WO2017098537A1 - 磁気抵抗効果素子の製造方法および装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子の製造方法および装置 Download PDF

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拓哉 清野
和正 西村
大谷　裕一
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Canon Anelva Corp
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a magnetoresistive effect element, and more particularly to a manufacturing method and apparatus suitable for a TMR element used in an MRAM.
  • the tunnel magnetoresistive effect (TMR: Tunnel Magneto Resistance effect) is a phenomenon in which the electric resistance is changed by a magnetic field
  • TMR tunnel magnetoresistive effect
  • In-plane magnetization type TMR elements have been mainly used in hard disk drives.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • the perpendicular magnetization type MTJ element has a structure in which a free layer (magnetization free layer), a tunnel barrier layer, and a reference layer (magnetization fixed layer) are laminated, that is, a tunnel barrier layer is arranged between two ferromagnetic layers. Including the structure, the magnetization directions of the free layer and the reference layer are each parallel to the stacking direction.
  • Patent Document 1 discloses a method of forming an oxide film by performing RF sputtering on an oxide target
  • Patent Document 2 discloses a metal film. A method of forming an oxide film by performing an oxidation treatment after forming a film is disclosed.
  • Non-Patent Document 1 In order to improve the characteristics of the MRAM device using the magnetoresistive effect element, it is important to increase the MR ratio (magnetoresistance ratio). In order to reduce the production cost, it is important to improve the uniformity within the substrate surface and to increase the throughput. 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%. A method for uniformly forming the laminated structure in a short time and on the substrate surface is expected.
  • the electric resistance value tends to vary greatly from the center to the outer periphery of the substrate.
  • Such a variation in electric resistance value causes variation in characteristics between magnetoresistive elements obtained from a single substrate and deteriorates the yield. Therefore, it is desirable to reduce it as much as possible. Further, in order to reduce the production cost, it is required to increase the throughput (the number of substrates processed per hour).
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and has a high MR ratio and an electric resistance in the substrate plane when a film is formed on a substrate by sputtering using an oxide target.
  • the purpose is to reduce the variation of values and further increase the throughput.
  • a method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element comprising a step of preparing a substrate on which a ferromagnetic layer is formed, and a first insulator target disposed in parallel to the film formation surface of the substrate.
  • a sputtering film formation apparatus is disposed in parallel to a substrate, and is disposed obliquely with respect to the substrate, a first cathode provided with a first insulator target, and a second cathode
  • the first cathode has a normal passing through the center of the first cathode parallel to a normal passing through the center of the substrate, and a normal passing through the center of the first cathode is the center of the substrate.
  • the second cathode is arranged so that the normal passing through the center of the second cathode does not coincide with the normal passing through the center of the substrate and intersects at a predetermined angle ⁇ . It is characterized by being.
  • a film when a film is formed on a substrate by sputtering using an oxide target, it has a high MR ratio, reduces variations in electrical resistance values in the substrate surface, and increases throughput. Is possible.
  • an oxide film is formed using an oxide target, it is possible to obtain a higher MR ratio than when an oxide film is formed by oxidation of a metal film.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a substrate subjected to film formation by a sputtering film formation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an exemplary MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element 100 that performs the film forming method according to the present embodiment.
  • the MTJ element is used in, for example, an MRAM (Magnetic Random Access Memory), a magnetic sensor, or the like.
  • the MTJ element 100 is a perpendicular magnetization type MTJ element (p-MTJ element).
  • the MTJ element 100 is a laminate in which a predetermined number N of lower electrodes 102, Ta layers (seed layers) 103, Ru layers (seed layers) 104, Co layers and Pt layers are alternately laminated on a substrate 101.
  • Body 105 pinned layer
  • Ta layer (spacer layer) 106 CoFeB layer 107 as reference layer (magnetization fixed layer), MgO layer (tunnel barrier layer) 108, and free layer (magnetization free layer)
  • a CoFeB layer 109, a Ta layer (cap layer) 110, and an upper electrode 111 are sequentially provided.
  • the MTJ element 100 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 inversion of upper and lower stacking order are performed within the range not impairing the function of the perpendicular magnetization type MTJ element. Other configurations can be used.
  • FIG. 2A is a schematic configuration diagram of a substrate processing system 200 including an RF (Radio Frequency) sputtering film forming apparatus 300 according to the present embodiment.
  • the substrate processing system 200 is a cluster-type apparatus, and includes an RF sputtering film forming apparatus 300, a plurality of substrate processing chambers 201, an oxidation processing chamber 208, a load lock chamber 204, and a transfer chamber 203.
  • the plurality of substrate processing chambers 201 may perform the same processing on the substrate 10 or may perform different processing.
  • the substrate 10 refers to a substrate in the manufacturing process, and includes the substrate 101 and a layer already formed thereon.
  • the plurality of substrate processing chambers 201, the oxidation processing chamber 208, the load lock chamber 204, and the RF sputtering film forming apparatus 300 are connected to each other via the transfer chamber 203, and each connection portion can be opened and closed.
  • a gate valve is provided.
  • the transfer chamber 203 is provided with a transfer robot 207, and the transfer robot 207 moves the substrate between the substrate processing chamber 201, the load lock chamber 204, the RF sputtering film forming apparatus 300, and the oxidation processing chamber 208 according to a predetermined processing order. 10 is conveyed and a film forming process is performed.
  • Each substrate processing chamber 201 and transfer chamber 203 are each provided with an exhaust pump, and the transfer robot 207 can transfer the substrate 10 between the chambers while maintaining a vacuum.
  • An autoloader 205 for supplying the substrate 10 to the load lock chamber 204 is provided outside the load lock chamber 204 (side not connected to the transfer chamber 203). The autoloader 205 is configured to take out the substrates one by one from the external cassette 206 in which a plurality of substrates are stored on the atmosphere side and store them in the load lock chamber 204.
  • the substrate processing system 200 may be a double-core substrate processing system including two transfer chambers 203A and 203B, as shown in FIG. 2B.
  • An RF sputtering film forming apparatus 300, a plurality of substrate processing chambers 201 and an oxidation processing chamber 208 are connected to the transfer chamber 203A, and a load lock chamber 204 is connected to the transfer chamber 203B.
  • the transfer robots 207A and 207B provided in the transfer chambers 203A and 203B, the substrate 10 is transferred between the substrate processing chamber 201, the load lock chamber 204, the RF sputtering film forming apparatus 300, and the oxidation processing chamber 208 according to a predetermined processing order. Is transported and a film forming process is performed.
  • the RF sputtering film forming apparatus 300 includes two flat cathodes, and simultaneously sputtering two targets.
  • FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the RF sputtering film forming apparatus 300 according to this embodiment.
  • one cathode hereinafter referred to as the first cathode 311
  • the other cathode hereinafter referred to as the second cathode 312
  • the substrate 10 is disposed obliquely with respect to the film formation surface 10a.
  • a first insulator target 11 and a second insulator target 12 are disposed on the first cathode 311 and the second cathode 312, respectively.
  • a high-frequency power source 305 is electrically connected to the first cathode 311 and the second cathode 312, and the high-frequency power source 305 individually applies sputtering discharge power to the first cathode 311 and the second cathode 312.
  • two insulator targets are simultaneously discharged at different cathode angles with respect to the film formation surface 10a of the substrate 10.
  • an MgO target is used as the insulator target, but other oxides such as Al 2 O 3 may be used.
  • the substrate 10 has a disk shape, is placed on the substrate holder 310, and is formed while rotating about the center of the substrate 10.
  • the insulator targets 11 and 12 disposed on the first cathode 311 and the second cathode 312 are the same target.
  • the first cathode 311 (first insulator target 11) arranged in parallel to the film formation surface 10 a of the substrate 10 has a normal line 321 passing through the center of the first cathode 311 passing through the center of the substrate 10.
  • 320 central normal
  • the normal line 321 passing through the center of the first cathode 311 (first insulator target 11) is disposed so as to pass through the film formation surface 10a of the substrate 10, but the outside of the substrate 10 is not affected. You may arrange
  • 3B is a schematic plan view of the substrate 10 illustrated so as to correspond to the schematic plan view of FIG. 3A.
  • the second cathode 312 (second insulator target 12) disposed obliquely with respect to the film formation surface 10 a of the substrate 10 has a normal line 322 passing through the center of the second cathode 312 passing through the center of the substrate 10. 321 and intersect at a predetermined angle ⁇ (predetermined cathode angle angle).
  • the normal line 322 passing through the center of the second cathode 312 is arranged so as not to pass through the film formation surface 10 a of the substrate 10, but may be arranged so as to pass through the film formation surface 10 a of the substrate 10.
  • the predetermined cathode angle angle ⁇ is set in the range of 10 degrees to 45 degrees.
  • the power applied to the second insulator target 12 provided on the second cathode 312 is larger than the power applied to the first insulator target 11 provided on the first cathode 311.
  • FIG. 10 is a flowchart showing steps included in the method for manufacturing a TMR element according to this embodiment.
  • the substrate 10 on which a ferromagnetic layer is formed is prepared (step S101).
  • the lower electrode 102, the Ta layer 103, the Ru layer 104, the stacked body 105, the Ta layer 106, and the CoFeB layer 107 that is a ferromagnetic layer are sequentially formed on the substrate 101.
  • the first insulator target 11 is arranged in parallel to the film formation surface 10a of the substrate 10 (step S102).
  • the MgO target as the first insulator target 11 is installed on the first cathode 311 arranged in parallel to the substrate 10.
  • the second insulator target 12 is disposed obliquely with respect to the film formation surface 10a of the substrate 10 (step S103).
  • the MgO target as the second insulator target 12 is installed on the second cathode 312 disposed with a predetermined cathode angle angle ⁇ with respect to the substrate 10. Note that the processing order of steps S101 to S103 is arbitrary.
  • sputtering is simultaneously performed from the first insulator target 11 and the second insulator target 12 to form a tunnel barrier layer on the surface of the substrate 10 (S104).
  • the discharge power is applied from the high frequency power source 305 to the MgO target installed on the first cathode 311 and the second cathode 312, so that the surface of the substrate 10, that is, on the CoFeB layer 107.
  • an MgO layer 108 as a tunnel barrier layer is formed.
  • the remaining layer of the TMR element is formed on the substrate 10.
  • a CoFeB layer 109, a Ta layer 110, and an upper electrode 111 that are ferromagnetic layers are sequentially formed on the MgO layer 108 that is a tunnel barrier layer.
  • the MTJ element 100 is formed using the substrate processing system 200 including the RF sputtering film forming apparatus 300 according to this embodiment shown in FIGS. 3A and 3B.
  • the first insulator target 11 and the second insulator target 12 are arranged at two different angles, that is, parallel and oblique cathode angles.
  • the MgO layer (tunnel barrier layer) 108 is formed by RF sputtering of two insulator targets simultaneously with parallel and oblique cathode angles.
  • FIG. 4 shows the cathode angle angle dependency of the deposition rate of the MgO layer 108 when the RF sputtering deposition apparatus 300 shown in FIGS. 3A and 3B is used.
  • the horizontal axis is the cathode angle angle ⁇ , and the case of the cathode angle angle where the MgO target is arranged in parallel to the film formation surface 10a of the substrate 10 is 0 °.
  • the vertical axis represents the film formation time until the reference film thickness is reached.
  • the input power to each cathode is the same condition.
  • the film formation speed is about 4 times faster than when the MgO target is arranged obliquely. This is presumably because the probability of adhesion to the substrate surface is higher when the targets are arranged in parallel.
  • FIG. 5A and 5B show the cathode angle dependency of the RA and MR ratios when the RF sputtering film forming apparatus 300 according to the present embodiment is used.
  • RA and MR ratios at six different locations from the center to the edge of the substrate 10 after film formation.
  • the insulator target is arranged in parallel to the film formation surface 10a of the substrate 10 (cathode angle angle 0 °)
  • the RA distribution and the MR distribution are deteriorated.
  • the cathode angle angle ⁇ is increased, the RA distribution and the MR distribution tend to be improved.
  • 6A and 6B show a case where the MgO target is arranged in parallel to the substrate 10 (cathode angle angle 0 °) and a case where the MgO target is arranged obliquely (cathode angle angle 22.5 °).
  • the distribution of the MgO film thickness at the distance (152 mm, 194 mm, 244 mm) between the target and the substrate 10 is shown.
  • the distance between the target and the substrate 10 was the distance from the center of the target surface to the center of the substrate.
  • the MgO film thickness distribution has a convex shape having a peak at the center of the substrate surface.
  • the standard deviations (1 ⁇ ) are 13.7%, 10.4%, and 8.4% at T / S distances of 152 mm, 194 mm, and 244 mm, respectively.
  • the MgO film thickness distribution is concave with the peak at the center of the substrate surface.
  • the standard deviations (1 ⁇ ) are 5.3%, 4.1%, and 3.4%, respectively, at T / S distances of 152 mm, 194 mm, and 244 mm.
  • FIG. 7A shows the case where the MgO target is arranged in parallel to the substrate 10 (cathode angle angle 0 °) and the case where the MgO target is arranged obliquely (cathode angle angle 22.5 °). Shows the RA distribution of the MgO film formed by the above.
  • FIG. 7B shows the case where the MgO target is arranged parallel to the substrate 10 (cathode angle angle 0 °) and the case where the MgO target is arranged obliquely (cathode angle angle 22.5 °).
  • the distribution of the MR ratio of the MgO film formed by the above is shown. RA and MR ratios are standardized with a center value of 1.
  • the RA and MR distributions were convex with the peak at the center of the substrate surface.
  • the MgO target was disposed obliquely (cathode angle angle 22.5 °)
  • the RA and MR distributions were concave with peaks at the center of the substrate surface.
  • Rp is a resistance value in a state in which the magnetizations of the fixed layer and the free layer are parallel (resistance is low).
  • Rap is a resistance value in a state in which the magnetizations of the fixed layer and the free layer are antiparallel (high resistance).
  • A is the cross-sectional area of the element (plane perpendicular to the current direction).
  • the RA and MR ratio measurements were developed using Current In-Plane Tunneling (CIPT), a technology developed by IBM and Infineon Technologies, and CAPRES microscopic 12-point probe technology.
  • CIPT Current In-Plane Tunneling
  • measurement can be performed using a TMR element formed by processing a tunnel magnetoresistive film.
  • the RA value measured by the CIPT measuring instrument is used.
  • the CIPT method is a method in which the resistance in the direction perpendicular to the film surface of the TMR film is measured, and four probes are brought into contact with the surface of the magnetoresistive effect film to measure the resistance value.
  • the resistance of the vertical MTJ film measured by the CIPT method is the horizontal resistance Rt above the MgO layer as the barrier layer, the horizontal resistance Rb below the MgO layer, and the resistance RA in the direction perpendicular to the MgO layer. This is the combined resistance.
  • the lower and upper electrodes of the vertical MTJ film are metal layers having a low electrical resistance, thereby reducing the horizontal resistance of the upper and lower parts of the MgO layer and measuring the resistance RA in the vertical direction of the combined resistance. Accuracy can be increased. By using the CIPT method in this way, it is possible to measure the junction resistance RA and MR ratio.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the film forming method according to the present embodiment. First, two comparative examples will be described as a comparison with the examples formed by the film forming method according to the present embodiment.
  • Image A in FIG. 8 is a stacked image of the film (MgO) in the first comparative example.
  • the first comparative example is an example of a two-stage film formation method in which a film of film quality B is formed after a film of film quality A is formed, and RA is uniform throughout.
  • the film forming apparatus used in the first comparative example is the same as the RF sputtering film forming apparatus 300 in FIG. 3A, but the two insulator targets 11 and 12 are both arranged obliquely with respect to the substrate 10. The point is different.
  • one of the two targets arranged obliquely with respect to the substrate 10 can form a film of the film quality A with one target, and a film of the film quality B can be formed with the other target. After film formation, film quality B was formed.
  • Image B in FIG. 8 is a stacked image of the film (MgO) in the second comparative example.
  • the second comparative example is an example in which the film quality A and the film quality B are simultaneously formed using the same apparatus as the first comparative example.
  • Overall, RA is equal.
  • the two targets are both arranged obliquely with respect to the substrate 10, the film formation rate is slow and it is difficult to increase the throughput.
  • the second comparative example can obtain a better RA distribution than the example of the present embodiment described later.
  • the power input to the first insulator target is the same as the power input to the second insulator target, but the same applies even if a difference is applied to the applied power. As a result.
  • An image C in FIG. 8 is a laminated image of the film (MgO) in the present embodiment.
  • the film was formed by a film forming process in which two insulator targets were simultaneously discharged at different cathode angles with respect to the substrate 10.
  • the two insulator targets include an insulator target (first insulator target 11) in which an MgO target is disposed in parallel to the film formation surface 10 a of the substrate 10, and a substrate 10.
  • the first cathode 311 in which the MgO target is arranged in parallel increases the deposition rate of the MgO film
  • the power input to the first insulator target 11 is lower than the power input to the second insulator target 12.
  • the power input to the first insulator target 11 is 230 W
  • the power input to the second insulator target 12 is 800 W.
  • FIG. 9A shows the results of RA when the MgO layer (tunnel barrier layer) 108 is formed by the method of Comparative Example 2 and the method of this example.
  • FIG. 9B shows the MR ratio results when the MgO layer (tunnel barrier layer) 108 is formed by the method of Comparative Example 2 and the method of this example.
  • the RA distribution of this example is better than the RA distribution of Comparative Example 2.
  • the standard deviation (1 ⁇ ) of the RA distribution of Comparative Example 2 is 4.5%
  • the standard deviation (1 ⁇ ) of the RA distribution of this example is 1.9%.
  • the MR ratio of the film according to the present example is higher than the MR ratio of the film according to the comparative example 2, and the variation in the MR ratio of the present example is larger than the variation in the MR ratio of the comparative example 2. It is getting smaller.
  • the standard deviation (1 ⁇ ) of the MR ratio distribution of Comparative Example 2 is 6.0%, and the standard deviation (1 ⁇ ) of the MR ratio distribution of this example is 2.5%. This is presumably because the in-plane film quality became uniform.
  • the first cathode 311 in which the MgO target is arranged in parallel has a higher deposition rate of the MgO film than the second cathode 312 in which the MgO target is arranged obliquely.
  • the power applied to the first cathode 311 is set lower than the power applied to the second cathode 312 (second insulator target 12). That is, the film thickness distribution, RA and MR ratio distribution can be adjusted by changing the power applied to each target.
  • a large electric power was applied to the cathode on which the oblique MgO target was disposed. In this method, it is presumed that the crystallinity of the MgO film was deteriorated due to the high energy of the sputtered MgO particles.
  • the MgO particles sputtered from the first cathode 311 in which the MgO target is arranged in parallel have a good adhesion probability on the substrate surface, and thus the film is formed without applying large electric power to the MgO target. Speed can be increased. Therefore, it is considered that the crystallinity of the MgO film can be improved because the energy of the MgO particles is low.
  • Perpendicular Magnetoresistive Element 107 Reference Layer (Ferromagnetic Layer) 108 Tunnel barrier layer 109 Free layer (ferromagnetic layer) 200 substrate processing system 201 substrate processing chamber 203 transfer chamber 204 load lock chamber 300 RF sputtering film formation apparatus 10 substrate 10a film formation surface 11 first insulator target 12 second insulator target 311 first cathode 312 second cathode 320 Substrate center normal 321 First cathode center normal 322 Second cathode center normal

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Abstract

本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、強磁性層が形成された基板を用意する工程と、第１の絶縁物ターゲットを基板の成膜面に対して平行に配置する工程と、第２の絶縁物ターゲットを基板の成膜面に対して所定のカソードアングル角度を有して配置する工程と、第１および第２の絶縁物ターゲットから同時にスパッタリングし、基板の表面にトンネルバリア層の形成を行う工程と、を有することを特徴とする。

Description

磁気抵抗効果素子の製造方法および装置
　本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法および装置に係り、特にＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子に好適な製造方法および装置に関する。
　トンネル磁気抵抗効果（TMR：Tunnel　Magneto　Resistance　effect）は、磁場によって電気抵抗が変化する現象であり、トンネル磁気抵抗効果（TMR）素子は、このＴＭＲ効果を利用した素子である。面内磁化型のＴＭＲ素子は、主にハードディスクドライブに用いられてきた。面内磁化型のＴＭＲ素子では、フリー層とリファレンス層の磁化方向が積層膜の面内方向に磁化回転する。近年、集積化磁気メモリであるＭＲＡＭ（Magnetic　Random　Access　Memory）が注目を集めている。ＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子としては、非特許文献１に示される垂直磁化型のＭＴＪ（Magnetic　Tunnel　Junction：磁気トンネル接合）素子が存在する。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、すなわち２つの強磁性層の間にトンネルバリア層が配された構造を含み、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。
　ＴＭＲ素子の製造においては、所望の成膜材料から成るターゲットをスパッタリングすることにより、対向する基板上に成膜するスパッタリング（以下単にスパッタともいう）法が広く用いられている。ＴＭＲ素子に用いられるトンネルバリア層の製造方法として、特許文献１には、酸化物ターゲットに対してＲＦスパッタを行うことで酸化膜を成膜する方法が開示され、特許文献２には、金属膜を成膜した後に酸化処理を施すことで酸化膜を形成する方法が開示されている。
　磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭデバイスの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。また、生産コストを低減するため、基板面内の均一性を良くすること、スループットを速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。この積層構造を短時間で且つ基板面内に均一に成膜する方法が期待されている。
特開２０１３－８２９６１号公報 米国特許７７８０８２０号公報
D.　C.　Worledge　et　al.,　"Spin　torque　switching　of　perpendicular　Ta|CoFeB|MgO-based　magnetic　tunnel　junctions",　Appl.　Phys.　Lett.　98,　2011,　022501
　ＴＭＲ素子を用いたデバイスにおいて、より高い出力信号を得るためには、高いＭＲ比を有するＴＭＲ素子を製造する必要がある。特にトンネルバリア層の状態はＭＲ比に大きく影響する。特許文献１に記載される酸化物ターゲットを用いて酸化膜を形成する方法を用いてＴＭＲ素子を製造する場合、特許文献２に記載される金属膜の酸化によって酸化膜を形成する方法を用いてＴＭＲ素子を製造する場合に比べて、高いＭＲ比が得られる傾向にある。しかしながら、特許文献１に記載の方法を用いて酸化膜の成膜処理を施した場合、特許文献２に記載の方法を用いて酸化膜を形成した場合に比べて、基板面内の各点、特に基板の中心から外周にかけて、電気抵抗値のばらつきが大きい傾向にある。このような電気抵抗値のばらつきは、１枚の基板から得られる磁気抵抗効果素子間の特性のばらつきの原因となり、歩留まりを悪化させるため、可能な限り低減されることが望ましい。また、生産コストを低減するためには、スループット（１時間当たりの基板処理枚数）を速くすることが求められている。
　本発明は、上述した課題を解決すべく為されたものであり、酸化物ターゲットを用いて基板にスパッタ法により成膜処理を行う場合に、高いＭＲ比を有し、基板面内の電気抵抗値のばらつきを低減し、さらにスループットを速くすることを目的とする。
　本発明の一態様に係るトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、強磁性層が形成された基板を用意する工程と、第１の絶縁物ターゲットを前記基板の成膜面に対して平行に配置する工程と、第２の絶縁物ターゲットを前記基板の成膜面に対して所定のカソードアングル角度を有して配置する工程と、前記第１および第２の絶縁物ターゲットから同時にスパッタリングし、前記基板の表面にトンネルバリア層の形成を行う工程と、を有することを特徴とする。
　本発明の一態様に係るスパッタリング成膜装置は、基板に対して平行に配置され、第１の絶縁物ターゲットが設けられた第１カソードと、前記基板に対して斜めに配置され、第２の絶縁物ターゲットが設けられた第２カソードと、を有し、前記基板上に、２つの強磁性層の間にトンネルバリア層が配されたトンネル磁気抵抗効果素子の製造のためのスパッタリング成膜装置であって、前記第１カソードは、前記第１カソードの中心を通る法線が前記基板の中心を通る法線と平行であり、前記第１カソードの中心を通る法線が、前記基板の中心を通る法線から離間して配置されており、前記第２カソードは、前記第２カソードの中心を通る法線が前記基板の中心を通る法線と一致せず、所定の角度θで交わっていることを特徴とする。
　本発明によれば、酸化物ターゲットを用いて基板にスパッタ法により成膜処理を行う場合に、高いＭＲ比を有し、基板面内の電気抵抗値のばらつきを低減し、スループットを速くすることが可能となる。また、酸化物ターゲットを用いて酸化膜の形成を行うため、金属膜の酸化によって酸化膜を形成する場合に比べて、高いＭＲ比を得ることが可能となる。
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スパッタリング成膜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スパッタリング成膜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スパッタリング成膜装置の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るスパッタリング成膜装置により成膜処理される基板の概略平面図である。 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成膜速度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ＲＡ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。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により酸化膜を形成した場合の基板面内の膜厚分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により酸化膜を形成した場合の基板面内の膜厚分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により酸化膜を形成した場合の基板面内のＲＡ分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により酸化膜を形成した場合の基板面内のＭＲ分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により形成される酸化膜を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により形成した酸化膜の基板面内のＲＡ分布と比較例のＲＡ分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法により形成した酸化膜の基板面内のＭＲ分布と比較例のＭＲ分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＴＭＲ素子の製造方法に含まれる工程を示すフローチャートである。
　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。
　以下に、本発明を適用可能なＴＭＲ素子の構造の例を示す。
（垂直磁化型トンネル磁気抵抗効果素子の構造の説明）
　図１は、本実施形態に係る成膜方法を行う例示的なＭＴＪ（Magnetic　Tunnel　Junction：磁気トンネル接合）素子１００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１００は、垂直磁化型ＭＴＪ素子（ｐ－ＭＴＪ素子）である。ＭＴＪ素子１００は、基板１０１上に、下部電極１０２と、Ｔａ層（シード層）１０３と、Ｒｕ層（シード層）１０４と、Ｃｏ層とＰｔ層とを交互に所定の数Ｎだけ積層した積層体１０５（ピン層）と、Ｔａ層（スペーサー層）１０６と、リファレンス層（磁化固定層）としてのＣｏＦｅＢ層１０７と、ＭｇＯ層（トンネルバリア層）１０８と、フリー層（磁化自由層）としてのＣｏＦｅＢ層１０９と、Ｔａ層（キャップ層）１１０と、上部電極１１１とを順に備える。ＭＴＪ素子１００としてはここに示した構成に限られず、垂直磁化型ＭＴＪ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ＴＭＲ素子の製造方法の説明）
　図２Ａは、本実施形態に係るＲＦ（Radio　Frequency）スパッタリング成膜装置３００を備える基板処理システム２００の概略構成図である。基板処理システム２００はクラスタ型の装置であり、ＲＦスパッタリング成膜装置３００と、複数の基板処理チャンバ２０１と、酸化処理チャンバ２０８と、ロードロックチャンバ２０４と、搬送チャンバ２０３とを備えている。複数の基板処理チャンバ２０１は、基板１０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。以下の説明において、基板１０は製造過程にある基板のことを指し、基板１０１とその上に既に形成された層を含む。
　複数の基板処理チャンバ２０１と、酸化処理チャンバ２０８と、ロードロックチャンバ２０４と、ＲＦスパッタリング成膜装置３００とは、搬送チャンバ２０３を介して互いに接続されており、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２０３には搬送ロボット２０７が設けられており、搬送ロボット２０７によって各基板処理チャンバ２０１、ロードロックチャンバ２０４、ＲＦスパッタリング成膜装置３００、酸化処理チャンバ２０８の間で、所定の処理順に従って基板１０が搬送され、成膜処理が行われる。各基板処理チャンバ２０１、搬送チャンバ２０３にはそれぞれ排気ポンプが設けられており、搬送ロボット２０７は、真空を保ったままチャンバ間で基板１０を搬送可能である。ロードロックチャンバ２０４の外側（搬送チャンバ２０３に接続されていない側）には、基板１０をロードロックチャンバ２０４に供給するためのオートローダ２０５が設けられている。オートローダ２０５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２０６から基板を一枚ずつ取り出し、ロードロックチャンバ２０４内に収容するように構成されている。
　基板処理システム２００は、図２Ｂに示されるように、２つの搬送チャンバ２０３Ａ、２０３Ｂを備えたダブルコアの基板処理システムであってもよい。搬送チャンバ２０３Ａには、ＲＦスパッタリング成膜装置３００、複数の基板処理チャンバ２０１、酸化処理チャンバ２０８が接続され、搬送チャンバ２０３Ｂには、ロードロックチャンバ２０４が接続されている。搬送チャンバ２０３Ａ、２０３Ｂにそれぞれ設けられた搬送ロボット２０７Ａ、２０７Ｂにより、各基板処理チャンバ２０１、ロードロックチャンバ２０４、ＲＦスパッタリング成膜装置３００、酸化処理チャンバ２０８の間で、所定の処理順に従って基板１０が搬送され、成膜処理が行われる。
　次に図３Ａ、図３Ｂを用いて本実施形態に係るＲＦスパッタリング成膜装置３００について説明する。ＲＦスパッタリング成膜装置３００は、２つの平板状のカソードを備えており、同時に２つのターゲットをスパッタリングする。
　図３Ａは、本実施形態に係るＲＦスパッタリング成膜装置３００の概略断面図である。ＲＦスパッタリング成膜装置３００において、１つのカソード（以下、第１カソード３１１）は、基板１０の成膜面１０ａに対して平行に配置され、もう１つのカソード（以下、第２カソード３１２）は、基板１０の成膜面１０ａに対して斜めに配置されている。第１カソード３１１、第２カソード３１２には、それぞれ第１の絶縁物ターゲット１１、第２の絶縁物ターゲット１２が配置される。第１カソード３１１、第２カソード３１２には、高周波電源３０５が電気的に接続され、高周波電源３０５は、第１カソード３１１、第２カソード３１２に対して、個別にスパッタ放電用電力を印加する。本実施形態では、基板１０の成膜面１０ａに対して異なるカソードアングルで、同時に２つの絶縁物ターゲットを放電する。この方法により、従来の方法に比べて絶縁膜の成膜速度すなわちスループットを速くすること、さらに基板面内のＲＡ、ＭＲ比のばらつきを低減することが可能となる。なお、絶縁物ターゲットとして本実施形態ではＭｇＯターゲットを用いるが、Ａｌ２Ｏ３などの他の酸化物を用いてもよい。基板１０は円板状であり、基板ホルダー３１０に載置され、基板１０の中心を軸として回転しながら成膜される。第１カソード３１１、第２カソード３１２にそれぞれ配置される絶縁物ターゲット１１、１２は、同一のターゲットである。
　基板１０の成膜面１０ａに対して平行に配置された第１カソード３１１（第１の絶縁物ターゲット１１）は、第１カソード３１１の中心を通る法線３２１が基板１０の中心を通る法線３２０（中心法線）と平行であるが、基板１０の中心法線から距離Ｄだけ離間して配置（オフセット配置）されている。本実施形態では、第１カソード３１１（第１の絶縁物ターゲット１１）の中心を通る法線３２１は、基板１０の成膜面１０ａを通過するように配置されているが、基板１０の外側を通過するように、すなわち基板１０の成膜面１０ａを通過しないように配置してもよい。なお、第１カソード３１１の中心を通る法線３２１と基板１０の中心を通る法線３２０は実質的に平行であればよく、数度の傾きは実質的に平行な関係に含まれる。図３Ｂは、図３Ａの概略平面図に対応するように図示した基板１０の概略平面図である。
　基板１０の成膜面１０ａに対して斜めに配置された第２カソード３１２（第２の絶縁物ターゲット１２）は、第２カソード３１２の中心を通る法線３２２が基板１０の中心を通る法線３２１と一致せず、また、所定の角度θ（所定のカソードアングル角度）で交わっている。本実施形態では、第２カソード３１２の中心を通る法線３２２は基板１０の成膜面１０ａを通過しないように配置されているが、基板１０の成膜面１０ａを通過する配置でもよい。所定のカソードアングル角度θは、１０度～４５度の範囲に設定される。
　また、第２カソード３１２に設けられた第２の絶縁物ターゲット１２に印加される電力は、第１カソード３１１に設けられた第１の絶縁物ターゲット１１に印加される電力よりも大きい。
　図１０は、本実施形態に係るＴＭＲ素子の製造方法に含まれる工程を示すフローチャートである。まず、基板処理システム２００において、強磁性層が形成された基板１０を用意する（ステップＳ１０１）。例えば、複数の基板処理チャンバ２０１において、基板１０１上に下部電極１０２、Ｔａ層１０３、Ｒｕ層１０４、積層体１０５、Ｔａ層１０６、および強磁性層であるＣｏＦｅＢ層１０７を順に成膜する。次に、第１の絶縁物ターゲット１１を基板１０の成膜面１０ａに対して平行に配置する（ステップＳ１０２）。例えば、ＲＦスパッタリング成膜装置３００において、第１の絶縁物ターゲット１１としてのＭｇＯターゲットを、基板１０に対して平行に配置された第１カソード３１１に設置する。続いて、第２の絶縁物ターゲット１２を基板１０の成膜面１０ａに対して斜めに配置する（ステップＳ１０３）。例えば、ＲＦスパッタリング成膜装置３００において、第２の絶縁物ターゲット１２としてのＭｇＯターゲットを、基板１０に対して所定のカソードアングル角度θを有して配置された第２カソード３１２に設置する。なお、上記ステップＳ１０１～Ｓ１０３の処理順は任意である。
　次に、第１の絶縁物ターゲット１１および第２の絶縁物ターゲット１２から同時にスパッタリングし、基板１０の表面にトンネルバリア層を形成する（Ｓ１０４）。例えば、ＲＦスパッタリング成膜装置３００において、第１カソード３１１および第２カソード３１２に設置されたＭｇＯターゲットに高周波電源３０５から放電用電力を印加することにより、基板１０の表面すなわちＣｏＦｅＢ層１０７の上に、トンネルバリア層であるＭｇＯ層１０８を成膜する。
　トンネルバリア層を形成した後、基板１０にＴＭＲ素子の残りの層を形成する。例えば、基板処理システム２００の複数の基板処理チャンバ２０１において、トンネルバリア層であるＭｇＯ層１０８の上に、強磁性層であるＣｏＦｅＢ層１０９、Ｔａ層１１０、上部電極１１１を順に成膜する。
　上述したＲＡ、ＭＲ分布のばらつきを低減するために、図３Ａ、図３Ｂに示した本実施形態に係るＲＦスパッタリング成膜装置３００を備える基板処理システム２００を用いてＭＴＪ素子１００を成膜する。本実施形態では２つの異なる角度、すなわち平行と斜めのカソードアングルに第１の絶縁物ターゲット１１、第２の絶縁物ターゲット１２をそれぞれ配置する。そして、平行と斜めのカソードアングルで同時に２つの絶縁物ターゲットをＲＦスパッタリングすることによりＭｇＯ層（トンネルバリア層）１０８の成膜を行う。
　図４に、図３Ａおよび図３Ｂに示したＲＦスパッタリング成膜装置３００を用いた場合のＭｇＯ層１０８の成膜速度のカソードアングル角度依存性を示す。横軸はカソードアングル角度θであり、基板１０の成膜面１０ａに対して平行にＭｇＯターゲットを配置したカソードアングル角度の場合を０°としている。縦軸は基準の膜厚に達するまでの成膜時間である。各カソードへの入力パワーは同じ条件である。
　基板１０の成膜面１０ａに対して平行にＭｇＯターゲットを配置した場合（カソードアングル角度０°）は、斜めにＭｇＯターゲットを配置した場合よりも成膜速度は最大で約４倍速くなる。これは、平行にターゲットを配置した場合の方が、基板表面への付着確率が高くなるためと考えられる。
　図５Ａ、図５Ｂに本実施形態に係るＲＦスパッタリング成膜装置３００を用いた場合のＲＡとＭＲ比のカソードアングル角度依存性を示す。成膜後の基板１０の中心から縁に向かって６箇所の異なる場所におけるＲＡとＭＲ比である。基板１０の成膜面１０ａに対して平行に絶縁物ターゲットを配置した場合（カソードアングル角度０°）は、ＲＡ分布、ＭＲ分布は悪くなる。また、カソードアングル角度θを大きくすると、ＲＡ分布、ＭＲ分布は良くなる傾向が見られる。
　図６Ａ、図６Ｂは、基板１０に対して平行にＭｇＯターゲットを配置した場合（カソードアングル角度０°）と、斜めにＭｇＯターゲットを配置した場合（カソードアングル角度２２．５°）において、それぞれのターゲットと基板１０の距離（１５２ｍｍ、１９４ｍｍ、２４４ｍｍ）におけるＭｇＯ膜厚の分布を示す。ターゲットと基板１０の距離（Ｔ／Ｓ距離）は、ターゲット表面の中心から基板中心までの距離とした。
　図６Ａに示されるように、測定したすべてのＴ／Ｓ距離で、平行にＭｇＯターゲットを配置した場合においては、ＭｇＯ膜厚分布は基板面の中心をピークとする凸型となる。標準偏差（１σ）は、Ｔ／Ｓ距離１５２ｍｍ、１９４ｍｍ、２４４ｍｍにおいて、それぞれ１３．７％、１０．４％、８．４％である。また、図６Ｂに示されるように、斜めにＭｇＯターゲットを配置した場合においては、ＭｇＯ膜厚分布は基板面の中心をピークとする凹型となる。標準偏差（１σ）は、Ｔ／Ｓ距離１５２ｍｍ、１９４ｍｍ、２４４ｍｍにおいて、それぞれ５．３％、４．１％、３．４％である。
　図７Ａは、基板１０に対して平行にＭｇＯターゲットを配置した場合（カソードアングル角度０°）と、斜めにＭｇＯターゲットを配置した場合（カソードアングル角度２２．５°）の場合において、それぞれのターゲットにより成膜されるＭｇＯ膜のＲＡ分布を示す。また、図７Ｂは、基板１０に対して平行にＭｇＯターゲットを配置した場合（カソードアングル角度０°）と、斜めにＭｇＯターゲットを配置した場合（カソードアングル角度２２．５°）において、それぞれのターゲットにより成膜されるＭｇＯ膜のＭＲ比の分布を示す。ＲＡ、ＭＲ比は、中心値を１として規格化している。平行にＭｇＯターゲットを配置した場合（オフセット距離６５ｍｍ）においては、ＲＡ、ＭＲ分布は基板面の中心をピークとする凸型となった。また、斜めにＭｇＯターゲットを配置した場合（カソードアングル角度２２．５°）においては、ＲＡ、ＭＲ分布は基板面の中心をピークとする凹型となった。
　ここで、本実施形態の説明においても用いたＲＡ、ＭＲ比について説明を行う。ＲＡは接合抵抗値を意味し、ＲＡ＝Ｒｐ×Ａ（Ωμｍ2）で定義され、ＭＲ比はＴＭＲ効果の大きさを示し、（Ｒａｐ－Ｒｐ）／Ｒｐで定義される。ここで、Ｒｐは固定層と自由層の磁化が平行な（抵抗が低い）状態における抵抗値である。Ｒａｐは固定層と自由層の磁化が反平行な（抵抗が高い）状態における抵抗値である。Ａは素子の断面積（電流方向に垂直な面）である。ＲＡ、ＭＲ比の測定には、米IBM社と独Infineon　Technologies社が開発した技術であるCurrent　In-Plane　Tunneling　（CIPT）と、CAPRES社のマイクロスコピック１２ポイントプローブの技術とを用いて開発された測定器で測定する方法を用いる。測定の対象としては、トンネル磁気抵抗膜を加工して形成されたＴＭＲ素子を用いて測定することができる。あるいは、より簡易的に測定できるＣＩＰＴ測定器で測定したＲＡ値を用いてもよい。本発明では、ＣＩＰＴ測定器で測定したＲＡ値を用いている。ＣＩＰＴ法は、ＴＭＲ膜の膜面に垂直方向の抵抗を測定し、磁気抵抗効果膜の表面に４本のプローブを接触させて抵抗値を測定する方法である。例として、図１に示す垂直ＭＴＪ膜を用いた場合について説明する。ＣＩＰＴ法によって測定される垂直ＭＴＪ膜の抵抗は、バリア層であるＭｇＯ層の上部の水平方向の抵抗Ｒｔと、ＭｇＯ層の下部の水平方向の抵抗Ｒｂと、ＭｇＯ層に垂直な方向の抵抗ＲＡの合成抵抗となる。垂直ＭＴＪ膜の下部と上部の電極は、電気抵抗が小さい金属層とすることにより、ＭｇＯ層の上部と下部の水平方向の抵抗を低減させ、合成抵抗のうちの垂直な方向の抵抗ＲＡの測定精度を高めることができる。この様にＣＩＰＴ法を用いることにより、接合抵抗値であるＲＡとＭＲ比が測定可能となる。
　図８は、本実施形態に係る成膜方法について説明するための図である。まず、本実施形態に係る成膜方法にて成膜した実施例との比較として、２つの比較例について説明する。
＜第１の比較例＞
　図８のイメージＡは、第１の比較例での膜（ＭｇＯ）の積層イメージである。第１の比較例は、膜質Ａの膜を成膜した後、膜質Ｂの膜を成膜し、全体的にＲＡが均等になる２段階成膜方法の例である。第１の比較例で使用する成膜装置は、図３ＡのＲＦスパッタリング成膜装置３００と同様のものであるが、基板１０に対して２つの絶縁物ターゲット１１、１２を両方とも斜めに配置した点が異なる。この装置を使って、基板１０に対して斜めに配置した２つのターゲットのうち、一方のターゲットで膜質Ａの膜を成膜でき、他方のターゲットで膜質Ｂの膜を成膜できるため、膜質Ａを成膜した後、膜質Ｂを成膜した。異なる２つの膜質を得るためには、例えばＭｇＯ膜を成膜する圧力やターゲットと基板１０の距離を変える方法がある。膜質Ａの膜と、膜質Ｂの膜の成膜時間を別々に設定できるため見掛けのＲＡは全体的に均等にできる。しかし、この方法では、成膜装置内の圧力変更や基板距離の制御に時間がかかってしまう。また、全体的にＲＡは均等になっているが膜厚が薄くなると制御が困難である。２つのターゲットはいずれも基板１０に対して斜めに配置されているため、成膜速度が遅く、スループットを上げることは困難である。
＜第２の比較例＞
　図８のイメージＢは、第２の比較例での膜（ＭｇＯ）の積層イメージである。第２の比較例は、第１の比較例と同一の装置を使って、膜質Ａの成膜と膜質Ｂの成膜を同時に行った例である。全体的にＲＡは均等になっている。しかし、２つのターゲットはいずれも基板１０に対して斜めに配置されているため、成膜速度が遅く、スループットを上げることは困難である。さらに、図９Ａ、図９Ｂに示すように、第２の比較例は後述する本実施形態の実施例よりも良好なＲＡ分布が得られる。なお、第２の比較例では、第１の絶縁物ターゲットに投入される電力は、第２の絶縁物ターゲットに投入される電力と同じとしたが、印加する電力に差を設けても同様の結果となった。
＜本実施例＞
　図８のイメージＣは、本実施例での膜（ＭｇＯ）の積層イメージである。本実施例では、基板１０に対して異なるカソードアングルで同時に２つの絶縁物ターゲットを放電する成膜過程により成膜した。２つの絶縁物ターゲットは、図３Ａに示すように、基板１０の成膜面１０ａに対して平行にＭｇＯターゲットを配置された絶縁物ターゲット（第１の絶縁物ターゲット１１）と、基板１０の成膜面１０ａに対して所定のカソードアングル角度θを有して配置された絶縁物ターゲット（第２の絶縁物ターゲット１２）である。これにより、平行にＭｇＯターゲットを配置した第１カソード３１１はＭｇＯ膜の成膜速度を速くし、斜めにＭｇＯターゲットを配置した第２カソード３１２はＭｇＯ膜の分布を改善し、同時に膜質の異なるＭｇＯ膜をＲＦスパッタリングすることにより、基板面内に均一な膜質のＭｇＯ膜を高速に成膜することが可能となる。なお、第１の絶縁物ターゲット１１に投入される電力は、第２の絶縁物ターゲット１２に投入される電力よりも低い。例えば、第１の絶縁物ターゲット１１に投入される電力は２３０Ｗであり、第２の絶縁物ターゲット１２に投入される電力は８００Ｗである。
　図９Ａに比較例２の方法と本実施例の方法によりＭｇＯ層（トンネルバリア層）１０８の成膜を行った場合のＲＡの結果を示す。また、図９Ｂに比較例２の方法と本実施例の方法によりＭｇＯ層（トンネルバリア層）１０８の成膜を行った場合のＭＲ比の結果を示す。本実施例のＲＡ分布は、比較例２のＲＡ分布に比べて良くなっている。比較例２のＲＡ分布の標準偏差（１σ）は４．５％であり、本実施例のＲＡ分布の標準偏差（１σ）は１．９％である。また、本実施例による膜のＭＲ比は、比較例２による膜のＭＲ比に比べて高くなっており、さらに本実施例のＭＲ比のばらつきは、比較例２のＭＲ比のばらつきに比べて小さくなっている。比較例２のＭＲ比分布の標準偏差（１σ）は６．０％であり、本実施例の方ＭＲ比分布の標準偏差（１σ）は２．５％である。これは、面内の膜質が均一になったためと考えられる。さらに、本実施例の方法では、平行にＭｇＯターゲットを配置した第１カソード３１１は、斜めにＭｇＯターゲットを配置した第２カソード３１２と比べて、ＭｇＯ膜の成膜速度が速い。そのため、第１カソード３１１（第１の絶縁物ターゲット１１）に印加する電力を第２カソード３１２（第２の絶縁物ターゲット１２）に印加する電力よりも低くしている。すなわち、それぞれのターゲットに印加する電力を変えることにより、膜厚分布、ＲＡ及びＭＲ比分布を調整することができる。比較例２の方法では、成膜速度を速めるためには、斜めのＭｇＯターゲットを配置したカソードに大きな電力を投入していた。この方法では、スパッタされたＭｇＯ粒子のエネルギーが高いためにＭｇＯ膜の結晶性を劣化させていたと推測される。本実施形態に係る方法では、平行にＭｇＯターゲットを配置した第１カソード３１１からスパッタされたＭｇＯ粒子は、基板表面での付着確率が良いため、ＭｇＯターゲットに大きな電力を投入しなくても成膜速度を速くできる。よって、ＭｇＯ粒子のエネルギーが低いことからＭｇＯ膜の結晶性を向上できると考えられる。
１００　垂直磁化型磁気抵抗効果素子
１０７　リファレンス層（強磁性層）
１０８　トンネルバリア層
１０９　フリー層（強磁性層）
２００　基板処理システム
２０１　基板処理チャンバ
２０３　搬送チャンバ
２０４　ロードロックチャンバ
３００　ＲＦスパッタリング成膜装置
１０　基板
１０ａ　成膜面
１１　第１の絶縁物ターゲット
１２　第２の絶縁物ターゲット
３１１　第１カソード
３１２　第２カソード
３２０　基板の中心法線
３２１　第１カソードの中心法線
３２２　第２カソードの中心法線

 

Claims (6)

  1. 　強磁性層が形成された基板を用意する工程と、
    　第１の絶縁物ターゲットを前記基板の成膜面に対して平行に配置する工程と、
    　第２の絶縁物ターゲットを前記基板の成膜面に対して所定のカソードアングル角度を有して配置する工程と、
    　前記第１および第２の絶縁物ターゲットから同時にスパッタリングし、前記基板の表面にトンネルバリア層の形成を行う工程と、
    　を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
  2. 　前記第１の絶縁物ターゲットに投入される電力は、前記第２の絶縁物ターゲットに投入される電力よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
  3. 　前記第１の絶縁物ターゲットは、前記基板の中心法線から離間して配置（オフセット配置）されることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
  4. 　前記第１の絶縁物ターゲットと前記第２の絶縁物ターゲットは同一のターゲットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
  5. 　基板に対して平行に配置され、第１の絶縁物ターゲットが設けられた第１カソードと、
    　前記基板に対して斜めに配置され、第２の絶縁物ターゲットが設けられた第２カソードと、を有し、
    　前記基板上に、２つの強磁性層の間にトンネルバリア層が配されたトンネル磁気抵抗効果素子の製造のためのスパッタリング成膜装置であって、
    　前記第１カソードは、前記第１カソードの中心を通る法線が前記基板の中心を通る法線と平行であり、前記第１カソードの中心を通る法線が、前記基板の中心を通る法線から離間して配置されており、
    　前記第２カソードは、前記第２カソードの中心を通る法線が前記基板の中心を通る法線と一致せず、所定の角度θで交わっていることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
  6. 　前記第１カソードの中心を通る法線は、前記基板の成膜面を通過するように配置されており、前記第２カソードの中心を通る法線は、前記基板の成膜面を通過しないように配置されていることを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング成膜装置。

     
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