JPWO2006077837A1 - スパッタ装置および成膜方法 - Google Patents
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Abstract
円盤状の基板を回転軸線回りに回転させながら、この基板の基板表面に成膜処理を行うスパッタ装置であって、チャンバと、前記基板を前記回転軸線を中心として回転させるテーブルと、前記基板と対向するカソード表面を有するスパッタリングカソードと、を備え、前記回転軸線から前記基板の外周縁部までの距離をＲとし、前記回転軸線から前記カソード表面の中心点までの距離をＯＦとし、前記基板表面から前記カソード表面の中心点までの高さをＴＳとすると、おおよそＲ：ＯＦ：ＴＳ ＝ １００：１７５：１９０±２０の関係を満たすとともに、前記回転軸線と、前記カソード表面の中心点を通る法線とが交差し、その交差角度が２２°±２°の関係を満たすことを特徴とするスパッタ装置。
Description
本発明は、磁気ヘッドを構成する巨大磁気抵抗（Giant Magnetic Resistive；ＧＭＲ）スピンバルブや、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）を構成するトンネル接合磁気抵抗（Tunneling Magnetic Resistive；ＴＭＲ）素子など、半導体デバイスを構成する被膜の形成に好適な、スパッタ装置および成膜方法に関するものである。
本願は、２００５年０１月１９日に出願された日本国特許出願第２００５−０１１３６４号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２００５年０１月１９日に出願された日本国特許出願第２００５−０１１３６４号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。
成膜処理装置として、スパッタ装置が広く利用されている。一般的なスパッタ装置は、被処理基板を載置するテーブルと、成膜材料を配置したスパッタカソード（ターゲット）とを、処理チャンバ内に配設して構成されている。特許文献１では、基板を適度の早さで回転させると共に、基板の法線に対するターゲットの中心軸線の角度θを１５°≦θ≦４５°の関係に保つことにより、ターゲットの径を基板と同等以下にしても、均一膜厚、膜質を達成できるとされている。
特開２０００−２６５２６３号公報
近時、開発が進められているＭＲＡＭなどの半導体デバイスには、図５Ａに示すようなトンネル接合素子１０が採用されている。このトンネル接合素子１０は、磁性層（固定層）１４、トンネルバリア層１５、および磁性層（フリー層）１６等を積層して構成されている。そのトンネルバリア層１５は、Ａｌ（金属アルミニウム）を酸化して得られるＡｌＯ（アルミニウムの酸化物全般を表し、アルミナと称されるものを含む。以下同じ。）等によって形成されている。そして、これら固定層１４およびフリー層１６の磁化方向が平行か反平行かにより、トンネル接合素子１０の抵抗値が異なることを利用して、「１」または「０」を読み出すようになっている。
図５Ｂに示すように、トンネル接合素子１０の各層内（例えば、フリー層１６）に膜厚分布があると、トンネルバリア層１５が凹凸状に積層形成される。トンネルバリア層１５のトンネル抵抗値はその膜厚に指数関数的に依存するので、仮に金属アルミニウムの膜厚分布が１％であっても、トンネル抵抗値分布は１０％以上の大きな分布を持つことになる。そして、ＭＲＡＭ素子（トンネル接合素子）は８インチ基板以上の大きな基板で作製されるために、基板上の位置によりＭＲＡＭ素子の抵抗値が大きくばらつけば、量産上は大きな問題となる。また、同様にフリー層１６に膜厚分布があると、基板上の位置によってフリー層１６の磁化が異なることになるので、加工されたＭＲＡＭ素子の磁化反転の際に、印加磁場のばらつきとなって現れてくる。これらはいずれも、作製されるＭＲＡＭ素子の性能にかかわる問題である。したがって、トンネル接合素子１０の各層における膜厚分布のばらつきを低減することが要求されている。
しかしながら、従来のスパッタ装置においては、ターゲットから飛び出した粒子が、アルゴン等のスパッタガス分子との衝突により散乱されて基板に到達する。そのため、ターゲットと基板との相対位置や、基板からチャンバ壁までの距離等によっては、たとえ基板を回転させながら成膜処理を行っても、良好な膜厚分布を得ることが困難である。
特に、基板サイズが８インチ以上に大きくなると、良好な膜厚分布を得ることが極めて困難になる。特許文献１に係る発明でも、その技術的範囲の全てにおいて１％以下の膜厚分布を得ることは困難である。
特に、基板サイズが８インチ以上に大きくなると、良好な膜厚分布を得ることが極めて困難になる。特許文献１に係る発明でも、その技術的範囲の全てにおいて１％以下の膜厚分布を得ることは困難である。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、膜厚分布のばらつきを低減することが可能な、スパッタ装置および成膜方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のスパッタ装置は、円盤状の基板を回転軸線回りに回転させながら、この基板の基板表面に成膜処理を行うスパッタ装置であって、内部にスパッタ処理室が形成されたチャンバと、前記チャンバの第１領域に設けられ、前記基板表面を前記スパッタ処理室内に向けて前記基板を保持するとともに、この基板を、前記回転軸線を中心として前記基板表面と平行な面内で回転させるテーブルと、前記スパッタ処理室を挟んで前記第１領域と反対側に位置する前記チャンバの第２領域における、前記回転軸線から離間した位置に設けられ、前記基板と前記スパッタ処理室内で対向するカソード表面を有するスパッタリングカソードと、を備え、前記回転軸線から前記基板の外周縁部までの距離をＲとし、前記回転軸線から前記カソード表面の中心点までの距離をＯＦとし、前記基板表面から前記カソード表面の中心点までの高さをＴＳとすると、おおよそ
Ｒ：ＯＦ：ＴＳ ＝ １００：１７５：１９０±２０
の関係を満たすとともに、前記回転軸線と、前記カソード表面の中心点を通る法線とが交差し、その交差角度が２２°±２°の関係を満たすことを特徴とする。
この構成によれば、多くの種類の材料について、膜厚分布のばらつきが１％以内となるように成膜処理を行うことができる。
なお、「おおよそ」とは、Ｒ：ＯＦ：ＴＳの比率が上式から５％程度ずれた場合を含み、ＯＦの値で１７５±１０程度となる。
Ｒ：ＯＦ：ＴＳ ＝ １００：１７５：１９０±２０
の関係を満たすとともに、前記回転軸線と、前記カソード表面の中心点を通る法線とが交差し、その交差角度が２２°±２°の関係を満たすことを特徴とする。
この構成によれば、多くの種類の材料について、膜厚分布のばらつきが１％以内となるように成膜処理を行うことができる。
なお、「おおよそ」とは、Ｒ：ＯＦ：ＴＳの比率が上式から５％程度ずれた場合を含み、ＯＦの値で１７５±１０程度となる。
また、前記基板を取り囲むシールド板が、前記回転軸線を中心軸として、軸対称形状に配設され、前記スパッタ処理室は、前記シールド板と前記基板表面とで囲まれた内側の空間に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、シールド板が存在することによって、膜厚分布に及ぼす影響に軸対象性を附与することが可能になり、膜厚分布のばらつきを低減することができる。
この構成によれば、シールド板が存在することによって、膜厚分布に及ぼす影響に軸対象性を附与することが可能になり、膜厚分布のばらつきを低減することができる。
また、前記シールド板は、前記第２領域から前記第１領域に向けて円筒状をなして延在する第１シールド板と、この第１シールド板の前記第１領域側の端部から、前記基板の外周縁部にかけて延在する漏斗状の第２シールド板と、を備え、 前記基板表面に対する前記第２シールド板の傾斜角度が、０°以上であって２０°以下に設定されていることが望ましい。
この構成によれば、第２シールド板に起因する基板の外周縁部の膜厚分布のばらつきを低減することができる。
この構成によれば、第２シールド板に起因する基板の外周縁部の膜厚分布のばらつきを低減することができる。
一方、本発明の成膜方法は、前記スパッタ装置を用いた成膜方法であって、前記テーブルに前記基板を保持させて、前記スパッタ処理室内を真空引きする真空引き工程と、前記テーブルにより前記基板を回転させながら、前記スパッタ処理室内にスパッタガスを導入してプラズマを発生させて、前記基板表面に成膜処理を行う成膜工程と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、多くの種類の材料について、膜厚分布のばらつきが１％以内となるように成膜処理を行うことができる。
この構成によれば、多くの種類の材料について、膜厚分布のばらつきが１％以内となるように成膜処理を行うことができる。
また、前記基板を、３０ｒｐｍ以上の回転数で回転させることが望ましい。
この構成によれば、比較的遅い成膜速度で薄い被膜を形成する場合でも、現実的な成膜条件の範囲では、膜厚分布を基板の周方向に平均化することができる。したがって、膜厚分布のばらつきを低減することができる。
この構成によれば、比較的遅い成膜速度で薄い被膜を形成する場合でも、現実的な成膜条件の範囲では、膜厚分布を基板の周方向に平均化することができる。したがって、膜厚分布のばらつきを低減することができる。
また、前記成膜処理では、磁性層を含む多層膜を形成することができる。
磁性層を含む多層膜では、膜厚分布のばらつきの低減が強く要求されている。したがって、本発明の成膜方法を使用することにより、良好な特性を有する磁性多層膜を形成することができる。
磁性層を含む多層膜では、膜厚分布のばらつきの低減が強く要求されている。したがって、本発明の成膜方法を使用することにより、良好な特性を有する磁性多層膜を形成することができる。
本発明においては、上記の如き構成を採用しているので、多くの種類の材料について、膜厚分布のばらつきが１％以内となるように成膜処理を行うことができる。
５ 基板
６０ スパッタ装置
６１ チャンバ
６２ テーブル
６２ａ 回転軸線
６４ ターゲット（スパッタリングカソード）
６４ａ 法線
７０ スパッタ処理室
７１ 側部シールド板（シールド板、第１シールド板）
７２ 下部シールド板（シールド板、第２シールド板）
６０ スパッタ装置
６１ チャンバ
６２ テーブル
６２ａ 回転軸線
６４ ターゲット（スパッタリングカソード）
６４ａ 法線
７０ スパッタ処理室
７１ 側部シールド板（シールド板、第１シールド板）
７２ 下部シールド板（シールド板、第２シールド板）
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
（磁性多層膜）
最初に、磁性層を含む多層膜の一例であるＴＭＲ膜を備えたトンネル接合素子と、そのトンネル接合素子を備えたＭＲＡＭについて説明する。
図４Ａは、トンネル接合素子の側面断面図である。トンネル接合素子１０は、ＰｔＭｎやＩｒＭｎ等からなる反強磁性層（不図示）、ＮｉＦｅやＣｏＦｅ等からなる磁性層（固定層）１４、ＡｌＯ等からなるトンネルバリア層１５、およびＮｉＦｅやＣｏＦｅ等からなる磁性層（フリー層）１６を主として構成されている。ＡｌＯからなるトンネルバリア層１５は、金属アルミニウムを酸化することによって形成されている。なお実際には、上記以外の機能層も積層されて、１５層程度の多層構造になっている。
最初に、磁性層を含む多層膜の一例であるＴＭＲ膜を備えたトンネル接合素子と、そのトンネル接合素子を備えたＭＲＡＭについて説明する。
図４Ａは、トンネル接合素子の側面断面図である。トンネル接合素子１０は、ＰｔＭｎやＩｒＭｎ等からなる反強磁性層（不図示）、ＮｉＦｅやＣｏＦｅ等からなる磁性層（固定層）１４、ＡｌＯ等からなるトンネルバリア層１５、およびＮｉＦｅやＣｏＦｅ等からなる磁性層（フリー層）１６を主として構成されている。ＡｌＯからなるトンネルバリア層１５は、金属アルミニウムを酸化することによって形成されている。なお実際には、上記以外の機能層も積層されて、１５層程度の多層構造になっている。
図４Ｂは、トンネル接合素子を備えたＭＲＡＭの概略構成図である。ＭＲＡＭ１００は、上述したトンネル接合素子１０およびＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）１１０を、基板５上にマトリクス状に整列配置して構成されている。トンネル接合素子１０の上端部はビット線１０２に接続され、その下端部はＭＯＳＦＥＴ１１０のソース電極またはドレイン電極に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート電極は、読み出し用ワード線１０４に接続されている。一方、トンネル接合素子１０の下方には、書き換え用ワード線１０６が配置されている。
図４Ａに示すトンネル接合素子１０では、固定層１４の磁化方向は一定に保持され、フリー層１６の磁化方向は反転しうるようになっている。これら固定層１４およびフリー層１６の磁化方向が平行か反平行かによって、トンネル接合素子１０の抵抗値が異なるので、トンネル接合素子１０の厚さ方向に電圧を印加した場合に、トンネルバリア層１５を流れる電流の大きさが異なる（ＴＭＲ効果）。そこで、図４Ｂに示す読み出し用ワード線１０４によりＭＯＳＦＥＴ１１０をＯＮにして、その電流値を測定することにより、「１」または「０」を読み出すことができるようになっている。
また、書き換え用ワード線１０６に電流を供給して、その周囲に磁場を発生させれば、フリー層の磁化方向を反転させることができる。これにより、「１」または「０」を書き換えることができるようになっている。
また、書き換え用ワード線１０６に電流を供給して、その周囲に磁場を発生させれば、フリー層の磁化方向を反転させることができる。これにより、「１」または「０」を書き換えることができるようになっている。
ところで、図５Ｂに示すように、トンネル接合素子１０の各層内（例えば、フリー層１６）に膜厚分布があると、トンネルバリア層１５が凹凸状に積層形成される。トンネルバリア層１５のトンネル抵抗値はその膜厚に指数関数的に依存するので、仮に金属アルミニウムの膜厚分布が１％であっても、トンネル抵抗値分布は１０％以上の大きな分布を持つことになる。そして、ＭＲＡＭ素子（トンネル接合素子）は８インチ基板以上の大きな基板で作製されるために、基板上の位置によりＭＲＡＭ素子の抵抗値が大きくばらつけば、量産上は大きな問題となる。また、同様にフリー層１６に膜厚分布があると、基板上の位置によってフリー層１６の磁化が異なることになるので、加工されたＭＲＡＭ素子の磁化反転の際に、印加磁場のばらつきとなって現れてくる。これらはいずれも、作製されるＭＲＡＭ素子の性能にかかわる問題である。したがって、トンネル接合素子１０の各層における膜厚分布のばらつきを低減することが要求されている。
（スパッタ装置）
そこで、本実施形態に係るスパッタ装置につき、図１Ａないし図３Ｃを用いて説明する。
図１Ａは本実施形態に係るスパッタ装置の斜視図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ線における側面断面図である。そして、本実施形態に係るスパッタ装置６０は、円盤状の基板５を載置することで基板５を保持するテーブル６２と、ターゲット（スパッタリングカソード）６４とを、所定位置に配設して構成されている。このスパッタ装置６０は、例えばターゲット表面に対する磁界の印加手段（不図示）を備えたマグネトロンスパッタ装置とすることが望ましい。
そこで、本実施形態に係るスパッタ装置につき、図１Ａないし図３Ｃを用いて説明する。
図１Ａは本実施形態に係るスパッタ装置の斜視図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ線における側面断面図である。そして、本実施形態に係るスパッタ装置６０は、円盤状の基板５を載置することで基板５を保持するテーブル６２と、ターゲット（スパッタリングカソード）６４とを、所定位置に配設して構成されている。このスパッタ装置６０は、例えばターゲット表面に対する磁界の印加手段（不図示）を備えたマグネトロンスパッタ装置とすることが望ましい。
図１Ｂに示すように、スパッタ装置６０は、Ａｌ等の金属材料により箱型に形成されたチャンバ６１を備えている。このチャンバ６１の内部には、スパッタ処理室７０（詳細については後述する）が形成されている。チャンバ６１の下部領域（第１領域）である、底面付近の中央部には、基板５を載置するテーブル６２が設けられている。テーブル６２は、回転軸線６２ａを中心として、任意の回転数で回転しうるように構成されている。これにより、載置された基板５を、回転軸線６２ａを中心として、基板５の表面（基板表面）と平行な面内で回転させることができるようになっている。なお、この基板５の中心と回転軸線６２ａとを一致させた状態で、基板表面を回転させることもできる。
チャンバ６１の上部領域（第２領域）である、天井面付近の周縁部には、ターゲット６４が配置されている。このターゲット６４の表面（カソード表面）は、基板５と、スパッタ処理室７０（詳細については後述する）内で対向するようになっている。このカソード表面には、基板５に形成すべき被膜の材料が配置されている。ターゲット６４の個数は１個でもよく複数個でもよい。複数個のターゲット６４を用いる場合には、テーブル６２の回転軸線６２ａから離間させて、この回転軸線６２ａの回りに等配することが望ましい。これにより、基板５における膜厚分布のばらつきを低減することができる。本実施形態では、２個のターゲット６４がテーブル６２の回転軸線６２ａを挟んで対向配置されている。
上述したターゲット６４は、テーブル６２に載置される基板５に対して所定位置に配設されている。いま、テーブル６２の回転軸線６２ａから、テーブル６２に載置される基板５の外周縁部までの距離をＲとする。なお、回転軸線６２ａと基板５の中心とを一致させて、基板５をテーブル６２に載置する場合には、基板５の半径がＲとなる。そして、テーブル６２の回転軸線６２ａからターゲット６４の表面の中心点Ｔまでの距離をＯＦ、およびテーブル６２に載置される基板５の表面からターゲット６４の表面の中心点Ｔまでの高さをＴＳとしたときに、おおよそ、
Ｒ：ＯＦ：ＴＳ ＝ １００：１７５：１９０±２０ ・・（１）
の関係を満たすように、ターゲット６４が配置されている。一例を挙げれば、基板５の直径が２００ｍｍの場合には、Ｒ＝１００ｍｍであるから、ＯＦ＝１７５ｍｍおよびＴＳ＝１９０ｍｍに設定されている。また、基板５の直径が３００ｍｍの場合には、Ｒ＝１５０ｍｍであるから、ＯＦ＝２６２．５ｍｍおよびＴＳ＝２８５ｍｍに設定されている。なお、一般的なスパッタ装置では、ＯＦよりもＴＳを調整することの方が容易であるから、ＴＳに公差を設定している。また、「おおよそ式（１）の関係を満たす」とは、Ｒ：ＯＦ：ＴＳの比率が式（１）から５％程度ずれた場合でも、本発明の技術的範囲に含まれることを意味する。このずれを、ＯＦの公差として示すと、±１０ｍｍ程度となる。
Ｒ：ＯＦ：ＴＳ ＝ １００：１７５：１９０±２０ ・・（１）
の関係を満たすように、ターゲット６４が配置されている。一例を挙げれば、基板５の直径が２００ｍｍの場合には、Ｒ＝１００ｍｍであるから、ＯＦ＝１７５ｍｍおよびＴＳ＝１９０ｍｍに設定されている。また、基板５の直径が３００ｍｍの場合には、Ｒ＝１５０ｍｍであるから、ＯＦ＝２６２．５ｍｍおよびＴＳ＝２８５ｍｍに設定されている。なお、一般的なスパッタ装置では、ＯＦよりもＴＳを調整することの方が容易であるから、ＴＳに公差を設定している。また、「おおよそ式（１）の関係を満たす」とは、Ｒ：ＯＦ：ＴＳの比率が式（１）から５％程度ずれた場合でも、本発明の技術的範囲に含まれることを意味する。このずれを、ＯＦの公差として示すと、±１０ｍｍ程度となる。
これに加えて、基板５を載置するテーブル６２の回転軸線６２ａと、ターゲット６４の表面（カソード表面）の中心点Ｔを通る法線６４ａとが、相互に交差するように同一平面上に配置されている。そして、その交差角度θが、
θ ＝ ２２°±２° ・・（２）
となるように、ターゲット６４が配置されている。θが上記範囲の場合、ターゲット６４の中心点Ｔを通る法線６４ａと基板５の表面との交点は、基板５の外周から５ｍｍ以内の範囲に位置することになる。一例を挙げれば、θ＝２２°で、基板５の直径が２００ｍｍの場合には、基板５の外周縁部から２ｍｍの位置が交点となる。
θ ＝ ２２°±２° ・・（２）
となるように、ターゲット６４が配置されている。θが上記範囲の場合、ターゲット６４の中心点Ｔを通る法線６４ａと基板５の表面との交点は、基板５の外周から５ｍｍ以内の範囲に位置することになる。一例を挙げれば、θ＝２２°で、基板５の直径が２００ｍｍの場合には、基板５の外周縁部から２ｍｍの位置が交点となる。
図３Ａ〜図３Ｃは、様々な金属材料をスパッタ成膜する場合におけるターゲットのチルト角度θと膜厚分布との関係を表すグラフである。なお、各図の縦軸は、膜厚分布の標準偏差σの膜厚に対する割合（％）を示している。また、Ｒｕ（ルテニウム）の原子量は約１０１であり、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの原子量は約５６〜５９であり、Ｉｒ，ＴａおよびＰｔの原子量は約１８１〜１９５であって、原子量が同等の元素ごとにグラフを作成している。そして、図３ＡはＴＳ＝２１０ｍｍの場合であり、図３ＢはＴＳ＝１９０ｍｍの場合であり、図３ＣはＴＳ＝１７０ｍｍの場合である。
図３Ｂに示すように、ＴＳ＝１９０ｍｍとする場合には、θ＝２２°±２°の範囲で各元素の膜厚分布が極小となることがわかる。Ｒｕを成膜する場合には、θ＝２２°において膜厚分布がほぼ０％になり、極めて均一な成膜処理がなされることがわかる。また、Ｒｕより原子量の小さいＣｏやＮｉ，Ｆｅ等を成膜する場合には、θ＝２４°において膜厚分布が約０．１％になり、Ｒｕより原子量の大きいＩｒやＴａ，Ｐｔ等を成膜する場合には、θ＝２０°において膜厚分布が約０．５％になる。したがって、いずれの場合にも、膜厚分布のばらつきを１％以内に低減することができる。
また、図３Ａに示すように、ＴＳ＝２１０ｍｍとする場合にも、θ＝２２°±２°の範囲で各元素の膜厚分布が極小となることがわかる。そして、いずれの元素の場合にも、極小値において膜厚分布のばらつきを１％以内に低減することができる。
さらに、図３Ｃに示すように、ＴＳ＝１７０ｍｍとする場合にも、θ＝２２°±２°の範囲で各元素の膜厚分布が極小となることがわかる。そして、いずれの元素の場合にも、極小値において膜厚分布のばらつきを１％以内に低減することができる。
したがって、上述した式（１）および式（２）を満たすようにターゲットを配置することにより、基板に対する成膜処理の均質性を向上させることができる。
さらに、図３Ｃに示すように、ＴＳ＝１７０ｍｍとする場合にも、θ＝２２°±２°の範囲で各元素の膜厚分布が極小となることがわかる。そして、いずれの元素の場合にも、極小値において膜厚分布のばらつきを１％以内に低減することができる。
したがって、上述した式（１）および式（２）を満たすようにターゲットを配置することにより、基板に対する成膜処理の均質性を向上させることができる。
図１Ｂに戻り、上述したテーブル６２およびターゲット６４を取り囲むように、ステンレス等からなるシールド板（側部シールド板（第１シールド板）７１および下部シールド板（第２シールド板）７２）が設けられている。側部シールド板７１は円筒状に形成され、チャンバ６１の天井面からテーブル６２に向けて延在している。そして、その中心軸がテーブル６２の回転軸線６２ａと一致するように配設されている。一例を挙げれば、側部シールド板７１の直径は４４０ｍｍに設定されている。また、側部シールド板７１の下端部（第１領域側の端部）からテーブル６２の外周縁部にかけて、下部シールド板７２が設けられている。この下部シールド板７２は漏斗状に形成され、その中心軸がテーブル６２の回転軸線６２ａと一致するように配設されている。
そして、テーブル６２に載置された基板５の基板表面、下部シールド板７２および側部シールド板７１、並びにチャンバ６１の天井面によって囲まれた空間に、スパッタ処理室７０が形成されている。すなわち、基板５は、基板表面をスパッタ処理室７０内に向けた状態で、テーブル６２に保持されるようになっている。このスパッタ処理室７０は軸対称形状とされ、その対称軸はテーブル６２の回転軸線６２ａと一致している。これにより、基板５の各部に対して均質なスパッタ処理を行うことが可能になり、膜厚分布のばらつきを低減することができる。なお、上述したスパッタ処理室７０には、スパッタガスを供給するスパッタガス供給手段（不図示）が設けられている。また、チャンバ６１には排気口６９が設けられ、図示しない排気ポンプに接続されている。
図２は、図１ＢのＢ部の拡大図である。図２に示すように、テーブル６２に載置される基板５の表面と、下部シールド板７２の斜面とのなす角度φは、２０°以下であって０°以上に設定することが望ましい。これにより、基板５の外周縁部における膜厚分布の均一性が、下部シールド板７２の影響によって低下するのを防止することができる。また、下部シールド板７２の外周部と側部シールド板７１の下端部との間には、排気スリット７４が形成されている。この排気スリット７４は、スパッタ処理室７０の全周にわたって形成されている。これにより、スパッタ処理室７０の内部における排気流路が軸対称となって、基板５における膜厚分布のばらつきを低減することができる。なお、下部シールド板７２の内周縁は、テーブル６２に載置される基板５の外周縁部より内側に配置されている。これにより、スパッタ処理室７０内のガス等が、基板５の側面に回りこむのを防止することが可能になり、コンタミネーションを抑制することができる。
（成膜方法）
次に、本実施形態に係るスパッタ装置を用いて、基板の表面に成膜処理を行う方法につき、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。
まず、テーブル６２に基板５を載置し、スパッタ処理室７０を真空引きする（真空引き工程）。次に、スパッタ処理室７０にアルゴン等のスパッタガスを導入し、プラズマを発生させる（成膜工程）。するとスパッタガスのイオンが、カソードであるターゲット６４に衝突し、ターゲット６４から成膜材料の原子が飛び出して、基板５に付着する。その際、ターゲット表面に磁界を印加して、ターゲット付近に高密度プラズマを生成させることで、成膜速度を高速化させることができる。
次に、本実施形態に係るスパッタ装置を用いて、基板の表面に成膜処理を行う方法につき、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。
まず、テーブル６２に基板５を載置し、スパッタ処理室７０を真空引きする（真空引き工程）。次に、スパッタ処理室７０にアルゴン等のスパッタガスを導入し、プラズマを発生させる（成膜工程）。するとスパッタガスのイオンが、カソードであるターゲット６４に衝突し、ターゲット６４から成膜材料の原子が飛び出して、基板５に付着する。その際、ターゲット表面に磁界を印加して、ターゲット付近に高密度プラズマを生成させることで、成膜速度を高速化させることができる。
この成膜処理は、テーブル６２により基板５を回転させながら行う。基板５の回転数は、３０ｒｐｍ以上とすることが望ましく、例えば１２０ｒｐｍ程度に設定すればよい。回転数が小さいと、膜厚分布が基板の周方向に平均化されないので、基板５の周方向に膜厚分布のばらつきが発生するからである。特に、遅い成膜速度で薄い被膜を形成する場合には、膜厚分布のばらつきの影響が顕著になる。例えば、１秒につき１オングストローム程度の成膜速度で、膜厚が１００オングストローム以下の被膜を形成する場合に、基板５の回転数を６０ｒｐｍ未満にすると、膜厚分布のばらつきが１％以上になるおそれがある。
現実的な成膜条件の範囲では、基板５の回転数を３０ｒｐｍ以上とすることにより、膜厚分布のばらつきを１％以内に抑えることができるのである。
なお、１２０ｒｐｍ以上では、その効果に差はみられなかったが、装置の構成から確認できた最大回転数は、３００ｒｐｍであった。そのため、３０ｒｐｍ以上３００ｒｐｍ以下が、好適な回転数といえる。
現実的な成膜条件の範囲では、基板５の回転数を３０ｒｐｍ以上とすることにより、膜厚分布のばらつきを１％以内に抑えることができるのである。
なお、１２０ｒｐｍ以上では、その効果に差はみられなかったが、装置の構成から確認できた最大回転数は、３００ｒｐｍであった。そのため、３０ｒｐｍ以上３００ｒｐｍ以下が、好適な回転数といえる。
以上に詳述したように、本実施形態に係るスパッタ装置および成膜方法により、膜厚分布のばらつきを低減することができる。すなわち、多くの種類のターゲット材料につき、ばらつきが１％以下の膜厚分布を実現することができる。一例を挙げれば、Ａｌにつき０．２６％、Ｔａにつき０．４２％、ＰｔＭｎにつき０．７１％、ＣｏＦｅにつき０．４７％、ＮｉＦｅにつき０．３９％、Ｒｕにつき０．２０％の膜厚分布を実現することができる。これにより、半導体デバイスに多用されるＣｕやＴａ，Ａｌ等は勿論のこと、磁性材料であるＣｏＦｅやＮｉＴｅ，ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ等、或いは非磁性金属であるＲｕ等についても、同様に良好な膜厚分布を得ることができる。
そして、本実施形態に係るスパッタ装置および成膜方法を使用して、磁性多層膜を形成することにより、各層内の膜厚分布のばらつきを低減することができる。特に、トンネル接合素子を形成する場合には、トンネルバリア層を平坦に形成することができるので、基板上の位置によるトンネル接合素子の抵抗値のばらつきを低減することができる。また、フリー層を平坦に形成することができるので、トンネル接合素子におけるフリー層の磁化が均一化され、フリー層の磁化方向を反転させるために印加する磁場のばらつきの低減など、大口径ウェハー上で均一な性能を有するＭＲＡＭ素子の生産にとってきわめて重要である。
そして、本実施形態に係るスパッタ装置および成膜方法を使用して、磁性多層膜を形成することにより、各層内の膜厚分布のばらつきを低減することができる。特に、トンネル接合素子を形成する場合には、トンネルバリア層を平坦に形成することができるので、基板上の位置によるトンネル接合素子の抵抗値のばらつきを低減することができる。また、フリー層を平坦に形成することができるので、トンネル接合素子におけるフリー層の磁化が均一化され、フリー層の磁化方向を反転させるために印加する磁場のばらつきの低減など、大口径ウェハー上で均一な性能を有するＭＲＡＭ素子の生産にとってきわめて重要である。
なお、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、チャンバの底面付近にテーブルを配置し天井面付近にターゲットを配置したが、上下反転してチャンバの底面付近にターゲットを配置し天井面付近にテーブルを配置してもよい。また、上述した実施形態では、テーブルの回転軸線に対して基板の中心を一致させて基板を配置したが、テーブルの回転軸線に対して基板の中心をオフセットさせて基板を配置してもよい。また、テーブル上に複数の基板を配置して同時に成膜処理を行うことも可能である。
例えば、上述した実施形態では、チャンバの底面付近にテーブルを配置し天井面付近にターゲットを配置したが、上下反転してチャンバの底面付近にターゲットを配置し天井面付近にテーブルを配置してもよい。また、上述した実施形態では、テーブルの回転軸線に対して基板の中心を一致させて基板を配置したが、テーブルの回転軸線に対して基板の中心をオフセットさせて基板を配置してもよい。また、テーブル上に複数の基板を配置して同時に成膜処理を行うことも可能である。
本発明は、磁気ヘッドを構成するＧＭＲスピンバルブや、ＭＲＡＭを構成するＴＭＲ素子など、半導体デバイスを構成する被膜の形成に好適なものである。
Claims (6)
- 円盤状の基板を回転軸線回りに回転させながら、この基板の基板表面に成膜処理を行うスパッタ装置であって、
内部にスパッタ処理室が形成されたチャンバと、
前記チャンバの第１領域に設けられ、前記基板表面を前記スパッタ処理室内に向けて前記基板を保持するとともに、この基板を、前記回転軸線を中心として前記基板表面と平行な面内で回転させるテーブルと、
前記スパッタ処理室を挟んで前記第１領域と反対側に位置する前記チャンバの第２領域における、前記回転軸線から離間した位置に設けられ、前記基板と前記スパッタ処理室内で対向するカソード表面を有するスパッタリングカソードと、
を備え、
前記回転軸線から前記基板の外周縁部までの距離をＲとし、前記回転軸線から前記カソード表面の中心点までの距離をＯＦとし、前記基板表面から前記カソード表面の中心点までの高さをＴＳとすると、おおよそ
Ｒ：ＯＦ：ＴＳ ＝ １００：１７５：１９０±２０
の関係を満たすとともに、
前記回転軸線と、前記カソード表面の中心点を通る法線とが交差し、その交差角度が２２°±２°の関係を満たすことを特徴とするスパッタ装置。 - 前記基板を取り囲むシールド板が、前記回転軸線を中心軸として、軸対称形状に配設され、
前記スパッタ処理室は、前記シールド板と前記基板表面とで囲まれた内側の空間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。 - 前記シールド板は、
前記第２領域から前記第１領域に向けて円筒状をなして延在する第１シールド板と、
この第１シールド板の前記第１領域側の端部から、前記基板の外周縁部にかけて延在する漏斗状の第２シールド板と、
を備え、
前記基板表面に対する前記第２シールド板の傾斜角度が、２０°以下に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のスパッタ装置。 - 請求項１〜３の何れかに記載のスパッタ装置を用いた成膜方法であって、
前記テーブルに前記基板を保持させて、前記スパッタ処理室内を真空引きする真空引き工程と、
前記テーブルにより前記基板を回転させながら、前記スパッタ処理室内にスパッタガスを導入してプラズマを発生させて、前記基板表面に成膜処理を行う成膜工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。 - 前記基板を、３０ｒｐｍ以上の回転数で回転させることを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
- 前記成膜工程では、磁性層を含む多層膜を形成することを特徴とする請求項５に記載の成膜方法。
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