JP2010077452A - 高周波スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波スパッタリング装置の自己バイアスを制御する手法により高品質の磁気抵抗薄膜を提供する。
【解決手段】基板電位を調整することで基板に対する自己バイアスの制御を行うために、本発明に従った高周波スパッタリング装置は、チャンバと、チャンバの内部を排気する排気手段と、チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、基板載置台を備える基板ホルダと、基板ホルダを回転させることが可能な回転駆動手段と、ターゲット載置台を備えるスパッタリングカソードであって、基板載置台の表面とターゲット載置台の表面とが非平行となるように配置されることを特徴とするスパッタリングカソードと、基板ホルダ内部に設けられた電極と、電極と電気的に接続されており基板ホルダ上の基板電位を調整する可変インピーダンス機構と、を有する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッド、磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子および磁気センサを製造する高周波スパッタリング装置及びその製造方法に関する。

絶縁膜ＭｇＯをトンネルバリア層としたトンネル磁気抵抗薄膜は室温で200%以上の巨大な磁気抵抗変化率を示すことから、再生用磁気ヘッドおよびＭＲＡＭの記憶素子への応用が期待されている。磁気ヘッドの高分解能化およびＭＲＡＭの高集積化のためにその素子サイズを小さくする要求があるが、データの高速転送を確保するためには接合抵抗を低くすることが必要不可欠である。トンネルバリア層ＭｇＯの膜厚を薄くすることで接合抵抗を下げることはできるが、同時に磁気抵抗変化率も低下してしまうという問題があった。ＭｇＯ膜成長初期段階における結晶配向が乱れていたためと考えられる。

高周波スパッタリングはＤＣスパッタリングに比べプラズマ密度が高く、かつプラズマと接する構造物に対し容易にバイアス電圧がかかるため、基板に対しプラズマとの電位差で加速されたプラズマからの正イオンが流入しやすい。このエネルギーをもった正イオンの基板への流入はスパッタ原子の基板上での表面拡散を促進するため、高密度かつ高配向な膜を形成することができる。しかしながら、基板上バイアス電位が大きすぎる場合には、高エネルギー正イオンが成膜中の膜にダメージを与えるという問題が発生する。すなわち、高品質薄膜を形成するためには最適な基板電位の範囲が存在し、その制御が重要である。ここで、基板に絶縁膜が堆積していくにつれ基板の電位は徐々に変化することも考慮しなければならない。

特許文献１には、高周波スパッタリング装置における基板電極に設けられた可変抵抗の抵抗値を変更させることによって、アノード電極に対する基板電極の電位を変更することができる技術が開示されている。特許文献２には、基板とターゲットとの間に基板への入射粒子制御用の電極が設けられた高周波スパッタリング装置が開示されている。

特開平９−３０２４６４号公報 特開平６−１７９９６８号公報

しかしながら、近年の半導体デバイスには、非常に薄い膜が要求されている。特に、磁気抵抗薄膜のトンネルバリア層に使用される結晶性絶縁膜のＭｇＯの膜厚は非常に薄く、成長初期段階から高配向成長させなければならない。そのため、基板に絶縁膜が徐々に堆積することにより、変化してしまう基板バイアスを意図的に制御し、基板上でのスパッタ原子の表面拡散を促しつつかつダメージを与えるに至らないバイアス電位の範囲内に抑えることが重要である。本発明の目的は、基板電位を調整することで基板に対する自己バイアスの制御を行い、絶縁膜成長初期段階から良好な結晶配向を得ることで高い磁気抵抗変化率を保ちつつ低い接合抵抗を両立する磁気抵抗薄膜を作製することである。

上記目的を達成するために、本発明に従った高周波スパッタリング装置は、チャンバと、チャンバの内部を排気する排気手段と、チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、基板載置台を備える基板ホルダと、基板ホルダを回転させることが可能な回転駆動手段と、ターゲット載置台を備えるスパッタリングカソードであって基板載置台の表面とターゲット載置台の表面とが非平行となるように配置されることを特徴とするスパッタリングカソードと、基板ホルダ内部に設けられた電極と、電極と電気的に接続されており基板ホルダ上の基板電位を調整する可変インピーダンス機構を有することを特徴とする。基板ホルダに可変インピーダンス機構を設けることで、絶縁物成膜中のステージ電位を調整し最適化する。

本発明の可変インピーダンス機構により基板にかかる自己バイアスの大きさを制御する高周波スパッタリング装置によれば、高い磁気抵抗変化率を保ちつつ低い接合抵抗を両立する磁気抵抗薄膜を作製することができる。

＜第１の実施形態＞
図１Ａは、本発明の特徴を示す高周波スパッタリング装置１の模式図である。図１Ａを参照して、本発明を適用できる高周波スパッタリング装置１の構成について説明する。
スパッタリング装置１は、スパッタリングカソード１４ａ及び１４ｂを備えており、カソード１４ａ及び１４ｂはそれぞれターゲット載置台を備えている。カソード１４ａ及び１４ｂのターゲット載置台には、ターゲット５ａ及び５ｂがそれぞれ搭載されている。本実施例においては、ターゲット５ａは絶縁物ＭｇＯターゲットであり、ターゲット５ｂは金属Ｔａターゲットであるが、ユーザの選択により適宜変更することは可能である。一方のカソード１４ａは、ブロッキングコンデンサ（不図示）を介して、高周波電源６と接続されている。高周波電源６は、接地されている。なお、ここでいう高周波電源６は、２００〜１０００Ｗの電力を供給することができるものを言う。他方のカソード１４ｂは、ＤＣ電源１６に接続され、ＤＣ電源１６は、接地されている。高周波スパッタリング装置１はさらに、スパッタリング処理が施される基板２を載置するための基板載置台を備えた基板ホルダ３と、ターゲット５から放出されるスパッタリング粒子が真空チャンバ１７へ付着するのを防止するために、高周波スパッタリング装置１の側面に沿って設けられたメタルシールド７とを有している。カソード１４ａ及び１４ｂそれぞれのターゲット載置台の表面は、基板ホルダ３の基板載置台の表面に対して非平行に設置されている。ここでターゲット５ａ及び５ｂの直径は基板ホルダ３と同じか、または小さいことが好ましい。

基板ホルダ３には、基板ホルダ３を回転駆動する回転駆動部１２が設けられている。基板ホルダ３内部に設けられた電極１３には、可変インピーダンス機構４が電気的に接続されている。可変インピーダンス機構４は、コンデンサＣやコイルＬを組み合わせたインピーダンスマッチング回路を含む。また、可変インピーダンス機構４には、インピーダンス制御部９と、入力検出器１０を介して高周波電源１１とが接続されている。制御回路９と入力検出器１０とは、電気的に接続されている。Ａｒなどのガスは、ガス供給装置１５によって、チャンバ１７内部に供給される。図示してはいないが、スパッタリング装置１は、チャンバ１７内部のガスを排気するためのガス排気手段も含んでいる。

図１Ｂを参照して、高周波スパッタリング装置を用いた成膜方法について説明する。
本実施形態において使用した高周波スパッタリング装置１において、適速度Ｖで回転する直径ｄの基板２は、回転数Ｖで回転している。基板２の中心法線Ｂに対して、スパッタリングカソード１４に搭載されている直径Ｄのターゲット５（５ａ、５ｂ）の中心軸線Ａを角度θ傾けるようにして、スパッタリングカソード１４及びターゲット５が設置されている。ターゲット５の中心軸線Ａとターゲット５の交点、すなわちターゲット５の中心点をＱとする。Ｑを通り、基板面と平行線が基板２の中心法線Ｂと交わる点をＲとし、基板２の中心をＯとすると、線分ＯＲを距離Ｌと、線分ＲＱをオフセット距離Ｆと定義することができる。基板２の直径ｄとターゲット５の直径Ｄの比率、角度θ、距離Ｆ、Ｌの数値を下記のように設定する。なお、図１Ｂにおいては、一つのターゲットしか記載していないが、ターゲット５は、図１Ａで示すターゲット５ａと５ｂを示すものである。ターゲット５ａの表面とターゲット５ｂの表面は、図１Ｂに示すように、いずれも基板に向くように非平行に配置されている。

基板２の回転数Ｖは、Ｖ≦１００ｒｐｍ、角度θは、１５度≦θ≦４５度、距離Ｆは、５０ｍｍ≦Ｆ≦４００ｍｍ、距離Ｌは、５０ｍｍ≦Ｌ≦８００ｍｍの条件を満たすように構成されており、以下の実施例においては、Ｖを１００ｒｐｍ、θを３０度、Ｆを２５０ｍｍ、Ｌを３４６．６ｍｍとした。

成膜中、真空チャンバ１７内の圧力は、薄膜への不純物の混入なく成膜を行うため約10^-7Ｐａ以下に維持される。ガス供給装置１５より、真空チャンバ１７内にＡｒガスが導入され、高周波電源６より、カソード１４ａに高周波電力（１０〜１００ＭＨｚ）が印加されると、真空チャンバ１７内にプラズマが発生する。プラズマから引き出されたＡｒイオンがターゲット５aに衝突し、スパッタリング粒子として基板２上にＭｇＯ膜が形成される。なお、スパッタ中は、回転駆動部１２により、基板ホルダ３は、所定の回転数（１００ｒｐｍ）で回転しているので、斜めスパッタ法を用いても、均質なＭｇＯ膜を作成することができる。
上述したように、基板ホルダの表面とターゲットの表面が非平行に配置したり、上述した距離Ｌを所定距離以上離したりすることで、成膜レートを低減させ、極薄のＭｇＯ膜を的確に再現性よく成膜することができる。

上述したように絶縁物（ＭｇＯ）ターゲット５ａに高周波電力を印加してスパッタを行う際、フローティング電位にある基板ホルダ３は、プラズマの発生により、容易に負の電圧に帯電する。このため、基板２には、自己バイアスが作用し、プラズマからのＡｒ正イオンがプラズマの正電位と基板の負電位の電位差により加速され、基板２へ流入するが、高品質極薄膜を形成するためにはそのバイアス電位に最適範囲が存在する。絶縁物であるＭｇＯのスパッタ粒子がチャンバ内壁やシールド７や基板ホルダ３等に付着していくことで、プラズマ電位および自己バイアスが経時変化してしまうため、自己バイアス電位の最適範囲外のバイアス電位が発生する場合がある。この問題に対処すべく、本実施形態に係るスパッタリング装置１は、可変インピーダンス機構４を含む。

本発明の主要部である可変インピーダンス機構４を用いたマッチング方法を説明する。
基板ホルダ３内に設けられた電極１３には、可変インピーダンス機構４が電気的に接続され、さらに可変インピーダンス機構４には、高周波電源１１が接続されている。高周波電源１１から基板ホルダ３に微小なバイアス電力が印加される。ここで、印加されるバイアス電圧は、成膜中の膜を破壊しないくらい小さな電力（好ましくは、１〜１０Ｗ、本実施形態では４Ｗ）である。この方法は、基板ホルダ３の基板載置台自体のフローティングポテンシャルでは十分なイオンアシストを得られない場合にバイアス電位を増加させる手段として有効である。

入力検出器１０は、高周波電源１１の入力波と、マッチングが取れず電力消費されなかった場合に生ずる反射波とを検出し、インピーダンス制御部９へ入力する。インピーダンス制御部９は、入力検出器から送られてくる入力波の値と、電極側からの反射波の値とに基づいて、可変インピーダンス機構４を制御する。より具体的には、インピーダンス制御部９は、可変インピーダンス機構４に含まれるインピーダンスマッチング回路のコンデンサＣ１、Ｃ２やコイルＬ１、Ｌ２の比率を適切に調整し、上述した反射波が検出されないように、可変インピーダンス機構４を制御する。なお、図１ＡにおいてはコンデンサＣ１、Ｃ２及びコイルＬ１、Ｌ２のみが図示されているが、コンデンサＣとコイルＬの選択及びその組み合わせは、実施態様により適宜設計変更することが可能である。反射波が検出されず、入力波のみが検出された場合は、可変インピーダンス機構４は、マッチングが取れている、つまり、シールドや基板ホルダにＭｇＯ膜が堆積することによりプラズマインピーダンスが変化したとしても、安定して基板上に自己バイアスを誘起できているものと判断する。

このように基板２にバイアス電力（電力進行波）を印加し、その反射波の検出に基づいて、可変インピーダンス機構４を制御することにより、自動マッチングを取ることができる。可変インピーダンス機構４により基板２の電位を調整することで、プラズマから流入する正イオンの入射エネルギーを最適化することができる。

高周波スパッタリング装置１には、機器全体（図５のマルチチャンバシステム４００）が占有する床面積を小さくするため、ＭｇＯターゲットの他に、複数のターゲットが設けることがある。
また、特願２００７−３４６８６号に示すように、ＭｇＯ成膜において、真空チャンバ内の余分な酸素や水分を吸収するため、酸化性ガスに対するゲッタ効果がＭｇＯより大きい物質をターゲットとして使用し、真空チャンバ内に成膜させる必要がある。ここで、いう酸化性ガスに対するゲッタ効果がＭｇＯより大きい物質とは、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｆ、Ｖ、Ｂ、Ｓｉ、Ａｌ又はＧｅの以上からなる金属又は半導体である。

しかし、高周波スパッタリング装置１内でＭｇＯ以外のメタル膜（例えば、Ｔａ）を成膜すると、ＭｇＯ膜だけでなく、Ｔａ膜もシールド７や真空チャンバ１７内壁に付着してしまう。なお、ここでいうシールド７とは、真空チャンバ１７へ膜が付着するのを防止するために設けられたもので、装置ユーザによって取替え可能である。シールド７の電位は、成膜処理枚数や複数の膜の付着により経時変化してしまう。これにより、膜の均質性及び均一性を損なうといった問題も生じるが、本発明の可変インピーダンス機構４を備えた高周波スパッタリング装置１を使用すれば、解決することができる。

＜第２の実施形態＞
図２を参照して、第２の実施形態に係る高周波スパッタリング装置の構成を説明する。
図２に示すように、基板２が載置されている基板ホルダ３内部には電極１３が設けられている。電極１３上には、プラズマからの流入電子を取り込むことによって電流値を検出する流入電子検出センサ(Ｖｄｃ検出センサ)１８が設けられている。この流入電子検出センサ１８は、基板ホルダ３の内部に設けられた電極１３が露出するように設けられた穴によって構成されており、プラズマ中の電子がこの穴から電極１３に流入することによって、電子を検出するものである。

ここで、Ｖｄｃとは、グラウンドと基板の電位との電位差、すなわち、基板に印加された自己バイアスである。本実施形態の高周波スパッタリング装置には、流入電子検出センサ１８から検出した電流値をＶｄｃに換算する演算部８aを含む演算回路８と、演算回路８からのＶｄｃ信号を演算処理し、可変インピーダンス機構４のインピーダンスを制御するインピーダンス制御回路部９とが設けられている。可変インピーダンス機構４はコンデンサCやコイルLを組み合わせたインピーダンスマッチング回路を含み、基板ホルダ３内部に設けられた電極１３に電気的に接続されている。第１の実施形態における高周波スパッタリング装置と異なり、基板ホルダ３側に接続した高周波電源を用いる必要はない。なお、図２においては、カソード１４ａ、１４ｂ、高周波電源６、ＤＣ電源１６、メタルシールド７、ターゲット５ａ及び５ｂ、ガス供給装置１５については、図示していないが、図１で示した高周波スパッタリング装置１と同様である。

本実施形態に係る高周波スパッタリング装置の動作を説明する。Ｖｄｃ検出センサ１８は、プラズマから電極１３への流入電子を取り込み、電流値として検出する。検出された（高周波）電流値は、Ｖｄｃ演算回路８のＬＣ回路により直流成分のみ取り出され、オームの法則に基づいて演算部８aによってＶｄｃが導出される。Ｖｄｃ演算部８aにより計算されたＶｄｃに基づいて、インピーダンス制御部９は、可変インピーダンス機構４を構成するコンデンサＣ１、Ｃ２やコイルＬ１、Ｌ２の比率を適切に調整し、Ｖｄｃを安定させるように可変インピーダンス４を調整する。すなわち、インピーダンス制御部９は、予め成膜材料毎、又その成膜材料により成膜された膜厚に応じて、最適なＶｄｃがプログラムされており、Ｖｄｃ演算部８aにより計算されたＶｄｃを最適なＶｄｃに調整するように、コンデンサＣ１、Ｃ２やコイルＬ１、Ｌ２の比率を調整することができる。

前述したように、基板２にメタル膜や絶縁膜が形成される度に、さらにそれらの膜の膜厚が変化する度に、基板の電位、すなわちＶｄｃは、経時変化してしまう。Ｖｄｃが、均質な膜を作成できる範囲（Ａ＜Ｖｄｃ＜Ｂ）を超えてしまうと、高品質な膜を形成することができなくなってしまう。そこで、インピーダンス制御部９は、可変インピーダンス機構４を構成する可変コンデンサＣ１、Ｃ２の比率を適切に調整し、Ｖｄｃを、均質な膜を作成できる範囲（Ａ＜Ｖｄｃ＜Ｂ）内に設定できるようにしている。
なお、図２においてはコンデンサＣ１、Ｃ２及びコイルＬ１、Ｌ２のみが図示されているが、コンデンサＣとコイルＬの選択及びその組み合わせは、実施態様により適宜設計変更することが可能である。インピーダンスの変更により基板が大きな負の電位を持つようになれば、膜は流入イオンにより膜組織が破壊される。逆に、基板電位がグラウンドに近づきすぎると、イオンアシストが得られないため、スパッタ粒子の基板上における十分な表面拡散運動が得られない。その両者の間に最適インピーダンスが存在する。例えば、金属膜が堆積した基板にＭｇＯ膜を成膜する場合、成膜初期の極薄ＭｇＯ膜が大きなキャパシタンスとして働き、大きなバイアス電位が発生し、そこに高エネルギーをもって流入する正イオンにより膜組織が破壊されることがある。本実施形態に示すように、Ｖｄｃ等の放電パラメータをモニタリングし自動でフィードバックをかけてインピーダンスを最適化させることができれば、導電性基板２や導電性シールド７に徐々に絶縁膜が堆積することで経時変化する基板電位、すなわちＶｄｃを最適な電位に調整することができる。

なお、Ｖｄｃを測定するために、必ずしもＶｄｃ検出センサ１８、およびＶｄｃ演算回路８を設けなくてもよく、別の方法としては、真空チャンバ内にプローブを挿入して、Ｖｄｃを測定してもよい。

さらに、図３に示す高周波スパッタリング装置は、図１に示す高周波スパッタリング装置と、図２に示す高周波スパッタリング装置を組み合わせたものである。すなわち、図３に示す高周波スパッタリング装置の電極１３上には、図２と同様に、基板ホルダ３の内部に設けられた電極１３が露出するように設けられた穴によって構成された流入電子検出センサ(Ｖｄｃ検出センサ)１８が設けられている。電極１３は、図２と同様に構成された演算回路８を介して、図１と同様に構成された高周波電源１１と電気的に接続されている。こうすることで、イオンアシストをして機能するバイアス電力を制御したり、インピーダンスを制御したりすることにより、自己バイアスＶｄｃを、高品質な膜を作成できる範囲（Ａ＜Ｖｄｃ＜Ｂ）内に設定できるようにしている。それ以外の構成は、図１に示す高周波スパッタリング装置と同様である。

＜第３の実施形態＞
図４を参照して、第３の実施形態に係る高周波スパッタリング装置の構成を説明する。本実施形態においても、基板ホルダ３上には基板２が載置されており、基板ホルダ３内部に設けられた電極１３に、コンデンサＣ１、Ｃ２及びコイルＬ１、Ｌ２を含む可変インピーダンス機構４が電気的に接続されている。可変インピーダンス機構４は、接地されている。なお、図３においては、真空チャンバ１７、カソード１４ａ、１４ｂ、高周波電源６、ＤＣ電源１６、メタルシールド７、ターゲット５ａ及び５ｂ、ガス供給装置１５等については、図示していないが、図１で示した高周波スパッタリング装置１と同様である。
なお、図４においてはコンデンサＣ１、Ｃ２及びコイルＬ１、Ｌ２のみが図示されているが、コンデンサＣとコイルＬの選択及びその組み合わせは、実施態様により適宜設計変更することが可能である。高周波電源１１、演算部８などがなくても、装置ユーザがインピーダンス可変機構４を構成するコンデンサＣ１、Ｃ２やコイルＬ１、Ｌ２の比率を適切に調整するだけでセルフバイアス(基板上のＶｄｃ)を変化させることができる。ただし、この場合は放電パラメータ検出機構ならびにフィードバック回路が無いため、実験的な膜性能の傾向を把握するに留まる。

＜第４の実施形態＞
前述した高周波スパッタリング装置１を含む、トンネル磁気抵抗薄膜を作製するためのマルチチャンバシステム４００の概略構成図を、図５に示す。マルチチャンバシステム４００はクラスタ型であり、複数の真空処理室４１１、４２１、４３１、４４１及び４５１を備えている。真空搬送ロボット４８２ａ及び４８２ｂが備えられた真空基板搬送室４８１が中央位置に設置されている。真空搬送ロボット４８２ａ及び４８２ｂは、伸縮自在なアーム４８３ａ及び４８３ｂと基板を搭載するためのハンド４８４ａ及び４８４ｂとを備えている。アーム４８３ａ及び４８３ｂの基端部は真空基板搬送室４８１に回転自在に取り付けられている。図５に示すマルチチャンバシステム４００の真空基板搬送室４８１には、ロードロックチャンバ４６５及び４７５が設けられている。ロードロックチャンバ４６５及び４７５によって、外部からマルチチャンバシステム４００に処理対象の基板を搬入すると共に、磁性多層膜の成膜処理が終了した基板をマルチチャンバシステム４００から外部へ搬出する。真空基板搬送室４８１とロードロックチャンバ４６５及び４７５それぞれの間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｆ及び４９０ｇが設けられている。図５に示すマルチチャンバシステム４００では、真空基板搬送室４８１の周囲に、４つの成膜チャンバ４１１、４２１、４３１及び４５１と、１つの前処理チャンバ４４１とが設けられている。真空基板搬送室４８１と処理チャンバの間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ａ乃至ｅがそれぞれ設けられている。なお各チャンバには真空排気手段、ガス導入手段、電力供給手段、等が付設されているが、それらの図示は省略されている。図５に示すマルチチャンバシステム４００のスパッタリング成膜チャンバ４１１、４２１、４３１及び４５１の各々は、磁気抵抗素子を構成する複数の膜を同じチャンバ内で連続して成膜するための成膜チャンバであり、１つの成膜チャンバに少なくとも１つのターゲットとスパッタリングカソードが設けられている。

スパッタリングチャンバ４１１では、チャンバ底部中央の基板ホルダ４１２上に配置された基板４１３に対して、天井部にＴａのターゲット４１４ａ、ＭｇＯのターゲット４１４ｂがおのおの図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なおスパッタリングチャンバ４１１は、図５に示すように、ターゲット４１４ｃ及び４１４ｄも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜使用することも可能である。真空基板搬送室４８１とスパッタリングチャンバ４１１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｅが設けられている。

スパッタリングチャンバ４２１においては、チャンバ底部中央の基板ホルダ４２２上に配置された基板４２３に対し、天井部にＲｕのターゲット４２４ａ、ＩｒＭｎのターゲット４２４ｂ、７０ＣｏＦｅのターゲット４２４ｃ及びＣｏＦｅＢのターゲット４２４ｄが、おのおの図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なおスパッタリングチャンバ４２１は、図５に示すように、ターゲット４２４ｅも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜使用することが可能である。真空基板搬送室４８１とスパッタリングチャンバ４２１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｄが設けられている。

スパッタリングチャンバ４３１においては、チャンバ底部中央の基板ホルダ４３２上に配置された基板４３３に対し、Ｔａのターゲット４３４ａ及びＣｕのターゲット４３４ｂが、おのおの図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なおスパッタリングチャンバ４３１は、図５に示すように、ターゲット４３４ｃ、４３４ｄ及びターゲット４３４ｅも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜使用することが可能である。真空基板搬送室４８１とスパッタリングチャンバ４３１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｃが設けられている。

前処理チャンバ４４１においては、チャンバ底部中央の基板ホルダ４４２上に配置された基板４４３に対し、物理的エッチングにより成膜前の基板のクリーニング等の前処理が行われる。真空基板搬送室４８１と前処理チャンバ４４１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｂが設けられている。

スパッタリングチャンバ４５１においては、チャンバ底部中央の基板ホルダ４５２上に配置された基板４５３に対し、天井部にＣｏＦｅＢのターゲット４５４ａ、Ｔａのターゲット４５４ｂ、Ｃｕのターゲット４５４ｃ及びＲｕのターゲット４５４ｄが、おのおの図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なおスパッタリングチャンバ４５１は、図５に示すように、ターゲット４５４ｅも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜使用することが可能である。真空基板搬送室４８１と成膜チャンバ４５１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ａが設けられている。

ロードロックチャンバ４６５及び４７５を除く全てのチャンバは、１×10^-6 Pa以下の真空室であり、各真空室間の基板の移動は、真空搬送ロボット４８２ａ及び４８２ｂによって真空中にて行われる。スピンバルブ型のトンネル磁気抵抗薄膜を形成するための基板は、初め大気圧にされたロードロックチャンバ４６５又は４７５に配置され、ロードロックチャンバ４６５又は４７５を真空排気した後、真空搬送ロボット４８２ａ及び４８２ｂによって所望の真空室に搬送される。

基本的な膜構成は、図６に示すように、熱酸化処理基板５０１上に、下部電極層としてTa 膜５０２(50Å)/CuN膜５０３ (200Å)/Ta膜５０４ (30Å)/CuN膜５０５(200Å)/Ta膜５０６ (30Å)、シード層としてRu膜５０７(50Å)、反強磁性層としてIrMn膜５０８(70Å)、磁化固定層としてCoFe膜５０９ (25Å)/Ru膜５１０(9Å)/CoFeB膜５１１ (30Å)からなる反強磁性結合体を用い、トンネルバリア層としてＭｇＯ膜５１２(10〜16Å)を用いる。磁化自由層としてはCoFeB膜５１３(30Å)を成膜する。最後に上部電極としてTa膜５１４(80Å)/Cu膜５１５ (300Å)/Ta膜５１６ (50Å)/Ru膜５１７(70Å)の積層構造を使用する。

そのような膜構成を効率的に成膜するために、スパッタリングチャンバ４１１にはトンネルバリア層用ＭｇＯと清浄雰囲気作製用Taを、スパッタリングチャンバ４２１にはRu、 IrMn、 CoFe、 CoFeBを、スパッタリングチャンバ４３１にはTa、Cuを、スパッタリングチャンバ４５１にはCoFeB、 Ta、 Cu、 Ruを、スパッタリングリングターゲットとして配置する。初めに、基板を前処理チャンバ４４１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2 nmを物理的に除去し、その後、スパッタリングチャンバ４３１に搬送して、Ta 膜５０２、CuN膜５０３、Ta膜５０４、CuN膜５０５及びTa膜５０６からなる下部電極層まで成膜する。その後、スパッタリングチャンバ４２１に移動してＲｕ膜５０７からなるシード層ならびにＩｒＭｎ膜５０８、ＣｏＦｅ膜５０９、Ｒｕ膜５１０、ＣｏＦｅＢ膜５１１からなる反強磁性結合層を、スパッタリングチャンバ４１１に搬送してトンネルバリア層ＭｇＯ膜５１２（膜厚は１０〜１６Å）を成膜する。ここで、前述した斜めスパッタリング法を利用して、トンネルバリア層ＭｇＯ膜５１２を成膜することによって、膜厚１０〜１６Åの非常に薄いＭｇＯ膜を得ることができる。トンネルバリア層形成後、スパッタリングチャンバ４５１に搬送して、ＣｏＦｅＢ膜５１３からなる磁化自由層ならびにＴａ膜５１４、Ｃｕ膜５１５、Ｔａ膜５１６及びＲｕ膜５１７からなる上部電極層を成膜して、ロードロックチャンバ４６５又は４７５に帰す。

作製したトンネル磁気抵抗薄膜は、磁場中アニール炉に入れ、強さ8kOe以上の一方向に平行な磁場を印加しながら、真空中にて所望の温度と時間でアニール処理を行う。このようにして完成した磁気抵抗薄膜を図６に示している。トンネルバリア層５１２がＭｇＯ膜である磁気抵抗薄膜を、マルチチャンバシステム４００を用いて成膜する際、ＭｇＯトンネルバリア層５１２を、図１に示す高周波スパッタリング装置１で形成することにより高性能の磁気抵抗薄膜を得ることができる。

図６に示すトンネル磁気抵抗薄膜を用いて、例えば再生用磁気ヘッド、ＭＲＡＭ、磁気センサといったMTJデバイスを製造することが可能である。

図５に示したマルチチャンバシステム４００を用い、さらにＭｇＯトンネルバリア層５１２を図１に示した高周波スパッタリング装置１内で形成することで、図６のトンネル磁気抵抗薄膜５００を作製する際、高周波スパッタリング装置１の可変インピーダンス機構４を変化させてその性能を比較した。接合抵抗はＭｇＯトンネルバリア層５１２の膜厚により変化させた。図７乃至図９の、ａ）は、高周波電源からの電力供給を行わず、可変インピーダンス機構内のキャパシタンスC1/C2比を固定した場合の測定結果を示しており、ｂ）は、高周波電源からの電力供給を行わず、可変インピーダンス機構内のキャパシタンスC1/C2比をａ）とは異なる値に固定した場合の測定結果を示しており、ｃ）は、図２に示した第２の実施例における可変インピーダンス機構自動調整の場合の測定結果を示している。ｂ）の場合は、a）の場合と比較して、負荷側インピーダンスの内のキャパシタンス成分がより大きくなるように設定した。

図７は、ＭｇＯ膜厚（Å）と接合抵抗(RA) （Ω・μｍ^２）の関係を示したグラフであり、ＭｇＯ膜厚を薄くすることでRAを小さくすることが可能であることが示されている。a)及びｂ）は、可変インピーダンス機構内のキャパシタンス比Ｃ１／Ｃ２比を固定した場合、ｃ）は可変インピーダンス機構内のキャパシタンス比Ｃ１／Ｃ２比を自動調整した場合の、測定結果を示している。ｂ）の場合は、a）の場合と比較して、負荷側インピーダンスの内のキャパシタンス成分がより大きくなるように設定した。ａ）乃至ｃ）いずれの場合にも、ＭｇＯ膜厚の低減に伴ってＲＡも低減するが、ｃ）の場合には、ａ）及びｂ）の場合と比較して、同一のＭｇＯ膜厚のもとで、より高いＲＡが得られた。このことは、ｃ）の場合、即ち可変インピーダンス機構内のキャパシタンス比Ｃ１／Ｃ２比を自動調整しつつ製作されたＭｇＯ膜は、キャパシタンス比を固定するａ）及びｂ）の場合と比較して、膜質が改善されていることを意味している。膜質は、ＭｇＯ膜に含まれる欠陥の量、その粗密等により決せられ、膜質が良好であれば、より大きなＲＡを得ることが出来る。ｂ）の場合は、a）の場合と比較して、負荷側インピーダンスの内のキャパシタンス成分がより大きく、基板上の負の電位が大きくなるため、Arイオンが高エネルギーを持って膜中に流入し、膜組織を破壊、性能の劣化を引き起こしたものと考えられる。

図８はＭｇＯ膜厚と磁気抵抗変化率(MR比)の関係を示したグラフであり、ａ）乃至ｃ）いずれの場合にも、ＭｇＯ膜厚の低減に伴ってＭＲ比も低減することが示されている。ａ）及びｂ）は、可変インピーダンス機構内のキャパシタンス比Ｃ１／Ｃ２比を固定した場合、ｃ）は可変インピーダンス機構内のキャパシタンス比Ｃ１／Ｃ２比を自動調整した場合の、測定結果を示している。ｂ）の場合は、ａ）の場合と比較して、負荷側インピーダンスの内のキャパシタンス成分がより大きくなるように設定した。ａ）乃至ｃ）いずれの場合にも、15〜16Åの範囲では約250％とMR比に差が現れないが、それ以下の薄膜領域においてMR比に大きく差が現れた。C1/C2比を自動調整させたｃ）の場合、膜厚の変化にかかわらず、ａ）及びｂ）と比較して、最も高いMR比を維持することができている。さらに、ａ）及びｂ）の場合にはＭＲ比が得られない薄い膜厚であっても、ｃ）の場合には、ＭＲ比を得ることが出来る。例えばＭｇＯ膜厚が約１１Åの場合には、ａ）及びｂ）の場合には、ＭＲ比が得られないのに対して、ｃ）場合には１５０％程度のＭＲ比が得られている。これは、基板電位を常に最適値へ調整することにより基板へ流入する正イオンのエネルギーを制御し、ダメージなく高品質なＭｇＯ膜を成長初期段階から形成できたためである。

図９は接合抵抗（RA）と磁気抵抗変化率（MR比）の関係を表したグラフであり、ａ）乃至ｃ）いずれの場合にも、ＲＡの低減に伴ってＭＲ比も低減することが示されている。ａ）及びｂ）は、可変インピーダンス機構内のキャパシタンス比Ｃ１／Ｃ２比を固定した場合、ｃ）は可変インピーダンス機構内のキャパシタンス比Ｃ１／Ｃ２比を自動調整した場合の、測定結果を示している。ｂ）の場合は、ａ）の場合と比較して、負荷側インピーダンスの内のキャパシタンス成分がより大きくなるように設定した。ＲＡの低減は、図７に示したように、ＭｇＯ膜厚の低減によりもたらされ、ＭＲ比低減も又、図８に示したように、ＭｇＯ膜厚の低減によりもたらされるが、本図は、ＭｇＯ膜厚を介在させることなく、RAとMR比との関係を示したものである。ａ）及びｂ）の場合と比較して、ｃ）の場合には、ＲＡを低減させた場合にも、ＭＲ比を高い値に維持することが可能である。可変インピーダンス機構４の制御により常に最適な基板電位を調整することにより、高いＭＲ比と低いＲＡとを両立することが出来る。

上述の実施例は、本発明の範囲を限定するものではなく、本実施例の教示ないし示唆に基づいて、本発明請求の範囲の主題内容を実現すべく、上述の諸実施例を適宜変更することができる。

本発明に従った高周波スパッタリング装置の第１の実施例を示す図である。 本発明に従った高周波スパッタリング装置を用いた成膜方法を示す図である。 本発明に従った高周波スパッタリング装置の第２の実施例を示す図である。 本発明に従った高周波スパッタリング装置の別の実施例を示す図である。 本発明に従った高周波スパッタリング装置の第３の実施例を示す図である。 本発明に従ったスパッタリング装置を含むマルチチャンバシステムの概略図である。 本発明に従ったスパッタリング装置を用いて製造された磁気抵抗薄膜の概略図である。 本発明に従ったスパッタリング装置を用いて形成されたＭｇＯ膜の膜厚と接合抵抗の関係を示した図である。 本発明に従ったスパッタリング装置を用いて形成されたＭｇＯ膜の膜厚と磁気抵抗変化率の関係を示した図である。 本発明に従ったスパッタリング装置を用いて形成されたＭｇＯ膜の接合抵抗と磁気抵抗変化率の関係を示した図である。

符号の説明

１ 高周波スパッタリング装置
３ 基板ホルダ
４ 可変インピーダンス機構
８ Ｖｄｃ演算回路
９ インピーダンス制御部
１０ 入力検出器
１１ 高周波電源

Claims (13)

1. チャンバと、
   前記チャンバの内部を排気する排気手段と、
   前記チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、
   基板載置台を備える基板ホルダと、
   前記基板ホルダを回転させることが可能な回転駆動手段と、
   高周波電力を印加することにより、絶縁物ターゲットをスパッタするためのターゲット載置台を備えるスパッタリングカソードであって、前記基板載置台の表面と前記ターゲット載置台の表面とが非平行となるように配置されることを特徴とするスパッタリングカソードと、
   前記基板ホルダ内部に設けられた電極と、
   前記電極と電気的に接続されており、基板電位を調整する可変インピーダンス機構とを有することを特徴とする高周波スパッタリング装置。
2. 前記基板載置台に載置された基板の中心Ｏを通る中心軸Ｂと、
   前記ターゲット載置台に載置されたターゲットの中心点Ｑを通り、かつ該中心軸Ｂとの垂線が該中心軸Ｂとの交点Ｒ、
   ＯＲを距離Ｌと定義すると、５０ｍｍ≦Ｌとなるように、前記スパッタリングカソードを設けたことを特徴とする請求項１に記載の高周波スパッタリング装置。
3. 前記電極と電気的に接続された、基板電位を検出する基板電位検出手段と、前記基板電位検出手段によって検出された基板電位に従って、前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の高周波スパッタリング装置。
4. 前記電極へ入力電力を供給するバイアス電力供給用高周波電源と、前記バイアス電力供給用高周波電源に接続されており、前記高周波電源からの入射波と前記電極側からの反射波を検出する検出器と、検出された入射波及び反射波に基づいて、反射波が検出されないように前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の高周波スパッタリング装置。
5. 前記電極と電気的に接続された、基板電位を検出する基板電位検出手段と、前記基板電位検出手段によって検出された基板電位に従って、前記バイアス電力供給用高周波電源を制御する別の制御回路と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の高周波スパッタリング装置。
6. 前記スパッタリングカソードとは異なる追加的スパッタリングカソードをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の高周波スパッタリング装置。
7. 前記スパッタリングカソードのターゲット載置台には、絶縁物ＭｇＯターゲットが載置されることを特徴とする請求項１に記載の高周波スパッタリング装置。
8. 前記追加的スパッタリングカソードのターゲット載置台には、メタルターゲットが載置されることを特徴とする請求項６に記載の高周波スパッタリング装置。
9. 請求項１記載の高周波スパッタリング装置により形成された絶縁体層を有することを特徴とする磁気デバイス。
10. 基板ホルダの基板載置台表面に対し、スパッタリングカソードのターゲット載置台表面を非平行に配置し、前記基板載置台を回転させつつ高周波電圧を用いて、イオンを前記ターゲットに衝突させるスパッタリング工程と、
    前記基板ホルダ内部に電極が設けられており、前記電極に可変インピーダンス機構が電気的に接続されており、前記可変インピーダンス機構によって基板電位を調整するマッチング工程と、
    を有することを特徴とする薄膜形成方法。
11. 前記マッチング工程は、
    高周波電源より、前記電極に入力電力を供給する工程と、
    前記高周波電源からの入射波と前記電極側からの反射波とを検出する工程と、
    前記入射波及び反射波に基づいて、反射波が検出されないように前記可変インピーダンス機構を制御するマッチング工程と、を有することを特徴とする請求項１０に記載の薄膜形成方法。
12. チャンバと、
    前記チャンバの内部を排気する排気手段と、
    前記チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、
    基板載置台を備える基板ホルダと、
    前記基板ホルダを回転させることが可能な回転駆動手段と、
    ターゲット載置台を備えるスパッタリングカソードであって、前記基板載置台の表面と前記ターゲット載置台の表面とが非平行となるように配置されることを特徴とするスパッタリングカソードと、
    前記スパッタリングカソードと接続された高周波電源と、
    前記基板ホルダ内部に設けられた電極と、
    前記電極と電気的に接続されており、基板電位を調整する可変インピーダンス機構と、
    前記電極と電気的に接続された、基板電位を検出する基板電位検出手段と、
    前記基板電位検出手段および前記可変インピーダンス機構と電気的に接続され、前記基板電位検出手段によって検出された基板電位に従って、前記可変インピーダンス機構を制御するインピーダンス制御部と、
    を有することを特徴とする高周波スパッタリング装置。
13. 前記基板載置台に載置された基板の中心軸と、
    前記ターゲット載置台に載置されたターゲットの中心点を通り、かつ該中心軸との垂線が該中心軸との交点、
    前記ターゲット載置台の表面と、前記ターゲット載置台の表面の法線が前記基板載置台の表面と交わる点との距離Ｌが５０ｍｍ≦Ｌとなるように、前記スパッタリングカソードを設けたことを特徴とする請求項１２に記載の高周波スパッタリング装置。

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