(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（００１）配向の酸化マグネシウム膜を非晶質磁性膜上に形成する薄膜形成方法であって、
前記非晶質磁性膜よりなる表面を有した基板を収容する真空槽の内部において、酸化マグネシウムよりなる表面を有したターゲットを希ガスによりスパッタして前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することを備え、
前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することは、
前記ターゲットから放出された粒子が入射した前記非晶質磁性膜において非晶質性が保持される第１圧力領域下で下層の酸化マグネシウム膜を形成すること、
前記ターゲットから放出された粒子が入射した前記非晶質磁性膜において非晶質性が保持されない第２圧力領域下で前記下層の酸化マグネシウム膜上に上層の酸化マグネシウム膜を積層すること、を含み、
前記第１圧力領域下で形成された前記下層の酸化マグネシウム膜の（００１）配向は、前記第２圧力領域下で形成された前記上層の酸化マグネシウム膜の（００１）配向よりも低い
ことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜形成方法において、
前記下層の酸化マグネシウム膜を形成することは、３原子層以上で４原子層以下の厚さで前記下層の酸化マグネシウム膜を形成することを含む、薄膜形成方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の薄膜形成方法において、
前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することは、
前記真空槽に収容された前記基板を回転させながら前記真空槽内へ前記希ガスを供給すること、
前記ターゲットに対し高周波電力を供給することにより前記ターゲットの表面を前記希ガスでスパッタすること、を含み、
前記ターゲットの表面は、前記基板の回転軸から離間して且つ、前記基板の表面に対して傾斜して配置されていることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜形成方法において、
前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することは、前記ターゲットをスパッタしつつ前記真空槽の内部に供給する前記希ガスの流量を減少させることにより前記真空槽の内部を前記第１圧力領域から前記第２圧力領域に切替えることを含む
ことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜形成方法において、
前記非晶質性が保持される第１圧力領域は、前記ターゲットから放出された粒子が前記非晶質磁性膜に到達するまでに他の粒子と衝突する平均衝突回数が、前記ターゲットから放出された粒子が入射した前記非晶質磁性膜において非晶質性が保持される回数となるときの圧力領域であることを特徴とする薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリング法を用いて薄膜を形成する薄膜形成方法、特に酸化マグネシウムを表面に有するターゲットを用いて非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成する薄膜形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネル磁気抵抗素子の高出力化を実現させる技術の一つとしてトンネル絶縁膜を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で構成することが挙げられる。そしてトンネル効果を発現させるような極めて薄い絶縁膜をＭｇＯで形成する薄膜形成方法には、ＭｇＯを表面に有したターゲットをスパッタして該ターゲットから放出される粒子を基板の主面に堆積させるというスパッタリング法が広く採用されている（例えば、特許文献１）。【０００３】
上述するトンネル磁気抵抗素子が高い磁気抵抗比を発現するためには、上記ＭｇＯ膜が磁性膜上に単に形成されることだけではなく、該ＭｇＯ膜の結晶配向性として（００１）配向が必要とされている。そして上記スパッタリング法を利用してＭｇＯ膜にこの（００１）配向を与えるためには、
［ａ］ＭｇＯ膜の下地となる磁性膜が非晶質であること、
［ｂ］非晶質磁性膜に到達したＭｇＯ粒子が、該非晶質磁性膜上において多結晶化するためのエネルギーと、多結晶化したなかにおいて（００１）面を優先的に配向させるためのエネルギーとを保有すること、
という条件が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１５１８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上記非晶質磁性膜に到達する各種の粒子は、ターゲットから非晶質磁性膜に到達するまでにスパッタに用いられるガス等の他の粒子との衝突を繰り返しつつ、該粒子自身のエネルギーを減少させる。そのため非晶質磁性膜に到達したときの各種の粒子のエネルギーは、該粒子の飛行期間において該粒子が他の粒子と衝突した回数、すなわち平均衝突回数が多くなるほど低くなるのに対して、反対に該粒子の平均衝突回数が少なくなるほど高くなる。【０００６】
一方、各種の粒子がターゲットから放出される放出角度は、該粒子が放出されるターゲットの表面の法線方向に対して所定の範囲を有して分布することが一般的である。そのため、ターゲットから放出されて基板の表面に堆積される各種の粒子の飛行距離も該粒子の放出角度に応じて異なる。それゆえにターゲットの表面を基板の表面に対向させてスパッタリングする成膜の態様であれ、ターゲットの表面を基板の表面に対して傾斜させつつ基板を回転させてスパッタリングする成膜の態様であれ、非晶質磁性膜の表面の全体には異なる平均衝突回数で到達した各種の粒子が堆積することになる。そこでＭｇＯ膜を成膜するスパッタリング技術では、非晶質磁性膜の全体にわたり上記条件［ｂ］が満たされることを目的として、基板表面に到達する粒子の平均衝突回数が該表面の全体において所定の回数よりも低くなるように、１０ｍＰａ〜２０ｍＰａという低い圧力のもとでスパッタ処理が実施されている。【０００７】
しかしながら、上述するような低い圧力でスパッタ処理が実施されると、過剰に高いエネルギーを保有した粒子も当然ながら非晶質磁性膜に到達するため、このような粒子が着弾する非晶質磁性膜の部位には過剰に高いエネルギーが供給される。その結果、ＭｇＯ膜の下地である磁性膜の非晶質性が失われるために、下地における結晶性がそれに堆積されるＭｇＯ膜にまで反映されてしまい、ＭｇＯ膜に要求される（００１）配向が実現され難くなってしまう。つまり、ＭｇＯ膜の（００１）配向を向上させるために基板表面に到達する粒子のエネルギーが上記条件［ｂ］を満たすように過剰に高くなるものなら、かえって上記条件［ａ］が満たされなくなって、ＭｇＯ膜の（００１）配向そのものが失われてしまう。したがって上述したような低い圧力のもとでスパッタ処理を実施してＭｇＯ膜の（００１）配向を向上させることには限りがある。【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スパッタリング法を用いて形成するＭｇＯ膜において（００１）配向を向上させた薄膜形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、薄膜形成方法である。該方法は、（００１）配向の酸化マグネシウム膜を非晶質磁性膜上に形成する薄膜形成方法であって、前記非晶質磁性膜よりなる表面を有した基板を収容する真空槽の内部において、酸化マグネシウムよりなる表面を有したターゲットを希ガスによりスパッタして前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することを備え、前記非晶質磁性膜上に酸化マグネシウム膜を形成することは、前記ターゲットから放出された粒子が入射した前記非晶質磁性膜において非晶質性が保持される第１圧力領域下で下層の酸化マグネシウム膜を形成すること、前記ターゲットから放出された粒子が入射した前記非晶質磁性膜において非晶質性が保持されない第２圧力領域下で前記下層の酸化マグネシウム膜上に上層の酸化マグネシウム膜を積層すること、を含み、前
記第１圧力領域下で形成された前記下層の酸化マグネシウム層の（００１）配向は、前記第２圧力領域下で形成された前記上層の酸化マグネシウム層の（００１）配向よりも低い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に係る薄膜形成装置の概略構成を該装置の断面構造と共に示すブロック図。
【図２】一実施形態に係る薄膜形成方法の成膜パラメータと成膜圧力との関係を示すタイミングチャート。
【図３】基板中心からの距離と、（００１）配向を示すピークの強度との関係を成膜圧力ごとに示すグラフ。
【図４】基板中心からの距離と、（００１）配向を示すピークの半値幅との関係を成膜圧力ごとに示すグラフ。
【図５】（ａ）（ｂ）ターゲットに対する基板の配置と基板上における酸化マグネシウムの配向の面内分布との関係を示す図。
【図６】成膜圧力と平均自由行程との関係を放出される粒子ごとに示すグラフ。
【図７】基板中心からの距離と（００１）配向を示すピークの強度との関係を下層成膜工程の成膜時間ごとに示すグラフ。
【図８】ピーク強度に対する下層成膜工程の成膜時間の依存性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した一実施形態について図１〜図８を参照して説明する。まず、本発明にかかる薄膜形成装置について以下に説明する。図１に示されるように、薄膜形成装置１０における真空槽１１には、該真空槽１１の内部空間を排気するクライオポンプ等からなる排気装置１２が連結され、またこの排気装置１２と真空槽１１との間には真空槽１１の内部圧力を検出する圧力検出装置ＶＧが連結されている。そして排気装置１２が排気動作を実行すると、真空槽１１の内部が減圧されて、該内部の圧力が圧力検出装置ＶＧにより検出される。このような真空槽１１には、スパッタガスとしての希ガスであるアルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、又はクリプトン（Ｋｒ）を所定の流量で供給するマスフローコントローラ等からなるガス供給装置１３が連結されている。そして上記排気装置１２が排気処理を定常的に実行する状態でガス供給装置１３が真空槽１１の内部に希ガスを供給すると、真空槽１１における内部の圧力が該内部に供給される希ガスの流量に応じて変わることになる。つまり真空槽１１における圧力調整部の一例が排気装置１２とガス供給装置１３とにより構成されて、ガス供給装置１３が供給する希ガスの流量に基づいて真空槽１１における内部の圧力が調整可能となる。
【００１３】
真空槽１１における内部空間の底部には、円板状の基板Ｓを保持するための基板ステージ１４が基板回転装置１５の出力軸に連結されるかたちに収容されている。基板ステージ１４に支持される基板Ｓは、非晶質のコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）等、ＭｇＯ膜の下地となる非晶質磁性膜を表面に有した円板状の各種の基板、例えば直径が８インチのＳｉウェハ、ＡｌＴｉＣウェハ、ガラスウェハ等である。そして基板回転装置１５が基板ステージ１４を回転させることにより、基板ステージ１４は基板Ｓの温度を室温に維持しつつ、該基板Ｓに対する法線のうち、該基板Ｓの中心を通る基板回転軸線Ａｓを回転中心にして該基板Ｓを基板Ｓの周方向に回転させる。こうした構成からなる基板ステージ１４によれば、一つの方向から基板Ｓの表面に向けて飛行するスパッタ粒子が基板Ｓの周方向の全体にわたり均一に分散することになり、非晶質磁性膜上における堆積物の膜厚均一性を向上させることが可能になる。
【００１４】
真空槽１１の天部には真空槽１１の内部にプラズマを生成するためのカソード１８が搭載されている。カソード１８のバッキングプレート１９には、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力をカソード１８に供給する高周波電源ＧＥが電気的に接続されている。このバッキングプレート１９における基板Ｓの側には、ＭｇＯが主成分となるターゲット表面Ｔａを真空槽１１の内部空間に露出する円板状のＭｇＯターゲットＴが電気的に接続されている。このＭｇＯターゲットＴは、それのターゲット表面Ｔａが基板回転軸線Ａｓから離間し、且つ基板Ｓの表面に対して傾斜するかたちに真空槽１１に搭載されている。より詳細には、ターゲット表面Ｔａの法線であるターゲット法線Ａｔと基板Ｓの基板回転軸線Ａｓとのなす角度である斜入射角度θでターゲット表面Ｔａは基板Ｓの表面に対して傾斜している。またターゲット表面Ｔａの中心と基板Ｓの表面との間の距離である最短飛行距離ｄｔｓが２００ｍｍとなるかたちでＭｇＯターゲットＴは真空槽１１に搭載されている。
【００１５】
上記バッキングプレート１９を挟んでＭｇＯターゲットＴの反対側には磁気回路２１が配設されており、高周波電源ＧＥからの高周波電力がバッキングプレート１９に供給される状態で磁気回路２１が駆動することにより、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａにマグネトロン磁場が形成される。そしてＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａの近傍に高密度のプラズマが生成されることよりＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａがカソードとして機能し、ターゲット表面Ｔａが希ガスのイオンによりスパッタされる。
【００１６】
ＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとの間の位置には、基板Ｓの上方を覆うドーム状のシャッタ２２がシャッタ回転装置２３の出力軸に連結されるかたちに基板ステージ１４の直上に配置されている。シャッタ２２の一部には、上記ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａの略全体を基板Ｓに向けて露出可能にする貫通孔である開口２２Ｈが設けられている。シャッタ回転装置２３は基板回転軸線Ａｓを中心にしてシャッタ２２を回転させる。このとき、上記バッキングプレート１９に高周波電力が供給される場合には、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａと開口２２Ｈとが対向し、ＭｇＯターゲットＴに対するスパッタリングが可能になる。またバッキングプレート１９に高周波電力が供給されない場合には、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａがシャッタ２２により覆われ、ＭｇＯターゲットＴに対するスパッタリングが不能になるとともに、ターゲット表面Ｔａに対する汚染が抑制される。
【００１７】
薄膜形成装置１０には、排気装置１２による排気処理、ガス供給装置１３によるガス供給処理、高周波電源ＧＥによる電力供給処理等の各種の処理を統括する制御装置３０が備えられている。制御装置３０は、上記排気装置１２に接続されて、排気装置１２に排気処理を開始させるための開始制御信号や排気装置１２に排気処理を終了させるための終了制御信号を該排気装置１２に出力する。また制御装置３０は、上記圧力検出装置ＶＧ及び上記ガス供給装置１３に接続されて、圧力検出装置ＶＧからの検出信号を受けて、真空槽１１における内部の圧力を所定の圧力にするための流量制御信号をガス供給装置１３に出力する。また制御装置３０は、上記基板回転装置１５に接続されて、基板回転装置１５に回転処理を開始させるための開始制御信号や基板回転装置１５に回転処理を終了させるための終了制御信号を基板回転装置１５に出力する。また制御装置３０は、上記シャッタ回転装置２３に接続されて、開口２２ＨをＭｇＯターゲットＴに対向させるための回転制御信号をシャッタ回転装置２３に出力する。さらに制御装置３０は、上記高周波電源ＧＥに接続されて、ＭｇＯターゲットＴに高周波電力を供給させるための電力供給信号やＭｇＯターゲットＴへの電力供給を停止させるための電力供給停止信号を高周波電源ＧＥに出力する。
【００１８】
図２は、上記薄膜形成装置１０を利用した成膜処理時における高周波電源ＧＥ、ガス供給装置１３、及び圧力検出装置ＶＧの動作を示すタイミングチャートである。図２に示されるように、上記構成からなる薄膜形成装置１０において成膜処理が開始されると、まず制御装置３０が排気装置１２により真空槽１１の内部の圧力を基準圧力Ｐ０まで減圧し、図示されない基板搬送装置により真空槽１１の内部へ基板Ｓを搬入する。そして非晶質磁性膜を表面に有した基板Ｓが基板ステージ１４にセットされると、制御装置３０はシャッタ回転装置２３によりシャッタ２２の開口２２Ｈとターゲット表面Ｔａとを対向させ、また基板回転装置１５により基板回転軸線Ａｓを中心にした基板Ｓの回転を開始する。
【００１９】
このようにして基板Ｓの回転が開始されると、制御装置３０はガス供給装置１３により高圧設定流量Ｆ２の希ガスを供給して真空槽１１の圧力を高成膜圧力Ｐ２、すなわち第１圧力領域に調整する。そしてタイミングｔ１になると、制御装置３０は高周波電源ＧＥにより高周波電力をＭｇＯターゲットＴに供給してターゲット表面Ｔａのスパッタリングを開始する。つまり薄膜形成装置１０においては、基板Ｓの表面である非晶質磁性膜に対して、まず高成膜圧力Ｐ２のもとでＭｇＯ膜が形成される。続いて高成膜圧力Ｐ２のもとで形成されたＭｇＯ膜が、所定の膜厚、好適には３原子層〜４原子層の厚みに到達するタイミングｔ２になると、制御装置３０はガス供給装置１３により低圧設定流量Ｆ１の希ガスを供給して真空槽１１における内部の圧力を低成膜圧力Ｐ１、すなわち第２圧力領域に切り替える。つまり薄膜形成装置１０においては、基板Ｓの表面である非晶質磁性膜上に、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの期間に初期膜である下層のＭｇＯ膜が高成膜圧力Ｐ２のもとで３原子層〜４原子層の厚みで形成されて、その後、上層のＭｇＯ膜が低成膜圧力Ｐ１のもとで形成される。そして、これら下層のＭｇＯ膜と上層のＭｇＯ膜が形成される期間では、ターゲット表面Ｔａが連続的にスパッタリングされ続ける。
【００２０】
ここで、上記条件［ａ］［ｂ］に記載のように、スパッタリング法を利用してＭｇＯ膜に（００１）配向を与えるためには、ＭｇＯ膜の下地となる磁性膜が非晶質であること、非晶質磁性膜に到達したＭｇＯ粒子が該非晶質磁性膜上において多結晶化するためのエネルギーと多結晶化したなかにおいて（００１）面を優先的に配向させるためのエネルギーとを保有すること、という条件が必要とされる。上述される高成膜圧力Ｐ２と低成膜圧力Ｐ１との境界となる圧力値（以下、境界圧力Ｐｔｈという。）は、こうした観点から、ＭｇＯターゲットＴから放出された各種粒子（Ｍｇ粒子、Ｏ粒子等）が非晶質磁性膜に入射しても該非晶質磁性膜の非晶質性が保持される最低の成膜圧力に設定されている。つまり上述する薄膜形成装置１０では、ＭｇＯ膜が形成される初期の段階においては、まず境界圧力Ｐｔｈ以上の成膜圧力のもとで粒子が非晶質磁性膜上に堆積して、次いで境界圧力Ｐｔｈ未満の成膜圧力のもとで粒子がさらに堆積することになる。そのため非晶質磁性膜の非晶質性が保持される状態でＭｇＯ膜の初期膜が形成されて、その後に（００１）配向が発現される高い入射エネルギーのＭｇＯ膜が、この初期膜に保護された状態の非晶質磁性膜上に堆積するようになる。その結果、後続して入射する粒子の高い入射エネルギーが該粒子に先行して到達している粒子の堆積により非晶質磁性膜に吸収され難くなるため、非晶質磁性膜の結晶化が抑えられることとなる。そして非晶質磁性膜の結晶化に対するこのような抑制効果と後続する粒子の高いエネルギーとにより、ＭｇＯ膜の（００１）配向が向上可能となる。
【００２１】
このような境界圧力Ｐｔｈとは、例えば互いに異なる複数の圧力値（成膜圧力）のもとで複数の非晶質磁性膜上にＭｇＯ膜を形成して、ＭｇＯ膜の（００１）配向を示すＸ線回折ピークの強度を複数の圧力値の各々について計測することにより予め検出することが可能である。またこの他、互いに異なる複数の圧力値（成膜圧力）のもとで複数の非晶質磁性膜上にＭｇＯ膜を形成し、該非晶質磁性膜の結晶性を示すＸ線回折ピークの有無を複数の圧力値の各々について計測することにより予め検出することも可能である。さらには、非晶質磁性膜を結晶化させるために必要とされるエネルギー量とＭｇＯターゲットＴから放出された各種粒子の非晶質磁性膜上におけるエネルギー量とから予め推定することも可能である。
【００２２】
（試験例）
上記薄膜形成装置１０における上記境界圧力Ｐｔｈと、該境界圧力Ｐｔｈのもとで形成される下層のＭｇＯ膜の最適な膜厚とについて、試験例等とともに以下に詳細に説明する。まず上記薄膜形成装置１０における上記境界圧力Ｐｔｈについて図３〜図５を参照して説明する。
【００２３】
まず、基板Ｓを回転させながら、下記成膜条件を用いて互いに異なる成膜圧力で複数のＭｇＯ膜を試験例として形成し、（００１）配向を示すＭｇＯ（２００）ピーク（２θ＝４２．９°）の強度及び半値幅を各試験例に対しＸ線回折法により計測した。図３は、ＭｇＯ（２００）ピークの強度と基板Ｓの径方向における基板Ｓの中心からの距離との関係を各試験例（成膜圧力ごと）について示すグラフである。また図４は、ＭｇＯ（２００）ピークの半値幅と基板Ｓの径方向における基板Ｓの中心からの距離との関係を各試験例（成膜圧力ごと）について示すグラフである。また図５（ａ）（ｂ）は、基板Ｓの回転を停止させた状態で、下記と同じ成膜条件を用いてＭｇＯ膜を形成した場合の該ＭｇＯ膜におけるＭｇＯ（２００）ピークの強度の面内分布を例示する図である。図５中、各等高線Ｌａｒは、ＭｇＯ（２００）ピークの強度が等しくなる位置を結んだ線である。なお図５（ａ）は、比較的低い成膜圧力（ここでは１０ｍＰａと１９ｍＰａ）で形成されたＭｇＯ膜の強度分布を例示し、図５（ｂ）は、比較的高い成膜圧力（ここでは３３ｍＰａと８２ｍＰａと１５７ｍＰａ）で形成されたＭｇＯ膜の強度分布を例示しており、いずれもＭｇＯ（２００）ピークの強度が低い領域ほど濃いドットを付して示している。
（成膜条件）
・基板Ｓ：シリコン基板（直径：８インチ）
・ターゲット：ＭｇＯターゲット（直径：５インチ）
・非晶質磁性膜：（ＣｏＦｅ）０．８Ｂ０．２
・基板温度：室温
・最短飛行距離ｄｔｓ：２００ｍｍ
・成膜圧力：１０ｍＰａ，１９ｍＰａ，３３ｍＰａ，８２ｍＰａ，１５７ｍＰａ
・スパッタガス：Ａｒ
・ＭｇＯ膜厚：２０ｎｍ
図３に示されるように、基板Ｓが回転する状態でＭｇＯ膜が形成された場合、このようなＭｇＯ膜では、基板Ｓの中心部から基板Ｓの外周部に近づくほど、ＭｇＯ（２００）ピークの強度が低くなる傾向が認められた。また成膜圧力が高くなるほどＭｇＯ（２００）ピークの強度それ自体が低くなるものの、上述するような傾向は概ね全圧力の範囲で認められた。また図４に示されるように、基板Ｓが回転する状態でＭｇＯ膜が形成された場合、このようなＭｇＯ膜では、基板Ｓの中心部から基板Ｓの外周部に近づくほど、ＭｇＯ（２００）ピークの半値幅が広くなる傾向が認められた。また成膜圧力が高くなるほどＭｇＯ（２００）ピークの半値幅それ自体が広くなるものの、上述するような傾向は概ね全圧力の範囲で認められた。つまり上述するような薄膜形成装置１０では、成膜圧力が固定された状態でＭｇＯ膜が形成されると、該ＭｇＯ膜においては、基板Ｓの外周部で（００１）配向が低く且つ、基板Ｓの中央部で（００１）配向が高くなる傾向が全成膜圧力領域において認められた。
【００２４】
一方、図５に例示されるように、基板Ｓの回転が停止された状態、つまり基板Ｓの表面とターゲット表面Ｔａとの相対位置が固定された状態でＭｇＯ膜が形成されると、基板Ｓの表面とターゲット表面Ｔａとの相対距離に応じたかたちに（００１）配向の強度分布が現われることが認められた。言い換えれば、ＭｇＯターゲットＴの縁からの距離が等しくなる位置においてＭｇＯ（２００）ピークの強度が等しくなるように、（００１）配向の面内分布が現われることが認められた。
【００２５】
また各等高線Ｌａｒにより区画された領域である第１領域Ｚ１、第２領域Ｚ２、第３領域Ｚ３、第４領域Ｚ４では、（００１）配向の強度として、成膜圧力に応じた以下のような傾向が認められた。すなわち図５（ａ）に示されるように、成膜圧力が比較的低い１０ｍＰａと１９ｍＰａとにおいては、第１領域Ｚ１＜第４領域Ｚ４＜第２領域Ｚ２＜第３領域Ｚ３という強度関係が認められ、また図５（ｂ）に示されるように、成膜圧力が比較的高い３３ｍＰａ，８２ｍＰａ，１５７ｍＰａにおいては、第４領域Ｚ４＜第３領域Ｚ３＜第１領域Ｚ１＜第２領域Ｚ２という強度関係が認められた。なお、（００１）配向の強度が相対的に低くなる第１領域Ｚ１や第４領域Ｚ４はいずれも基板Ｓの外周部である。そのため、このような傾向は、基板Ｓが回転する状態で形成されたＭｇＯ膜の（００１）配向の面内分布、つまり基板Ｓの外周部における（００１）配向が基板Ｓの中央部における（００１）配向よりも低くなる面内分布、を支持するものでもある。
【００２６】
上述するような（００１）配向の強度分布の傾向は、
・［ａ１］相対的にＭｇＯターゲットＴに近い領域である第１領域Ｚ１において該領域に到達する粒子の高いエネルギーにより非晶質磁性膜の非晶質性が失われること、
・［ｂ１］相対的にＭｇＯターゲットＴから遠い領域である第４領域Ｚ４において該領域に到達する粒子の低いエネルギーによりＭｇＯの多結晶化、あるいは（００１）面の優先的な配向が促進され難いこと、が要因であることを示唆するものである。
【００２７】
また領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４における（００１）配向の強度関係は、上記［ａ１］［ｂ１］に起因した低強度の領域が成膜圧力の上昇に従ってＭｇＯターゲットＴに近づくようにシフトし、反対に成膜圧力の下降に従ってＭｇＯターゲットＴから遠ざかるようにシフトすることを示唆するものである。詳述すると、上記非晶質磁性膜に到達する各種粒子は一般に、ＭｇＯターゲットＴから放出された後に他の粒子との衝突を繰り返して自身のエネルギーを低下させる。つまり上記非晶質磁性膜に到達する各種粒子が高い成膜圧力のもとで飛行するほど該粒子のエネルギーが低下する一方、各種粒子が低い成膜圧力のもとで飛行するほど該粒子のエネルギーの低下が抑えられることになる。よって比較的低い成膜圧力においては、非晶質磁性膜に到達する粒子のエネルギーが比較的高くなるため、上記［ａ１］に起因する低強度の領域が顕著に現われることになる。反対に比較的高い成膜圧力においては、非晶質磁性膜に到達する粒子のエネルギーが比較的低くなるため、上記［ｂ１］に起因する低強度の領域が顕著に現われることになる。それゆえに図５（ａ）と図５（ｂ）とにおける（００１）配向の強度関係は、このような成膜圧力の差異に従って上記［ａ１］［ｂ１］に起因した低強度の領域がシフトすることを示唆するものである。
【００２８】
ここで、上述するような比較的低い成膜圧力で初期のＭｇＯ膜が成膜されると、上記［ａ１］に記載されるように、高いエネルギーを保有した粒子が非晶質磁性膜に到達してしまい、このような粒子が着弾する非晶質磁性膜の部位において非晶質性が失われることとなる。そこで非晶質磁性膜の非晶質性が保持される上記境界圧力Ｐｔｈとしては、基板Ｓの回転が停止された状態で上記［ａ１］に起因した低強度の領域が基板Ｓ（つまり第１領域Ｚ１）から外れる最も低い圧力、すなわち上記試験例においては図５（ａ）の状態から図５（ｂ）の状態に切り替わる圧力、３３ｍＰａが設定される。このようにして設定された境界圧力Ｐｔｈによれば、ＭｇＯ膜が形成される初期の段階において、上記［ａ１］に起因した低強度の領域が成膜初期において形成され難くなり且つ、そうした成膜圧力のうち、最も（００１）配向の強度が高くなる初期膜が形成されることとなる。そして下層のＭｇＯ膜が一旦形成された状態であれば非晶質磁性膜の非晶質性がこれによって保護されるため、境界圧力Ｐｔｈ未満の成膜圧力で上層のＭｇＯ膜が形成されても、上記［ａ１］に起因したダメージが起り難くなる。それゆえに（００１）配向の強度が高くなるかたちで上層のＭｇＯ膜が形成可能となる。
【００２９】
なお非晶質磁性膜に到達したときの各種の粒子のエネルギーは、該粒子の飛行期間において該粒子が他の粒子と衝突した回数、すなわち平均衝突回数が多くなるほど低くなり、反対に該粒子の平均衝突回数が少なくなるほど高くなる。そして非晶質磁性膜に入射する粒子から該非晶質磁性膜に供給されるエネルギーも、平均衝突回数が多くなるほど低くなり、反対に該粒子の平均衝突回数が少なくなるほど高くなる。それゆえに上記境界圧力Ｐｔｈとは、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が基板Ｓに到達するまでに他の粒子と衝突する回数である平均衝突回数によって規格化可能である。
【００３０】
このような平均衝突回数は、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が飛行する距離を、該粒子が他の粒子と衝突せずに飛行する距離、すなわち平均自由行程λＸで除算することにより得られる。この平均自由行程λＸとは、スパッタガスとして例えばＡｒガスを用いた場合に、以下に示される各種パラメータを用いて、下記式（１）、式（２）、式（３）に基づいて得られる。なお同式（１）〜（３）を用いて得られたＭｇ粒子及びＯ粒子の平均自由行程λＸを図６に示す。図６は、上記薄膜形成装置１０における平均自由行程λＸと成膜圧力との関係をＭｇ粒子とＯ粒子とについて示すグラフである。なお式（１）〜（３）に用いられる各種のパラメータは以下の通りである。
σ＊：衝突相対直径
ｎＡｒ：真空槽１１の内部におけるアルゴンガスの分子密度（個／ｍ３）
σＸ：算出対象となる粒子Ｘ（Ｍｇ粒子あるいはＯ粒子）の分子直径
σＡｒ：アルゴン粒子の分子直径
ｋＢ：ボルツマン定数
ＰＡｒ：真空槽１１における内部の圧力（成膜圧力）
Ｔ：真空槽１１における内部の温度（成膜温度：２７℃）
【００３１】
【数１】
0005596694.tif 000002
【００３２】
【数２】
0005596694.tif 000003
【００３３】
【数３】
0005596694.tif 000004
図６に示されるように、式（１）〜（３）に基づいて得られるＭｇ粒子の平均自由行程λＸとＯ粒子の平均自由行程λＸとは、いずれも０．１Ｐａ以下となる圧力領域において低圧になるほど急激に長くなる傾向を有し且つ、互いに同程度の値を有している。そのためターゲット表面Ｔａから放出されたＭｇ粒子及びＯ粒子が他の粒子と衝突する回数も、いずれも０．１Ｐａ以下となる圧力領域において低圧になるほど急激に少なくなり且つ、互いに同程度の回数になる。それゆえに非晶質磁性膜に非晶質性を誘起させない上記境界圧力Ｐｔｈとは、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子の飛行距離を上記最短飛行距離ｄｔｓとして、これを境界圧力Ｐｔｈに対応する平均自由行程λＸ（境界平均自由行程ＭＦｔｈ）により除算した回数（ｄｔｓ／ＭＦｔｈ：以下、境界衝突回数という。）で規格化することが可能である。すなわち上述する薄膜形成装置１０では、ＭｇＯ膜が形成される初期の段階において、まず境界衝突回数以上の基準衝突回数となる第１圧力領域（圧力Ｐ２）下で非晶質磁性膜上に下層のＭｇＯ膜を形成し、次いで境界衝突回数未満の回数となる第２圧力領域（圧力Ｐ１）下でさらに上層のＭｇＯ膜を形成することになる。なお、境界圧力Ｐｔｈが３３Ｐａとなる上記成膜条件では、境界平均自由行程ＭＦｔｈが６８ｃｍであり、最短飛行距離ｄｔｓが２００ｍｍであるため、上記境界衝突回数が２．９回となる。
【００３４】
次いで上記境界圧力Ｐｔｈ以上の成膜圧力で形成される下層のＭｇＯ膜の最適な膜厚について、試験例等とともに図７及び図８を参照して説明する。まず、基板Ｓを回転させながら、下記成膜条件を用いて互いに異なる下層成膜時間で複数のＭｇＯ膜を試験例として形成し、ＭｇＯ（２００）ピークの強度を各試験例についてＸ線回折法により計測した。なお下層成膜時間とは、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの期間である。図７は、膜厚により規格化されたＭｇＯ（２００）ピーク強度と基板Ｓの中心からの距離との関係を下層成膜時間ごとに示したグラフである。また図８は、膜厚により規格化されたＭｇＯ（２００）ピーク強度の平均値と下層成膜時間との関係を示すグラフである。
（成膜条件）
・基板Ｓ：シリコン基板（直径：８インチ）
・ターゲット：ＭｇＯターゲット（直径：５インチ）
・非晶質磁性膜：（ＣｏＦｅ）０．８Ｂ０．２
・基板温度：室温
・最短飛行距離ｄｔｓ：２００ｍｍ
・スパッタガス：Ａｒ・低成膜圧力：１０ｍＰａ
・高成膜圧力：１５７ｍＰａ
・下層成膜時間：０秒，６０秒，９０秒，１２０秒，１８０秒
・上層成膜時間：３０００秒
図７に示されるように、下層成膜時間が６０秒の場合、下層成膜時間が０秒の場合と比較して、基板Ｓの外周部ではＭｇＯ（２００）ピーク強度の増大が認められないものの、基板Ｓの中央部においてＭｇＯ（２００）ピーク強度の増大が認められた。そして下層成膜時間が９０秒の場合、下層成膜時間が６０秒の場合と比較して、基板Ｓの外周部及び基板Ｓの中央部の双方においてＭｇＯ（２００）ピーク強度の増大が認められた。つまり高成膜圧力のもとで下層のＭｇＯ膜が形成されることにより、上記［ａ１］に起因した（００１）配向の強度の低下が抑えられ、ＭｇＯ（２００）ピーク強度の向上が図れることが認められた。
【００３５】
図８に示されるように、下層成膜時間が０秒から１２０秒にかけては、下層成膜時間が増えるにつれて、ＭｇＯ（２００）ピーク強度が増大する傾向が認められた。一方、下層成膜時間が１２０秒を超えて１８０秒になると、反対にＭｇＯ（２００）ピーク強度の大幅な減少が認められた。つまり高成膜圧力のもとで形成される下層のＭｇＯ膜の膜厚が厚くなるほど、上記［ａ１］に起因した（００１）配向の強度の低下が抑えられる一方、このような下層のＭｇＯ膜の膜厚が過剰に厚くなると、かえって下層のＭｇＯ膜それ自身のＭｇＯ（２００）ピーク強度が全体において支配的となってしまい、（００１）配向の強度向上の妨げとなることが認められた。そして、この９０秒〜１２０秒の下層成膜時間により形成される下層のＭｇＯ膜の膜厚は、３原子層以上で４原子層以下であった。そのため、このような膜厚のＭｇＯ膜を下層の酸化マグネシウム膜として形成すれば、非晶質磁性膜に対する非晶質性の保護が不足することがなく、そのうえ下層のＭｇＯ膜に関わる不要な厚膜化が抑えられ、ＭｇＯ膜における（００１）配向がより確実に向上可能となる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の薄膜成膜方法によれば、少なくとも以下の効果を得ることができる。
（１）本方法は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）よりなるターゲット表面Ｔａを希ガスによりスパッタして基板Ｓの表面である非晶質磁性膜上に（００１）配向のＭｇＯ膜を形成することを含む。この形成工程では、まず、非晶質磁性膜の非晶質性を保持する第１圧力領域（本実施例では圧力Ｐ２）下でスパッタが行われて下層のＭｇＯ膜が形成される。次いで、非晶質磁性膜の非晶質性を保持しない第２圧力領域（本実施例では圧力Ｐ１）下でスパッタが行われて上層のＭｇＯ膜が形成される。この方法によれば、第２圧力領域下でターゲット表面Ｔａから放出される粒子（ＭｇやＯ）の入射エネルギーが非晶質磁性膜に吸収されることが下層のＭｇＯ膜により抑制される。よって、非晶質磁性膜の表面の改質が抑えられる。つまり、下層のＭｇＯ膜は非晶質磁性膜の非晶質性の消失を抑制する。これにより、非晶質磁性膜の非晶質性を維持しつつ、非晶質磁性膜上に形成されるＭｇＯ膜の（００１）配向性を向上させることができる。
【００３７】
（２）ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が入射した非晶質磁性膜において非晶質性が保持される平均衝突回数を基準衝突回数として定め、平均衝突回数が基準衝突回数になる高成膜圧力Ｐ２すなわち第１圧力領域において下層のＭｇＯ膜を形成する。その後、平均衝突回数が基準衝突回数未満になる低成膜圧力Ｐ１すなわち第２圧力領域において下層のＭｇＯ膜上に上層のＭｇＯ膜を積層する。
【００３８】
このような成膜方法によれば、非晶質磁性膜の非晶質性が保持される状態でＭｇＯ膜の初期膜が形成され、その後、（００１）配向が発現される高い入射エネルギーのＭｇＯ膜が、この初期膜によって保護された状態の非晶質磁性膜上に堆積される。その結果、後続して入射する粒子の高い入射エネルギーが該粒子に先行して到達している粒子の堆積により非晶質磁性膜に吸収され難くなり、非晶質磁性膜の結晶化が抑えられることとなる。そして、非晶質磁性膜の結晶化に対するこのような抑制効果により、ＭｇＯ膜の（００１）配向が向上可能となる。
【００３９】
（３）下層のＭｇＯ膜を形成する工程では３原子層以上で４原子層以下の厚さからなるＭｇＯ膜が形成される。下層のＭｇＯ膜による非晶質磁性膜の保護効果は、第２圧力領域（圧力Ｐ１）下で初期の段階にＭｇＯ膜が形成されるときに発現される。つまり、非晶質磁性膜における非晶質性の消失は、第２圧力領域（圧力Ｐ１）下でターゲット表面Ｔａから放出される粒子、つまり高いエネルギーを有した粒子が非晶質磁性膜に対して直接作用することにより誘発される。この際、下層のＭｇＯ膜が所定の膜厚以上に形成されるのであれば、上層のＭｇＯ膜の膜厚に関わらず、非晶質性の保護効果は担保される。また高成膜圧力Ｐ２で形成される下層のＭｇＯ膜においては、低成膜圧力Ｐ１で形成される上層のＭｇＯ膜と比較して、それを構成する粒子のエネルギーが不足しているため、（００１）配向が弱くなる傾向にある。上述するように下層のＭｇＯ膜の膜厚が３原子層以上で４原子層以下に規定される構成であれば、非晶質磁性膜に対する非晶質性の保護が不足するということが無い。そのうえ、必要とされるＭｇＯ膜の総膜厚が異なる場合であっても、（００１）配向の弱いＭｇＯ膜の不要な厚膜化が抑えられ、ＭｇＯ膜における（００１）配向がより確実に向上できる。
【００４０】
（４）ターゲット表面Ｔａから放出される粒子の分布は、該ターゲット表面Ｔａにおいて必ずしも均一とは限らない。むしろ、ターゲット表面Ｔａの近傍に形成されるプラズマ密度の分布や該表面Ｔａの近傍におけるガスの流れなどの影響により、ターゲット表面Ｔａから放出される粒子の分布は、所定の偏りを有するようになる。そのため、ターゲット表面Ｔａと基板Ｓの表面とが対向している場合や、あるいはターゲット表面Ｔａが基板Ｓの表面に対して静置されている場合には、ターゲット表面Ｔａから放出される粒子の分布が、ＭｇＯ膜の膜厚の分布にそのまま反映されてしまう可能性がある。その結果、下層となるＭｇＯ膜の膜厚の均一性や、上層となるＭｇＯ膜の（００１）配向の均一性を十分に得ることが難しくなる。本実施形態では、この点を考慮して、基板Ｓがターゲット表面Ｔａに対して回転することに加えて、基板Ｓの回転軸からターゲット表面Ｔａが離間し、且つ基板Ｓの表面に対してターゲット表面Ｔａが傾斜している。このため、ＭｇＯターゲットＴから放出される粒子の分布がターゲット表面Ｔａにおいて不均一であっても、こうした不均一が基板Ｓの表面で軽減される。それゆえに、ＭｇＯ膜の（００１）配向の向上と共にＭｇＯ膜の膜厚均一性が向上可能にもなる。
【００４１】
（５）真空槽１１の内部圧力が、第１圧力領域（圧力Ｐ２）から第２圧力領域（圧力Ｐ１）に切り替えられる際に、ターゲットＴへの電力の供給や真空槽１１への希ガスの供給が停止されないため、プラズマの状態を安定化させることができる。言い換えれば、圧力領域を切り替える時に電力の供給や希ガスの供給が停止されると、第２圧力領域（Ｐ１）で成膜を行う初期の段階でプラズマの状態が変動する。その結果、プラズマ状態を安定させるまでに時間が必要となり、初期に生成される上層のＭｇＯ膜において所望の特性を得ることが難しくなってしまう。本実施形態では、この点を考慮して、ＭｇＯターゲットＴに高周波電力を供給させつつ、且つ希ガスの流量を減少させることにより、第１圧力領域（Ｐ２）から第２圧力領域（Ｐ１）への切替えがなされる。このため、第２圧力領域（Ｐ１）の初期の段階においてプラズマの状態が定常的になりやすくなる。それゆえに、上層のＭｇＯ膜の初期膜において所望の特性が得られやすくもなる。
【００４２】
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・高成膜圧力Ｐ２（高圧領域）から低成膜圧力Ｐ１（低圧領域）への移行に際して高周波電力をＭｇＯターゲットＴに供給し続けることを前提としたが、これに換えて、該移行に際して、ＭｇＯターゲットＴへの高周波電力の供給が一旦停止されてもよく、また希ガスの供給が一旦停止される構成であってもよい。このような構成であれば、上記（１）〜（４）の効果に加え、高成膜圧力Ｐ２から低成膜圧力Ｐ１への過渡的な成膜状態が回避可能となるため、下層のＭｇＯ膜における配向強度の再現性、及び上層のＭｇＯ膜における配向強度の再現性を向上させることが可能にもなる。
【００４３】
・ターゲット表面Ｔａが基板Ｓの表面に対して傾斜した斜め入射スパッタリング法を前提としたが、これに限らず、例えばターゲット表面と基板の表面とが対向するかたちのスパッタリング法に上記技術を適用することも可能である。つまり平均衝突回数が基準衝突回数になる高圧領域において下層の酸化マグネシウム膜を形成した後に、平均衝突回数が基準衝突回数未満になる低圧領域において上層の酸化マグネシウム膜を積層するスパッタリング法であれば、ターゲット表面Ｔａと基板Ｓの表面とのなす角度は特に限定されるものではない。
【００４４】
・下層のＭｇＯ膜を形成する工程では、例えばＭｇＯ膜の総膜厚が薄い場合には下層のＭｇＯ膜をこれに合わせて１原子層以上且つ、３原子層未満で構成してもよく、あるいはＭｇＯ膜の総膜厚が厚い場合であれば、下層のＭｇＯ膜をこれに合わせて５原子層以上で構成してもよい。いずれの構成であっても、上記（１）の効果を得ることは可能である。
【００４５】
・互いに異なる複数の圧力値（成膜圧力）のもとで非晶質磁性膜上にＭｇＯ膜を形成し、該ＭｇＯ膜のＭｇＯ（２００）ピーク強度を複数の圧力値の各々について計測し、第１領域Ｚ１におけるＭｇＯ（２００）ピーク強度と第４領域Ｚ４におけるＭｇＯ（２００）ピーク強度とが反転する圧力を境界圧力Ｐｔｈとして設定した。このような境界圧力Ｐｔｈの設定方法に限らず、互いに異なる複数の圧力値のもとで非晶質磁性膜上にＭｇＯ膜を形成し、該磁性膜における結晶性の有無をＸ線回折で計測することにより境界圧力Ｐｔｈを設定してもよい。あるいは非晶質磁性膜を結晶化させるために必要とされるエネルギー量とＭｇＯターゲットＴから放出された各種粒子の非晶質磁性膜上におけるエネルギー量とから境界圧力Ｐｔｈを推定してもよい。つまり境界圧力Ｐｔｈは、ターゲットから放出された粒子が非晶質磁性膜に到達するまでに他の粒子と衝突する平均衝突回数が、ターゲットから放出された粒子が入射する非晶質磁性膜において非晶質性が保持される回数となるときの圧力値に設定されればよい。
【図１】
0005596694.tif 000005
【図２】
0005596694.tif 000006
【図３】
0005596694.tif 000007
【図４】
0005596694.tif 000008
【図５】
0005596694.tif 000009
【図６】
0005596694.tif 000010
【図７】
0005596694.tif 000011
【図８】
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