JP5442367B2 - 薄膜形成方法及び薄膜形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング法を用いて薄膜を形成する薄膜形成方法、特に酸化マグネシウムを表面に有するターゲットを用いて非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成する薄膜形成方法及びそれに用いられる薄膜形成装置に関するものである。

トンネル磁気抵抗素子の高出力化を実現させる技術の一つとしてトンネル絶縁膜を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で構成することが挙げられる。そしてトンネル効果を発現させるような極めて薄い絶縁膜をＭｇＯで形成する薄膜の形成方法には、ＭｇＯを表面に有したターゲットをスパッタして該ターゲットから放出される粒子を基板の主面に堆積させるというスパッタリング法が広く採用されている。このようなスパッタリング法のなかでも、例えば特許文献１に記載されるように、真空槽に収容された基板をそれの周方向に回転させながら、この基板の表面に対して傾斜するように配置されたターゲットの表面をスパッタする、いわゆる斜め入射スパッタリング法が広く採用されている。

スパッタリングによりターゲットの表面から放出される粒子の分布は、該ターゲットの表面の面内において必ずしも均一であるとは限らず、むしろターゲットの表面近傍に形成されるプラズマ密度の分布に合わせて偏るようになる。そのため、ターゲットの表面と基板の表面とが対向するかたちにターゲットが配置されたり、ターゲットの表面が基板の表面に対して静置されたりする方法では、ターゲットの表面から放出される粒子の該表面における面内分布がＭｇＯ膜の膜厚の面内分布に直接反映されてしまい、ＭｇＯ膜の膜厚の均一性が十分に得られ難くなる。この点、上記斜め入射スパッタリング法によれば、ターゲットの表面から放出される粒子の面内分布が該表面で不均一であっても、ターゲットの表面が基板の表面に対して傾いていること、このターゲットの表面に対して回転軸を中心に基板が回転すること、それらによりＭｇＯ膜の膜厚を均一にすることが可能になる。

ところで、上記トンネル磁気抵抗素子が高い磁気抵抗比を発現するためには、上記ＭｇＯ膜が磁性膜上に単に形成されることだけではなく、該ＭｇＯ膜において（００１）配向が必要とされている。そして上記スパッタリング法を利用してＭｇＯ膜にこの（００１）配向を与えるためには、
・［条件１］ＭｇＯ膜の下地となる磁性膜が非晶質であること、
・［条件２］非晶質磁性膜に到達したＭｇＯ粒子が、該非晶質磁性膜上において多結晶化するためのエネルギーと、多結晶化したなかにおいて（００１）面を優先的に配向させるためのエネルギーとを保有すること、それらが必要とされる。

特開２００９−１５１８９１号公報

一方、ターゲットの表面がスパッタガスによりスパッタされる過程では、
・［ａ］ターゲットの構成材料の粒子であるマグネシウム粒子や酸素粒子、
・［ｂ］これら構成材料が電荷を帯びた荷電粒子、
・［ｃ］ターゲットの表面で跳ね返されたスパッタガスからなる反跳粒子、それら各種粒子がターゲットの表面から放出されたり反跳されたりすることになる。上記非晶質磁性膜に到達する各種の粒子は、ターゲットから非晶質磁性膜に到達するまでに他の粒子との衝
突を繰り返しつつ、それのエネルギーを減少させる。そのため非晶質磁性膜に到達したときの各種粒子のエネルギーは、該粒子の飛行時間において該粒子が他の粒子と衝突した回数、すなわち平均衝突回数が多くなるほど低くなる一方、該粒子の平均衝突回数が少なくなるほど高くなる。上記ＭｇＯ膜のスパッタリング技術では、ＭｇＯ膜を構成する上記［ａ］の粒子が非晶質磁性膜の全体にわたり上記［条件２］を満たすことを目的として、上記［ａ］粒子の平均衝突回数が基板表面の全体にわたり所定の回数よりも低くなるように、１０ｍＰａ〜２０ｍＰａという低い圧力下でスパッタ処理が実施されている。

しかしながら、ＭｇＯ膜の形成される圧力が同じとしても、上記［ａ］〜［ｃ］の各種粒子はそれの生成された過程が互いに異なるために、それの飛行する経路も互いに異なることが一般的である。そのため上記［ａ］〜［ｃ］の各粒子が非晶質磁性膜に与えるエネルギーも各種粒子の飛行した経路および質量に合わせて互いに異なることになるため、相対的に短い経路を飛行した大きい質量の粒子が着弾する非晶質磁性膜の部位では常に過剰に高いエネルギーが供給されることになる。その結果、上記［ａ］〜［ｃ］の各種粒子の高いエネルギーが、非晶質磁性膜の一部に結晶性を発現させて、このような部位における非晶質性を消失させてしまうこととなる。つまり、ＭｇＯ膜の（００１）配向を向上させるために上記［条件２］に従って各種粒子に高いエネルギーが与えられると、かえって非晶質磁性膜の一部、さらにはＭｇＯ膜自体がダメージを受けて上記［条件１］が満たされなくなってしまい、ＭｇＯ膜の（００１）配向そのものが失われてしまう。

ターゲットの表面と基板の表面とが対向するかたちにターゲットが配置されたり、ターゲットの表面が基板の表面に対して静置されたりする方法では、上記ダメージを受ける非晶質磁性膜の部位が常に固定され、このような部位においてトンネル磁気抵抗素子が形成不能となってしまう。上述するような斜め入射スパッタリング法によれば上記ダメージを受ける非晶質磁性膜の部位を基板の周方向に分散させることが可能ではあるが、結局のところ、基板の中心あるいは基板の周縁にダメージが偏ることとなって、これら基板の中心と基板の周縁との間では（００１）配向の均一性が得られ難くなってしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スパッタリング法を用いて形成するＭｇＯ膜において（００１）配向の均一性を向上させる薄膜形成方法及び薄膜形成装置を提供することである。

上記課題を解決するための手段及びその作用効果を以下に記載する。
請求項１に記載の発明は、非晶質磁性膜を主面に有した円板状の基板を収容する真空槽の内部で該基板をそれの周方向に回転させながら該真空槽の内部へ希ガスを供給し、前記真空槽の内部に酸化マグネシウムからなるターゲット表面を露出して該ターゲット表面が前記基板の主面に対し傾斜するかたちに配置されたターゲットを前記希ガスでスパッタすることにより（００１）配向の酸化マグネシウム膜を前記非晶質磁性膜上に形成する薄膜形成方法であって、前記基板の主面を含む平面を投影面として前記ターゲット表面をそれの法線方向に投影した領域である投影領域が前記基板の主面から離間するかたちに前記ターゲット表面を配置し且つ、前記基板の主面に対する法線と前記ターゲット表面に対する法線とのなす角度を８°以上で１４°以下にすること、それを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、非晶質磁性膜を主面に有した円板状の基板をそれの周方向に回転させる基板ステージを収容して内部に希ガスが供給される真空槽と、前記真空槽の内部に酸化マグネシウムからなるターゲット表面を露出して該ターゲット表面が前記基板の主面に対し傾斜するかたちに配置されたターゲットとを備え、前記ターゲットに高周波電力を供給して前記ターゲット表面を前記希ガスでスパッタすることにより（００１）配向の酸化マグネシウム膜を前記非晶質磁性膜上に形成する薄膜形成装置であって、前記基板の主面を含む平面を投影面として前記ターゲット表面をそれの法線方向に投影した領域である投影領域が前記基板の主面から離間するかたちに前記ターゲット表面が配置され且つ、前記基板の主面に対する法線と前記ターゲット表面に対する法線とのなす角度を８°以上で１４°以下にすること、それを要旨とする。

ＭｇＯからなるターゲット表面が希ガスによりスパッタされる過程では、ターゲットの構成材料の粒子であるマグネシウム（Ｍｇ）粒子や酸素（Ｏ）粒子の他、これら構成材料が電荷を帯びた荷電粒子やターゲットの表面で跳ね返された希ガスからなる反跳粒子も、それら固有の放出角度や反跳角度でターゲット表面から放出されたり反跳されたりすることになる。上述するようにスパッタリング法を利用してＭｇＯ膜に（００１）配向を与えるためには、非晶質磁性膜に到達したＭｇＯ粒子が、該非晶質磁性膜上において多結晶化するためのエネルギーと、多結晶化したなかにおいて（００１）面を優先的に配向させるためのエネルギーとを保有すること、それが必要とされる。つまりＭｇＯ膜の（００１）配向を向上させる上では、ＭｇＯ膜を構成する各種粒子に対して非晶質磁性膜の全体にわたり上記エネルギーを保有させるために、該各種粒子と他の粒子との衝突回数が基板の主面の全体にわたり所定の回数よりも低くさせるような低い成膜圧力が必要とされる。ただし、成膜圧力の低下が進行すると、マグネシウム（Ｍｇ）粒子や酸素（Ｏ）粒子のみならず、上記荷電粒子や反跳粒子も高いエネルギーを保有して非晶質磁性膜に到達することになり、このような各種粒子の高いエネルギーが、非晶質磁性膜の一部に結晶性を発現させてＭｇＯ膜の（００１）配向を阻害してしまう。

本願発明者は、このようなＭｇＯ膜の（００１）配向を阻害する要因が、成膜圧力が低下するに連れて、基板の主面を含む平面を投影面としてターゲット表面をそれの法線方向に投影した領域である投影領域において顕著に現われること、それを見出した。請求項１及び請求項３に記載の発明によれば、上記投影領域を避けるかたちにＭｇＯ膜が形成されるため、該投影領域が基板と重畳するような薄膜形成の態様と比較して、基板の全体における非晶質磁性膜へのダメージを軽減させることが可能となる。それゆえに成膜圧力が低下するとしても、このようなダメージが軽減されている分、ＭｇＯ膜の（００１）配向分布の均一性を向上させること、それが可能になる。

またトンネル効果を発現させるような極めて薄い絶縁膜をＭｇＯで形成する上では、上記（００１）配向分布の均一性と同じく、該ＭｇＯ膜の膜厚の均一性を担保することも重要になる。本願発明者は、上記投影領域を基板から離間させるというターゲットの配置を鋭利研究するなかで、ターゲットから放出されるＭｇ粒子やＯ粒子の放出角度がターゲット表面に対する法線から大きく傾斜したものであってターゲット表面の略接線方向に近いこと、それを見出した。請求項１及び請求項３に記載の発明によれば、上記投影領域を基板の主面から離間させるターゲットの配置のうち、基板の主面に対する法線とターゲット表面に対する法線とのなす角度が１４°以下であることから、回転する基板の全体にわたりＭｇ粒子やＯ粒子を均一に到達させることが可能となる。また基板の主面に対する法線とターゲット表面に対する法線とのなす角度が８°以上であることから、Ｍｇ粒子やＯ粒子が基板に到達しないことを回避することも可能となる。それゆえにＭｇＯ膜の膜厚均一性を担保させた上で（００１）配向分布の均一性を向上させること、それが可能になる。

請求項２に記載の発明は、前記ターゲット表面をそれの法線方向に投影する際に前記ターゲット表面に対する法線に沿って延びる円筒状の退避領域のうち、前記投影面上の前記投影領域とは異なる領域が前記基板の側面と接するかたちに前記ターゲット表面を配置すること、それを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、前記ターゲット表面をそれの法線方向に投影する際に前記ターゲット表面に対する法線に沿って延びる円筒状の退避領域のうち、前記投影面上の前記投影領域とは異なる領域が前記基板の側面と接するかたちに前記ターゲット表面が配置されること、それを要旨とする。

上記投影領域が基板の主面から離間すると、ターゲットから放出されるＭｇ粒子やＯ粒子が基板の主面に到達し難くなるために、ＭｇＯ膜の成膜速度も自ずと低くなってしまう。請求項２及び請求項４に記載の発明によれば、ターゲット表面をそれの法線方向に投影した領域のうち、投影領域とは異なる領域が基板の側面と接するかたちにターゲット表面が配置されることから、投影領域に起因した（００１）配向の劣化が抑えられるなかで、ＭｇＯ膜の成膜速度を最大にすることが可能となる。

本発明に係る薄膜形成装置の概略構成を該装置の側断面構造と共に示すブロック図。 （ａ）（ｂ）ターゲットと基板との位置の関係を示す側断面図及び平面図。 （ａ）（ｂ）ターゲットに対する基板の配置と基板上における酸化マグネシウムの配向の面内分布との関係を示す図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）ターゲットと基板との位置の関係を斜入射角度ごとに示す側断面図及び平面図。 基板エッジからの距離と、（００１）配向を示すピークの強度との関係を斜入射角度ごとに示すグラフ。 基板中心からの距離と面積抵抗率との関係を斜入射角度ごとに示すグラフ。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図１〜図６を参照して説明する。まず、本発明にかかる薄膜形成装置について以下に説明する。
図１に示されるように、薄膜形成装置１０における真空槽１１には、該真空槽１１の内部空間を排気するクライオポンプ等からなる排気装置１２が連結され、またこの排気装置１２と真空槽１１との間には真空槽１１の内部圧力を検出する圧力検出装置ＶＧが連結されている。そして排気装置１２が排気動作を実行すると、真空槽１１の内部が減圧されて、該内部の圧力が圧力検出装置ＶＧにより検出される。このような真空槽１１には、希ガスであるアルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、又はクリプトン（Ｋｒ）を所定の流量で供給するマスフローコントローラ等からなるガス供給装置１３が連結されている。そして上記排気装置１２が排気処理を定常的に実行する状態でガス供給装置１３が真空槽１１の内部に希ガスを供給すると、真空槽１１における内部の圧力が該内部に供給される希ガスの流量に応じて１ｍＰａ〜３００ｍＰａの範囲で変わることになる。

真空槽１１における内部空間の底部には、直径が８インチからなる円板状の基板Ｓを保持するための基板ステージ１４が基板回転装置１５の出力軸に連結されるかたちに収容されている。基板ステージ１４に支持される基板Ｓは、非晶質のコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）等、ＭｇＯ膜の下地となる非晶質磁性膜を表面に有した円板状の各種の基板、例えば直径が８インチのＳｉウェハ、ＡｌＴｉＣウェハ、ガラスウェハ等である。そして基板回転装置１５が基板ステージ１４を回転させることにより、基板ステージ１４は基板Ｓの温度を室温に維持しつつ、該基板Ｓに対する法線のうち、該基板Ｓの中心を通る基板回転軸線Ａｓを回転中心にして該基板Ｓを基板Ｓの周方向に回転させる。こうした構成からなる基板ステージ１４によれば、一つの方向から基板Ｓの表面に向けて飛行するスパッタ粒子が基板Ｓの周方向の全体にわたり均一に分散することになり、非晶質磁性膜上における堆積物の膜厚均一性を向上させること、それが可能になる。

真空槽１１の内部空間には有底筒状の下側遮蔽板１６Ａが基板ステージ１４の周囲を覆うかたちに配置され、基板ステージ１４の周囲や真空槽１１の底部に向けて飛行するスパッタ粒子がこの下側遮蔽板１６Ａの遮蔽効果により該基板ステージ１４の周囲や真空槽１１の底部に対して遮蔽される。また下側遮蔽板１６Ａの径方向の内側には基板Ｓの外周に沿う円環状のカバーリングＣＲが配置され、基板ステージ１４の周囲に向けて飛行するスパッタ粒子がこのカバーリングＣＲにより遮蔽される。

真空槽１１の天部には真空槽１１の内部にプラズマを生成するためのカソード１８が搭
載されている。カソード１８のバッキングプレート１９には１３．５６ＭＨｚの高周波電力を電力密度が２．８５Ｗ／ｃｍ^２になるように出力する高周波電源ＧＥが電気的に接続されている。このバッキングプレート１９における基板Ｓの側には、ＭｇＯが主成分となるターゲット表面Ｔａを真空槽１１の内部空間に露出する直径が５インチからなる円板状のＭｇＯターゲットＴが電気的に接続されている。このＭｇＯターゲットＴは、それのターゲット表面Ｔａが基板回転軸線Ａｓから離間し、且つ基板Ｓの表面に対して傾斜するかたちに真空槽１１に搭載されている。

上記バッキングプレート１９を挟んでＭｇＯターゲットＴの反対側には磁気回路２１が配設されており、高周波電源ＧＥからの高周波電力がバッキングプレート１９に供給される状態で磁気回路２１が駆動することにより、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａにマグネトロン磁場が形成される。そしてＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａの近傍に高密度のプラズマが生成されることよりＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａがカソードとして機能し、ターゲット表面Ｔａが希ガスのイオンによりスパッタされる。

ＭｇＯターゲットＴに対する基板Ｓの側には、基板Ｓの上方を覆うドーム状のシャッタ２２がシャッタ回転装置２３の出力軸に連結されるかたちに基板ステージ１４の直上に配置されている。シャッタ２２の一部には、上記ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａの略全体を基板Ｓに向けて露出可能にする貫通孔である開口２２Ｈが設けられている。そしてシャッタ回転装置２３がシャッタ２２を回転させることにより、シャッタ２２が基板回転軸線Ａｓを中心にして回転し、上記バッキングプレート１９に高周波電力が供給される場合には、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａと開口２２Ｈとが対向し、ＭｇＯターゲットＴに対するスパッタリングが可能になる。またバッキングプレート１９に高周波電力が供給されない場合には、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａがシャッタ２２により覆われ、ＭｇＯターゲットＴに対するスパッタリングが不能になると伴に、ターゲット表面Ｔａに対する汚染が抑制される。

以下、上記ＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとの位置の関係について図２を参照して詳細に説明する。図２（ａ）（ｂ）は、それぞれ上記ＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとの位置の関係を示す側断面図及び平面図である。

図２に示されるように、ターゲット表面Ｔａに対する法線であるターゲット法線Ａｔと基板Ｓの主面に対する法線である基板回転軸線Ａｓとのなす角度である斜入射角度θが８°以上且つ、１４°以下となるかたちにターゲット表面Ｔａは基板Ｓの主面に対して傾斜している。このターゲット表面Ｔａは、それがターゲット法線Ａｔに沿って延びる領域である円筒状の退避領域ＳＰが基板Ｓの主面と重畳しないかたちに配置され且つ、該円筒状の退避領域ＳＰが基板ＳにおけるＭｇＯターゲットＴ側の側面と接するかたちに配置されている。つまり基板Ｓの主面を含む平面を投影面としてターゲット表面Ｔａをターゲット法線Ａｔの方向に投影した領域である投影領域が基板Ｓの主面から離間し且つ、退避領域ＳＰが基板Ｓに最も近接するかたちにターゲット表面Ｔａは配置されている。なお、基板回転軸線Ａｓの方向においてターゲット表面Ｔａの中心と基板Ｓの主面の中心との距離（ターゲット高さＨ）が１９０ｍｍであり、基板Ｓの主面の接線方向においてターゲット表面Ｔａの中心と基板Ｓの主面の中心との距離が１７５ｍｍとなるかたちにターゲット表面Ｔａが配置されている。

このような構成からなる薄膜形成装置１０において成膜処理が開始されると、まず排気装置１２が真空槽１１の内部の圧力を基準値となる圧力値まで減圧されて、図示されない基板搬送装置により真空槽１１の内部へ基板Ｓが搬入される。そして非晶質磁性膜を主面に有した基板Ｓが基板ステージ１４にセットされると、シャッタ回転装置２３がシャッタ２２の開口２２Ｈとターゲット表面Ｔａとを対向させて、また基板回転装置１５が基板回
転軸線Ａｓを中心にして基板Ｓの回転を開始する。このようにして基板Ｓの回転が開始されると、ガス供給装置１３が予め設定された流量の希ガスを真空槽１１の内部へ供給して真空槽１１の圧力を成膜圧力に昇圧し、次いで高周波電源ＧＥが高周波電力をＭｇＯターゲットＴに供給してターゲット表面Ｔａのスパッタリングを開始する。そして基板Ｓの主面を構成する非晶質磁性膜上に対し予め設定された期間だけＭｇＯターゲットＴがスパッタリングされ、所望とする膜厚のＭｇＯ膜が非晶質磁性膜上に形成される。

ここで、スパッタリング法を利用してＭｇＯ膜に（００１）配向を与えるためには、上記［条件２］に記載のように、非晶質磁性膜に到達したＭｇＯ粒子が、非晶質磁性膜上において多結晶化するためのエネルギーと、多結晶化したなかにおいて（００１）面を優先的に配向させるためのエネルギーとを保有すること、それが必要とされる。つまりＭｇＯ膜の（００１）配向を向上させる上では、ＭｇＯ膜を構成する各種粒子に対して非晶質磁性膜の全体にわたり上記エネルギーを保有させるために、各種粒子と他の粒子との衝突回数が基板Ｓの主面の全体にわたり所定の回数よりも低くさせるような低い成膜圧力が必要とされる。ただし、成膜圧力の低下が進行すると、Ｍｇ粒子やＯ粒子のみならず、これらの荷電粒子やターゲット表面Ｔａからの反跳粒子も高いエネルギーを保有して非晶質磁性膜に到達することになるため、このような各種粒子の高いエネルギーが、非晶質磁性膜の一部に結晶性を発現させてＭｇＯ膜の（００１）配向を阻害してしまう。

本願発明者は、このようなＭｇＯ膜の（００１）配向を阻害する要因が、成膜圧力が低下するほど上記投影領域において顕著に現われること、それを見出した。図２に示されるように、このような投影領域を構成する退避領域ＳＰとは、基板回転軸線Ａｓから見て、基板Ｓの主面に対してＭｇＯターゲットＴの側に偏った領域である。そのため退避領域ＳＰと基板Ｓの主面とが重なる状態でＭｇＯ膜が形成されると、回転する基板Ｓの外周部の全体にわたり投影領域が重畳することとなり、基板Ｓの外周部と基板Ｓの中央部との間でＭｇＯ膜の（００１）配向の強度が大きく異なることとなる。この点、上記薄膜形成装置１０によれば、上記投影領域を避けるかたちにＭｇＯ膜が形成されるため、該投影領域が基板Ｓと重畳するような薄膜形成の態様と比較して、基板Ｓの全体における非晶質磁性膜へのダメージを軽減させることが可能となる。それゆえに成膜圧力が低下するとしても、このようなダメージが軽減されている分、ＭｇＯ膜の（００１）配向分布の均一性を向上させること、それが可能になる。ただし、上記投影領域が基板Ｓから離れるほどＭｇ粒子やＯ粒子が基板Ｓの主面に到達し難くなるため、ＭｇＯ膜の成膜速度も自ずと低くなってしまう。この点、上記薄膜形成装置１０によれば、基板ＳにおけるＭｇＯターゲットＴ側の側面と退避領域ＳＰとが接するかたちにターゲット表面Ｔａが配置されることから、該投影領域に起因した（００１）配向の劣化が抑えられるなかで、ＭｇＯ膜の成膜速度を最大にすることが可能となる。

また本願発明者は、上記投影領域を基板Ｓから離間させるというＭｇＯターゲットＴの配置を鋭利研究するなかで、ＭｇＯターゲットＴから放出されるＭｇ粒子やＯ粒子の放出角度が一般に知られる余弦則に即したものと異なり、ターゲット法線Ａｔに対して大きく傾斜したものであってターゲット表面Ｔａの略接線方向に近いこと、それを見出した。トンネル効果を発現させるような極めて薄い絶縁膜をＭｇＯで形成する上では、上記（００１）配向分布の均一性と同じく、ＭｇＯ膜の膜厚の均一性を担保することも重要になる。この点、上記薄膜形成装置１０によれば、上記投影領域を基板Ｓから離間させるＭｇＯターゲットＴの配置のうち、基板回転軸線Ａｓとターゲット法線Ａｔとのなす角度が１４°以下、すなわち基板Ｓの主面がターゲット表面Ｔａの接線方向に近いかたちにＭｇＯターゲットＴが配置されることになる。それゆえ回転する基板Ｓの全体にわたりＭｇ粒子やＯ粒子を均一に到達させることが可能となる。また基板回転軸線Ａｓとターゲット法線Ａｔとのなす角度が８°以上であることから、Ｍｇ粒子やＯ粒子が基板Ｓに到達しないことを回避することも可能となる。それゆえにＭｇＯ膜の膜厚均一性を担保させた上で（００１
）配向の均一性を向上させること、それが可能になる。
（試験例）
上記投影領域に認められる結晶配向性の傾向と、各種の斜入射角度θのもとで形成されるＭｇＯ膜の（００１）配向とについて、試験例等とともに以下に詳細に説明する。まず上記投影領域に認められる結晶配向性の傾向について図３を参照して説明する。

まず結晶配向性を測定する積層構造として、基板Ｓ／Ｔａ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）を用いた。そしてＭｇＯ膜の成膜に際して、成膜圧力が互いに異なる下記成膜条件のもと、基板Ｓの回転を停止させて試験例のＭｇＯ膜を形成し、（００１）配向を示すＭｇＯ（２００）ピーク（２θ＝４２．９°）の強度を各試験例についてＸ線回折法により計測した。図３は、試験例におけるＭｇＯ（２００）ピークの強度の分布を例示する図であり、ＭｇＯ（２００）ピークの強度が等しくなる位置を等高線Ｌａｒにより結んだ等高線図である。なお図３（ｂ）には、成膜圧力が１９ｍＰａとなる条件で形成した試験例の強度分布を例示し、図３（ａ）には、成膜圧力が３１０ｍＰａとなる条件で形成した試験例の強度分布を例示し、いずれでもＭｇＯ（２００）ピークの強度が低い領域ほど濃いドットを付して示す。
（成膜条件）
・基板Ｓ：シリコン基板（直径：８インチ）
・ターゲット：ＭｇＯターゲット（直径：５インチ）
・斜入射角度θ：２２°
・ターゲット高さＨ：１９０ｍｍ
・非晶質磁性膜：（ＣｏＦｅ）０．８Ｂ０．２
・基板温度：室温
・最短飛行距離ｄｔｓ：２００ｍｍ
・成膜圧力：１９ｍＰａ，３１０ｍＰａ
・スパッタガス：Ａｒ
・ＭｇＯ膜厚：２０ｎｍ
図３に例示されるように、基板Ｓの回転が停止された状態、つまり基板Ｓの主面とターゲット表面Ｔａとの相対位置が固定された状態でＭｇＯ膜が形成されると、基板Ｓの主面とターゲット表面Ｔａとの相対距離に応じたかたちに（００１）配向の強度分布が現われることが認められた。言い換えれば、ＭｇＯターゲットＴの縁からの距離が等しくなる位置においてＭｇＯ（２００）ピークの強度が等しくなるように、（００１）配向の強度分布が現われること、それが認められた。

また各等高線Ｌａｒにより区画された領域である投影領域Ｚ１、第２領域Ｚ２、第３領域Ｚ３、第４領域Ｚ４では、それの（００１）配向の強度として、成膜圧力に応じた以下のような傾向が認められた。すなわち図３（ａ）に示されるように、成膜圧力が比較的に高い３１０ｍＰａにおいては、第４領域Ｚ４＜第３領域Ｚ３＜投影領域Ｚ１＜第２領域Ｚ２という高低関係が認められた。一方、成膜圧力が比較的に低い１９ｍＰａにおいては、投影領域Ｚ１＜第４領域Ｚ４＜第２領域Ｚ２＜第３領域Ｚ３という高低関係が認められた。

上述するような（００１）配向の強度分布の傾向は、
・［ｄ］相対的にＭｇＯターゲットＴに近い領域である投影領域Ｚ１において該領域に到達する粒子の高いエネルギーにより非晶質磁性膜の非晶質性が失われること、
・［ｅ］相対的にＭｇＯターゲットＴから遠い領域である第４領域Ｚ４において該領域に到達する粒子の低いエネルギーによりＭｇＯの多結晶化、あるいは（００１）面の優先的な配向が促進され難いこと、それらが要因であることを示唆するものである。

そして図３（ａ）と図３（ｂ）とにおける強度分布の差異は、成膜圧力の下降に従って
上記［ｄ］が顕著になること、すなわち投影領域Ｚ１における非晶質性の消失が顕著になること、それを示唆するものである。詳述すると、上記非晶質磁性膜に到達する各種粒子は一般に、ＭｇＯターゲットＴから放出された後に他の粒子との衝突を繰り返して自身のエネルギーを低下させる。つまり上記非晶質磁性膜に到達する各種粒子が高い成膜圧力のもとで飛行するほど該粒子のエネルギーが低下することになり、反対に各種粒子が低い成膜圧力のもとで飛行するほど該粒子のエネルギーの低下が抑えられることになる。よって比較的に低い成膜圧力においては、非晶質磁性膜に到達する粒子のエネルギーが比較的に高くなるため、上記［ｄ］に起因した低強度が投影領域Ｚ１に顕著に現われることになる。

ここで、上述するような比較的に低い成膜圧力で初期のＭｇＯ膜が成膜されると、上記［ｄ］に記載されるように、高いエネルギーを保有した粒子が非晶質磁性膜に到達してしまい、このような粒子が着弾する非晶質磁性膜の部位において非晶質性が失われることとなる。そこで、このような投影領域Ｚ１が基板Ｓの主面から離間するかたちにＭｇＯターゲットＴが配置されれば、上記［ｄ］に起因した低強度が基板Ｓの主面から離間するため、比較的に低い成膜圧力でＭｇＯ膜が形成されるとしても、基板Ｓの外周において（００１）配向を失うことが抑えられる。それゆえにＭｇＯ膜における（００１）配向の均一性を向上させること、それが可能になる。

次いで、各種の斜入射角度θで形成されたＭｇＯ膜の結晶配向性について、試験例等とともに図４〜図６を参照して説明する。まず結晶配向性を測定する積層構造として、基板Ｓ／Ｔａ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）を用いた。そしてＭｇＯ膜を成膜するに際して、斜入射角度θが互いに異なる下記成膜条件のもと、基板Ｓの回転を停止させて試験例のＭｇＯ膜を形成し、ＭｇＯ（２００）ピークの強度を各試験例についてＸ線回折法により計測した。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ試験例における基板ＳとＭｇＯターゲットＴとの位置の関係を模式的に示す図である。また図５は、試験例におけるＭｇＯ（２００）ピークの強度と基板Ｓの端部（エッジ）からの距離との関係を斜入射角度ごとに示す図である。なお図５における基板Ｓの端部とは基板ＳにおけるＭｇＯターゲットＴ側の端部であり、該端部からの距離とは該端部から径方向への距離である。
（成膜条件）
・基板Ｓ：シリコン基板（直径：８インチ）
・ターゲット：ＭｇＯターゲット（直径：５インチ）
・斜入射角度θ：０°，１１°，２２°
・ターゲット高さＨ：１９０ｍｍ
・非晶質磁性膜：（ＣｏＦｅ）_０．８Ｂ_０．２
・基板温度：室温
・最短飛行距離ｄｔｓ：２００ｍｍ
・成膜圧力：１９ｍＰａ
・スパッタガス：Ａｒ
・ＭｇＯ膜厚：２０ｎｍ
図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、斜入射角度θが２２°の場合、退避領域ＳＰの一部が基板Ｓの外周部に重畳して基板Ｓの主面上に投影領域が形成されることになる。これに対して斜入射角度θが１１°になると、退避領域ＳＰの一部が基板Ｓの側面に接して基板Ｓの主面から投影領域が離間することになる。そして斜入射角度θが０°になると、退避領域ＳＰそのものが基板Ｓから離間して基板Ｓの主面から投影領域がさらに離間することになる。

図５に示されるように、斜入射角度θが２２°になると、基板ＳのＭｇＯターゲットＴ側（基板エッジからの距離が０ｍｍ〜５０ｍｍ）には投影領域Ｚ１に合わせてピーク強度
が著しく低くなる領域が認められた。そして基板Ｓの端部から１００ｍｍの付近、すなわち基板Ｓの中央部においてピーク強度が最も高くなる領域が認められ、該中央部から基板Ｓの他端部へ移るにつれて再びピーク強度が低くなる傾向が認められた。一方、斜入射角度θが１１°になると、斜入射角度θが２２°の場合と比較して基板ＳのＭｇＯターゲットＴ側におけるピーク強度に大幅な増大が認められ且つ、基板Ｓの中央部、及び基板Ｓの他端部においても斜入射角度θが２２°の場合と略同程度のピーク強度が認められた。つまり投影領域Ｚ１が基板Ｓの主面から離間することにより、該投影領域Ｚ１に起因した（００１）配向の強度の低下が抑えられ、基板Ｓの主面における強度分布の均一化が図れること、それが認められた。これに対して、斜入射角度θが０°の場合には、斜入射角度θが１１°の場合と比較して基板ＳのＭｇＯターゲットＴ側におけるピーク強度にさらなる増大が認められる一方、基板Ｓの他端部においては斜入射角度θが２２°，１１°の場合と略同程度のピーク強度が認められた。つまり投影領域Ｚ１が基板Ｓの主面から離間することにより、該投影領域Ｚ１に起因した（００１）配向の強度の低下が抑えられるものの、基板Ｓの他端部と基板Ｓの中央部とのピーク強度の差も増大しているために、斜入射角度θが１１°の場合と比較して、基板Ｓの主面における強度分布の均一性が図られないこと、それも認められた。

次いで、ＭｇＯ膜を利用したトンネル磁気抵抗素子の比抵抗値に関する斜入射角度θの依存性について、実施例等とともに図６を参照して説明する。まずトンネル磁気抵抗素子の素子構造として、基板Ｓ／Ｔａ（５ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（２．５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（７ｎｍ）を用いた。そしてＭｇＯの形成に際して、下記成膜条件のもと、斜入射角度θを１１°に設定して基板Ｓを回転させつつ実施例のトンネル磁気抵抗素子を形成し、該トンネル磁気抵抗素子の面積抵抗ＲＡを計測した。また同成膜条件のもと、斜入射角度θのみを２２°に変更して比較例のトンネル磁気抵抗素子を形成し、該トンネル磁気抵抗素子の面積抵抗ＲＡを計測した。図６は、各測定点における面積抵抗ＲＡを基板Ｓの中心における面積抵抗ＲＡＣで規格化した値と、基板Ｓの中心からの距離との関係を斜入射角度ごとに示す図である。
（成膜条件）
・基板Ｓ：シリコン基板（直径：８インチ）
・ターゲット：ＭｇＯターゲット（直径：５インチ）
・斜入射角度θ：１１°，２２°
・ターゲット高さＨ：１９０ｍｍ
・非晶質磁性膜：（ＣｏＦｅ）_０．８Ｂ_０．２
・基板温度：室温
・最短飛行距離ｄｔｓ：２００ｍｍ
・成膜圧力：１９ｍＰａ
・スパッタガス：Ａｒ
・ＭｇＯ膜厚：２．５ｎｍ
図６に示されるように、斜入射角度θが１１°である場合、基板Ｓの外周部が基板Ｓの中心部よりも若干に高い面積抵抗率ＲＡ／ＲＡＣを有するものの、このような傾向は斜入射角度θが２２°である場合と比較して非常に小さく、基板Ｓの全体における面積抵抗率ＲＡ／ＲＡＣの均一性が大幅に向上していることが認められた。すなわち斜入射角度θが１１°である場合には投影領域Ｚ１を避けるかたちにＭｇＯ膜が形成されるため、該投影領域Ｚ１が基板Ｓと重畳するような薄膜形成の態様と比較して、基板Ｓの全体における非晶質磁性膜へのダメージを軽減させること、つまりＭｇＯ膜の（００１）配向分布の均一性を向上させることが可能になり、ひいてはトンネル磁気抵抗素子の面積抵抗ＲＡの均一性を向上できることが認められた。

なおトンネル効果を発現させるような極めて薄い絶縁膜をＭｇＯで形成する上では、上
記（００１）配向分布の均一性と同じく、該ＭｇＯ膜の膜厚の均一性を担保することも重要になる。本願発明者は、上記投影領域Ｚ１を基板Ｓから離間させるというＭｇＯターゲットＴの配置を鋭利研究するなかで、ＭｇＯターゲットＴから放出されるＭｇ粒子やＯ粒子の放出角度がターゲット法線Ａｔから大きく傾斜したものであってターゲット表面Ｔａの略接線方向に近いこと、それを成膜速度と斜入射角度θとの関係から見出した。表１は、ＭｇＯ膜の成膜速度及びそれの均一性と斜入射角度θとの関係を示す。

表１に示されるように、上記投影領域Ｚ１を基板Ｓから離間させるＭｇＯターゲットＴの配置のうち、斜入射角度θが１４°以下且つ、８°以上であれば、基板面内において±１％以下の膜厚均一性が得られること、つまり回転する基板Ｓの全体にわたりＭｇ粒子やＯ粒子を均一に到達させることが可能であること、それが認められた。すなわちターゲット表面Ｔａから放出される粒子の放出角度がターゲット表面Ｔａの接線方向に近いため、ターゲット表面Ｔａと基板Ｓの主面とのなす角度が８°未満であっては、ターゲット表面Ｔａから放出される粒子が基板Ｓの主面においてＭｇＯターゲットＴに近い側に偏ってしまうことが認められた。これに対して、ターゲット表面Ｔａと基板Ｓの主面とのなす角度が１４°を超えると、ターゲット表面Ｔａから放出される粒子が基板Ｓの主面においてＭｇＯターゲットＴから遠い側に偏ってしまうことが認められた。そしてターゲット表面Ｔａと基板Ｓの主面とのなす角度が８°以上且つ、１４°以下であれば、ターゲット表面Ｔａから放出される粒子が基板Ｓの主面に対して偏ること、それが回避可能であることが認められた。また斜入射角度が８°以上であれば、０．４０ｎｍ／ｍｉｎ以上の高い成膜速度が得られること、つまりＭｇ粒子やＯ粒子が基板Ｓに到達し難いために成膜速度が過剰に低下すること、それも回避できることが認められた。それゆえに斜入射角度θが８°以上且つ、１４°以下に設定される上記薄膜形成装置１０であれば、ＭｇＯ膜の膜厚均一性を担保させた上で（００１）配向分布の均一性を向上させること、それが可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）基板Ｓの主面を含む平面を投影面としてターゲット表面Ｔａをターゲット法線Ａｔの方向に投影した領域である投影領域Ｚ１が基板Ｓから離間するかたちにターゲット表面Ｔａが配置される。それゆえに投影領域Ｚ１を避けるかたちにＭｇＯ膜が形成されるため、該投影領域Ｚ１が基板Ｓと重畳するような薄膜形成の態様と比較して、基板Ｓの全体における非晶質磁性膜へのダメージを軽減させることが可能となる。それゆえに成膜圧力が低下するとしても、このようなダメージが軽減されている分、ＭｇＯ膜の（００１）配向分布の均一性を向上させること、それが可能になる。

（２）また投影領域Ｚ１を基板Ｓから離間させるＭｇＯターゲットＴの配置のうち、基板回転軸線Ａｓとターゲット法線Ａｔとのなす角度である斜入射角度θが１４°以下であることから、回転する基板Ｓの全体にわたりＭｇ粒子やＯ粒子を均一に到達させることが可能となる。また基板回転軸線Ａｓとターゲット法線Ａｔとのなす角度が８°以上であることから、Ｍｇ粒子やＯ粒子が基板Ｓに到達しないことを回避することも可能となる。それゆえにＭｇＯ膜の膜厚均一性を担保させた上で（００１）配向分布の均一性を向上させ
ること、それが可能になる。

（３）退避領域ＳＰが基板Ｓの側面と接するかたちにターゲット表面Ｔａが配置されることから、投影領域Ｚ１に起因した（００１）配向の劣化が抑えられるなかで、ＭｇＯ膜の成膜速度を最大にすることが可能となる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、退避領域ＳＰが基板ＳにおけるＭｇＯターゲットＴ側の側面に接するかたちを前提としたが、これに換えて、退避領域ＳＰが基板Ｓの側面から離間するかたちにターゲット表面Ｔａが配置される構成であってもよい。このような構成であっても、基板Ｓの主面から投影領域Ｚ１が離間する以上、上記（１）（２）に記載の効果を得ることができる。

θ…斜入射角度、Ａｓ…基板回転軸、Ａｔ…ターゲット法線、Ｓ…基板、ＳＰ…退避領域、Ｔ…ターゲット、Ｔａ…ターゲット表面、Ｚ１…投影領域、１０…薄膜形成装置、１１…真空槽、１２…排気装置、１３…ガス供給装置、１４…基板ステージ、１６Ａ…下側遮蔽板、１８…カソード、１９…バッキングプレート、２２…シャッタ、２２Ｈ…開口、２３…シャッタ回転装置。

Claims (4)

1. 非晶質磁性膜を主面に有した円板状の基板を収容する真空槽の内部で該基板をそれの周方向に回転させながら該真空槽の内部へ希ガスを供給し、前記真空槽の内部に酸化マグネシウムからなるターゲット表面を露出して該ターゲット表面が前記基板の主面に対し傾斜するかたちに配置されたターゲットを前記希ガスでスパッタすることにより（００１）配向の酸化マグネシウム膜を前記非晶質磁性膜上に形成する薄膜形成方法であって、
   前記基板の主面を含む平面を投影面として前記ターゲット表面をそれの法線方向に投影した領域である投影領域が前記基板の主面から離間するかたちに前記ターゲット表面を配置し且つ、前記基板の主面に対する法線と前記ターゲット表面に対する法線とのなす角度を８°以上で１４°以下にする
   ことを特徴とする薄膜形成方法。
2. 前記ターゲット表面をそれの法線方向に投影する際に前記ターゲット表面に対する法線に沿って延びる円筒状の退避領域のうち、前記投影面上の前記投影領域とは異なる領域が前記基板の側面と接するかたちに前記ターゲット表面を配置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
3. 非晶質磁性膜を主面に有した円板状の基板をそれの周方向に回転させる基板ステージを収容して内部に希ガスが供給される真空槽と、
   前記真空槽の内部に酸化マグネシウムからなるターゲット表面を露出して該ターゲット表面が前記基板の主面に対し傾斜するかたちに配置されたターゲットとを備え
   前記ターゲットに高周波電力を供給して前記ターゲット表面を前記希ガスでスパッタすることにより（００１）配向の酸化マグネシウム膜を前記非晶質磁性膜上に形成する薄膜形成装置であって、
   前記基板の主面を含む平面を投影面として前記ターゲット表面をそれの法線方向に投影した領域である投影領域が前記基板の主面から離間するかたちに前記ターゲット表面が配置され且つ、前記基板の主面に対する法線と前記ターゲット表面に対する法線とのなす角度が８°以上で１４°以下である
   ことを特徴とする薄膜形成装置。
4. 前記ターゲット表面をそれの法線方向に投影する際に前記ターゲット表面に対する法線に沿って延びる円筒状の退避領域のうち、前記投影面上の前記投影領域とは異なる領域が前記基板の側面と接するかたちに前記ターゲット表面が配置される
   ことを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成装置。