WO2015072139A1 - 磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

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WO2015072139A1
WO2015072139A1 PCT/JP2014/005681 JP2014005681W WO2015072139A1 WO 2015072139 A1 WO2015072139 A1 WO 2015072139A1 JP 2014005681 W JP2014005681 W JP 2014005681W WO 2015072139 A1 WO2015072139 A1 WO 2015072139A1
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layer
cooling
shield
chamber
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拓哉 清野
大谷　裕一
和正 西村
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キヤノンアネルバ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a magnetoresistive element.
  • TMR element also referred to as an MTJ element
  • TMR Tunnelnel Magneto Resistance
  • Non-Patent Document 1 discloses a perpendicular magnetization type MTJ element.
  • the perpendicular magnetization type MTJ element includes a structure in which a free layer (magnetization free layer), a tunnel barrier layer, and a reference layer (magnetization fixed layer) are laminated, and the magnetization directions of the free layer and the reference layer are parallel to the lamination direction, respectively. It has become.
  • Non-Patent Document 1 In order to improve the element characteristics of the magnetoresistive effect element, it is important to increase the MR ratio (magnetoresistance ratio). It is known that the laminated structure composed of CoFeB / MgO / CoFeB described in Non-Patent Document 1 exhibits a high MR ratio exceeding 100%.
  • Non-Patent Document 1 Even the magnetoresistive effect element described in Non-Patent Document 1 cannot be said to have a sufficiently high MR ratio. While studies have been made to further increase the MR ratio by changing the structure of the magnetoresistive element, it is also required to increase the MR ratio by changing the manufacturing method rather than the structure.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a magnetoresistive effect element having an MR ratio higher than that of the prior art.
  • One aspect of the present invention is a method of manufacturing a magnetoresistive effect element, the step of forming a tunnel barrier layer on a substrate on which one of a magnetization free layer and a magnetization fixed layer is formed, and the tunnel barrier layer A step of cooling the substrate after the step of forming; and a step of forming the other of the magnetization free layer and the magnetization fixed layer on the tunnel barrier layer after the step of cooling.
  • the substrate is formed after the step of forming the tunnel barrier layer and before the step of forming the magnetization free layer or the magnetization fixed layer on the tunnel barrier layer.
  • the substrate is formed after the step of forming the tunnel barrier layer and before the step of forming the magnetization free layer or the magnetization fixed layer on the tunnel barrier layer.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a substrate cooling apparatus 100 as a substrate processing apparatus that cools a substrate according to the present embodiment.
  • the substrate cooling apparatus 100 includes a chamber 101 and an exhaust chamber 119.
  • the upper wall 101a of the chamber 101 is detachable, and maintenance, cleaning, etc. can be performed by removing the upper wall 101a.
  • a gate valve 102 that can be opened and closed is provided on the side wall 101 b of the chamber 101, and the substrate S can be transferred into and out of the chamber 101 through the gate valve 102.
  • a substrate holder 103 having a substrate placement surface 103a is provided in the chamber 101, and a substrate S can be placed on the substrate placement surface 103a.
  • the substrate holder 103 is provided with rod-like lift pins 104 that pass through the substrate placement surface 103 a and support the back surface of the substrate S.
  • the lift pins 104 are formed on the substrate S or the substrate placement surface 103 a by the lift pin drive mechanism 105. Can rise and fall along the normal direction.
  • the substrate holder 103 is provided with a mechanical chuck 106 for fixing the outer peripheral portion of the surface of the substrate S.
  • the mechanical chuck 106 is driven by the mechanical chuck drive mechanism 107 in the normal direction of the substrate S or the substrate mounting surface 103a. Can rise and fall along.
  • the lift pin drive mechanism 105 and the mechanical chuck drive mechanism 107 are arbitrary drive means such as a motor and an actuator.
  • a bellows 108 is provided.
  • an electrostatic adsorption mechanism that fixes the substrate S to the substrate holder 103 by electrostatic force may be provided.
  • a substrate holder cooling unit 109 (substrate holder cooling means) provided outside the chamber 101 is connected to the substrate holder 103 via a substrate holder column 110 penetrating the lower wall 101c of the chamber 101.
  • the substrate holder cooling unit 109 has a temperature measuring unit (not shown) (for example, a thermocouple) for measuring the temperature of the substrate holder 103.
  • the substrate holder 103 and the substrate holder support 110 are preferably made of a metal having high thermal conductivity, such as copper or aluminum.
  • a shield 111 is provided in the chamber 101.
  • the shield 111 surrounds the side of the substrate holder 103 and is provided so as to cover the upper side of the substrate holder 103. That is, the shield 111 is provided so as to surround the side of the substrate placement surface 103a and to face the substrate placement surface 103a.
  • a shield cooling part 112 provided outside the chamber 101 is connected to the shield 111 via a shield support 113 penetrating the upper wall 101a of the chamber 101.
  • the shield cooling unit 112 has a temperature measuring unit (not shown) (for example, a thermocouple) for measuring the temperature of the shield 111.
  • the shield 111 and the shield post 113 are preferably made of a metal having high thermal conductivity, such as copper or aluminum.
  • the substrate holder cooling unit 109 and the shield cooling unit 112 are cooling units for cooling by an arbitrary method.
  • a cooling device for example, Gifford- McMahon refrigerator, Stirling refrigerator, or the like
  • a refrigerant such as low-temperature liquid nitrogen supplied from the outside as a refrigerant.
  • the substrate holder cooling unit 109 and the shield cooling unit 112 are provided as separate members, but may be provided as a single cooling unit.
  • An opening 114 through which the substrate S passes is provided on the side of the shield 111 facing the gate valve 102.
  • the substrate S transported from the outside of the chamber 101 is placed on the substrate holder 103 through the gate valve 102 and the opening 114 of the shield 111, and the cooled substrate S passes through the opening 114 of the shield 111 and the gate valve 102. It passes through the chamber 101 and passes through.
  • a louver 115 for communicating the inside and the outside of the shield 111 is provided at a portion other than the opening 114 on the side surface of the shield 111.
  • a shield heater 116 is provided in the vicinity of the inner surface of the shield 111, that is, in the vicinity of the surface of the shield 111 that faces the substrate holder 103.
  • An in-chamber heater 117 is provided in the vicinity of the inside of the wall surface of the chamber 101, and an out-chamber heater 118 is provided in the vicinity of the outside of the wall surface of the chamber 101.
  • the shield heater 116 and the in-chamber heater 117 are intended to remove the gas molecules adhering to the shield 111 and the chamber 101 by applying thermal energy, and are preferably heating means such as a lamp that can be quickly heated.
  • the outside-chamber heater 118 heats the chamber 101 itself, and is preferably a heating means that can heat a wide range such as a sheath heater to high heat. Although only a part of the shield heater 116, the in-chamber heater 117, and the out-chamber heater 118 are shown in FIG. 1, they are provided at predetermined intervals so that each surface can be heated uniformly.
  • the exhaust chamber 119 is connected to the chamber 101 so that each internal space communicates.
  • the exhaust chamber 119 is provided with an exhaust pump 120 as an exhaust unit capable of evacuating the chamber 101.
  • the exhaust pump 120 any exhaust means such as a dry pump or a turbo molecular pump can be used according to the required degree of vacuum, or a combination thereof may be used.
  • the chamber 101 is provided with an in-shield vacuum gauge 121 for measuring the pressure in the shield 111, that is, the space defined by the shield 111, and the exhaust chamber 119 measures the pressure in the exhaust chamber 119.
  • An in-chamber vacuum gauge 122 is provided.
  • the substrate cooling apparatus 100 is provided with a cooling gas introduction portion 123 for introducing a cooling gas between the back surface of the substrate S and the substrate placement surface 103a in order to efficiently cool the substrate S. ing.
  • the cooling gas introduction part 123 is connected to a gas line 124 that is a pipe through which the cooling gas passes, and the gas line 124 passes through the chamber 101 and the substrate holder 103 to connect the back surface of the substrate S and the substrate mounting surface 103a. There is an opening in the space between.
  • He, Ar, or a mixed gas containing at least one of them can be used, and the cooling gas spreads to the back surface of the substrate S to quickly and uniformly cool the substrate S. be able to.
  • the gas line 124 is further connected to an exhaust pump 120, and the exhaust gas can be exhausted by driving the exhaust pump 120.
  • the gas line 124 includes a variable valve (not shown), and the path and flow rate can be changed.
  • FIG. 1 only one system of gas lines 124 is shown, but two systems of gas lines 124 for introducing the cooling gas from the cooling gas introduction section 123 and gas lines 124 for exhausting the cooling gas are separately provided. It may be provided.
  • the cooling gas introduction part 123 preferably includes gas flow rate adjusting means such as a mass flow controller (MFC) and an automatic pressure controller (APC). Note that the cooling gas introduction unit 123 is not necessarily provided, and it is a matter of course that the substrate S can be cooled even if the substrate S is directly placed on the cooled substrate placement surface 103a without using the above-described cooling gas. .
  • MFC mass flow controller
  • API automatic pressure controller
  • a gas line heater 125 is provided in the vicinity of the gas line 124. By heating the gas line 124 with the gas line heater 125, gas molecules adsorbed on the inner surface of the gas line can be efficiently removed.
  • the gas line heater 125 is provided only on a part of the gas line 124 in FIG. 1, but may be provided on the entire gas line 124. Although any heating means may be used as the gas line heater 125, for example, a ribbon heater can be used.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the shield 111 included in the substrate cooling apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the shield 111 includes a side wall portion 111a that surrounds the side of the substrate S or the substrate placement surface 103a, an upper wall portion 111b that covers the upper side of the substrate S or the substrate placement surface 103a, and the side of the substrate S or the substrate placement surface 103a. And a skirt wall 111c surrounding the side of the substrate holder 103.
  • the side wall portion 111a extends along the end surface of the substrate S or the substrate placement surface 103a
  • the upper wall portion 111b is provided to face the substrate S or the substrate placement surface 103a.
  • the part 111 extends along the side surface of the substrate holder 103.
  • the side wall portion 111a and the bottom wall portion 111c are provided substantially parallel to the normal line of the substrate S or the substrate placement surface 103a, and the upper wall portion 111b is substantially parallel to the substrate S or the substrate placement surface 103a. Is provided.
  • the side wall portion 111a, the upper wall portion 111b, and the bottom wall portion 111c are manufactured as an integral member, but may be configured such that separately manufactured members are connected.
  • the substrate holder 103 When the inside of the chamber 101 is evacuated and evacuated and the substrate holder 103 is cooled, the substrate holder 103 contains gas molecules P (such as water molecules in the space). ) Works as a vacuum pump to adsorb.
  • FIG. 2 shows gas molecules P adsorbed on the surface of the substrate holder 103.
  • the substrate S transported from the outside of the substrate cooling apparatus 100 is relatively several hundred degrees higher than the substrate holder 103 being cooled. Therefore, when an external substrate S is brought close to be placed on the substrate placement surface 103a of the substrate holder 103, thermal energy is given from the substrate S to the gas molecules P adsorbed on the surface of the substrate holder 103, and the gas The molecules P are released from the surface of the substrate holder 103.
  • the functional element is provided on the surface of the substrate S (that is, the surface opposite to the substrate holder 103), the gas molecules P on the back surface of the substrate S (that is, the surface facing the substrate holder 103). Rather than adhesion, adhesion of gas molecules P to the surface of the substrate S becomes a problem as contamination.
  • the gas molecules P released from the substrate holder 103 into the space maintained in a vacuum travel substantially straight in the space as indicated by a broken line A in FIG. Therefore, when the shield 111 cooled around the substrate holder 103 is not provided as in the prior art, the gas molecules P are once adsorbed by the inner wall of the chamber 101 and the like, and are desorbed (released) with a certain probability.
  • the substrate cooling apparatus 100 since the cooled shield 111 is provided around the substrate holder, the gas molecules P emitted from the surface of the substrate holder 103 travel substantially straight and have side walls. It collides with the part 111a and is trapped on the side wall part 111a. With such a configuration, gas molecules P that adhere to the surface of the substrate S and become a contamination source can be reduced.
  • the cosin rule will be described.
  • a cosin rule in the direction in which the gas molecules P travel.
  • the probability of flying in the normal direction of the trapped surface is the highest.
  • the cosin rule in the case of the present embodiment, the normal line of the side wall portion 111a is parallel to the substrate placement surface 103a. Therefore, when the gas molecules P trapped on the side wall portion 111a are desorbed, the substrate placement surface 103a.
  • the ratio of the gas molecules P flying in the direction parallel to is the highest. That is, when the gas molecule P trapped on the side wall 111a is desorbed, the possibility of flying toward the film formation surface (surface) of the substrate S is low.
  • some gas molecules P may be desorbed without being trapped by the side wall portion 111 a or once trapped.
  • the gas molecule P since the gas molecules P are desorbed from the side wall portion 111a according to the above-mentioned cosin rule, the gas molecule P flies in the normal direction of the side wall portion 111a with a high probability, and the direction of the substrate mounting surface 103a or the It flies away from the substrate placement surface 103a.
  • the gas molecules P flying in the normal direction of the side wall portion 111a travel substantially straight and collide with the opposing side wall portion 111a, and are trapped by the side wall portion 111a again.
  • the gas molecules P flying in a direction away from the substrate placement surface 103a travel substantially straight and collide with the upper wall portion 111b provided at a position facing the substrate placement surface 103a, and are trapped on the upper wall portion 111b. Is done. As a result, most of the gas molecules P are trapped by the side wall portion 111a or the upper wall portion 111b, so that the gas molecules P that can reach the surface of the substrate S (that is, desorbed from the side wall portion 111a and the substrate mounting surface 103a). The number of gas molecules P) flying in the direction of is greatly reduced.
  • the upper wall 111b is provided as the shield 111 in addition to the side wall 111a, the gas molecules P are trapped more securely and adhered to the surface of the substrate S than when only the side wall 111a is provided. It is possible to further reduce gas molecules.
  • the bottom wall portion 111 c of the shield 111 is provided between the substrate holder 103 and the inner wall of the chamber 101, and surrounds the side surface of the substrate holder 103. Since it is very expensive to cool the entire chamber 101, the chamber 101 itself is not cooled in this embodiment, and the inner wall of the chamber 101 is relatively hot with respect to the substrate holder 103. Therefore, if the cooled shield 111 is not provided around the substrate holder 103 as in the prior art, heat is transferred from the inner wall of the chamber 101 to the substrate holder 103 by radiation, and the temperature distribution of the substrate holder 103 is unstable or It becomes uneven.
  • the bottom wall portion 111c of the shield 111 that is being cooled is provided between the substrate holder 103 and the inner wall of the chamber 101. It is easy to suppress heat transfer to the holder 103 and to stabilize and equalize the temperature distribution in the plane of the substrate placement surface 103a of the substrate holder 103.
  • the skirt wall 111c does not necessarily surround all of the height direction of the substrate holder 103. If the bottom wall portion 111c surrounds at least a part of the height direction of the substrate holder 103, the temperature distribution of the substrate holder 103 is improved. be able to.
  • the substrate holder cooling unit is configured so that the temperatures of the substrate holder 103 and the shield 111 are substantially the same. It is desirable to operate 109 and the shield cooling part 112.
  • the louver 115 is provided such that a part of the side wall portion 111a and the bottom wall portion 111c of the shield 111 protrudes in a plate shape inclining with respect to the surfaces of the side wall portion 111a and the bottom wall portion 111c. Is open. With such a configuration, the shield 111 maintained at a low temperature realizes an effect of trapping gas molecules, and gas molecules vaporized in a refresh process to be described later are discharged from the inside of the shield 111 to the outside through the louver 115. Can do.
  • the louver 115 is provided so as to be inclined so that the angle formed by the surface including the louver 115 and the surface including the side wall 111a and the bottom wall 111c is an acute angle on the surface including the upper wall 111b. .
  • the probability that the gas molecules are directed toward the surface of the substrate S is low, and in the direction toward the upper wall portion 111b. High probability of heading.
  • both the opening 114 and the louver 115 are formed in a part of the side wall 111a, and the upper wall 111b, the side wall 111a, and the bottom wall 111c are continuous members.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the substrate processing system 1 including the substrate cooling apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the substrate processing system 1 is a cluster type apparatus, and includes a plurality of substrate processing chambers 2, a load lock chamber 4, and a substrate cooling apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the plurality of substrate processing chambers 2 may perform the same processing on the substrate S or may perform different processing.
  • the plurality of substrate processing chambers 2, the load lock chamber 4, and the substrate cooling apparatus 100 are connected to each other through the transfer chamber 3, and a gate valve that can be opened and closed is provided at each connection portion.
  • the transfer chamber 3 is provided with a transfer robot 7. By driving the transfer robot 7, the substrate S is transferred among the substrate processing chambers 2, the load lock chamber 4, and the substrate cooling apparatus 100 according to a predetermined processing order.
  • Each substrate processing chamber 2, the transfer chamber 3, and the substrate cooling apparatus 100 are provided with exhaust pumps, respectively, so that the substrate S can be transferred between the chambers while maintaining a vacuum.
  • An autoloader 5 for supplying the substrate S is provided outside the load lock chamber 4.
  • the autoloader 5 is configured to take out the substrates one by one from the external cassette 6 in which a plurality of substrates are stored on the atmosphere side and store them in the load lock chamber 4.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration of an exemplary MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element 900 that performs a cooling process using the substrate cooling apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the MTJ element is used for, for example, an MRAM (Magnetic Random Access Memory), a magnetic sensor, or the like.
  • the MTJ element 900 is a perpendicular magnetization type MTJ element (p-MTJ element).
  • the MTJ element 900 includes a lower electrode 902, a buffer layer (Ta layer) 903, a CoFeB layer 904 as a free layer (magnetization free layer), and a tunnel barrier layer (MgO layer) 905 in this order on a substrate 901.
  • the MTJ element 900 includes a CoFeB layer 906, an orientation separation layer (Ta layer) 907, a first stacked body 908, a nonmagnetic intermediate layer (Ru layer) 909, and a second stacked body 910.
  • the MTJ element 900 is not limited to the configuration shown here, and arbitrary changes such as increase / decrease of layers, change of constituent materials of each layer, and reversal of the stacking order of upper and lower layers were made within a range not impairing the function of the perpendicular magnetization type element. A configuration can be used.
  • the cooling process using the substrate cooling apparatus 100 is performed after the tunnel barrier layer (MgO layer) 905 is formed on the free layer (CoFeB layer) 904 and the tunnel barrier layer (MgO layer) 905. Preferably, this is performed before the CoFeB layer 906 serving as a reference layer is formed thereon.
  • the cooling process is performed using the substrate cooling apparatus 100 at this timing, the characteristics of the tunnel barrier layer 905 can be improved by the cooling, and the surface of the tunnel barrier layer 905 (that is, the tunnel barrier layer 905 and the CoFeB) during the cooling. It is possible to prevent contamination of the interface with the layer 906.
  • the cooling process using the substrate cooling apparatus 100 may be performed at any other timing or may be performed at a plurality of timings.
  • the application target of the substrate cooling apparatus 100 according to the present embodiment is not limited to the MTJ element 900 of FIG. 4 and is suitably applied to any substrate or element that is subjected to a cooling process in a vacuum.
  • the substrate cooling apparatus 100 since the side wall portion 111a of the shield 111 being cooled surrounds the side of the substrate S or the substrate placement surface 103a, the substrate S approaches the substrate holder 103. It is possible to trap gas molecules released into the substrate and reduce contamination of the surface of the substrate S by gas molecules. Further, since the upper wall portion 111b of the shield 111 being cooled covers the upper side of the substrate S or the substrate mounting surface 103a, the trapped gas molecules that are not trapped by the side wall portion 111a are trapped with a high probability. Contamination of the surface of the substrate S with molecules can be further reduced.
  • the inner wall of the chamber 101 and the substrate holder Heat transfer due to radiation with the substrate 103 can be reduced, and the heat distribution of the substrate holder 103 can be stabilized and made uniform.
  • the shield heater 116 is provided in the vicinity of the inner surface of the shield 111 and the in-chamber heater 117 is provided in the vicinity of the inner surface of the wall surface of the chamber 101, the shield heater 116 and the in-chamber heater 117 are provided. Thus, it is possible to remove the gas molecules adsorbed in the shield 111 and the chamber 101 by applying thermal energy.
  • FIG. 5 is a diagram showing a flowchart of a substrate cooling method using the substrate cooling apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the following substrate cooling method is controlled by a control device (not shown) included in the substrate cooling apparatus 100.
  • the substrate cooling apparatus 100 performs preparation before cooling (step S1).
  • the substrate cooling apparatus 100 transports the substrate S into the chamber 101 and performs a cooling process (step S2).
  • a predetermined end condition is achieved after completion of the cooling process (YES in step S3), the substrate cooling apparatus 100 ends the substrate cooling method.
  • the predetermined end condition can be arbitrarily determined such that an end instruction is input by the user, a predetermined number of processes are completed, or there is no more substrate S to be processed next.
  • the substrate cooling apparatus 100 performs a refresh process (step S5).
  • the refresh process may be performed after the elapse of a predetermined time from when the execution instruction is input by the user, or after the previous refresh process is performed (after the start of the substrate cooling method if the refresh process is not performed yet). The refresh process will be described in detail with reference to FIG.
  • the substrate cooling apparatus 100 carries the next substrate S into the chamber 101 and repeats the cooling process. (Step S2).
  • FIG. 6 is a detailed flowchart of the pre-cooling preparation (step S1) according to the present embodiment.
  • the substrate cooling apparatus 100 starts the operation of the exhaust pump 120 in a state where the substrate S is not disposed in the chamber 101 (step S11).
  • the substrate cooling apparatus 100 keeps the exhaust pump 120 operated until all the cooling processes are completed, and maintains the vacuum state in the chamber 101.
  • the substrate cooling apparatus 100 operates the shield heater 116, the in-chamber heater 117, and the out-chamber heater 118, and stops them after a predetermined time (step).
  • a predetermined degree of vacuum that is, a predetermined pressure
  • the substrate cooling apparatus 100 starts the operation of the substrate holder cooling unit 109 and the shield cooling unit 112 (step S13). After the substrate holder 103 and the shield 111 are cooled to a predetermined temperature, the substrate cooling apparatus 100 ends the pre-cooling preparation.
  • FIG. 7 is a diagram showing a detailed flowchart of the cooling process (step S2) according to the present embodiment.
  • the substrate cooling apparatus 100 opens the gate valve 102 and transports the substrate S from the outside into the substrate cooling apparatus 100 (step S21).
  • the substrate S is transferred by the transfer robot 7 of the transfer chamber 3 connected to the substrate cooling apparatus 100.
  • the transfer robot 7 may be provided in the substrate cooling apparatus 100 to transfer the substrate S. .
  • the lift pins 104 of the substrate holder 103 are raised by the lift pin drive mechanism 105, and the transfer robot 7 places the substrate S on the lift pins 104 raised.
  • the substrate cooling apparatus 100 closes the gate valve 102.
  • the substrate cooling apparatus 100 lowers the lift pins 104 by the lift pin drive mechanism 105 to place the substrate S on the substrate placement surface of the substrate holder 103 in a cooled state, and the mechanical chuck drive mechanism 107
  • the mechanical chuck 106 is lowered to fix the substrate S (step S22).
  • the lift pins 104 are being lowered and the substrate S approaches the substrate placement surface 103a (for example, when the distance between the substrate S and the substrate placement surface 103a is about 10 mm to 20 mm). It is desirable to temporarily stop the lift pin 104 and resume the lowering of the lift pin 104 after a predetermined time has elapsed.
  • the shield 111 needs to be at least cooled. Of course, it is desirable that the shield 111 is cooled when the substrate S is transported into the substrate cooling apparatus 100.
  • the substrate cooling device 100 introduces a cooling gas into the space between the substrate S and the substrate placement surface 103a from the cooling gas introduction unit 123, thereby cooling the substrate S. (Step S23). Completion of the cooling of the substrate S may be determined by elapse of a predetermined time, or may be determined by measuring the temperature of the substrate S by providing an arbitrary temperature measurement unit in the substrate cooling apparatus 100. Thereafter, the introduction of the cooling gas is stopped, and the exhaust gas is exhausted from the space between the substrate S and the substrate placement surface 103a by the exhaust pump 120.
  • the mechanical chuck 106 is raised by the mechanical chuck drive mechanism 107, and the lift pins 104 are raised by the lift pin drive mechanism 105 to remove the substrate S from the substrate holder 103 (step S24).
  • the substrate cooling apparatus 100 opens the gate valve 102 and transports the substrate S to the outside of the substrate cooling apparatus 100 (step S25). Similarly to step S ⁇ b> 21, the substrate S is transferred by the transfer robot 7 in the transfer chamber 3 connected to the substrate cooling apparatus 100. Thereafter, the substrate cooling apparatus 100 closes the gate valve 102 and ends the cooling process. Subsequently, when the next substrate S is cooled, the next substrate S may be transferred into the substrate cooling apparatus 100 before the gate valve 102 is closed.
  • FIG. 8 is a diagram showing a detailed flowchart of the refresh process (step S5) according to the present embodiment.
  • the substrate cooling apparatus 100 performs a refresh process that operates the shield heater 116 provided in the internal space of the shield 111 to vaporize and remove gas molecules.
  • the substrate cooling apparatus 100 operates the shield heater 116 in a state where the substrate S is not disposed in the chamber 101 (step S11).
  • the shield heater 116 is stopped after being operated for several seconds. Accordingly, the shield heater 116 can vaporize the gas molecules adsorbed on the inner walls of the substrate holder 103 and the shield 111 by vaporizing them, and can be discharged out of the shield 111 via the louver 115. The gas molecules are further discharged out of the substrate cooling apparatus 100 from the exhaust pump 120.
  • the temperature of the substrate holder 103 and the shield 111 and the degree of vacuum in the chamber 101 are confirmed, and the refresh process is terminated when the respective values reach predetermined values (step S52).
  • control device provided in the substrate cooling apparatus 100 controls the start and end of each step shown in the flowcharts of FIGS. 5 to 8, but the substrate cooling is performed by a control apparatus provided separately from the substrate cooling apparatus 100. Control of the apparatus 100 may be performed.
  • the user may explicitly instruct the substrate cooling apparatus 100 to start and end part or all of the steps, or the user himself / herself may execute some or all of the steps.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating a substrate cooling apparatus 200 as a substrate processing apparatus that cools a substrate according to the present embodiment.
  • the substrate cooling apparatus 200 is different from the substrate cooling apparatus 100 according to the first embodiment only in the configuration relating to the shield 211, and the other configurations are the same.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the shield 211 included in the substrate cooling apparatus 200 according to this embodiment.
  • the shield 211 includes a side wall portion 211a that surrounds the side of the substrate S or the substrate placement surface 103a, an upper wall portion 211b that covers the upper side of the substrate S or the substrate placement surface 103a, and the side of the substrate S or the substrate placement surface 103a. And a bottom wall portion 211c surrounding the side of the substrate holder 103.
  • the difference from the shield 111 according to the first embodiment is that the side wall portion 211a is provided with an inclination.
  • the side wall part 211a is provided so as to incline continuously (that is, smoothly) from the outer peripheral part of the upper wall part 211b, and the side wall part 211a is larger than the diameter of the outer peripheral part of the upper wall part 211b. The diameter is smaller.
  • the surface including the upper wall portion 211b and the surface including the side wall portion 211a form an acute angle on the substrate holder side.
  • the skirt wall portion 211c is provided so as to be flush with the side wall portion 211a. Therefore, the skirt wall portion 211c is also inclined similarly to the side wall portion 211a.
  • the gas molecules desorbed from the side wall part 211a have the highest probability of flying in the normal direction of the side wall part 211a. That is, when the gas molecules trapped in the side wall part 211a are released, the side wall part 211a has a probability of going in the direction in which the gas molecule approaches the upper wall part 211b, that is, in the direction away from the substrate placement surface 103a. It is provided to be the highest. Therefore, when gas molecules are desorbed from the side wall portion 211a, the probability of moving toward the surface of the substrate S is further reduced, and the probability of moving toward the upper wall portion 211b is increased. As a result, the probability that gas molecules are trapped in the upper wall portion 211b increases, and contamination of the surface of the substrate S by gas molecules can be further reduced.
  • the louver 215 is provided such that a part of the inclined side wall part 211a and the bottom wall part 211c is inclined with respect to the surfaces of the side wall part 211a and the bottom wall part 211c and protrudes in a plate shape. It is open. Louver 215 is provided so as to be inclined at an acute angle with respect to the direction from side wall 211a and bottom wall 211c to upper wall 211b. With such a configuration, even when gas molecules are desorbed by the louver 215, the gas molecules are less likely to be directed toward the surface of the substrate S, and are more likely to be directed toward the upper wall portion 211b.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram illustrating a substrate cooling apparatus 300 as a substrate processing apparatus that cools a substrate according to the present embodiment.
  • the substrate cooling apparatus 300 is different from the substrate cooling apparatus 100 according to the first embodiment only in the configuration related to the shield 311, and the other configurations are the same.
  • the shield 311 can be raised and lowered along the normal direction of the substrate S or the substrate mounting surface 103a by the shield driving mechanism 326.
  • the shield drive mechanism 326 is an arbitrary drive unit such as a motor or an actuator.
  • An extendable bellows 327 is provided between the shield 311 and the shield drive mechanism 326 so that the shield 311 can be moved while the chamber 101 is kept sealed.
  • the shield 311 is not provided with the opening 114 and the louver 115.
  • the substrate S can be transported without the opening 114 by moving the shield 311 upward (that is, the direction away from the substrate S or the substrate placement surface 103a).
  • the gas molecules released from the surface of the substrate holder 103 can be discharged without the louver 115 by moving the shield 311 upward.
  • the shield drive mechanism 326 capable of raising and lowering the shield 311 is provided, the configuration of the shield 311 can be simplified.
  • the opening 114 and the louver 115 are not provided, it is possible to further reduce the probability that gas molecules enter the inside from the outside of the shield 311 and contaminate the surface of the substrate S during cooling.
  • the substrate cooling device 300 When the substrate S is cooled by using the substrate cooling device 300, the substrate cooling device 300 first raises the shield 311 by the shield driving mechanism 326 and then above the substrate placement surface 103a, The substrate S is moved to a position not in contact with the surface 103a. Thereafter, after the shield 311 is lowered by the shield driving mechanism 326, the substrate S is placed on the substrate placement surface 103a. In this state, a predetermined time is waited to cool the substrate. Thus, by lowering the shield 311 before the substrate S comes into contact with the substrate placement surface 103a, it is possible to trap gas molecules released from the substrate holder 103 when the substrate S is lowered on the shield 311. become.
  • the device characteristics of the MTJ element are improved by devising the configuration of the substrate cooling apparatus, whereas in the present embodiment, the MTJ element is devised by devising the timing of the cooling process. This improves the device characteristics.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of an exemplary MTJ element 1000 (magnetoresistive element) manufactured using the film forming method according to the present embodiment.
  • the MTJ element 1000 is a perpendicular magnetization type MTJ element (p-MTJ element).
  • the MTJ element 1000 includes a lower electrode 1002, a Ta layer (seed layer) 1003, a CoFe layer 1004, a Ta layer 1005, a CoFeB layer 1006 as a free layer (magnetization free layer), and an MgO layer (on a substrate 1001). Tunnel barrier layer) 1007 in order.
  • the MTJ element 1000 further includes a CoFeB layer 1008 as a reference layer (magnetization fixed layer), a Ta layer 1009, a stacked body 1010, a Ta layer (cap layer) 1011 and an upper electrode 1012 in this order. .
  • the laminated body 1010 is obtained by alternately stacking a predetermined number N of Co layers and Pt layers.
  • the MTJ element 1000 is not limited to the configuration shown here, and arbitrary changes such as increase / decrease of layers, change of constituent materials of each layer, and reversal of the upper and lower stacking order were performed within the range not impairing the function of the perpendicular magnetization type element. A configuration can be used.
  • FIG. 13 is a view showing a flowchart of the film forming method according to the present embodiment.
  • the film forming method according to the present embodiment will be described using the cluster-type substrate processing system 1 shown in FIG. 3, but the present invention is not limited to this.
  • an inline type substrate processing system may be used.
  • the substrate cooling apparatus 300 shown in FIG. 11 is used as the substrate cooling apparatus included in the substrate processing system 1, but any other substrate cooling apparatus may be used.
  • the substrate S is carried into the load lock chamber 4 of the substrate processing system 1 (step S91).
  • step S92 by driving the transfer robot 7 of the transfer chamber 3, the substrate S is moved to the predetermined substrate processing chamber 2, and the first film forming process is performed (step S92).
  • impurities and the like attached on the substrate are removed by an etching method, and then the lower electrode 1002, Ta layer 1003, CoFe on the film below the MgO layer 1007 in the MTJ element 1000, that is, on the substrate 1001.
  • a layer 1004, a Ta layer 1005, and a CoFeB layer 1006 as a free layer are sequentially formed by a sputtering method.
  • the substrate S is moved to the predetermined substrate processing chamber 2, and the second film forming process is performed (step S93).
  • the MgO layer 1007 is formed in the MTJ element 1000.
  • the MgO layer 1007 is formed by a radio frequency (RF) sputtering method using an MgO target.
  • RF radio frequency
  • a Mg layer may be formed on the CoFeB layer 1006 as a free layer by a sputtering method using an Mg target, and then the Mg layer may be oxidized.
  • the film formation process and the oxidation process may be performed in the same substrate processing chamber 2 or may be performed in different substrate processing chambers 2.
  • step S94 the substrate S on which the MgO layer 1007 is formed is cooled to a temperature of 200K or lower (in this embodiment, 100K).
  • a temperature of 200K or lower in this embodiment, 100K.
  • an amorphous phase can be formed in the CoFeB layer 1008 as a reference layer to be formed thereafter.
  • the cooling process shown in the flowchart of FIG. As a result, as described in the first to third embodiments, an additional effect of quickly cooling the substrate S and reducing impurities in the film can be obtained.
  • the cooling process according to the present embodiment is not limited to this, and any cooling device configuration and cooling process can be performed as long as the substrate S on which the MgO layer 1007 is formed can be cooled to a predetermined temperature.
  • a method may be used.
  • analysis of structural components, such as the formed CoFeB layer 1008, can be performed by, for example, an X-ray diffraction method.
  • a third film forming process is performed (step S95).
  • a CoFeB layer 1008, a Ta layer 1009, a stacked body 1010, a Ta layer 1011 and an upper electrode 1012 are formed on a film above the CoFeB layer 1008 as a reference layer in the MTJ element 1000, that is, on the MgO layer 1007. Films are formed sequentially by a sputtering method.
  • an annealing process at a predetermined temperature for example, 150 to 400 degrees
  • the film forming process and the annealing process may be performed in the same substrate processing chamber 2 or may be performed in different substrate processing chambers 2.
  • the substrate S is moved to the transfer position (substrate unloading position) in the load lock chamber 4 by driving the transfer robot 7 of the transfer chamber 3 (step S97).
  • the substrate S is sent to a downstream process of the substrate processing system 1.
  • the annealing process may be performed by an apparatus different from the substrate processing system 1. In this case, an annealing process is performed as a process downstream of the substrate processing system 1.
  • each layer formed in the first to third film forming steps is formed by sputtering, but may be formed by any other film forming method. .
  • two or more films may be formed in the same substrate processing chamber 2, and all the films may be formed. Films may be formed in different substrate processing chambers 2. At least one of the first to third film forming steps (steps S92, S93, and S95) and the cooling step (step S94) may be performed in the same chamber.
  • the MTJ element 1000 has a top pin structure having the reference layer 1008 on the tunnel barrier layer 1007, but may have a bottom pin structure having the free layer 1006 on the tunnel barrier layer 1007.
  • the CoFeB layer 1008 as the reference layer is formed in the first film formation step (step S92), and then the CoFeB as the reference layer in the second film formation step (step S93).
  • An MgO layer 1007 is formed over the layer 1008.
  • a cooling process step S94
  • a CoFeB layer 1006 as a free layer is formed on the MgO layer 1007 in the third film forming process (step S95).
  • the film forming method according to the present embodiment can be applied to both a top pin structure and a bottom pin structure, and one of a free layer and a reference layer is formed, and a tunnel barrier layer is formed on one of the free layer and the reference layer. It is formed and cooled, and the other of the free layer and the reference layer is formed on the tunnel barrier layer.
  • FIG. 14 is a diagram showing a graph of MR ratio with respect to RA (area resistance) of the MTJ element manufactured using the film forming method according to the present embodiment.
  • the MTJ element was manufactured by changing the presence and timing of the cooling step (step S94) in the flowchart of FIG. 13 in various ways, and the RA and MR ratio were measured.
  • the horizontal axis of FIG. 14 is RA ( ⁇ ⁇ ⁇ m 2 ), and the vertical axis is the MR ratio (%). It can be said that the lower the RA and the higher the MR ratio, the better the element characteristics of the MTJ element.
  • the square points are the measurement results of the MTJ elements that were formed without cooling, and the circular points are the measurement results of the MTJ elements that were formed after cooling. .
  • the MTJ element according to any measurement result is manufactured according to the flowchart of FIG.
  • the symbols I to VII attached to the circular points in the graph of FIG. 14 mean that cooling is performed at any timing of I to VII of the MTJ element 1000 of FIG.
  • a circular dot marked with I in the graph of FIG. 14 means that cooling was performed after the formation of the lower electrode 1002 of FIG. 12 and before the formation of the Ta layer 1003.
  • cooling is performed after the MgO layer 1007 is formed and before the CoFeB layer 1008 as the reference layer is formed. Corresponds to the attached circular point.
  • the MR ratio is improved as compared with the conventional case where the cooling is not performed. Further, among the timings I to VII, when the cooling is performed at the timing of VI according to the present embodiment, that is, after the formation of the MgO layer 1007 and before the formation of the CoFeB layer 1008 as the reference layer, it is particularly high. It can be seen that MR ratio and low RA can be realized. As described above, in order to manufacture the MTJ element 1000 having good element characteristics, it is effective to perform cooling after the formation of the MgO layer 1007 and before the formation of the CoFeB layer 1008 as a reference layer. confirmed.
  • FIG. 15 is a diagram showing a graph of MR ratio with respect to B content (boron content) in a CoFeB layer as a reference layer in an MTJ element manufactured by using the film forming method according to the present embodiment.
  • the B ratio in the CoFeB layer 1008 as the reference layer was variously changed, and the MR ratio was measured.
  • the horizontal axis in FIG. 15 is the B content (at%) in the CoFeB layer as the reference layer 1008, and the vertical axis is the MR ratio (%).
  • square points are measurement results of MTJ elements formed without cooling, and circular points are after the formation of the MgO layer 1007 and the CoFeB layer 1008 as a reference layer.
  • the measurement result (circular point) of the film forming method according to the present embodiment is the measurement result (rectangular point) when cooling is not performed as in the conventional case at any B content. It can be seen that a higher MR ratio is realized. In particular, it is desirable to set the B content in the CoFeB layer 1008 as the reference layer to 15 at% or less because the MR ratio is significantly higher than that in the case where cooling is not performed.
  • the measurement result (circular point) of the film forming method according to the present embodiment it can be seen that the MR ratio increases as the B content decreases. Therefore, according to the film forming method according to the present embodiment, it is possible to set the B content lower than the conventional one while maintaining a high MR ratio, and the degree of freedom of the composition of the CoFeB layer 1008 as the reference layer. Is expensive.
  • the MR ratio can be improved when the reference layer has an amorphous phase.
  • B in order to make a conventional CoFeB layer into an amorphous phase, it is necessary to add B in a predetermined ratio (about 20% as described above).
  • the film forming method according to the present embodiment realizes a higher MR ratio with a lower B content than in the prior art after the tunnel barrier layer is formed and before the reference layer is formed. This is probably because an amorphous phase is easily formed in the reference layer. That is, by the cooling process of the film forming method according to the present embodiment, the reference layer has an amorphous phase even at a low B content, and a high MR ratio is realized.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
  • Each of the above embodiments has been described as being applied to the manufacture of an MTJ element (TMR element) used in an MRAM, but the same cooling method and film formation method can be applied to the manufacture of other MTJ elements. It is.
  • the direction of gravity is described as the vertical direction, but the direction in which the apparatus is configured is arbitrary.
  • the vertical direction in each of the above-described embodiments is What is necessary is just to read as a direction perpendicular

Abstract

　本発明は、従来よりも高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子の製造方法を提供する。本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁化自由層および磁化固定層の一方が表面に形成された基板上にトンネルバリア層を形成する工程Ｓ９３と、前記トンネルバリア層を形成する工程の後に、前記基板を冷却する工程Ｓ９４と、前記冷却する工程の後に、前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層および前記磁化固定層の他方を形成する工程Ｓ９５と、を備える。

Description

磁気抵抗効果素子の製造方法
　本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法に関するものである。
　磁場によって電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子として、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用して情報の記憶や磁気の検出を行うＴＭＲ素子（ＭＴＪ素子ともいう）が知られている。近年、ＭＲＡＭ等へのＭＴＪ素子の利用が期待されている。
　非特許文献１には、垂直磁化型のＭＴＪ素子が開示されている。垂直磁化型のＭＴＪ素子は、フリー層（磁化自由層）、トンネルバリア層、およびリファレンス層（磁化固定層）が積層された構造を含み、フリー層およびリファレンス層の磁化方向はそれぞれ積層方向と平行になっている。
　磁気抵抗効果素子の素子特性の向上のためには、ＭＲ比（磁気抵抗比）を高くすることが重要である。非特許文献１に記載のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢからなる積層構造は１００％を超える高いＭＲ比を示すことが知られている。
D.　C.　Worledge　et　al.,　"Spin　torque　switching　of　perpendicular　Ta|CoFeB|MgO-based　magnetic　tunnel　junctions",　Appl.　Phys.　Lett.　98,　2011,　022501
　しかしながら、非特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子であっても、十分に高いＭＲ比とはいえない。磁気抵抗効果素子の構造を変更することによってＭＲ比をさらに高める研究がなされている一方で、構造ではなく製造方法を変更することによってＭＲ比を高めることも求められている。
　本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、従来よりも高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、磁気抵抗効果素子の製造方法であって、磁化自由層および磁化固定層の一方が表面に形成された基板上にトンネルバリア層を形成する工程と、前記トンネルバリア層を形成する工程の後に、前記基板を冷却する工程と、前記冷却する工程の後に、前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層および前記磁化固定層の他方を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
　本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、トンネルバリア層を形成する工程の後であって、トンネルバリア層上に磁化自由層又は磁化固定層を形成する工程の前に、基板を冷却する工程を行うことによって、高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子を実現することができる。
本発明の一実施形態に係る基板冷却装置を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るシールドの断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板冷却装置を備える基板処理システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る基板冷却装置を用いて冷却処理を行う例示的な素子構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る基板冷却方法のフローチャートを示す図である。 本発明の一実施形態に係る冷却前準備の詳細なフローチャートを示す図である。 本発明の一実施形態に係る冷却処理の詳細なフローチャートを示す図である。 本発明の一実施形態に係るリフレッシュ処理の詳細なフローチャートを示す図である。 本発明の一実施形態に係る基板冷却装置を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るシールドの断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板冷却装置を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により製造される素子構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法のフローチャートを示す図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により製造される素子のＭＲ比のグラフを示す図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により製造される素子のＭＲ比のグラフを示す図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
（第１の実施形態）
　図１は、本実施形態に係る基板の冷却を行う基板処理装置としての基板冷却装置１００を示す概略構成図である。基板冷却装置１００はチャンバ１０１と排気チャンバ１１９とを備えている。チャンバ１０１の上壁１０１ａは取り外し可能に設けられており、上壁１０１ａを取り外してメンテナンス、クリーニング等を行うことができる。チャンバ１０１の側壁１０１ｂには開閉可能なゲートバルブ１０２が設けられており、ゲートバルブ１０２を介して基板Ｓをチャンバ１０１の内外に搬送可能である。チャンバ１０１内には基板載置面１０３ａを有する基板ホルダ１０３が設けられており、基板載置面１０３ａ上には基板Ｓを載置可能である。
　基板ホルダ１０３には基板載置面１０３ａを貫通して基板Ｓの裏面を支持するための棒状のリフトピン１０４が設けられており、リフトピン１０４はリフトピン駆動機構１０５によって基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの法線方向に沿って上昇および下降可能である。また、基板ホルダ１０３には基板Ｓの表面の外周部を固定するためのメカニカルチャック１０６が設けられており、メカニカルチャック１０６はメカニカルチャック駆動機構１０７によって基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの法線方向に沿って上昇および下降可能である。リフトピン駆動機構１０５およびメカニカルチャック駆動機構１０７は、モータ、アクチュエータ等の任意の駆動手段である。リフトピン１０４とリフトピン駆動機構１０５との間、およびメカニカルチャック１０６とメカニカルチャック駆動機構１０７との間には、チャンバ１０１の密閉状態を保ったままリフトピン１０４およびメカニカルチャック１０６を移動できるように、伸縮可能なベローズ１０８が設けられている。
　基板Ｓを固定するために、メカニカルチャック１０６およびメカニカルチャック駆動機構１０７の代わりに、静電力により基板Ｓを基板ホルダ１０３に固定する静電吸着機構（ＥＳＣ）を設けてもよい。
　基板ホルダ１０３には、チャンバ１０１の下壁１０１ｃを貫通する基板ホルダ支柱１１０を介して、チャンバ１０１の外部に設けられている基板ホルダ冷却部１０９（基板ホルダ冷却手段）が接続されている。基板ホルダ冷却部１０９を用いて基板ホルダ１０３を低温に維持することによって、基板載置面１０３ａに載置された基板Ｓを冷却可能である。基板ホルダ冷却部１０９は、基板ホルダ１０３の温度を測定するための不図示の温度測定部（例えば、熱電対）を有する。基板ホルダ１０３および基板ホルダ支柱１１０は、熱伝導性の高い金属、例えば銅またはアルミニウムを用いて作製されていることが望ましい。
　チャンバ１０１内において、シールド１１１が設けられている。シールド１１１は基板ホルダ１０３の側方を取り囲むとともに、基板ホルダ１０３の上方を覆うように設けられている。すなわち、シールド１１１は、基板載置面１０３ａの側方を取り囲むとともに、基板載置面１０３ａに対向するように設けられている。
　シールド１１１には、チャンバ１０１の上壁１０１ａを貫通するシールド支柱１１３を介して、チャンバ１０１の外部に設けられているシールド冷却部１１２が接続されている。シールド冷却部１１２を用いてシールド１１１を低温に維持することによって、基板Ｓの搬送時に基板ホルダ１０３から放出される気体分子がシールド１１１の表面に到達した際に、該気体分子をトラップする、すなわち表面に保持することができる。シールド冷却部１１２は、シールド１１１の温度を測定するための不図示の温度測定部（例えば、熱電対）を有する。シールド１１１およびシールド支柱１１３は、熱伝導性の高い金属、例えば銅またはアルミニウムを用いて作製されていることが望ましい。
　基板ホルダ冷却部１０９およびシールド冷却部１１２（シールド冷却手段）は、任意の方法により冷却を行うための冷却手段であり、例えばヘリウムの断熱膨張を利用して冷却を行う冷却装置（例えば、Gifford-McMahon冷凍機やスターリング冷凍機など）であってよく、または冷媒として外部から供給される低温の液体窒素等の冷媒を流すことにより冷却を行う装置であってよい。本実施形態では基板ホルダ冷却部１０９とシールド冷却部１１２とは別個の部材として設けられているが、単一の冷却部として設けられてもよい。
　シールド１１１の側面におけるゲートバルブ１０２に対向する部分には、基板Ｓが通るための開口部１１４が設けられている。チャンバ１０１の外部から搬送される基板Ｓはゲートバルブ１０２およびシールド１１１の開口部１１４を通って基板ホルダ１０３に載置され、また冷却後の基板Ｓはシールド１１１の開口部１１４およびゲートバルブ１０２を通ってチャンバ１０１の外部に搬送される。また、シールド１１１の側面における開口部１１４以外の部分には、シールド１１１の内側と外側とを連通させるためのルーバー１１５が設けられている。
　シールド１１１の内側の面の近傍、すなわちシールド１１１の基板ホルダ１０３に対向する面の近傍には、シールドヒータ１１６が設けられている。また、チャンバ１０１の壁面の内側近傍にはチャンバ内ヒータ１１７が設けられており、チャンバ１０１の壁面の外側近傍にはチャンバ外ヒータ１１８が設けられている。シールドヒータ１１６およびチャンバ内ヒータ１１７は、シールド１１１およびチャンバ１０１に付着した気体分子に熱エネルギーを与えて除去するものであり、ランプ等の素早く加熱できる加熱手段であることが望ましい。一方、チャンバ外ヒータ１１８は、チャンバ１０１そのものを加熱するものであり、シースヒータ等の広範囲を高熱に加熱できる加熱手段であることが望ましい。シールドヒータ１１６、チャンバ内ヒータ１１７およびチャンバ外ヒータ１１８は、図１には一部のみ示されているが、各面を均一に加熱することができるように所定の間隔で設けられる。
　チャンバ１０１には、それぞれの内部空間が連通するように排気チャンバ１１９が接続されている。排気チャンバ１１９にはチャンバ１０１内を真空排気可能な排気部としての排気ポンプ１２０が設けられている。排気ポンプ１２０としては、必要とする真空度に応じてドライポンプ、ターボ分子ポンプ等の任意の排気手段を用いることができ、それらを組み合わせて用いてもよい。さらに、チャンバ１０１にはシールド１１１内、すなわちシールド１１１により区画される空間内の圧力を測定するためのシールド内真空計１２１が設けられており、排気チャンバ１１９には排気チャンバ１１９内の圧力を測定するためのチャンバ内真空計１２２が設けられている。
　さらに、基板冷却装置１００には、基板Ｓの冷却を効率的に行うために、基板Ｓの裏面と基板載置面１０３ａとの間に冷却ガスを導入するための冷却ガス導入部１２３が設けられている。冷却ガス導入部１２３は冷却ガスが通るための管であるガスライン１２４に接続されており、ガスライン１２４はチャンバ１０１および基板ホルダ１０３を貫通して基板Ｓの裏面と基板載置面１０３ａとの間の空間に開口している。冷却ガス導入部１２３から導入される冷却ガスとしてはＨｅ、Ａｒまたはそれらの少なくとも一方を含む混合ガスを用いることができ、冷却ガスが基板Ｓの裏面に行き渡ることで基板Ｓを素早く均一に冷却することができる。ガスライン１２４はさらに排気ポンプ１２０に接続されており、排気ポンプ１２０を駆動することによって使用後の冷却ガスを排気することができる。ガスライン１２４は不図示の可変バルブを備えており、経路や流量を変更可能である。図１ではガスライン１２４は１系統のみ示されているが、冷却ガス導入部１２３から冷却ガスを導入するためのガスライン１２４と冷却ガスを排気するためのガスライン１２４との２系統が別個に設けられてもよい。冷却ガス導入部１２３は、マスフロー制御器（ＭＦＣ）、自動圧力制御器（ＡＰＣ）等のガス流量調整手段を備えていることが望ましい。なお、冷却ガス導入部１２３は必ずしも設けられなくともよく、上述の冷却ガスを用いず、基板Ｓを冷却された基板載置面１０３ａに直接載置しても基板Ｓを冷却できることはもちろんである。
　ガスライン１２４の近傍には、ガスラインヒータ１２５が設けられている。ガスラインヒータ１２５によってガスライン１２４を加熱することによって、ガスラインの内面に吸着される気体分子を効率的に除去することができる。ガスラインヒータ１２５は、図１ではガスライン１２４の一部にのみ設けられているが、ガスライン１２４の全体に設けられてもよい。ガスラインヒータ１２５としては、任意の加熱手段を用いてよいが、例えばリボンヒータを用いることができる。
　図２は、本実施形態に係る基板冷却装置１００に含まれるシールド１１１の断面図である。シールド１１１は、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの側方を取り囲む側壁部１１１ａと、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの上方を覆う上壁部１１１ｂと、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの側方よりも下であって基板ホルダ１０３の側方を取り囲む裾壁部１１１ｃとを含む。換言すると、側壁部１１１ａは基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの端面に沿って延在しており、上壁部１１１ｂは基板Ｓまたは基板載置面１０３ａに対向して設けられており、裾壁部１１１は基板ホルダ１０３の側面に沿って延在している。側壁部１１１ａおよび裾壁部１１１ｃは基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの法線に対して略平行に設けられており、上壁部１１１ｂは基板Ｓまたは基板載置面１０３ａに対して略平行に設けられている。本実施形態では側壁部１１１ａ、上壁部１１１ｂおよび裾壁部１１１ｃは、一体の部材として作製されているが、別々に作製された部材が接続されている構成でもよい。
　チャンバ１０１内が排気されて真空にされるとともに、基板ホルダ１０３が冷却されている際には、基板ホルダ１０３は空間中の水分子等の気体分子Ｐ（気体様の挙動をする微小粒子を含む）を吸着する真空ポンプとして働く。図２には、基板ホルダ１０３の表面に吸着されている気体分子Ｐが示されている。この状態において、基板冷却装置１００の外部から搬送されてくる基板Ｓは、冷却されている基板ホルダ１０３よりも相対的に数百度も高温である。そのため、外部からの基板Ｓを基板ホルダ１０３の基板載置面１０３ａに載置するために近付けると、基板Ｓから基板ホルダ１０３の表面に吸着されている気体分子Ｐに熱エネルギーが与えられ、気体分子Ｐは基板ホルダ１０３の表面から放出される。
　一般的に基板Ｓの表面（すなわち、基板ホルダ１０３とは逆側の面）に機能素子が設けられるため、基板Ｓの裏面（すなわち、基板ホルダ１０３に向かい合う側の面）への気体分子Ｐの付着よりも、基板Ｓの表面への気体分子Ｐの付着が汚染として問題となる。真空に維持されている空間に基板ホルダ１０３から放出された気体分子Ｐは、空間中を図２中の破線Ａで示すように略直進する。そのため、従来のように基板ホルダ１０３の周囲に冷却されたシールド１１１が設けられていない場合には、気体分子Ｐはチャンバ１０１の内壁等で一旦吸着され、ある確率で脱離（放出）され、基板Ｓの表面に到達して汚染源となる。一方、本実施形態に係る基板冷却装置１００においては、基板ホルダの周囲に冷却されているシールド１１１が設けられているため、基板ホルダ１０３の表面から放出された気体分子Ｐは略直進して側壁部１１１ａに衝突し、側壁部１１１ａ上にトラップされる。このような構成により、基板Ｓの表面に付着して汚染源となる気体分子Ｐを低減することができる。
　ここで、ｃｏｓｉｎ則について説明する。チャンバ１０１の内壁やシールド１１１にトラップされた気体分子Ｐが放出される際、気体分子Ｐが進む方向には、一般的にｃｏｓｉｎ則と言われる確率的な分布があることが知られている。ｃｏｓｉｎ則によれば、トラップされている面の法線方向に飛行する確率が最も高い。ｃｏｓｉｎ則によれば、本実施形態の場合、側壁部１１１ａの法線は基板載置面１０３ａに平行であるため、側壁部１１１ａにトラップされた気体分子Ｐが脱離すると、基板載置面１０３ａに平行な方向に飛行する気体分子Ｐの割合がもっとも高い。すなわち、側壁部１１１ａにトラップされた気体分子Ｐが脱離するとき、基板Ｓの成膜面（表面）に向かって飛行する可能性は低い。
　図２中の破線Ｂで示すように、気体分子Ｐの中には側壁部１１１ａでトラップされずに又は一旦トラップされた後に脱離するものも存在し得る。このとき、気体分子Ｐは側壁部１１１ａから上述のｃｏｓｉｎ則にしたがって脱離するため、高い確率で側壁部１１１ａの法線方向に飛行し、それよりも低い確率で基板載置面１０３ａの方向又は基板載置面１０３ａから遠ざかる方向に飛行する。側壁部１１１ａの法線方向に飛行する気体分子Ｐは、略直進して対向する側壁部１１１ａに衝突し、再度側壁部１１１ａにトラップされる。また、基板載置面１０３ａから遠ざかる方向に飛行する気体分子Ｐは、略直進して基板載置面１０３ａに対向する位置に設けられている上壁部１１１ｂに衝突し、上壁部１１１ｂにトラップされる。その結果、大部分の気体分子Ｐが側壁部１１１ａ又は上壁部１１１ｂによりトラップされるため、基板Ｓの表面に到達し得る気体分子Ｐ（すなわち、側壁部１１１ａから脱離して基板載置面１０３ａの方向に飛行する気体分子Ｐ）の数は大幅に低減される。したがって、本実施形態ではシールド１１１として側壁部１１１ａに加えて上壁部１１１ｂを設けているため、側壁部１１１ａのみを設ける場合よりもより確実に気体分子Ｐをトラップし、基板Ｓの表面に付着する気体分子をより低減することが可能である。
　さらにシールド１１１の裾壁部１１１ｃは、基板ホルダ１０３とチャンバ１０１の内壁との間に設けられており、基板ホルダ１０３の側面を取り囲んでいる。チャンバ１０１全体を冷却することは大きなコストが掛かるため、本実施形態ではチャンバ１０１自体は冷却されておらず、チャンバ１０１の内壁は基板ホルダ１０３に対して相対的に高温である。そのため、従来のように基板ホルダ１０３の周囲に冷却されたシールド１１１が設けられていない場合は、輻射によりチャンバ１０１の内壁から基板ホルダ１０３に熱が伝わり、基板ホルダ１０３の温度分布が不安定または不均一になる。一方、本実施形態に係る基板冷却装置１００においては、冷却されているシールド１１１の裾壁部１１１ｃが基板ホルダ１０３とチャンバ１０１の内壁との間に設けられているため、チャンバ１０１の内壁から基板ホルダ１０３への熱伝達を抑制し、基板ホルダ１０３の基板載置面１０３ａの面内における温度分布を安定化および均一化することが容易である。裾壁部１１１ｃは必ずしも基板ホルダ１０３の高さ方向の全てを取り囲んでいなくてもよく、基板ホルダ１０３の高さ方向の少なくとも一部を取り囲んでいれば、基板ホルダ１０３の温度分布を改善することができる。また、シールド１１１と基板ホルダ１０３との間の熱伝達を抑制して基板ホルダ１０３の温度分布をより改善するために、基板ホルダ１０３およびシールド１１１の温度が略同一となるように基板ホルダ冷却部１０９およびシールド冷却部１１２を作動させることが望ましい。
　ルーバー１１５は、シールド１１１の側壁部１１１ａおよび裾壁部１１１ｃの一部が、側壁部１１１ａおよび裾壁部１１１ｃの面に対して傾斜して板状に突出して設けられており、ルーバー１１５の根元は開口している。このような構成により、低温に維持されたシールド１１１が気体分子をトラップする効果を実現するとともに、後述するリフレッシュ処理において気化した気体分子をシールド１１１の内部から外部へルーバー１１５を介して排出することができる。さらに、ルーバー１１５を含む面と側壁部１１１ａおよび裾壁部１１１ｃを含む面とがなす角が、上壁部１１１ｂを含む面側で鋭角になるように、ルーバー１１５は傾斜して設けられている。上述したｃｏｓｉｎ則によれば、このような構成により、気体分子がルーバー１１５により脱離される場合であっても、気体分子は基板Ｓの表面に向かう確率は低く、上壁部１１１ｂに向かう方向に向かう確率が高い。なお、図１中で、開口部１１４とルーバー１１５は、いずれも側壁部１１１ａの一部に形成されており、上壁部１１１ｂ、側壁部１１１ａ及び裾壁部１１１ｃは連続した部材である。
　図３は、本実施形態に係る基板冷却装置１００を備える基板処理システム１の概略構成図である。基板処理システム１はクラスタ型の装置であり、複数の基板処理チャンバ２と、ロードロックチャンバ４と、本実施形態に係る基板冷却装置１００とを備えている。複数の基板処理チャンバ２は基板Ｓに対して同一の処理を行うものであってもよく、または異なる処理を行うものであってもよい。複数の基板処理チャンバ２と、ロードロックチャンバ４と、基板冷却装置１００とは搬送チャンバ３を介して接続されており、それぞれの接続部分には開閉可能なゲートバルブが設けられている。搬送チャンバ３には搬送ロボット７が設けられており、搬送ロボット７を駆動させることによって各基板処理チャンバ２、ロードロックチャンバ４および基板冷却装置１００の間で所定の処理順にしたがって基板Ｓが搬送される。各基板処理チャンバ２、搬送チャンバ３および基板冷却装置１００にはそれぞれ排気ポンプが設けられており、真空を保ったままチャンバ間で基板Ｓを搬送可能である。ロードロックチャンバ４の外側には、基板Ｓを供給するためのオートローダ５が設けられている。オートローダ５は、大気側において複数の基板が収納されている外部カセット６から基板を一枚ずつ取り出し、ロードロックチャンバ４内に収容するように構成されている。
　図４は、本実施形態に係る基板冷却装置１００を用いて冷却処理を行う例示的なＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子９００の構成を示す模式図である。ＭＴＪ素子は、例えばＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気センサ等に用いられる。
　ＭＴＪ素子９００は、垂直磁化型ＭＴＪ素子(ｐ－ＭＴＪ素子)である。ＭＴＪ素子９００は、基板９０１上に下部電極９０２と、バッファー層（Ｔａ層）９０３と、フリー層（磁化自由層）としてのＣｏＦｅＢ層９０４と、トンネルバリア層（ＭｇＯ層）９０５とを順に備える。さらにその上に、ＭＴＪ素子９００は、ＣｏＦｅＢ層９０６と、配向分離層（Ｔａ層）９０７と、第１の積層体９０８と、非磁性中間層（Ｒｕ層）９０９と、第２の積層体９１０とが積層されてなるリファレンス層（磁化固定層）と、Ｒｕ層９１１とＴａ層９１２とが積層されてなるキャップ層と、上部電極９１３とを順に備える。ＭＴＪ素子９００としてはここに示した構成に限られず、垂直磁化型素子の機能を損なわない範囲で層の増減、各層の構成材料の変更、上下の積層順の逆転等の任意の変更を行った構成を用いることができる。
　本実施形態に係る基板冷却装置１００を用いる冷却処理は、フリー層（ＣｏＦｅＢ層）９０４上にトンネルバリア層（ＭｇＯ層）９０５が成膜された後であって、トンネルバリア層（ＭｇＯ層）９０５の上にリファレンス層のＣｏＦｅＢ層９０６が成膜される前に行われることが好ましい。このタイミングで基板冷却装置１００を用いて冷却処理を行うと、冷却によりトンネルバリア層９０５の特性を向上させることができ、かつ冷却中にトンネルバリア層９０５の表面（すなわち、トンネルバリア層９０５とＣｏＦｅＢ層９０６との間の界面）が汚染されることを抑えることができる。基板冷却装置１００を用いる冷却処理は、その他の任意のタイミングで行われてよく、複数のタイミングで行われてよい。
　本実施形態に係る基板冷却装置１００の適用対象は図４のＭＴＪ素子９００に限られるものではなく、真空中で冷却処理が行われる任意の基板または素子に対して好適に適用される。
　本実施形態に係る基板冷却装置１００によれば、冷却されているシールド１１１の側壁部１１１ａが基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの側方を取り囲んでいるため、基板ホルダ１０３に基板Ｓが近付く際に放出される気体分子をトラップし、気体分子による基板Ｓの表面の汚染を低減することができる。また、冷却されているシールド１１１の上壁部１１１ｂが基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの上方を覆っているため、側壁部１１１ａによりトラップされず脱離した気体分子を高確率でトラップし、気体分子による基板Ｓの表面の汚染をさらに低減することができる。また、冷却されているシールド１１１の裾壁部１１１ｃが基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの側方よりも下であって基板ホルダ１０３の側方を取り囲んでいるため、チャンバ１０１の内壁と基板ホルダ１０３との間の輻射による熱移動を低減し、基板ホルダ１０３の熱分布を安定化および均一化することができる。
　さらに、シールド１１１の内側の面の近傍にはシールドヒータ１１６が設けられており、またチャンバ１０１の壁面の内側近傍にはチャンバ内ヒータ１１７が設けられているため、シールドヒータ１１６およびチャンバ内ヒータ１１７によりシールド１１１およびチャンバ１０１に吸着された気体分子に熱エネルギーを与えて除去することが可能である。
　図５は、本実施形態に係る基板冷却装置１００を用いる基板冷却方法のフローチャートを示す図である。以下の基板冷却方法は、基板冷却装置１００が備える不図示の制御装置により制御される。まず、基板Ｓをチャンバ１０１内に配置していない状態で、基板冷却装置１００は、冷却前準備を行う（ステップＳ１）。冷却前準備の完了後に、基板冷却装置１００は基板Ｓをチャンバ１０１内に搬送して冷却処理を行う（ステップＳ２）。冷却処理の完了後に、所定の終了条件が達成された場合には（ステップＳ３のＹＥＳ）、基板冷却装置１００は基板冷却方法を終了する。所定の終了条件とは、ユーザにより終了指示が入力された、所定の枚数の処理が完了した、または次に処理されるべき基板Ｓが無くなった等、任意に定めることができる。
　さらに、所定の終了条件が達成されていない場合であって（ステップＳ３のＮＯ）、前回のリフレッシュ処理の実行後（まだリフレッシュ処理が行われていない場合は基板冷却方法の開始後）から数えて所定枚数（例えば、１０～２０枚）の基板が冷却処理された場合には（ステップＳ４のＹＥＳ）、基板冷却装置１００はリフレッシュ処理を行う（ステップＳ５）。リフレッシュ処理はユーザによる実行指示が入力された場合、または前回のリフレッシュ処理の実行後（まだリフレッシュ処理が行われていない場合は基板冷却方法の開始後）から所定時間経過後に行われてもよい。なお、リフレッシュ処理については図８を用いて詳細に説明する。
　所定枚数の基板が冷却処理されていない場合（ステップＳ４のＮＯ）、またはリフレッシュ処理（ステップＳ５）の完了後に、基板冷却装置１００は次の基板Ｓをチャンバ１０１内に搬送して冷却処理を繰り返す（ステップＳ２）。
　図６は、本実施形態に係る冷却前準備（ステップＳ１）の詳細なフローチャートを示す図である。まず、基板冷却装置１００は、基板Ｓがチャンバ１０１内に配置されていない状態で、排気ポンプ１２０の作動を開始する（ステップＳ１１）。基板冷却装置１００は、全ての冷却処理が完了するまで排気ポンプ１２０を作動させたままにし、チャンバ１０１内の真空状態を維持する。チャンバ１０１内が所定の真空度、すなわち所定の圧力になった後に、基板冷却装置１００は、シールドヒータ１１６、チャンバ内ヒータ１１７およびチャンバ外ヒータ１１８を作動させ、所定の時間経過後に停止させる（ステップＳ１２）。これにより、チャンバ１０１の内壁およびシールド１１１に付着していた気体分子等を気化させて排気ポンプ１２０から排出し、冷却処理時に発生し得る基板Ｓの汚染を低減することができる。その後、基板冷却装置１００は、基板ホルダ冷却部１０９およびシールド冷却部１１２の作動を開始する（ステップＳ１３）。基板ホルダ１０３およびシールド１１１が所定の温度まで冷却された後、基板冷却装置１００は冷却前準備を終了する。
　図７は、本実施形態に係る冷却処理（ステップＳ２）の詳細なフローチャートを示す図である。まず、基板冷却装置１００は、ゲートバルブ１０２を開き、基板冷却装置１００内に外部から基板Ｓを搬送させる（ステップＳ２１）。本実施形態における基板Ｓの搬送は基板冷却装置１００に接続されている搬送チャンバ３の搬送ロボット７によって行われるが、基板冷却装置１００内に搬送ロボット７を設けて基板Ｓを搬送させてもよい。このとき、基板ホルダ１０３のリフトピン１０４はリフトピン駆動機構１０５により上昇された状態であり、搬送ロボット７は基板Ｓを上昇されたリフトピン１０４上に配置する。その後、基板冷却装置１００は、ゲートバルブ１０２を閉じる。
　その後、基板冷却装置１００は、リフトピン駆動機構１０５によりリフトピン１０４を下降させて、冷却された状態にある基板ホルダ１０３の基板載置面上に基板Ｓを載置するとともに、メカニカルチャック駆動機構１０７によりメカニカルチャック１０６を下降させて基板Ｓを固定する（ステップＳ２２）。このとき、リフトピン１０４の下降中であって、基板Ｓが基板載置面１０３ａに近付いたとき（例えば、基板Ｓと基板載置面１０３ａとの間が１０ｍｍ～２０ｍｍ程度の距離になったとき）にリフトピン１０４を一旦停止させ、所定時間経過後にリフトピン１０４の下降を再開させることが望ましい。これにより、基板Ｓを基板ホルダ１０３に急に接触させて変形や割れが生じることを防ぐことができる。なお、基板ホルダ１０３の基板載置面１０３ａ上に基板Ｓが載置される際には、シールド１１１は少なくとも冷却された状態となっている必要がある。もちろん、基板冷却装置１００内に基板Ｓが搬送されるときに、シールド１１１が冷却されていることが望ましい。
　基板Ｓが基板載置面１０３ａに固定された後、基板冷却装置１００は、冷却ガス導入部１２３から基板Ｓと基板載置面１０３ａとの間の空間に冷却ガスを導入し、基板Ｓの冷却が完了するまで待機する（ステップＳ２３）。基板Ｓの冷却の完了は、所定時間経過により判定されてもよく、または基板冷却装置１００に任意の温度測定部を設けて基板Ｓの温度を測定することにより判定されてもよい。その後、冷却ガスの導入を停止させて、排気ポンプ１２０により基板Ｓと基板載置面１０３ａとの間の空間から冷却ガスを排気する。
　基板Ｓの冷却完了後に、メカニカルチャック駆動機構１０７によりメカニカルチャック１０６を上昇させるとともに、リフトピン駆動機構１０５によりリフトピン１０４を上昇させて基板ホルダ１０３上から基板Ｓを取り外す（ステップＳ２４）。基板冷却装置１００は、ゲートバルブ１０２を開き、基板冷却装置１００の外部へ基板Ｓを搬送させる（ステップＳ２５）。ステップＳ２１と同様に、基板Ｓの搬送は基板冷却装置１００に接続されている搬送チャンバ３の搬送ロボット７によって行われる。その後、基板冷却装置１００は、ゲートバルブ１０２を閉じ、冷却処理を終了する。続いて次の基板Ｓの冷却処理を行う場合には、ゲートバルブ１０２を閉じる前に次の基板Ｓを基板冷却装置１００内に搬送してもよい。
　図８は、本実施形態に係るリフレッシュ処理（ステップＳ５）の詳細なフローチャートを示す図である。基板Ｓの冷却処理を複数回行うにつれて、基板冷却装置１００の外部から徐々に気体分子が持ち込まれ、基板ホルダ１０３およびシールド１１１に吸着されている気体分子が増加していく。その結果、吸着されている気体分子が脱離して基板Ｓを汚染するおそれが高まっていく。そこで、基板冷却装置１００は所定の数の基板Ｓの冷却処理を行うごとに、シールド１１１の内部空間に設けられたシールドヒータ１１６を作動させて気体分子を気化および除去するリフレッシュ処理を行う。まず、基板冷却装置１００は、基板Ｓがチャンバ１０１に配置されていない状態で、シールドヒータ１１６の作動を行う（ステップＳ１１）。本実施形態ではシールドヒータ１１６は数秒程度作動させた後に停止させる。これにより、シールドヒータ１１６が基板ホルダ１０３およびシールド１１１の内壁に吸着された気体分子に熱エネルギーを与えて気化させ、ルーバー１１５を介してシールド１１１の外に排出することができる。気体分子はさらに排気ポンプ１２０から基板冷却装置１００の外に排出される。シールドヒータ１１６の作動および停止後に、基板ホルダ１０３およびシールド１１１の温度、ならびにチャンバ１０１内の真空度を確認し、それぞれ所定の値になったらリフレッシュ処理を終了する（ステップＳ５２）。
　本実施形態では、基板冷却装置１００が備える制御装置により図５～８のフローチャートに示す各ステップの開始および終了の制御が行われるが、基板冷却装置１００とは別に設けられた制御装置により基板冷却装置１００の制御が行われてもよい。また、ユーザが一部または全部のステップについて基板冷却装置１００に対して明示的に開始および終了の指示を行ってもよく、またはユーザ自身が一部または全部のステップを実行してもよい。
（第２の実施形態）
　図９は、本実施形態に係る基板の冷却を行う基板処理装置としての基板冷却装置２００を示す概略構成図である。基板冷却装置２００は、第１の実施形態に係る基板冷却装置１００とはシールド２１１に関する構成のみが異なり、その他の構成は同様である。
　図１０は、本実施形態に係る基板冷却装置２００に含まれるシールド２１１の断面図である。シールド２１１は、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの側方を取り囲む側壁部２１１ａと、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの上方を覆う上壁部２１１ｂと、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの側方よりも下であって基板ホルダ１０３の側方を取り囲む裾壁部２１１ｃとを含む。第１の実施形態に係るシールド１１１と異なる点としては、側壁部２１１ａが傾斜して設けられていることである。具体的には、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの法線方向Ｃに対して側壁部２１１ａのなす角度をＤ（基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの法線についてＤ＝０度とし、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａから離れる方向を正方向とする）と定義するとき、０度＜Ｄ＜９０度となるように側壁部２１１ａが傾斜している。換言すると、シールド２１１において、上壁部２１１ｂの外周部から側壁部２１１ａが連続的に（すなわち、滑らかに）傾斜して設けられており、上壁部２１１ｂの外周部の径よりも側壁部２１１ａの径が小さくなっている。そのため、上壁部２１１ｂを含む面と側壁部２１１ａを含む面とは、基板ホルダ側において鋭角をなしている。本実施形態では裾壁部２１１ｃは側壁部２１１ａと面一になるよう設けられているため、裾壁部２１１ｃも側壁部２１１ａと同様に傾斜している。
　ｃｏｓｉｎ則によれば、シールド２１１の側壁部２１１ａを傾斜させることによって、側壁部２１１ａから脱離する気体分子は、側壁部２１１ａの法線方向に飛行する確率が最も高くなる。すなわち、側壁部２１１ａは、側壁部２１１ａにトラップされていた気体分子が放出される際に、該気体分子が、上壁部２１１ｂに近付く方向、すなわち基板載置面１０３ａから遠ざかる方向に向かう確率が最も高くなるように設けられている。そのため、気体分子が側壁部２１１ａから脱離する場合に、基板Ｓの表面の方向に向かう確率が一層低くなり、上壁部２１１ｂの方向に向かう確率が上昇する。その結果、気体分子が上壁部２１１ｂにトラップされる確率が上昇するため、気体分子による基板Ｓの表面の汚染をより低減することができる。
　ルーバー２１５は、傾斜した側壁部２１１ａおよび裾壁部２１１ｃの一部が、側壁部２１１ａおよび裾壁部２１１ｃの面に対して傾斜して板状に突出して設けられており、ルーバー２１５の根元は開口している。ルーバー２１５は、側壁部２１１ａおよび裾壁部２１１ｃから上壁部２１１ｂに向かう方向に対して鋭角になるように傾斜して設けられている。このような構成により、気体分子がルーバー２１５により脱離される場合であっても、気体分子は基板Ｓの表面方向に向かう確率は低く、上壁部２１１ｂ方向に向かう確率は高くなる。
（第３の実施形態）
　図１１は、本実施形態に係る基板の冷却を行う基板処理装置としての基板冷却装置３００を示す概略構成図である。基板冷却装置３００は、第１の実施形態に係る基板冷却装置１００とはシールド３１１に関する構成のみが異なり、その他の構成は同様である。
　基板冷却装置３００においては、シールド３１１はシールド駆動機構３２６によって基板Ｓまたは基板載置面１０３ａの法線方向に沿って上昇および下降可能である。シールド駆動機構３２６は、モータ、アクチュエータ等の任意の駆動手段である。シールド３１１とシールド駆動機構３２６との間には、チャンバ１０１の密閉状態を保ったままシールド３１１を移動できるように、伸縮可能なベローズ３２７が設けられている。
　シールド３１１には、第１の実施形態とは異なり、開口部１１４およびルーバー１１５が設けられていない。基板Ｓの搬送時には、シールド３１１を上方向（すなわち、基板Ｓまたは基板載置面１０３ａから離れる方向）に移動させることによって、開口部１１４がなくとも基板Ｓの搬送を行うことができる。また、リフレッシュ処理時には、シールド３１１を上方向に移動させることによって、ルーバー１１５がなくとも基板ホルダ１０３の表面から放出された気体分子を排出することができる。このように、本実施形態ではシールド３１１を上昇および下降可能なシールド駆動機構３２６が設けられているため、シールド３１１の構成を簡略化することができる。また、開口部１１４およびルーバー１１５がないため、冷却中にシールド３１１の外側から内側に気体分子が侵入して基板Ｓの表面を汚染する確率をより低減することができる。
　基板冷却装置３００を用いて基板Ｓの冷却を行う際には、まず基板冷却装置３００はシールド駆動機構３２６によってシールド３１１を上昇させた後、基板載置面１０３ａの上方であって、基板載置面１０３ａに接触しない位置に基板Ｓを移動させる。その後、シールド駆動機構３２６によってシールド３１１を下降させた後、基板載置面１０３ａ上に基板Ｓを載置する。この状態で所定時間待機し、基板を冷却する。このように基板載置面１０３ａ上に基板Ｓが接触する前にシールド３１１を下降させることによって、基板Ｓを下降させる際に基板ホルダ１０３から放出される気体分子をシールド３１１にトラップすることが可能になる。
（第４の実施形態）
　第１～第３の実施形態は基板冷却装置の構成を工夫することによってＭＴＪ素子の素子特性を向上させるものであるのに対して、本実施形態は冷却処理のタイミングを工夫することによってＭＴＪ素子の素子特性を向上させるものである。
　図１２は、本実施形態に係る成膜方法を用いて製造される例示的なＭＴＪ素子１０００（磁気抵抗効果素子）の構成を示す模式図である。ＭＴＪ素子１０００は、垂直磁化型ＭＴＪ素子(ｐ－ＭＴＪ素子)である。ＭＴＪ素子１０００は、基板１００１上に下部電極１００２と、Ｔａ層（シード層）１００３と、ＣｏＦｅ層１００４と、Ｔａ層１００５と、フリー層（磁化自由層）としてのＣｏＦｅＢ層１００６と、ＭｇＯ層（トンネルバリア層）１００７とを順に備える。ＭＴＪ素子１０００は、さらにその上に、リファレンス層（磁化固定層）としてのＣｏＦｅＢ層１００８と、Ｔａ層１００９と、積層体１０１０と、Ｔａ層（キャップ層）１０１１と、上部電極１０１２とを順に備える。積層体１０１０は、Ｃｏ層とＰｔ層とを交互に所定の数Ｎだけ積層したものである。ＭＴＪ素子１０００としてはここに示した構成に限られず、垂直磁化型素子の機能を損なわない範囲で層の増減、各層の構成材料の変更、上下の積層順の逆転等の任意の変更を行った構成を用いることができる。
　図１３は、本実施形態に係る成膜方法のフローチャートを示す図である。ここでは図３に示すクラスタ型の基板処理システム１を用いて本実施形態に係る成膜方法の説明を行うが、これに限られるものではない。例えば、インライン型の基板処理システムを用いてもよい。また、本実施形態では基板処理システム１に含まれる基板冷却装置として図１１に示す基板冷却装置３００を用いるが、その他任意の基板冷却装置を用いてもよい。
　まず、基板処理システム１のロードロックチャンバ４に基板Ｓを搬入する（ステップＳ９１）。
　次に、搬送チャンバ３の搬送ロボット７を駆動させることによって、所定の基板処理チャンバ２に基板Ｓを移動し、第１成膜工程を行う（ステップＳ９２）。第１成膜工程では、エッチング法によって基板上に付着した不純物等を除去し、その後にＭＴＪ素子１０００のうちＭｇＯ層１００７より下の膜、すなわち基板１００１上に下部電極１００２、Ｔａ層１００３、ＣｏＦｅ層１００４、Ｔａ層１００５、およびフリー層としてのＣｏＦｅＢ層１００６を順にスパッタリング法によって成膜する。
　次に、搬送チャンバ３の搬送ロボット７を駆動させることによって、所定の基板処理チャンバ２に基板Ｓを移動し、第２成膜工程を行う（ステップＳ９３）。第２成膜工程では、ＭＴＪ素子１０００のうちＭｇＯ層１００７を成膜する。ＭｇＯ層１００７は、ＭｇＯターゲットを用いた高周波（ＲＦ）スパッタリング法によって成膜されている。別の方法として、Ｍｇターゲットを用いたスパッタリング法によってフリー層としてのＣｏＦｅＢ層１００６の上にＭｇ層を成膜し、その後に該Ｍｇ層に対して酸化処理を行うことによって形成してもよい。成膜処理と酸化処理とは同じ基板処理チャンバ２内で行われてもよく、異なる基板処理チャンバ２内で行われてもよい。
　次に、搬送チャンバ３の搬送ロボット７を駆動させることによって、基板冷却装置３００に基板Ｓを移動し、冷却工程を行う（ステップＳ９４）。冷却工程では、ＭｇＯ層１００７が成膜された基板Ｓを２００Ｋ以下の温度（本実施形態では１００Ｋ）まで冷却する。２００Ｋ以下の温度まで基板Ｓを冷却することによって、この後に成膜されるリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８中にアモルファス相を形成することができる。冷却工程においては、基板冷却装置３００を用いて図７のフローチャートに示す冷却処理を行う。これにより、第１～第３の実施形態について説明したように、基板Ｓの冷却を素早く行いかつ膜中の不純物を低減するという追加の効果を得ることができる。本実施形態に係る冷却工程はこれに限られるものではなく、ＭｇＯ層１００７が成膜された基板Ｓを所定の温度まで冷却することが可能であれば、任意の冷却装置の構成および冷却処理の方法を用いてよい。なお、成膜したＣｏＦｅＢ層１００８などの構成成分の分析は、例えばＸ線回折法によって行うことができる。
　次に、搬送チャンバ３の搬送ロボット７を駆動させることによって、所定の基板処理チャンバ２に基板Ｓを移動し、第３成膜工程を行う（ステップＳ９５）。第３成膜工程では、ＭＴＪ素子１０００のうちリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８から上の膜、すなわちＭｇＯ層１００７上にＣｏＦｅＢ層１００８、Ｔａ層１００９、積層体１０１０、Ｔａ層１０１１、上部電極１０１２を順にスパッタリング法によって成膜する。
　その後、所定の温度（例えば１５０～４００度）でのアニーリング処理を行い、成膜を終了する（ステップＳ９６）。成膜処理とアニーリング処理とは同じ基板処理チャンバ２内で行われてもよく、異なる基板処理チャンバ２内で行われてもよい。最後に、搬送チャンバ３の搬送ロボット７を駆動させることによって、ロードロックチャンバ４内の搬送位置（基板搬出位置）に基板Ｓを移動する（ステップＳ９７）。その後、基板Ｓは、基板処理システム１の下流の工程に送られる。なお、基板処理システム１とは別の装置でアニーリング処理を行ってもよい。この場合、基板処理システム１の下流の工程としてアニーリング工程が行われる。
　本実施形態では、第１～第３成膜工程（ステップＳ９２、Ｓ９３、Ｓ９５）で成膜される各層はスパッタリング法によって成膜されるが、その他任意の成膜方法によって成膜されてもよい。
　第１～第３成膜工程（ステップＳ９２、Ｓ９３、Ｓ９５）で成膜される複数の膜のうち、２以上の膜が同じ基板処理チャンバ２内で成膜されてもよく、全ての膜が異なる基板処理チャンバ２内で成膜されてもよい。第１～第３成膜工程（ステップＳ９２、Ｓ９３、Ｓ９５）のうち少なくとも１つと、冷却工程（ステップＳ９４）とが同一のチャンバ中で行われてもよい。
　本実施形態に係るＭＴＪ素子１０００は、トンネルバリア層１００７の上にリファレンス層１００８を有するトップピン構造であるが、トンネルバリア層１００７の上にフリー層１００６を有するボトムピン構造でもよい。この場合には、図１３のフローチャートにおいて、第１成膜工程（ステップＳ９２）でリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８を成膜し、その後に第２成膜工程（ステップＳ９３）でリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８上にＭｇＯ層１００７を成膜する。そして冷却工程（ステップＳ９４）を行い、第３成膜工程（ステップＳ９５）でＭｇＯ層１００７上にフリー層としてのＣｏＦｅＢ層１００６を成膜する。
　本実施形態に係る成膜方法は、トップピン構造とボトムピン構造のいずれにも適用可能であり、フリー層およびリファレンス層の一方を形成し、該フリー層およびリファレンス層の一方上にトンネルバリア層を形成し、冷却を行い、該トンネルバリア層上にフリー層およびリファレンス層の他方を形成するものである。
　図１４は、本実施形態に係る成膜方法を用いて製造されたＭＴＪ素子のＲＡ（面積抵抗）に対するＭＲ比のグラフを示す図である。ここでは図１３のフローチャートの冷却工程（ステップＳ９４）の有無およびタイミングを様々に変更してＭＴＪ素子を製造し、ＲＡおよびＭＲ比の測定を行った。図１４の横軸はＲＡ（Ω・μｍ２）であり、縦軸はＭＲ比（％）である。ＲＡが低いほど、またＭＲ比が高いほど、ＭＴＪ素子の素子特性が良好であるといえる。図１４のグラフにおいて、四角形の点は冷却を行わないで成膜が行われたＭＴＪ素子の測定結果であり、円形の点は冷却を行って成膜が行われたＭＴＪ素子の測定結果である。いずれの測定結果に係るＭＴＪ素子も図１３のフローチャートにしたがって製造されたものであるが、冷却工程（ステップＳ９４）の有無およびタイミングのみが異なる。
　図１４のグラフの円形の点に付されたＩ～ＶＩＩの記号は、それぞれ図１２のＭＴＪ素子１０００のＩ～ＶＩＩのいずれかのタイミングで冷却を行った場合を意味する。例えば、図１４のグラフにおけるＩの記号が付された円形の点は、図１２の下部電極１００２の形成後であってＴａ層１００３の形成前に冷却が行われたことを意味する。本実施形態に係る成膜方法は、ＭｇＯ層１００７の成膜後であってリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８の成膜前に冷却が行われるものであるため、図１４のグラフにおけるＶＩの点が付された円形の点に対応する。
　図１４によれば、Ｉ～ＶＩＩのいずれかのタイミングで冷却を行って成膜を行うと、従来のように冷却を行わない場合に比べてＭＲ比が向上することがわかる。さらに、Ｉ～ＶＩＩのタイミングのうち、本実施形態に係るＶＩのタイミングで、すなわちＭｇＯ層１００７の成膜後であってリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８の成膜前に冷却を行うと、特に高いＭＲ比かつ低いＲＡを実現することができることがわかる。以上により、素子特性の良好なＭＴＪ素子１０００を製造するためには、ＭｇＯ層１００７の成膜後であってリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８の成膜前に冷却を行うことが有効であることが確認された。
　図１５は本実施形態に係る成膜方法を用いて製造されたＭＴＪ素子におけるリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層中のＢ含有率（ホウ素含有率）に対するＭＲ比のグラフを示す図である。ここではリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８中のＢ含有率を様々に変更し、ＭＲ比の測定を行った。図１５の横軸はリファレンス層１００８としてのＣｏＦｅＢ層中のＢ含有率（ａｔ％）であり、縦軸はＭＲ比（％）である。図１５のグラフにおいて、四角形の点は冷却を行わないで成膜が行われたＭＴＪ素子の測定結果であり、円形の点はＭｇＯ層１００７の成膜後であってリファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８の成膜前に冷却を行って成膜が行われたＭＴＪ素子の測定結果である。いずれの測定結果に係るＭＴＪ素子も図１３のフローチャートにしたがって製造されたものであるが、冷却工程（ステップＳ９４）の有無のみが異なる。
　図１５のグラフによれば、本実施形態に係る成膜方法の測定結果（円形の点）は、いずれのＢ含有率においても従来のように冷却を行わない場合の測定結果（四角形の点）よりも高いＭＲ比を実現していることがわかる。特に、リファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８中のＢ含有率を１５ａｔ％以下にすると、冷却を行わない場合に比べて顕著にＭＲ比が高くなるため、望ましい。
　また、図１５のグラフから明らかなように、従来のように冷却を行わない場合の測定結果（四角形の点）においては、Ｂ含有率が約２０％のときに最大のＭＲ比が得られる。そのため、従来ではＣｏＦｅＢ層のＢ含有率を約２０％にすることが一般的である（例えば、Ｃｏ：Ｆｅ：Ｂ＝２０：６０：２０）。それに対して、本実施形態に係る成膜方法の測定結果（円形の点）においては、Ｂ含有率が低いほどＭＲ比が大きくなっていることがわかる。そのため、本実施形態に係る成膜方法によれば、高いＭＲ比を維持しつつも従来よりもＢ含有率を低く設定することが可能であり、リファレンス層としてのＣｏＦｅＢ層１００８の組成の自由度が高い。
　リファレンス層がアモルファス相を有することによって、ＭＲ比を向上できることが知られている。しかしながら、従来ＣｏＦｅＢ層をアモルファス相にするためには、Ｂを所定の割合（上述のように約２０％）添加する必要があった。それに対して、本実施形態に係る成膜方法において従来よりも低いＢ含有率で高いＭＲ比が実現されているのは、トンネルバリア層成膜後であってリファレンス層成膜前に冷却を行うことによって、リファレンス層中にアモルファス相が形成されやすくなるためだと考えられる。すなわち、本実施形態に係る成膜方法の冷却工程によって、低いＢ含有率においてもリファレンス層がアモルファス相を有するようになり、高いＭＲ比を実現されている。
　本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。上述の各実施形態はＭＲＡＭに利用されるＭＴＪ素子（ＴＭＲ素子）の製造に適用されるものとして説明が行われたが、同様の冷却方法および成膜方法がその他のＭＴＪ素子の製造に適用可能である。
　上述の各実施形態では重力方向を上下方向として説明を行ったが、装置を構成する方向は任意である。例えば、上述の各実施形態に係る基板冷却装置を９０度倒して設ける（すなわち、基板Ｓの表面が重力方向に沿って固定される）場合には、上述の各実施形態における上下方向は、重力方向に対して垂直な方向として読み替えればよい。

 

Claims (5)

  1. 　磁化自由層および磁化固定層の一方が表面に形成された基板上にトンネルバリア層を形成する工程と、
    　前記トンネルバリア層を形成する工程の後に、前記基板を冷却する工程と、
    　前記冷却する工程の後に、前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層および前記磁化固定層の他方を形成する工程と、
    　を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
  2. 　前記磁化自由層および前記磁化固定層はいずれもＣｏＦｅＢ層であり、
    　前記磁化自由層および前記磁化固定層の前記他方はアモルファス相を有し、
    　前記磁化自由層および前記磁化固定層の前記他方の中のホウ素含有率は１５ａｔ％以下である
    　ことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
  3. 　前記トンネルバリア層はＭｇＯ層であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の製造方法。
  4. 　前記ＭｇＯ層は、ＭｇＯターゲットを用いたスパッタリング法で形成されることを特徴とする、請求項３に記載の製造方法。
  5. 　前記磁気抵抗効果素子は、垂直磁化型ＭＴＪ素子であることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
     

     
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016134510A (ja) * 2015-01-20 2016-07-25 東京エレクトロン株式会社 垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法、及び垂直磁化型磁気トンネル接合素子の製造装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005203702A (ja) * 2004-01-19 2005-07-28 Sony Corp 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置
JP2006286669A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Tdk Corp 磁気抵抗効果素子の製造方法
JP2009081315A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Toshiba Corp 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP2011054238A (ja) * 2009-09-02 2011-03-17 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv トンネル接合型磁気抵抗効果ヘッド及びその製造方法
WO2011081203A1 (ja) * 2009-12-28 2011-07-07 キヤノンアネルバ株式会社 磁気抵抗素子の製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005203702A (ja) * 2004-01-19 2005-07-28 Sony Corp 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置
JP2006286669A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Tdk Corp 磁気抵抗効果素子の製造方法
JP2009081315A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Toshiba Corp 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP2011054238A (ja) * 2009-09-02 2011-03-17 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv トンネル接合型磁気抵抗効果ヘッド及びその製造方法
WO2011081203A1 (ja) * 2009-12-28 2011-07-07 キヤノンアネルバ株式会社 磁気抵抗素子の製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016134510A (ja) * 2015-01-20 2016-07-25 東京エレクトロン株式会社 垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法、及び垂直磁化型磁気トンネル接合素子の製造装置
WO2016117359A1 (ja) * 2015-01-20 2016-07-28 東京エレクトロン株式会社 垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法、及び垂直磁化型磁気トンネル接合素子の製造装置

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