JP5596694B2 - 薄膜形成方法 - Google Patents
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Description
[a]MgO膜の下地となる磁性膜が非晶質であること、
[b]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、
という条件が必要とされる。
記第1圧力領域下で形成された前記下層の酸化マグネシウム層の(001)配向は、前記第2圧力領域下で形成された前記上層の酸化マグネシウム層の(001)配向よりも低い。
上記薄膜形成装置10における上記境界圧力Pthと、該境界圧力Pthのもとで形成される下層のMgO膜の最適な膜厚とについて、試験例等とともに以下に詳細に説明する。まず上記薄膜形成装置10における上記境界圧力Pthについて図3〜図5を参照して説明する。
(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)
・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:10mPa,19mPa,33mPa,82mPa,157mPa
・スパッタガス:Ar
・MgO膜厚:20nm
図3に示されるように、基板Sが回転する状態でMgO膜が形成された場合、このようなMgO膜では、基板Sの中心部から基板Sの外周部に近づくほど、MgO(200)ピークの強度が低くなる傾向が認められた。また成膜圧力が高くなるほどMgO(200)ピークの強度それ自体が低くなるものの、上述するような傾向は概ね全圧力の範囲で認められた。また図4に示されるように、基板Sが回転する状態でMgO膜が形成された場合、このようなMgO膜では、基板Sの中心部から基板Sの外周部に近づくほど、MgO(200)ピークの半値幅が広くなる傾向が認められた。また成膜圧力が高くなるほどMgO(200)ピークの半値幅それ自体が広くなるものの、上述するような傾向は概ね全圧力の範囲で認められた。つまり上述するような薄膜形成装置10では、成膜圧力が固定された状態でMgO膜が形成されると、該MgO膜においては、基板Sの外周部で(001)配向が低く且つ、基板Sの中央部で(001)配向が高くなる傾向が全成膜圧力領域において認められた。
・[a1]相対的にMgOターゲットTに近い領域である第1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、
・[b1]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、が要因であることを示唆するものである。
σ*:衝突相対直径
nAr:真空槽11の内部におけるアルゴンガスの分子密度(個/m3)
σX:算出対象となる粒子X(Mg粒子あるいはO粒子)の分子直径
σAr:アルゴン粒子の分子直径
kB:ボルツマン定数
PAr:真空槽11における内部の圧力(成膜圧力)
T:真空槽11における内部の温度(成膜温度:27℃)
(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)
・非晶質磁性膜:(CoFe)0.8B0.2
・基板温度:室温
・最短飛行距離dts:200mm
・スパッタガス:Ar・低成膜圧力:10mPa
・高成膜圧力:157mPa
・下層成膜時間:0秒,60秒,90秒,120秒,180秒
・上層成膜時間:3000秒
図7に示されるように、下層成膜時間が60秒の場合、下層成膜時間が0秒の場合と比較して、基板Sの外周部ではMgO(200)ピーク強度の増大が認められないものの、基板Sの中央部においてMgO(200)ピーク強度の増大が認められた。そして下層成膜時間が90秒の場合、下層成膜時間が60秒の場合と比較して、基板Sの外周部及び基板Sの中央部の双方においてMgO(200)ピーク強度の増大が認められた。つまり高成膜圧力のもとで下層のMgO膜が形成されることにより、上記[a1]に起因した(001)配向の強度の低下が抑えられ、MgO(200)ピーク強度の向上が図れることが認められた。
(1)本方法は、酸化マグネシウム(MgO)よりなるターゲット表面Taを希ガスによりスパッタして基板Sの表面である非晶質磁性膜上に(001)配向のMgO膜を形成することを含む。この形成工程では、まず、非晶質磁性膜の非晶質性を保持する第1圧力領域(本実施例では圧力P2)下でスパッタが行われて下層のMgO膜が形成される。次いで、非晶質磁性膜の非晶質性を保持しない第2圧力領域(本実施例では圧力P1)下でスパッタが行われて上層のMgO膜が形成される。この方法によれば、第2圧力領域下でターゲット表面Taから放出される粒子(MgやO)の入射エネルギーが非晶質磁性膜に吸収されることが下層のMgO膜により抑制される。よって、非晶質磁性膜の表面の改質が抑えられる。つまり、下層のMgO膜は非晶質磁性膜の非晶質性の消失を抑制する。これにより、非晶質磁性膜の非晶質性を維持しつつ、非晶質磁性膜上に形成されるMgO膜の(001)配向性を向上させることができる。
・高成膜圧力P2(高圧領域)から低成膜圧力P1(低圧領域)への移行に際して高周波電力をMgOターゲットTに供給し続けることを前提としたが、これに換えて、該移行に際して、MgOターゲットTへの高周波電力の供給が一旦停止されてもよく、また希ガスの供給が一旦停止される構成であってもよい。このような構成であれば、上記(1)〜(4)の効果に加え、高成膜圧力P2から低成膜圧力P1への過渡的な成膜状態が回避可能となるため、下層のMgO膜における配向強度の再現性、及び上層のMgO膜における配向強度の再現性を向上させることが可能にもなる。
Claims (5)
- (001)配向の酸化マグネシウム膜を非晶質磁性膜上に形成する薄膜形成方法であって、
前記非晶質磁性膜よりなる表面を有した基板を収容する真空槽の内部において、酸化マグネシウムよりなる表面を有したターゲットを希ガスによりスパッタして前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することを備え、
前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することは、
前記ターゲットから放出された粒子が入射した前記非晶質磁性膜において非晶質性が保持される第1圧力領域下で下層の酸化マグネシウム膜を形成すること、
前記ターゲットから放出された粒子が入射した前記非晶質磁性膜において非晶質性が保持されない第2圧力領域下で前記下層の酸化マグネシウム膜上に上層の酸化マグネシウム膜を積層すること、を含み、
前記第1圧力領域下で形成された前記下層の酸化マグネシウム膜の(001)配向は、前記第2圧力領域下で形成された前記上層の酸化マグネシウム膜の(001)配向よりも低い
ことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項1に記載の薄膜形成方法において、
前記下層の酸化マグネシウム膜を形成することは、3原子層以上で4原子層以下の厚さで前記下層の酸化マグネシウム膜を形成することを含む、薄膜形成方法。 - 請求項1又は2に記載の薄膜形成方法において、
前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することは、
前記真空槽に収容された前記基板を回転させながら前記真空槽内へ前記希ガスを供給すること、
前記ターゲットに対し高周波電力を供給することにより前記ターゲットの表面を前記希ガスでスパッタすること、を含み、
前記ターゲットの表面は、前記基板の回転軸から離間して且つ、前記基板の表面に対して傾斜して配置されていることを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の薄膜形成方法において、
前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することは、前記ターゲットをスパッタしつつ前記真空槽の内部に供給する前記希ガスの流量を減少させることにより前記真空槽の内部を前記第1圧力領域から前記第2圧力領域に切替えることを含む
ことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の薄膜形成方法において、
前記非晶質性が保持される第1圧力領域は、前記ターゲットから放出された粒子が前記非晶質磁性膜に到達するまでに他の粒子と衝突する平均衝突回数が、前記ターゲットから放出された粒子が入射した前記非晶質磁性膜において非晶質性が保持される回数となるときの圧力領域であることを特徴とする薄膜形成方法。
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