンバ３１０を備え、この真空搬送チャンバ３１０内には、ハンドリングロボット等からなる真空搬送機構３１１が２台備えられている。この真空搬送チャンバ３１０には、４基のスパッタ成膜チャンバ３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ及び３２０Ｄがゲートバルブ３３０を介して接続されている。また、真空搬送チャンバ３１０には、基板Ｗの処理面の不純物を物理的に除去するための基板前処理チャンバ３４０と、金属薄膜を酸化処理するための酸化処理チャンバ３５０とが、それぞれゲートバルブ３３０を介して接続されている。さらに、真空搬送チャンバ３１０には、真空空間と大気の間で基板Ｗを出し入れするための２基のロードロックチャンバ３６０が接続されている。ロードロック室チャンバ３６０を除く全ての部屋は２×１０^-6Ｐａ以下の真空室であり、各真空室間の基板Ｗの移動は真空搬送機構３１１によって真空中で行われる。

上記スパッタ成膜チャンバ３２０Ｂ及び３２０Ｄが本発明に係るスパッタリング装置１００、２００によって構成されている。スパッタ成膜チャンバ３２０Ｂ及び３２０Ｄの上壁には、５基のカソードユニット１１３が周方向に均等に５等分配置されている。また、スパッタ成膜チャンバ３２０Ａ及び３２０Ｃの上壁には、２基のカソードユニット１１３が配置されている。

次に、第３の実施形態の磁性デバイスの製造方法について説明する。

まず、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜を形成するための基板Ｗは、大気圧にされたロードロックチャンバ３６０に配置され、ロードロックチャンバ３６０を真空排気した後、真空搬送機構３１１によって所望の真空室に搬送される。

一例として、後述する磁化固定層として積層フェリ固定層を有するボトム型のスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜を製造する場合について説明する。

図１４は、第３の実施形態の磁性デバイスの製造装置を用いて作成するトンネル磁気抵抗素子の断面模式図である。図１４に示すように、トンネル磁気抵抗素子の膜構成は、基板Ｗ側から、下部電極層２、反強磁性層３、磁化固定層４、トンネルバリア層６、磁化自由層７及び保護層８からなっている。下部電極層２は、Ｔａ（５ｎｍ）／ＣｕＮ（２０ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）／ＣｕＮ（２０ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）の積層構造を有する。反強磁性層３はＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、磁化固定層４はＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）４ａ／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）５／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）４ｂからなる積層フェリ固定層であり、４ｂのＣｏＦｅＢが第１強磁性層に相当する。トンネルバリア層６はＭｇＯ（１．５ｎｍ）である。磁化自由層７はＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）で、第２強磁性層に相当する。保護層８としては、Ｔａ（８ｎｍ）／Ｃｕ（３０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（７ｎｍ）の積層構造を使用する。尚、（ ）内は膜厚を示す。

上記のような膜構成を効率的に成膜するために、各スパッタ成膜チャンバに、次のようにターゲットを配置する。スパッタ成膜チャンバ３２０Ａには、Ｔａ（タンタル）及びＣｕ（銅）を配置する。スパッタ成膜チャンバ３２０Ｂには、Ｃｏ₇₀Ｆｅ₃₀（コバルト−鉄）、ＰｔＭｎ（プラチナ−マンガン）、Ｒｕ（ルテニウム）、及びＣｏ₆₀Ｆｅ₂₀Ｂ₂₀（コバルト−鉄−ボロン）を配置する。スパッタ成膜チャンバ３２０Ｃには、Ｍｇを配置する。スパッタ成膜チャンバ３２０Ｄには、Ｔａ、Ｃｏ₆₀Ｆｅ₂₀Ｂ₂₀、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｃｕを配置する。

最も複雑な膜構成である積層フェリ構造を持ったスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜の成膜手順について説明する。まず、基板Ｗを基板前処理チャンバ３４０に搬送し、逆スパッタエッチングにより、大気中で汚染された表面層の約２ｎｍを物理的に除去する。その後、基板Ｗをスパッタ成膜チャンバ３２０Ａに搬送して、Ｔａ／ＣｕＮ／Ｔａ／ＣｕＮ／Ｔａの積層構造からなる下部電極層２を成膜する。このとき、ＣｕＮの成膜時にはＣｕターゲットを用い、スパッタリングガスとしてＡｒの他に微量の窒素を添加することによってＣｕＮを形成している。

スパッタ成膜チャンバ３２０Ｂでは、ＰｔＭｎからなる反強磁性層３及びＣｏＦｅ ４ａ／Ｒｕ ５／ＣｏＦｅＢ ４ｂからなる磁化固定層４（ＣｏＦｅＢ ４ｂが第１強磁性層）を成膜する。ここで、本発明を実施し、磁化固定層４中のＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＢの磁性層は、図２に示すように、基板ホルダ１０２に磁石１０４をもたせることで磁場中成膜を行い、同一の方向に磁化させる。このように、磁性層に一軸異方性を付与することによって磁化を固定する力が強くなり、素子の特性が安定する。

一方、反強磁性層３のＰｔＭｎと磁化固定層４中のＲｕの非磁性層は、図３に示すように、磁石１０４を磁石ホルダ１０６に待機させたまま成膜することで、膜厚分布を改善することができる。特に、ＲｕはＲＫＫＹ相互作用によってＣｏＦｅとＣｏＦｅＢの間に反強磁性結合が現れる膜厚にする必要があり、０．１ｎｍの精度が必要となるため基板面内で均一な膜が必要である。

さらに反強磁性層３としてＰｔＭｎ層は、アニールによって規則化し反強磁性が発現するように、ターゲットの組成と成膜条件（ガス種、ガス圧、投入電力）を調整して、Ｐｔ含有量が４７〜５１（ａｔｏｍｉｃ％）となるようにＰｔＭｎ層を形成する。ＰｔＭｎの代わりにＩｒＭｎ（イリジウム−マンガン）を用いてもよく、その場合はＩｒＭｎ層の下地層としてＲｕ層を用いるのが好ましい。その場合、反強磁性層３の膜構成は、Ｒｕ／ＩｒＭｎとなる。

次に、スパッタ成膜チャンバ３２０Ｃにおいて、トンネルバリア層６として、酸化物ターゲットを使用したＲＦマグネトロンスパッタリングによって直接的に酸化物膜を成膜する。酸化物ターゲットには、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、ＴｉＯ₂（酸化チタニウム）等が用いられ、ＭｇＯについては（１００）結晶面が膜面に平行に配向した単結晶または、その様な結晶成分を含む多結晶構造である事が好ましい。また前記トンネルバリア層は初めにその前駆体となる金属膜をＤＣマグネトロンスパッタリングによって成膜した後、酸化処理室２６内にて上記金属膜を酸化させることによって形成してもよい。

スパッタ成膜チャンバ３２０Ｄでは、ＣｏＦｅＢの磁化自由層７（第２強磁性層）及びＣａｐ層のＴａ及び、Ｃｕ／Ｔａ／Ｒｕの積層構造からなる上部電極層を成膜する。このＣｏＦｅＢも前記磁化固定層と同様に磁場中成膜を行い、一軸異方性を付与する。他のＣａｐ層及び上部電極層は磁場を必要としないため、磁場なし成膜を行う。

磁化自由層７としては、ＣｏＦｅＢの単層やＣｏＦｅＢとＮｉＦｅの２層構造、ＣｏＦｅとＮｉＦｅの２層構造がある。さらに、ＣｏＦｅＢとＲｕとＣｏＦｅＢの３層、ＣｏＦｅＢとＲｕとＮｉＦｅの３層、ＣｏＦｅとＲｕとＮｉＦｅの３層、ＣｏＦｅＢとＣｏＦｅとＲｕとＣｏＦｅの４層、ＣｏＦｅＢとＣｏＦｅとＲｕとＮｉＦｅの４層等がある。

第２の実施形態のスパッタリング装置２００は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に、第３の実施形態によれば、複数のチャンバをゲートバルブ３３０を介して真空度を保持した状態で接続しており、各チャンバ間に基板Ｗを搬送して連続的に磁性デバイスを製造することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

例えば、基板ホルダ１０２にのみ回転機構１２１を装備したが、これに限定されず、上記基板ホルダ１０２に回転機構１２１とは別個に、磁石ホルダ１０６に回転機構を備えてもよい。即ち、基板ホルダ１０２もしくは磁石ホルダ１０６の少なくとも一方を回転移動させれば、その回転移動により支持部材１０３と連結部材１０５との位置を一致させることができる。

産業上の利用分野

本発明は、例示したマグネトロンスパッタリング装置のみならず、ドライエッチング装置、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置および液晶ディスプレイ製造装置等のプラズマ処理装置に応用して適用可能である。

Claims (5)

1. 基板を支持する基板ホルダと、
   前記基板ホルダの周囲に配された磁石ホルダと、
   前記磁石ホルダの上に移動可能に載置される磁石と、
   前記基板ホルダに、前記磁石に臨ませて突設された支持部材と、
   前記磁石に配され、前記支持部材に係合される連結部材と、
   少なくとも前記基板ホルダを前記基板ホルダの回転軸を中心として回転移動させる回転機構と、
   前記回転機構の回転移動により前記支持部材と前記連結部材との位置が一致しているときに、前記基板ホルダを上昇させて前記支持部材と前記連結部材とを係合し、もしくは前記基板ホルダを下降させて前記支持部材と前記連結部材とを脱離し、前記基板への磁場の印加の有無を切り替える連結切替え機構と、
   を備えていることを特徴とするスパッタリングにより成膜する磁気デバイスの製造装置。
2. 前記支持部材と前記連結部材との当接面には、凹凸形状の噛み合い部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリングにより成膜する磁気デバイスの製造装置。
3. 前記磁石が前記基板ホルダの回転軸を中心として一つの環状で形成された環状磁石または棒磁石であることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリングにより成膜する磁気デバイスの製造装置。
4. 請求項１に記載のスパッタリングにより成膜する磁気デバイスの製造装置は、カソードユニットを備えたスパッタリング装置であって、さらに、
   前記スパッタリング装置は、
   真空空間と大気の間で前記基板を出し入れするロードロックチャンバと、
   真空搬送機構を備えた真空搬送チャンバを介して接続されていることを特徴とするスパッタリングにより成膜する磁気デバイスの製造装置。
5. 真空排気可能なチャンバ内に処理ガスを導入し、基板の周囲にその処理面に磁場を形成する磁石を配し、カソードユニットに電圧を印加して基板ホルダとの間でプラズマ放電を発生させ、前記カソードユニットに取り付けられたターゲットをスパッタして基板の処理面に磁性層を含む薄膜を成膜する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスパッタリングにより成膜する磁気デバイスの製造装置を用いた磁気デバイスの製造方法であって、
   前記基板ホルダの上に前記基板を搬入する工程と、
   前記基板ホルダを前記基板ホルダの回転軸を中心として回転移動させる回転機構の回転移動により前記支持部材と前記連結部材との位置が一致しているときに、前記基板ホルダを上昇させて前記支持部材と前記連結部材とを係合させて前記基板ホルダに前記磁石を係合する工程と、
   前記基板ホルダと前記磁石とを共に回転させることにより、前記基板ホルダの上の基板に一方向磁場を印加して磁性膜を形成する工程と、
   前記回転機構の回転移動により前記支持部材と前記連結部材との位置が一致しているときに、前記基板ホルダを下降させて前記支持部材と前記連結部材とを脱離させて前記基板ホルダと前記磁石を脱離する工程と、
   前記磁石を待機させたまま、前記基板ホルダのみを回転させることにより、前記基板ホルダの上の基板に非磁性膜を形成する工程と、
   を有することを特徴とする磁気デバイスの製造方法。

Images