JP4340324B2

JP4340324B2 - スパッタ装置及びスパッタ成膜方法

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Publication number: JP4340324B2
Application number: JP2008217793A
Authority: JP
Inventors: 秀二野村; 歩三好; 孝二恒川
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP2009041105A

Description

本発明は磁性多層膜作製装置に関し、特に、磁性多層膜を堆積が連続する複数の膜から成るグループに分け、各グループごとに１つの成膜チャンバを用意し、複数の成膜チャンバの各々でグループごとに成膜を行うようにした磁性多層膜作製装置に関する。

磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、磁気感応素子として磁気抵抗効果素子を用いた再生専用の磁気ヘッドであり、ハードディスクドライブ等の再生部として実用化されている。近年、磁気抵抗効果型磁気ヘッドに使用される磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子が採用されつつある。ＴＭＲ素子はＴＭＲ効果（ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）を利用した素子である。ＴＭＲ効果は絶縁体を強磁性体で挟んだトンネル接合で生じる磁気抵抗効果である。ＴＭＲ素子は、従来のＡＭＲ（ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｒｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果やＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を利用した素子に比較して、ＭＲ比が大きいという利点を有している。ＭＲ比は３０〜５０％である。

上記のＴＭＲ素子を構成する膜は、基本的に、第１の軟磁性層、絶縁層、第２の軟磁性層、反強磁性層等が順次に積層され、磁性多層膜の構造を有している。かかるＴＭＲ素子は、複数の磁性膜の各々については個別にスパッタリングを利用して成膜が行われ、絶縁層については金属の酸化反応で成膜が行われる。

上記のごとき磁性多層膜の各層の膜を基板に順次に堆積させるための従来の磁性多層膜作製装置は連続多層成膜で行われていた。図５に従来の代表的なヘッド用のスパッタ成膜装置を示す。このスパッタ成膜装置では、ロボット搬送装置１０１を内蔵する搬送チャンバ１０２の周囲に比較的大きな１つの成膜チャンバ１０３を設け、この成膜チャンバ１０３の内部に、円を描くような配列で、磁性多層膜を構成する各種の磁性膜を個別にスパッタ堆積させるためのターゲット１０４Ａ〜１０４Ｊが設けられている。ロードチャンバ１０５から搬入された基板は、さらに搬送チャンバ１０２内のロボット搬送装置１０１によって成膜チャンバ１０３内に導入され、ここで基板への磁性多層膜の製作が行われる。磁性多層膜の製作は、基板を例えば時計回りで移動させることとし、その移動においてターゲット１０４Ａ〜１０４Ｊの各々の下で停止させ、スパッタ成膜することで、行われる。基板上の磁性多層膜は、１つの成膜チャンバ１０３で、予め定められた順序で配列されたターゲットに基づき、磁性多層膜のすべてを、設定順序に従って下層から順次に連続的に成膜することにより製作される。このスパッタ成膜では、通常、ターゲットは水平に配置され、当該ターゲットの表面に対して基板の表面は対向した状態に配置されている。成膜チャンバ１０３における磁性多層膜の層数に対応する複数のターゲット１０４Ａ〜１０４Ｊを利用した磁性多層膜の連続多層成膜が終了すると、搬送チャンバ１０２のロボット搬送装置１０１によって成膜処理が終了した基板は搬送され、アンロードチャンバ１０６から搬出される。

上記の従来の磁性多層膜の連続多層成膜では、スパッタ成膜装置の構成上、途中で成膜が中断されることなく最下層から最上層の成膜完了まで継続される。一方、半導体デバイスを構成する多層膜の製作は、搬送チャンバを中央にしてその周囲に複数の成膜チャンバを備え、クラスタ型として、複数の成膜チャンバで多層膜の各々を堆積させるように構成されるのが一般的である。このような通常の半導体デバイスに係る多層膜の成膜装置の構成に比較して、従来の代表的な磁性多層膜のスパッタ成膜装置の構成はユニークなものであるといえる。

磁性多層膜から成る上記ＴＭＲ素子の磁気ヘッドの量産に適した磁気ヘッド用スパッタ成膜装置の開発では、ユニークな構成ではなく、半導体デバイス製造装置としての一般的構成に適合するような構成の採用が求められている。

また将来、不揮発性半導体メモリとして、メモリ集積度の向上および高速書換え性能の点で、ＴＭＲ素子に類似した磁性多層膜構造を有するＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ等）の需要が高くなる。かかる需要に応じて、磁性多層膜の製作を通常の半導体デバイスメーカが行う場合、１つの大きな成膜チャンバで連続して多層成膜する従来の装置構成は、通常の半導体デバイス製作方式に比較して違和感のあるものである。そこで半導体メーカが自社の半導体ラインでＭＲＡＭを製作することを考慮すると、半導体ラインに適した構成（クラスタシステム）を有する磁性多層膜作製装置が求められる。

また従来の磁性多層膜の連続成膜は、基板上の最下層から最上層まで中断されることなく継続して成膜しなければならず、一度に多数の磁性膜を堆積させるため、ＭＲ比の向上の点で制約を受けるというおそれがある。

さらに、ＭＲＡＭの生産では、磁気ヘッドの生産に比較してより高い生産性が求められる。前述の従来の代表的な磁性多層膜作成装置の構成によれば、連続多層成膜であるために、生産性の向上を期待することが困難である。

本発明の目的は、上記の問題に鑑み、ＴＭＲ素子から成る磁気ヘッドやＭＲＡＭ等の生産において、通常な構成であって特に半導体デバイスメーカによる磁性多層膜の製作に適した構成を有し、さらに膜性能を高めることができかつ生産性を向上できる磁性多層膜作製装置を提供することにある。

本発明のスパッタ装置は、
互いに異なる材料からなる第１ターゲット、第２ターゲット及び第３ターゲットを有する複数ターゲット機構、
一枚の基板を支持するための回転自在に構成された基板ホルダ、及び
前記複数ターゲット機構と前記基板ホルダとの間に設置したシャッタ機構であって、第１孔及び第２孔を有し、前記複数ターゲット機構側に位置する第１シャッタ板及び第３孔を有し、前記基板ホルダ側に位置する第２シャッタ板を備え、且つ該第１シャッタ板と該第２シャッタ板とが同軸に個別に回転可能に設置されたシャッタ機構、をチャンバ内に有し、
前記各ターゲットは、前記基板ホルダに対して傾斜して設けられており、
該シャッタ機構は、下記（ａ）〜（ｃ）を同時に満たす様に動作することを特徴とする。
（ａ）前記第１シャッタ板の第１孔と前記第２シャッタ板の第３孔との重ね合わせ部を前記第１ターゲットに対向して位置させる。
（ｂ）前記第１シャッタ板の第２孔を前記第２ターゲットに対向して位置させ、前記第２シャッタ板が該第２ターゲットを覆う。
（ｃ）前記第１シャッタ板と前記第２シャッタ板とが前記第３ターゲットを覆う。
本発明のスパッタ装置は、「前記第２のシャッタ板の孔の面積と形状は、前記ターゲットの面積と形状に一致すること」を好ましい態様として含む。
また、本発明のスパッタ成膜方法は、
互いに異なる材料からなる第１ターゲット、第２ターゲット及び第３ターゲットを有する複数ターゲット機構、
一枚の基板を支持するための回転自在に構成された基板ホルダ、及び
前記複数ターゲット機構と前記基板ホルダとの間に設置したシャッタ機構であって、第１孔及び第２孔を有し、前記複数ターゲット機構側に位置する第１シャッタ板及び第３孔を有し、前記基板ホルダ側に位置する第２シャッタ板を備え、且つ、該第１シャッタ板と該第２シャッタ板とが同軸に個別に回転可能に設置されたシャッタ機構、
をチャンバ内に有し、前記各ターゲットが、前記基板ホルダに対して傾斜して設けられているスパッタ装置を用いたスパッタ成膜方法であって、
上記（ａ）〜（ｃ）を同時に満たす様に前記シャッタ機構を動作させて、該（ａ）〜（ｃ）を同時に満たした状態で前記第１ターゲットをスパッタすることを特徴とする。

本発明は、以下に示す磁性多層膜作製装置に適用可能である。
第１の磁性多層膜作製装置は、基板上に複数の磁性膜や非磁性膜を含む多層膜の各層を順次に積層状態で堆積して磁性多層膜を作製する磁性多層膜作製装置であり、複数の磁性膜を複数のグループに分け、複数のグループの各々は連続して積層状態で堆積される複数の磁性膜から成る。複数のグループの各々に含まれる複数の磁性膜は同じ成膜チャンバで基板に順次に堆積させるように構成される。

上記の磁性多層膜作製装置によれば、多層の磁性膜を特定の基準に基づき複数のグループに分けてスパッタ成膜することを可能にし、これにより多数の成膜チャンバを備えたクラスタ型の磁性多層膜作製装置の構成を実現している。磁性多層膜の作製においてクラスタシステムの実現は半導体製造メーカの方式に合致するものである。

第２の磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、複数のグループの各々に対応して１つの成膜チャンバが設けられ、グループの数に対応する個数の複数の成膜チャンバが備えられる。複数のグループに分けることができた磁性多層膜の成膜は、グループごとに成膜処理を行うことが好ましく、グループに属する複数の磁性膜は共通の同じ成膜チャンバでスパッタリングを利用して連続的に成膜される。

第３の磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、磁性膜を形成するための複数の成膜チャンバの他に、他の性質の膜を形成するための成膜チャンバを備えるように構成される。磁性多層膜では、その途中の段階で酸化膜を形成する処理が必要であるので、かかる成膜チャンバは別途に用意される。クラスタ型の成膜装置であるので、中央に位置する搬送チャンバの周囲に他の成膜チャンバを設けることが可能となる。

第４の磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、複数の成膜チャンバは、基板搬送装置を備えた中央に位置する搬送チャンバの周囲に配置されるように構成される。クラスタシステムの成膜装置が実現され、このことは半導体方式との融合を図ることを可能する。

第５の磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、グループに含まれる複数の磁性膜を形成するため成膜チャンバには、グループに含まれる複数の磁性膜に対応する複数のターゲットが配置され、成膜チャンバでは底面の中央に基板が回転状態で配置され、複数のターゲットは基板に向くように傾斜して設けられる。１つの成膜チャンバでスパッタリングにて複数種類の磁性膜を堆積させかつ効率よく、高い性能の磁性膜を堆積させるには、斜め成膜の構成が好ましい。

第６の磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、成膜チャンバで、複数のターゲットの前面には個別に回転する２枚のシャッタ板から成る二重シャッタ機構を設けたことを特徴とする。二重シャッタ機構を設けることにより、同一の成膜チャンバ内に設けられたターゲット間のクロスコンタミネーションを防止することができる。

第７の磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、複数のグループの形成で、上記多層膜に含まれる金属酸化層とそれに続く磁性膜の間で分離を行ってグループを作ると共に、さらに、反強磁性膜とそれに続く磁性層は同じグループとして同一の成膜チャンバで連続して成膜を行うように構成される。

本発明によれば、ＴＭＲ素子から成る磁気ヘッドやＭＲＡＭ等の磁性多層膜の製作において、多層膜を複数のグループに分けグループごとの磁性膜を共通の１つの成膜チャンバでスパッタ成膜するようにしたため、磁性多層膜作製装置について、半導体多層膜作製装置としてはノーマルなクラスタ型成膜装置の構成を実現でき、特に半導体メーカの半導体方式に適した磁性多層膜製作装置を実現でき、さらに膜性能を高めることができ、生産性を向上できる。また二重シャッタ機構を備えることによりターゲット間のクロスコンタミネーションを防止することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る磁性多層膜作製装置の代表的な構成を示し、内部機構の概略構成が判明する程度に示された平面図である。この磁性多層膜作製装置１０はクラスタ型であり、複数の成膜チャンバを備えている。ロボット搬送装置１１が備えられた搬送チャンバ１２が中央位置に設置されている。ロボット搬送装置１１は、伸縮自在なアーム１３と基板を搭載するためのハンド１４とを備えている。アーム１３の基端部は搬送チャンバ１２の中心部１２ａに回転自在に取り付けられている。

磁性多層膜作製装置１０の搬送チャンバ１２には、ロード／アンロードチャンバ１５，１６が設けられている。ロード／アンロードチャンバ１５によって、外部から磁性多層膜作製装置１０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磁性多層膜作製装置１０から外部へ搬出する。ロード／アンロードチャンバ１６も同じ機能を有し、ロード／アンロードチャンバ１６を経由して搬入された基板は、同チャンバから搬出される。ロード／アンロードチャンバを２つ設けた理由は、２つのチャンバを交互に使い分けることにより、生産性を高めるためである。

この磁性多層膜作製装置１０では、搬送チャンバ１２の周囲に、３つの成膜チャンバ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃと、１つの酸化膜成膜チャンバ１８と、１つのクリーンニングチャンバ１９とが設けられている。２つのチャンバの間には、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２０が設けられている。なお各チャンバには真空排気機構、原料ガス導入機構、電力供給機構等が付設されているが、それらの図示は省略されている。

成膜チャンバ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの各々は、グループに属する複数の磁性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る。この実施形態によれば、基板上に堆積される磁性多層膜を下側から３つのグループＡ，Ｂ，Ｃに分け、各グループごとの複数の磁性膜を１つの共通の成膜チャンバで堆積させるように構成している。これによりクラスタ型の磁性多層膜作製装置が実現されている。Ａ，Ｂ，Ｃでグループ化され、各グループに属する複数の磁性膜を堆積させる成膜チャンバ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの各々ではスパッタリングを利用したＰＶＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって磁性膜を堆積する。

グループＡに属する磁性膜を成膜する成膜チャンバ１７Ａでは例えばＴａ，ＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｒ（Ｓｅｅｄ層：この層は省略できる），ＰｔＭｎまたはＰｄＰｔＭｎまたはＩｒＭｎ（アンチフェロ層：反強磁性層），ＣｏＦｅの各磁性膜が所定順序で連続的に堆積される。このため、成膜チャンバ１７Ａでは、その底部中央の基板ホルダ２１上に配置された基板２２に対し、天井部にＴａ，ＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｒ，ＰｔＭｎまたはＰｄＰｔＭｎまたはＩｒＭｎ，ＣｏＦｅのそれぞれに対応する４つのターゲット２３〜２６が取り付けられている。なお図１において、成膜チャンバ１７Ａの内部を所要の真空状態にするための真空排気機構、ターゲット２３〜２６のスパッタに要する電力を供給するための機構、プラズマを生成するための機構等の図示は省略されており、このことは他の成膜チャンバ等でも同じである。

グループＢに属する磁性膜を成膜する成膜チャンバ１７Ｂでは例えばＣｏＦｅ，Ｒｕ，Ａｌの磁性膜が所定順序で連続的に堆積される。このため、成膜チャンバ１７Ｂでも、上記と同様に、その底部中央の基板ホルダ２７上に配置された基板２８に対し、天井部にＣｏＦｅ，Ｒｕ，Ａｌのそれぞれに対応するターゲット２９〜３２が取り付けられている。

グループＣに属する磁性膜を成膜する成膜チャンバ１７Ｃでは例えばＴａ，ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，Ｃｕの各磁性膜が所定順序で連続的に堆積される。このため、成膜チャンバ１７Ｃでも、上記と同様に、その底部中央の基板ホルダ３３上に配置された基板３４に対し、天井部にＴａ，ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，Ｃｕのそれぞれに対応する４つのターゲット３５〜３８が取り付けられている。

酸化膜成膜チャンバ１８では、金属層を酸化する表面化学反応が行われる。この表面化学反応では、プラズマ酸化、自然酸化、オゾン酸化、紫外線−オゾン酸化、ラジカル酸素などが使用される。酸化膜成膜チャンバ１８で、３９は基板ホルダ、４０は基板である。

クリーンニングチャンバ１９では、イオンビームエッチング機構とＲＦスパッタエッチング機構が設けられ、表面平坦化が行われる。クリーンニングチャンバ１９で、４１は基板ホルダ、４２は基板である。

上記の構成を有する磁性多層膜製作装置１０において、ロード／アンロードチャンバ１５を通して内部に搬入された基板４３は、ロボット搬送装置１１によって、成膜チャンバ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ、酸化膜成膜チャンバ１８と、クリーンニングチャンバ１９のそれぞれに、作製対象である磁性多層膜デバイスに応じて予め定められた順序で導入され、各チャンバでは所定の成膜やエッチング等の処理が行われる。作製対象の磁性多層膜デバイスとしては、ＭＲＡＭ、ＴＭＲヘッド、アドバンスド（改良型）ＧＭＲなどが存在する。

図２に磁性多層膜構造を有する上記のデバイスの例を示す。図２で（Ａ）は８層のＭＲＡＭを示し、（Ｂ）は１０層のＴＭＲヘッドまたはＭＲＡＭを示し、（Ｃ）は１３層のアドバンスドＧＭＲを示している。

図２（Ａ）によれば、８層のＭＲＡＭは、最下層の第１層から最上層の第８層に向かってＴａ，ＣｏＦｅ，Ｒｕ，ＣｏＦｅ，Ａｌ−Ｏ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，Ｔａの順序で磁性膜が積層されている。この積層状態においてＴａ（第１層）とＣｏＦｅ（第２層）がグループＡに属し、Ｒｕ（第３層）とＣｏＦｅ（第４層）とＡｌ−Ｏ（第５層）がグループＢに属し、ＣｏＦｅ（第６層）とＮｉＦｅ（第７層）とＴａ（第８層）がグループＣに属している。なお第１層のＴａの下でクリーニング（図中記号「Ｃｌ．」で示す）のエッチングが行われる。また第５層のＡｌ−Ｏと第６層のＣｏＦｅの間ではＡｌ膜の酸化処理（図中記号「Ｏｘ．」で示す）が行われ、これによりＡｌ−ＯはＡｌ酸化膜となる。なお、Ａｌ酸化膜（Ａｌ−Ｏ）は、ＡｌターゲットのＯ₂ガスによるリアクティブスパッタリング法によって作製してもよい。このことは他の多層膜の場合にも同様である。

図２（Ｂ）によれば、１０層のＴＭＲヘッドまたはＭＲＡＭは、最下層の第１層から最上層の第１０層に向かってＴａ，ＮｉＦｅ，ＰｔＭｎ，ＣｏＦｅ，Ｒｕ，ＣｏＦｅ，Ａｌ−Ｏ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，Ｔａの順序で磁性膜が積層されている。この積層状態において、Ｔａ（第１層）とＮｉＦｅ（第２層）とＰｔＭｎ（第３層）とＣｏＦｅ（第４層）がグループＡに属し、Ｒｕ（第５層）とＣｏＦｅ（第６層）とＡｌ−Ｏ（第７層）がグループＢに属し、ＣｏＦｅ（第８層）とＮｉＦｅ（第９層）とＴａ（第１０層）がグループＣに属している。なお第１層のＴａの下でクリーニング（Ｃｌ．）のエッチングが行われる。また第７層のＡｌ−Ｏと第８層のＣｏＦｅの間では酸化処理（Ｏｘ．）が行われ、Ａｌ−ＯはＡｌ酸化膜となる。図２（Ａ）に示した８層のＭＲＡＭと比較すると、第２層および第３層としてＮｉＦｅ，ＰｔＭｎの磁性膜層が加入された点で異なり、その他の多層の層構造の配列は同じである。

図２（Ｃ）によれば、１３層のアドバンスドＧＭＲは、最下層の第１層から最上層の第１３層に向かってＴａ，ＮｉＦｅＣｒ，ＰｔＭｎ，ＣｏＦｅ，Ｒｕ，ＣｏＦｅ，ＮＯＬ（ＮａｎｏＯｘｉｄｅＬａｙｅｒ：ＣｏＦｅ−Ｏ等），ＣｏＦｅ，Ｃｕ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，Ｃｕ，Ｔａの順序で磁性膜が積層されている。この積層状態において、Ｔａ（第１層）とＮｉＦｅＣｒ（第２層）とＰｔＭｎ（第３層）とＣｏＦｅ（第４層）がグループＡに属し、Ｒｕ（第５層）とＣｏＦｅ（第６層）とＮＯＬ（第７層）がグループＢに属し、ＣｏＦｅ（第８層）とＣｕ（第９層）とＣｏＦｅ（第１０層）とＮｉＦｅ（第１１層）とＣｕ（第１２層）とＴａ（第１３層）がグループＣに属している。なお第１層のＴａの下でクリーニング（Ｃｌ．）のエッチングが行われる。また第６層のＣｏＦｅと第８層のＣｏＦｅの間では酸化処理（Ｏｘ．）が行われ、その結果、第７層として極薄い酸化膜のＮＯＬ（ＮａｎｏＯｘｉｄｅＬａｙｅｒ）が形成される。

上記のごとく、製作対象としての磁性多層膜デバイスは、いずれのものも、積層された磁性膜を３つのグループＡ，Ｂ，Ｃに分け、各グループに属する複数の磁性膜を連続して堆積させて成膜を行っている。グループＡに属する磁性膜は成膜チャンバ１７Ａで順次に成膜され、グループＢに属する磁性膜は成膜チャンバ１７Ｂで順次に成膜され、グループＣに属する磁性膜は成膜チャンバ１７Ｃで成膜される。さらに酸化膜の成膜は酸化膜成膜チャンバ１８で成膜され、クリーニングのエッチングはクリーニングチャンバ１９で実施される。

上記多層磁気膜製作装置１０において上記の８層のＭＲＡＭを製作するときには、装置内に搬入された基板は、最初にクリーニングチャンバ１９に導入されイオンビーム等で基板表面の平坦化のためのエッチング処理が行われ、次に成膜チャンバ１７Ａに導入されてグループＡの第１層と第２層が各ターゲットを順次に用いて連続してスパッタで堆積され、次に成膜チャンバ１７Ｂに導入されてグループＢの第２層から第５層が各ターゲットを順次に用いて連続してスパッタで堆積され、次に酸化膜成膜チャンバ１８に導入されて酸化膜（アルミナ層）が形成され、最後に成膜チャンバ１７Ｃに導入されグループＣの第６層から第８層が各ターゲットを順次に用いて連続してスパッタにより堆積される。

上記の磁性多層膜作製装置１０において、図２を参照して前述した１０層のＴＭＲヘッド／ＭＲＡＭあるいは１３層のアドバンスドＧＭＲを作製するときにも、上記と同様に行われる。磁性多層膜は、グループごとに、対応する成膜チャンバ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃでスパッタ成膜が連続して行われる。

従来では前述のごとく１つの大型の成膜チャンバで多層の磁性膜を最下層から最上層まで連続して堆積させて製作していた磁性多層膜を、当該磁性多層膜を特定の複数のグループに分割しグループごとの複数の磁性膜を異なる環境による成膜チャンバを用いて成膜できるという知見を見出し、そこで、この知見に基づいて上記のごとく複数のスパッタ成膜用の成膜チャンバを用いて多層の磁性膜をグループに分割して成膜し、クラスタ型の磁性多層膜作製装置を実現する。多層の磁性膜の分割の仕方としては、図２に示すごとく、３つのグループＡ，Ｂ，Ｃに分けることが好ましいが、これに限定されるものではない。グループの分け方の基準としては、好ましくは、金属酸化膜（例えばＡｌ−Ｏ）とそれに続く磁性層との間で分離を行うと共に、アンチフェロ（Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏ）層（反強磁性層、例えばＰｔＭｎ層）とそれに続く磁性層（主にＣｏＦｅ層）は必ず同一の成膜チャンバ内で連続して成膜を行うということである。さらに成膜チャンバを分離する観点としては、途中に酸化プロセスが入る場合には、酸化プロセスの前後で積層を分離することが好ましい。さらに各成膜チャンバによる積層数ができる限り均等に配分されることも考慮される必要がある。

また異なる成膜チャンバ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃのそれぞれで同じ磁性膜（ＣｏＦｅ等）を堆積させることもあるが、１つのチャンバは１回通過させる成膜手順を採用することにより、成膜の効率化を高めている。また上記構成のクラスタ型磁性多層膜作製装置の構成によれば、各種の多層膜構造を有する磁性膜デバイスの製作に対処することができる。

上記のごとく磁性多層膜をグループに分離してグループごとに異なる成膜チャンバでスパッタ成膜を行うことによって、次のように膜の性能の向上することができる。例えば基板上において、下側から、Ｔａ（５ｎｍ），ＮｉＦｅ（２ｎｍ），ＰｔＭｎ（２０ｎｍ），ＣｏＦｅ（２ｎｍ），Ｒｕ（０．８５ｎｍ），ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ），Ｃｕ（３ｎｍ），ＣｏＦｅ（１ｎｍ），ＮｉＦｅ（３ｎｍ），Ｔａ（３ｎｍ）の順で積層されるスピンバルブＧＭＲ膜に関して、全層を連続的に成膜した場合には７．３９％のＭＲ比を得ることができる。これに対して、ＰｔＭｎ層（第３層）とＣｏＦｅ層（第４層）の間で中断して分離成膜を行う場合にはＭＲ比が６．６７％に低下する。そのため、反強磁性層とそれに続く磁性層の成膜は同一の成膜チャンバ内で連続的に成膜することが好ましい。さらに、Ｒｕ層（第５層）とＣｏＦｅ層（第６層）の間で中断して分離成膜を行う場合にはＭＲ比が７．４５％となり、ＣｏＦｅ層（第６層）とＣｕ層（第７層）の間で中断して分離成膜を行う場合にはＭＲ比が７．６６％となり、Ｃｕ層（第７層）とＣｏＦｅ層（第８層）の間で中断して分離成膜を行う場合にはＭＲ比が７．６７％となる。これらの場合には、ＭＲ比を向上させる界面である。このようなことから、全層を同一の成膜チャンバで連続的に成膜する必要性は必ずしもなく、特性の向上、および生産性を考慮すると、磁性多層膜をグループに分け、成膜チャンバを複数用意し、分離成膜することが望ましい。

次に成膜チャンバ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの各々に設けられる特徴的な構造を図３を参照してより詳しく説明する。図３の（Ａ）は例えば成膜チャンバ１７Ｃの平面図であり、（Ｂ）は特徴的構造を示すその縦断面図である。図３において、図１で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。成膜チャンバ１７Ｃの容器５１の天井部５２には前述の通り４つのターゲット３５〜３８が設けられている。これらのターゲット３５〜３８は天井部５２において傾斜した状態にて取り付けられている。成膜チャンバ１７Ｃの底面部の中央に回転自在に設けられた基板ホルダ３３は基板３４を水平状態にて搭載している。基板３４へのスパッタ成膜のとき基板３４は回転状態にある。なお基板ホルダ３３上の基板３４の周囲にはリング状のマグネット５３が設置されている。傾斜して設けられたターゲット３５〜３８は、それぞれ、下方で水平に配置された基板３４の上面に対して向くような姿勢にて配置されている。これらのターゲットと基板３４の間にはシャッタ機構５４が配置されている。シャッタ機構５４は二重のシャッタを有している。シャッタ機構５４の動作によって、４つのターゲット３５〜３８のうちスパッタ成膜に使用されるターゲットが選択される。かかる構成によって、スパッタされたターゲット物質の斜め入射を実現し、多層成膜において高均一な膜厚分布を達成し、かつターゲット相互の汚染や磁性膜同士で汚染が生じるのを防止している。

図４を参照してシャッタ機構５４の構造と動作を概念的により詳しく説明する。シャッタ機構５４は二重回転シャッタとして構成されている。この図示例では、４つのターゲット３７〜３８は説明簡略のために平行に配置した状態を示している。シャッタ機構５４は、２枚のシャッタ板６１，６２を実質的に平行に配置し、それぞれを個別に軸６３の周りに自在に回転できるように設けられている。シャッタ板６１には直径方向に並んだ２つの孔６１ａ，６１ｂが形成され、シャッタ板６２には１つの孔６２ａが形成されている。図４に示された状態では、ターゲット３８に対してシャッタ板６１の孔６１ａとシャッタ板６２の孔６２ａの位置を重ねることによりターゲット３８を利用したスパッタ成膜が行われ、回転中の基板３４の表面に所定の磁性膜を堆積させる。このときターゲット３６，３７は２枚のシャッタ板６１，６２で覆われ、スパッタされたターゲット物質が付着されるのを防止される。またターゲット３５はシャッタ板６１では孔６１ｂに対向しているが、シャッタ板６２で覆われているので、同様に保護される。上記のごとく二重回転シャッタから成るシャッタ板６１，６２によってターゲット間のクロスコンタミネーションを防止するようにしている。

前述の実施形態では、磁性多層膜を３つのグループに分けたため３つの成膜チャンバ１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃを設けるようにしたが、グループの分け数は任意であり、成膜チャンバの数は任意に設定することができる。また多層の磁性膜の堆積順序も前述の実施形態に限定されず、任意設定することができる。

多層の磁性膜のスパッタ成膜をグループに分割し、１つの成膜チャンバで連続成膜する磁性膜の数を少なくしたため、膜の平坦性を良好にすることができ、膜質を高めることができる。

本発明に係る磁性多層膜作製装置の代表的な実施形態の構成を示す平面図である。作製対象である磁性多層膜の積層構造の３つの例とそのグループ化（Ａ，Ｂ，Ｃ）を説明する図である。本発明に係る磁性多層膜作製装置の１つの成膜チャンバの構成を概略的に示す平面図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）を示す図である。本発明による二重シャッタ機構を概略的に示す説明図である。従来の代表的な磁性多層膜作製装置の平面図である。

符号の説明

１０磁性多層膜作製装置
１１ロボット制御装置
１２搬送チャンバ
１７Ａ〜１７Ｃ成膜チャンバ
１８成膜チャンバ
１９クリーニングチャンバ
５４シャッタ機構

Claims

互いに異なる材料からなる第１ターゲット、第２ターゲット及び第３ターゲットを有する複数ターゲット機構、
一枚の基板を支持するための回転自在に構成された基板ホルダ、及び
前記複数ターゲット機構と前記基板ホルダとの間に設置したシャッタ機構であって、第１孔及び第２孔を有し、前記複数ターゲット機構側に位置する第１シャッタ板及び第３孔を有し、前記基板ホルダ側に位置する第２シャッタ板を備え、且つ該第１シャッタ板と該第２シャッタ板とが同軸に個別に回転可能に設置されたシャッタ機構、をチャンバ内に有し、
前記各ターゲットは、前記基板ホルダに対して傾斜して設けられており、
該シャッタ機構は、下記（ａ）〜（ｃ）を同時に満たす様に動作することを特徴とするスパッタ装置。
（ａ）前記第１シャッタ板の第１孔と前記第２シャッタ板の第３孔との重ね合わせ部を前記第１ターゲットに対向して位置させる。
（ｂ）前記第１シャッタ板の第２孔を前記第２ターゲットに対向して位置させ、前記第２シャッタ板が該第２ターゲットを覆う。
（ｃ）前記第１シャッタ板と前記第２シャッタ板とが前記第３ターゲットを覆う。
前記第２のシャッタ板の孔の面積と形状は、前記ターゲットの面積と形状に一致することを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
互いに異なる材料からなる第１ターゲット、第２ターゲット及び第３ターゲットを有する複数ターゲット機構、
一枚の基板を支持するための回転自在に構成された基板ホルダ、及び
前記複数ターゲット機構と前記基板ホルダとの間に設置したシャッタ機構であって、第１孔及び第２孔を有し、前記複数ターゲット機構側に位置する第１シャッタ板及び第３孔を有し、前記基板ホルダ側に位置する第２シャッタ板を備え、且つ、該第１シャッタ板と該第２シャッタ板とが同軸に個別に回転可能に設置されたシャッタ機構、
をチャンバ内に有し、前記各ターゲットが、前記基板ホルダに対して傾斜して設けられているスパッタ装置を用いたスパッタ成膜方法であって、
下記（ａ）〜（ｃ）を同時に満たす様に前記シャッタ機構を動作させて、該（ａ）〜（ｃ）を同時に満たした状態で前記第１ターゲットをスパッタすることを特徴とするスパッタ成膜方法。
（ａ）前記第１シャッタ板の第１孔と前記第２シャッタ板の第３孔との重ね合わせ部を前記第１ターゲットに対向して位置させる。
（ｂ）前記第１シャッタ板の第２孔を前記第２ターゲットに対向して位置させ、前記第２シャッタ板が該第２ターゲットを覆う。
（ｃ）前記第１シャッタ板と前記第２シャッタ板とが前記第３ターゲットを覆う。