JP4727764B2 - プラズマ処理装置、磁気抵抗素子の製造装置、磁性薄膜の成膜方法及び成膜制御プログラム - Google Patents

プラズマ処理装置、磁気抵抗素子の製造装置、磁性薄膜の成膜方法及び成膜制御プログラム Download PDF

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Description

本発明は、磁気ディスク駆動装置の磁気ヘッド、磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子、磁気センサ及び薄膜インダクタ等を製造するプラズマ処理装置、磁気抵抗素子の製造装置、磁性薄膜の成膜方法及び成膜制御プログラムに関する。
磁気ディスク駆動装置の磁気ヘッド、磁気ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の記憶素子、磁気センサ及び薄膜インダクタは、磁性薄膜を有するか、多層薄膜の中に磁性薄膜を含んでいる。これらの磁性薄膜は、磁化容易軸が基板面内で一方向に沿って平行に揃っていることが求められる。
一般的に磁化容易軸を一方向に揃える手法としては磁場中成膜法が知られており、例えば、基板ホルダ上の基板の両側に２本の棒磁石を平行に配置して、基板に対して一方向の磁界を印加するように工夫している（特許文献１参照）。しかし、この技術では、磁力線の平行度が維持される領域が非常に狭いため、大口径の基板上に磁性薄膜を形成するのには適していない。
そこで、２つの棒磁石間の磁力線が平行となる領域を広げるために、棒磁石に強磁性体のポールピースを取り付ける工夫がなされている（特許文献２参照）。また、棒磁石ではなく、基板の裏面に平板状の磁石を配置する技術も提案されている（特許文献３参照）。
しかしながら、特許文献１〜３の技術では、基板支持ホルダに磁石が固定されているため、成膜の途中で磁界の印加方向を変えることはできなかった。
特に、巨大磁気抵抗効果を利用したスピンバルブ型の磁気ヘッドでは、ピン層とフリー層という２つの磁性層の磁化容易軸の相対角度を９０度に設定する必要があり、成膜の途中で磁界印加方向を変える機構が求められる（非特許文献１参照）。その実現のため、例えば、複数のコイルグループを有する電磁石を用いて、各コイルグループに流す電流の向きや量を制御して直交する磁界の発生する技術が提案されている（特許文献４参照）。
近年、デバイスの需要増加に伴って１枚の基板から大量の素子を採取すべく基板が大口径化しており、磁界の平行度に加えて膜厚の均一性も要求されるようになった。膜厚の均一性を確保するには、例えば、基板を回転する成膜法が有効である（特許文献５参照）。この回転成膜法は、磁界印加手段として永久磁石を用い、基板ホルダ上に永久磁石を固定して、基板に対して常に一方向の平行磁界を印加している。
上記のように成膜の途中で磁界方向を変える要請がある場合には、基板ホルダの回転軸と磁石支持ホルダの回転軸とを独立に設け、成膜時に両者の回転軸の回転を同期させて、基板に一定方向の磁界を印加するように工夫している（特許文献６参照）。そして、磁界の印加方向を変える時に一時的に回転位相を変えて、その後引き続き同期回転させて次の磁性薄膜の磁界中成膜を行っている。
このように磁性薄膜の磁化容易軸が一方向に揃うようにするための工夫は、大口径の基板で磁力線の平行度が得られるような磁気回路の設計と、磁石と基板の回転を同期させ基板に対して常に一定の静止磁界が得られるようにする技術である。大口径の基板に対して平行に揃った磁界を印加するための磁気回路として、最近ではＨａｌｂａｃｈ型Ｄｉｐｏｌｅ−Ｒｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔを磁性薄膜の成膜に適用した装置の例が提案されている（特許文献７参照）。
特開平５−３３９７１１号公報 特開平１０−３２６７１８号公報 特開平１０−２４５６７５号公報 特開平１１−２６２３０号公報 特開２０００−２６５２６３号公報 特開２００２−５３９５６号公報 ＵＳ６７４３３４０Ｂ２号公報 恒川孝二「月刊セミコンダクターワールド」，９４（１９９７．４）
ところで、従来の技術では、依然として、基板上に成膜される磁性薄膜の磁化容易軸のばらつきがあった。特に、φ６インチを超える大口径基板の場合には、磁化容易軸のばらつきが顕著であった。
本発明は、上記事情に鑑み、大口径基板に対しても、成膜される磁性薄膜の磁化容易軸のばらつきを改善することができるプラズマ処理装置、磁気抵抗素子の製造装置、磁性薄膜の成膜方法及び成膜制御プログラム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プラズマ処理装置は、
真空排気可能なチャンバの内部に処理ガスを導入し、カソードに放電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薄膜を含む薄膜を成膜するプラズマ処理装置であって、
前記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設され、前記基板の処理面に磁場を形成する磁石を支持する磁石ホルダと、
前記基板ホルダの上方に配置され、放電電圧が印加されるカソードユニットと、
前記基板ホルダと前記磁石ホルダのうち少なくとも一方、または双方を前記基板の処理面の面方向に沿って回転可能な回転機構と、
前記基板ホルダまたは／および前記磁石ホルダの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
成膜処理に伴う各操作要素の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は前記回転位置検出手段の検出信号に基づいて、前記磁性薄膜のスパッタ成膜中に、前記基板の処理面に設定される磁化容易軸と前記磁石が印加する磁界との相対角をスイング変動させるように前記基板ホルダまたは／および前記磁石ホルダの前記回転機構を制御することを特徴とする。
また、本発明の薄膜デバイスの製造装置は、
上記本発明のプラズマ処理装置と、
基板の処理面の不純物を除去するエッチングチャンバと、
金属薄膜を酸化処理する酸化処理チャンバと、
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、
が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。
また、本発明の磁性薄膜の成膜方法は、真空排気可能なチャンバの内部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、カソードに放電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薄膜を成膜する方法であって、
前記磁性薄膜のスパッタ成膜中に、前記基板の処理面に設定される磁化容易軸と前記磁石が印加する磁界との相対角をスイング変動させるようにしたことを特徴とする。
また、本発明の成膜制御プログラムは、基板を支持する基板ホルダまたは／および磁石を支持する磁石ホルダの回転位置を検出する回転位置検出手段の検出信号に基づいて、前記基板ホルダまたは／および前記磁石ホルダの回転機構の回転を制御する制御装置に、
前記基板の目印に対して垂直方向に磁界が形成されるように、前記基板および前記磁石を位置決めするステップと、
磁性薄膜のスパッタ成膜中に、前記基板の処理面に設定される磁化容易軸と前記磁石が印加する磁界との相対角を最大±５度の範囲内でスイング変動させるステップと、
成膜の進行につれて相対角の振れが徐々に収束するようにスイング変動させるステップと、
前記位置決め状態で静止させてスパッタ成膜するステップと、
を実行させることを特徴とする。
本発明によれば、大口径基板に対しても、成膜される磁性薄膜の磁化容易軸のばらつきを改善することができる。
本発明に係るプラズマ処理装置の一実施の形態の構成を示す模式図である。 基板、磁石及びカソードユニットの位置関係を示す説明図である。 磁石により基板に印加される磁界を示す説明図である。 制御装置及び付属要素を示すブロック図である。 実施例１の磁性薄膜の成膜方法を示す模式図である。 実施例１の基板と磁石の位置関係を示す平面図である。 実施例１の動作を示すタイムチャートである。 磁性薄膜の磁化容易軸の方向を測定した分布図であり、（ａ）は従来の方法、（ｂ）は本発明の方法である。 実施例２の基板と磁石の位置関係を示す平面図である。 実施例２の動作を示すタイムチャートである。 実施例３の基板と磁石の位置関係を示す平面図である。 実施例３の動作を示すタイムチャートである。 実施例４の磁性薄膜の成膜方法を示す説明図である。 実施例４の基板と磁石の位置関係を示す平面図である。 実施例４の動作を示すタイムチャートである。 薄膜デバイスの製造装置の装置構成例を示す平面図である。 実施例５の製造装置で作製したトンネル磁気抵抗素子の膜構成を示す模式図である。
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。
図１から図３を参照して、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施の形態について説明する。図１は、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施の形態の構成を示す模式図である。図２は、基板、磁石及びカソードユニットの位置関係を示す説明図である。図３は、磁石により基板に印加される磁界を示す説明図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態のプラズマ処理装置１は、例えば、基板の処理面に磁性薄膜を含む薄膜を成膜するスパッタリング装置であって、処理空間を区画形成するチャンバ（反応容器）２を備えている。このチャンバ２には、その内部を所望の真空度まで真空排気可能な排気系として、ゲートバルブ等の主弁３を介して排気ポンプ４が接続されている。
このチャンバ２にはガス注入口５が開口され、このガス注入口５にはチャンバ２の内部に反応性ガス等の処理ガスを導入する処理ガス導入系６が接続されている。処理ガス導入系６は、例えば、自動流量制御器７を介してガスボンベ８が接続され、ガス注入口５から処理ガスが所定の流量で導入される。この処理ガス導入系６は、チャンバ２内でスパッタリングを行う場合に、チャンバ２内に処理ガスを供給する。
チャンバ２内の処理空間の下部には、上面に基板１０を支持する基板ホルダ１１が設けられている。処理対象である基板１０は、例えば、ハンドリング・ロボット（図示せず）により、水平スロット１２を通じて基板ホルダ１１上に運ばれる。基板ホルダ１１は、円板状の載置台（ステージ）であって、例えば、その上面に静電吸着により基板１０を吸着支持するようになっている。基板ホルダ１１は導電性部材により形成され、後述するカソードとの間で放電を発生させる電極としても機能する。この基板ホルダ１１は、その載置面上に支持される基板１０の中心を含み、その処理面に垂直な軸を回転軸２１とした回転機構２０に接続されて、その軸周りに回転可能に構成され、基板１０をその処理面に沿って回転させるようになっている。この回転機構２０の詳細については、後述する。
基板（ウェハ）１０は、基板ホルダ１１の載置面上に水平状態を保って保持されている。基板１０としては、例えば、円板状のシリコンウェハ（ＳｉＯ2基板）を用いるが、これに限定されるものではない。また、基板１０には、磁化容易軸を決定するための目印となるオリエンテーション・フラット（オリフラ）１０ａやノッチが形成されている。例えば、このオリフラ１０ａに対して垂直方向に磁化容易軸が形成されるように、基板１０の周囲に配置する磁石３０の極性が設定される。
また、円板状の基板ホルダ１１の周囲には、基板ホルダ１１の外径よりも大きい内径を有するリング状の磁石ホルダ３１が配設されている。この磁石ホルダ３１上には、基板１０の処理面に磁場を形成するリング状の基板側磁石３０が支持されている。磁石ホルダ３１には、上記基板ホルダ１１とは別個の回転機構４０が備えられている。この回転機構４０の詳細については、後述する。
この磁石３０は、図３に示すように、基板１０の処理面に沿って、処理面内で一方向を向いた平行な磁場Ｍを形成する。本実施形態の磁石３０は、例えば、リング状の永久磁石により形成することが好ましいが、必ずしもＨａｌｂａｃｈ型のＤｉｐｏｌｅ−Ｒｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔでなくてもよい。例えば、２つに分離されて平行に配置した棒状の永久磁石や、円弧状の永久磁石を環状に組合せて、前記一方向の磁場Ｍを形成するように構成してもよい。
再び図１を参照して、基板ホルダ１１の回転機構２０及び磁石ホルダ３１の回転機構４０について説明する。基板ホルダ１１及び磁石ホルダ３１のうち少なくとも一方、または双方を基板１０の処理面の面方向に沿って回転可能な回転機構が備えられる。前述の通り、本実施形態では、基板ホルダ１１の回転機構２０と、磁石ホルダ３１の回転機構４０との双方が備えられ、これらは別個に設けられている。即ち、基板ホルダ１１は回転軸２１上に固定され、ギヤ機構２３を介してモータ等の駆動装置２２により回転駆動される。一方、磁石ホルダ３１は、回転軸４１及びギヤ機構４３を介してモータ等の駆動装置４２により回転駆動される。各回転軸２１、４１には、エンコーダ磁気リング２４、４４が取り付けられ、その外周側に設けられたエンコーダ磁気検出器２５、４５により基板１０の方位、磁界の方位並びに各々の回転数が検出される。即ち、エンコーダ磁気検出器２５、４５は、基板ホルダ１１、磁石ホルダ３１の回転位置検出手段として機能する。
基板ホルダ１１及び回転軸２１の内部を貫通するようにリフトピン２６が設けられ、基板搬出入時にシリンダ２７により上下移動して、ハンドリング・ロボット（不図示）と基板ホルダ１１との間で基板１０の受け渡しを行う。リフトピン２５の下端部には、ベローズ２８が配設されている。
また、基板ホルダ１１の底面に対向する磁石ホルダ３１の上面部分には、円周方向に多数の凹凸を有し、シューの働きをする凹凸部材４６が設けられており、この凹凸部材４６と基板ホルダ１１の底面とを接触させる事により、両者を一体に回転させることができる。即ち、基板ホルダ１１の回転数を増加させて磁石３０の回転数に近づかせ、エンコーダの出力により基板１０及び磁石３０の方位が所定の角度以内になった時点で、駆動機構により磁石回転機構全体を上昇させて凹凸部材４６と基板ホルダ１１の底面とを接触させる。これにより、磁石３０と基板１０の方位が所定の角度以内で一致した状態を保ちながら基板１０を回転させることが可能となる。
また、上記処理空間の基板ホルダ１１の上方には、カソードユニット５０が配置されている。本実施形態では、基板ホルダ１１に対してカソードユニット５０が相対向するように配設されているが、基板中心とカソード中心をずらしてオフセット配置しても構わない。
なお、基板径やターゲット径は特に限定されないが、オフセット配置して基板１０を回転させる場合には、ターゲット径が基板径より小さくても均一な成膜が可能である。
各カソードユニット５０におけるカソードの裏面側には、例えば、複数の永久磁石（カソード側磁石）を配置したマグネトロン（図示せず）が備えられ、ターゲット５１の表面側に磁界を形成するようになっている。マグネトロンは、例えば、カソード裏面側に永久磁石を縦横に配置した磁石アセンブリを構成し、ターゲット表面側にカスプ磁界を形成するように構成してもよい。
カソードユニット５０のカソード表面側には、板状のターゲット５１が取り付けられる。すなわち、ターゲット５１は、カソードよりも処理空間側に設けられ、ターゲット５１は下方へ臨んで配置されている。ターゲット材料は、基板１０上に成膜する膜の種類によって異なり、磁性薄膜の場合には、この磁性薄膜と同一材料またはその元となる磁性材料からなっており、例えば、ＮｉＦｅターゲット、ＣｏＦｅターゲット及びＣｏＦｅＢターゲット等が挙げられる。
カソードユニット５０には、カソードに放電電圧を印可する不図示の放電用電源が電気的に接続されている。放電用の電力は、高周波電力、ＤＣ電力のいずれであっても構わない。
さらに、カソードユニット５０のケーシングには、カソード近傍に放電用の処理ガス（放電用ガス）を供給する放電用ガス導入系５２が接続されている。放電用ガスとしては、例えば、Ａｒなどの不活性ガスが使用される。カソードは基板ホルダ１１との間でプラズマ放電を発生し、カソードユニット５０に取り付けられたターゲット５１をスパッタ可能である。
次に、図４を参照して、本実施形態のスパッタリング装置１に備えられ、成膜処理に伴う各操作要素を制御する制御装置６０について説明する。図４は本実施形態における制御装置及び付属要素を示すブロック図である。
図４に示すように、本実施形態の制御装置６０は、例えば、ＣＰＵ６１やＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部６２などからなる一般的なパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）によって構成されている。ＣＰＵ６１は、プログラムにしたがって上記各部の制御や各種の演算処理等を行う。記憶部６２は、予め各種プログラムやパラメータを格納しておくＲＯＭ、作業領域として一時的にプログラムやデータを記憶するＲＡＭ等からなる。
具体的には、制御装置６０は、放電用電源７３、放電用ガス導入系５２、排気ポンプ４、処理ガス導入系６、基板ホルダ１１の回転機構２０、磁石ホルダ３１の回転機構４０、及びシリンダ装置２８などに制御指令を出力する。その指令に従って放電時間、放電電力、及びプロセス圧力などの各種プロセス条件がコントロールされる。また、チャンバ１０内の圧力を計測する圧力計７１、ガス流量を計測する流量計７２、及び基板１０の回転位置を検出するエンコーダ磁気検出器２５、４５などの各種センサの出力値も取得可能であり、装置の状態に応じた制御が可能である。
特に、この制御装置６０は、基板ホルダ回転制御部６３及び磁石ホルダ回転制御部６４を備えている。基板ホルダ回転制御部６３は、エンコーダ磁気検出器２５の検出した回転位置に応じて、基板ホルダ１１の回転方向・速度を調整する。また、磁石ホルダ回転制御部６４は、エンコーダ磁気検出器４５の検出した回転位置に応じて、磁石ホルダ１１の回転方向・速度を調整する。
次に、本実施形態のプラズマ処理装置１の作用と共に、この装置１を用いて実施する本発明に係る磁性薄膜の成膜方法について説明する。なお、本発明に係る磁性薄膜の成膜方法のアルゴリズムは、制御装置６０の記憶部６２に成膜制御プログラムとして記憶されており、動作開始の際にＣＰＵ６１により読み出されて実行される。
ここで、成膜制御プログラムは、基板ホルダ１１または／および磁石ホルダ３０の回転位置を検出する回転位置検出手段２５、４５の検出信号に基づいて、上記回転機構２０、４０の回転制御を制御装置に実行させるプログラムである。即ち、この成膜制御プログラムは、基板１０の目印（オリフラ）１０ａに対して垂直方向に磁界が形成されるように、基板１０および磁石３０を位置決めする第１ステップを有する。また、磁性薄膜のスパッタ成膜中に、基板１０の処理面に設定される磁化容易軸と磁石３０が印加する磁界との相対角を最大±５度の範囲内でスイング変動させる第２ステップを有する。さらに、成膜の進行につれて相対角の振れが徐々に収束するようにスイング変動させる第３ステップを有する。そして、上記位置決め状態で静止させて残部のスパッタ成膜を行う第４ステップを有する。
上記成膜制御プログラムは、ＰＣによる読み取り可能な記録媒体に記録されて、ＰＣの記憶部６２にインストールされる。記録媒体としては、フロッピー（登録商標）ディスク、ＺＩＰ（登録商標）等の磁気記録媒体、ＭＯ等の光磁気記録媒体、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ＋Ｒ，ＣＤ−Ｒ，ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ＋ＲＷ（登録商標）、ＰＤ等の光ディスク等が挙げられる。また、コンパクトフラッシュ（登録商標）、スマートメディア（登録商標）、メモリースティック（登録商標）、マルチメディアカード、ＳＤメモリカード等のフラッシュメモリ系、マイクロドライブ（登録商標）、Ｊａｚ（登録商標）等のリムーバブルハードディスクが挙げられる。
本発明に係る磁性薄膜の成膜方法は、まず、基板ホルダ１１上に処理対象である基板（ウェハ）１０を設置する。基板１０は、例えば、ハンドリング・ロボット（図示せず）を用いて、水平スロット１２を通じて基板ホルダ１１上に運ばれる。そして、必要に応じて、不図示の電源から基板ホルダ１１に基板バイアスを印可する。
次に、チャンバ２の内部を排気系により所定の真空度まで排気する。さらに、チャンバ２の内部に放電用ガス導入系５２からＡｒ等の放電用ガスを導入する。反応性スパッタリングを行う場合には、チャンバ２の内部に処理ガス導入系６から反応性ガスを導入する。
カソードユニット５０には、基板１０の処理面上に成膜する材料成分のターゲット５１を取り付ける。本実施形態のターゲット５１は、基板１０に成膜する磁性薄膜と同一材料またはその元となる磁性材料であって、例えば、ＮｉＦｅターゲット、ＣｏＦｅターゲット及びＣｏＦｅＢターゲット等である。
本実施形態では、基板１０とターゲット５１とが対向配置されているので、ターゲット５１は、例えば、円板状を呈し、基板径よりも大きなサイズに形成されている。
なお、カソードユニット５０及びターゲット５１は基板１０の斜め上方に傾斜させてオフセット配置してもよい。このようにオフセット配置して基板１０を回転させる場合には、ターゲット径が基板径より小さくても均一な成膜が可能である。また、ターゲット５１の傾斜角は本発明の適用においては特に限定されないが、基板１０の処理面の法線に対するカソード中心軸の角度θが０°を超えて４５°以下の角度を成すようにカソードユニット５０を配置することが好ましい。
基板ホルダ１１及び磁石ホルダ３１の静止状態では、基板１０の処理面に一方向へ向いた方向性を有する磁場Ｍを形成すべく、基板１０のオリフラ１０ａに対して磁化容易軸が垂直方向に設定される基板１０と磁石３０が位置決め配置される。
この状態で、チャンバ２内の圧力が所定の圧力になるまで放電用ガス導入系５２からＡｒガスを導入する。ガス圧が安定した後、カソードユニット５０のターゲット表面に磁界を形成し、不図示の電源から放電用電力を供給して、基板ホルダ１１との間でプラズマ放電を発生させて、基板上にターゲット材料をスパッタリングし、薄膜を成膜する。
成膜初期（成膜開始と同時）に、基板１０の処理面に設定される磁化容易軸と磁石３０が印加する磁界との最大相対角が±５度の範囲内となるようにスイング変動させる、そして、成膜が進行するにつれて振れ角が小さくなって収束するように制御する。例えば、２０ｎｍの膜厚を成膜するプロセスにおいて、１０ｎｍのところでスイング変動が終了するように制御し、残りの１０ｎｍはオリフラ１０ａと磁界方向が垂直の状態で静止させて成膜する（後述の図７参照）。
カソードユニット５０の放電中には、位置検出手段２５、４５が基板１０及び磁石３０の回転位置を検出し、検出した回転位置に応じて、基板ホルダ１１または／および磁石ホルダ３１の回転速度を調整する。
成膜が完了すると、シリンダ２７によりリフトピン２６を上昇させ、水平スロット１２を開放してハンドリング・ロボット（不図示）と基板ホルダ１１との間で基板１０の受け渡しを行う。
以上説明したように、本実施形態の成膜方法によれば、基板ホルダ１１と磁石ホルダ３１との相対角をスイング変動させることにより、磁性薄膜の磁化容易軸がほぼ平行に揃って、ばらつきが改善される。
磁化容易軸と磁界との最大相対角が±５度の範囲を超えると、ばらつき改善の効果が著しく低下するため、最大相対角は±５度の範囲内であることが好ましい。
さらに、磁性薄膜の成膜が進行するにつれて振れ角が小さくなって収束するように制御すると、ばらつきを徐々に小さくしていく効果があり、より磁化容易軸が平行に揃った磁性薄膜が得られるという点で好ましいが、これに限定するものではない。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
図５は、実施例１の磁性薄膜の成膜方法を示す模式図である。図６は、実施例１の基板と磁石の位置関係を示す平面図である。図７は、実施例１の動作を示すタイムチャートである。
実施例１では、図５に示すように、オリフラ付きのφ６インチＳｉウェハ１０上に、オリフラ１０ａに対して垂直方向に磁化容易軸をもつＮｉＦｅ（ニッケル・鉄）の磁性薄膜を成膜する。
ターゲット５１にはφ１２インチのＮｉＦｅを用い、基板１０とターゲット５１は平行に相対向するように配置される。基板１０とターゲット５１との間の距離は４３０ｍｍとした。
基板ホルダ１１及び磁石ホルダ３１の静止状態において、基板１０のオリフラ１０ａに対して所望の磁化容易軸が垂直方向に形成されるように、オリフラ１０ａに対して垂直方向に磁界Ｍを印加するように基板１０及び磁石３０が位置決めされる。磁石３０が形成する磁界Ｍの平行度はφ６インチ面内において±１度であり、磁界強度は磁界が最も弱くなる基板の中心部で７９５８Ａ／ｍ（１００Ｏｅ（エルステッド））であった。
チャンバ内の圧力が０．０３ＰａになるまでＡｒガスを導入し、ガス圧が安定した後、カソードに４ｋＷのＤＣ電力を投入して成膜を開始した。図６示すように、成膜開始と同時に磁石ホルダ３１を±３度の振れ角（相対角）でスイング変動させ、成膜が進行するにつれて振れ角が小さくなって収束するように制御した。より具体的には、２０ｎｍの膜厚を成膜するプロセスにおいて、１０ｎｍのところでスイングが終了するように制御し、残りの１０ｎｍはオリフラ１０ａと磁界方向が垂直の状態で静止させて成膜をしている。この様子を図７のタイムチャートで示している。
図８は、磁性薄膜の磁化容易軸の方向を測定した分布図であり、（ａ）は従来の方法、（ｂ）は本発明の方法である。図８では、ＮｉＦｅ膜の磁化容易軸の方向を磁気Ｋｅｒｒ効果を用いて基板の処理面内で３５点測定している。なお、Ｋｅｒｒ効果による磁化方向の測定方法は、例えば、「磁性材料−物性・工学的特性と測定法」（島田寛、山田興治、八田真一郎、福永博俊共著、ｐ．３４６・３６４、講談社、１９９９年６月２０日、第１刷発行）に示されている。
図８（ａ）の従来の方法では、磁化容易軸のばらつきは±７．３度であった。これに対し、図８（ｂ）の本発明の方法では、磁化容易軸のばらつきは±１．９度であり、φ６インチの大口径基板に対しても、成膜される磁化容易軸のばらつきが改善されていることが分かる。
〔実施例２〕
図９は、実施例２の基板と磁石の位置関係を示す平面図である。図１０は、実施例２の動作を示すタイムチャートである。
図９に示すように、実施例２では、磁石ホルダ３１を静止した状態にしておき、基板ホルダ１１のみをスイング変動させた。実施例１と同様に、２０ｎｍの膜厚を成膜するプロセスにおいて、１０ｎｍのところでスイングが終了するように制御し、残りの１０ｎｍはオリフラ１０ａと磁界方向が垂直の状態で静止させて成膜をしている。この様子を図１０のタイムチャートで示している。このように動作させても、実施例１と同等に磁化容易軸のばらつきが改善される。
〔実施例３〕
図１１は、実施例３の基板と磁石の位置関係を示す平面図である。図１２は、実施例３の動作を示すタイムチャートである。
図１１に示すように、実施例３では、磁石ホルダ３１と基板ホルダ１１とを互いに逆向きにスイング変動させて動作させた。実施例１と同様に、２０ｎｍの膜厚を成膜するプロセスにおいて、１０ｎｍのところでスイングが終了するように制御し、残りの１０ｎｍはオリフラ１０ａと磁界方向が垂直の状態で静止させて成膜をしている。この様子を図１２のタイムチャートで示している。このように動作させても、実施例１と同等に磁化容易軸のばらつきが改善される。
〔実施例４〕
実施例４では、基板１０の斜め上方にカソードユニット５０を配置した場合の磁性薄膜の成膜方法について説明する。図１３は、実施例４の磁性薄膜の成膜方法を示す説明図である。図１４は、実施例４の基板と磁石の位置関係を示す平面図である。図１５は、実施例４の動作を示すタイムチャートである。
図１３に示すように、実施例４では、オリフラ付きのφ６インチＳｉウェハ１０上にオリフラ１０ａに対して垂直方向に磁化容易軸をもつＮｉＦｅ（ニッケル・鉄）磁性薄膜を形成する。ターゲット５１にはφ７．１インチのＮｉＦｅターゲットを用い、基板１０とターゲット５１とが斜めになるように配置する。このとき、ターゲット５１の中心軸は基板１０の中心から外れるようにオフセット配置している。
また、基板ホルダ１１と磁石ホルダ３１とは個々の回転機構２０、４０によってともに６０ｒｐｍの速度で同一方向に連続回転させておく。このとき、所望の磁化容易軸を基板１０のオリフラ１０ａに対して垂直方向とするために、基板１０に印加する磁界の方向をオリフラ１０ａに対して常に垂直となるように位置決め状態を維持している。磁石３０が形成する磁界Ｍの平行度はφ６インチ面内において±１度であり、磁界強度は磁界が最も弱くなる基板１０の中心部で７９５８Ａ／ｍ（１００Ｏｅ（エルステッド））であった。
チャンバ内の圧力が０．０３ＰａになるまでＡｒガスを導入し、ガス圧が安定した後、カソードに１ｋＷのＤＣ電力を投入して成膜を開始した。図１４に示すように、成膜開始と同時に磁石ホルダ３１の回転速度を変調し、基板ホルダ１１と磁石ホルダ３１の回転位相差を変動させ、磁化容易軸に対して磁石３０の磁界方向が±３度の振れ角（相対角）でスイング変動するように調整している。また、回転位相差は成膜が進行するにつれて小さくなって収束するように制御した。より具体的には、２０ｎｍの膜厚を成膜するプロセスにおいて、１０ｎｍのところで回転位相差がゼロになるように制御し、残りの１０ｎｍはオリフラ１０ａと磁界方向が垂直の状態を維持するように同一速度で回転させた。この様子を図１５のタイムチャートで示した。
このように構成しても、実施例１と同等に磁化容易軸のばらつきが改善される。特に、基板１０に対してターゲット５１をオフセット配置した場合には、実施例１よりもターゲット径が小さくても均一な成膜が可能である。
〔実施例５〕
実施例５は、本発明に係るプラズマ処理装置をトンネル磁気抵抗素子の製造装置に適用する場合の適用例である。図１６は、薄膜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１６に示すように、薄膜デバイス（トンネル磁気抵抗素子）の製造装置１００は中央に真空搬送チャンバ１１０を備え、この真空搬送チャンバ１１０内には、ハンドリングロボット等からなる真空搬送機構１１１が２台備えられている。この真空搬送チャンバ１１０には、３基のスパッタ成膜チャンバ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃがゲートバルブ１６０を介して接続されている。また、真空搬送チャンバ１１０には、基板１０の処理面の不純物を物理的に除去するためのエッチングチャンバ１３０と、金属薄膜を酸化処理するための酸化処理チャンバ１４０とが、それぞれゲートバルブ１６０を介して接続されている。さらに、真空搬送チャンバ１１０には、真空空間と大気の間で基板１０を出し入れするための２基のロードロックチャンバ１５０が接続されている。
各スパッタ成膜チャンバ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃの上壁には、５基のカソードユニット５０が周方向に均等に５等分配置されている。各カソードユニット５０は、実施例４のように、基板１０とターゲット５１が斜め配置となるように搭載されている。また、各スパッタ成膜チャンバ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃには、回転機構２０を備える基板ホルダ１１、及び回転機構４０を備える磁石ホルダ３１が配置されている。磁石ホルダ３１の上には、φ２００ｍｍの範囲内で±１度以下の平行な磁界を発生する永久磁石３０が支持されている。
図１７は、実施例５の製造装置で作製したトンネル磁気抵抗素子の膜構成を示す模式図である。図１７に示すように、トンネル磁気抵抗素子の膜構成は、基板側から順に、Ｔａ（１０ｎｍ）、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、Ｃｏ70Ｆｅ30（２．５ｎｍ）、Ｒｕ（０．９ｎｍ）、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）、ＭｇＯ（１．１ｎｍ）、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）、Ｔａ（１０ｎｍ）、Ｒｕ（７ｎｍ）である。このような膜構成を得るために、スパッタ成膜チャンバ１２０Ａには、Ｔａターゲット、ＰｔＭｎターゲット、ＣｏＦｅターゲットを取り付ける。スパッタ成膜チャンバ１２０Ｂには、Ｒｕターゲット、ＣｏＦｅＢターゲット、Ｍｇターゲットを取り付ける。スパッタ成膜チャンバ１２０Ｃには、ＣｏＦｅＢターゲット、Ｔａターゲット、Ｒｕターゲットを取り付ける。
トンネル磁気抵抗素子の作製は、まず、ロードロックチャンバ１５０を介して大気から真空空間に搬入された基板１０をエッチングチャンバ１３０に搬送し、大気中で基板１０の処理面に付着していた水分をエッチングによって物理的に除去した。
次に、基板１０をスパッタ成膜チャンバ１２０Ａ内に搬送し、Ｔａ／ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ層を順次スパッタ成膜した。非磁性体であるＴａとＰｔＭｎを成膜するときは、磁石ホルダ３１は回転させないが、磁性体であるＣｏＦｅを成膜するときは実施例４の方法を用いて磁界中で成膜した。
次に、基板１０をスパッタ成膜チャンバ１２０Ｂに搬送し、Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／Ｍｇを順次スパッタ成膜した。非磁性体であるＲｕとＭｇを成膜するときは、磁石ホルダ３１は回転させないが、磁性体であるＣｏＦｅＢを成膜するときは実施例４の方法を用いて磁界中で成膜した。
その後、基板１０を酸化処理チャンバ１４０に搬送し、最表面のＭｇ層だけを酸化させ、ＭｇＯ層を形成した。
次に、基板１０をスパッタ成膜チャンバ１２０Ｃに搬送し、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／Ｒｕを順次スパッタ成膜した。非磁性体であるＴａとＲｕを成膜するときは、磁石ホルダ３１は回転させないが、磁性体であるＣｏＦｅＢを成膜するときは実施例４の方法を用いて磁界中で成膜した。
以上のようにして、本発明に係る磁性薄膜の成膜方法および成膜装置をトンネル磁気抵抗素子の製造装置に適用でき、磁化容易軸のばらつきが改善された磁性薄膜を有するトンネル磁気抵抗素子が得られるものである。
本発明に係る成膜方法は、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真空容器を備えたプラズマ処理装置による成膜方法として適用可能である。
１ プラズマ処理装置
２ チャンバ
１０ 基板
１１ 基板ホルダ
２０ 基板ホルダの回転機構
２５ 基板ホルダの回転位置検出手段
３０ 磁石
３１ 磁石ホルダ
４０ 磁石ホルダの回転機構
４５ 磁石ホルダの回転位置検出手段
６０ 制御装置

Claims (9)

  1. 真空排気可能なチャンバの内部に処理ガスを導入し、カソードに放電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薄膜を含む薄膜を成膜するプラズマ処理装置であって、
    前記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設され、前記基板の処理面に磁場を形成する磁石を支持する磁石ホルダと、
    前記基板ホルダの上方に配置され、放電電圧が印加されるカソードユニットと、
    前記基板ホルダと前記磁石ホルダのうち少なくとも一方、または双方を前記基板の処理面の面方向に沿って回転可能な回転機構と、
    前記基板ホルダまたは／および前記磁石ホルダの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
    成膜処理に伴う各操作要素の動作を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は前記回転位置検出手段の検出信号に基づいて、前記磁性薄膜のスパッタ成膜中に、前記基板の処理面に設定される磁化容易軸と前記磁石が印加する磁界との相対角をスイング変動させるように前記基板ホルダまたは／および前記磁石ホルダの前記回転機構を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記制御装置は、最大相対角が±５度の範囲内でスイング変動を制御することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記制御装置は、磁性薄膜の成膜初期の最大相対角が±５度の範囲内であって、成膜の進行につれて相対角の振れが徐々に収束するようにスイング変動を制御することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ処理装置と、
    基板の処理面の不純物を除去するエッチングチャンバと、
    金属薄膜を酸化処理する酸化処理チャンバと、
    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、
    が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薄膜デバイスの製造装置。
  5. 真空排気可能なチャンバの内部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、カソードに放電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薄膜を成膜する方法であって、
    前記磁性薄膜のスパッタ成膜中に、前記基板の処理面に設定される磁化容易軸と前記磁石が印加する磁界との相対角をスイング変動させるようにしたことを特徴とする磁性薄膜の成膜方法。
  6. 最大相対角が±５度の範囲内でスイング変動させることを特徴とする請求項５に記載の磁性薄膜の成膜方法。
  7. 前記磁性薄膜の成膜初期の最大相対角が±５度の範囲内であって、成膜の進行につれて相対角の振れが徐々に収束するようにスイング変動させることを特徴とする請求項５に記載の磁性薄膜の成膜方法。
  8. 基板を支持する基板ホルダまたは／および磁石を支持する磁石ホルダの回転位置を検出する回転位置検出手段の検出信号に基づいて、前記基板ホルダまたは／および前記磁石ホルダの回転機構の回転を制御する制御装置に、
    前記基板の目印に対して垂直方向に磁界が形成されるように、前記基板および前記磁石を位置決めするステップと、
    磁性薄膜のスパッタ成膜中に、前記基板の処理面に設定される磁化容易軸と前記磁石が印加する磁界との相対角を最大±５度の範囲内でスイング変動させるステップと、
    成膜の進行につれて相対角の振れが徐々に収束するようにスイング変動させるステップと、
    前記位置決め状態で静止させてスパッタ成膜するステップと、
    を実行させることを特徴とする成膜制御プログラム。
  9. 請求項８に記載の成膜制御プログラムを記録したことを特徴とするコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
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