JP6016946B2 - 酸化処理装置、酸化方法、および電子デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化処理装置、酸化方法、および電子デバイスの製造方法に関し、より詳細には、電子デバイス（例えば、トンネル磁気抵抗素子）の一要素を酸化する酸化処理装置、酸化方法、および電子デバイスの製造方法に関するものである。

これまで磁気抵抗変化素子は、主にハードディスクドライブのメディアからの磁場を読み込む素子に用いられてきた。この磁気抵抗素子は、磁場を素子に印加することにより、電気抵抗が変化する磁気抵抗効果を利用しており、ハードディスクドライブ産業においては、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ）を用いたＧＭＲヘッドから更に抵抗変化率が大きいトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ）を用いたＴＭＲヘッドが用いられており、飛躍的に記録密度が改善されている。一方、このＴＭＲ技術を半導体素子と融合した集積化磁気メモリであるＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）は、既に製品化が開始されている。ＭＲＡＭは、これまで半導体素子のみで形成してきたＳＲＡＭやＤＲＡＭとは異なり、半導体デバイスの上部に磁性体のＴＭＲ素子を形成する。また、不揮発性であるため、モバイル市場において消費電力を飛躍的に改善できることから、更なる大容量化が期待されている。

ＭＲＡＭは、非特許文献１に示すようにＴＭＲ素子において、フリー層とリファレンス層の磁化方向が積層膜方向に対して垂直方向に磁化回転する面内磁化型（Ｉｎ−ｐｌａｎｅ）の素子が用いられる。このＭＲＡＭは、データを記憶するメモリセルが大きく、記憶容量を大きくできないことが問題であった。しかし、近年の研究開発により、スピン注入を用いたＳＴＴ（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）−ＭＲＡＭはＭＲＡＭの弱点を克服し、大容量化が期待できる。この技術は、電子のスピンによって生じる磁気モーメントを利用して磁性体の磁化の方向を変えられるため、微細化とともにデータの書き込みに必要な電流値を小さくすることができる。よって、素子サイズが小さくなっても動作することができ、高密度化に適している。このＳＴＴ−ＭＲＡＭはＭＲＡＭと同様に面内磁化型（Ｉｎ−ｐｌａｎｅ）とフリー層とリファレンス層の磁化方向が積層膜方向と同方向に磁化回転する垂直磁化型（Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）の素子が用いられる。垂直磁化型の代表的な積層膜構造が非特許文献２に開示されている。さらに、素子サイズが小さくなっても磁化反転ができるように材料や構造の研究開発が活発化しており、非特許文献３に示すようなフリー層の上部に酸化物層を形成する構造も報告されている。

ＴＭＲ素子の製造においては、非特許文献１及び非特許文献２に示される構造のみならず、所望の成膜材料から成るターゲットをスパッタリングすることにより、対向する基板上に成膜するスパッタリング成膜（以下単にスパッタともいう）方法が広く用いられている（特許文献１参照）。さらにスパッタ装置だけでは無く、素子抵抗変化率を改善するための結晶化アニール装置、アニール後の基板冷却装置、酸化層形成のための酸化装置が必要となってきている。今後は、ＳＴＴ−ＲＡＭの実用化へ向けて、これらの装置を駆使し、材料のみならず高性能な素子構造の開発が必須である。

国際公開第２０１２／０８６１８３号

Ｙｏｕｎｇ−ｓｕｋ Ｃｈｏｉ ｅｔ ａｌ, Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. ４８ (２００９)１２０２１４ Ｄ.Ｃ. Ｗｏｒｌｅｄｇｅ ｅｔ ａｌ, Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. Ｌｅｔｔ. ９８ (２０１１)０２２５０１ Ｋｕｂｏｔａ ｅｔ ａｌ, Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. １１１, ０７Ｃ７２３ (２０１２)

しかしながら、上述の技術にはそれぞれ以下のような課題が存在する。

特許文献１に記載の製造方法では、垂直磁化型積層膜として、Ｔａ、Ｒｕ、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯの４種類の材料をスパッタした構造が示されているが、高密度化が進むとＳＴＴ−ＲＡＭ積層構造が複雑化し、より多くの積層膜を形成する必要がある。具体的には、非特許文献２に示される構造である。一方、ＭｇＯは、絶縁体であるＭｇＯターゲットをＲＦスパッタにより形成するか、導電体であるＭｇをＤＣスパッタもしくはＲＦスパッタにより形成した後、酸化処理により形成される。

ＭＲＡＭにおいては、抵抗変化率を高くするため、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ界面のＭｇとＯ原子の結合状態を制御することが重要であり、且つ面内のＲＡ分布（抵抗と素子面積の積）を小さくすることが課題となっている。抵抗変化率が低い場合は、ＯＮ／ＯＦＦ信号が分離できないため、メモリとして機能しない。また、ＲＡ分布が悪い場合においても、面内に形成されたＭＲＡＭ素子がＯＮ／ＯＦＦできず、メモリとして機能しない。そのため、抵抗変化率を高くし、面内のＲＡ分布をさらに良くしなければならないという課題がある。

従来は、ある膜の酸化処理を行う際、酸化処理チャンバに酸素を導入して酸化を行うため、酸化処理チャンバの内壁に囲まれた空間が酸化処理空間となる。上記酸化処理の際には、上記酸化処理空間を区画する壁である酸化処理チャンバの内壁に酸素が吸着することがある。該内壁に酸素が吸着すると、酸素が吸着した内壁部分から酸素ガスの放出が起こる。よって、酸化処理が終了して酸化処理チャンバ内を排気しても、上記吸着した酸素が内壁部分に残り、該内壁部分からの酸素ガスの放出が続くことになる。このように、排気が行われても、酸化処理空間を区画する壁からの酸素ガスの放出が続くと、素子特性（ＭＲ比やＲＡ分布）が安定しない。例えば、ある酸化処理のために酸化処理チャンバ内に酸素ガスを導入し、酸化処理を行い、酸化処理完了後の酸素ガスを排気しても、上記酸素ガスが残留している場合がある。すると、次の基板の酸化処理を行おうとするとすでに想定外の酸素ガスが酸化処理チャンバ内に存在しているので、酸化処理が残存酸素により進行してしまう。すなわち、意図しない酸化処理が進行し、過剰に酸化処理が行われる。このように、過剰に酸化処理が行われると、ＭＲ比やＲＡ分布の悪化に繋がってしまう。さらには、酸化処理毎に実効酸化処理時間が変動してしまうことがあり、作製された素子毎のＭＲ比やＲＡ分布といった素子特性の不安定化を招いてしまう。

また、酸化処理チャンバ内に酸素ガスが滞在する時間を短縮しないと、スループットが遅くなり、生産性が劣化し、半導体デバイスにおけるコストが増加する。スループットの低下を抑制しつつ所望のＭｇＯ膜を形成するための酸化処理を短時間で行われなければならないという課題がある。さらに、酸化処理チャンバ内に酸素ガスが残留し、酸化処理後、所定の圧力まで排気する時間が長くなるため、スループットをより遅くさせうる。また、不純物が界面へ吸着することにより、金属積層膜構造において、結晶欠陥の発生や特性劣化を招くという課題がある。

また、ＭＲＡＭ素子の製造において、トンネル障壁層を構成するＭｇＯ膜を形成する際には、酸化処理チャンバ内で適切な酸化度合いが得られることが必要であり、ここに至るウエハ移動の途中等の段階では、不必要な酸化を生じさせないことが望ましく、このためにも酸化処理装置の小型化が望まれる。

さらに、特許文献１に記載のスパッタ装置では、基板導入室を含む１つの基板搬送チャンバに、酸化チャンバと、加熱用チャンバと、洗浄(エッチング)用チャンバと、それぞれが３つのターゲットを有した４つのスパッタチャンバを接続した構成が示されている。しかし、特許文献１には、スループットを向上させ、不純物が界面へ吸着することにより、金属積層膜構造において、結晶欠陥の発生や特性劣化を解決する手段は何ら開示されていない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、基板を酸化する際に、酸化処理空間を区画する壁に酸素が吸着した量を低減し、スループットを向上し、上記酸化処理される基板に形成された膜（例えば、磁性膜）への不純物の混入を低減可能な酸化処理装置、酸化方法、および電子デバイスの製造方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板に対して酸化処理を行う酸化処理装置であって、処理容器と、前記処理容器内に設けられ、前記基板を保持するための基板保持面を有する基板ホルダと、前記処理容器内に酸素ガスを導入するための酸素ガス導入手段と、前記処理容器内に設けられた囲み部と、前記基板ホルダと前記囲み部との相対位置を変化させ、前記基板保持面と前記囲み部とで空間を形成可能な位置変化手段とを備え、前記囲み部は、前記空間の形成時において、前記基板保持面を囲み、かつ前記基板ホルダとの間に間隙が形成されるように設けられており、前記ガス導入手段は、前記酸化処理時において、前記酸素ガスを前記処理容器内に形成された前記空間に限定的に導入するように設けられており、前記酸素ガス導入手段から前記空間内に導入された酸素ガスは、前記間隙を通して前記空間から排気されることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、基板に対して酸化処理を行う酸化方法であって、処理容器内に設けられた基板ホルダが有する基板保持面上に基板を保持させる工程と、前記基板ホルダの前記処理容器に対する相対位置を変化させて、前記基板保持面と、前記処理容器内に設けられた囲み部とにより形成される空間を、前記処理容器内に形成する工程であって、前記囲み部により前記基板保持面が囲まれ、かつ該囲み部と前記基板ホルダとの間に間隙が形成されるように前記空間を形成する工程と、前記空間内に酸素ガスを限定的に導入して、前記基板保持面上に保持された基板の酸化処理を行う工程とを有し、前記空間内に導入された酸素ガスは、前記間隙を通して該空間から排気されることを特徴とする。

本発明によれば、基板を酸化する際に、酸化処理空間を区画する壁への酸素吸着量を低減し、スループットを向上し、上記酸化処理される基板に形成された膜（例えば、磁性膜）への不純物の混入を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る酸化処理に適用される素子の一例である面内磁化型素子の積層構造の模式図である。 本発明の一実施形態に係る酸化処理に適用される素子の一例である垂直磁化型素子の積層構造の模式図である。 本発明の一実施形態に係る酸化処理に適用される素子の一例である面内磁化型素子の積層構造の模式図である。 本発明の一実施形態に係る酸化処理装置の基板搬送状態における概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る酸化処理装置の酸化処理状態における概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る、基板ホルダを移動させることにより囲み部を加熱する様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、酸化処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る、基板ホルダの概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る酸化処理装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る酸化処理装置の概略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。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に示される複雑なトンネル磁気抵抗素子構造を形成するための酸化処理を短時間で行うことで、スループットの低下を抑制しつつ、且つＲＡ分布を均一にすることが可能であることを見出した。具体的には、１つの酸化処理装置で処理する時間は約２分以下であることが好ましい。また、本発明の一実施形態に係る酸化処理装置は、真空度劣化による界面への不純物吸着を抑制するため、超高真空を保つことができる。本発明者らは、これにより、特に素子特性に寄与する膜を酸化処理し、不純物の吸着を抑制することが可能であり、金属積層膜構造における結晶欠陥の発生や特性劣化を低減してトンネル磁気抵抗素子を製造することができることを見出した。また、本発明の一実施形態に係る真空処理装置は、処理容器を小さくしなくても酸化処理空間（基板に対する酸化処理が行われる空間）を区画する壁の表面積を小さくすることができる。よって、酸化処理空間を区画する壁に吸着する酸素の量を低減することができ、さらに、酸化処理空間自体を小さくするので、酸化プロセスまでの立ち上げ時間、および酸化プロセスを終了させるのに要する時間を短くすることができ、スループット低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態では、基板に対して酸化処理を行う酸化処理装置において、該酸化処理装置が備える処理容器の内部に、該処理容器の内壁により区画される空間よりも小さいある空間を形成し、該ある空間を酸化処理空間（基板に対する酸化処理が行われる空間）とする。本発明の一実施形態では、処理容器内に設けられた囲み部（上記酸化処理空間を区画するための区画部）と、処理容器内に設けられた基板ホルダ（具体的には、例えば基板保持面）とにより上記酸化処理空間を形成し、該形成された酸化処理空間内に酸化処理のための酸素ガスが限定的に導入される。さらに、囲み部を、上記酸化処理空間の形成時に、基板保持面を囲み、基板ホルダとの間に間隙が形成されるように構成し、上記酸化処理空間内に導入された酸素ガスを、上記間隙を通して酸化処理空間から排気する。

本発明の一実施形態では、このような酸化方法を用いて電子デバイス（例えば、トンネル磁気抵抗素子など）を製造することができる。

図１は、非特許文献１に記載の面内磁化型素子(以下、ＭＴＪ素子)の積層構造の模式図である。ＭＴＪ素子１００では、まず、処理基板の上に、下部電極層１０８として、例えばタンタル（Ｔａ）と銅（Ｃｕ）を含む化合物を積層する。例えばＴａ（５ｎｍ）／ＣｕＮ（２０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）のような構造とする。上部のＴａは下地膜の役目を兼ね備えており、Ｔａ以外でもハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）などの金属としても良い。さらに、その上に例えばニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）のうち少なくとも1つの元素を含む層を成膜しても良い。

その上に例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＲｕＲｈＭｎまたはＣｒＰｔＭｎ等からなる反強磁性層１０７を３〜２０nm程度成膜する。その上に例えばＣｏＦｅ等の磁性膜からなる厚さ１〜５nm程度のリファレンス層１０６と、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）のうち少なくとも１つから選ばれる、またはこれらの金属のうち２つ以上の合金からなる厚さ０．８５nm程度の非磁性中間層１０５と、例えばＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢ等の磁性膜からなる厚さ１〜５nm程度のリファレンス層１０４を成膜する。反強磁性層１０７、固定磁性層１０６、非磁性中間層１０５、固定磁性層１０４はシンセティック型のリファレンス層を形成する。このリファレンス層は反強磁性層とリファレンス層１０６の２層構造から成る構成でも良い。リファレンス層は磁化方向が固定された層である。

その上にバリア層１０３を形成する。バリア層１０３は高いＭＲ比を得るためにＭｇＯが好適である。その他、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物でも良い。尚、酸化物はＲＦスパッタなどを用いてダイレクトに形成する方法、金属を成膜してから酸化する方法のどちらでも良い。酸化はチャンバを封止酸化、排気を行いながらのフロー酸化、活性酸素を利用したラジカル酸化またはプラズマ酸化などで行われる。その上に、例えばＣｏＦｅＢもしくはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の少なくとも１つまたは２つ以上の合金からなる材料を、１層または２層以上形成する構造であるフリー層１０２を１〜１０ｎｍ程度成膜する。フリー層は磁化が固定されていない層であり、リファレンス層の磁化との相対角度によって抵抗を変化させる。その上に上部電極層１０１として、例えばＴａ（８ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｃｕ（３０ｎｍ）/Ｒｕ（７ｎｍ）のような積層構造を成膜する。この層は素子を保護する機能を有しており、Ｔａの部分は、例えばルテニウム（Ｒｕ）、Ｔｉ（チタン）またはＰｔ（プラチナ）などの材料に置き換えても良い。このようなＴＭＲ素子はクラスタ型基板処理装置によって、真空一貫で作製される。

なお、図１では、反強磁性層１０７は１５ｎｍのＰｔＭｎであり、リファレンス層１０６は２．５ｎｍのＣｏ_７０Ｆｅ_３０であり、非磁性中間層１０５は０．８５ｎｍのＲｕであり、リファレンス層１０４は３ｎｍのＣｏ_６０Ｆｅ_２０Ｂ_２０であり、バリア層１０３は１．０ｎｍのＭｇＯであり、フリー層１０２は３ｎｍのＣｏ_６０Ｆｅ_２０Ｂ_２０である。

図２は、非特許文献２に記載の垂直磁化型素子(以下、ｐ−ＭＴＪ素子)の積層構造の模式図である。ｐ−ＭＴＪ素子２００では、まず、基板上に、バッファー層２１１、２１０を成膜する。例えば、バッファー層２１１にはニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）少なくとも１つの元素を含む材料が用いられる。また、バッファー層２１０にはタンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）などの金属が良く、その他、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物としても良い。

その上に、フリー層２０９として、例えばＣｏＦｅＢを成膜する。さらにＣｏＦｅＢとＭｇＯの間にＣｏ、Ｆｅの少なくとも１つまたは２つ以上の合金を配置してもよい。ＣｏＦｅＢもしくはＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ磁性層の膜厚はトータルで０．８〜２．０ｎｍ程度である。その上に、バリア層２０８を形成する。バリア層は高いＭＲ比を得るためにＭｇＯが好適である。その他、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物でも良い。尚、酸化物はＲＦスパッタなどを用いてダイレクトに形成する方法、金属を成膜してから酸化する方法のどちらでも良い。酸化はチャンバを封止酸化、排気を行いながらのフロー酸化、活性酸素を利用したラジカル酸化またはプラズマ酸化などで行われる。

その上に、ＣｏＦｅ等からなる厚さ０．２〜１ｎｍ程度のリファレンス層２０７と、ＣｏＦｅＢ等からなる厚さ０．５〜２．０ｎｍ程度のリファレンス層２０６と、Ｔａなどからなる配向分離層２０５と、垂直磁気異方性をリファレンス層２０６およびリファレンス層２０７に付与するリファレンス層２０４を成膜する。図２では、例としてリファレンス２層はＣｏ／Ｐｄの積層構造を示したが、その他にもＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉのような積層構造、ＴｂＴｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏのようなアモルファス材料、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌのような規則化合金のいずれの形態でも良い。また、リファレンス層２０７を省いて、リファレンス層２０６のＣｏＦｅＢが直接バリア層２０８に接する形としても良い。さらに、配向分離層２０５はＴａ以外にも、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）の少なくとも一つもしくは２つ以上の合金やマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物としても良い。

その上に、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）のうち少なくとも１つまたは２つ以上の合金からなる厚さ０．８ｎｍ程度の非磁性中間層２０３を形成する。その上に、Ｃｏ／ＰｄやＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉのような積層構造、ＴｂＴｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏのようなアモルファス材料、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌのような規則化合金で構成されるリファレンス層２０２を形成する。リファレンス層２０７、リファレンス層２０６、配向分離層２０５、リファレンス層２０４の積層構造部と非磁性中間層２０３と、リファレンス層２０２とでシンセティック型のリファレンス層を形成する。尚、リファレンス層は非磁性中間層２０３とリファレンス層２０２を省き、リファレンス層２０７、リファレンス層２０６、配向分離層２０５、リファレンス層２０４で形成される構造としても良い。その上にキャップ層２０１として、Ｔａ（５ｎｍ）を形成する。Ｔａは、例えばルテニウム（Ｒｕ）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（プラチナ）などの材料に置き換えても良い。このようなＴＭＲ素子はクラスタ型基板処理装置によって、真空一貫で作製される。

なお、図２では、バッファー層２１１は５ｎｍのＲｕＣｏＦｅであり、バッファー層２１０は２ｎｍのＴａであり、フリー層２０９は０．８ｎｍのＣｏＦｅＢであり、バリア層２０８は０．９ｎｍのＭｇＯであり、リファレンス層２０７は０．５ｎｍのＦｅであり、リファレンス層２０６は０．８ｎｍのＣｏＦｅＢであり、配向分離層２０５は０．３ｎｍのＴａであり、リファレンス層２０４は０．２５ｎｍのＣｏと０．８ｎｍのＰｔとの積層体を４個設けた構造であり、非磁性中間層２０３は０．９ｎｍのＲｕであり、リファレンス層２０２は０．２５ｎｍのＣｏと０．８ｎｍのＰｔとの積層体を１４個設けた構造であり、キャップ層２０１は２０ｎｍのＲｕである。

図３は、非特許文献３に記載の面内磁化型素子(以下、ＭＴＪ素子)の積層構造の模式図である。ＭＴＪ素子３００では、まず、処理基板の上に、バッファー層３０９として、例えばＴａ（５ｎｍ）を成膜する。上部のＴａは下地膜の役目を兼ね備えており、Ｔａ以外でもハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）などの金属としても良い。さらに、その上に例えばニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の少なくとも1つの元素を含む層を成膜しても良い。その上に例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ、ＣｒＰｔＭｎ等からなる反強磁性層３０８を３〜２０ｎｍ程度成膜する。その上に例えばＣｏＦｅ等からなる厚さ１〜５ｎｍ程度のリファレンス層３０７と、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）のうち少なくとも１つまたは２つ以上の合金からなる厚さ０．８ｎｍ程度の非磁性中間層３０６と、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ等からなる厚さ１〜５ｎｍ程度のリファレンス層３０５を成膜する。反強磁性層３０８、固定磁性層３０７、非磁性中間層３０６、固定磁性層３０５はシンセティック型のリファレンス層を形成する。このリファレンス層は反強磁性層とリファレンス２層の２層構造から成る構成でも良い。リファレンス層は磁化方向が固定された層である。

その上にバリア層３０４を形成する。バリア層３０４は高いＭＲ比を得るためにＭｇＯが好適である。その他、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物でも良い。尚、酸化物はＲＦスパッタなどを用いてダイレクトに形成する方法、金属を成膜してから酸化する方法のどちらでも良い。酸化はチャンバを封止酸化、排気を行いながらのフロー酸化、活性酸素を利用したラジカル酸化、またはプラズマ酸化などで行われる。その上に、例えばＣｏＦｅＢもしくはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の少なくとも１つまたは２つ以上の合金からなる材料を１層または２層以上形成した構造であるフリー層３０３を１〜１０ｎｍ程度成膜する。フリー層３０３は磁化が固定されていない層であり、リファレンス層の磁化との相対角度によって電気抵抗を変化させる。

その上に酸化物キャップ層３０２を形成する。この層はフリー層の磁化に垂直磁気異方性を付与し、よりスピントルクによる磁化反転をしやすくし、磁化反転する臨界電流密度Ｊｃ０を低減する効果を持つ。酸化物キャップ層はマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物などを適用することができる。酸化はチャンバを封止酸化、排気を行いながらのフロー酸化、活性酸素を利用したラジカル酸化またはプラズマ酸化などで行われる。その上にキャップ層３０１として、Ｔａ（５ｎｍ）を形成する。Ｔａは、例えばルテニウム（Ｒｕ）、Ｔｉ（チタン）またはＰｔ（プラチナ）などの材料に置き換えても良い。このようなＴＭＲ素子はクラスタ型基板処理装置によって、真空一貫で作製される。

なお、図３では、反強磁性層３０８は１５ｎｍのＰｔＭｎであり、リファレンス層３０７は２．５ｎｍのＣｏ_７０Ｆｅ_３０であり、非磁性中間層３０６は０．８５ｎｍのＲｕであり、リファレンス層３０５は３ｎｍのＣｏ_６０Ｆｅ_２０Ｂ_２０であり、バリア層３０４は１ｎｍのＭｇＯであり、フリー層３０３は２ｎｍのＦｅ_８０Ｂ_２０であり、酸化物キャップ層３０２は０〜２．４ｎｍのＭｇＯキャップであり、キャップ層３０１は５ｎｍのＴａである。

（第１の実施形態）
図４は、本実施形態に係る酸化処理装置４００の構成を示す模式図であって、基板搬送状態における図である。図５は、本実施形態に係る酸化処理装置４００の構成を示す模式図であって、酸化処理状態（酸化プロセス状態）における図である。本実施形態では、酸化処理装置４００により、例として挙げた図１〜図３に示す各素子のバリア層を形成する。本実施形態では、バリア層はＭｇＯであり、Ｍｇが形成された基板を酸化処理装置４００内において酸化処理してＭｇＯを形成する。

図４、５において、酸化処理装置４００は、処理容器４０１と、処理容器内を排気するための排気部としての真空ポンプ４０２と、処理容器４０１内に設けられた基板４０３を保持するための基板ホルダ４０４と、処理容器４０１内に設けられており囲み部の一部を構成する筒部材４０５と、処理容器４０１内に酸素ガスを導入する酸素ガス導入手段としてのガス導入部４０６と、基板搬送口４０７とを備えている。該基板搬送口４０７には図示しないスリットバルブが設けられている。

なお、酸化処理装置４００は、処理容器４０１の外部に設けられた加熱装置（不図示）をさらに設けても良い。処理容器４０１の内部にヒータといった加熱装置を設置することにより、酸化処理装置４００の内部部品に吸着した水分を除去することはできるが、さらに外部より加熱する構造を備えることにより、酸化処理装置４００全体を加熱することができる。バリア層生成の際の酸化処理によってＲＡ分布を良くするためには、酸化処理装置内部の不純物を抑制し、超高真空の装置に高清浄ガスを導入することが好ましい。これに対して、上記外部に設けられた加熱装置を用いることにより、酸化処理装置４００内部の真空度を改善し、不純物の存在を低減することができるため、導入ガスの純度による酸化処理を行うことができる。

基板ホルダ４０４は、基板４０３を保持するための基板保持面４０４ａと、該基板保持面４０４ａが形成された載置部４０４ｂとを有しており、該基板保持面４０４ａ上に基板４０３が載置される。また、基板ホルダ４０４の内部には加熱装置としてのヒータ４０８が設けられている。また、基板ホルダ４０４には、基板ホルダ４０４と筒部材４０５との相対位置を変化させる位置変化手段としての基板ホルダ駆動部４０９が接続されている。基板ホルダ駆動部４０９は、基板ホルダ４０４を、矢印方向Ｐ（基板ホルダ４０４を酸化処理空間４１０に近づける方向、および基板ホルダ４０４を酸化処理空間４１０から遠ざける方向）に移動させる。

基板ホルダ４０４は、移動する方向とは垂直な方向に張り出した張り出し領域を備え、張り出し領域と、囲み部の一部を構成する筒部材４０５との間の距離を３ｍｍ以下とすることが好適である。張り出し領域は、移動する方向に所定の厚みを有する。酸化処理の実行時には、基板ホルダ４０４の少なくとも該所定の厚み分が筒部材４０５の内部（すなわち、筒部材４０５によって囲まれている空間）に収容された状態で、酸素ガスが酸化処理空間４１０内に導入されることが好適である。

本実施形態では、基板搬送時においては、基板ホルダ駆動部４０９の制御により、基板ホルダ４０４を図４に示す位置に移動させる。基板搬入時には、この状態で、基板搬送口４０７を介して基板４０３を処理容器４０１内に搬入し、基板保持面４０４ａ上に基板４０３を載置する。基板搬出時には、基板保持面４０４ａ上に保持された基板４０３を基板搬送口４０７を介して処理容器４０１から搬出する。一方、酸化処理時においては、基板ホルダ駆動部４０９の制御により、基板ホルダ４０４を図５に示す位置に移動させる。この状態で、ガス導入部４０６により酸化処理空間４１０に限定的に酸素ガスを導入することにより（処理容器４０１内の一空間に限定的に酸素ガスを導入することにより）、酸化処理が行われる。

尚、図示した本実施形態に係る酸化処理装置４００では、囲み部の一部を構成する筒部材４０５は、処理容器４０１内の上部に設けられ、処理容器の側部に基板４０３の搬送口４０７が設けられている。そして、搬送口４０７の上端近傍の高さ位置に、筒部材４０５の延在部の先端が位置している。このような配置とすることで、基板４０３の移動距離を少なくして搬送の途中段階での不必要な酸化を抑制することができ、かつ酸化処理装置４００の小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、ヒータ４０８を設けているので、酸化工程において、基板４０３を加熱しつつ酸化処理を行うことができる。よって、酸化処理対象が厚い膜であったり、酸化されにくい材料であっても、ヒータ４０８から付与された熱エネルギーを用いることにより酸化反応を加速させることができる。

ガス導入部４０６は、基板ホルダ４０４と対向する処理容器４０１の壁４０１ａから離間して設けられ、多数の孔を有するシャワープレート４１１と、上記壁４０１ａに設けられ、処理容器４０１内に酸素ガスを導入するガス導入口を有する酸素導入経路４１２と、シャワープレート４１１と壁４０１ａとの間の空間であって、酸素導入経路４１２から導入された酸素ガスを拡散するための拡散空間（ガス拡散空間）４１３とを有する。本実施形態では、拡散空間４１３に酸素ガスが導入されるように酸素導入経路４１２が設けられており、酸素導入経路４１２から導入され拡散空間４１３にて拡散された酸素ガスは、シャワープレート４１１を介して、基板面内に均等に供給される。なお、酸素導入経路４１２を複数設けても良い。

筒部材４０５は、処理容器４０１の壁４０１ａの、酸素導入経路４１２が接続された部分を少なくとも含む領域４０１ｂおよびシャワープレート４１１をぐるりと囲むように壁４０１ａに取り付けられ、壁４０１ａ（ガスを導入する部分側）から該壁４０１ａと対向する側（ここでは基板ホルダ４０４側）に向かって延在する延在部４０５ａを有する部材である。本実施形態では、筒部材４０５は、延在方向に垂直に切断した断面が円状である筒状部材であるが、該断面が多角形など他の形状であっても良い。また、筒部材４０５は、例えばアルミニウム製である。アルミニウムは筒部材４０５を容易に加工することができるので好ましい。また、他には例えば、チタンやＳＵＳであっても良い。また、筒部材４０５が壁４０１ａに対して着脱可能に該筒部材４０５を構成しても良い。延在部４０５ａにより囲まれた空間、すなわち、筒部材４０５の中空部にはシャワープレート４１１が設けられており、筒部材４０５のシャワープレート４１１よりも壁４０１ａ側の部分と、該壁４０１ａにおける上記領域４０１ｂの少なくとも一部と、シャワープレート４１１とにより拡散空間４１３が形成されている。

ＭｇＯの酸化分布を良くして酸化処理により形成されるＭｇＯの面内のＲＡ分布を良くするためには、酸化対象であるＭｇの表面での酸素圧力をさらに均一にする必要がある。例えばＭｇのように反応性が高い材料の場合、この圧力勾配により酸化分布が劣化することが解っている。従って、シャワープレート４１１が設けられた構造が好ましい。さらに筒部材４０５が設けられた構造が好ましい。すなわち、シャワープレート４１１と筒部材４０５を設けることにより、酸素導入経路４１２と排気部としての真空ポンプ４０２とが同軸上に存在しない場合（例えば、図４、５に示すように、酸素導入経路４１２の酸素導入方向と真空ポンプ４０２の排気方向とが直角の関係にある場合）であっても、図５の位置にある基板４０３の表面に対して均一に酸素ガスを供給することができ、酸化により生じるＭｇＯの基板４０３面内における酸化分布の偏りを低減することができる。よって、ＲＡ分布を向上させることができる。

上記シャワープレート４１１の孔から酸化処理空間４１０へと酸素ガスが導入されるので、シャワープレート４１１は、ガス導入部４０６の、酸化処理空間内に酸素ガスを限定的に導入するための部分が設けられた領域（「酸素ガス導入領域」とも呼ぶ）と言える。
なお、一例としてシャワープレート４１１を設けない場合は、酸素ガスは、酸素導入経路４１２から酸化処理空間４１０内に限定的に導入されるので、領域４０１ｂが酸素ガス導入領域となる。
本実施形態では、酸素ガス導入領域、筒部材４０５、および基板ホルダ４０４（基板保持面４０４ａ）により、酸化処理空間４１０が形成されると言える。

また、筒部材４０５は、図５に示すように、該筒部材４０５の開口部４０５ｂ内に基板ホルダ４０４が挿入された場合、延在部４０５ａと基板ホルダ４０４の少なくとも一部（載置部４ｂ）との間に間隙４１５が形成されるように設けられている。すなわち、筒部材４０５は、酸化処理空間４１０の形成時において、基板保持面４０４ａを囲み、かつ基板保持面４０４ａが形成された載置部４０４ｂと延在部４０５ａとの間に間隙４１５が設けられるように構成されている。よって、ガス導入部４０６から酸化処理空間４１０内に導入された酸素ガスは、間隙４１５を通して酸化処理空間４１０から該酸化処理空間４１０の外部空間４１４に排気される。酸化処理空間４１０から間隙４１５を介して外部空間４１４へと排気された酸素ガスは、真空ポンプ４０２により処理容器４０１から排気される。

基板ホルダ駆動部４０９は、基板保持面４０４ａが筒部材４０５の内部に収容されるように基板ホルダ４０４を矢印方向Ｐにおいて移動させ、基板保持面４０４ａ（載置部４０４ｂ）が開口部４０５ｂに挿入された所定の位置で基板ホルダ４０４の移動を停止する。このようにして、図５に示すように、間隙４１５のみにより外部空間４１４と連通する酸化処理空間４１０が形成される。このとき、酸化処理空間４１０は、シャワープレート４１１と、延在部４０５ａと、基板ホルダ４０４（基板保持面４０４ａ）とにより形成される。図５に示すように、シャワープレート４１１と基板保持面４０４ａとは対向して配されており、シャワープレート４１１と基板保持面４０４ａとの間は距離ｈ離れている。

よって、本実施形態においては、本発明の囲み部は、シャワープレート４１１、および筒部材４０５の延在部４０５ａである。よって、筒部材４０５は、酸化処理時において、ガス導入部４０６により導入された酸素ガスが処理容器４０１内の酸化処理空間４１０内に限定的に導入されるように、該酸化処理空間４１０をシャワープレート４１１と基板ホルダ４０４（基板保持面４０４ａ）と共に区画するための囲み部材である。
なお、上述のように一例としてシャワープレート４１１を設けない場合は、酸化処理空間４１０は、領域４０１ｂと、延在部４０５ａと、基板ホルダ４０４とにより形成されるので、この場合は、本発明の囲み部は、処理容器４０１の内壁の一部である領域４０１ｂ、および筒部材４０５の延在部４０５ａである。

なお、本実施形態では、基板ホルダ駆動部４０９により基板ホルダ４０４と筒部材４０５との相対位置を変化させて酸化処理空間４１０を形成可能にすることが重要であり、そのために、基板ホルダ駆動部４０９を、基板ホルダ４０４を一軸方向である矢印方向Ｐにおいて移動可能に構成している。しかしながら、この構成に限定されず、少なくとも酸化処理時には基板保持面４０４ａを筒部材４０５の内部に位置させて酸化処理空間４１０を形成でき、かつそれ以外（例えば、基板搬送時）には、基板保持面４０４ａを筒部材４０５の外部に位置させることができれば、いずれの構成を採用しても良い。例えば、基板ホルダ４０４を固定し、筒部材４０５およびガス導入部４０６をユニット化し、該ユニットを、ユニット化された筒部材４０５およびガス導入部４０６を基板ホルダ４０４に近づけることによって酸化処理空間４１０を形成するように構成しても良い。あるいは、基板ホルダ４０４を、図４、５の左右方向にもスライド移動可能に構成し、酸化処理空間４１０の形成時以外には、基板ホルダ４０４が開口部４０５ｂに対向しない位置に移動させるように構成しても良い。

本実施形態に係る酸化処理装置４００においては、酸化処理空間４１０の容積を０．００４２ｍ^３乃至０．０１２ｍ^３の範囲内とすることが、シャワープレート４１１から基板４０３の表面に到達する酸素ガスの均一な圧力分布を考慮すると好適である。より好ましくは、酸化処理空間４１０の容積を０．００４７ｍ^３乃至０．００９３ｍ^３の範囲内とするのが望ましい。このときの、シャワープレート４１１と基板保持面４０４ａと間の距離ｈを０．０４２ｍ乃至０．１２ｍの範囲内とするのが好適である。より好ましくは、距離ｈを０．０４７ｍ乃至０．０９３ｍの範囲内とするのが望ましい。

また、基板ホルダ駆動部４０９は、基板保持面４０４ａが該基板保持面４０４ａの面内方向に回転可能に構成されていても良い。すなわち、基板ホルダ４０４を、基板保持面４０４ａの法線方向を中心に基板保持面４０４ａが回転するように構成しても良い。酸素分布を良くし、ＲＡ分布を良くするためには、基板４０３表面における酸素圧力を均一にすることが好ましい。従って、シャワープレート４１１からのガス導入が不均一であった場合でも、基板保持面４０４ａが回転することで基板４０３を回転させ、基板４０３の表面に供給される酸素ガスのガス濃度分布を均一にすることができる。よって、ＲＡ分布を向上することができる。

本実施形態では、基板保持面４０４ａの形状は円状であり、筒部材４０５の、延在部４０ａの延在方向と垂直に切断した断面は、基板保持面４０４ａ（載置部４０４ｂ）の外形と相似形状である。すなわち、上記断面は円状である。また、酸化処理空間４１０の形成時において、シャワープレート４１１と基板保持面４０４ａとは対向し、かつ間隙４１５もシャワープレート４１１と対向している。このとき、間隙４１５の大きさを基板保持面４０４ａの周方向において同一にすることが好ましい。このように構成することで、基板保持面４０４ａの周方向に形成される間隙４１５の全てにおいて排気コンダクタンスを同一の値にすることができる。すなわち、酸化処理空間４１０からの排気口として機能する間隙４１５の全周囲において均一に排気することができる。よって、酸化処理空間４１０の形成時において基板ホルダ４０４に載置された基板４０３の表面における酸素圧力を均一にすることができ、ＲＡ分布を向上させることができる。

また、本実施形態では、基板ホルダ駆動部４０９は、基板ホルダ４０４を筒部材４０５の内部において、延在部４０５ａの延在方向に沿って移動させるように構成されている。すなわち、基板ホルダ駆動部４０９は、筒部材４０５の内部において、基板ホルダ４０４を酸素ガス導入領域としてのシャワープレート４１１に近づける方向、およびシャワープレート４１１から遠ざかる方向に移動させることができる。

酸素分布を良くし、ＲＡ分布を良くするためには、高清浄な酸素ガスを基板の処理表面に曝すことが好ましく、酸化処理装置内の水分等の不純物を抑制し、超高真空の酸化処理装置に高清浄な酸素ガスを導入し、酸化処理を行うことが望ましい。これに対して、本実施形態では、図６に示すように、ヒータ４０８を駆動させた基板ホルダ４０４を酸化処理空間４１０内を延在部４０５ａの延在方向に沿って移動させることができるので、筒部材４０５を加熱するための加熱装置を別途設けなくても、ヒータ４０８による加熱効果を上記延在部４０５ａに及ぼすことができる。すなわち、ヒータ４０８により加熱された基板ホルダ４０４を、筒部材４０５の内部において矢印方向Ｑに沿って移動させることにより、ヒータ４０８により基板ホルダ４０４から発せられる熱６０１を上記矢印方向Ｑに沿って延在部４０５ａに対して走査することができる。よって、筒部材４０５を加熱するための加熱装置を設けなくても、基板ホルダ４０４からの熱６１を用いて筒部材４０５を効率的に温めることができ、筒部材４０５から水分等を脱離させることができる。また、上記走査により、筒部材４０５を均等に加熱することができる。従って、酸化処理空間４１０内を高純度の酸素雰囲気にすることができる。一般的に水分を除去するためには、１２０℃程度の加熱温度が必要であり、これに近い温度まで加熱できる構造が好ましい。

さらに、筒部材４０５の内側から加熱することができるので、酸化処理空間４１０の真空度をより向上させることができる。また、入射パワー密度が同じであれば、筒部材４０５の外側から加熱するより内側から加熱する方が筒部材４０５の内側表面温度を上昇させやすいので、ヒータ４０８のパワーが低くても真空度を上げやすくすることができる。

また、本実施形態では、基板保持面４０４ａを有し、基板ホルダ４０４の、間隙４１５を形成する領域である載置部４０４ｂは、間隙４１５が延在部４０５ａの延在方向に沿って同一の大きさとなるように構成されている。すなわち、延在部４０５ａの延在方向に沿って筒部材４０５の径は一定であり、かつ載置部４０４ｂの上記延在方向に沿った径も一定であり、筒部材４０５の内部において、基板ホルダ４０４の、延在部４０５ａと最も近い部分である載置部４０４ｂを、シャワープレート４１１に近づける方向、および遠ざける方向に移動させても、間隙４１５における酸化処理空間４１０からのガスの排気コンダクタンスが変化しないように、基板ホルダ４０４および筒部材４０５は構成されている。よって、基板ホルダ４０４を筒部材４０５の内部において移動させても、酸化処理空間４１０から酸素ガスを同様に排気することができ、処理制御の複雑化を低減することができる。

さらに、本実施形態では、筒部材４０５の内壁部に、例えば電解研磨処理や化学研磨処理を施して滑らかにすることが好ましい。すなわち、本実施形態では、筒部材４０５の内壁は平坦化されている。このように筒部材４０５の内壁において、面粗さを低減することにより、筒部材４０５の内壁に対する酸素ガスの吸着、および該内壁に吸着した酸素ガスの放出を低減することができる。また、筒部材４０５の内壁表面に、酸素ガスが吸着しないような膜（例えば、酸化被膜など不動態膜）をコーティングすることも好ましい。このように、筒部材４０５の内壁表面に不動態膜を形成することにより、該内壁表面への酸素の吸着を低減することができる。例えば、筒部材４０５をアルミニウムとし、筒部材４０５の内側に対して上記化学研磨を行うと、筒部材４０５の内壁面を平坦化すると共に、酸化被膜を形成することができる。平坦化による効果と共に、該酸化被膜により、筒部材４０５への酸素の吸着を低減することができる。

図７は、本実施形態に係る酸化処理を示すフローチャートである。
ステップＳ７１では、基板搬送口４０７を介して、Ｍｇが形成された基板４０３を処理容器４０１内に搬送し、図４に示す位置にある基板ホルダ４０４の基板保持面上に保持させる。ステップＳ７２では、基板ホルダ駆動部４０９を駆動して、基板ホルダ４０４を、図５に示すように酸化処理空間４１０が形成される位置まで基板ホルダ４０４を移動させる。これにより、処理容器４０１の内部に、該処理容器４０１よりも小さい空間である酸化処理空間４１０が形成される。次にステップＳ７３において、該小さい空間に酸素ガスを限定的に導入することにより、基板４０３上に形成されたＭｇの酸化処理を行う。このとき、図６に示すように、基板ホルダ４０４を筒部材４０５内にて移動させながら酸化処理を行っても良い。ステップＳ７４では、ステップＳ７２で形成された酸化処理空間４１０への酸素ガスの供給を停止させ、酸化処理空間４１０内を所定の圧力まで排気する。本実施形態において、処理容器４０１に接続された真空ポンプ４０２は常に駆動しており、上述したステップＳ７１〜Ｓ７４において常に処理容器４０１内は排気されている。ただし、これに限らず、真空ポンプ４０２を各ステップに合わせて限定的に駆動させても良い。

（第１の実施例）
本実施形態に係る酸化処理装置４００を用いて図３及び非特許文献３に記載のトンネル磁気抵抗素子３００のバリア層３０４を形成する実施例について、以下で説明する。基板温度は２５℃〜５００℃、酸素ガス流量は１〜２０００ｓｃｃｍ、基板回転速度は０〜１００ｒｐｍ、基板位置は０〜１００ｍｍ（基板が筒部材４０５の開口部４０５ｂに位置した状態を０ｍｍとする）の範囲内で適宜決定することができる。例えば、基板温度を２５℃、酸素流量を７００ｓｃｃｍ、基板回転速度を１００ｒｐｍ、基板位置を１００ｍｍとして酸化処理を行う。

（第２の実施例）
本実施例では、筒部材４０５を用いない従来の酸化処理装置で酸化処理を行った場合と、本実施形態に係る酸化処理装置４００にて酸化処理を行った場合とのタクトタイムについて検討を行った。具体的には、排気速度の違いについてシミュレーションを行った。各条件、および該条件における排気速度を表１に示す。

表１から分かるように、１Ｐａの圧力から排気完了までの排気時間を比較すると、従来に比べて本実施例の方が約１２倍も速い。すなわち、従来に比べて、本実施例の方がタクトタイムを小さくすることができる。

従来では、酸素ガスを処理容器内全体に流して酸化処理を行っている。また、ウェハサイズの増大とともに処理装置の容積も増大し、酸化処理後において酸素ガスが排気されるまでの時間が長くなってしまっていた。これに対して、本実施形態によれば、処理容器４０１の内部に、該処理容器４０１の内壁により区画される空間よりも小さい空間（酸化処理空間４１０）を形成し、該酸化処理空間４１０を区画する一部を基板保持面４０４ａとし、該酸化処理空間４１０に基板保持面４０４ａに保持された基板４０３を曝している。そして、該酸化処理空間４１０内に限定的に酸素ガスを供給して基板４０３の酸化処理を行う。このとき、筒部材４０５と基板ホルダ４０４との間に形成された間隙４１５により酸化処理空間４１０の排気を行っている。このように、本実施形態では、酸化処理の際に、処理容器４０１の限られた空間（酸化処理空間４１０）にのみ酸素ガスを供給し、酸化処理を行っているので、酸化処理のために酸素ガスが充満される空間（従来では、処理容器全体、これに対して本実施形態では、酸化処理空間４１０）が所定の圧力になるまでの時間を低減することができ、また排気にかかる時間も低減することができる。また、ウェハサイズが増大して処理容器の容積が増大しても、本実施形態に係る酸化処理空間４１０は、該増大された処理容器よりも小さい空間である。よって、従来よりも酸化処理後における酸素ガスの排気にかかる時間を低減することができる。よって、スループットの低下を低減することができる。

また、処理容器４０１の内部に該処理容器４０１の内壁により区画される空間よりも小さい空間（酸化処理空間４１０）を形成し、その中で酸化処理を行っているので、従来に比べて酸化処理が行われる空間を区画する部材の表面積を大幅に小さくすることができる。従って、酸化処理が行われる酸化処理空間４１０を形成する筒部材４０５に付着する酸素の付着量を低減することができ、排気後において、筒部材４０５の内壁から放出されてしまう酸素の量を大幅に低減することができる。よって、ある酸化処理時において、酸化処理空間４１０への意図しない酸素導入（上記放出された酸素の導入）を低減することができ、ＭＲ比やＲＡ分布の悪化を抑制することができる。さらに、酸化処理毎の酸素圧力の変動を無くす、あるいは小さくすることができ、作製された素子毎のＭＲ比やＲＡ分布といった素子特性を安定にすることができる。

例えば、バリア層としてＭｇＯを用いる場合、Ｍｇを酸化する必要がある。酸化処理が行われる空間において酸化処理のための所定の圧力に達するまでに要する時間においては、Ｍｇ表面が酸素以外の他の不純物ガスに接触している。このため、可及的速やかに酸化処理を行わなければ、素子特性の劣化に繋がる恐れがある。これに対して、本実施形態では、Ｍｇ表面に不純物ガスが接触している時間を短くすることができ、Ｍｇへの不純物の混入を低減することができる。さらには、Ｍｇ表面をできるだけ早く所定の圧力の純粋酸素ガスに接触させることができる。

さらに、処理容器４０１の内部に、該処理容器４０１の内壁とは別個の部材である筒部材４０５を用いて酸化処理空間４１０を区画しているので、酸化処理空間４１０の形状を自由に設定することができる。よって、酸化処理空間４１０の、基板４０３（基板保持面４０４ａ）の表面と平行に切断した断面形状を、基板４０３（基板保持面４０４ａ）の外形と相似形状にすることができる。従来では、処理容器が円筒状である場合において、基板（基板保持面）の外形が四角形である場合、酸化処理が行われる空間の、基板（基板保持面）の表面と平行に切断した断面は円形となり、基板（基板保持面）の外形とは異なる。これに対して、本実施形態では、例えば、処理容器４０１が円筒状であり、基板４０３（基板保持面４０４ａ）の外形が四角形である場合、その断面が四角形となる筒部材４０５を処理容器４０１の内部に取り付けることにより、酸化処理空間４１０の断面形状を基板４０３（基板保持面４０４ａ）の外形と相似形状にすることができる。このように、酸化処理空間４１０の断面形状と基板４０３（基板保持面４０４ａ）の外形とを相似形状にすれば、基板４０３（基板保持面４０４ａ）の周方向において間隙４１５の幅を同一にすることができ、排気コンダクタンスを同一にすることができる。よって、基板４０３表面の酸化分布を低減することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、基板ホルダ４０４に静電チャック（ＥＳＣ）を設け、さらに、基板４０３の裏面（基板保持面側）から所定のガス（加熱ガスおよび／または冷却ガス）を供給する。

図８は、本実施形態に係るＥＳＣを有する基板ホルダ４０４を示す図である。
図８において、基板ホルダ４０４は、基板保持面４０４ａが形成された、誘電体部（基部）９０１と、誘電体部９０１の内部に設けられ、基板４０３を静電吸着するための電極９０２と、基板保持面４０４ａに形成された溝部９０３と、基板ホルダ４０４の内部に設けられ、溝部９０３に基板ホルダ４０４の内部から所定のガスを導入する導入経路９０４と、溝部９０３から所定のガスを基板ホルダ４０４の内側に排出する排出経路９０５とを備えている。上記導入経路９０４により溝部９０３に導入される所定のガスは、加熱ガスおよび冷却ガスの少なくとも一方である。本実施形態では、また、酸化処理空間４１０の形成時においては、誘電体部９０１の縁部（側面）は延在部４０５ａに近接して位置する。すなわち、誘電体部９０１の縁部（側面）と延在部４０５ａとの間に間隙４１５が形成される。なお、本実施形態では、排出経路９０５を設けているが、該経路を設けなくても良い。この場合は、基板保持面４０４ａと基板４０３との間に形成される隙間から溝部９０３内に供給された所定のガスを排出する。

本実施形態では、基板保持面４０４ａに溝部９０３が設けられているので、基板保持面４０４ａ上に基板４０３が載置された場合、基板４０３と溝部９０３とにより空間（第２の空間としての界面空間）が形成される。溝部９０３には導入経路９０４により加熱ガスおよび冷却ガスの少なくとも一方が導入されるので、上記界面空間内に加熱ガスおよび冷却ガスの少なくとも一方が供給される。

基板を加熱、冷却する場合、基板ホルダに基板を載置するだけでは、熱伝導があまり良く無く、基板昇温及び降温時間は非常に長くなることが解っている。これに対して、本実施形態では、基板４０３を基板ホルダ４０４に対して静電吸着することができるため、基板昇温及び降温時間を短くすることができ、さらに加熱ガスおよび冷却ガスの少なくとも一方を導入可能であるため、基板ホルダ４０４からの熱を基板４０３に均等に伝達することができる。

ただし、例えば、基板保持面４０４ａに基板４０３を載置した場合、基板保持面４０４ａと基板４０３との間に隙間が生じているため、溝部９０３に供給された所定のガスは、上記隙間から外に漏れ出す。本実施形態では、基板保持面４０４ａの縁部においては間隙４１５が形成されているので、上記隙間から漏れた所定のガスは、間隙４１５における排気の気流に乗って該間隙４１５から外部空間４１４へと排気される。よって、上記溝部９０３（界面空間）から漏れたガスが酸化処理空間４１０内へと浸入することを防止、または低減することができる。酸素分布を良くし、ＲＡ分布を良くするためには、基板４０３の表面における酸素圧力を均一にすることが望ましい。従って、基板４０３の裏面から漏れたガス（加熱ガスや冷却ガス）が基板４０３の表面側に回り込んだ場合、基板４０３の端部の酸素圧力が低くなり、均一性が悪くなる恐れがある。しかしながら、本実施形態では、上述のように、漏れたガスが基板４０３の表面が位置する基板処理空間４１０内に侵入することを低減できるので、上記漏れたガスによる基板４０３表面への回り込みを低減することができる。

なお、誘電体部９０１の縁部が延在部４０５ａに近接して位置する際に、該縁部と延在部４０５ａとは接触せず、かつ上記縁部と延在部４０５ａとの間の距離、すなわち、間隙４１５の幅が３ｍｍ以下であることが好ましい。このように設定することで、排気ポンプ位置がどの様な位置にあっても基板円周方向に対して均等に排気することができる。

（第３の実施形態）
上述の実施形態では、酸素導入経路４１２を、処理容器４０１の、基板ホルダ４０４と対向する壁（上壁）４０１ａに設けているが、酸素導入経路４１２の設ける場所は特に限定は無い。例えば、図９に示すように、酸素導入経路４１２を、処理容器４０１の、基板ホルダ４０４と対向していない壁（側壁）４０１ｃに設けても良い。

他の例として、例えば、図１０に示すように、拡散空間４１３を、中央部４１３ａと外周部４１３ｂとに区画し、中央部４１３ａに酸素導入経路４１２を設け、外周部４１３ｂにも酸素導入経路４１２とは別個の酸素導入経路４１２ａを設けても良い。中央部４１３ａは、円筒状の壁４１３ｃにより区画されている。よって、外周部４１３ｂは、リング状の形状である。

また、上述した実施形態では、基板ホルダ４０４が駆動することで、基板４０３に酸化処理を施すための基板処理空間４１０を形成したが、筒部材４０５を駆動させる機構を設け、筒部材４０５を駆動させて基板ホルダ４０４に近接させることで基板処理空間４１０を形成してもよい。

Claims (21)

1. 基板に対して酸化処理を行う酸化処理装置であって、
   処理容器と、
   前記処理容器内に設けられ、前記基板を保持するための基板保持面を有する基板ホルダと、
   前記処理容器内に酸素ガスを導入するための酸素ガス導入手段と、
   前記処理容器内に設けられた囲み部と、
   前記基板ホルダと前記囲み部との相対位置を変化させ、前記基板保持面と前記囲み部とで空間を形成可能な位置変化手段とを備え、
   前記囲み部は、前記空間の形成時において、前記基板ホルダの側面を囲み、かつ前記基板ホルダとの間に間隙が形成されるように設けられており、
   前記酸素ガス導入手段は、前記酸化処理時において、前記酸素ガスを前記処理容器内に形成された前記空間に限定的に導入するように設けられており、
   前記基板ホルダは、前記基板保持面を有する誘電体部と、前記基板保持面に形成された溝部と、前記基板が前記基板保持面に保持される際に前記基板と前記誘電体部との間の前記溝部に形成される第２の空間に加熱ガスおよび冷却ガスの少なくとも一方を導入するための手段とを有しており、
   前記空間内に導入された前記酸素ガスと、前記第２の空間内に導入された前記加熱ガスおよび冷却ガスの少なくとも一方とは、前記間隙を通して前記空間および前記第２の空間から排気されることを特徴とする酸化処理装置。
2. 前記囲み部は、前記酸素ガス導入手段の、前記空間に前記酸素ガスを限定的に導入する部分が設けられた領域を囲んで設けられ、前記導入する部分側から該導入する部分と対向する側に向かって延在する延在部を有し、
   前記空間は、前記領域、前記延在部、および前記基板保持面により形成されることを特徴とする請求項１に記載の酸化処理装置。
3. 前記囲み部は、前記処理容器内の上部に設けられ、該処理容器の側部に前記基板の搬送口が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸化処理装置。
4. 前記囲み部は、前記処理容器内の上部に設けられ、該処理容器の側部に前記基板の搬送口が設けられており、
   前記搬送口の上端近傍の高さ位置に、前記囲み部の前記延在部の先端が位置していることを特徴とする請求項２に記載の酸化処理装置。
5. 前記酸素ガス導入手段は、
   多数の孔を有するシャワープレートと、
   前記シャワープレートと前記処理容器の内壁の一部とにより形成されるガス拡散空間と、
   前記ガス拡散空間に前記酸素ガスを導入するガス導入口とを有し、
   前記空間は、前記シャワープレート、前記延在部および前記基板保持面により形成されることを特徴とする請求項２又は４に記載の酸化処理装置。
6. 前記空間の容積は、０．００４２ｍ^３乃至０．０１２ｍ^３の範囲内にあることを特徴とする請求項５に記載の酸化処理装置。
7. 前記シャワープレートと前記基板保持面とは対向して配され、前記シャワープレートと前記基板保持面との間の距離は、０．０４２ｍ乃至０．１２ｍの範囲内にあることを特徴とする請求項５に記載の酸化処理装置。
8. 前記囲み部の、該囲み部の延在方向と垂直に切断した断面は、前記基板保持面の外形と相似形状であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の酸化処理装置。
9. 前記相対位置を変化させる手段は、前記基板ホルダを、前記領域に近づける方向、および前記領域から遠ざかる方向に移動させるように構成され、かつ前記空間を形成する際には、前記基板ホルダを前記近づける方向に移動させて前記基板保持面を前記囲み部の内部に収容するように構成されていることを特徴とする請求項２、４乃至７のいずれか１項に記載の酸化処理装置。
10. 前記基板ホルダは、移動する方向とは垂直な方向に張り出した張り出し領域を備え、該張り出し領域と、前記囲み部との間の距離は３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の酸化処理装置。
11. 前記張り出し領域は前記移動する方向に所定の厚みを有しており、前記酸化処理時において、前記基板ホルダの少なくとも前記所定の厚み分が前記囲み部の内部に収容されている状態で、前記酸素ガスが前記空間に導入されることを特徴とする請求項１０に記載の酸化処理装置。
12. 前記相対位置を変化させる手段により、前記囲み部の内部において前記基板保持面が前記近づける方向および前記遠ざかる方向に移動しても、前記間隙における前記空間からのガスの排気コンダクタンスが変化しないことを特徴とする請求項９又は１０に記載の酸化処理装置。
13. 前記基板ホルダの内部に設けられた加熱装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の酸化処理装置。
14. 前記基板ホルダは、前記基板を静電吸着するための電極をさらに有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の酸化処理装置。
15. 前記囲み部の内壁が研磨処理されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の酸化処理装置。
16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の酸化処理装置により、前記基板上に成膜された膜の酸化処理を行うことを特徴とする酸化方法。
17. 基板を保持するための基板保持面を有する誘電体部と、前記基板保持面に形成された溝部とを備える基板ホルダが内部に設けられた処理容器内で、前記基板に対して酸化処理を行う酸化方法であって、
    前記基板保持面上に前記基板を保持させる工程と、
    前記基板と前記誘電体部との間の前記溝部に形成される第２の空間内に加熱ガスおよび冷却ガスの少なくとも一方を導入する工程と、
    前記基板ホルダの前記処理容器に対する相対位置を変化させて、前記基板保持面と、前記処理容器内に設けられた囲み部とにより形成される空間を、前記処理容器内に形成する工程であって、前記囲み部により前記基板ホルダの側面が囲まれ、かつ該囲み部と前記基板ホルダとの間に間隙が形成されるように前記空間を形成する工程と、
    前記空間内に酸素ガスを限定的に導入して、前記基板保持面上に保持された基板の酸化処理を行う工程とを有し、
    前記空間内に導入された前記酸素ガスと、前記第２の空間内に導入された前記加熱ガスおよび冷却ガスの少なくとも一方とは、前記間隙を通して該空間および該第２の空間から排気されることを特徴とする酸化方法。
18. 前記酸化処理を行う工程は、前記基板ホルダと対向するように設けられたシャワープレートにより前記酸素ガスを導入することを特徴とする請求項１７に記載の酸化方法。
19. 前記基板ホルダは加熱装置を有しており、
    前記酸化処理を行う工程は、前記加熱装置により前記基板を加熱しながら前記酸化処理を行うことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の酸化方法。
20. 請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の酸化方法を用いて電子デバイスを製造することを特徴とする製造方法。
21. 前記囲み部の、該囲み部の延在方向と垂直に切断した断面は、前記基板保持面の外形と相似形状であり、
    前記相対位置を変化させる手段は、前記基板ホルダを、前記領域に近づける方向、および前記領域から遠ざかる方向に移動させるように構成され、かつ前記空間を形成する際には、前記基板ホルダを前記近づける方向に移動させて前記基板保持面を前記囲み部の内部に収容するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の酸化処理装置。

Images