JPWO2009069672A1 - スパッタ装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

基板の表面に成膜処理を行うスパッタ装置であって、前記基板が載置されるテーブルと；このテーブルに載置された前記基板の法線に対して中心軸が傾斜するように配置された複数のターゲットと；前記各ターゲットと前記基板との間に、前記基板の周囲を取り囲むように設けられた複数の磁場印加手段と；を備え、これら磁場印加手段は、前記基板の周縁部分の上方に、前記基板の表面と平行な水平磁場成分を有する磁場を発生させる。

Description

本発明は、スパッタ装置及び成膜方法に関する。
本願は、２００７年１１月２８日に、日本に出願された特願２００７−３０７８１７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来から、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を構成するトンネル接合磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＴＭＲ）素子等、半導体デバイスを構成する被膜の形成に好適な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。
このスパッタ装置の一例として、基板が載置されるテーブルと、基板の法線方向に対して傾斜するように配置された複数のターゲットとが、処理チャンバ内に配設されたものがある。このようなスパッタ装置では、良好な膜厚分布が得られるように、テーブルを回転させながらスパッタ処理を行う。

ところで、近年、開発が進められているＭＲＡＭは、ＴＭＲ膜からなるトンネル接合素子を有している。
図４Ａは、トンネル接合素子の断面図である。図４Ａに示すように、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（絶縁層）１５、および磁性層（フリー層）１６等を積層して形成されている。このトンネルバリア層１５は、ＭｇＯ膜等からなる電気絶縁性材料で構成されている。

ここで、ＭｇＯ膜等からなるトンネルバリア層１５を成膜する際には、ターゲットに含まれる酸素原子或いはスパッタリング時に導入される酸素ガスからプラズマ中で酸素イオンが発生し、この酸素イオンがターゲット電位により加速されて基板に入射する。電子や酸素イオン等の荷電粒子が基板に入射すると、トンネルバリア層１５の結晶配向性に対してダメージを与え、その結果、トンネルバリア層１５の抵抗値が増加する等、膜特性を損なうという問題がある。
そのため、トンネルバリア層１５や基板に入射する荷電粒子を低減することにより、ダメージを低減することが重要である。

そこで、例えば、特許文献１に示すように、ターゲットと基板との間において、基板を挟んで対向するように、２枚の永久磁石が配置されている膜形成装置がある。この構成によれば、永久磁石により基板の近傍に偏向磁界を形成することで、基板方向に飛行する荷電粒子の飛行方向を偏向して成膜面に進入することを抑制することができるとされている。
特開２０００−３１３９５８号公報

ところで、上述のように、基板を回転させながら複数のターゲットを用いて成膜処理を行うスパッタ装置にあっては、良好な膜厚分布を得られる一方、基板の表面上において、膜特性が面内で異なることに起因する膜抵抗値のばらつきが生じるという問題がある。

具体的には、ターゲットの軸線方向と基板の表面との交点付近の領域、つまり基板の周縁部分では、他の部分と比較して、ターゲット近傍から入射する荷電粒子の飛行距離が短く、基板の表面に対する入射角も小さいため、入射する荷電粒子のエネルギーが大きい。そのため、トンネルバリア層１５の結晶配向性へのダメージが局所的に大きくなり、トンネルバリア層１５の抵抗値が増加する。
一方、基板の周縁部分から中心部に向かうにつれ、ターゲット近傍から入射する荷電粒子の飛行距離が長く、基板の表面に対する入射角も大きくなるため、入射する荷電粒子のエネルギーが小さくなる。そのため、トンネルバリア層１５の結晶配向性へのダメージは小さくなり、トンネルバリア層１５の抵抗値は基板の周縁部分に比べ、小さくなる。その結果、基板の表面上において、抵抗分布にばらつきが生じ、基板の膜特性分布の均一性が低下するという問題がある。

上述の特許文献１のような基板を挟んで永久磁石を配置する構成では、基板の周縁部分において磁場の強い部分と弱い部分とが存在するため、基板に入射する荷電粒子を均等に偏向できない。そのため、抵抗値のばらつきを解消することができないという問題がある。
特に、基板サイズが２００ｍｍ以上の大型基板になると、良好な膜特性の分布を得ることが極めて困難になる。

そこで、本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、スパッタリング法による成膜時において、基板への荷電粒子の入射を基板全体について均等に抑制することで、膜特性を向上させることができるスパッタ装置及び成膜方法の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明のスパッタ装置は、基板の表面に成膜処理を行うスパッタ装置であって、前記基板が載置されるテーブルと；このテーブルに載置された前記基板の法線に対して中心軸が傾斜するように配置された複数のターゲットと；前記各ターゲットと前記基板との間に、前記基板の周囲を取り囲むように設けられた複数の磁場印加手段と；を備え、これら磁場印加手段は、前記基板の周縁部分の上方に、前記基板の表面と平行な水平磁場成分を有する磁場を発生させる。
また、上記スパッタ装置は、少なくとも３個以上の前記磁場印加手段を備えていることが好ましい。
上記のスパッタ装置によれば、テーブルに載置された基板の周囲を取り囲むように設けられた複数の磁場印加手段により、基板の上方に、基板の表面と平行な水平磁場成分を有する磁場が発生する。そのため、プラズマ中で発生する荷電粒子は、発生した磁場からローレンツ力を受けて荷電粒子の飛行方向および磁場方向のそれぞれに直交する方向に偏向される。特に、基板の周縁部分の上方により強い磁場が発生するので、荷電粒子のエネルギーが他の部分より大きい基板の周縁部分においても、荷電粒子が入射することを抑制することができる。よって、基板や基板上の膜へのダメージを低減することができるため、成膜材料の抵抗値が増加することを抑制することができる。その結果、スパッタリング法による成膜時において、基板への荷電粒子の入射が基板全体について均等に抑制されるため、基板に成膜される成膜材料の膜特性を向上させることができる。

また、上記スパッタ装置は、前記テーブルを、前記テーブルに載置された前記基板の法線に平行な回転軸回りに回転させる回転機構をさらに備えていてもよい。
この場合、回転機構により、基板をその表面に平行な面内で回転させながら成膜を行うことができるので、基板の表面の各部において、均一に成膜が行われる。その結果、良好な膜厚分布を達成することができる。また、基板の周縁部分において、磁場印加手段により発生する磁場を均一に印加することができるため、トンネル接合素子の下部層に成膜されるＭｇＯ等のトンネルバリア層の初期成長過程のみならず、トンネルバリア層の全成膜過程において、基板や基板上の膜へのダメージを低減することができる。その結果、特に、数Å〜２０Åと極薄なトンネルバリア層については、全成膜過程を通じてその結晶性等の膜特性を維持することが可能となる。

また、上記スパッタ装置は、少なくとも４個以上であって偶数個の前記磁場印加手段を備え；前記各磁場印加手段は、互いに隣接する前記各磁場印加手段の前記基板側の極性が互いに異なるように配置されていてもよい。
この場合、基板の周囲を取り囲むように設けられた磁場印加手段により磁場を発生させることで、基板の上方に磁場が発生する。そのため、プラズマ中で発生する荷電粒子は、発生した磁場からローレンツ力を受けて荷電粒子の飛行方向および磁場方向のそれぞれに直交する方向に偏向される。
特に、磁場印加手段を４個以上であって、偶数個設けることで、基板の周縁部分を完全に取り囲むような磁場を発生させることができる。よって、基板の周縁部分の上方により強い磁場が発生するので、荷電粒子のエネルギーが他の部分より大きい基板の周縁部分においても、荷電粒子が入射することを抑制することができる。よって、基板や基板上の膜へのダメージを低減することができるため、ＭｇＯ等を絶縁材料とするＴＭＲ膜のトンネル抵抗値の増加を抑制することができる。その結果、スパッタリング法による成膜時において、トンネル絶縁層の全ての成膜過程において基板への荷電粒子の入射が基板全体について均等に抑制されるため、基板に成膜される成膜材料の膜特性を向上させることができる。

また、前記各磁場印加手段と前記各ターゲットとが、前記基板の周方向における同じ角度位置に配置されていてもよい。
この場合、前記磁場印加手段と前記ターゲットとは、基板の周方向における同じ角度位置に配置されているため、基板に入射する荷電粒子のエネルギーがより大きい領域にはより強い磁場を発生させ、エネルギーがより小さい領域にはより弱い磁場を発生させることができる。これにより、基板に入射する荷電粒子を均等に偏向することができる。その結果、基板への荷電粒子の入射が基板全体について均等に抑制されるため、膜特性を向上させることができる。

また、前記各ターゲットは、ＭｇＯを成膜材料として含んでいてもよい。
この場合、上述のとおり、プラズマ中で発生する電子または酸素イオンが基板の表面に入射することを防ぎ、基板や基板上の膜へのダメージを低減することができるため、基板全面に結晶配向性の高い絶縁膜を成膜することができる。

また、上記スパッタ装置は、前記テーブルおよび前記各ターゲットが配置されたスパッタ室と；このスパッタ室内の真空排気を行う真空排気手段と；前記スパッタ室内にスパッタガスを供給するガス供給手段と；前記各ターゲットに電圧を印加する電源と；をさらに備えていてもよい。
この場合、スパッタ室内を真空排気手段により真空引きした後、ガス供給手段からスパッタ室内にスパッタガスを導入し、電源からターゲットに電圧を印加することで、プラズマを発生させる。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に衝突し、ターゲットから成膜材料の原子が飛び出して、基板に付着する。これにより、基板の表面に対して成膜処理を行うことができる。

一方、本発明の成膜方法は、基板が載置されるテーブルと；このテーブルに載置された前記基板の法線に対して中心軸が傾斜するように配置された複数のターゲットと；前記ターゲットと前記基板との間に、基板の周囲を取り囲むように設けられた複数の磁場印加手段と；を備えるスパッタ装置を用いた成膜方法であって、前記基板の周縁部分の上方に前記基板の表面と平行な水平磁場成分を有する磁場を印加しつつ、前記基板の表面に成膜処理を行う。
また、上記スパッタ装置は、少なくとも３個以上の前記磁場印加手段を備えていることが好ましい。
上記の成膜方法によれば、テーブルに載置された基板の周囲を取り囲むように設けられた磁場印加手段により、基板の上方に基板の表面と平行な水平磁場成分を有する磁場が発生する。そのため、プラズマ中で発生する荷電粒子は、発生した磁場からローレンツ力を受けて荷電粒子の飛行方向および磁場方向のそれぞれに直交する方向に偏向される。特に、基板の周縁部分の上方により強い磁場が発生するので、荷電粒子のエネルギーが他の部分より大きい基板の周縁部分においても、荷電粒子が入射することを抑制することができる。よって、基板や基板上の膜へのダメージを低減することができるため、成膜材料の抵抗値が増加することを抑制することができる。その結果、スパッタリング法による成膜時において、基板への荷電粒子の入射が基板全体について均等に抑制されるため、基板に成膜される成膜材料の膜特性を向上させることができる。

本発明によれば、基板の周縁部分の上方により強い磁場が発生するので、荷電粒子のエネルギーが他の部分より大きい基板の周縁部分においても、荷電粒子が入射することを抑制することができる。よって、基板や基板上の膜へのダメージを低減することができるため、成膜材料の抵抗値が増加することを抑制することができる。その結果、スパッタリング法による成膜時において、基板への荷電粒子の入射を基板全体について均等に抑制されるため、基板に成膜される成膜材料の膜特性を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態におけるトンネル接合素子の製造装置の概略構成図である。 図２Ａは、同実施形態に係るスパッタ装置の斜視図である。 図２Ｂは、同実施形態に係るスパッタ装置の側面断面図（図２ＡのＡ−Ａ線に沿う断面図）である。 図３は、図２ＡのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図４Ａは、トンネル接合素子の側断面図である。 図４Ｂは、ＭＲＡＭの概略構成図である。 図５は、スパッタ装置の他の構成を示す、図２ＡのＢ−Ｂ線に相当する断面図である。

符号の説明

５…基板
２３…スパッタ装置
６２…テーブル
６４…ターゲット
６５…永久磁石（磁場印加手段）
７３…スパッタガス供給手段（ガス供給手段）

次に、図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るスパッタ装置および成膜方法について説明する。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）
まず、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、ＣｏＦｅＢ等からなる磁性層（固定層）１４、ＭｇＯ等からなるトンネルバリア層１５、およびＮｉＦｅやＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ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。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ＭＯＳＦＥＴ１１０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において、磁性層１４の磁化方向は一定に保持され、一方、フリー層１６の磁化方向は反転可能である。これら磁性層１４およびフリー層１６の磁化方向が、互いに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。すなわち、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、磁性層１４およびフリー層１６の磁化方向が互いに平行か反平行かによって、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）。したがって、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。
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１６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。

（トンネル接合素子の製造装置）
図１は、本実施形態に係るトンネル接合素子の製造装置（以下、製造装置という）の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の製造装置２０は、基板搬送室２６を中心として放射状に配置された複数のスパッタ装置２１〜２４を備えている。製造装置２０は、例えば、上述したトンネル接合素子１０の成膜工程を一貫して行うクラスタータイプの製造装置である。
具体的に、製造装置２０は、成膜前の基板５が保持される基板カセット室２７と、反強磁性層の成膜工程を行う第１スパッタ装置２１と、磁性層（固定層）１４の成膜工程を行う第２スパッタ装置２２と、トンネルバリア層１５の成膜工程を行うスパッタ装置（第３スパッタ装置）２３と、磁性層（フリー層）１６の成膜工程を行う第４スパッタ装置２４と、各スパッタ装置２１〜２４において成膜されたトンネル接合素子１０の基板前処理用装置２５とを備えている。これにより、製造装置２０は、製造装置２０内に供給された基板５を大気に晒すことなく、基板５上に磁性多層膜を形成することができる。
なお、反強磁性層及び磁性層１４，１６の成膜工程を行う第１，２，４スパッタ装置２１，２２，２４内には、反強磁性層及び磁性層１４，１６に磁気異方性を付与するための図示しない磁場印加手段が設けられている。

ここで、本実施形態に係るスパッタ装置であって、トンネルバリア層１５の成膜工程を行うスパッタ装置２３について、より詳細に説明する。
図２Ａは本実施形態に係るスパッタ装置の斜視図であり、図２Ｂは図２ＡのＡ−Ａ線に沿う側面断面図である。また、図３は、図２ＡのＢ−Ｂ線に沿う平断面図である。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、スパッタ装置２３は、所定位置に配設された、基板５を載置するテーブル６２とターゲット６４とを備えている。スパッタ装置２３へは、上述した第１，２スパッタ装置２１，２２で反強磁性層及び磁性層１４の成膜工程を経た基板５が、図示しない搬入口を介して基板搬送室２６から搬送される。

図２Ｂに示すように、スパッタ装置２３は、Ａｌ合金やステンレス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。チャンバ６１の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、図示しない回転機構により、その回転軸６２ａと基板５の中心Ｏとを一致させて、任意の回転数で回転可能である。テーブル６２は、その上に載置された基板５を、この基板５の表面と平行に回転させることができる。なお、本実施形態の基板５には、基板サイズが例えば直径２００ｍｍのものを用いている。

スパッタ装置２３には、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７１および下部シールド板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、その中心軸がテーブル６２の回転軸６２ａと一致するように配設されている。また、側部シールド板７１の下端部からテーブル６２の外周縁にかけて、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は基板５の表面と平行に形成され、その中心軸がテーブル６２の回転軸６２ａと一致するように配設されている。

そして、テーブル６２、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は、基板５に対してスパッタ処理を行うスパッタ処理室７０（スパッタ室）である。このスパッタ処理室７０は、軸対称な形状であり、その対称軸はテーブル６２の回転軸６２ａと一致している。このため、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、その結果、膜厚分布のばらつきを低減することができる。

スパッタ処理室７０を構成する側部シールド板７１の上部には、スパッタガスを供給するスパッタガス供給手段（ガス供給手段）７３が接続されている。このスパッタガス供給手段７３は、スパッタ処理室７０内にアルゴン（Ａｒ）等のスパッタガスを導入する。スパッタガスは、スパッタ処理室７０の外部に設けられたスパッタガスの供給源７４から供給される。なお、スパッタガス供給手段７３から、Ｏ_２などの反応ガスを供給することも可能である。また、チャンバ６１の側面には、排気口６９が設けられている。この排気口６９は、図示しない排気ポンプ（真空排気手段）に接続されている。

チャンバ６１の天井面付近の周縁部には、テーブル６２の回転軸６２ａの回り（基板５の周方向）に沿って等間隔に、複数（例えば、４個）のターゲット６４が配置されている。ターゲット６４は、図示しない外部電源（電源）に接続され、負電位（カソード）に保持されている。

ターゲット６４の表面には、トンネルバリア層１５の成膜材料が配置されている。この成膜材料には、絶縁性を有するものが用いられる。本実施形態では、例えば高ＭＲが得られるＭｇＯ等が用いられている。

なお、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。ここで、図２Ｂに示すように、テーブル６２の回転軸６２ａから、テーブル６２に載置される基板５の外端点までの距離をＲとする。本実施形態では、テーブル６２の回転軸６２ａと基板５の中心Ｏとが一致しているので、基板５の半径がＲとなる。そして、テーブル６２の回転軸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、例えばＯＦ＝１７５ｍｍ、ＴＳ＝１９５ｍｍ程度に設定されている。

また、ターゲット６４は、その表面の中心点Ｔを通る法線（中心軸）６４ａが、基板５の回転軸６２ａに対して、例えば角度θ（２２．５度程度）で傾斜し、ターゲット６４の法線６４ａと基板５の表面とが基板５の周縁部分で交差するように配置されている。この場合、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の直径が２００ｍｍの場合には、基板５の外周縁から２ｍｍ程度の位置となる。

ここで、図３にも示すように、ターゲット６４と基板５との間であって、基板５の径方向外側には、側部シールド板７１に沿って、複数（例えば、４個）の永久磁石（磁場印加手段）６５が配置されている。各永久磁石６５は、基板５の周囲を取り囲むように、基板５の周方向に沿って等間隔に配置されている。各永久磁石６５は、基板５の周方向に沿って、基板５の径方向内側に向かう面の極性が交互に配列されるように配置されている。つまり、永久磁石６５は、互いに隣接する永久磁石６５同士の極性が互いに異なるように配置されている。さらに、永久磁石６５は、基板５を挟んで互いに対向する永久磁石６５同士の極性が互いに同じになるように配置されている。

上述したように、永久磁石６５は、基板５の周方向に沿って設けられている。また、ターゲット６４も基板５の周方向に沿って設けられている。さらに、これら永久磁石６５とターゲット６４とは、基板５の周方向における同じ角度位置、つまり平面視で重なるように配置されている。そして、互いに隣接する永久磁石６５のうち、一方の永久磁石６５のＮ極から他方の永久磁石６５のＳ極に向かって磁力線Ｑが延びるように、磁場が発生する。これにより、各ターゲット６４と基板５との間において、基板５の表面と平行な水平磁場成分を有し、かつ基板５の周縁部分に沿った磁場が発生する（図３中矢印Ｑ参照）。この時、少なくとも基板５の中心Ｏ付近では、各永久磁石６５から発生する磁場の重ね合わせにより、磁場強度が０となる部分が存在する。

（成膜方法）
次に、本実施形態のスパッタ装置による成膜方法について説明する。なお、以下の説明では、主としてスパッタ装置２３で行うトンネルバリア層１５の成膜方法について説明する。
まず、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、テーブル６２に基板５を載置し、回転機構によりによりテーブル６２を所定の回転数で回転させる。そして、スパッタ処理室７０内を真空ポンプにより真空引きし、その後、スパッタガス供給手段７３からスパッタ処理室７０内にアルゴン等のスパッタガスを導入する。そして、ターゲット６４に接続された外部電源からターゲット６４に電圧を印加して、プラズマを発生させる。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す。飛び出した成膜材料の原子は、基板５に付着する。以上により、基板５の表面にトンネルバリア層１５が成膜される（図４Ａ及び図４Ｂ参照）。その際、ターゲット６４近傍に高密度プラズマを生成させると、成膜速度を高速化させることができる。

ところで、上述のように、基板を回転させながら複数のターゲットにより成膜処理を行うスパッタ装置にあっては、良好な膜厚分布を得られる一方、基板の表面上において、膜特性が異なることに起因して膜抵抗値のばらつきが生じるという問題がある。
具体的には、ターゲット６４の軸線と基板５の表面との交点付近の領域、つまり基板５の周縁部分では、ターゲット６４近傍から入射する電子や酸素イオンの飛行距離が短く、基板５の表面に対する入射角も小さいため、入射する電子や酸素イオンのエネルギーが大きい。そのため、トンネルバリア層１５の結晶配向性へのダメージが局所的に大きくなり、トンネルバリア層１５の抵抗値が増加する。
一方、基板５の周縁部分から中心部に向かうにつれ、ターゲット６４近傍から入射する電子や酸素イオンの飛行距離が長く、基板５の表面に対する入射角も大きくなるため、入射する電子や酸素イオンのエネルギーが小さくなる。そのため、トンネルバリア層１５の結晶配向性へのダメージは小さくなり、トンネルバリア層１５の抵抗値は基板の周縁部分に比べ、小さくなる。その結果、基板５の表面上において、抵抗分布にばらつきが生じ、基板５の膜特性分布の均一性が低下するという問題がある。

ここで、本実施形態では、基板５とターゲット６４との間において、永久磁石６５により磁場を発生させることで、電子や酸素イオンが基板５の表面へ入射することを防いでいる。

図３に示すように、ターゲット６４と基板６５との間に配置された永久磁石６５により磁場を印加すると、基板５の表面と略平行で、かつ基板５の周囲を取り囲むような磁場が発生する（図３中矢印Ｑ参照）。具体的には、互いに隣接する永久磁石６５のうち、一方の永久磁石６５のＮ極から他方の永久磁石６５のＳ極の永久磁石に向かって磁力線Ｑが延びるように、磁場が発生する。
この時、基板５の表面上において、基板５の周縁部分に磁場が集中する一方、永久磁石６５から離れて、中心Ｏに向かうにつれ、磁場は弱くなっていく。その結果、基板５の周縁部分には、基板５の周囲を取り囲むようなより強い磁場が発生する。なお、基板５とターゲット６４との間の磁場は、最も磁場が強い領域、つまり基板５の周縁部分で１０（Ｏｅ）以上となるように印加されるのが好ましい。

ターゲット６４近傍のプラズマ中で発生し、基板５に向かって飛行している電子や酸素イオンは、磁場が発生している領域に差し掛かると、電子や酸素イオンの飛行方向および磁場方向のそれぞれに直交する方向に偏向される。特に、電子や酸素イオンの入射量が多い、基板５の周縁部分において、強い磁場が発生しているため、基板５の周縁部分に向けて飛行する、エネルギーの大きい電子や酸素イオンは、より確実に偏向される。

これは、一般に電荷ｑをもつ荷電粒子がＦ＝ｑ（Ｅ＋ｖ×Ｂ）で表されるローレンツ力Ｆを受けることを利用したものである。なお、Ｅは粒子が飛行する空間における電場であり、Ｂは磁場の強さ、ｖは荷電粒子の速度である。
ここで、荷電粒子の速度ｖに対して垂直（基板５の表面に平行）な方向に作用する磁場Ｂを形成すれば、荷電粒子はこれらの向きに垂直な方向に力を受ける。よって、本実施形態では、ローレンツ力を受けた電子や酸素イオンが、その飛行方向および磁場方向に直交する方向に偏向されるため、これら電子や酸素イオンは基板５の表面に入射することなく飛行する。

このように、本実施形態では、ターゲット６４と基板５との間であって、基板５の径方向外側には、基板５の周囲を取り囲むように、複数の永久磁石６５が設けられている。
この構成によれば、基板５の周囲を取り囲むように設けられた複数の永久磁石６５により磁場を発生させることで、基板５の表面と平行な磁場が発生する。そのため、プラズマ中で発生する電子や酸素イオンは、発生した磁場からローレンツ力を受けて電子や酸素イオンの飛行方向および磁場方向のそれぞれに直交する方向に偏向される。特に、永久磁石６５を偶数個（例えば、４個）設けた場合、基板５の周囲を完全に取り囲む強い磁場が発生する。このため、電子や酸素イオンのエネルギーが他の部分より大きい基板５の周縁部分においても電子や酸素イオンが入射することを抑制することができる。よって、基板５や基板５上に形成されるトンネルバリア層１５へのダメージを低減することができるため、ＭｇＯ等を絶縁材料とするトンネルバリア層１５のトンネル抵抗値が増加することを抑制することができる。
その結果、スパッタリング法による成膜時において、基板サイズが２００ｍｍ以上の大型基板を用いる場合であっても、トンネルバリア層１５の全ての成膜過程において、基板５への電子や酸素イオンの入射が基板５の全体について均等に抑制されるため、基板５に成膜されるトンネルバリア層１５の膜特性の基板面内均一性を向上させることができる。

また、回転機構により、基板５をその表面と平行に回転させながら成膜を行うことができるため、基板５の表面の各部において、均一に成膜が行われる。その結果、例えば、１％以下の良好な膜厚分布均一性を達成することができる。また、基板５の周縁部分において、永久磁石６５により発生する磁場を均一に印加することができるため、トンネル接合素子１０の下部層に成膜されるＭｇＯ等のトンネルバリア層１５の初期成長過程のみならず、トンネルバリア層１５の全成膜過程において、基板５へのダメージを低減することができる。その結果、特に、数Å〜２０Åと極薄なトンネルバリア層１５については、全成膜過程を通じてその結晶性等の膜特性を維持することが可能となる。

さらに、各永久磁石６５が、ターゲット６４と平面視で重なるように配置されているため、基板５に入射する電子や酸素イオンのエネルギーが大きい領域には強い磁場を発生させ、エネルギーが小さい領域には弱い磁場を発生させることができる。これにより、基板５に入射する電子や酸素イオンを均等に偏向することができる。その結果、基板５への電子や酸素イオンの入射が基板５の全体について均等に抑制されるため、膜特性を向上させることができる。

そして、このようなスパッタ装置２３により、トンネルバリア層（絶縁膜）１５を形成することで、プラズマ中で発生する電子または酸素イオンが基板５の表面に入射することを防ぎ、基板５へのダメージを低減することができる。その結果、基板５の全面にわたって、結晶配向性の高いトンネルバリア層１５を成膜することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。上述した例において示した各構成部材や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、本実施形態では、ＴＭＲ素子におけるトンネルバリア層の成膜材料として、ＭｇＯ膜を形成する場合について説明したが、成膜材料はこれに限られることはない。

また、本実施形態では、基板５を取り囲むように４個の永久磁石６５を配置したが（図３参照）、少なくとも３個以上の永久磁石により基板を取り囲むような構成であれば、適宜設計変更が可能である。
例えば図５に示すように、基板５の径方向外側において、基板５を取り囲むように８個の永久磁石１６５を配置するような構成も可能である。この構成によれば、基板５の周縁部分の磁場強度をより均一化することができるため、基板５の周縁部分に入射する電子や酸素イオンを効率良く偏向することができる。

また、本実施形態では、永久磁石を側部シールド板と平行に配置することで、基板と平行な磁場を発生させたが、基板の表面に沿う磁場であれば、永久磁石を基板に対して傾斜（例えば、０〜３５度程度）させても構わない。例えば、電子や酸素イオンの飛行方向に直交するような磁場を印加させるように、永久磁石を配置することも可能である。

スパッタリング法による成膜時において、基板への荷電粒子の入射を基板全体について均等に抑制することで、膜特性を向上させることができるスパッタ装置及び成膜方法を提供することができる。

Claims (9)

1. 基板の表面に成膜処理を行うスパッタ装置であって、
   前記基板が載置されるテーブルと；
   このテーブルに載置された前記基板の法線に対して中心軸が傾斜するように配置された複数のターゲットと；
   前記各ターゲットと前記基板との間に、前記基板の周囲を取り囲むように設けられた複数の磁場印加手段と；
   を備え、
   これら磁場印加手段は、前記基板の周縁部分の上方に、前記基板の表面と平行な水平磁場成分を有する磁場を発生させることを特徴とするスパッタ装置。
2. 少なくとも３個以上の前記磁場印加手段を備え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。
3. 前記テーブルを、前記テーブルに載置された前記基板の法線に平行な回転軸回りに回転させる回転機構をさらに備え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。
4. 少なくとも４個以上であって偶数個の前記磁場印加手段を備え；
   前記各磁場印加手段は、互いに隣接する前記各磁場印加手段の前記基板側の極性が互いに異なるように配置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。
5. 前記各磁場印加手段と前記各ターゲットとが、前記基板の周方向における同じ角度位置に配置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。
6. 前記各ターゲットは、ＭｇＯを成膜材料として含んでいることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
7. 前記テーブルおよび前記各ターゲットが配置されたスパッタ室と；
   このスパッタ室内の真空排気を行う真空排気手段と；
   前記スパッタ室内にスパッタガスを供給するガス供給手段と；
   前記各ターゲットに電圧を印加する電源と；
   をさらに備え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。
8. 基板が載置されるテーブルと；
   このテーブルに載置された前記基板の法線に対して中心軸が傾斜するように配置された複数のターゲットと；
   前記ターゲットと前記基板との間に、基板の周囲を取り囲むように設けられた複数の磁場印加手段と；
   を備えるスパッタ装置を用いた成膜方法であって、
   前記基板の周縁部分の上方に前記基板の表面と平行な水平磁場成分を有する磁場を印加しつつ、前記基板の表面に成膜処理を行うことを特徴とする成膜方法。
9. 前記スパッタ装置は、少なくとも３個以上の前記磁場印加手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載のスパッタ装置。

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