JPWO2009090994A1 - 基板ステージ、これを備えたスパッタ装置及び成膜方法 - Google Patents

基板ステージ、これを備えたスパッタ装置及び成膜方法 Download PDF

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Abstract

真空容器内に配置され、基板が載置される基板載置面を有する基板ステージであって、前記基板に対して磁場を印加する第１磁場印加手段を備え、前記第１磁場印加手段の内部の磁化方向と前記基板の厚さ方向とが一致する基板ステージ。

Description

本発明は、基板ステージ、それを備えたスパッタ装置及び成膜方法に関する。
本願は、２００８年１月１５日に日本出願された特願２００８−００５９９３号と２００８年２月７日に日本出願された特願２００８−０２７７１９号とを基礎出願とし、それらの内容をここに取り込む。
従来から、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を構成するＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子等の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。
このスパッタ装置として、基板が載置される基板ステージと、基板の法線方向に対して傾斜するように配置され、成膜材料のターゲットを備えたスパッタカソードとを、処理チャンバ内に配設して構成されているものがある。このスパッタ装置では、基板ステージを回転させながらスパッタ処理を行うことにより、良好な膜質分布を得られる。また、ターゲット近傍で生成したプラズマを従来のバランスドマグネトロンカソードの様にターゲット近傍に収束させるのではなく、カソードからの磁場のバランスを意図的に崩すことによって基板近傍にまで拡散させている構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２８２２３５号公報 特開平０６−２６４２３５号公報
図１は、トンネル接合磁気抵抗素子の断面図である。
図１に示すように、トンネル接合素子１０は、磁性層（固定層）１４と、トンネルバリア層（絶縁層）１５と、および磁性層（フリー層）１６等とを積層して構成されている。
近年のＭＲＡＭにおいて、磁性層１４，１６に垂直磁化膜を用いる垂直磁化方式のトンネル接合素子１０の開発が進められている。垂直磁化方式とは、反磁界の影響を受けにくい垂直方向の磁化回転を用いるものである。この方式によれば、より素子の微細化が可能となり、記録密度を上げることができる。そのため、ギガビット級メモリの製造を達成するには採用が不可欠と考えられている。さらに、大きな抵抗変化率（ＭＲ比）を得ることができ、書き込み電流を数十分の一まで低減できる方式と期待されている。
しかしながら、従来における垂直磁化方式のトンネル接合素子１０にあっては、上述したような所望のＭＲ比が得られていないのが実情である。この原因として、例えば磁性層１４，１６の磁化方向のばらつきを充分に制御できていないことが挙げられる。従来は垂直磁化膜を形成する際に磁化方向に磁場を印加することなく、磁性層１４，１６が垂直磁化する性質のみを利用して製造していたため、成膜された磁性層１４，１６の磁化方向にばらつきが生じるという問題がある。その結果、磁性層１４，１６の成膜工程において、磁性層１４，１６の結晶配向性等の膜特性にばらつきが生じ、膜抵抗値のばらつきが生じてしまう。
また、磁性層１４，１６を成膜する処理チャンバ内は、上述した特許文献１のように処理チャンバ内に１台のカソードのみが配置されている場合と異なり、通常、処理チャンバ内に複数のカソードが配置され、各カソードのターゲットに異なる種類の成膜材料が取り付けられている。そのため、各カソードは基板の法線に対して傾斜するように配置されることになる。この場合、各カソードに永久磁石や電磁石等を設けて基板の厚さ方向（法線方向）に磁場を印加する構成は、構成の複雑化等、事実上の困難が伴い現実的ではない。
また、上述した垂直磁化膜の磁性層１４，１６を形成するには、基板の表面に垂直な磁場を印加しつつスパッタ処理を行うことが望ましい。
そこで、基板を載置する基板ステージに永久磁石等からなる磁場印加手段を内装することで、基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を印加しつつ、スパッタ成膜を行うような構成が考えられる。
例えば、ターゲットと基板間に、基板面に対して垂直方向に磁場が印加されるようにヘルムホルツコイルを真空容器（チャンバー）周囲に配置した磁性膜形成装置が知られている（特許文献２参照）。しかしながら、この磁性膜形成装置では、ヘルムホルツコイルを真空容器の周囲に配置することにより、装置が大型化するという問題がある。
図１８は、磁場印加手段を内装した基板ステージを示す概略構成図である。
図１８に示すように、基板ステージ３００は、基板Ｗが載置されるステージ本体３０１と、処理チャンバ内で基板Ｗの受け取り及び基板Ｗの受け渡しを行う複数（図１８では、１本のみ示す）の昇降ピン３０２とを備えている。ステージ本体３０１には、永久磁石等からなる磁場印加手段３０３が内装されている。昇降ピン３０２は、ステージ本体３０１の厚さ方向に貫通する貫通孔３０４内に挿通され、ステージ本体３０１に対して上下動可能に構成されている。
しかしながら、この構成にあっては、ステージ本体３０１に昇降ピン３０２を設ける関係で、ステージ本体３０１及び磁場印加手段３０３に昇降ピン３０２を挿通させる貫通孔３０４を形成しなければならない。したがって、貫通孔３０４内には、磁場印加手段３０３の存在しないスペースが貫通孔３０４の外径分だけ形成される。
この場合、磁場印加手段３０３から発生する磁力線Ｂ’が、貫通孔３０４を通って磁場印加手段３０３の裏面側に回り込む。つまり、基板Ｗ上における貫通孔３０４の近傍の領域では、基板Ｗの表面に印加される磁場方向にばらつきが生じる。さらに、貫通孔３０４の中央の領域では、貫通孔３０４の周囲の領域と逆の磁場が印加されるという問題がある。その結果、磁性層２１４，２１６（図１２参照）において磁化方向の面内におけるばらつきが生じ、ＭＲ比の低下、面内でのばらつきを引き起こす原因となる。
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、例えばスパッタリング法による磁性層の成膜時において、基板の表面の全面に対して垂直な磁場を印加することにより磁性層の磁化方向のばらつきを抑制して、高ＭＲ比を得ることができる基板ステージ及びこれを備えたスパッタ装置、成膜方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明の基板ステージは、真空容器内に配置され、基板が載置される基板載置面を有する基板ステージであって、前記基板に対して磁場を印加する第１磁場印加手段を備え、前記第１磁場印加手段の内部の磁化方向と前記基板の厚さ方向とが一致する。
前記第１磁場印加手段が、前記基板載置面に載置された基板の周囲を取り囲むように設けられていてもよい。
上記基板ステージによれば、基板の周囲を取り囲むように磁場印加手段を設け、この磁場印加手段の内部の磁化方向を基板の厚さ方向一致させることで、基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができる。
前記第１磁場印加手段の中央が、前記基板載置面の法線方向において、前記基板の表面と同じ高さに配置可能であってもよい。
この場合、基板の厚さ方向における磁場印加手段の中央部に、基板の表面を配置することで、基板の表面に対して垂直に入射する磁場成分を増加させることができる。
前記基板載置面に載置された基板の裏面側に前記基板の外径以上の大きさを有する前記第１磁場印加手段が設けられてもよい。
この場合、基板の外径以上の大きさに形成された磁場印加手段を設け、この磁場印加手段内部の磁化方向を基板の厚さ方向に一致させることで、基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができる。
前記第１磁場印加手段と前記基板との間に位置する第１磁性体をさらに備えてもよい。
この場合、磁場印加手段と基板との間に、第１磁性体を備えることで、第１磁性体の内部ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、基板の表面に入射する磁場の垂直性を向上させることができる。
前記基板の周囲を取り囲むように配置された第２磁性体をさらに備えてもよい。
この場合、基板の周囲を取り囲むように第２磁性体を設けることで、第２磁性体の内側ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、基板の表面に入射する磁場の垂直性をより向上させることができる。
前記基板載置面に対して前記基板を昇降する昇降ピンと；この昇降ピンに設けられた第２磁場印加手段と；をさらに備え、前記第１磁場印加手段は貫通孔を有し、前記昇降ピンは前記貫通孔の内部にスライド可能に挿通され、前記第２磁場印加手段の内部の磁化方向と前記第１磁場印加手段の内部の磁化方向とが一致してもよい。
この場合、昇降ピンに第１磁場印加手段の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段を設けることで、ステージ本体と第１磁場印加手段とに形成された貫通孔内に第１磁場印加手段の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段が介在することになる。これにより、貫通孔内において磁場印加手段の存在しないスペースを縮小させることができる。したがって、基板の表面の全面に対して垂直な磁場を印加することができる。
前記基板載置面上に前記基板が載置された状態において、前記第１磁場印加手段の上端面と前記第２磁場印加手段の上端面とが同一平面上に配置可能であってもよい。
この場合、第１磁場印加手段と第２磁場印加手段とのそれぞれの上端面が、同一平面上に配置可能とされることで、基板の表面に印加される磁場の垂直性を向上させることができる。
複数の前記昇降ピンと；前記各昇降ピンを互いに連結するサポート部材と；を備え、前記第１磁場印加手段は複数の前記貫通孔を有し、前記各貫通孔には前記各昇降ピンがそれぞれ配置されてもよい。
この場合、サポート部材によって複数の昇降ピンを連結することで、第１磁場印加手段と第２磁場印加手段との吸引反発による昇降ピンの倒れこみや、昇降ピンの移動の妨げを防止することができる。
前記第１磁場印加手段および前記基板の間と前記第２磁場印加手段および前記基板の間とに位置する磁性体をさらに備えてもよい。
この場合、各磁場印加手段と基板との間に、それぞれ磁性体を備えることで、磁性体の内部ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、基板の表面に印加される磁場の垂直性を向上させることができる。
本発明のスパッタ装置は、前記基板ステージと；前記基板載置面に載置された基板の法線に対して傾斜するように配置されたスパッタカソードと；前記基板ステージおよび前記スパッタカソード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；前記スパッタカソードに電圧を印加する電源と；を備える。
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粒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スパッタ成膜を行うことができる。
また、上述した本発明の基板ステージを備えているため、基板の表面の全面に対して垂直な磁場を印加することができる。したがって、基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができる。そのため、例えば磁性層の成膜過程において、基板上全面で磁性層の磁化方向を基板の表面に対して垂直な方向に揃えつつ、成膜を行うことができる。これにより、磁性層の面内における磁化方向の垂直性を向上させることができるため、磁性層の面内における磁化方向のばらつきを抑制することができる。したがって、磁性層の磁化方向の面内一様性を向上させた磁性多層膜を成膜することができるため、高ＭＲのトンネル接合素子を提供することができる。
本発明の成膜方法は、真空容器内に配置され、基板が載置される基板載置面を有する基板ステージに載置された基板に対して、第１磁場印加手段により、この第１磁場印加手段の内部の磁化方向と前記基板の厚さ方向とが一致するように磁場を印加しつつ、前記基板の表面にスパッタ処理を行う。
前記第１磁場印加手段が前記基板の周囲を取り囲むように設けられてもよい。
この場合、磁場印加手段により基板の厚さ方向の磁場を印加させることで、基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができる。
前記第１磁場印加手段が前記基板の裏面側に設けられ、かつ、前記基板の外径以上の大きさを有してもよい。
この場合、基板の外径以上の大きさに形成された磁場印加手段により基板の厚さ方向の磁場を印加させることで、基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができる。
前記第１磁場印加手段に設けられた貫通孔の内部にスライド可能に挿通されて、前記基板載置面に対して前記基板を昇降する昇降ピンに設けられた第２磁場印加手段により前記基板に対して磁場を印加し、前記第１磁場印加手段の内部の磁化方向と前記第２磁場印加手段の内部の磁化方向とを一致させ、かつ、前記第１磁場印加手段の上端面と前記第２磁場印加手段の上端面とを同一平面上に配置して前記基板上にスパッタ処理を行ってもよい。
この場合、昇降ピンに第１磁場印加手段の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段を設け、第１磁場印加手段と第２磁場印加手段とのそれぞれの上端面が、同一平面上に配置されることで、ステージ本体と第１磁場印加手段とに形成された貫通孔内に第１磁場印加手段の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段が介在することになる。これにより、貫通孔内において磁場印加手段の存在しないスペースを縮小させることができる。したがって、基板の表面の全面に対して垂直な磁場を印加した状態でスパッタ処理を行うことができる。
また本発明の成膜方法は、上記成膜方法を使用して、トンネル接合素子を形成するための垂直磁化膜を形成することを特徴とする。
この場合、基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができるため、垂直磁化膜の面内の磁化方向を基板の表面に対して垂直方向に揃えつつ、成膜を行うことができる。これにより、垂直磁化膜の面内の磁化方向の垂直性を向上させることができるため、垂直磁化膜の磁化方向の面内におけるばらつきを抑制することができる。したがって、垂直磁化膜の膜特性、結晶配向性、磁化方向の面内一様性を向上させた磁性多層膜を成膜することができるため、高ＭＲのトンネル接合素子を提供することができる。
本発明によれば、磁場印加手段の内部の磁化方向を基板の厚さ方向一致させることで、基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができる。これにより、例えば垂直磁化膜の成膜過程において、垂直磁化膜の磁化方向を基板の表面に対して垂直に揃えつつ、成膜を行うことができる。これにより、垂直磁化膜の磁化方向の垂直性を向上させることができるため、磁性層の磁化方向のばらつきを抑制することができる。したがって、垂直磁化膜の膜特性や結晶配向性を向上させた磁性多層膜を成膜することができるため、高ＭＲのトンネル接合素子を提供することができる。
また、本発明によれば、昇降ピンに第１磁場印加手段の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段を設けることで、ステージ本体と第１磁場印加手段とに形成された貫通孔内に第１磁場印加手段の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段が介在することになる。これにより、貫通孔内において磁場印加手段の存在しないスペースを縮小させることができる。したがって、基板の表面の全面に対して垂直な磁場を印加することができる。
図１は、トンネル接合素子の断面図である。 図２は、本発明の第１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３Ａは、第１実施形態に係るスパッタ装置の斜視図である。 図３Ｂは、第１実施形態に係るスパッタ装置の側面断面図である。 本発明の第１実施形態における磁場印加手段の要部断面図である。 図５Ａは、本発明の第２実施形態における磁場印加手段の要部斜視図である。 図５Ｂは、本発明の第２実施形態における磁場印加手段の要部断面図である。 図６は、本発明の第３実施形態における磁場印加手段の要部断面図である。 図７は、本発明の第４実施形態における磁場印加手段の要部断面図である。 図８は、平行度の定義を示す説明図である。 図９は、基板の中心からの距離（ｍｍ）における平行度（度）の分布を示すグラフである。 図１０は、本発明における磁場印加手段の他の構成を示す平面図である。 図１１は、本発明における基板の他の構成を示す平面図である。 図１２は、トンネル接合素子の断面図である。 図１３は、本発明の第５の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１４Ａは、第５の実施形態に係るスパッタ装置の斜視図である。 図１４Ｂは、第５の実施形態に係るスパッタ装置のＡ−Ａ’線に沿う側面断面図である。 図１５は、本発明の第５の実施形態における基板ステージの斜視図である。 図１６は、図１５のＣ−Ｃ’線に相当する断面図である。 図１７は、磁場印加手段から発生する磁力線を説明する説明図である。 図１８は、磁場印加手段を内装した基板ステージを示す概略構成図である。
符号の説明
Ｗ 基板
２３ スパッタ装置
６２ テーブル
６４ ターゲット
６５，１００，１０５ 永久磁石（磁場印加手段）
１０１ 磁性体（第１磁性体）
１０３ ヨーク（第２磁性体）
７３ スパッタガス供給手段（ガス供給手段）
２２２ スパッタ装置
２３８ 第１磁場印加手段
２３９ 第１磁性体（磁性体）
２４０ 貫通孔
２４２ 第２磁場印加手段
２４３ 第２磁性体（磁性体）
２４４ サポート部材
２６２ 基板ステージ
２６５ スパッタカソード
２７３ 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。
（第１実施形態）
（磁性多層膜）
まず、磁性層を含む多層膜の一例であるＭＲＡＭに用いられるトンネル接合素子について説明する。
図１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、基板Ｗ上に磁性層（固定層）１６および、ＭｇＯ等からなるトンネルバリア層１５、磁性層（フリー層）１４、ＰｔＭｎやＩｒＭｎ等からなる反強磁性層（不図示）が主として積層された、垂直磁化方式のトンネル接合素子１０である。なお、磁性層１４，１６の構成材料は、例えばＦｅＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，Ｃｏ／Ｐｄ、Ｆｅ／ＥｕＯ，Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ，ＣｏＰｔＣｒ−ＳｉＯ２，ＣｏＣｒＴａＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ等を採用することが可能である。またトンネル接合素子１０は、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。
磁性層（固定層）１４は、その磁化方向が基板Ｗの表面に対して垂直になるように固定された層であり、具体的には基板Ｗの表面に対して上方に向かって固定されている。一方、磁性層（フリー層）１４は、その磁化方向が外部磁界の向きに応じて変化する層であり、磁性層（固定層）１４の磁化方向に対して平行か反平行かに反転できる。これら固定層１６およびフリー層１４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。このようなトンネル接合素子１０をＭＲＡＭ（不図示）に備えることで、磁性体の磁化方向に「０」，「１」の情報を持たせることができるため、「１」または「０」を読み出したり、書き換えたりすることができる。
（磁性多層膜の製造装置）
図２は、本実施形態に係る磁性多層膜の製造装置（以下、製造装置という）の概略構成図である。
図２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複数のスパッタ装置２１〜２４が配置されたものであり、例えば上述したトンネル接合素子を構成する磁性多層膜の前処理・成膜工程を一貫して行うクラスタータイプの製造装置２０である。
具体的に、製造装置２０は、成膜前の基板Ｗ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）１６の成膜工程を行うスパッタ装置（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の成膜工程を行うスパッタ装置（第４スパッタ装置）２４と、を備えている。また、基板搬送室２６を介してスパッタ装置２４の搬送側には、基板前処理用装置２５を備えている。
上述した製造装置２０では、必要な基板前処理の後、各スパッタ装置２１〜２４において、基板Ｗ上に磁性層１６、トンネルバリア層１５、磁性層１４等の磁性多層膜が形成される。このように、クラスタータイプの製造装置２０では、製造装置２０に供給された基板Ｗを大気に晒すことなく、基板Ｗ上に磁性多層膜を形成することができる。なお、磁性多層膜上にレジストパターンを形成し、エッチングにより磁性多層膜を所定形状にパターニングした後、レジストパターンを除去することで、トンネル接合素子１０は形成される。
ここで、本実施形態に係るスパッタ装置である、磁性多層膜のうち磁性層１４，１６の成膜工程を行うスパッタ装置２２，２４について説明する。なお、本実施形態のスパッタ装置２２，２４は略同一の構成であるため、以下の説明ではスパッタ装置２２の説明を行い、スパッタ装置２４の説明は省略する。
図３Ａは本実施形態に係るスパッタ装置の斜視図であり、図３Ｂは図３ＡのＡ−Ａ線に沿う側面断面図である。また、図４は、要部断面図である。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、スパッタ装置２２は、基板Ｗを載置するテーブル６２と、ターゲット６４とを、所定位置に配設して構成されている。スパッタ装置２２は、上述した第１スパッタ装置２１で反強磁性層の成膜工程を経た基板Ｗ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３Ｂに示すように、スパッタ装置２２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Ｗ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Ｗの中心Ｏとを一致させて、任意の回転数で回転可能に構成されている。これにより、テーブル６２上に載置された基板Ｗを、そ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Ｗは、基板サイズが例えば外径３００ｍｍのシリコンウエハを用いている。
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Ｗ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。
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Ｗ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）として形成されている。このスパッタ処理室７０は、軸対称な形状とされ、その対称軸はテーブル６２の回転軸６２ａと一致している。これにより、基板Ｗ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。
スパッタ処理室７０を形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ものであり、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からスパッタガスが供給されるように構成されている。なお、スパッタガス供給手段７３からは、Ｏ２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Ｗ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。
各ターゲット６４の表面には、上述した磁性層１４の成膜材料や下地膜の成膜材料等、磁性多層膜に積層されうる複数種類の成膜材料がそれぞれ配置されている。なお、各ターゲット６４に配置する成膜材料は、適宜変更が可能である。また、全てのターゲット６４に磁性層１４，１６の成膜材料を配置するような構成も可能である。
また、上述したターゲット６４は、テーブル６２に載置される基板Ｗの法線に対して傾斜するように配設されている。
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Ｗの回転軸６２ａに対して、例えば角度θで傾斜しており、ターゲット６４の法線６４ａと基板Ｗの表面とが基板Ｗの周縁部分で交差するように配置されている。
ここで図４にも示すように、基板Ｗの径方向外側には基板Ｗの周囲を取り囲むように、環状の永久磁石（磁場印加手段）６５が配置されている。この永久磁石６５は、その内径、厚みがともに基板Ｗより大きく形成されたものであり、永久磁石６５の内部の磁化方向は、基板Ｗの厚さ方向（法線方向）に一致している。永久磁石６５の軸方向の中央部に、基板Ｗが配置されるように構成されている。つまり、基板Ｗの法線方向における永久磁石６５の中央部に、基板Ｗの表面が配置されることになる。これにより、永久磁石６５から延びる磁力線Ｂ１は、Ｎ極（例えば上面側）から中央孔を通り、基板Ｗの表面を略垂直によぎった後、Ｓ極（例えば下面側）に向かって発生する。したがって、永久磁石６５の内側で延びる磁力線Ｂ１は、基板Ｗの表面に対して垂直（法線方向）な磁場成分を有し、基板Ｗの表面の全面に対して略垂直に入射する。なお、本実施形態では磁場印加手段を環状の永久磁石として説明するが、基板の周囲を取り囲む構成であれば、複数の永久磁石を分割して設けるような構成にしてもよい。
（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、以下の説明では上述した磁性多層膜のうち、主としてスパッタ装置２２で行う磁性層１４の成膜方法について説明する。
まず、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、テーブル６２に基板Ｗを載置し、回転機構によりテーブル６２を所定の回転数で回転させる。スパッタ処理室７０内を真空ポンプにより真空引きした後、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。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６４に衝突し、ターゲット６４から成膜材料の粒子が飛び出して、基板Ｗに付着する。以上により、基板Ｗの表面に磁性層１４が成膜される（図１参照）。その際、ターゲット６４近傍に高密度プラズマを生成することで、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、垂直磁化方式のトンネル接合素子は、反磁界の影響を受けにくい垂直方向の磁化回転を用いる。この方式によれば、より素子の微細化が可能となり、記録密度を上げることができるため、ギガビット級メモリの製造を達成するには採用が不可欠と考えられている。さらに、高ＭＲ比を得ることができ、書き込み電流を数十分の一まで低減できる技術とされている。しかしながら、磁性層の成膜工程において、成膜された磁性層１４，１６の磁化方向にばらつきの影響により、所望のＭＲ比が得られていない。
そこで、本実施形態では、磁性層１４の成膜工程において、基板Ｗの周囲に設けられた永久磁石６５により基板Ｗの表面に対して垂直な磁場を発生させつつ、成膜を行う。
図４に示すように、永久磁石６５により磁場を印加すると、永久磁石６５から延びる磁力線Ｂ１は基板Ｗの表面の全面に対して垂直に入射する。具体的には、永久磁石６５の内側に延びる磁力線Ｂ１は、Ｎ極（上面側）から発生して永久磁石６５の内側を通ってＳ極（下面側）に入射する。ターゲット６４から飛び出した磁性層１４の成膜材料は、基板Ｗの表面に対して垂直な磁場を受けながら基板Ｗの表面に堆積されることになる。なお、永久磁石６５により印加する磁場は、基板Ｗの表面の各部において５０（Ｏｅ）以上であることが好ましい。
その結果、磁性層１４の成膜過程において、磁性層１４の磁化方向が基板Ｗの表面に対して垂直になるように成膜を行うことができる。この場合、磁性層１４の平行度（平行度の定義については後述する）を１度以下に抑えることが可能となる。なお、使用する成膜材料によっては、磁性層１４の垂直性を向上させるためにアニール条件を設定することが好ましい。
このように、本実施形態によれば、基板Ｗの周囲を取り囲むように永久磁石６５を設け、この永久磁石６５の内部の磁化方向を基板Ｗの法線方向に一致させる構成とした。
この構成によれば、基板Ｗの法線方向に磁化方向を有する永久磁石６５を設けることで、基板Ｗの表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができる。そのため、磁性層１４の成膜過程において、磁性層１４の磁化方向を基板Ｗの表面に対して垂直に揃えつつ、成膜を行うことができる。これにより、磁性層１４の磁化方向の垂直性を向上させることができるため、磁性層１４の磁化方向のばらつきを抑制することができる。したがって、磁性層１４の膜特性や結晶配向性を向上させた磁性多層膜を成膜することができるため、高ＭＲのトンネル接合素子１０を提供することができる。
また、基板Ｗの法線方向における永久磁石６５の中央部に、基板Ｗの表面を配置することで、基板Ｗの表面に垂直に入射する磁場成分を増加させることができる。したがって、磁性層１４の磁化方向のばらつきをより低減することができる。
これにより、スパッタ装置２２の構成を複雑化することなく、高ＭＲで書き込み電流の低いトンネル接合素子１０を提供することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態では、磁場印加手段の構成について第１実施形態と相違しており、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図５Ａは、第２実施形態における要部斜視図であり、図５Ｂは断面図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいては説明を分かり易くするため、上述したチャンバ６１（図３Ａ及び図３Ｂ参照）等の記載を省略する。
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、基板Ｗの裏面側には、基板Ｗの裏面と平行に永久磁石１００が配置されている。この永久磁石１００は円板状のものであり、その中心軸と基板Ｗの中心Ｏとが一致するように配置されている。永久磁石１００の内部の磁化方向は、基板Ｗの厚さ方向（法線方向）に一致している。したがって、永久磁石１００から延びる磁力線Ｂ２は、永久磁石１００のＮ極（例えば上面側）から、基板Ｗの表面を略垂直によぎった後、基板Ｗの外周を回り込んでＳ極（例えば下面側）に向かって発生する。この時、磁力線Ｂ２は、基板Ｗの表面に対して垂直（法線方向）な磁場成分を有し、基板Ｗの表面の全面に対して垂直に入射する。
また、永久磁石１００の外径は、基板Ｗの外径（例えば、３００ｍｍ）よりも大きく形成されている。なお、永久磁石の外径は、基板の外径以上であれば適宜設計変更が可能である。また、永久磁石は一体であることが好ましいが、複数の永久磁石を用いて基板の外径以上の永久磁石を構成することも可能である。この場合、各永久磁石間の間隔は１ｍｍ以下であることが好ましい。
このように、本実施形態においては、基板Ｗの裏面側に、基板Ｗの外径以上の大きさを有する永久磁石１００が設けられ、この永久磁石１００の内部の磁化方向を基板Ｗの法線方向に一致させる構成とした。
この構成によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、永久磁石１００の外径を基板Ｗの外径以上に形成することで、基板Ｗに入射する磁力線Ｂ２の垂直性、つまり基板Ｗの表面に対する垂直な磁場成分を増加させることができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態では、磁場印加手段と基板との間に第１磁性体が設けられている点について第２実施形態と相違しており、第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図６は、第３実施形態における要部断面図である。なお、図６においては説明を分かり易くするため、上述したチャンバ６１（図３Ａ及び図３Ｂ参照）等の記載を省略する。
図６に示すように、永久磁石１００上には、磁性体（第１磁性体）１０１が設けられている。この磁性体１０１は、ニッケルメッキが施されたＦｅや磁性ステンレス（ＳＵＳ４３０）等から構成されている。永久磁石１００は円板状のものであり、永久磁石１００の外径より大きく形成されている。
本実施形態においては、上述した第２実施形態と同様の効果を奏するとともに、永久磁石１００上に磁性体１０１を形成することで、磁性体１０１の内部ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、永久磁石１００から延びる磁力線Ｂ３の垂直性を向上させることができる。つまり、基板Ｗの表面に対する垂直な磁場成分を増加させることができるため、磁性層１４，１６（図１参照）の成膜工程において、磁性層１４の磁化方向のばらつきをより低減することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を説明する。本実施形態では、基板の周囲を取り囲むように、第２磁性体が設けられている点について第２実施形態と相違しており、第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図７は、第４実施形態における要部断面図である。なお、図７においては説明を分かり易くするため、上述したチャンバ６１（図３Ａ及び図３Ｂ参照）等の記載を省略する。
図７に示すように、磁性体１０１上には、ヨーク（第２磁性体）１０３が設けられている。このヨーク１０３は、上述した磁性体１０１と同様にニッケルメッキが施されたＦｅや磁性ステンレス（ＳＵＳ４３０）等から構成されている。ヨーク１０３は、磁性体１０１の外周部分において磁性体１０１の表面から垂直に立ち上がるように形成されており、磁性体１０１の全周に亘って形成されている。したがって、ヨーク１０３は基板Ｗの周囲を取り囲むように配置されている。
本実施形態においては、上述した第２実施形態と同様の効果を奏するとともに、磁性体１０１上にヨーク１０３を配置することで、ヨーク１０３の内側ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、永久磁石１００から延びる磁力線Ｂ４の垂直性をより向上させることができる。つまり、基板Ｗの表面に対する垂直な磁場成分を増加させることができるため、磁性層１４（図１参照）の成膜工程において、磁性層１４の磁化方向のばらつきをより低減することができる。
（平行度測定試験）
本願の発明者は、上述した各実施形態における磁場印加手段を備えたスパッタ装置を用いて、基板の法線方向に対する磁場の平行度を測定する試験を行った。本試験における平行度の測定は、磁場印加手段から５ｍｍ程度離間させた基板の表面位置において、ホール素子を用いて三次元磁場測定器で行った。また、本試験における磁場の測定箇所は、磁場が基板の中心に対して軸対称として考え、基板の表面上の基板の中心から外周（外周縁から２ｍｍ程度の位置）に至るまでの区間において、半径方向に沿って測定した。なお、測定は基板上における直交する二方向について行った。
なお、各条件Ａ〜Ｃにおける測定条件は、以下の通りである。
条件Ａ：永久磁石（外径３００ｍｍ、厚さ５ｍｍ）のみ（図５Ａ及び図５Ｂに示す第２実施形態と同様の構成）、条件Ｂ：永久磁石（外径３００ｍｍ、厚さ５ｍｍ）＋磁性体（Ｆｅ：外径３００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）（図６に示す第３実施形態と同様の構成）、条件Ｃ：永久磁石（外径３００ｍｍ、厚さ５ｍｍ）＋磁性体（Ｆｅ：外径３００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）＋ヨーク（Ｆｅ：内径３３０ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ３０ｍｍ）（図７に示す第４実施形態と同様の構成）
図８は、平行度の定義を示す説明図である。
図８に示すように、平行度とは、基板Ｗの各点で、面に垂直な法線と、磁力線Ｂ０の接線方向とのなす角度θである。つまり、角度θが０度ならば基板Ｗに対して垂直な磁場となる。実際には基板の中心Ｏから軸対称座標系を想定して、基板Ｗの表面に対して垂直な磁場成分Ｂｓと平行な磁場成分Ｂｈを測定して、ａｒｃｔａｎ（Ｂｈ／Ｂｓ）から角度θを求める。
図９は、基板の中心からの距離（ｍｍ）における平行度（度）の分布を示している。
図９に示すように、条件Ａ〜Ｃのいずれの場合についても、基板の中心（０ｍｍ）から外周に向かうにつれ、平行度は増加傾向にあるが、条件Ａの場合では基板の最外周（１４８ｍｍ）において平行度を１１度程度まで抑えることができた。また、条件Ｂの場合では、平行度を８度程度にまで抑えることができた。これは、永久磁石上に磁性体を配置することで、磁性体の内部ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、永久磁石から伸びる磁力線の垂直性が向上するためである考えられる。
さらに、条件Ｃの場合では、基板の最外周における平行度を５ｍｍ程度にまで抑えることができ、磁化方向のばらつきを大幅に低減することができた。これは、磁性体の外周部分に基板を取り囲むようなヨークを配置することで、ヨークの内側ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、特に基板の外周部分における磁力線の垂直性が向上するためであると考えられる。
以上の結果より、上述したように永久磁石により基板の表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を印加させることで、例えば垂直磁化方式の磁性層の成膜過程において、磁性層の磁化方向を基板の表面に対して垂直に揃えつつ、成膜を行うことができる。これにより、磁性層の膜特性や結晶配向性を向上させ、磁性層の磁化方向の垂直性を向上させることができ、磁性層の磁化方向のばらつきを抑制することができるため、高ＭＲを得ることができる。
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ことは言うまでもない。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、上述した各実施形態では、磁場印加手段として永久磁石を用いた場合について説明したが、永久磁石の代わりに電磁石を用いるような構成も採用することができる。また、上述した各実施形態では、磁性多層膜のうちトンネル接合素子における磁性層を形成する場合について説明したが、磁性層に限らず種々の成膜材料に対して採用することができる。
図１０，１１は、磁場印加手段の他の構成を示す平面図である。
上述の各実施形態においては、円板状または環状の永久磁石を用いた場合について説明したが、図１０に示すように、矩形の永久磁石１０５を用いる等、適宜設計変更が可能である。また、上述の各実施形態においては、円板状の基板Ｗ（例えば図３Ａ及び図３Ｂ参照）を用いた場合について説明したが、図１１に示すように、矩形の基板１０６を用いる等、適宜設計変更が可能である。なお、図１０，１１のいずれの構成においても、永久磁石１０５の外径を基板Ｗ，１０５の外径以上に設定することが、磁場の垂直性を向上させる観点から好ましい。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態を図面に基づいて説明する。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ＭＲＡＭに用いられるトンネル接合素子について説明する。
図１２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２１０は、基板Ｗ上に磁性層（固定層）２１６および、ＭｇＯ等からなるトンネルバリア層２１５、磁性層（フリー層）２１４、ＰｔＭｎやＩｒＭｎ等からなる反強磁性層（不図示）が主として積層された、垂直磁化方式のトンネル接合素子２１０である。なお、磁性層２１４，２１６の構成材料は、例えばＦｅＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，Ｃｏ／Ｐｄ、Ｆｅ／ＥｕＯ，Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ，ＣｏＰｔＣｒ−ＳｉＯ２，ＣｏＣｒＴａＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ等を採用することが可能である。またトンネル接合素子２１０は、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。
磁性層（固定層）２１４は、その磁化方向が基板Ｗの表面に対して垂直になるように固定された層であり、具体的には基板Ｗの表面に対して上方に向かって固定されている。一方、磁性層（フリー層）２１４は、その磁化方向が外部磁界の向きに応じて変化する層であり、磁性層（固定層）２１４の磁化方向に対して平行か反平行かに反転できる。これら固定層２１６およびフリー層２１４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２１０の抵抗値が異なる。このようなトンネル接合素子２１０をＭＲＡＭ（不図示）に備えることで、磁性体の磁化方向に「０」，「１」の情報を持たせることができるため、「１」または「０」を読み出したり、書き換えたりすることができる。
（磁性多層膜の製造装置）
図１３は、本実施形態に係る磁性多層膜の製造装置（以下、製造装置という）の概略構成図である。
図１３に示すように、本実施形態の製造装置２２０は、基板搬送室２２６を中心として放射状に基板前処理室２２５及び複数のスパッタ装置２２１〜２２４が配置されたものであり、例えば上述したトンネル接合素子を構成する磁性多層膜の前処理・成膜工程を一貫して行うクラスタータイプの製造装置２２０である。
具体的に、製造装置２２０は、基板Ｗの前処理工程を行う基板前処理室２２５と、成膜前の基板Ｗが保持される基板カセット室２２７と、反強磁性層の成膜工程を行う第１スパッタ装置２２１と、磁性層（固定層）２１６の成膜工程を行う第２スパッタ装置（スパッタ装置）２２２と、トンネルバリア層２１５の成膜工程を行う第３スパッタ装置２２３と、磁性層（フリー層）２１６の成膜工程を行う第４スパッタ装置（スパッタ装置）２２４と、を備えている。
上述した製造装置２２０では、基板前処理室２２５において必要な基板前処理が施された後、各スパッタ装置２２１〜２２４において基板Ｗ上に磁性層２１６、トンネルバリア層２１５、磁性層２１４等の磁性多層膜が形成される。このように、クラスタータイプの製造装置２２０では、製造装置２２０に供給された基板Ｗを大気に晒すことなく、基板Ｗ上に磁性多層膜を形成することができる。なお、磁性多層膜上にレジストパターンを形成し、エッチングにより磁性多層膜を所定形状にパターニングした後、レジストパターンを除去することで、トンネル接合素子２１０は形成される。
（スパッタ装置）
ここで、本実施形態に係るスパッタ装置である、磁性多層膜のうち磁性層２１４，２１６の成膜工程を行う第２、第４スパッタ装置２２２，２２４について説明する。なお、本実施形態の第２、第４スパッタ装置２２２，２２４は略同一の構成であるため、以下の説明では第２スパッタ装置２２２の説明を行い、第４スパッタ装置２２４の説明は省略する。また、以下の説明では、第２スパッタ装置２２２をスパッタ装置２２２として説明する。
図１４Ａは本実施形態に係るスパッタ装置の斜視図であり、図１４Ｂは図１４ＡのＡ−Ａ線に沿う側面断面図である。また、図１５は、要部断面図である。
図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、スパッタ装置２２２は、基板Ｗを載置する基板ステージ２６２と、成膜材料のターゲット２６４を備えたスパッタカソード２６５とを、所定位置に配設して構成されている。スパッタ装置２２２には、上述した第１スパッタ装置２２１で反強磁性層の成膜工程を経た基板Ｗが、図示しない搬入口を介して基板搬送室２２６から搬送される。
図１４Ｂに示すように、スパッタ装置２２２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２６１を備えている。チャンバ２６１の底面付近の中央部には、基板Ｗを載置する基板ステージ２６２が設けられている。基板ステージ２６２は、図示しない回転機構により、その回転軸２６２ａと基板Ｗの中心Ｏとを一致させて、任意の回転数で回転可能に構成されている。これにより、基板ステージ２６２上に載置された基板Ｗを、そ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Ｗは、例えば基板サイズが外径３００ｍｍのシリコンウエハを用いている。
上述した基板ステージ２６２およびスパッタカソード２６５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２７１および下部シールド板２７２）が設けられている。側部シールド板２７１は円筒状に形成され、その中心軸が基板ステージ２６２の回転軸２６２ａと一致するように配設されている。また、側部シールド板２７１の下端部から基板ステージ２６２の外周縁にかけて、下部シールド板２７２が設けられている。この下部シールド板２７２は基板Ｗの表面と平行に形成され、その中心軸が基板ステージ２６２の回転軸２６２ａと一致するように配設されている。
基板ステージ２６２、下部シールド板２７２および側部シールド板２７１、並びにチャンバ２６１の天井面によって囲まれた空間は、基板Ｗに対してスパッタ処理を行うスパッタ処理室２７０（スパッタ室）として形成されている。このスパッタ処理室２７０は、軸対称な形状とされ、その対称軸は基板ステージ２６２の回転軸２６２ａと一致している。これにより、基板Ｗ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、膜質分布と磁化方向のばらつきを低減することができる。
チャンバ２６１の天井面付近の周縁部には、基板ステージ２６２の回転軸２６２ａの回り（基板Ｗの周方向）に沿って等間隔に、複数（例えば、４個）のスパッタカソード２６５が配置されている。
各スパッタカソード２６５は、図示しない外部電源（電源）に接続され、負電位に保持されている。各スパッタカソード２６５の表面には、ターゲット２６４がそれぞれ配置されている。ターゲット２６４は、円板形状のものであり、上述した磁性層２１４の成膜材料や下地膜の成膜材料等、磁性多層膜に積層されうる複数種類の成膜材料により構成されている。なお、各ターゲットの材料は、適宜変更が可能である。また、全てのスパッタカソードに同一材料（例えば、磁性層の成膜材料）のターゲットを配置するような構成も可能である。
また、上述したスパッタカソード２６５は、基板ステージ２６２に載置される基板Ｗの法線に対して傾斜するように配設されている。すなわち、スパッタカソード２６５に取り付けられたターゲット２６４は、その表面の中心点Ｔを通る法線（中心軸）２６４ａが、基板Ｗの回転軸２６２ａに対して、例えば角度θで傾斜しており、ターゲット２６４の法線２６４ａと基板Ｗの表面とが基板Ｗの周縁部分で交差するように配置されている。
スパッタ装置２２２の外方には、スパッタ処理室２７０内に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）２７３が設けられている。このスパッタガス供給手段２７３は、スパッタ処理室２７０内にアルゴン（Ａｒ）等のスパッタガスを供給する。
スパッタガス供給手段２７３は、スパッタ処理室２７０を形成する側部シールド板２７１の上部に接続され、スパッタ処理室２７０内のターゲット２６４の近傍にスパッタガスを供給するように構成されている。なお、スパッタガス供給手段２７３からは、Ｏ２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２６１の側面には、排気口２６９が設けられている。この排気口２６９は、図示しない排気ポンプ（排気手段）に接続されている。
（基板ステージ）
次に、上述した基板ステージ２６２について、より詳述に説明する。
図１５は、基板ステージの斜視図であり、図１６は図１５のＣ−Ｃ’線に相当する断面図である。また、図１７は、磁場印加手段から発生する磁力線を説明する説明図である。
図１５，１６に示すように、上述した基板ステージ２６２は、ステージ本体２３０と昇降ピン２３２とを備えている。ステージ本体２３０は、ＳＵＳ等からなる円板形状の部材であり、ベース部２３３と蓋部２３４とで構成されている。ベース部２３３は、円板形状を有する底部２３５の外周縁から円筒部２３６が立設された有底筒状の部材であり、底部２３５及び円筒部２３６に囲まれた領域は断面視凹状の収容部２３７として構成されている。
収容部２３７内には、第１磁場印加手段２３８が収容されている。この第１磁場印加手段２３８は、永久磁石等からなり、収容部２３７の内径と同等の外径を有する円板形状に形成されている。第１磁場印加手段２３８は、その中心軸が基板ステージ２６２の回転軸２６２ａと一致しており、つまり第１磁場印加手段２３８の中心軸と基板Ｗの中心Ｏとが一致するように配置されている。第１磁場印加手段２３８は、ステージ本体２３０上に載置された基板Ｗの裏面側から基板Ｗの表面に対して略垂直な磁場を印加するためのものであり、その内部の磁化方向が基板Ｗの厚さ方向（法線方向）に一致している。
したがって、図１７に示すように、第１磁場印加手段２３８から延びる磁力線Ｂは、第１磁場印加手段２３８のＮ極（例えば上面側）から、基板Ｗの表面を略垂直によぎった後、基板Ｗの外周を回り込んでＳ極（例えば下面側）に向かって発生する。この時、第１磁場印加手段２３８から発生する磁力線Ｂは、基板Ｗの表面に対して垂直（法線方向）な磁場成分を有し、基板Ｗの表面に対して垂直に印加される。
また、図１５，１６に示すように、第１磁場印加手段２３８の外径は、基板Ｗの外径（例えば、３００ｍｍ）よりも大きく形成されている。これにより、基板Ｗの表面に対して均一な磁場を印加させることが可能である。なお、第１磁場印加手段の外径は、基板の外径以上であれば適宜設計変更が可能である。また、第１磁場印加手段は一体の永久磁石であることが好ましいが、複数の永久磁石を用いて基板の外径以上の永久磁石を構成することも可能である。例えば、中心に円板状の永久磁石を配置し、その周囲を取り囲むように複数の環状の永久磁石を配置するような構成も可能である。この場合、各永久磁石間の間隔は１ｍｍ以下であることが好ましい。
第１磁場印加手段２３８の上面には、第１磁性体２３９が配置されている。この第１磁性体２３９は、ニッケルメッキが施されたＦｅや磁性ステンレス（ＳＵＳ４３０）等から構成されている。第１磁性体２３９は、第１磁場印加手段２３８と同等の外径を有し、第１磁場印加手段２３８よりも薄く形成されている。
第１磁性体２３９の上面には、第１磁性体２３９を覆うように蓋部２３４が設けられている。
この蓋部２３４は、外径がベース部２３３における円筒部２３６の内径と同等に形成された円板形状の部材であり、厚さＳが例えば５ｍｍ程度で形成されている。収容部２３７内における第１磁性体２３９の上面に蓋部２３４が配置されることで、収容部２３７の開口が閉塞されている。蓋部２３４の上面は、平坦面として形成されており、基板Ｗが載置される基板載置面２３４ａとして構成されている。なお、ステージ本体２３０の外周部分において、蓋部２３４の上面位置から円筒部２３６の端面が突出している。
ステージ本体２３０の回転軸２６２ａと外周との間には、ステージ本体２３０の周方向に沿って複数（例えば、３個）の貫通孔２４０が等間隔に形成されている。この貫通孔２４０は、例えば内径Ｄが１０ｍｍ程度の丸孔であり、第１磁場印加手段２３８及び第１磁性体２３９を含むステージ本体２３０の厚さ方向（軸方向）に貫通している。
各貫通孔２４０には、ステージ本体２３０の厚さ方向に上下動可能な複数（例えば、３本）の昇降ピン２３２（２３２ａ〜２３２ｃ）が挿通されている。各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃは、ステージ本体２３０の下方に設けられた昇降板２４１から立設された円柱形状のものであり、外径Ｅが例えば８ｍｍ程度で形成されている。昇降板２４１を上下移動させることで、各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃが同時に上下移動する。各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃは、その上端面において基板Ｗの裏面を支持するようになっており、各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃを上昇させてステージ本体２３０の上面から突出させることで、チャンバ２６１内に搬入される基板Ｗの受け取り、チャンバ２６１内から搬出される基板Ｗの受け渡しが行われる。
ここで、各昇降ピン２３２の先端部分には、第２磁場印加手段２４２が内装されている。この第２磁場印加手段２４２は、永久磁石等からなる円柱形状のものであり、厚さが上述した第１磁場印加手段２３８の厚さと同等に形成されるとともに、その内部の磁化方向が第１磁場印加手段２３８の内部の磁化方向と一致している。つまり、図１７に示すように第２磁場印加手段２４２から延びる磁力線Ｂも、第１磁場印加手段２３８と同様に、そのＮ極（例えば上面側）から、基板Ｗの表面を略垂直によぎった後、基板Ｗの外周を回り込んでＳ極（例えば下面側）に向かうように発生する。
図１５，１６に示すように、第２磁場印加手段２４２の上面には、上述した第１磁性体２３９と同様の材質からなる第２磁性体２４３が配置されている。この第２磁性体２４３は、第２磁場印加手段２４２と同等の外径を有し、厚さが第１磁性体２３９の厚さと同等に形成されている。
昇降ピン２３２は、基板Ｗがステージ本体２３０の基板載置面２３４ａ上に載置された際に、先端部分が貫通孔２４０内に介在するように配置可能とされている。すなわち、基板Ｗの裏面との間に隙間を置いて昇降ピン２３２の先端面が配置可能とされている。この時、昇降ピン２３２に内装された第２磁場印加手段２４２の上端面と、ステージ本体２３０に収容された第１磁場印加手段２３８とのそれぞれの上端面とが同一平面上に位置するように配置可能とされている。なお、昇降ピン２３２は、上述した基板ステージ２６２の回転機構によって基板ステージ２６２とともに回転しうる。
このように、本実施形態のスパッタ装置２２２の基板ステージ２６２は、上述した第１磁場印加手段２３８に加えて、ステージ本体２３０の貫通孔２４０内に第１磁場印加手段２３８の内部の磁化方向と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段２４２が介在している。つまり、基板Ｗの裏面側の略全面に亘って基板Ｗの厚さ方向を磁化方向とする磁場印加手段２３８，２４２が配置されるように構成されている。
また、各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃには、その昇降板２４１側において、サポート部材２４４によって相互に連結されている。このサポート部材２４４は、各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃの軸方向に直交して延設された棒状の部材である。サポート部材２４４は、例えばその一端が複数の昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃのうち１本の昇降ピン２３２ａの周面に連結され、他端が昇降ピン２３２ａに隣接する昇降ピン２３２ｂの周面に連結されており、その両端で２つの昇降ピン２３２ａ，２３２ｂ間を掛け渡されている。したがって、各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃは、３本のサポート部材２４４によりそれぞれが連結されており、各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃの径方向への倒れこみ等が防止されている。なお、サポート部材は棒状部材に限られない。
（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、以下の説明では上述した磁性多層膜のうち、主としてスパッタ装置２２２で行う磁性層２１４の成膜方法について説明する。
まず、図１５，１６に示すように、第１スパッタ装置２２１内において反強磁性層等が成膜された基板Ｗを、スパッタ装置２２２内に搬送する。具体的には、まず昇降ピン２３２を上昇させて、ステージ本体２３０の上面から昇降ピン２３２を突出させる。上昇させた昇降ピン２３２により第１スパッタ装置２２１から搬送された基板Ｗを受け取る。
次に、昇降ピン２３２の先端面で基板Ｗの裏面を支持した状態で、昇降ピン２３２を下降させてステージ本体２３０の基板載置面２３４ａ上に基板Ｗを載置する。この時、昇降ピン２３２に内装された第２磁場印加手段２４２と、ステージ本体２３０に内装された第１磁場印加手段２３８との上端面が同一平面になる位置で昇降ピン２３２の下降を停止させることが好ましい。ところで、昇降ピン２３２を下降させる際、例えば第１磁場印加手段２３８の上面側の磁極と第２磁場印加手段２４２の下面側の磁極とが異なるために、各磁場印加手段２３８，２４２間で吸引力が発生して昇降ピン２３２が倒れる虞がある。そこで、各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃをそれぞれサポート部材２４４によって連結することで、各磁場印加手段２３８，２４２間で吸引力が発生した場合でも各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃの倒れこみを防止することができる。
これにより、昇降ピン２３２の移動が妨げられることもない。
基板載置面２３４ａ上に基板Ｗを載置した後、回転機構により昇降ピン２３２とともに基板ステージ２６２を所定の回転数で回転させる。次に、スパッタ処理室２７０内を真空ポンプにより真空引きした後、スパッタガス供給手段２７３からスパッタ処理室２７０内にアルゴン等のスパッタガスを導入する。スパッタカソード２６５に接続された外部電源からターゲット２６４に電圧を印加する。すると、スパッタ処理室２７０内でプラズマにより励起されたスパッタガスのイオンが、ターゲット２６４に衝突し、ターゲット２６４から成膜材料の粒子が飛び出して、基板Ｗに付着する。以上により、基板Ｗの表面に磁性層２１４が成膜される（図１２参照）。その際、ターゲット２６４近傍に高密度プラズマを生成することで、成膜速度を高速化させることができる。
本実施形態では、磁性層２１４の成膜工程において、基板Ｗの周囲に設けられた第１磁場印加手段２３８及び第２磁場印加手段２４２により基板Ｗの表面に対して垂直な磁場を発生させつつ、成膜を行う。
第１磁場印加手段２３８により磁場を印加すると、第１磁場印加手段２３８から延びる磁力線Ｂは、基板Ｗの表面に対して垂直に入射する。具体的には、第１磁場印加手段２３８から延びる磁力線Ｂは、Ｎ極（上面側）から発生して基板Ｗの表面を略垂直によぎった後、第１磁場印加手段２３８のＳ極（下面側）に入射する。ターゲット２６４から飛び出した磁性層２１４の成膜材料の粒子は、基板Ｗの表面に対して垂直な磁場を受けながら基板Ｗの表面に堆積されることになる。この時、第１磁場印加手段２３８の上面に第１磁性体２３９を配置することで、第１磁性体２３９の内部ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、第１磁場印加手段２３８から延びる磁力線Ｂの基板Ｗの表面に対する垂直性を向上させることができる。つまり、基板Ｗの表面に対する垂直な磁場成分を増加させることができる。なお、各磁場印加手段２３８，２４２により印加する磁場は、基板Ｗの表面の各部において５０（Ｏｅ）以上であることが好ましい。また、使用する成膜材料によっては、磁性層２１４の面内における磁化方向の垂直性を向上させるためにアニール条件を設定することが好ましい。
磁性層２１４が成膜された後、第３スパッタ装置２２３に基板Ｗを搬送する。具体的には、昇降ピン２３２の先端面で基板Ｗを支持した状態で、基板Ｗの受け渡し位置まで昇降ピン２３２を上昇させ、基板Ｗを受け渡す。ここで、昇降ピン２３２を上昇させる際、上述した昇降ピン２３２を下降させる際と同様に、例えば第１磁場印加手段２３８の上端側の磁極と第２磁場印加手段２４２の下端側の磁極とが異なるために、各磁場印加手段２３８，２４２間で吸引力が発生して昇降ピン２３２が倒れる虞がある。そこで、各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃをそれぞれサポート部材２４４によって連結することで、各磁場印加手段２３８，２４２間で吸引力が発生した場合でも各昇降ピン２３２ａ〜２３２ｃの倒れこみを防止することができる。これにより、昇降ピン２３２の移動が妨げられることもない。
ところで、上述した従来技術にあっては、図１８に示すように、ステージ本体３０１に昇降ピン３０２を設ける関係で、ステージ本体３０１及び磁場印加手段３０３に昇降ピン３０２を挿通させる貫通孔３０４を形成しなければならない。したがって、貫通孔３０４内には、磁場印加手段３０３の存在しないスペースが貫通孔３０４の外径分だけ形成される。
この場合、磁場印加手段３０３の外周部分の領域では、磁場印加手段３０３から発生する磁力線Ｂ’が基板Ｗの表面を略垂直によぎり、基板Ｗの表面に対して略垂直な磁場が印加される。一方、貫通孔３０４の近傍の領域では、磁場印加手段３０３から延びる磁力線Ｂ’が湾曲して延びる。貫通孔３０４により近い領域では、磁場印加手段３０３から発生する磁力線Ｂ’が、貫通孔３０４を通って磁場印加手段３０３の裏面側に回り込む。つまり、基板Ｗ上における貫通孔３０４の近傍の領域では、基板Ｗの表面に印加される磁場方向にばらつきが生じる。さらに、貫通孔３０４との中央の領域では、貫通孔３０４の周囲の領域と逆の磁場が印加される虞があるという問題がある。その結果、磁性層２１４，２１６（図１２参照）において磁化方向の面内におけるばらつきが生じ、ＭＲ比の低下、面内でのばらつきを引き起こす原因となる。
そこで、本実施形態では、ステージ本体２３０に収容された第１磁場印加手段２３８の他に、第１磁場印加手段２３８の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段２４２が昇降ピン２３２の内部に内装されている。つまり、第１磁場印加手段２３８の貫通孔２４０内に第１磁場印加手段２３８の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段２４２が介在することになる。第１磁場印加手段２３８とともに、第２磁場印加手段２４２により基板Ｗの表面に対して磁場を印加すると、第２磁場印加手段２４２から延びる磁力線Ｂは、基板Ｗの表面に対して垂直に入射する。具体的には、第２磁場印加手段２４２から延びる磁力線Ｂは、第１磁場印加手段２３８と同様に、Ｎ極（上面側）から発生して基板Ｗの表面を略垂直によぎった後、第２磁場印加手段２４２のＳ極（下面側）に入射する。
第１磁場印加手段２３８から延びる磁力線Ｂのうち、貫通孔２４０の近傍の領域から延びる磁力線Ｂは、貫通孔２４０内に介在する第２磁場印加手段２４２から延びる磁力線と反発し合うことで、基板Ｗの表面を略垂直によぎることになる。また、基板Ｗ上における貫通孔２４０の中央の領域においても、第２磁場印加手段２４２から延びる磁力線Ｂが基板Ｗの表面を略垂直によぎることになる。この時、第２磁場印加手段２４２の上面に第２磁性体２４３を配置することで、上述した第１磁性体２３９と同様に第２磁性体２４３の内部ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、第２磁場印加手段２４２から延びる磁力線Ｂの基板Ｗの表面に対する垂直性を向上させることができる。つまり、基板Ｗの表面に対する垂直な磁場成分を増加させることができる。その結果、基板Ｗの表面の全面に対して垂直な磁場を印加することができるため、磁性層２１４の成膜過程において、磁性層２１４の磁化方向が基板Ｗの表面に対して垂直になるように成膜を行うことができる。
このように、本実施形態によれば、昇降ピン２３２にステージ本体２３０に設けられた第１磁場印加手段２３８の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段２４２を設けることで、ステージ本体２３０に形成された貫通孔２４０内に第１磁場印加手段２３８の内部と同一の磁化方向を有する第２磁場印加手段２４２が介在することになる。これにより、貫通孔２４０内において磁場印加手段２３８，２４２の存在しないスペースを縮小させることができる。したがって、基板Ｗの表面の全面に対して垂直な磁場を印加することができる。
また、各磁場印加手段２３８，２４２の上面に、それぞれ磁性体３９，４３を配置することで、磁性体２３９，２４３の内部ではその中心軸に沿って磁力線が配置されるため、基板Ｗの表面に印加される磁場の垂直性を向上させることができる。
さらに、成膜工程時に第１磁場印加手段２３８と第２磁場印加手段２４２とのそれぞれの上端面を、同一平面上に配置可能とされることで、基板Ｗの表面に印加される磁場の垂直性を向上させることができる。
つまり、基板Ｗの表面に対する垂直な磁場成分を増加させることができるため、磁性層２１４，２１６（図１２参照）の成膜工程において、磁性層２１４の磁化方向の面内におけるばらつきをより低減することができる。
ここで、図１２に示すように、従来における垂直磁化方式のトンネル接合素子２１０にあっては、上述したような所望のＭＲ比が得られていないのが実情である。この原因として、例えば磁性層２１４，２１６において磁化方向の面内におけるばらつきを充分に制御できていないことが挙げられる。従来は垂直磁化膜を形成する際に磁化方向に磁場を印加することなく、磁性層２１４，２１６が垂直磁化する性質のみを利用して製造していたため、成膜された磁性層２１４，２１６の磁化方向の面内におけるばらつきが生じるという問題がある。その結果、磁性層２１４，２１６の成膜工程において、磁性層２１４，２１６において面内で磁化方向のばらつきが生じ、ＭＲ比の低下、面内でのばらつきを引き起こす原因となる。
これに対して、本実施形態のスパッタ装置２２２よれば、基板Ｗの表面の全面に対して垂直な磁場を印加することができるため、基板Ｗの表面に対して垂直な磁場成分を有する磁場を精度よく印加しつつ、スパッタ成膜を行うことができる。そのため、例えば磁性層２１４，２１６の成膜過程において、基板Ｗ上全面で磁性層２１４，２１６の磁化方向を基板Ｗの表面に対して垂直な方向に揃えつつ、成膜を行うことができる。これにより、磁性層２１４，２１６の磁化方向の垂直性を向上させることができるため、磁性層２１４，２１６の磁化方向の面内におけるばらつきを抑制することができる。したがって、磁性層２１４，２１６の磁化方向の面内一様性を向上させた磁性多層膜を成膜することができるため、基板Ｗ上全面にわたり高ＭＲのトンネル接合素子を提供することができる。
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ことは言うまでもない。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、上述した各実施形態では、各磁場印加手段として永久磁石を用いた場合について説明したが、永久磁石の代わりに電磁石を用いるような構成も採用することができる。
また、上述した各実施形態では、磁性多層膜のうちトンネル接合素子における磁性層を形成する場合について説明したが、磁性層に限らず種々の成膜材料に対して採用することができる。
さらに、上述した実施形態では、本発明の基板ステージをスパッタ装置に採用する場合について説明したが、スパッタ装置以外に基板ステージを採用することも可能である。例えば、基板ステージに載置された基板の表面に対して垂直に磁場を印加させる磁場測定器等に採用することが可能である。
本発明の基板ステージ、これを備えたスパッタ装置及び成膜方法によれば、例えばスパッタリング法による磁性層の成膜時において、基板の表面の全面に対して垂直な磁場を印加することにより磁性層の磁化方向のばらつきを抑制して、高ＭＲ比を得ることができる。

Claims (16)

  1. 真空容器内に配置され、基板が載置される基板載置面を有する基板ステージであって、
    前記基板に対して磁場を印加する第１磁場印加手段を備え、
    前記第１磁場印加手段の内部の磁化方向と前記基板の厚さ方向とが一致する基板ステージ。
  2. 前記第１磁場印加手段が、前記基板載置面に載置された基板の周囲を取り囲むように設けられている請求項１に記載の基板ステージ。
  3. 前記第１磁場印加手段の中央が、前記基板載置面の法線方向において、前記基板の表面と同じ高さに配置可能である請求項２に記載の基板ステージ。
  4. 前記基板載置面に載置された基板の裏面側に前記基板の外径以上の大きさを有する前記第１磁場印加手段が設けられた請求項１に記載の基板ステージ。
  5. 前記第１磁場印加手段と前記基板との間に位置する第１磁性体をさらに備えた請求項４に記載の基板ステージ。
  6. 前記基板の周囲を取り囲むように配置された第２磁性体をさらに備えた請求項４または請求項５に記載の基板ステージ。
  7. 前記基板載置面に対して前記基板を昇降する昇降ピンと；この昇降ピンに設けられた第２磁場印加手段と；をさらに備え、
    前記第１磁場印加手段は貫通孔を有し、前記昇降ピンは前記貫通孔の内部にスライド可能に挿通され、
    前記第２磁場印加手段の内部の磁化方向と前記第１磁場印加手段の内部の磁化方向とが一致した請求項４に記載の基板ステージ。
  8. 前記基板載置面上に前記基板が載置された状態において、前記第１磁場印加手段の上端面と前記第２磁場印加手段の上端面とが同一平面上に配置可能である請求項７記載に記載の基板ステージ。
  9. 複数の前記昇降ピンと；
    前記各昇降ピンを互いに連結するサポート部材と；
    を備え、
    前記第１磁場印加手段は複数の前記貫通孔を有し、
    前記各貫通孔には前記各昇降ピンがそれぞれ配置されている請求項７に記載の基板ステージ。
  10. 前記第１磁場印加手段および前記基板の間と前記第２磁場印加手段および前記基板の間とに位置する磁性体をさらに備える請求項７に記載の基板ステージ。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の基板ステージと；
    前記基板載置面に載置された基板の法線に対して傾斜するように配置されたスパッタカソードと；
    前記基板ステージおよび前記スパッタカソード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；
    前記スパッタカソードに電圧を印加する電源と；
    を備えたスパッタ装置。
  12. 真空容器内に配置され、基板が載置される基板載置面を有する基板ステージに載置された基板に対して、第１磁場印加手段により、この第１磁場印加手段の内部の磁化方向と前記基板の厚さ方向とが一致するように磁場を印加しつつ、前記基板の表面にスパッタ処理を行う成膜方法。
  13. 前記第１磁場印加手段が前記基板の周囲を取り囲むように設けられた請求項１２に記載の成膜方法。
  14. 前記第１磁場印加手段が前記基板の裏面側に設けられ、かつ、前記基板の外径以上の大きさを有する請求項１２に記載の成膜方法。
  15. 前記第１磁場印加手段に設けられた貫通孔の内部にスライド可能に挿通されて、前記基板載置面に対して前記基板を昇降する昇降ピンに設けられた第２磁場印加手段により前記基板に対して磁場を印加し、前記第１磁場印加手段の内部の磁化方向と前記第２磁場印加手段の内部の磁化方向とを一致させ、かつ、前記第１磁場印加手段の上端面と前記第２磁場印加手段の上端面とを同一平面上に配置して前記基板上にスパッタ処理を行う請求項１４に記載の成膜方法。
  16. 請求項１２から１５に記載の成膜方法を使用して、トンネル接合素子を形成するための垂直磁化膜を形成する成膜方法。
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