JPWO2008152915A1 - 磁気デバイスの製造方法、磁気デバイスの製造装置、及び磁気デバイス - Google Patents

Abstract

一方向異方性定数（ＪＫ）を向上させた磁気デバイスの製造方法。成膜空間（２１ａ）の基板ホルダ（２４）に基板（Ｓ）を載置し、基板（Ｓ）を所定の温度に加熱してプロセス圧力を０．１（Ｐａ）以下に減圧する。反強磁性層の構成元素を主成分とするターゲット（Ｔ２）を、ＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を用いてスパッタして基板（Ｓ）の上に反強磁性層を成膜する。反強磁性層は、組成式Ｍｎ１００−Ｘ−ＭＸ（Ｍは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群の中から選択される少なくともいずれか一つの元素である。Ｘは、２０（atom% ）≦Ｘ≦３０（atom% ）である。）によって表されるＬ１２規則相を含む。

Description

本発明は、磁気デバイスの製造方法、磁気デバイスの製造装置、及び磁気デバイスに関するものである。

巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetic Resistive ）効果やトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistive ）効果を利用する磁気抵抗素子は、優れた磁気抵抗変化率を有するために、磁気センサ、磁気再生ヘッド、磁気メモリ等の各種の磁気デバイスに採用されている。

磁気抵抗素子は、６〜１５層程度の人工格子構造を呈し、自発磁化の方向が回転可能な自由層と、自発磁化の方向が固定された固定層と、固定層と自由層との間に挟まれた非磁性層と、固定層に対して一方向の磁気異方性を誘導させる反強磁性層とを有する。

反強磁性層としては、マンガンイリジウム（ＭｎＩｒ）薄膜や白金マンガン（ＰｔＭｎ）薄膜等が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。ＭｎＩｒ薄膜は、固定層との間において強い磁気的な結合力を発生させる。ＰｔＭｎ薄膜は、磁気的な結合力に優れた熱的安定性を与える。

反強磁性層と固定層との間の磁気的な結合力は、一般に、一方向異方性定数Ｊ_Ｋを用いて評価される。反強磁性層と固定層とからなる積層膜の一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、Ｊ_Ｋ＝Ｍ_Ｓ・ｄ_Ｆ・Ｈ_ｅｘによって与えられる。Ｍ_Ｓは固定層の飽和磁化、ｄ_Ｆは固定層の膜厚、Ｈ_ｅｘは磁気ヒステリシス曲線上におけるシフト磁界の大きさを表す。

膜厚が５〜１０ｎｍの極薄のＭｎＩｒ薄膜は、ＭｎとＩｒの組成比が３：１になり、かつ、その結晶構造がＬ１_２型に規則化するに従って、極めて大きな一方向異方性定数Ｊ_Ｋを発現する。このＭｎ_３Ｉｒ薄膜では、磁気的な結合力の消失する温度、いわゆるブロッキング温度が３６０℃以上である。このため、Ｍｎ_３Ｉｒ薄膜は、磁気特性に関して高い熱的安定性を示す（特許文献３）。

反強磁性層の製造工程には、一般に、高純度のアルゴン（Ａｒ）ガスを用いるスパッタ法が利用される。スパッタ時の圧力が１．０（Pa）を超える高圧プロセスは、基板温度Ｔ_ｓｕｂを上昇させることによって積層膜の一方向異方性定数Ｊ_Ｋを増大させる。

図８は、反強磁性層にＭｎＩｒ、固定層にＣｏＦｅを用いる場合の一方向異方性定数Ｊ_Ｋを示す。なお、図８において、スパッタ時の圧力は２．０（Pa）であり、基板温度Ｔ_ｓｕｂは室温（２０℃）〜４００℃である。また、縦軸は一方向異方性定数Ｊ_Ｋ、横軸はＭｎおよびＩｒを主成分とするターゲットへの印加電力密度Ｐ_Ｄを示す。

図８に示すように、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、印加電力密度Ｐ_Ｄの増加に伴って増大する。また、同一の印加電力密度Ｐ_Ｄにおいて、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは基板温度Ｔ_ｓｕｂの上昇に伴って増大する。積層膜の一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、一般に、ＭｎとＩｒの組成比が３：１となるＭｎ_３Ｉｒ付近において極大値を示す。上記印加電力密度Ｐ_Ｄの依存性は、印加電力密度Ｐ_Ｄの増加がＭｎＩｒ薄膜の組成をＭｎ_３Ｉｒに近づけることを示唆するものである。また、上記基板温度Ｔ_ｓｕｂの依存性は、基板温度Ｔ_ｓｕｂの上昇がＬ１_２規則相の形成を促進させることを示唆するものである。

しかしながら、上記の高圧プロセスを用いて反強磁性層を形成すると、以下の問題を招いてしまう。スパッタされる粒子のうちでＩｒ等の質量の大きな粒子は、Ａｒに衝突しても、その運動方向が容易に変化しない。一方、Ｍｎ等の質量の小さい粒子は、残留するＡｒに衝突して、その運動方向が容易に変化してしまう。この結果、高圧プロセスにおいては、反強磁性層の組成や膜厚が、基板の面内で大きなバラツキを来たしてしまう。一層ごとに厚みのバラツキ幅が１ｎｍ以下である膜厚均一性が要求される磁気デバイスでは、こうした反強磁性層の組成や膜厚の面内バラツキが、デバイスの磁気特性を大きく劣化させてしまう。

上記の問題は、スパッタ時の圧力を低くすることによって解決可能と考えられる。しかし、本発明者による実験によれば、スパッタ時の圧力を０．１（Pa）以下にすると、上記印加電力密度Ｐ_Ｄや基板温度Ｔ_ｓｕｂに関わらず、積層膜の一方向異方性定数Ｊ_Ｋを十分に得られなくなってしまう。

図９は、反強磁性層にＭｎＩｒ、固定層にＣｏＦｅを用いる場合の一方向異方性定数Ｊ_Ｋを示す。なお、図９において、基板温度Ｔ_ｓｕｂは室温（２０℃）あるいは３５０℃、印加電力密度Ｐ_Ｄは０．４１（W/cm² ）〜２．４４（W/cm²）である。また、縦軸は一方向異方性定数Ｊ_Ｋ、横軸はスパッタ時の圧力（以下単に、プロセス圧力Ｐ_Ｓという。）を示す。

図９に示すように、基板温度Ｔ_ｓｕｂが３５０℃のとき、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、プロセス圧力Ｐ_Ｓの低下に伴って徐々に低下し、最終的には、基板温度Ｔ_ｓｕｂが室温（２０℃）のときの一方向異方性定数Ｊ_Ｋと略同じレベル（約０．４（erg/cm² ））になってしまう。一方、基板温度Ｔ_ｓｕｂが室温のとき、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、プロセス圧力Ｐ_Ｓの低下に伴って徐々に増大するが、その値は、いずれも基板温度Ｔ_ｓｕｂが３５０℃のときの一方向異方性定数Ｊ_Ｋを超えるものではない。
特許２６７２８０２号公報 特許２９６２４１５号公報 特開２００５−３３３１０６号公報

本発明は、スパッタ時の圧力が０．１（Pa）以下の低圧プロセスにおいて一方向異方性定数Ｊ_Ｋを向上させた磁気デバイスの製造方法、磁気デバイスの製造装置、及び該製造装置を用いて製造した磁気デバイスを提供する。

本発明の一つの態様は、磁気デバイスの製造方法である。当該方法は、成膜室に基板を配置すること、前記基板を所定の温度に加熱すること、前記成膜室の圧力を０．１（Pa）以下に減圧すること、減圧された前記成膜室内で、反強磁性層の構成元素を主成分とするターゲットを、ＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を用いてスパッタすることにより、前記基板の上に前記反強磁性層を成膜することを備える。前記反強磁性層は、組成式Ｍｎ_{１００−Ｘ}−Ｍ_Ｘ（Ｍは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群の中から選択される少なくともいずれか一つの元素である。Ｘは、２０（atom% ）≦Ｘ≦３０（atom% ）である。）によって表されるＬ１_２規則相を含む。

本発明の他の態様は、磁気デバイスの製造装置である。当該装置は、基板を収容する成膜室と、前記成膜室を減圧する減圧部と、前記成膜室で前記基板を加熱する加熱部と、前記反強磁性層の構成元素を主成分とするターゲットを有するカソードと、前記成膜室にＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を供給する供給部と、前記加熱部を駆動して前記基板を所定の温度に加熱し、前記減圧部を駆動して前記成膜室の圧力を０．１（Pa）以下に減圧し、前記供給部を駆動してＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を前記成膜室に供給し、前記カソードを駆動して前記ターゲットをスパッタすることにより前記基板の上に前記反強磁性層を成膜する制御部とを備える。前記反強磁性層は、組成式Ｍｎ_{１００−Ｘ}−Ｍ_Ｘ（Ｍは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群の中から選択される少なくともいずれか一つの元素である。Ｘは、２０（atom% ）≦Ｘ≦３０（atom% ）である。）によって表されるＬ１_２規則相を含む。

本発明の更に他の態様は、上記製造装置によって製造された磁気デバイスである。

磁気デバイスの製造装置を模式的に示す図。 反強磁性層チャンバを示す側断面図。 一方向異方性定数に関わる印加電力密度の依存性を示す図。 一方向異方性定数に関わるプロセス圧力の依存性を示す図。 抵抗均一性に関わるプロセス圧力の依存性を示す図。 交換結合磁界の均一性に関わるプロセス圧力の依存性を示す図。 磁気メモリを示す要部断面図。 従来例の一方向異方性定数に関わる印加電力密度の依存性を示す図。 従来例の一方向異方性定数に関わるプロセス圧力の依存性を示す図。

以下、本発明の一実施形態の磁気デバイスの製造装置１０を図面に従って説明する。図１は、磁気デバイスの製造装置１０を模式的に示す図である。図１において、製造装置１０は、移載装置１１、成膜装置１２、及び制御部としての制御装置１３を有している。

移載装置１１は、複数の基板Ｓを収容可能なカセット（複数）Ｃと、基板Ｓを移載する移載ロボットとを搭載している。移載装置１１は、基板Ｓの成膜処理を開始するとき、カセットＣにある基板Ｓを成膜装置１２に搬入し、基板Ｓの成膜処理を終了するとき、成膜装置１２にある基板ＳをカセットＣに搬出する。基板Ｓとしては、例えば、シリコン、ガラス、ＡｌＴｉＣ等からなるものを用いることができる。

成膜装置１２の搬送チャンバＦＸには、基板Ｓを搬入及び搬出するためのロードチャンバＦＬと、基板Ｓの表面を洗浄するための前処理チャンバＦ０が連結されている。また、搬送チャンバＦＸには、反強磁性層を成膜するための反強磁性層チャンバＦ１と、固定層を成膜するための固定層チャンバＦ２が連結されている。また、搬送チャンバＦＸには、非磁性層を成膜するための非磁性層チャンバＦ３と、自由層を成膜するための自由層チャンバＦ４が連結されている。

ロードチャンバＦＬは、基板Ｓの成膜処理を開始するとき、移載装置１１の基板Ｓを収容して搬送チャンバＦＸへ搬出する。ロードチャンバＦＬは、基板Ｓの成膜処理を終了するとき、搬送チャンバＦＸの基板Ｓを収容して移載装置１１へ搬出する。

搬送チャンバＦＸは、基板Ｓを搬送する図示しない搬送ロボットを搭載している。搬送チャンバＦＸは、基板Ｓの成膜処理を開始するとき、ロードチャンバＦＬの基板Ｓを、前処理チャンバＦ０、反強磁性層チャンバＦ１、固定層チャンバＦ２、非磁性層チャンバＦ３、自由層チャンバＦ４の順に搬送する。搬送チャンバＦＸは、基板Ｓの成膜処理を終了するとき、自由層チャンバＦ４の基板ＳをロードチャンバＦＬへ搬出する。

前処理チャンバＦ０は、基板Ｓの表面をスパッタするスパッタ装置であって、基板Ｓの表面をスパッタ洗浄する。
反強磁性層チャンバＦ１は、下地電極層を形成するためのターゲットＴや反強磁性層を形成するためのターゲットＴを搭載するスパッタ装置である。反強磁性層チャンバＦ１は、各ターゲットＴをスパッタして各ターゲットＴの構成元素と実質的に同一組成の金属膜や反強磁性膜を基板Ｓの上に成膜する。なお、実質的に同一組成の膜とは、ターゲットからの組成のずれが１０（atom% ）以下の膜組成を有する膜である。

下地電極層は、基板Ｓの表面荒れを緩和するバッファ層、および反強磁性層の結晶配向を規定するシード層を含む。下地電極層としては、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、又はこれらの合金を用いることができる。反強磁性層は、固定層との相互作用によって固定層の磁化方向を一方向に固定させる層である。反強磁性層は、組成式Ｍｎ_{１００−Ｘ}−Ｍ_Ｘ（Ｍは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群の中から選択される少なくともいずれか一つの元素である。Ｘは、２０（atom% ）≦Ｘ≦３０（atom% ）である。）によって表されるＬ１_２規則相の反強磁性体からなる薄膜である。反強磁性層としては、例えば、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）等を用いることができる。

固定層チャンバＦ２は、固定層を形成するための複数のターゲットＴを搭載するスパッタ装置である。固定層チャンバＦ２は、各ターゲットＴをスパッタして各ターゲットＴの構成元素と実質的に同一組成の強磁性膜を基板Ｓの上に成膜する。固定層は、反強磁性層との相互作用によって、その磁化方向が一方向に固定される強磁性層である。固定層としては、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）を用いることができる。また、固定層としては、単層構造に限らず、強磁性層／磁気結合層／強磁性層、例えばＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢからなる積層フェリ構造を用いることができる。

非磁性層チャンバＦ３は、非磁性層を形成するための複数のターゲットＴを搭載するスパッタ装置である。非磁性層チャンバＦ３は、各ターゲットＴをスパッタして各ターゲットＴの構成元素と実質的に同一組成の非磁性膜を基板Ｓの上に成膜する。非磁性層は、０．４〜２．５ｎｍの膜厚を有する金属薄膜、若しくは、その厚さ方向にトンネル電流が流れる程度の膜厚を有する絶縁膜である。非磁性層の抵抗値は、固定層の自発磁化と自由層の自発磁化とが平行であるか否かによって変化する。非磁性層としては、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、又はそれらの合金を用いることができる。さらに、非磁性層としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることもできる。

自由層チャンバＦ４は、自由層を形成するためのターゲットＴや保護層を形成するためのターゲットＴを搭載するスパッタ装置である。自由層チャンバＦ４は、各ターゲットＴをスパッタして各ターゲットＴの構成元素と実質的に同一組成の強磁性膜や金属膜を基板Ｓの上に成膜する。自由層は、自発磁化の方向を回転可能にする保磁力を有する層であって、自発磁化の方向を固定層の自発磁化の方向と平行、あるいは反平行にする。自由層としては、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅの単層構造、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢからなる積層フェリ構造、あるいは、ＣｏＦｅにＮｉＦｅを積層した積層構造を用いることができる。保護層は、基板Ｓの表面荒れを緩和するバッファ層や外気に対するバリア層を含む。保護層としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、又はこれらの合金を用いることができる。

図１において、制御装置１３は、製造装置１０に各種の処理動作を実行させるものである。制御装置１３は、各種の演算処理を実行するためのＣＰＵ、各種のデータを格納するためのＲＡＭ、各種の制御プログラムを格納するためのＲＯＭやハードディスクなどを有する。制御装置１３は、例えば、ハードディスクに格納された搬送プログラムを読み出して、該搬送プログラムに従って基板Ｓを各チャンバへ搬送させる。また、制御装置１３は、ハードディスクに格納された各層の成膜条件を読み出して、該成膜条件に従って各層の成膜処理を実行させる。

制御装置１３は、図１の二点鎖線で示すように、移載装置１１及び成膜装置１２の各チャンバと電気的に接続されている。移載装置１１は、図示しない各種のセンサを用いて処理対象の基板Ｓの枚数やサイズを検出し、その検出結果を制御装置１３に供給する。制御装置１３は、移載装置１１からの検出結果を利用して移載装置１１に対応する第１の駆動制御信号を生成し、その第１の駆動制御信号を移載装置１１に供給する。移載装置１１は、第１の駆動制御信号に応答して基板Ｓの移載処理を実行する。成膜装置１２は、図示しない各種のセンサを用いてロードチャンバＦＬや反強磁性層チャンバＦ１等の各チャンバの状態、例えば、基板Ｓの有無や圧力を検出し、その検出結果を制御装置１３に供給する。制御装置１３は、成膜装置１２からの検出結果を利用して成膜装置１２に対応する第２の駆動制御信号を生成し、その第２の駆動制御信号を成膜装置１２に供給する。成膜装置１２は、第２の駆動制御信号に応答して基板Ｓの成膜処理を実行する。

そして、制御装置１３は、移載装置１１と成膜装置１２を駆動して、移載装置１１にある基板Ｓを前処理チャンバＦ０に搬入させて基板Ｓの表面をスパッタ洗浄させる。さらに、制御装置１３は、成膜装置１２を駆動して、前処理チャンバＦ０にある基板Ｓを反強磁性層チャンバＦ１、固定層チャンバＦ２、非磁性層チャンバＦ３、自由層チャンバＦ４の順に搬送させて、洗浄された基板Ｓの表面に、下地電極層、反強磁性層、固定層、非磁性層、自由層、保護層を順に積層させる。これによって、制御装置１３は、下地電極層／反強磁性層／固定層／非磁性層／自由層／保護層からなる磁気抵抗素子を形成させる。

次に、反強磁性層チャンバＦ１について以下に説明する。図２は、反強磁性層チャンバＦ１を示す側断面図である。
図２において、反強磁性層チャンバＦ１は、搬送チャンバＦＸに連結された真空槽（以下単に、成膜空間２１ａという。）を有し、搬送チャンバＦＸの基板Ｓをチャンバ本体２１の内部空間に搬入する。一実施形態では、チャンバ本体２１の内部空間を成膜空間２１ａ（成膜室）という。

チャンバ本体２１は、供給配管２２を介して、供給部を構成するマスフローコントローラＭＦＣに連結されている。マスフローコントローラＭＦＣは、クリプトン（Ｋｒ）とキセノン（Ｘｅ）の少なくともいずれか一方をプロセスガスとして成膜空間２１ａに供給する。一実施形態では、プロセスガスとしてＫｒあるいはＸｅを用いる成膜プロセスを、それぞれＫｒプロセスあるいはＸｅプロセスという。なお、プロセスガスとしてＡｒを用いる成膜プロセスをＡｒプロセスという。

チャンバ本体２１は、排気配管２３を介して、減圧部を構成する排気ユニットＰＵに連結されている。排気ユニットＰＵは、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる排気系であって、プロセスガスが供給された成膜空間２１ａの圧力を所定の圧力まで減圧する。一実施形態では、成膜空間２１ａの圧力をプロセス圧力Ｐ_Ｓという。プロセス圧力Ｐ_Ｓは、０．１（Pa）以下であり、より好ましくは、０．１（Pa）〜０．０４（Pa）である。プロセス圧力Ｐ_Ｓが０．１（Pa）よりも高くなると、反強磁性層の組成や膜厚の均一性を得難くなる。また、プロセス圧力Ｐ_Ｓが０．０２（Pa）よりも低くなると、成膜空間２１ａにてプラズマの安定性が損なわれる。

チャンバ本体２１の成膜空間２１ａには、加熱部を構成する基板ホルダ２４と、下側防着板２５とが配設されている。基板ホルダ２４は、図示しないヒータを有しており、搬入される基板Ｓを所定の温度に加熱するとともに同基板Ｓを位置決め固定する。一実施形態では、成膜時における基板Ｓの温度を基板温度Ｔ_ｓｕｂという。基板温度Ｔ_ｓｕｂは、２０℃よりも高い温度であって、より好ましくは、１００℃〜４００℃である。基板温度Ｔ_ｓｕｂが１００℃以下になると、Ｌ１_２規則相を得難くなり、基板温度Ｔ_ｓｕｂが４００℃よりも高くなると、基板Ｓ等の下地に熱的損傷を与えてしまう。

基板ホルダ２４は、ホルダモータ２６の出力軸に駆動連結されて、中心軸Ａを回転中心にして基板Ｓを周方向に回転させる。基板ホルダ２４は、一方向からのスパッタ粒子を基板Ｓの全周にわたって分散させて堆積物の面内均一性を向上させる。下側防着板２５は、基板ホルダ２４の周囲を覆うように配設されて、成膜空間２１ａの内壁に対するスパッタ粒子の付着を抑制する。

チャンバ本体２１は、基板ホルダ２４の斜め上方に、複数のカソード２７を有している。一実施形態では、図２における左側のカソード２７を第１カソード２７ａとし、図２における右側のカソード２７を第２カソード２７ｂという。

各カソード２７は、バッキングプレート２８を有し、対応するバッキングプレート２８を介して外部電源（図示略）に接続されている。各外部電源は、対応するバッキングプレート２８に、所定の直流電力を供給する。一実施形態では、各バッキングプレート２８に供給される電力密度を、印加電力密度Ｐ_Ｄという。印加電力密度Ｐ_Ｄは、反強磁性層の組成比Ｘを２０（atom% ）≦Ｘ≦３０（atom% ）にする範囲に規定される。

各カソード２７は、対応するバッキングプレート２８の下側にターゲットＴを搭載している。第１カソード２７ａのターゲットＴは、下地電極層の構成元素を主成分とするターゲットであり、第２カソード２７ｂのターゲットＴは、反強磁性層の構成元素を主成分とするターゲットである。第２カソード２７ｂのターゲットＴは、その構成元素が反強磁性層と同一構成元素であり、かつ反強磁性層の主成分であるマンガン（Ｍｎ）を６０（atom% ）〜９０（atom% ）含むターゲットであれば良い。

各ターゲットＴは、成膜空間２１ａに露出する円盤状に形成されて、その内表面の法線を基板Ｓの法線（中心軸Ａ）に対して所定の角度（例えば、２２°）だけ傾斜させる。一実施形態では、第１カソード２７ａに搭載されるターゲットＴを第１ターゲットＴ１とし、第２カソード２７ｂに搭載されるターゲットＴを第２ターゲットＴ２という。

各カソード２７は、対応するバッキングプレート２８の上側に磁気回路ＭＧ及びカソードモータＭを搭載している。各磁気回路ＭＧは、対応するターゲットＴの内表面に沿ってマグネトロン磁場を形成し、ターゲットＴがスパッタされるとき、ターゲットＴの近傍に高密度のプラズマを生成する。各磁気回路ＭＧは、対応するカソードモータＭの出力軸に駆動連結されており、カソードモータＭが駆動するとき、対応するターゲットＴの面方向に沿って回転する。各カソードモータＭは、対応する磁気回路ＭＧのマグネトロン磁場を対応するターゲットＴの全周にわたって移動させて、そのエロージョンの均一性を向上させる。

チャンバ本体２１の成膜空間２１ａには、上側防着板２９が配設されている。上側防着板２９は、成膜空間２１ａの上側の全体を覆うように配設されて、成膜空間２１ａの内壁に対するスパッタ粒子の付着を抑制する。上側防着板２９は、各ターゲットＴと対向する領域にシャッター部２９ａを有している。各シャッター部２９ａは、対応するターゲットＴに所定の電力が供給されるとき、該ターゲットＴと対向する開口を開けて、該ターゲットＴを用いるスパッタ処理を実施可能にする。また、各シャッター部２９ａは、対応するターゲットＴに所定の電力が供給されていないとき、該ターゲットＴと対向する開口を閉じて、該ターゲットＴを用いるスパッタ処理を実施不能にする。

制御装置１３は、下地電極層と反強磁性層の成膜処理を開始するとき、マスフローコントローラＭＦＣを駆動制御して、成膜空間２１ａにＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を供給させる。また、制御装置１３は、排気ユニットＰＵを駆動制御して、成膜空間２１ａの圧力を０．１（Pa）以下に調整して低圧雰囲気を形成させる。制御装置１３は、ホルダモータ２６及び第１カソード２７ａを駆動制御して第１ターゲットＴ１をスパッタさせて、次いで、ホルダモータ２６及び第２カソード２７ｂを駆動制御して第２ターゲットＴ２をスパッタさせる。すなわち、制御装置１３は、ＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を含む低圧雰囲気の下で第１ターゲットＴ１と第２ターゲットＴ２をスパッタさせて、所定の温度に昇温された基板Ｓの上に、下地電極層と反強磁性層を積層させる。

プロセスガスがターゲット原子と正面衝突する場合、一般に、散乱角９０°、並びに１８０°の反跳粒子が保有するエネルギーは、それぞれＶ_Ｃ・（Ｍ_Ｔ−Ｍ_Ｇ）／（Ｍ_Ｔ＋Ｍ_Ｇ）、並びにＶ_Ｃ・（Ｍ_Ｔ−Ｍ_Ｇ）^２／（Ｍ_Ｔ＋Ｍ_Ｇ）^２によって表される。ここで、Ｖ_Ｃは、プロセスガスのターゲット表面への加速電圧を表し、Ｍ_ＴとＭ_Ｇは、それぞれターゲット原子の質量、並びにプロセスガスの質量を表す。

Ａｒ原子のモル質量が４０．０（g/mol ）であるのに対して、Ｋｒ原子とＸｅ原子のモル質量は、それぞれ８３．８（g/mol ）と１３１．３０（g/mol ）である。反跳粒子が保有するエネルギーは、Ｋｒプロセス、あるいはＸｅプロセスを用いることによって、Ａｒプロセスのものよりも低くなる。これによって、Ｋｒプロセス、あるいはＸｅプロセスは、Ｌ１_２規則相の妨げとなる反跳粒子の数量やエネルギーを低下させて、Ｌ１_２規則相に与えるダメージを低減させる。そして、ＫｒプロセスあるいはＸｅプロセスは、反強磁性層に対してＬ１_２規則相の形成を促進させて、反強磁性層／固定層からなる積層膜に、より高い一方向異方性定数Ｊ_Ｋを与える。

（実施例）
次に、実施例を挙げて本発明を説明する。
まず、直径が２００ｍｍのシリコンウェハを基板Ｓとして用い、該基板Ｓに対して上記製造装置１０による成膜処理を施し、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２０ｎｍ）／ＭｎＩｒ（１０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）からなる積層膜を得た。

詳述すると、反強磁性層チャンバＦ１を用いて、膜厚が５ｎｍのＴａ膜と、膜厚が２０ｎｍのＲｕ膜を積層して下地層を形成し、次いで、膜厚が１０ｎｍのＭｎＩｒ膜を成膜して反強磁性層を得た。なお、第２ターゲットＴ２として、直径が１２５ｍｍであって、組成がＭｎ_７７Ｉｒ_２３の合金ターゲットを用いた。また、基板ＳとターゲットＴとの間の距離を、各ターゲットＴの法線方向において２００ｍｍに設定した。そして、プロセスガスとして、Ｋｒを用いた。

次いで、固定層チャンバＦ２及び自由層チャンバＦ４を用いて、膜厚が４ｎｍのＣｏ_７０Ｆｅ_３０膜を成膜して固定層を形成し、次いで、膜厚が１ｎｍのＲｕ膜と、膜厚が２ｎｍのＴａ膜を成膜して保護層を形成した。

この際、下地層、固定層、及び保護層を成膜するときの基板の温度を２０℃に調整し、反強磁性層を成膜するときの基板温度Ｔ_ｓｕｂを３５０℃、ターゲットへの印加電力密度Ｐ_Ｄを２．０４（W/cm²）、プロセス圧力Ｐ_Ｓを０．０４（Pa）に調整して、実施例の積層膜を得た。

また、反強磁性層を成膜するときの基板温度Ｔ_ｓｕｂと、印加電力密度Ｐ_Ｄと、プロセス圧力Ｐ_Ｓと、プロセスガスとのうちの少なくともいずれか１つを以下のように変更し、その他を実施例と同じくして比較例の積層膜を得た。
・基板温度Ｔ_ｓｕｂ：２０（℃）、２００（℃）、２５０（℃）、４００（℃）
・印加電力密度Ｐ_Ｄ：０．４１（W/cm² ）、０．８１（W/cm²）、１．２２（W/cm² ）、１．６３（W/cm² ）、２．４４（W/cm² ）
・プロセス圧力Ｐ_Ｓ：０．１（Pa）、０．２（Pa）、０．４（Pa）、１．０（Pa）、２．０（Pa）
・プロセスガス：Ａｒ
そして、各積層膜に対して、室温における磁気ヒステリシス曲線を計測して各積層膜の一方向異方性定数Ｊ_Ｋを算出した。また、各積層膜に対して、室温におけるシート抵抗値を計測して各積層膜の抵抗均一性を算出した。なお、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、Ｊ_Ｋ＝Ｍ_Ｓ・ｄ_Ｆ・Ｈ_ｅｘとして算出した。ここで、Ｈ_ｅｘは、磁気ヒステリシス曲線における印加磁界方向へのシフト磁界の大きさ（以下単に、交換結合磁界Ｈ_ｅｘという）である。Ｍ_Ｓ及びｄ_Ｆは、それぞれ固定層（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０膜）の飽和磁化Ｍ_Ｓ及び固定層の膜厚ｄ_Ｆである。

一方向異方性定数Ｊ_Ｋに関わる印加電力密度Ｐ_Ｄの依存性を図３に示し、一方向異方性定数Ｊ_Ｋに関わるプロセス圧力Ｐ_Ｓの依存性を図４に示す。なお、図３におけるプロセス圧力Ｐ_Ｓは、２．０（Pa）であり、図４における基板温度Ｔ_ｓｕｂは、２０℃と３５０℃である。また、ウェハ面内の抵抗均一性に関わるプロセス圧力Ｐ_Ｓの依存性を図５に示し、交換結合磁界Ｈｅｘの均一性に関わるプロセス圧力Ｐ_Ｓの依存性を図６に示す。

図３において、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、印加電力密度Ｐ_Ｄの増加に伴って増大する。同一の印加電力密度Ｐ_Ｄにおいて、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは基板温度Ｔ_ｓｕｂの上昇に伴い増大する。このような印加電力密度Ｐ_Ｄの依存性は、Ａｒプロセス（図８参照）と同じく、印加電力密度Ｐ_Ｄの増加がＭｎＩｒ膜の組成をＭｎ_３Ｉｒに近づけることを示唆するものである。また、この基板温度Ｔ_ｓｕｂの依存性は、基板温度Ｔ_ｓｕｂの上昇がＬ１_２規則相の形成を促進させることを示唆するものである。

したがって、Ｋｒプロセスは、印加電力密度Ｐ_Ｄと基板温度Ｔ_ｓｕｂを適宜選択することにより、例えば、基板温度Ｔ_ｓｕｂを３５０℃、印加電力密度Ｐ_Ｄを２．０４（W/cm² ）に選択することよって、Ｌ１_２規則相に適した組成と結晶性を与えることができる。

図４において、基板温度Ｔ_ｓｕｂが３５０℃のとき、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、プロセス圧力Ｐ_Ｓに関わらず、１．０（erg/cm² ）近傍の高い値を示す。この低圧プロセスにおける一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、Ａｒプロセス（図９参照）と大きく異なり、Ｌ１_２規則相の形成が著しく促進されていることを示唆するものである。一方、基板温度Ｔ_ｓｕｂが２０℃のとき、一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、Ａｒプロセス（図９参照）と略同じ依存性を示す。但し、Ｋｒプロセスの一方向異方性定数Ｊ_Ｋは、約０．６（erg/cm² ）であり、同じ低圧におけるＡｒプロセス（図９参照）のものよりも高い値である。すなわち、Ｋｒプロセスは、印加電力密度Ｐ_Ｄ、基板温度Ｔ_ｓｕｂ、プロセス圧力Ｐ_Ｓによって与えられる組成や結晶性に応じてＬ１_２規則相の形成を促進させる。

したがって、Ｋｒプロセスは、プロセス圧力Ｐ_Ｓを０．１（Pa）以下にするとき、Ａｒプロセスに比べて、一方向異方性定数Ｊ_Ｋを向上させることができ、基板Ｓを加熱することにより、さらに一方向異方性定数Ｊ_Ｋを向上させることができる。なお、Ｋｒプロセスにおいては、プロセス圧力Ｐ_Ｓを０．１（Pa）以下にして、かつ、基板温度Ｔ_ｓｕｂを１００℃以上にするとき、１．０（erg/cm² ）近傍の高い一方向異方性定数Ｊ_Ｋを得ることができる。

図５において、プロセス圧力Ｐ_Ｓを０．１（Pa）以下にするとき、積層膜の抵抗均一性は、Ａｒプロセスにおいて１σで１％〜２％を示し、Ｋｒプロセスにおいて１．０％以下の良好な値を示す。プロセス圧力Ｐ_Ｓを０．１〜１．０（Pa）にすると、積層膜の抵抗均一性は、Ａｒプロセスにおいて約１．０％を維持する一方、Ｋｒプロセスにおいては約５％に増大してしまう。プロセス圧力Ｐ_Ｓを１．０（Pa）よりも高くすると、積層膜の抵抗均一性は、プロセスガスの種別に関わらず１０％を超える値に増大してしまう。このプロセス圧力Ｐ_Ｓの依存性は、平均自由工程の低下にともなう成膜速度の低下、並びにスパッタ粒子の散乱確率の差異が、ウェハ面内の膜厚差及び組成比の差を増大させて積層膜の抵抗均一性を著しく劣化させることを示唆するものである。

したがって、Ｋｒプロセスは、プロセス圧力Ｐ_Ｓを０．１（Pa）以下にするとき、一方向異方性定数Ｊ_Ｋを向上させることができ、かつ、ウェハ面内における膜厚、並びに組成に対して良好な均一性を得ることができる。

図６において、Ｋｒプロセスのプロセス圧力Ｐ_Ｓが０．０４（Pa）のとき、積層膜の交換結合磁界Ｈ_ｅｘは、ウェハ位置の５ｍｍ〜８５ｍｍの間で、すなわちウェハの略中心から外縁までの間で略一定値を示す。Ｋｒプロセスのプロセス圧力Ｐ_Ｓが１．０（Pa）のとき、積層膜の交換結合磁界Ｈ_ｅｘは、ウェハ中心とウェハ外縁で若干の差異を生じる。一方、Ａｒプロセスのプロセス圧力Ｐ_Ｓが１．０（Pa）のとき、積層膜の交換結合磁界Ｈ_ｅｘは、ウェハ中心から径方向に沿って減少し、ウェハの面内で大きなバラツキを与えてしまう。このプロセス圧力Ｐ_Ｓ、並びにプロセスガスの依存性は、上記と同じく、平均自由工程の低下にともなう成膜速度の低下、並びにスパッタ粒子の散乱確率の差異が、ウェハ面内の膜厚差及び組成比の差を増大させて積層膜の抵抗均一性を著しく劣化させることを示唆するものである。

したがって、Ｋｒプロセスは、プロセス圧力Ｐ_Ｓを０．１（Pa）以下にするとき、一方向異方性定数Ｊ_Ｋを向上させることができ、かつ、ウェハ面内における交換結合磁界Ｈ_ｅｘに対して良好な均一性を得ることができる。

（磁気デバイス）
次に、磁気デバイスの製造装置１０を用いて製造した磁気デバイスとしての磁気メモリ３０について説明する。図７は、磁気メモリ３０を示す概略断面図である。

磁気メモリ３０の基板Ｓには、薄膜トランジスタＴｒが形成されている。薄膜トランジスタＴｒの拡散層ＬＤは、コンタクトプラグＣＰ、配線ＭＬ、下部電極層３１を介して磁気抵抗素子３２に接続されている。磁気抵抗素子３２は、下部電極層３１の上側に積層される反強磁性層３３、固定層３４、非磁性層３５、自由層３６とからなるＴＭＲ素子である。

磁気抵抗素子３２の下側には、下部電極層３１の下方に離間するワード線ＷＬが配設されている。ワード線ＷＬは、紙面に対して垂直方向に延びる帯状に形成されている。また、磁気抵抗素子３２の上側には、ワード線ＷＬと直交する方向に延びる帯状のビット線ＢＬが配設されている。すなわち、磁気抵抗素子３２は、互いに直交するワード線ＷＬとビット線ＢＬとの間に配設されている。

磁気抵抗素子３２は、上記製造装置１０を用いて、下部電極層３１、反強磁性層３３、固定層３４、非磁性層３５、自由層３６を積層し、各層にエッチングを施すことによって形成されている。上記製造装置１０を用いて製造された磁気抵抗素子３２では、反強磁性層３３／固定層３４の一方向異方性定数Ｊ_Ｋを、約１．０（erg/cm² ）の高いレベルで安定させることができ、かつ、反強磁性層３３の膜厚均一性を向上させることができる。ひいては、磁気メモリ３０のデバイス特性を向上させることができる。

一実施形態の製造装置１０（製造方法）及びそれにより製造された磁気デバイスは以下の利点を有する。
（１）製造装置１０は、成膜空間２１ａの基板ホルダ２４に載置された基板Ｓを所定の温度に加熱し、プロセス圧力Ｐ_Ｓを０．１（Pa）以下に減圧する。そして、製造装置１０は、反強磁性層の構成元素を主成分とする第２ターゲットＴ２を、ＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方をプロセスガスとして用いてスパッタすることにより反強磁性層を成膜する。

従来のように、Ａｒをプロセスガスとして用いた場合、プロセス圧力Ｐｓが低くなるにつれて、スパッタ時に反跳するＡｒ粒子の平均自由工程は増大する。反跳するＡｒ粒子とは、スパッタ時において、ターゲットに衝突したＡｒイオンが、ターゲット構成元素をスパッタせず、かつ電荷を失って散乱されたＡｒ粒子である。低圧プロセスでは、より高い運動エネルギーを保有する反跳Ａｒ粒子が基板の上の反強磁性層に対して照射される。この反跳Ａｒ粒子の照射は、基板の上に成長するＬ１_２規則相から構成元素（例えば、Ｍｎ原子やＩｒ原子等）を物理的にエッチングし、Ｌ１_２規則相に対して大きなダメージを与える。本発明者は、低圧プロセスが一方向異方性定数Ｊ_Ｋの低下を招く要因の一つとして、反跳Ａｒ粒子から受けるＬ１_２規則相のダメージに着目した。そして、本発明者は、反跳するプロセスガス粒子（以下単に、反跳粒子という。）の低エネルギー化を検討する中で、ＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方をプロセスガスとして用いるとき、一方向異方性定数Ｊ_Ｋが、プロセス圧力Ｐ_Ｓに関わらず、約１．０（erg/cm² ）の高いレベルを示すことを見出した。

従って、ＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方をプロセスガスとして用いることにより、Ｌ１_２規則相の成長を促進させることができる。この結果、スパッタ時の圧力が０．１（Pa）以下の低圧プロセスにおいて一方向異方性定数Ｊ_Ｋを向上させることができ、反強磁性層の組成や膜厚の均一性を向上させることができる。ひいては、磁気デバイスの磁気特性を向上させることができる。

（２）製造装置１０は、基板Ｓを所定の温度（好ましくは、１００℃〜４００℃）に加熱して反強磁性層を成膜する。したがって、スパッタ時の圧力が０．１（Pa）以下の低圧プロセスにおいて、Ｌ１_２規則相の成長を、より確実に促進させことができる。

尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態のプロセスガスは、ＫｒとＸｅの混合ガスであってもよく、ＫｒとＸｅの少なくともいずれか１つを含むガスであればよい。

・上記実施形態において、反強磁性層チャンバＦ１は、直流マグネトロン方式のスパッタ装置である。これに限らず、例えば、反強磁性層チャンバＦ１は、ＲＦマグネトロン方式であってもよく、磁気回路ＭＧを搭載しない構成であってもよい。

・上記実施形態において、磁気デバイスは、磁気メモリ３０である。これに限らず、例えば、磁気デバイスは、磁気センサや磁気再生ヘッドでもよく、Ｌ１_２規則相の反強磁性層を有する磁気デバイスであればよい。

Claims (5)

1. 組成式Ｍｎ_{１００−Ｘ}−Ｍ_Ｘ（Ｍは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群の中から選択される少なくともいずれか一つの元素である。Ｘは、２０（atom% ）≦Ｘ≦３０（atom% ）である。）によって表されるＬ１_２規則相を含む反強磁性層を基板の上に成膜して磁気デバイスを製造する磁気デバイスの製造方法であって、
   成膜室に前記基板を配置すること、
   前記基板を所定の温度に加熱すること、
   前記成膜室の圧力を０．１（Pa）以下に減圧すること、
   減圧された前記成膜室内で、前記反強磁性層の構成元素を主成分とするターゲットを、ＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を用いてスパッタすることにより、前記基板の上に前記反強磁性層を成膜すること、
   を備えることを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
2. 請求項１に記載の磁気デバイスの製造方法において、
   前記反強磁性層を成膜することは、前記加熱によって１００℃〜４００℃に加熱された前記基板の上に前記反強磁性層を成膜することを含む
   ことを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
3. 組成式Ｍｎ_{１００−Ｘ}−Ｍ_Ｘ（Ｍは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群の中から選択される少なくともいずれか一つの元素である。Ｘは、２０（atom% ）≦Ｘ≦３０（atom% ）である。）によって表されるＬ１_２規則相を含む反強磁性層を基板の上に成膜して磁気デバイスを製造する磁気デバイスの製造装置であって、
   前記基板を収容する成膜室と、
   前記成膜室を減圧する減圧部と、
   前記成膜室で前記基板を加熱する加熱部と、
   前記反強磁性層の構成元素を主成分とするターゲットを有するカソードと、
   前記成膜室にＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を供給する供給部と、
   前記加熱部を駆動して前記基板を所定の温度に加熱し、前記減圧部を駆動して前記成膜室の圧力を０．１（Pa）以下に減圧し、前記供給部を駆動してＫｒとＸｅの少なくともいずれか一方を前記成膜室に供給し、前記カソードを駆動して前記ターゲットをスパッタすることにより、減圧された前記成膜室内で前記基板の上に前記反強磁性層を成膜する制御部と、
   を備えたことを特徴とする磁気デバイスの製造装置。
4. 請求項３に記載の磁気デバイスの製造装置において、
   前記制御部は、前記加熱部を駆動して前記基板を１００℃〜４００℃に加熱させることを特徴とする磁気デバイスの製造装置。
5. 組成式Ｍｎ_{１００−Ｘ}−Ｍ_Ｘ（Ｍは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群の中から選択される少なくともいずれか一つの元素である。Ｘは、２０（atom% ）≦Ｘ≦３０（atom% ）である。）によって表されるＬ１_２規則相を含む反強磁性層を備えた磁気デバイスであって、
   前記反強磁性層は、請求項３又は４に記載の磁気デバイスの製造装置によって製造されたことを特徴とする磁気デバイス。

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