(57)【要約】  基板上の自己バイアスを常に一定に自動調整し、高品質な絶縁膜をプロセス再現性良く形成するために、本発明に従った真空薄膜形成加工装置は、チャンバと、チャンバ内部を排気する排気手段と、チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、チャンバ内に設けられた基板ホルダと、基板ホルダ内部に設けられた電極を有する高周波スパッタリング装置、並びに、少なくとも１つの真空処理室を含み、真空処理室は、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）室、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）室、物理的エッチング室、化学的エッチング室、基板加熱室、基板冷却室、酸化処理室、還元処理室、及びアッシング室からなるグループから選択可能であり、高周波スパッタリング装置は、電極と電気的に接続されており基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構を備えていることを特徴とする。
2009044474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバ内部を排気する排気手段と、
前記チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、
前記チャンバ内に設けられた基板ホルダと、
前記基板ホルダ内部に設けられた電極を有する高周波スパッタリング装置、並びに、
少なくとも１つの真空処理室であって、前記真空処理室が、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）室、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）室、物理的エッチング室、化学的エッチング室、基板加熱室、基板冷却室、酸化処理室、還元処理室及びアッシング室からなるグループから選択可能である真空処理室を含む、
真空薄膜形成加工装置であって、
前記高周波スパッタリング装置が、前記電極と電気的に接続されており前記基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構を備えていることを特徴とする真空薄膜形成加工装置。
【請求項２】
前記高周波スパッタリング装置と、前記少なくとも１つの真空処理室とは、真空搬送室を介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の真空薄膜形成加工装置。
【請求項３】
前記高周波スパッタリング装置がさらに、
前記電極上に設けられており流入電子を検出するための流入電子検出手段と、前記流入電子検出手段によって検出した電流を基板電位に換算する演算回路と、前記演算回路からの基板電位信号を演算処理し前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の真空薄膜形成加工装置。
【請求項４】
前記電極へ入力電力を供給するバイアス電力供給用高周波電源と、前記バイアス電力供給用高周波電源に接続されており、前記高周波電源からの入射波と前記電極側からの反射波を検出する検出器と、検出された入射波及び反射波に基づいて、反射波が検出されないように前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路を備えることを特徴とする請求項２に記載の真空薄膜形成加工装置。
【請求項５】
請求項１記載の真空薄膜形成加工装置により形成された磁気抵抗薄膜を有することを特徴とするMTJデバイス。
【請求項６】
請求項１記載の真空薄膜形成加工装置を用いた真空薄膜形成方法であって、
前記高周波スパッタリング装置を用いたマッチング工程と、
前記少なくとも１つの真空処理装置において、基板を真空処理する真空処理工程と、
を有することを特徴とする真空薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッドおよび磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子および磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁膜MgOをトンネルバリア層としたトンネル磁気抵抗薄膜は、室温で200％以上の巨大な磁気抵抗変化率を示すことから、再生用磁気ヘッドおよびMRAMの記憶素子への応用が期待されている。磁気ヘッドの高分解能化およびMRAMの高集積化のためにその素子サイズを小さくする要求があるが、データの高速転送を確保するためには接合抵抗を低くすることが必要不可欠である。トンネルバリア層MgOの膜厚を薄くすることで接合抵抗を下げることはできるが、同時に磁気抵抗変化率も低下してしまうという問題がある。MgO膜成長初期段階における結晶配向が乱れていたためと考えられる。【０００３】
高周波スパッタリングでは、プラズマと接する構造物に対し容易にバイアス電圧がかかり、プラズマとの電位差で加速されたプラズマからの正イオンの流入が避けられないため、基板や成膜中の膜にダメージが発生するという問題がある。また、基板に絶縁膜が堆積していくにつれ、基板の電位は徐々に変化することも考慮しなければならない。【０００４】
特許文献１には、高周波スパッタリング装置における基板電極に設けられた可変抵抗の抵抗値を変更させることによって、アノード電極に対する基板電極の電位を変更することができる技術が開示されている。特許文献２には、基板とターゲットとの間に基板への入射粒子制御用の電極が設けられた高周波スパッタリング装置が開示されている。
【特許文献１】特開平９−３０２４６４号公報
【特許文献２】特開平６−１７９９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の高周波スパッタリング法においては、絶縁膜を形成する際、プロセス再現性を確保することが困難であった。絶縁膜がシールド、基板ホルダに堆積するに従いその電位が経時変化し、プラズマの状態、基板上における自己バイアスの大きさを一定に保つことができなかった。そのため、処理する基板毎に、品質が異なっていた。特に同成膜装置内で金属薄膜を形成する場合は、それが顕著である。また、基板が導電性である場合も同様、基板上に絶縁膜が堆積するに従い基板上の自己バイアスの大きさが経時変化し、プロセス不安定性を招いていた。本発明の目的は基板上の自己バイアスを常に一定に自動調整し、高品質な絶縁膜をプロセス再現性良く形成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に従った真空薄膜形成加工装置は、チャンバと、チャンバ内部を排気する排気手段と、チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、チャンバ内に設けられた基板ホルダと、基板ホルダ内部に設けられた電極を有する高周波スパッタリング装置、並びに、少なくとも１つの真空処理室を含み、真空処理室は、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）室、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）室、物理的エッチング室、化学的エッチング室、基板加熱室、基板冷却室、酸化処理室、還元処理室及びアッシング室からなるグループから選択可能であり、高周波スパッタリング装置は、電極と電気的に接続されており基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の可変インピーダンス機構により基板にかかる自己バイアスの大きさを制御する真空薄膜形成加工装置によれば、基板上の自己バイアスを常に一定に自動調整し、高品質な薄膜をプロセス再現性良く形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に従った高周波スパッタリング装置の概略図である。
【図２】本発明に従った高周波スパッタリング装置を用いた成膜方法を示す図である。
【図３】本発明に従った高周波スパッタリング装置の概略図である。
【図４】本発明に従ったスパッタリング装置を含む真空薄膜形成加工装置の概略図である。
【図５】本発明に従ったスパッタリング装置を用いて製造された磁気抵抗薄膜の概略図である。
【図６】本発明に従ったスパッタリング装置を用いて製造された基板の、基板処理枚数に対する接合抵抗の変化を示す図である。
【符号の説明】
【０００９】
１  高周波スパッタリング装置
３  基板ホルダ
４  可変インピーダンス機構
８  Vdc演算回路
９  インピーダンス制御部
１０  入力検出器
１１  高周波電源
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の特徴を示す高周波スパッタリング装置１の模式図である。図１を参照して、本発明を適用できる高周波スパッタリング装置１の構成について説明する。スパッタリング装置１は、スパッタリングカソード１３ａ及び１３ｂを備えており、カソード１３ａ及び１３ｂはそれぞれターゲット載置台を備えている。カソード１３ａ及び１３ｂのターゲット載置台には、ターゲット５ａ及び５ｂがそれぞれ搭載されている。本実施例においては、ターゲット５ａは絶縁物MgOターゲットであり、ターゲット５ｂは金属Ｔａターゲットであるが、ユーザの選択により適宜変更することは可能である。カソード１３ａは、高周波電源６と接続しており、カソード１３ｂは、ＤＣ電源１５に接続している。スパッタリング装置１はさらに、スパッタリング処理が施される基板２を載置するための基板載置台を備えた基板ホルダ３と、ターゲット５から放出されるスパッタリング粒子が真空チャンバ１６へ付着するのを防止するためのメタルシールド７とを有している。カソード１３ａ及び１３ｂのそれぞれのターゲット載置台の表面は、基板ホルダ３の基板載置台に対して非平行に設置されている。ここでターゲット５ａ及び５ｂの直径は基板ホルダ３と同じか、または小さいことが好ましい。【００１１】
基板ホルダ３内部に設けられた電極１２には、可変インピーダンス機構４が電気的に接続されている。可変インピーダンス機構４は、コンデンサＣやコイルＬを組み合わせたインピーダンスマッチング回路を含む。また、可変インピーダンス機構４には、インピーダンス制御部９と、入力検出器１０を介して高周波電源１１とが接続されている。Arなどのガスは、ガス供給装置１４によって、チャンバ１６内部に供給される。図示してはいないが、スパッタリング装置１は、チャンバ１６内部のガスを排気するためのガス排気手段も含んでいる。【００１２】
図２を参照して、高周波スパッタリング装置１を用いた成膜方法について説明する。本実施形態において使用した高周波スパッタリング装置１は、直径ｄの基板２の法線Ｈに対し、スパッタリングカソード１３に搭載されている直径Ｄのターゲット５の中心軸線Ａを角度θにして設置し、法線Ｈと、中心軸線Ａと基板２を含む面との交点Ｐのオフセット距離Ｆを適宜定め、かつターゲット５と、基板２との距離Ｌを適宜定めて、スパッタリングする方法および装置であって、基板２の直径ｄとターゲット５の直径Ｄの比率、角度θ、距離Ｆ、Ｌの数値を下記のようにすることを特徴としたものである。なお、Ｏは基板２の中心点であり、Ｂは中心点０を通る基板２の中心軸線である。【００１３】
角度θは、１５度≦θ≦４５度、距離Ｆは、５０ｍｍ≦Ｆ≦４００ｍｍ、距離Ｌは、５０ｍｍ≦Ｌ≦８００ｍｍの条件を満たすように構成されており、以下の実施例においては、θを３０度、Ｆを２５０ｍｍ、Ｌを３４６．６ｍｍとした。【００１４】
成膜中、真空チャンバ内の圧力は、薄膜への不純物の混入なく成膜を行うため約10-7Ｐａ以下に維持される。ガス供給装置１４より、真空チャンバ内にArガスが導入され、高周波電源６より、カソード１３ａに高周波電力（１３．５６ＭＨｚ〜６０ＭＨｚ）が印加されると、真空チャンバ１６内にプラズマが発生する。プラズマから引き出されたArイオンがターゲット５に衝突し、スパッタ粒子として基板２上にMgO膜が形成される。【００１５】
上述したように絶縁物（MgO）ターゲット５ａに高周波電力を印加してスパッタを行う際、フローティング電位にある基板ホルダ３は、プラズマの発生により、容易に負の電圧に帯電してしまう。このため、基板２には、自己バイアスが作用し、プラズマからのＡｒ正イオンがプラズマの正電位と基板の負電位の電位差により加速され、基板２へ流入してしまい、基板２や成膜中の膜にダメージを与えてしまう。この問題に対処すべく、本発明に従ったスパッタリング装置１は、可変インピーダンス機構４を含む。【００１６】
本発明の主要部である可変インピーダンス機構４を用いたマッチング方法を説明する。基板ホルダ３内に設けられた電極１２には、可変インピーダンス機構４が接続され、さらに可変インピーダンス機構４には、高周波電源１１が接続されている。高周波電源１１から基板ホルダ３に微小なバイアス電力が印加される。ここで、印加されるバイアス電圧は、成膜中の膜を破壊しないくらい小さな電力（４Ｗ）である。【００１７】
入力検出器１０は、高周波電源１１の入力波と、マッチングが取れず電力消費されなかった場合に生ずる反射波とを検出し、インピーダンス制御部９へ入力する。インピーダンス制御部９は、入力検出器から送られてくる入力波の値と、電極側からの反射波の値とに基づいて、可変インピーダンス機構４を制御する。より具体的には、インピーダンス制御部９は、可変インピーダンス機構４に含まれるインピーダンスマッチング回路のコンデンサＣ１、Ｃ２やコイルＬ１、Ｌ２の比率を適切に調整し、上述した反射波が検出されないように、可変インピーダンス機構４を制御する。なお、図１においてはコンデンサＣ１、Ｃ２及びコイルＬ１、Ｌ２のみが図示されているが、コンデンサＣとコイルＬの選択及びその組み合わせは、実施態様により適宜設計変更することが可能である。反射波が検出されず、入力波のみが検出された場合は、可変インピーダンス機構４は、マッチングが取れている、つまり、基板２上の自己バイアスがゼロであるものと判断する。【００１８】
このように基板２にバイアス電力（電力進行波）を印加し、その反射波の検出に基づいて、可変インピーダンス機構４を制御することにより、自動マッチングを取ることができる。可変インピーダンス４により基板２の電位を調整することでプラズマから流入する正イオンの入射エネルギーを最適化することができる。【００１９】
高周波スパッタリング装置１内で、MgO以外のメタル膜（例えば、Ta）を成膜すると、MgO膜だけでなく、Ta膜もシールド７や真空チャンバ１６内壁に付着してしまう。なお、ここでいうシールド７とは、真空チャンバ１６へ膜が付着するのを防止するために設けられたもので、装置ユーザによって取替え可能である。シールド７の電位は、成膜処理枚数や複数の膜の付着により経時変化してしまう。これにより、膜の均質性及び均一性を損なうといった問題も生じるが、本発明の可変インピーダンス機構４を備えた高周波スパッタリング装置１を使用すれば、解決することができる。また、導電性基板２に絶縁膜が徐々に堆積することで、基板２の電位は経時変化する。つまり、絶縁物は、電気的にキャパシタンスとして作用するので、MgO膜が堆積した基板電位は、変化してしまう。本発明によれば、こうした基板電位も、常に最適な値に調整することができる。【００２０】
次に、図３について説明する。図３に示すように、基板２が載置されている基板ホルダ３内部には電極１２が設けられている。電極１２上には、プラズマからの流入電子を取り込むことによって電流値を検出する流入電子検出センサ(Ｖｄｃ検出センサ) １７が設けられている。ここで、Ｖｄｃとは、グラウンドと基板の電位差である。本実施例の高周波スパッタリング装置には、放電検出センサ１７から検出した電流値をVdcに換算する演算部８ａを含む演算回路８と、演算回路８からのVdc信号を演算処理し、可変インピーダンス機構４のインピーダンスを制御するインピーダンス制御回路部９とが設けられている。可変インピーダンス機構４はコンデンサＣやコイルＬを組み合わせたインピーダンスマッチング回路を含み、基板ホルダ３内部に設けられた電極１２に電気的に接続されている。第１の実施形態における高周波スパッタリング装置と異なり、高周波電源を用いる必要はない。【００２１】
本実施形態の高周波スパッタリング装置の動作を説明する。Vdc検出センサ１７は、プラズマから基板２への流入電子を取り込み、電流値として検出する。検出された高周波電流値は、Vdc演算回路８のLC回路により直流成分のみ取り出され、オームの法則に基づいて演算部８ａによってVdcが導出される。Vdc演算部８ａにより計算されたVdcに基づいて、インピーダンス制御部９は、可変インピーダンス機構４を構成するコンデンサＣ１、Ｃ２やコイルＬ１、Ｌ２の比率を適切に調整し、Vdcを０とするように可変インピーダンス４を調整する。なお、図３においてはコンデンサＣ１、Ｃ２及びコイルＬ１、Ｌ２のみが図示されているが、コンデンサＣとコイルＬの選択及びその組み合わせは、実施態様により適宜設計変更することが可能である。インピーダンスの変更により基板が大きな負の電位を持つようになれば、膜は流入イオンにより膜組織が破壊される。逆に、基板電位がグラウンドに近づきすぎると、流入電子が膜を介してグラウンドに流れ込み、その電流により膜組織が破壊されてしまう。その両者の間に最適インピーダンスが存在する。本実施形態に示すように、Vdc等の放電パラメータをモニタリングし自動でフィードバックをかけてインピーダンスを変化させることによって、導電性基板２や導電性シールド７に徐々に絶縁膜が堆積することで経時変化する基板電位を常に最適化した電位に調整することができる。【００２２】
図１に示す本発明のスパッタリング装置１を含む、トンネル磁気抵抗薄膜を作製するための真空薄膜形成加工装置４００の概略構成図を、図４に示す。真空薄膜形成加工装置４００はクラスタ型であり、複数の真空処理室４１１、４２１、４３１、４４１及び４５１を備えている。真空処理室には、少なくとも物理的気相蒸着（ＰＶＤ）室、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）室、物理的エッチング室、化学的エッチング室、基板加熱室、基板冷却室、酸化処理室、還元処理室及びアッシング室が含まれるが、これらに限定されるものではない。真空搬送ロボット４８２ａ及び４８２ｂが備えられた真空基板搬送室４８１が中央位置に設置されており、各真空処理室は真空搬送室を介して相互に連結されている。真空搬送ロボット４８２ａ及び４８２ｂは、伸縮自在なアーム４８３ａ及び４８３ｂと基板を搭載するためのハンド４８４ａ及び４８４ｂとを備えている。アーム４８３ａ及び４８３ｂの基端部は真空基板搬送室４８１に回転自在に取り付けられている。図４に示す真空薄膜形成加工装置４００の真空基板搬送室４８１には、ロードロックチャンバ４６５及び４７５が設けられている。ロードロックチャンバ４６５及び４７５によって、外部から真空薄膜形成加工装置４００に処理対象の基板を搬入すると共に、磁性多層膜の成膜処理が終了した基板を真空薄膜形成加工装置４００から外部へ搬出する。真空基板搬送室４８１とロードロックチャンバ４６５及び４７５それぞれの間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｆ及び４９０ｇが設けられている。図４に示す真空薄膜形成加工装置４００では、真空基板搬送室４８１の周囲に、４つの成膜チャンバ４１１、４２１、４３１及び４５１と、１つの前処理チャンバ４４１とが設けられている。真空基板搬送室４８１と処理チャンバの間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ａ乃至ｅがそれぞれ設けられている。なお各チャンバには真空排気手段、ガス導入手段、電力供給手段、等が付設されているが、それらの図示は省略されている。図４に示す真空薄膜形成加工装置４００のスパッタリング成膜チャンバ４１１、４２１、４３１及び４５１の各々は、磁気抵抗素子を構成する複数の膜を同じチャンバ内で連続して成膜するための成膜チャンバであり、１つの成膜チャンバに少なくとも１つのターゲットとスパッタリングカソードが設けられている。【００２３】
スパッタリングチャンバ４１１では、チャンバ底部中央の基板ホルダ４１２上に配置された基板４１３に対して、天井部にＴａのターゲット４１４ａ、MgOのターゲット４１４ｂがおのおの図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なおスパッタリングチャンバ４１１は、図４に示すように、ターゲット４１４ｃ及び４１４ｄも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜使用することも可能である。真空基板搬送室４８１とスパッタリングチャンバ４１１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｅが設けられている。【００２４】
スパッタリングチャンバ４２１においては、チャンバ底部中央の基板ホルダ４２２上に配置された基板４２３に対し、天井部にRuのターゲット４２４ａ、IrMnのターゲット４２４ｂ、７０CoFeのターゲット４２４ｃ及びCoFeBのターゲット４２４ｄが、おのおの図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なおスパッタリングチャンバ４２１は、図４に示すように、ターゲット４２４ｅも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜使用することが可能である。真空基板搬送室４８１とスパッタリングチャンバ４２１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｄが設けられている。【００２５】
スパッタリングチャンバ４３１においては、チャンバ底部中央の基板ホルダ４３２上に配置された基板４３３に対し、Taのターゲット４３４ａ及びCuのターゲット４３４ｂが、おのおの図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なおスパッタリングチャンバ４３１は、図４に示すように、ターゲット４３４ｃ、４３４ｄ及びターゲット４３４ｅも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜使用することが可能である。真空基板搬送室４８１とスパッタリングチャンバ４３１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｃが設けられている。【００２６】
前処理チャンバ４４１においては、チャンバ底部中央の基板ホルダ４４２上に配置された基板４４３に対し、物理的エッチングにより成膜前の基板のクリーニング等の前処理が行われる。真空基板搬送室４８１と前処理チャンバ４４１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ｂが設けられている。【００２７】
スパッタリングチャンバ４５１においては、チャンバ底部中央の基板ホルダ４５２上に配置された基板４５３に対し、天井部にCoFeBのターゲット４５４ａ、Taのターゲット４５４ｂ、Cuのターゲット４５４ｃ及びRuのターゲット４５４ｄが、おのおの図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なおスパッタリングチャンバ４５１は、図４に示すように、ターゲット４５４ｅも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜使用することが可能である。真空基板搬送室４８１と成膜チャンバ４５１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ４９０ａが設けられている。【００２８】
ロードロックチャンバ４６５及び４７５を除く全てのチャンバは、1×10-6 Pa以下の真空室であり、各真空室間の基板の移動は、真空搬送ロボット４８２ａ及び４８２ｂによって真空中にて行われる。スピンバルブ型のトンネル磁気抵抗薄膜を形成するための基板は、初め大気圧にされたロードロックチャンバ４６５又は４７５に配置され、ロードロックチャンバ４６５又は４７５を真空排気した後、真空搬送ロボット４８２ａ及び４８２ｂによって所望の真空室に搬送される。【００２９】
基本的な膜構成は、図５に示すように、熱酸化処理基板５０１上に、下部電極層としてTa膜５０２(50Å)/CuN膜５０３(200Å)/Ta膜５０４(30Å)/CuN膜５０５(200Å)/Ta膜５０６(30Å)、シード層としてRu膜５０７(50Å)、反強磁性層としてIrMn膜５０８(70Å)、磁化固定層としてCoFe膜５０９(25Å)/Ru膜５１０(9Å)/CoFeB膜５１１(30Å)からなる反強磁性結合体を用い、トンネルバリア層としてMgO膜５１２(10〜16Å)を用いる。磁化自由層としてはCoFeB膜５１３(30Å)を成膜する。最後に上部電極としてTa膜５１４(80Å)/Cu膜５１５(300Å)/Ta膜５１６(50Å)/Ru膜５１７(70Å)の積層構造を使用する。【００３０】
そのような膜構成を効率的に成膜するために、スパッタリングチャンバ４１１にはトンネルバリア層用MgOと清浄雰囲気作製用Taを、スパッタリングチャンバ４２１にはRu、 IrMn、 CoFe、 CoFeBを、スパッタリングチャンバ４３１にはTa、Cuを、スパッタリングチャンバ４５１にはCoFeB、 Ta、 Cu、 Ruを、スパッタリングリングターゲットとして配置する。初めに、基板を前処理チャンバ４４１に搬送し、逆スパッタエッチングにより、大気中で汚染された表面層の約２nmを物理的に除去し、その後、スパッタリングチャンバ４３１に搬送して、Ta膜５０２、CuN膜５０３、Ta膜５０４、CuN膜５０５及びTa膜５０６からなる下部電極層まで成膜する。その後、スパッタリングチャンバ４２１に移動してRu膜５０７からなるシード層ならびにIrMn膜５０８、ＣｏＦｅ膜５０９、Ru膜５１０、CoFeB膜５１１からなる反強磁性結合層を、スパッタリングチャンバ４１１に搬送してトンネルバリア層MgO膜５１２（膜厚は１０〜１６Å）を成膜する。ここで、前述した斜めスパッタリング法を利用して、トンネルバリア層MgO膜５１２を成膜することによって、膜厚１０〜１６Åの非常に薄いMgO膜を得ることができる。トンネルバリア層形成後、スパッタリングチャンバ４５１に搬送して、CoFeB膜５１３からなる磁化自由層ならびにTa膜５１４、Cu膜５１５、Ta膜５１６及びRu膜５１７からなる上部電極層を成膜して、ロードロックチャンバ４６５又は４７５に帰す。【００３１】
作製したトンネル磁気抵抗薄膜は、磁場中アニール炉に入れ、強さ8kOe以上の一方向に平行な磁場を印加しながら、真空中にて所望の温度と時間でアニール処理を行う。このようにして完成した磁気抵抗薄膜を図５に示している。トンネルバリア層５１２がMgO膜である磁気抵抗薄膜を、真空薄膜形成加工装置４００を用いて成膜する際、MgOトンネルバリア層５１２を、図１に示す高周波スパッタリング装置１で形成することにより高性能の磁気抵抗薄膜を得ることができる。【００３２】
図５に示すトンネル磁気抵抗薄膜を用いて、例えば再生用磁気ヘッド、MRAM、磁気センサといったMTJデバイスを製造することが可能である。【００３３】
図６は、基板処理枚数（枚）に対する、接合抵抗ＲＡ（Ω・μｍ2）の変化を示す図である。真空薄膜形成加工装置４００を用い、さらにMgOトンネルバリア層５１２を高周波スパッタリング装置１内で形成することで図５のトンネル磁気抵抗薄膜を作製する際、可変インピーダンス機構４のキャパシタンス比をａ)C1/C2を固定した場合、ｂ)4Wという極めて小さなバイアス電力を印加することで自動マッチングを行いC1/C2比を自動制御した場合、との基板間再現性を比較した。C1/C2比を固定したａ)の場合、基板処理枚数が増えるに従いRAが増加した。MgO膜厚が増加したためである。一方、基板電位やプラズマの状態を一定に保つためインピーダンスを常時調整するｂ）の場合には、ａ)の場合のようなRAの逓増傾向は認められず、プロセス再現性が向上した。本実施例では絶縁膜としてMgOを用い、再現性の調査はトンネル磁気抵抗膜のRAで行ったが、その他絶縁膜の場合も同様本発明はプロセス再現性の向上に有効であると考えられる。【００３４】
上述の実施例は、本発明の範囲を限定するものではなく、本実施例の教示ないし示唆に基づいて、本発明請求の範囲の主題内容を実現すべく、上述の諸実施例を適宜変更することができる。
【図１】
2009044474.tif 000003
【図２】
2009044474.tif 000004
【図３】
2009044474.tif 000005
【図４】
2009044474.tif 000006
【図５】
2009044474.tif 000007
【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年6月29日(2009.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバ内部を排気する排気手段と、
前記チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、
前記チャンバ内に設けられた基板ホルダと、
前記基板ホルダの基板載置台に対して非平行に設置されたターゲット載置台と、
前記基板ホルダ内部に設けられた電極を有する高周波スパッタリング装置、並びに、
少なくとも１つの真空処理室であって、前記真空処理室が、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）室、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）室、物理的エッチング室、化学的エッチング室、基板加熱室、基板冷却室、酸化処理室、還元処理室及びアッシング室からなるグループから選択可能である真空処理室を含む、
真空薄膜形成加工装置であって、
前記高周波スパッタリング装置が、
前記電極と電気的に接続されており前記基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構と、
前記電極上に設けられており流入電子を検出するための流入電子検出手段と、
前記流入電子検出手段によって検出した電流を基板電位に換算する演算回路と、
前記演算回路からの基板電位信号を演算処理し前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路と、
を備えていることを特徴とする真空薄膜形成加工装置。
【請求項２】
前記高周波スパッタリング装置と、前記少なくとも１つの真空処理室とは、真空搬送室を介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の真空薄膜形成加工装置。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
請求項１記載の真空薄膜形成加工装置を用いた真空薄膜形成方法であって、
前記高周波スパッタリング装置を用いたマッチング工程と、
前記少なくとも１つの真空処理装置において、基板を真空処理する真空処理工程と、
を有することを特徴とする真空薄膜形成方法。
【請求項７】
チャンバと、
前記チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、
前記チャンバ内に前記ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記チャンバ内に設けられた基板ホルダと、
前記基板ホルダ内部に設けられた電極と、
前記電極と電気的に接続されており前記基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構と、
前記電極上に設けられており、前記プラズマからの流入電子を検出するための流入電子検出手段と、
前記流入電子検出手段によって検出した電流を、グラウンドと前記基板ホルダに載置される基板との電位差に換算する演算回路と、
前記演算回路にて換算された電位差に基づいて、該電位差をゼロとするように前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路と
を備えることを特徴とする高周波スパッタリング装置。
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月12日(2010.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバ内部を排気する排気手段と、
前記チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、
前記チャンバ内に設けられた基板ホルダと、
前記基板ホルダの基板載置台に対して非平行に設置されたターゲット載置台と、
前記基板ホルダ内部に設けられた電極を有する高周波スパッタリング装置、並びに、
少なくとも１つの真空処理室であって、前記真空処理室が、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）室、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）室、物理的エッチング室、化学的エッチング室、基板加熱室、基板冷却室、酸化処理室、還元処理室及びアッシング室からなるグループから選択可能である真空処理室を含む、
真空薄膜形成加工装置であって、
前記高周波スパッタリング装置が、
前記電極と電気的に接続されており前記基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構と、
前記電極上に設けられており流入電子を検出するための流入電子検出手段と、
前記流入電子検出手段によって検出した電流を基板電位に換算する演算回路と、
前記演算回路からの基板電位信号を演算処理し、グラウンドと基板との電位差が一定となるように前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路と、
を備えていることを特徴とする真空薄膜形成加工装置。
【請求項２】
前記高周波スパッタリング装置と、前記少なくとも１つの真空処理室とは、真空搬送室を介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の真空薄膜形成加工装置。
【請求項３】
請求項１記載の真空薄膜形成加工装置を用いた真空薄膜形成方法であって、
前記高周波スパッタリング装置を用いたマッチング工程と、
前記少なくとも１つの真空処理装置において、基板を真空処理する真空処理工程と、
を有することを特徴とする真空薄膜形成方法。
【請求項４】
チャンバと、
前記チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、
前記チャンバ内に前記ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記チャンバ内に設けられた基板ホルダと、
前記基板ホルダ内部に設けられた電極と、
前記電極と電気的に接続されており前記基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構と、
前記電極上に設けられており、前記プラズマからの流入電子を検出するための流入電子検出手段と、
前記流入電子検出手段によって検出した電流を、グラウンドと前記基板ホルダに載置される基板との電位差に換算する演算回路と、
前記演算回路にて換算された電位差に基づいて、該電位差が一定となるように前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路と
を備えることを特徴とする高周波スパッタリング装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に従った真空薄膜形成加工装置は、チャンバと、チャンバ内部を排気する排気手段と、チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、チャンバ内に設けられた基板ホルダと、基板ホルダの基板載置台に対して非平行に設置されたターゲット載置台と、基板ホルダ内部に設けられた電極を有する高周波スパッタリング装置、並びに、少なくとも１つの真空処理室であって、前記真空処理室が、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）室、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）室、物理的エッチング室、化学的エッチング室、基板加熱室、基板冷却室、酸化処理室、還元処理室及びアッシング室からなるグループから選択可能であり、高周波スパッタリング装置が、電極と電気的に接続されており基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構と、前記電極上に設けられており流入電子を検出するための流入電子検出手段と、前記流入電子検出手段によって検出した電流を基板電位に換算する演算回路と、前記演算回路からの基板電位信号を演算処理し、グラウンドと基板との電位差が一定となるように前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明は、高周波スパッタリング装置であって、チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入手段と、前記チャンバ内に前記ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記チャンバ内に設けられた基板ホルダと、前記基板ホルダ内部に設けられた電極と、前記電極と電気的に接続されており前記基板ホルダ上の基板の電位を調整する可変インピーダンス機構と、前記電極上に設けられており、前記プラズマからの流入電子を検出するための流入電子検出手段と、前記流入電子検出手段によって検出した電流を、グラウンドと前記基板ホルダに載置される基板との電位差に換算する演算回路と、前記演算回路にて換算された電位差に基づいて、該電位差が一定となるように前記可変インピーダンス機構を制御する制御回路とを備えることを特徴とする。
【国際調査報告】
2009044474.tif 000009
2009044474.tif 000010
2009044474.tif 000011
2009044474.tif 000012