JP6423290B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、成膜装置に関するものであり、特にスパッタリングによって被処理体に薄膜を形成する成膜装置に関するものである。

電子デバイスの製造においては、被処理体に対して種々の処理が行われる。被処理体に施される処理の一種としては、薄膜の形成が例示される。被処理体に薄膜を形成する装置としては、スパッタリング用の成膜装置が知られている。

例えば、特許文献１及び２には、処理容器、ステージ、複数のターゲット及び複数のシャッターを備えたスパッタリング用の成膜装置が記載されている。これらの成膜装置では、ステージは、処理容器内に設けられており、当該ステージの中心を通るように鉛直方向に延びる中心軸線を中心に回転可能に構成されている。複数のターゲットは、ステージの上方において周方向に配列されている。複数のシャッターは、ステージと複数のターゲットとの間に設けられており、互いに独立して回転することができるようになっている。特許文献１及び２に記載の成膜装置では、複数のシャッターを回転させることによって、複数のターゲットから選択される一つの又は二つ以上のターゲットをステージに対して露出させ、露出されたターゲットから放出されるターゲット材料を被処理体上に堆積させている。また、ターゲット材料を被処理体上に堆積させる際にステージを中心軸線回りに回転させることで被処理体上に形成される薄膜の均一性を向上させている。

特開２００９−２２１５９５号公報 特開２００５−２５６１１２号公報

ところで、被処理体を極低温に冷却した状態で薄膜を形成することによって特性を向上することができる素子が存在する。このような素子としては、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等に用いられる垂直磁化型の磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子が例示される。ＭＴＪ素子は、二つの磁性層、及び、これら二つの磁性層間に設けられたトンネルバリア層を有している。このようなＭＴＪ素子の製造では、第１磁性層上にトンネルバリア層が形成され、次いで、トンネルバリア層上に第２磁性層が形成される。出願人は、この第２磁性層を極低温下で形成することによって、ＭＴＪ素子の特性を向上することができることを見出している。

具体的には、成膜温度を摂氏−５０度以下に設定してトンネルバリア層上に第２磁性体を形成したＭＴＪ素子は、高い垂直磁気異方性エネルギーを有することを見出している。極低温下で形成された第２磁性層は、ＭＴＪ素子の特性を向上させる高品質な薄膜であるといえる。

高品質の薄膜を形成するために、冷却装置において冷却された被処理体を成膜装置内に搬送し、当該成膜装置内で冷却された被処理体上に薄膜を形成することが考えられる。しかしながら、冷却装置から成膜装置に被処理体を搬送する間に被処理体の温度が上昇してしまうので、被処理体の冷却効果が低減してしまう恐れがある。また、冷却装置から成膜装置へ被処理体を搬送する工程が追加された分だけ処理スループットが低下してしまう。

したがって、処理スループットの低下を防止しつつ、高品質の薄膜を形成することができる成膜装置が要請されている。

一側面においては、スパッタリングによって被処理体上に薄膜を形成する成膜装置が提供される。この成膜装置は、処理容器と、処理容器内にガスを供給するガス供給部と、鉛直方向に延びる中心軸線にその中心が一致するように処理容器内に配置された非回転のステージであり、被処理体を摂氏−５０度以下に冷却可能な冷却機能を有する、該ステージと、処理容器内且つステージの上方で、環状に延在するターゲットを保持するホルダと、ターゲットに印加される電圧を発生する電源と、ターゲットに対向するように処理容器の外部に配置されたマグネットと、中心軸線周りにマグネットを回転させるマグネット回転機構と、を備える。

一側面に係る成膜装置は、被処理体を摂氏−５０度以下に冷却可能な冷却機能を有するステージを備えているので、被処理体の冷却、及び、スパッタリングによる薄膜の形成を同一装置内で行うことができる。よって、被処理体の搬送中に当該被処理体の温度が上昇することを防止することができ、被処理体を極低温に維持した状態で当該被処理体上に薄膜を形成することができる。その結果、被処理体上に高品質の薄膜を形成することができる。また、本成膜装置では、被処理体を搬送する工程を省略することができるので、処理スループットの低下を防止することができる。

ところで、特許文献１、２に記載された従来の成膜装置では、ステージを回転させることによって被処理体上に形成される薄膜の均一性を向上させている。一方、被処理体を極低温に冷却する機能を有するステージでは、冷熱を伝える冷却ヘッドがステージ本体に接触していることが一般的であり、構造上、当該ステージに被処理体を回転させる機構を備えることが難しい。これに対し、本成膜装置では、ターゲットの周囲においてマグネットを回転させている。よって、マグネットから放出される磁力線によってガスのプラズマが集中する領域がターゲットの周方向に沿って移動することとなる。これにより、中心軸線の周方向においてターゲットが均一に消耗される。その結果、中心軸線の周方向において、被処理体上にターゲットの材料を均一に堆積することができる。したがって、被処理体に形成される薄膜の均一性を向上させることができる。

一実施形態では、ターゲットとステージとの間に設けられたシャッターであり、ターゲットの一部をステージに対して露出させる開口が形成された、該シャッターと、シャッターを中心軸線周りに回転させるシャッター回転機構と、ステージとマグネットとを結ぶ直線上に開口が配置された状態で、マグネットとシャッターとが同期して中心軸線周りに回転するように、マグネット回転機構及びシャッター回転機構を制御する制御部と、を更に備えてもよい。ステージとマグネットとを結ぶ直線上に開口が配置されることで、当該開口によってターゲットが露出している領域にガスのプラズマが集中する。本成膜装置では、ターゲットが露出している領域は中心軸線の周方向に移動するので、周方向においてターゲットの消耗を均一にすることができる。したがって、中心軸線の周方向において、ターゲットの材料を被処理体上に均一に堆積させることができる。その結果、被処理体に形成される薄膜の均一性をより向上させることができる。

一実施形態では、上述のターゲットである第１のターゲットを保持する第１のホルダと、該第１のターゲットとは異なる材料から構成された第２のターゲットを保持する第２のホルダと、を備えてもよい。このような構成では、互いに異なる材料から構成される二つのターゲットを保持することができる。これにより、２種類のターゲット材料を被処理体上に堆積することができる。

一実施形態の成膜装置は、上述のシャッターである第１のシャッターと、第１のシャッターに沿って設けられた第２のシャッターとを備え、第１のシャッターには上述の開口を含む複数の開口が形成され、第２のシャッターには複数の開口が形成されており、シャッター回転機構は、第１のシャッター及び第２のシャッターを中心軸線周りに独立して回転させることが可能であり、制御部は、第１のターゲット及び第２のターゲットの一方又は双方を選択的にステージに対して露出させるように、又は、第１のターゲット及び第２のターゲットの双方がステージに対して遮蔽されるように、シャッター回転機構を制御してもよい。このような構成では、第１のターゲットの材料、及び、第２のターゲットの材料を選択的に被処理体上に堆積させることができる。

一実施形態の成膜装置は、上述のマグネットである第１のマグネットと、第２のマグネットとを備え、第１のマグネットは、第１のターゲットに対向するように処理容器の外部に配置され、第２のマグネットは、第２のターゲットに対向するように処理容器の外部に配置され、マグネット回転機構は、第１のマグネット及び第２のマグネットを中心軸線周りに回転させてもよい。

本発明の一側面及び実施形態によれば、処理スループットの低下を防止しつつ、高品質の薄膜を形成することができる。

一実施形態に係る成膜装置を概略的に示す図である。 第１のターゲット、第２のターゲット、第１のシャッター及び第２のシャッターの斜視図である。 第１のシャッター及び第２のシャッターの上方からの平面図である。 第１のシャッター及び第２のシャッターの上方からの平面図である。 第１のシャッター及び第２のシャッターの上方からの平面図である。 一実施形態の成膜方法を示す流れ図である。 第１のシャッター及び第２のシャッターの平面図に第１のマグネット及び第２のマグネットを投影した図である。 実験例１及び比較実験例１で作成したＭＴＪ素子の磁化曲線を示すグラフである。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、一実施形態に係る成膜装置を概略的に示す図であり、当該成膜装置の縦断面を示している。図１に示す成膜装置１０は、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、例えば、アルミニウムから構成されており、接地電位に接続されている。処理容器１２は、その内部に空間Ｓを画成している。この処理容器１２の底部には、空間Ｓを減圧するための排気装置１４が、アダプタ１４ａを介して接続されている。また、処理容器１２の側壁には、被処理体（以下、「ウエハ」という）Ｗの搬送用の開口１５が形成されており、当該側壁に沿って開口１５を開閉するためのゲートバルブＧＶが設けられている。

処理容器１２内には、ステージ１６が設けられている。ステージ１６は、ウエハＷを載置するための非回転の載置台であり、処理容器１２内に配置されている。なお、ステージ１６は、処理容器１２内において上下方向に移動可能に設けられていてもよい。ステージ１６は、ベース部１６ａ及び静電チャック１６ｂを含んでいる。ベース部１６ａは、例えば、銅といった熱伝導率の高い材料から構成されており、略円盤形状を有している。

ベース部１６ａ上には、静電チャック１６ｂが設けられている。静電チャック１６ｂは、誘電体膜と、当該誘電体膜の内層として設けられた電極と、を有する。静電チャック１６ｂの電極には、直流電源ＳＤＣが接続されている。静電チャック１６ｂ上に載置されたウエハＷは、静電チャック１６ｂが発生する静電気力によって、当該静電チャック１６ｂに吸着される。なお、静電チャック１６ｂの上面においてウエハＷが載置される領域は、ウエハＷ用の載置領域ＰＲを構成する。

ステージ１６の中心は、鉛直方向に沿って延びる中心軸線Ｚに略一致している。即ち、この中心軸線Ｚは、載置領域ＰＲの中心、即ちステージ１６の中心を鉛直方向に通る軸線である。

また、ステージ１６は、ウエハＷを摂氏−５０度以下に冷却可能な冷凍機１８を備えている。冷凍機１８は、ステージ１６に載置されたウエハＷを冷却する冷却機能をステージ１６に提供する。冷凍機１８は、本体部１８ａ及び冷却ヘッド１８ｂを有している。冷却ヘッド１８ｂは、冷却面を提供しており、ベース部１６ａに接している。本体部１８ａは、ヘリウム（Ｈｅ）といったガスを用いたギボード・マクマーン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）サイクル（Ｇ−Ｍサイクル）により、冷却ヘッド１８ｂを冷却する。かかる冷凍機１８は、ステージ１６に載置されたウエハＷを摂氏−５０度以下の温度、より好ましくは摂氏−１００度以下の温度に冷却する冷却能力を有している。なお、冷凍機１８は、上述した温度範囲内の温度にウエハＷを冷却することができれば、Ｇ−Ｍサイクルを用いる冷凍機に限定されるものではない。

ステージ１６の上方には、第１のターゲット２０ａ及び第２のターゲット２０ｂが設けられている。なお、図１に示す実施形態では、２つのターゲットが設けられているが、ターゲットの個数は、１つ以上であればよく、例えば３つ以上の任意の個数であってもよい。

第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂは、ステージ１６と対峙するように処理容器１２内に設けられている。第１のターゲット２０ａは、中心軸線Ｚの周方向に延在する環状をなしている。より詳細には、第１のターゲット２０ａは、中心軸線Ｚにその中心が一致する円錐面に沿った表面形状を有している。第２のターゲット２０ｂは、第１のターゲット２０ａの下方に設けられている。即ち、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂは、中心軸線Ｚ方向に沿って並設されている。第２のターゲット２０ｂは、中心軸線Ｚを中心とする環状をなしており、中心軸線Ｚにその中心が一致する円錐面に沿った表面形状を有している。第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂのステージ１６側の表面は、何れも載置領域ＰＲに向くように中心軸線Ｚに垂直な平面（即ち、水平面）に対して傾斜している。第１のターゲット２０ａの水平面に対する傾斜角度は、第２のターゲット２０ｂの水平面に対する傾斜角度と異なっている。具体的には、中心軸線Ｚを含む平面による切断面から見たときに、第１のターゲット２０ａの表面と水平面とがなす角度は、第２のターゲット２０ｂの表面と水平面とがなす角度よりも小さくなっている。

第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂは、形成すべき薄膜の種類に応じて任意に選択される材料から構成される。例えば、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂは、コバルト（Ｃｏ）、鉄ボロン（ＦｅＢ）、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等から構成され得る。また、第１のターゲット２０ａと第２のターゲット２０ｂとは、互いに異なる材料から構成されていてもよい。例えば、薄膜としてコバルト鉄ボロン層を形成するときには、第１のターゲット２０ａがコバルトから構成され、第２のターゲット２０ｂが鉄ボロンから構成されていてもよい。

第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂは、金属製の第１のホルダ２２ａ及び第２のホルダ２２ｂによってそれぞれ保持されている。第１、第２のホルダ２２ａ、２２ｂは、中心軸線Ｚを中心とする環状をなしており、絶縁部材２５を介して処理容器１２の天部にそれぞれ支持されている。第１のターゲット２０ａには第１のホルダ２２ａを介して電源２４ａが接続されており、第２のターゲット２０ｂには第２のホルダ２２ｂを介して電源２４ｂが接続されている。なお、成膜装置１０は、電源２４ａ，２４ｂに代えて、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂに対して選択的に電圧を印加可能な単一の電源を備えていてもよい。

また、成膜装置１０には、第１のマグネット２６ａ及び第２のマグネット２６ｂが設けられている。第１のマグネット２６ａは、第１のホルダ２２ａを介して第１のターゲット２０ａに対向するように処理容器１２の外部に配置されている。第２のマグネット２６ｂは、第２のホルダ２２ｂを介して第２のターゲット２０ｂに対向するように処理容器１２の外部に配置されている。第１のマグネット２６ａにはアーム２８ａの一端が結合されており、第２のマグネット２６ｂにはアーム２８ｂの一端が結合されている。アーム２８ａ及びアーム２８ｂの他端は、回転軸３０に結合されている。回転軸３０は、中心軸線Ｚに沿って延在しており、その端部が回転駆動装置３２に結合されている。回転駆動装置３２は、回転軸３０を中心軸線Ｚを中心に回転させる動力を発生する。この動力によって、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂは、それぞれ第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの外周において、別個に独立して中心軸線Ｚ周りに回転する。アーム２８ａ，２８ｂ、回転軸３０及び回転駆動装置３２は、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂを中心軸線Ｚ周りに回転させるマグネット回転機構Ｒ１として機能する。なお、回転駆動装置３２は、後述する制御部Ｃｎｔに接続されており、制御部Ｃｎｔによってその駆動が制御される。

第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂとステージ１６との間には、第１のシャッター３４及び第２のシャッター３６が設けられている。第１のシャッター３４は、周方向に沿って延在する表面を有する部材であり、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂに沿って設けられている。第１のシャッター３４は、第１のターゲット２０ａに対面する第１の部分３４ａ、及び、第２のターゲット２０ｂに対面する第２の部分３４ｂを含んでいる。即ち、第１のシャッター３４の第１の部分３４ａ及び第２の部分３４ｂの表面は、互いに異なる角度で中心軸線Ｚに垂直な平面に対して傾斜している。第２のシャッター３６は、第１のシャッター３４の下方で第１のシャッター３４に沿って設けられている。第２のシャッター３６は、第１のシャッター３４の第１の部分３４ａに対面する第１の部分３６ａ、及び、第１のシャッター３４の第２の部分３４ｂに対面する第２の部分３６ｂを含んでいる。即ち、第２のシャッター３６の第１の部分３６ａ及び第２の部分３６ｂの表面は、互いに異なる角度で中心軸線Ｚに垂直な平面に対して傾斜している。

図２及び３を更に参照して、第１及び第２のシャッター３４，３６について更に説明する。図２は、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂ、並びに、第１及び第２のシャッター３４，３６の斜視図である。図３は、第１及び第２のシャッター３４，３６の上方からの平面図である。図２、３に示すように、第１及び第２のシャッター３４，３６のそれぞれには、ターゲット２０の一部をステージ１６に対して露出させるための複数の開口が形成されている。これらの開口の面積は、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂの第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂに面した表面の面積以上である。

具体的に、第１のシャッター３４には、第１の開口ＡＰ１及び第２の開口ＡＰ２が形成されている。図３（ａ）に示すように、第１の開口ＡＰ１及び第２の開口ＡＰ２は、中心軸線Ｚを中心とする円の接線方向において、幅Ｗ１を有している。また、第１の開口ＡＰ１は第１のシャッター３４の第１の部分３４ａに形成されており、第２の開口ＡＰ２は第１のシャッター３４の第２の部分３４ｂに形成されている。この第１の開口ＡＰ１は、第１のシャッター３４において、中心軸線Ｚから距離ｒ１だけ離れた位置から距離ｒ２だけ離れた位置まで延在している。第２の開口ＡＰ２は、中心軸線Ｚの周方向において第１の開口ＡＰ１と１８０度ずれた位置に形成されており、第１のシャッター３４において、中心軸線Ｚから距離ｒ３だけ離れた位置から距離ｒ４だけ離れた位置まで延在している。ここで、中心軸線Ｚから第１の部分３４ａと第２の部分３４ｂとの間の境界ＢＤまでの距離をＲとしたときに、距離ｒ１〜ｒ４は、ｒ１＜ｒ２＜Ｒ＜ｒ３＜ｒ４という関係を有している。

第２のシャッター３６には、第３の開口ＡＰ３、第４の開口ＡＰ４、及び、第５の開口ＡＰ５が形成されている。図３（ｂ）に示すように、第３の開口ＡＰ３、第４の開口ＡＰ４、及び、第５の開口ＡＰ５は、中心軸線Ｚを中心とする円の接線方向において、幅Ｗ１を有している。第３の開口ＡＰ３は、第２のシャッター３６の第１の部分３６ａ及び第２の部分３６ｂを横断するように形成されている。また、第４の開口ＡＰ４は第２のシャッター３６の第２の部分３６ｂに形成されており、第５の開口ＡＰ５は第２のシャッター３６の第１の部分３６ａに形成されている。この第３の開口ＡＰ３は、第２のシャッター３６において、中心軸線Ｚから距離ｒ１だけ離れた位置から距離ｒ４だけ離れた位置まで延在している。第４の開口ＡＰ４は、中心軸線Ｚの周方向において第３の開口ＡＰ３と１８０度ずれた位置に形成されており、中心軸線Ｚから距離ｒ３だけ離れた位置から距離ｒ４だけ離れた位置まで延在している。第５の開口ＡＰ５は、中心軸線Ｚの周方向において第３の開口ＡＰ３及び第４の開口ＡＰ４と９０度ずれた位置に形成されており、中心軸線Ｚから距離ｒ１だけ離れた位置から距離ｒ２だけ離れた位置まで延在している。

なお、第３の開口ＡＰ３は、必ずしも第１の部分３６ａ及び第２の部分３６ｂを横断するように形成されていなくてもよい。例えば、第３の開口ＡＰ３は、第１の部分３６ａに形成された第６の開口と、第２の部分３６ｂに第６の開口とは別個に形成された第７の開口を含んでなる開口であり、当該第６及び第７の開口が中心軸線Ｚの周方向において第４の開口ＡＰ４と１８０度ずれた位置に形成されていてもよい。また、第５の開口ＡＰ５の形成位置は、中心軸線Ｚの周方向において第３の開口ＡＰ３及び第４の開口ＡＰ４に対して９０度ずれた位置に限られない。第５の開口ＡＰ５は、中心軸線Ｚの周方向において第３の開口ＡＰ３及び第４の開口ＡＰ４からずれた位置に形成されていればよく、例えば中心軸線Ｚの周方向において第３の開口ＡＰ３から３０度ずれた位置、又は、４５度ずれた位置に形成されていてもよい。

第１のシャッター３４の中央部分には、図１に示すように、第１の回転軸３８が結合されている。この第１の回転軸３８は筒状の部材であり、その中心軸線は、中心軸線Ｚに略一致している。第１の回転軸３８の一端は、処理容器１２の内部において第１のシャッター３４の中央部分に結合されている。また、第２のシャッター３６の中央部分には、第２の回転軸４０が結合されている。この第２の回転軸４０は略柱状の部材であり、第１の回転軸３８と同軸になるように、第１の回転軸３８に挿通されている。第２の回転軸４０の一端は、処理容器１２の内部において第２のシャッター３６の中央部分に結合されている。また、第１の回転軸３８及び第２の回転軸４０は、処理容器１２の上部を通過して処理容器１２の外部まで延在している。処理容器１２の外部において、第１の回転軸３８及び第２の回転軸４０の他端は、回転駆動装置４２に接続されている。

回転駆動装置４２は、第１の回転軸３８及び第２の回転軸４０を個別に回転させる動力を発生する。この動力によって、第１の回転軸３８及び第２の回転軸４０を中心軸線Ｚを中心に互いに独立して回転させることができる。これに伴い、第１及び第２のシャッター３４，３６を中心軸線Ｚ周りに独立して回転させることができる。第１及び第２のシャッター３４，３６を中心軸線Ｚ周りに独立して回転させることにより、第１のシャッター３４に形成された複数の開口、及び、第２のシャッター３６に形成された複数の開口の位置を中心軸線Ｚの周方向において調整することができる。第１の回転軸３８、第２の回転軸４０及び回転駆動装置４２は、第１及び第２のシャッター３４，３６を中心軸線Ｚ周りに独立して回転させるシャッター回転機構Ｒ２として機能する。なお、回転駆動装置４２は、後述する制御部Ｃｎｔに接続されており、制御部Ｃｎｔによってその駆動が制御される。

図１に示すように、成膜装置１０は、処理容器１２内にガスを供給するガス供給部４４を更に備えている。ガス供給部４４は、一実施形態においては、ガスソース４４ａ、マスフローコントローラといった流量制御器４４ｂ、及び、ガス導入部４４ｃを備えている。ガスソース４４ａは、処理容器１２内において励起されるガスのソースであり、例えば、Ａｒガスのソースである。ガスソース４４ａは、流量制御器４４ｂを介してガス導入部４４ｃに接続されている。ガス導入部４４ｃは、ガスソース４４ａからのガスを処理容器１２内に導入するガスラインである。

また、成膜装置１０は、制御部Ｃｎｔを更に備えている。制御部Ｃｎｔは、成膜装置１０の各要素を制御する。制御部Ｃｎｔは、例えば、コンピュータ装置であり、キーボード又はタッチパネルといった入力装置、レシピを記憶するメモリといった記憶部、中央処理装置（ＣＰＵ）、及び、成膜装置１０の各部に制御信号を出力するための出力インタフェイスを有し得る。

例えば、制御部Ｃｎｔは、回転駆動装置４２に制御信号を送出することにより、第１及び第２のシャッター３４，３６の回転位置及び回転速度を個別に制御する。これにより、制御部Ｃｎｔは、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの一方又は双方を選択的にステージ１６に対して露出させることができる。なお、以下では、第１及び第２のシャッター３４，３６の開口を介してステージ１６に対して露出されているターゲット内の領域を「露出領域」という。

図４、５は、第１及び第２のシャッター３４，３６を上方から重ねて見た平面図である。例えば、制御部Ｃｎｔは、図４（ａ）に示すように、第１及び第２のシャッター３４，３６の回転位置を制御することができる。図４（ａ）では、第１のシャッター３４の第１の開口ＡＰ１が、第２のシャッター３６の第５の開口ＡＰ５と重なる位置に配置されている。この回転位置では、第１のシャッター３４の第２の開口ＡＰ２は、第２のシャッター３６の第３の開口ＡＰ３及び第４の開口ＡＰ４と重ならない位置に配置される。即ち、図４（ａ）では、中心軸線Ｚの周方向において、第１の開口ＡＰ１が第５の開口ＡＰ５と同じ位置に配置されており、第２の開口ＡＰ２が第２のシャッター３６に形成された何れの開口からもずれた位置に配置されている。したがって、第１及び第２のシャッター３４，３６が図４（ａ）に示す回転位置になるように回転駆動装置４２が制御されることで、第１のターゲット２０ａの一部分が、第１の開口ＡＰ１及び第５の開口ＡＰ５を介してステージ１６に対して露出され、第２のターゲット２０ｂがステージ１６に対して遮蔽される。

また、制御部Ｃｎｔは、図４（ｂ）に示すように、第１及び第２のシャッター３４，３６の回転位置を制御することができる。図４（ｂ）では、第１のシャッター３４の第２の開口ＡＰ２が、第２のシャッター３６の第３の開口ＡＰ３の一部と重なる位置に配置されている。この回転位置では、第１のシャッター３４の第１の開口ＡＰ１は、第２のシャッター３６の第４の開口ＡＰ４及び第５の開口ＡＰ５と重ならない位置に配置される。即ち、図４（ｂ）では、中心軸線Ｚの周方向において、第１の開口ＡＰ１が第２のシャッター３６に形成された何れの開口からもずれた位置に配置され、第２の開口ＡＰ２が第３の開口ＡＰ３と同じ位置に配置されている。したがって、第１及び第２のシャッター３４，３６が図４（ｂ）に示す回転位置になるように回転駆動装置４２が制御されることで、第１のターゲット２０ａがステージ１６に対して遮蔽され、第２のターゲット２０ｂの一部分が第２の開口ＡＰ２及び第３の開口ＡＰ３を介してステージ１６に対して露出される。

また、制御部Ｃｎｔは、図５（ａ）に示すように、第１及び第２のシャッター３４，３６の回転位置を制御することができる。図５（ａ）では、第１のシャッター３４の第１の開口ＡＰ１が、第２のシャッター３６の第３の開口ＡＰ３の一部と重なる位置に配置されている。この回転位置では、第１のシャッター３４の第２の開口ＡＰ２は、第２のシャッター３６の第４の開口ＡＰ４と重なる位置に配置されている。即ち、図５（ａ）では、中心軸線Ｚの周方向において、第１の開口ＡＰ１が第３の開口ＡＰ３と同じ位置に配置されており、第２の開口ＡＰ２が第４の開口ＡＰ４と同じ位置に配置されている。したがって、第１及び第２のシャッター３４，３６が図５（ａ）に示す回転位置になるように回転駆動装置４２が制御されることで、第１のターゲット２０ａの一部分が第１の開口ＡＰ１及び第３の開口ＡＰ３を介してステージ１６に対して露出されると共に、第２のターゲット２０ｂの一部分が、第２の開口ＡＰ２及び第４の開口ＡＰ４を介してステージ１６に対して露出される。

さらに、制御部Ｃｎｔは、図５（ｂ）に示すように、第１及び第２のシャッター３４，３６の回転位置を制御することができる。図５（ｂ）では、第１のシャッター３４の第１の開口ＡＰ１及び第２の開口ＡＰ２は、第２のシャッター３６の第３の開口ＡＰ３、第４の開口ＡＰ４及び第５の開口ＡＰ５の何れとも重ならない位置に配置されている。即ち、図５（ｂ）では、中心軸線Ｚの周方向において、第１の開口ＡＰ１及び第２の開口ＡＰ２が第２のシャッター３６に形成された何れの開口からもずれた位置に配置されている。したがって、第１及び第２のシャッター３４，３６が図５（ｂ）に示す回転位置になるように回転駆動装置４２が制御されることで、第１のターゲット２０ａがステージ１６に対して遮蔽されると共に、第２のターゲット２０ｂがステージ１６に対して遮蔽される。

上述のように、制御部Ｃｎｔは、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの一方又は双方を選択的にステージ１６に対して露出させるように、回転駆動装置４２を制御することができる。また、制御部Ｃｎｔは、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの双方をステージ１６に対して遮蔽することもできる。

また、制御部Ｃｎｔは、回転駆動装置３２に制御信号を送出することにより、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂの回転位置及び回転速度を制御することができる。例えば、制御部Ｃｎｔは、第１のマグネット２６ａが第１のターゲット２０ａの露出領域に対面し、第２のマグネット２６ｂが第２のターゲット２０ｂの露出領域に対面するように、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂの回転位置を調整することができる。即ち、この回転位置では、ステージ１６と第１のマグネット２６ａとを結ぶ直線上、及び、ステージ１６と第２のマグネット２６ｂとを結ぶ直線上に、第１のシャッター３４の開口、及び、第２のシャッター３６の開口が配置されることになる。さらに、制御部Ｃｎｔは、当該回転位置を維持した状態で、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂと第１及び第２のシャッター３４，３６が同期して回転するように回転駆動装置３２及び回転駆動装置４２を制御することができる。

このような成膜装置１０では、ガス供給部４４から処理容器１２内にガスが供給され、電源２４ａ，２４ｂによって第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂに電圧が印加されると、処理容器１２内に供給されたガスが励起される。そして、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂにプラズマ中の正イオンが衝突することで、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂからターゲット材料が放出される。これにより、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂを構成する物質がウエハＷ上に堆積する。ここで、成膜装置１０では、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの露出領域が、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂと同期して周方向に移動する。これにより、プラズマ中の正イオンの衝突によるターゲットの消耗を中心軸線Ｚの周方向において均一にすることができる。これに伴い、中心軸線Ｚの周方向から、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの材料をウエハＷ上に均一に堆積させることができる。その結果、ステージ１６を中心軸線Ｚ周りに回転させることなく、ウエハＷ上に薄膜を均一に形成することができる。

次に、図１に示す成膜装置１０の動作を説明すると共に、一実施形態の成膜方法について説明する。図６は、一実施形態の成膜方法ＭＴを示す流れ図である。方法ＭＴでは、ウエハＷを摂氏−５０度以下の極低温に冷却した状態で、ウエハＷ上にＣｏＦｅＢ膜が形成される。このような薄膜を形成するために、成膜装置１０は、コバルトから構成された第１のターゲット２０ａ、及び、鉄ボロンから構成された第２のターゲット２０ｂを備えている。

図６に示す方法ＭＴでは、まず工程ＳＴ１においてウエハＷがステージ１６上に載置される。次いで、工程ＳＴ２においては、冷凍機１８によってステージ１６上のウエハＷが摂氏−５０度以下の極低温に冷却される。次いで、工程ＳＴ３〜ＳＴ５が行われる。工程ＳＴ３〜ＳＴ５では、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの双方がステージ１６に対して遮蔽された状態で、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの表面を削る処理、即ち、プリスパッタリングが行われる。工程ＳＴ３においては、制御部Ｃｎｔが回転駆動装置４２を制御することによって、第１及び第２のシャッター３４，３６の回転位置が調整される。具体的に、工程ＳＴ３においては、第１及び第２のシャッター３４，３６が図５（ｂ）に示す回転位置になるように回転駆動装置４２が制御される。これにより、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの双方がステージ１６に対して遮蔽される。

次いで、工程ＳＴ４においては、第１及び第２のシャッター３４，３６と第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂとが、中心軸線Ｚ周りに同期して回転される。次いで、工程ＳＴ５においては、電源２４ａ，２４ｂによって第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂに電圧が印加される。これにより、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの表面に付着した不純物等の除去、即ちプリスパッタリングが行われる。このプリスパッタリング時には、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの双方がステージ１６に対して遮蔽されているので、ウエハＷの汚染が低減又は防止される。

方法ＭＴでは、次いで工程ＳＴ６が行われる。工程ＳＴ６では、制御部Ｃｎｔが回転駆動装置４２を制御することによって、第１及び第２のシャッター３４，３６、並びに、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂを回転させた状態で、第１及び第２のシャッター３４，３６の回転位置が再び調整される。具体的に、工程ＳＴ６においては、第１及び第２のシャッター３４，３６が図５（ａ）に示す回転位置になるように回転駆動装置４２が制御される。これにより、第１のターゲット２０ａの一部分が第１の開口ＡＰ１及び第３の開口ＡＰ３を介してステージ１６に対して露出されると共に、第２のターゲット２０ｂの一部分が第２の開口ＡＰ２及び第４の開口ＡＰ４を介してステージ１６に対して露出される。次いで、工程ＳＴ７が行われる。工程ＳＴ７においては、第１及び第２のシャッター３４，３６、並びに、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂを回転させた状態で、第１のターゲット２０ａの露出領域の外側に第１のマグネット２６ａが配置され、第２のターゲット２０ｂの露出領域の外側に第２のマグネット２６ｂが配置されるように、第１及び第２のシャッター３４，３６に形成された複数の開口に対する第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂの相対位置が調整される。図７は、第１及び第２のシャッター３４，３６の上方からの平面図に第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂを投影した図である。工程ＳＴ７では、図７（ａ）に示すように、第１のマグネット２６ａが、第１の開口ＡＰ１及び第３の開口ＡＰ３の一部に対面するように配置され、第２のマグネット２６ｂが、第２の開口ＡＰ２及び第４の開口ＡＰ４に対面するように配置される。なお、一実施形態では、工程ＳＴ６及び工程ＳＴ７は同時に行われてもよい。

次いで、工程ＳＴ８では、第１及び第２のシャッター３４，３６と第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂとが、再び中心軸線Ｚ周りに同期して回転される。これにより、図７（ｂ）に示すように、ステージ１６と第１のマグネット２６ａと結ぶ直線上に第１の開口ＡＰ１及び第３の開口ＡＰ３の一部が配置され、且つ、ステージ１６と第２のマグネット２６ｂと結ぶ直線上に第２の開口ＡＰ２及び第４の開口ＡＰ４が配置された状態を維持しながら、第１及び第２のシャッター３４，３６、並びに、第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂが回転する。これに伴い、ウエハＷ上に第１のターゲット２０ａの材料、及び、第２のターゲット２０ｂの材料が堆積される。その結果、ウエハＷ上にＣｏＦｅＢ膜が形成される。

なお、図６に示す方法ＭＴでは、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの材料をウエハＷ上に同時に堆積させているが、一実施形態では、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂのうち選択された一方の材料のみをウエハＷ上に堆積させてもよい。その場合には、工程ＳＴ６において、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂのうち何れか一方のみがステージ１６に対して露出されるように、第１及び第２のシャッター３４，３６の回転位置が調整される。また、ウエハＷ上に薄膜を形成する前にプリスパッタリングを行う必要がない場合には、方法ＭＴの工程ＳＴ３〜ＳＴ５を省略することができる。この場合には、工程ＳＴ８において、第１及び第２のシャッター３４，３６と第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂとを中心軸線Ｚ周りに同期して回転させると同時に、又は、その後に電源２４ａ，２４ｂから第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂに第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂに電圧が印加される。

以下、種々の実験例について説明するが、本発明はこれらの実験例によって限定されるものではない。

実験例１及び比較実験例１では、図１に示す成膜装置１０を用いて第１磁性層、トンネルバリア層、第２磁性層が順に積層された積層構造を含むＭＴＪ素子を製造した。実験例１及び比較実験例１で製造されたＭＴＪ素子では、第１磁性層及び第２磁性層をＣｏＦｅＢ層とし、トンネルバリア層を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層とした。実験例１では、ステージ１６の設定温度を５０Ｋ（摂氏−２２３度）に設定してトンネルバリア層上に第２磁性層を形成した。一方、比較実験例１では、ステージ１６の設定温度を３００Ｋ（摂氏２７度）に設定してトンネルバリア層上に第２磁性層を形成した。実験例１及び比較実験例１では、第２磁性層の成膜温度を除いては同様の条件でＭＴＪ素子を製造した。

図８は、実験例１によって製造されたＭＴＪ素子の磁化曲線、及び、比較実験例１によって製造されたＭＴＪ素子の磁化曲線を示している。図８に示すように、比較実験例１によって製造されたＭＴＪ素子のヒステリシスループの磁化曲線は大きく傾いているが、実験例１によって製造されたＭＴＪ素子のヒステリシスループの磁化曲線は傾きが少なく、略垂直になっている。ここで、ヒステリシスループの磁化曲線の傾きが小さく、垂直に近いほど、垂直磁気異方性エネルギーは高い。図８に示す結果から、ＭＴＪ素子の製造においては、被処理体を極低温に冷却した状態でトンネルバリア層上に第２磁性層を形成することによって、ＭＴＪ素子の特性を向上することが可能であることが確認された。このような高い垂直磁気異方性エネルギーを有するＭＴＪ素子は、ＭＲＡＭの情報記憶安定性を向上させることができる。このように、実験例１において形成された第２磁性体は、ＭＴＪ素子の特性を向上することができる高品質な薄膜であるといえる。

以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、図１に示す成膜装置１０は、２つのマグネットとして第１及び第２のマグネット２６ａ，２６ｂを備え、２つのシャッターとして第１及び第２のシャッター３４，３６を備えている。しかし、ターゲットの個数が１つである場合には、１つのマグネット及び１つのシャッターを備えていればよい。

また、一実施形態では、成膜装置１０は、当該成膜装置１０をメンテナンスするために処理容器１２の上部を開放するための機構を備えていてもよい。例えば、処理容器１２の側面にヒンジが設けられており、当該ヒンジを支点として処理容器１２の第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂと共に、処理容器１２の上部が開閉できるようになっていてもよい。このような機構を備えることにより、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂの交換を容易にすることができる。また、このような構成とした場合に、第１及び第２のターゲット２０ａ，２０ｂを脱着する際に処理容器１２の上部が脱落することを防止するために、処理容器１２の側壁に結合されたアームによって処理容器１２の上部が上方から支持されていてもよい。

１０…成膜装置、１２…処理容器、１６…ステージ、１８…冷凍機、２０ａ…第１のターゲット、２０ｂ…第２のターゲット、２２ａ…第１のホルダ、２２ｂ…第２のホルダ、２６ａ…第１のマグネット、２６ｂ…第２のマグネット、３０…回転軸、３２…回転駆動装置、３４…第１のシャッター、３６…第２のシャッター、３８…第１の回転軸、４０…第２の回転軸、４２…回転駆動装置、４４…ガス供給部、ＡＰ１…第１の開口、ＡＰ２…第２の開口、ＡＰ３…第３の開口、ＡＰ４…第４の開口、ＡＰ５…第５の開口、Ｃｎｔ…制御部、Ｒ１…マグネット回転機構、Ｒ２…シャッター回転機構、Ｓ…空間、Ｗ…ウエハ、Ｚ…中心軸線。

Claims (4)

1. スパッタリングによって被処理体上に薄膜を形成する成膜装置であって、
   処理容器と、
   前記処理容器内にガスを供給するガス供給部と、
   鉛直方向に延びる中心軸線にその中心が一致するように前記処理容器内に配置された非回転のステージであり、前記被処理体を摂氏−５０度以下に冷却可能な冷却機能を有する、該ステージと、
   前記処理容器内且つ前記ステージの上方で、環状に延在するターゲットを保持するホルダと、
   前記ターゲットに印加される電圧を発生する電源と、
   前記ターゲットに対向するように前記処理容器の外部に配置されたマグネットと、
   前記中心軸線周りに前記マグネットを回転させるマグネット回転機構と、
   前記ターゲットと前記ステージとの間に設けられたシャッターであり、前記ターゲットの一部を前記ステージに対して露出させる開口が形成された、該シャッターと、
   前記シャッターを前記中心軸線周りに回転させるシャッター回転機構と、
   前記ステージと前記マグネットとを結ぶ直線上に前記開口が配置された状態で、前記マグネットと前記シャッターとが同期して前記中心軸線周りに回転するように、前記マグネット回転機構及び前記シャッター回転機構を制御する制御部と、
   を備える、成膜装置。
2. 前記ターゲットである第１のターゲットを保持する第１のホルダと、該第１のターゲットとは異なる材料から構成された第２のターゲットを保持する第２のホルダと、を備える、請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記シャッターである第１のシャッターと、前記第１のシャッターに沿って設けられた第２のシャッターとを備え、
   前記第１のシャッターには前記開口を含む複数の開口が形成され、前記第２のシャッターには複数の開口が形成されており、
   前記シャッター回転機構は、前記第１のシャッター及び前記第２のシャッターを前記中心軸線周りに独立して回転させることが可能であり、
   前記制御部は、前記第１のターゲット及び前記第２のターゲットの一方又は双方を選択的に前記ステージに対して露出させるように、又は、前記第１のターゲット及び前記第２のターゲットの双方が前記ステージに対して遮蔽されるように、前記シャッター回転機構を制御する、請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記マグネットである第１のマグネットと、第２のマグネットとを備え、
   前記第１のマグネットは、前記第１のターゲットに対向するように前記処理容器の外部に配置され、前記第２のマグネットは、前記第２のターゲットに対向するように前記処理容器の外部に配置され、
   前記マグネット回転機構は、前記第１のマグネット及び前記第２のマグネットを前記中心軸線周りに回転させる、請求項２又は３に記載の成膜装置。

Images