スパッタ成膜装置
【課題】非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性を高めることが可能なスパッタ成膜装置を提供する。
【解決手段】非晶質磁性膜を有した基板Ｓが収容されて希ガスが供給される真空槽１１と、前記真空槽１１に設けられた接地電極であるシャッタ２２と、前記真空槽１１内に配置されたＭｇＯターゲットＴに接続されたターゲット電極を内蔵するカソード１８と、高周波電力を前記ターゲット電極に出力する高周波電源ＧＥと、前記ＭｇＯターゲットＴと前記高周波電源ＧＥとの間に直列に接続されたインピーダンス整合器２０とを備えるスパッタ成膜装置１０であって、前記シャッタ２２に流れる電流値を変更する可変キャパシタ２６が、前記インピーダンス整合器２０に対する前記ＭｇＯターゲットＴ側に、前記ＭｇＯターゲットＴと前記シャッタ２２とから構成される負荷２５に対して並列に接続されている。
【解決手段】非晶質磁性膜を有した基板Ｓが収容されて希ガスが供給される真空槽１１と、前記真空槽１１に設けられた接地電極であるシャッタ２２と、前記真空槽１１内に配置されたＭｇＯターゲットＴに接続されたターゲット電極を内蔵するカソード１８と、高周波電力を前記ターゲット電極に出力する高周波電源ＧＥと、前記ＭｇＯターゲットＴと前記高周波電源ＧＥとの間に直列に接続されたインピーダンス整合器２０とを備えるスパッタ成膜装置１０であって、前記シャッタ２２に流れる電流値を変更する可変キャパシタ２６が、前記インピーダンス整合器２０に対する前記ＭｇＯターゲットＴ側に、前記ＭｇＯターゲットＴと前記シャッタ２２とから構成される負荷２５に対して並列に接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非晶質磁性膜上に結晶配向性を有した薄膜を形成するスパッタ成膜装置、例えば酸化マグネシウムを表面に有したターゲットを用いて非晶質磁性膜上に（００１）配向を有した酸化マグネシウム膜を形成するスパッタ成膜装置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図る技術の一つとして、結晶配向性が（００１）配向である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜をトンネル絶縁膜に用いる提案がなされている。またトンネル絶縁膜のように非常に薄いＭｇＯ膜を形成する装置には、例えば特許文献１のように、高周波電力が供給されるターゲットから基板に向けてＭｇおよびＯ粒子が放出されるスパッタ成膜装置が広く採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５７１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記スパッタ成膜装置を利用してＭｇＯ膜に（００１）配向を与えるためには、参考文献１（K. Ono, et al. Jpn. J. Appl. Phys., to be published.）にあるように下記条件（イ）（ロ）が必要とされている。
【０００５】
（イ）ＭｇＯ膜の下地となる磁性膜が非晶質であること。
（ロ）非晶質磁性膜に到達したＭｇおよびＯ粒子が、非晶質磁性膜上において結晶化するためのエネルギー、および成膜量を保有すること。
【０００６】
一方、成膜中の基板表面には、ターゲットから放出されたＭｇおよびＯ粒子の他、例えば参考文献２（T. Ishijima, et al. Jpn. J. Appl. Phys. 48 (2009) 116004.）や参考
文献３（H. Toyoda, et al. Appl. Phys. Express 2 (2009) 126001.）のようにプラズマ中に発生した負イオンや電子等の負電荷粒子も衝突する。特にプラズマ中で発生し、陰極シース電圧によって加速された負イオンは、大きなエネルギーをもってターゲットから放出され、基板表面に衝突する。その結果、大きなエネルギーの負イオンと非晶質磁性膜との衝突によって、非晶質磁性膜がダメージを受け、上記条件（イ）が満たされ難くなる。
【０００７】
ここで、大きなエネルギーの負イオンと基板表面との衝突を抑えるために高周波電力を低くすると、プラズマ密度が減少し、結晶化するためのエネルギーおよび成膜量も減少することになる。それゆえに、上述した条件（イ）が満たされるように高周波電力を低くすると、成膜量までもが少なくなる結果、上述した条件（ロ）がかえって満たされなくなってしまう。反対に、結晶化するためのエネルギーおよび成膜量を増大させるために高周波電力を高くすると、陰極シース電圧も大きくなる。それゆえに、上述した条件（ロ）が満たされるように高周波電力を高くすると、負イオンが有するエネルギーまでもが高くなる結果、上述した条件（イ）がかえって満たされなくなってしまう。
【０００８】
要するに、ターゲット電極に供給する高周波電力を変更していずれかの条件を満たそうとすれば、他方の条件がより低いものにならざるを得ない。そのため、スパッタ成膜装置によって得られるＭｇＯ膜の（００１）配向にもその配向強度に限りがあった。なお、このような問題は、ＭｇＯ膜に限らず、非晶質磁性膜を表面に有した基板に対して結晶配向
性を有した薄膜を形成する方法において、概ね共通するものである。
【０００９】
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、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性を高めることが可能なスパッタ成膜装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための手段及びその作用効果を以下に記載する。
請求項１に記載のスパッタ装置は、非晶質磁性膜を有した基板が収容されて希ガスが供給される真空槽と、前記真空槽内に設けられた接地電極と、前記真空槽内に配置されたターゲットに接続されたターゲット電極と、高周波電力を前記ターゲット電極に出力する高周波電源と、前記ターゲット電極と前記高周波電源との間に直列に接続されたインピーダンス整合器とを備えるスパッタ成膜装置であって、前記接地電極に流れる電流値を変更する可変キャパシタをさらに備え、該可変キャパシタが、前記インピーダンス整合器に対する前記ターゲット電極側であって、前記ターゲット電極と前記接地電極とから構成される負荷に対して並列に接続されていることを要旨とする。
【００１１】
請求項１に記載のスパッタ成膜装置によれば、可変キャパシタの静電容量を大きくすることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧を変えることなく、負荷に流れる電流を小さくすることが可能である。また可変キャパシタの静電容量を小さくすることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧を変えることなく、負荷に流れる電流を大きくすることが可能である。それゆえに、ターゲットから放出された粒子が有するエネルギーと非晶質磁性膜に衝突する粒子数とを個別に調整することが可能である。ひいては、結晶配向性を得る上でスパッタ粒子に求められるエネルギーと、同じく結晶配向性を得る上で下地に求められる非晶質性とを、個別に調整することが可能である。そのため、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性を高めることが可能である。
【００１２】
請求項２に記載のスパッタ成膜装置は、前記ターゲットの構成材料が酸化マグネシウムであることを要旨とする。
請求項２に記載のスパッタ成膜装置によれば、酸化マグネシウム膜が有する結晶配向性を高めることが可能である。
【００１３】
請求項３に記載のスパッタ成膜装置は、前記ターゲットと前記基板とが互いに平行となるように配置されることを要旨とする。
請求項３に記載のスパッタ成膜装置によれば、ターゲットの表面から基板の被成膜面までにおける最短距離のばらつきを抑えることができる。その結果、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が基板の被成膜面に到達するために必要なエネルギーの均一化を図ることができる。それゆえに、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性をさらに高めることが可能である。
【００１４】
請求項４に記載のスパッタ成膜装置は、前記基板及び前記ターゲットは円板状をなしており、前記基板の被成膜面における中心と前記ターゲットの表面における中心とが前記被成膜面の法線上に配置されることを要旨とする。
【００１５】
請求項４に記載のスパッタ成膜装置によれば、基板の被成膜面とターゲットの表面との大きさが異なる場合であっても、基板の被成膜面のうちでターゲットの表面に対向する領域を最も大きくすることができる。その結果、ターゲットの表面から基板の被成膜面までにおける最短距離のばらつきをさらに抑えることができることから、スパッタ粒子が基板に到達するために必要なエネルギーの均一化をより一層図ることができる。
【００１６】
請求項５に記載のスパッタ装置は、請求項１又は２に記載のスパッタ成膜装置において、前記基板を該基板の周方向に回転させる基板回転装置をさらに備え、前記基板回転装置により前記基板を該基板の周方向に回転させながら、前記基板の回転軸から離間して、且つ前記ターゲットの表面における法線が前記基板の被成膜面に対して傾斜するかたちに配置された前記ターゲットをスパッタすることを要旨とする。
【００１７】
ターゲット表面から放出される粒子の分布とは、該ターゲット表面において必ずしも均一であるとは限らず、むしろターゲット表面近傍に形成されるプラズマ密度の分布や該表面の近傍におけるガスの流れなどの影響により所定の偏りを有する。そのため、ターゲット表面と基板表面とが対向するかたちにターゲットが配置されたり、ターゲット表面が基板表面に対して静置されたりする構成では、ターゲット表面から放出される構成材料粒子の面内分布が、薄膜における膜厚の分布に反映されてしまう。これに対して、請求項３に記載の発明によれば、ターゲット表面から放出される粒子の分布が該ターゲット表面の面内において不均一であっても、ターゲット表面が基板の回転軸から離れて配置されること、ターゲット表面が基板の表面に対して傾いていること、そしてこうしたターゲット表面に対して回転軸を中心に基板が回転すること、それらによって上記の不均一が基板の表面で軽減されることとなる。それゆえに、薄膜における膜厚の分布を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るスパッタ成膜装置の概略構成図及び該スパッタ成膜装置における伝送線路の回路図。
【図２】可変キャパシタの静電容量とＭｇＯ（００２）ピークの強度との関係を示すグラフ。
【図３】可変キャパシタの静電容量と磁気抵抗比との関係を示すグラフ。
【図４】変形例におけるスパッタ成膜装置の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した一実施の形態について図１〜図３を参照して説明する。本実施の形態におけるスパッタ成膜装置は、装置内に配置される基板に対して結晶配向性を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜を形成する装置である。
【００２０】
図１に示されるように、スパッタ成膜装置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ターボ分子ポンプ等からなる排気装置１２が連結されている。また排気装置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。
【００２１】
真空槽１１には、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に希ガスを供給すると、該希ガスの流量に基づき、真空槽１１の内部圧力が所定の成膜圧力に変わる。
【００２２】
真空槽１１の内部空間における天部には、昇降装置１５の出力軸１５ａに連結された基板ステージ１４が収容されている。基板ステージ１４に支持される基板Ｓは、例えば直径が８インチのＳｉウェハ、ＡｌＴｉＣウェハ、ガラスウェハ等の円板状を成す各種の基板である。この基板Ｓの表面Ｓａ（被成膜面）には、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が形成されている。昇降装置１５は、上下方向に沿って基板ステージ１４を昇降可能に構成されている。昇降装置１５は、例えば基板
Ｓの交換時や成膜時など、その時々の状況に応じた位置に基板Ｓを配置すべく基板ステージ１４を昇降させる。
【００２３】
真空槽１１の底部には、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に内蔵されたターゲット電極（図示略）には、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を電力密度が例えば０．６７Ｗ／ｃｍ２になるように出力する高周波電源ＧＥがインピーダンス整合器２０を介して接続されている。このターゲット電極における基板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Ｓの表面Ｓａ（被成膜面）に対して相対向するように、すなわちターゲット表面Ｔａを含む平面と基板Ｓの表面Ｓａを含む平面とが平行になるように真空槽１１に搭載されている。またＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとは、基板Ｓの表面Ｓａにおける中心とターゲット表面Ｔａにおける中心とが、上記平面の法線である同一の法線Ｎ上となるように真空槽１１に搭載されている。そして、基板Ｓの表面Ｓａを含む平面とターゲット表面Ｔａを含む平面との間の距離は１５０ｍｍとなるように、ＭｇＯターゲットＴは真空槽１１に搭載されている。
【００２４】
また、カソード１８には、ターゲット電極に対するＭｇＯターゲットＴの反対側に図示しない磁気回路が内蔵されている。高周波電源ＧＥからの高周波電力がターゲット電極に供給される状態で磁気回路が駆動されると、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におけるターゲット表面Ｔａの近傍に高密度のプラズマが生成されるとともに、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａが希ガスのイオンによってスパッタされる。
【００２５】
真空槽１１の内部空間であって、ＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとの間には、板状のシャッタ２２が配設されている。シャッタ２２はシャッタ回転装置２３の出力軸２３ａに連結されて、シャッタ回転装置２３がシャッタ２２を回転させると、シャッタ２２が該出力軸２３ａを中心に回転する。またシャッタ２２が回転して該シャッタ２２を介すことなくＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとが対向したときに高周波電力がカソード１８のターゲット電極に供給されると、ＭｇＯターゲットＴに対するスパッタリングが可能になる。
【００２６】
次に、スパッタ成膜装置１０の電気的な構成について説明する。上述したインピーダンス整合器２０は、高周波電源ＧＥとカソード１８に内蔵されたターゲット電極（ＭｇＯターゲットＴ）との間に直列に接続された可変キャパシタ２０ｂと、該可変キャパシタ２０ｂとターゲット電極（ＭｇＯターゲットＴ）との間にこれもまた直列に接続された可変インダクタ２０ｃとを備えている。このインピーダンス整合器２０は、可変キャパシタ２０ｂに対する高周波電源ＧＥが可変キャパシタ２０ａを介して接地されたＬ型整合器である。これら可変キャパシタ２０ａ，２０ｂ、可変インダクタ２０ｃは、例えばサーボモータなどから構成される調整機構によって静電容量やインダクタンスが調整される。またインピーダンス整合器２０に対するターゲット電極（ＭｇＯターゲットＴ）の側には、ターゲット電極（ＭｇＯターゲットＴ）と、接地電極となるシャッタ２２や真空槽１１とから構成される負荷２５に対して、接地電極に流れる電流値を変更する可変キャパシタ２６が並列に接続されている。
【００２７】
そして、インピーダンス整合器２０におけるインピーダンス整合によって、負荷２５と可変キャパシタ２６とからなる並列回路に対する高周波電源ＧＥ側の出力インピーダンスと、該並列回路における入力インピーダンスとが整合される。スパッタ成膜装置１０においては、こうしたインピーダンス整合器２０のインピーダンス整合により高周波電源ＧＥへの反射波が抑えられて、高周波電源ＧＥから負荷２５に対して効率よく電力を供給することが可能である。
【００２８】
ここで、スパッタ成膜装置１０を利用してＭｇＯ膜に（００１）配向を与えるためには、下記条件（イ）（ロ）が必要とされている。
（イ）ＭｇＯ膜の下地となる磁性膜が非晶質であること。
（ロ）非晶質磁性膜に到達したＭｇおよびＯ粒子が、非晶質磁性膜上において結晶化するためのエネルギーおよび成膜量を保有すること。
【００２９】
一方、成膜中の基板Ｓの表面Ｓａには、ＭｇＯターゲットＴから放出されたＭｇおよびＯ粒子の他、プラズマ中に発生した負イオンや電子等の負電荷粒子も衝突する。特にプラズマ中で発生し、陰極シース電圧によって加速された負イオンは、大きなエネルギーをもってターゲットから放出され、基板Ｓの表面Ｓａに対して衝突する。そのため、負イオンと非晶質磁性膜との衝突によって上記条件（イ）が満たされ難くなってしまう。
【００３０】
この点、スパッタ成膜装置１０においては、インピーダンス整合器２０の出力側において上記負荷２５に対して可変キャパシタ２６が並列に接続されている。この可変キャパシタ２６は、例えばサーボモータなどから構成される調整機構によってその静電容量が調整される。このような構成であれば、可変キャパシタ２６の静電容量が大きくなることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧が変わることなく、負荷２５に流れる電流が小さくなる。また可変キャパシタ２６の静電容量が小さくなることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧が変わることなく、負荷２５に流れる電流が大きくなる。それゆえに、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が有するエネルギーと非晶質磁性膜に衝突する粒子数とを個別に調整することが可能である。ひいては、結晶配向性を得る上でスパッタ粒子に求められるエネルギーと、同じく結晶配向性を得る上で下地に求められる非晶質性とを、個別に調整することが可能である。そのため、可変キャパシタ２６における静電容量の変更より条件（イ）（ロ）が満たされやすくなる結果、非晶質磁性膜上に形成されるＭｇＯ膜の結晶配向性を高めることが可能である。
（試験例）
次に、上記スパッタ成膜装置１０から得られる効果を試験例とともに以下に説明する。まず、下記成膜条件を用い、可変キャパシタ２６の静電容量を０ｐＦから５００ｐＦまで変更して、試験例となる複数のＭｇＯ膜を得た。そして、各試験例のＭｇＯ膜に対して、（００１）配向を示すＭｇＯ（００２）ピーク（２θ＝４２．９°）の強度をＸ線回折法により計測した。また、各試験例のＭｇＯ膜をトンネル絶縁膜に適用し、試験例となる複数のトンネル磁気抵抗素子を得た。そして、各試験例のトンネル磁気抵抗素子について磁気抵抗比を計測した。
【００３１】
図２は、可変キャパシタ２６の静電容量と、該静電容量にて得られたＭｇＯ膜における（００２）ピークの強度との関係を示したグラフである。図３は、可変キャパシタ２６の静電容量と、該静電容量にて得られたＭｇＯ膜を有するトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比との関係を示したグラフである。なお、図２及び図３では、各成膜圧力で形成されたＭｇＯ膜におけるＭｇＯ（００２）ピークの強度及び磁気抵抗比の平均値を示している。
（成膜条件）
・基板Ｓ：シリコン基板
・基板直径：４インチ
・ターゲット：ＭｇＯターゲット
・非晶質磁性膜：（ＣｏＦｅ）０．８Ｂ０．２
・基板温度：室温
・ターゲット／基板間距離：１５０ｍｍ
・成膜圧力：１．０Ｐａ、２．０Ｐａ、２．５Ｐａ
・スパッタガス：Ａｒ
・ＭｇＯ膜厚：１０ｎｍ
図２に示されるように、可変キャパシタ２６の静電容量が０ｐＦの場合、ＭｇＯ（００２）ピークの強度が相対的に小さく、ＭｇＯ膜の結晶配向性が十分に得られていないことが認められた。一方、可変キャパシタ２６の静電容量が１００ｐＦの場合、ＭｇＯ（００２）ピークの強度が相対的に大きく、これによりＭｇＯ膜の結晶配向性が高められることが分った。なお、可変キャパシタ２６の静電容量が１００ｐＦよりも大きい場合では、ＭｇＯ（００２）ピークの強度が相対的に小さく、ＭｇＯ膜の結晶配向性が十分に得られないことも認められた。これらの結果、可変キャパシタ２６における静電容量の変更よりＭｇＯ膜の結晶配向性を高めることが可能であること、そして上記成膜条件でＭｇＯ膜を形成する上では、可変キャパシタ２６の静電容量を約１００ｐＦすることが好適であることが分った。
【００３２】
図３に示されるように、ＭｇＯ膜をトンネル絶縁膜としたトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比においても、ＭｇＯ（００２）ピークの強度と同様な傾向が認められ、可変キャパシタ２６の静電容量を約１００ｐＦにすることが好適であることが分った。
【００３３】
以上説明したように、上記実施の形態のスパッタ成膜装置によれば以下の効果を得ることができる。
（１）インピーダンス整合器２０の出力側に接続された負荷２５に対して可変キャパシタ２６が並列に接続されている。このような構成によれば、可変キャパシタ２６の静電容量を大きくすることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧を変えることなく、負荷２５に流れる電流を小さくすることが可能である。それゆえに、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が有するエネルギーを高周波電力等で調整することと、非晶質磁性膜に衝突する粒子数を減らすこととを、個別に実現することが可能である。
【００３４】
（２）また可変キャパシタ２６の静電容量を小さくすることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧を変えることなく、負荷２５に流れる電流を大きくすることが可能である。それゆえに、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が有するエネルギーを高周波電力等で調整することと、非晶質磁性膜に衝突する粒子数を増やすこととを、個別に調整することが可能である。
ひいては、結晶配向性を得る上でスパッタ粒子に求められるエネルギーと、同じく結晶配向性を得る上で下地に求められる非晶質性とを、個別に調整することが可能である。そのため、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性を高めることが可能である。
【００３５】
（３）ＭｇＯ膜をトンネル絶縁膜として有したトンネル磁気抵抗素子における磁気抵抗比を高めることが可能である。
【００３６】
（４）ＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとは、ターゲット表面Ｔａと表面Ｓａとが互いに平行となるように搭載されているとともに、ターゲット表面Ｔａにおける中心と表面Ｓａにおける中心とが法線Ｎ沿うように搭載されている。このような構成によれば、基板Ｓの表面Ｓａとターゲット表面Ｔａとの大きさが異なる場合であっても、基板Ｓの表面Ｓａのうちでターゲット表面Ｔａに対向する領域を最も大きくすることができる。その結果、ターゲット表面Ｔａから基板Ｓの表面Ｓａまでにおける最短距離のばらつきを抑えることができる。すなわち、スパッタ粒子が基板に到達するために必要なエネルギーの均一化を図ることができる。それゆえ、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性をさらに高めることが可能である。
【００３７】
なお、上記実施の形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態のスパッタ成膜装置１０においては、基板Ｓの表面Ｓａにおける中心とターゲット表面Ｔａにおける中心とが法線Ｎに沿うように配置されている。これに限らず、基板Ｓの表面Ｓａにおける中心とターゲット表面Ｔａにおける中心とは、法線Ｎに沿
うような配置でなくてもよい。
【００３８】
・上記実施の形態のスパッタ成膜装置１０は、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａと基板Ｓの表面Ｓａとが対向するように配置される構成となっている。これに限らず、図４に示されるような構成のスパッタ成膜装置３０にも適用可能であることが本発明者によって確認されている。以下、このスパッタ成膜装置３０について図４を参照して詳しく説明するが、上記スパッタ成膜装置１０における機能と同じ機能を有する構成については、同様の符号及び名称を用いその詳細な説明は省略する。
【００３９】
図４に示されるように、スパッタ成膜装置３０において、真空槽１１の内部空間における底部には、基板回転装置３１の出力軸に連結された基板ステージ１４が収容されている。この基板回転装置３１は、基板ステージ１４に載置された基板Ｓに対する法線である基板回転軸線Ａｓを回転中心にして基板Ｓを回転させる。
【００４０】
真空槽１１の内部空間には、有底筒状の下側遮蔽板３２Ａが基板ステージ１４の周囲を覆うかたちに配置されている。基板ステージ１４の周囲や真空槽１１の底部に向けて飛行するスパッタ粒子は、この下側遮蔽板３２Ａの遮蔽効果によって、基板ステージ１４の周囲や真空槽１１の底部に対して遮蔽される。また下側遮蔽板３２Ａの径方向の内側には、基板Ｓの外周に沿う円環状のカバーリングＣＲが配置されている。基板ステージ１４の周囲に向けて飛行するスパッタ粒子は、このカバーリングＣＲにより遮蔽される。
【００４１】
真空槽１１の天部には、カソード１８が搭載されている。このカソード１８に内蔵されたターゲット電極（図示略）における基板Ｓ側には、ＭｇＯターゲットＴが電気的に接続された状態で搭載されている。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と基板回転軸線Ａｓとが交差するように設けられている。なお、このスパッタ成膜装置３０において、ＭｇＯターゲットＴは、ターゲット表面Ｔａの中心と基板Ｓの表面Ｓａの中心との距離である最短飛行距離ｄｔｓが２６０ｍｍとなるように搭載されている。また、ターゲット法線Ａｔと基板回転軸線Ａｓとがなす角度である斜入射角度θ１はＭｇＯの膜厚の分布が最小となるように搭載されている。
【００４２】
また、スパッタ成膜装置３０には、ＭｇＯターゲットＴに対する基板Ｓの側であって、基板ステージ１４の直上に、接地電極として機能するシャッタ３３が配設されている。このシャッタ３３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３３Ｈが設けられている。シャッタ３３はシャッタ回転装置３４の出力軸に連結されて、シャッタ３３における開口３３Ｈが、ターゲット表面Ｔａに対向する位置とターゲット表面Ｔａに対向しない位置との間を、基板回転軸線Ａｓを中心にして回転する。
【００４３】
こうした構成にスパッタ成膜装置３０においては、シャッタ３３の回転により開口３３Ｈがターゲット表面Ｔａと対向するときに高周波電力がカソード１８に内蔵されたターゲット電極に供給されると、ＭｇＯターゲットＴに対するスパッタリングが可能になる。その際、基板回転装置３１により基板回転軸線Ａｓを中心にして基板Ｓを回転させることによって、基板Ｓの表面Ｓａに向けて一つの方向から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る。その結果、非晶質磁性膜上における堆積物の膜厚均一性及び結晶配向性を高めることが可能である。また、基板ステージ１４の周囲へと向かうスパッタ粒子が、下側遮蔽板３２Ａ及びカバーリングＣＲにより遮蔽される。その結果、スパッタ粒子による真空槽１１内の汚染を抑制することが可能である。一方、シャッタ３３の回転により開口３３Ｈがターゲット表面Ｔａと対向しないときには、ターゲット表面Ｔａがシャッタ３３により覆われるため、ターゲット表面Ｔａに対する汚染
が抑制されることとなる。
【００４４】
以上のような構成のスパッタ成膜装置、すなわち基板Ｓの表面Ｓａ（被成膜面）に対してターゲット表面Ｔａが傾斜するようにＭｇＯターゲットＴが配置される構成のスパッタ成膜装置３０に対しても本発明は適用することが可能である。こうした構成であっても、上記（１）（２）に準じた効果を得ることができる。
【００４５】
なお、上記最短飛行距離ｄｔｓは２６０ｍｍに限らず適宜変更可能な値であり、上記斜入射角度θ１も０＜θ１≦９０°の範囲で適宜変更可能な値である。
・上記実施の形態のスパッタ成膜装置１０では、ターゲット表面Ｔａの構成材料を酸化マグネシウムとし、基板Ｓに対して（００１）配向の酸化マグネシウム膜を形成させた。これに限らず、ターゲット表面Ｔａの構成材料としては、非晶質磁性膜上で結晶配向性を有する絶縁材料であればよく、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化チタン（ＴｉＯ２）などであってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
θ１…斜入射角度、Ａｓ…基板回転軸線、Ａｔ…ターゲット法線、ＣＲ…カバーリング、ｄｔｓ…最短飛行距離、ＧＥ…高周波電源、Ｎ…法線、Ｓ…基板、Ｓａ…表面、Ｔ…ＭｇＯターゲット、Ｔａ…ターゲット表面、ＶＧ…圧力検出装置、１０…スパッタ成膜装置、１１…真空槽、１２…排気装置、１３…ガス供給装置、１４…基板ステージ、１５…昇降装置、１５ａ…出力軸、１８…カソード、２０…インピーダンス整合器、２０ａ，２０ｂ…可変キャパシタ、２０ｃ…可変インダクタ、２２…シャッタ、２３…シャッタ回転装置、２３ａ…出力軸、２５…負荷、２６…可変キャパシタ、３０…スパッタ成膜装置、３１…基板回転装置、３２Ａ…下側遮蔽板、３３…シャッタ、３３Ｈ…開口、３４…シャッタ回転装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非晶質磁性膜上に結晶配向性を有した薄膜を形成するスパッタ成膜装置、例えば酸化マグネシウムを表面に有したターゲットを用いて非晶質磁性膜上に（００１）配向を有した酸化マグネシウム膜を形成するスパッタ成膜装置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図る技術の一つとして、結晶配向性が（００１）配向である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜をトンネル絶縁膜に用いる提案がなされている。またトンネル絶縁膜のように非常に薄いＭｇＯ膜を形成する装置には、例えば特許文献１のように、高周波電力が供給されるターゲットから基板に向けてＭｇおよびＯ粒子が放出されるスパッタ成膜装置が広く採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５７１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記スパッタ成膜装置を利用してＭｇＯ膜に（００１）配向を与えるためには、参考文献１（K. Ono, et al. Jpn. J. Appl. Phys., to be published.）にあるように下記条件（イ）（ロ）が必要とされている。
【０００５】
（イ）ＭｇＯ膜の下地となる磁性膜が非晶質であること。
（ロ）非晶質磁性膜に到達したＭｇおよびＯ粒子が、非晶質磁性膜上において結晶化するためのエネルギー、および成膜量を保有すること。
【０００６】
一方、成膜中の基板表面には、ターゲットから放出されたＭｇおよびＯ粒子の他、例えば参考文献２（T. Ishijima, et al. Jpn. J. Appl. Phys. 48 (2009) 116004.）や参考
文献３（H. Toyoda, et al. Appl. Phys. Express 2 (2009) 126001.）のようにプラズマ中に発生した負イオンや電子等の負電荷粒子も衝突する。特にプラズマ中で発生し、陰極シース電圧によって加速された負イオンは、大きなエネルギーをもってターゲットから放出され、基板表面に衝突する。その結果、大きなエネルギーの負イオンと非晶質磁性膜との衝突によって、非晶質磁性膜がダメージを受け、上記条件（イ）が満たされ難くなる。
【０００７】
ここで、大きなエネルギーの負イオンと基板表面との衝突を抑えるために高周波電力を低くすると、プラズマ密度が減少し、結晶化するためのエネルギーおよび成膜量も減少することになる。それゆえに、上述した条件（イ）が満たされるように高周波電力を低くすると、成膜量までもが少なくなる結果、上述した条件（ロ）がかえって満たされなくなってしまう。反対に、結晶化するためのエネルギーおよび成膜量を増大させるために高周波電力を高くすると、陰極シース電圧も大きくなる。それゆえに、上述した条件（ロ）が満たされるように高周波電力を高くすると、負イオンが有するエネルギーまでもが高くなる結果、上述した条件（イ）がかえって満たされなくなってしまう。
【０００８】
要するに、ターゲット電極に供給する高周波電力を変更していずれかの条件を満たそうとすれば、他方の条件がより低いものにならざるを得ない。そのため、スパッタ成膜装置によって得られるＭｇＯ膜の（００１）配向にもその配向強度に限りがあった。なお、このような問題は、ＭｇＯ膜に限らず、非晶質磁性膜を表面に有した基板に対して結晶配向
性を有した薄膜を形成する方法において、概ね共通するものである。
【０００９】
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、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性を高めることが可能なスパッタ成膜装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための手段及びその作用効果を以下に記載する。
請求項１に記載のスパッタ装置は、非晶質磁性膜を有した基板が収容されて希ガスが供給される真空槽と、前記真空槽内に設けられた接地電極と、前記真空槽内に配置されたターゲットに接続されたターゲット電極と、高周波電力を前記ターゲット電極に出力する高周波電源と、前記ターゲット電極と前記高周波電源との間に直列に接続されたインピーダンス整合器とを備えるスパッタ成膜装置であって、前記接地電極に流れる電流値を変更する可変キャパシタをさらに備え、該可変キャパシタが、前記インピーダンス整合器に対する前記ターゲット電極側であって、前記ターゲット電極と前記接地電極とから構成される負荷に対して並列に接続されていることを要旨とする。
【００１１】
請求項１に記載のスパッタ成膜装置によれば、可変キャパシタの静電容量を大きくすることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧を変えることなく、負荷に流れる電流を小さくすることが可能である。また可変キャパシタの静電容量を小さくすることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧を変えることなく、負荷に流れる電流を大きくすることが可能である。それゆえに、ターゲットから放出された粒子が有するエネルギーと非晶質磁性膜に衝突する粒子数とを個別に調整することが可能である。ひいては、結晶配向性を得る上でスパッタ粒子に求められるエネルギーと、同じく結晶配向性を得る上で下地に求められる非晶質性とを、個別に調整することが可能である。そのため、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性を高めることが可能である。
【００１２】
請求項２に記載のスパッタ成膜装置は、前記ターゲットの構成材料が酸化マグネシウムであることを要旨とする。
請求項２に記載のスパッタ成膜装置によれば、酸化マグネシウム膜が有する結晶配向性を高めることが可能である。
【００１３】
請求項３に記載のスパッタ成膜装置は、前記ターゲットと前記基板とが互いに平行となるように配置されることを要旨とする。
請求項３に記載のスパッタ成膜装置によれば、ターゲットの表面から基板の被成膜面までにおける最短距離のばらつきを抑えることができる。その結果、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が基板の被成膜面に到達するために必要なエネルギーの均一化を図ることができる。それゆえに、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性をさらに高めることが可能である。
【００１４】
請求項４に記載のスパッタ成膜装置は、前記基板及び前記ターゲットは円板状をなしており、前記基板の被成膜面における中心と前記ターゲットの表面における中心とが前記被成膜面の法線上に配置されることを要旨とする。
【００１５】
請求項４に記載のスパッタ成膜装置によれば、基板の被成膜面とターゲットの表面との大きさが異なる場合であっても、基板の被成膜面のうちでターゲットの表面に対向する領域を最も大きくすることができる。その結果、ターゲットの表面から基板の被成膜面までにおける最短距離のばらつきをさらに抑えることができることから、スパッタ粒子が基板に到達するために必要なエネルギーの均一化をより一層図ることができる。
【００１６】
請求項５に記載のスパッタ装置は、請求項１又は２に記載のスパッタ成膜装置において、前記基板を該基板の周方向に回転させる基板回転装置をさらに備え、前記基板回転装置により前記基板を該基板の周方向に回転させながら、前記基板の回転軸から離間して、且つ前記ターゲットの表面における法線が前記基板の被成膜面に対して傾斜するかたちに配置された前記ターゲットをスパッタすることを要旨とする。
【００１７】
ターゲット表面から放出される粒子の分布とは、該ターゲット表面において必ずしも均一であるとは限らず、むしろターゲット表面近傍に形成されるプラズマ密度の分布や該表面の近傍におけるガスの流れなどの影響により所定の偏りを有する。そのため、ターゲット表面と基板表面とが対向するかたちにターゲットが配置されたり、ターゲット表面が基板表面に対して静置されたりする構成では、ターゲット表面から放出される構成材料粒子の面内分布が、薄膜における膜厚の分布に反映されてしまう。これに対して、請求項３に記載の発明によれば、ターゲット表面から放出される粒子の分布が該ターゲット表面の面内において不均一であっても、ターゲット表面が基板の回転軸から離れて配置されること、ターゲット表面が基板の表面に対して傾いていること、そしてこうしたターゲット表面に対して回転軸を中心に基板が回転すること、それらによって上記の不均一が基板の表面で軽減されることとなる。それゆえに、薄膜における膜厚の分布を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るスパッタ成膜装置の概略構成図及び該スパッタ成膜装置における伝送線路の回路図。
【図２】可変キャパシタの静電容量とＭｇＯ（００２）ピークの強度との関係を示すグラフ。
【図３】可変キャパシタの静電容量と磁気抵抗比との関係を示すグラフ。
【図４】変形例におけるスパッタ成膜装置の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した一実施の形態について図１〜図３を参照して説明する。本実施の形態におけるスパッタ成膜装置は、装置内に配置される基板に対して結晶配向性を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜を形成する装置である。
【００２０】
図１に示されるように、スパッタ成膜装置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ターボ分子ポンプ等からなる排気装置１２が連結されている。また排気装置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。
【００２１】
真空槽１１には、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に希ガスを供給すると、該希ガスの流量に基づき、真空槽１１の内部圧力が所定の成膜圧力に変わる。
【００２２】
真空槽１１の内部空間における天部には、昇降装置１５の出力軸１５ａに連結された基板ステージ１４が収容されている。基板ステージ１４に支持される基板Ｓは、例えば直径が８インチのＳｉウェハ、ＡｌＴｉＣウェハ、ガラスウェハ等の円板状を成す各種の基板である。この基板Ｓの表面Ｓａ（被成膜面）には、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が形成されている。昇降装置１５は、上下方向に沿って基板ステージ１４を昇降可能に構成されている。昇降装置１５は、例えば基板
Ｓの交換時や成膜時など、その時々の状況に応じた位置に基板Ｓを配置すべく基板ステージ１４を昇降させる。
【００２３】
真空槽１１の底部には、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に内蔵されたターゲット電極（図示略）には、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を電力密度が例えば０．６７Ｗ／ｃｍ２になるように出力する高周波電源ＧＥがインピーダンス整合器２０を介して接続されている。このターゲット電極における基板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Ｓの表面Ｓａ（被成膜面）に対して相対向するように、すなわちターゲット表面Ｔａを含む平面と基板Ｓの表面Ｓａを含む平面とが平行になるように真空槽１１に搭載されている。またＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとは、基板Ｓの表面Ｓａにおける中心とターゲット表面Ｔａにおける中心とが、上記平面の法線である同一の法線Ｎ上となるように真空槽１１に搭載されている。そして、基板Ｓの表面Ｓａを含む平面とターゲット表面Ｔａを含む平面との間の距離は１５０ｍｍとなるように、ＭｇＯターゲットＴは真空槽１１に搭載されている。
【００２４】
また、カソード１８には、ターゲット電極に対するＭｇＯターゲットＴの反対側に図示しない磁気回路が内蔵されている。高周波電源ＧＥからの高周波電力がターゲット電極に供給される状態で磁気回路が駆動されると、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におけるターゲット表面Ｔａの近傍に高密度のプラズマが生成されるとともに、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａが希ガスのイオンによってスパッタされる。
【００２５】
真空槽１１の内部空間であって、ＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとの間には、板状のシャッタ２２が配設されている。シャッタ２２はシャッタ回転装置２３の出力軸２３ａに連結されて、シャッタ回転装置２３がシャッタ２２を回転させると、シャッタ２２が該出力軸２３ａを中心に回転する。またシャッタ２２が回転して該シャッタ２２を介すことなくＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとが対向したときに高周波電力がカソード１８のターゲット電極に供給されると、ＭｇＯターゲットＴに対するスパッタリングが可能になる。
【００２６】
次に、スパッタ成膜装置１０の電気的な構成について説明する。上述したインピーダンス整合器２０は、高周波電源ＧＥとカソード１８に内蔵されたターゲット電極（ＭｇＯターゲットＴ）との間に直列に接続された可変キャパシタ２０ｂと、該可変キャパシタ２０ｂとターゲット電極（ＭｇＯターゲットＴ）との間にこれもまた直列に接続された可変インダクタ２０ｃとを備えている。このインピーダンス整合器２０は、可変キャパシタ２０ｂに対する高周波電源ＧＥが可変キャパシタ２０ａを介して接地されたＬ型整合器である。これら可変キャパシタ２０ａ，２０ｂ、可変インダクタ２０ｃは、例えばサーボモータなどから構成される調整機構によって静電容量やインダクタンスが調整される。またインピーダンス整合器２０に対するターゲット電極（ＭｇＯターゲットＴ）の側には、ターゲット電極（ＭｇＯターゲットＴ）と、接地電極となるシャッタ２２や真空槽１１とから構成される負荷２５に対して、接地電極に流れる電流値を変更する可変キャパシタ２６が並列に接続されている。
【００２７】
そして、インピーダンス整合器２０におけるインピーダンス整合によって、負荷２５と可変キャパシタ２６とからなる並列回路に対する高周波電源ＧＥ側の出力インピーダンスと、該並列回路における入力インピーダンスとが整合される。スパッタ成膜装置１０においては、こうしたインピーダンス整合器２０のインピーダンス整合により高周波電源ＧＥへの反射波が抑えられて、高周波電源ＧＥから負荷２５に対して効率よく電力を供給することが可能である。
【００２８】
ここで、スパッタ成膜装置１０を利用してＭｇＯ膜に（００１）配向を与えるためには、下記条件（イ）（ロ）が必要とされている。
（イ）ＭｇＯ膜の下地となる磁性膜が非晶質であること。
（ロ）非晶質磁性膜に到達したＭｇおよびＯ粒子が、非晶質磁性膜上において結晶化するためのエネルギーおよび成膜量を保有すること。
【００２９】
一方、成膜中の基板Ｓの表面Ｓａには、ＭｇＯターゲットＴから放出されたＭｇおよびＯ粒子の他、プラズマ中に発生した負イオンや電子等の負電荷粒子も衝突する。特にプラズマ中で発生し、陰極シース電圧によって加速された負イオンは、大きなエネルギーをもってターゲットから放出され、基板Ｓの表面Ｓａに対して衝突する。そのため、負イオンと非晶質磁性膜との衝突によって上記条件（イ）が満たされ難くなってしまう。
【００３０】
この点、スパッタ成膜装置１０においては、インピーダンス整合器２０の出力側において上記負荷２５に対して可変キャパシタ２６が並列に接続されている。この可変キャパシタ２６は、例えばサーボモータなどから構成される調整機構によってその静電容量が調整される。このような構成であれば、可変キャパシタ２６の静電容量が大きくなることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧が変わることなく、負荷２５に流れる電流が小さくなる。また可変キャパシタ２６の静電容量が小さくなることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧が変わることなく、負荷２５に流れる電流が大きくなる。それゆえに、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が有するエネルギーと非晶質磁性膜に衝突する粒子数とを個別に調整することが可能である。ひいては、結晶配向性を得る上でスパッタ粒子に求められるエネルギーと、同じく結晶配向性を得る上で下地に求められる非晶質性とを、個別に調整することが可能である。そのため、可変キャパシタ２６における静電容量の変更より条件（イ）（ロ）が満たされやすくなる結果、非晶質磁性膜上に形成されるＭｇＯ膜の結晶配向性を高めることが可能である。
（試験例）
次に、上記スパッタ成膜装置１０から得られる効果を試験例とともに以下に説明する。まず、下記成膜条件を用い、可変キャパシタ２６の静電容量を０ｐＦから５００ｐＦまで変更して、試験例となる複数のＭｇＯ膜を得た。そして、各試験例のＭｇＯ膜に対して、（００１）配向を示すＭｇＯ（００２）ピーク（２θ＝４２．９°）の強度をＸ線回折法により計測した。また、各試験例のＭｇＯ膜をトンネル絶縁膜に適用し、試験例となる複数のトンネル磁気抵抗素子を得た。そして、各試験例のトンネル磁気抵抗素子について磁気抵抗比を計測した。
【００３１】
図２は、可変キャパシタ２６の静電容量と、該静電容量にて得られたＭｇＯ膜における（００２）ピークの強度との関係を示したグラフである。図３は、可変キャパシタ２６の静電容量と、該静電容量にて得られたＭｇＯ膜を有するトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比との関係を示したグラフである。なお、図２及び図３では、各成膜圧力で形成されたＭｇＯ膜におけるＭｇＯ（００２）ピークの強度及び磁気抵抗比の平均値を示している。
（成膜条件）
・基板Ｓ：シリコン基板
・基板直径：４インチ
・ターゲット：ＭｇＯターゲット
・非晶質磁性膜：（ＣｏＦｅ）０．８Ｂ０．２
・基板温度：室温
・ターゲット／基板間距離：１５０ｍｍ
・成膜圧力：１．０Ｐａ、２．０Ｐａ、２．５Ｐａ
・スパッタガス：Ａｒ
・ＭｇＯ膜厚：１０ｎｍ
図２に示されるように、可変キャパシタ２６の静電容量が０ｐＦの場合、ＭｇＯ（００２）ピークの強度が相対的に小さく、ＭｇＯ膜の結晶配向性が十分に得られていないことが認められた。一方、可変キャパシタ２６の静電容量が１００ｐＦの場合、ＭｇＯ（００２）ピークの強度が相対的に大きく、これによりＭｇＯ膜の結晶配向性が高められることが分った。なお、可変キャパシタ２６の静電容量が１００ｐＦよりも大きい場合では、ＭｇＯ（００２）ピークの強度が相対的に小さく、ＭｇＯ膜の結晶配向性が十分に得られないことも認められた。これらの結果、可変キャパシタ２６における静電容量の変更よりＭｇＯ膜の結晶配向性を高めることが可能であること、そして上記成膜条件でＭｇＯ膜を形成する上では、可変キャパシタ２６の静電容量を約１００ｐＦすることが好適であることが分った。
【００３２】
図３に示されるように、ＭｇＯ膜をトンネル絶縁膜としたトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比においても、ＭｇＯ（００２）ピークの強度と同様な傾向が認められ、可変キャパシタ２６の静電容量を約１００ｐＦにすることが好適であることが分った。
【００３３】
以上説明したように、上記実施の形態のスパッタ成膜装置によれば以下の効果を得ることができる。
（１）インピーダンス整合器２０の出力側に接続された負荷２５に対して可変キャパシタ２６が並列に接続されている。このような構成によれば、可変キャパシタ２６の静電容量を大きくすることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧を変えることなく、負荷２５に流れる電流を小さくすることが可能である。それゆえに、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が有するエネルギーを高周波電力等で調整することと、非晶質磁性膜に衝突する粒子数を減らすこととを、個別に実現することが可能である。
【００３４】
（２）また可変キャパシタ２６の静電容量を小さくすることによって、接地電極とターゲット電極との間に印加される電圧を変えることなく、負荷２５に流れる電流を大きくすることが可能である。それゆえに、ＭｇＯターゲットＴから放出された粒子が有するエネルギーを高周波電力等で調整することと、非晶質磁性膜に衝突する粒子数を増やすこととを、個別に調整することが可能である。
ひいては、結晶配向性を得る上でスパッタ粒子に求められるエネルギーと、同じく結晶配向性を得る上で下地に求められる非晶質性とを、個別に調整することが可能である。そのため、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性を高めることが可能である。
【００３５】
（３）ＭｇＯ膜をトンネル絶縁膜として有したトンネル磁気抵抗素子における磁気抵抗比を高めることが可能である。
【００３６】
（４）ＭｇＯターゲットＴと基板Ｓとは、ターゲット表面Ｔａと表面Ｓａとが互いに平行となるように搭載されているとともに、ターゲット表面Ｔａにおける中心と表面Ｓａにおける中心とが法線Ｎ沿うように搭載されている。このような構成によれば、基板Ｓの表面Ｓａとターゲット表面Ｔａとの大きさが異なる場合であっても、基板Ｓの表面Ｓａのうちでターゲット表面Ｔａに対向する領域を最も大きくすることができる。その結果、ターゲット表面Ｔａから基板Ｓの表面Ｓａまでにおける最短距離のばらつきを抑えることができる。すなわち、スパッタ粒子が基板に到達するために必要なエネルギーの均一化を図ることができる。それゆえ、非晶質磁性膜上に形成される薄膜の結晶配向性をさらに高めることが可能である。
【００３７】
なお、上記実施の形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態のスパッタ成膜装置１０においては、基板Ｓの表面Ｓａにおける中心とターゲット表面Ｔａにおける中心とが法線Ｎに沿うように配置されている。これに限らず、基板Ｓの表面Ｓａにおける中心とターゲット表面Ｔａにおける中心とは、法線Ｎに沿
うような配置でなくてもよい。
【００３８】
・上記実施の形態のスパッタ成膜装置１０は、ＭｇＯターゲットＴのターゲット表面Ｔａと基板Ｓの表面Ｓａとが対向するように配置される構成となっている。これに限らず、図４に示されるような構成のスパッタ成膜装置３０にも適用可能であることが本発明者によって確認されている。以下、このスパッタ成膜装置３０について図４を参照して詳しく説明するが、上記スパッタ成膜装置１０における機能と同じ機能を有する構成については、同様の符号及び名称を用いその詳細な説明は省略する。
【００３９】
図４に示されるように、スパッタ成膜装置３０において、真空槽１１の内部空間における底部には、基板回転装置３１の出力軸に連結された基板ステージ１４が収容されている。この基板回転装置３１は、基板ステージ１４に載置された基板Ｓに対する法線である基板回転軸線Ａｓを回転中心にして基板Ｓを回転させる。
【００４０】
真空槽１１の内部空間には、有底筒状の下側遮蔽板３２Ａが基板ステージ１４の周囲を覆うかたちに配置されている。基板ステージ１４の周囲や真空槽１１の底部に向けて飛行するスパッタ粒子は、この下側遮蔽板３２Ａの遮蔽効果によって、基板ステージ１４の周囲や真空槽１１の底部に対して遮蔽される。また下側遮蔽板３２Ａの径方向の内側には、基板Ｓの外周に沿う円環状のカバーリングＣＲが配置されている。基板ステージ１４の周囲に向けて飛行するスパッタ粒子は、このカバーリングＣＲにより遮蔽される。
【００４１】
真空槽１１の天部には、カソード１８が搭載されている。このカソード１８に内蔵されたターゲット電極（図示略）における基板Ｓ側には、ＭｇＯターゲットＴが電気的に接続された状態で搭載されている。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と基板回転軸線Ａｓとが交差するように設けられている。なお、このスパッタ成膜装置３０において、ＭｇＯターゲットＴは、ターゲット表面Ｔａの中心と基板Ｓの表面Ｓａの中心との距離である最短飛行距離ｄｔｓが２６０ｍｍとなるように搭載されている。また、ターゲット法線Ａｔと基板回転軸線Ａｓとがなす角度である斜入射角度θ１はＭｇＯの膜厚の分布が最小となるように搭載されている。
【００４２】
また、スパッタ成膜装置３０には、ＭｇＯターゲットＴに対する基板Ｓの側であって、基板ステージ１４の直上に、接地電極として機能するシャッタ３３が配設されている。このシャッタ３３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３３Ｈが設けられている。シャッタ３３はシャッタ回転装置３４の出力軸に連結されて、シャッタ３３における開口３３Ｈが、ターゲット表面Ｔａに対向する位置とターゲット表面Ｔａに対向しない位置との間を、基板回転軸線Ａｓを中心にして回転する。
【００４３】
こうした構成にスパッタ成膜装置３０においては、シャッタ３３の回転により開口３３Ｈがターゲット表面Ｔａと対向するときに高周波電力がカソード１８に内蔵されたターゲット電極に供給されると、ＭｇＯターゲットＴに対するスパッタリングが可能になる。その際、基板回転装置３１により基板回転軸線Ａｓを中心にして基板Ｓを回転させることによって、基板Ｓの表面Ｓａに向けて一つの方向から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る。その結果、非晶質磁性膜上における堆積物の膜厚均一性及び結晶配向性を高めることが可能である。また、基板ステージ１４の周囲へと向かうスパッタ粒子が、下側遮蔽板３２Ａ及びカバーリングＣＲにより遮蔽される。その結果、スパッタ粒子による真空槽１１内の汚染を抑制することが可能である。一方、シャッタ３３の回転により開口３３Ｈがターゲット表面Ｔａと対向しないときには、ターゲット表面Ｔａがシャッタ３３により覆われるため、ターゲット表面Ｔａに対する汚染
が抑制されることとなる。
【００４４】
以上のような構成のスパッタ成膜装置、すなわち基板Ｓの表面Ｓａ（被成膜面）に対してターゲット表面Ｔａが傾斜するようにＭｇＯターゲットＴが配置される構成のスパッタ成膜装置３０に対しても本発明は適用することが可能である。こうした構成であっても、上記（１）（２）に準じた効果を得ることができる。
【００４５】
なお、上記最短飛行距離ｄｔｓは２６０ｍｍに限らず適宜変更可能な値であり、上記斜入射角度θ１も０＜θ１≦９０°の範囲で適宜変更可能な値である。
・上記実施の形態のスパッタ成膜装置１０では、ターゲット表面Ｔａの構成材料を酸化マグネシウムとし、基板Ｓに対して（００１）配向の酸化マグネシウム膜を形成させた。これに限らず、ターゲット表面Ｔａの構成材料としては、非晶質磁性膜上で結晶配向性を有する絶縁材料であればよく、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化チタン（ＴｉＯ２）などであってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
θ１…斜入射角度、Ａｓ…基板回転軸線、Ａｔ…ターゲット法線、ＣＲ…カバーリング、ｄｔｓ…最短飛行距離、ＧＥ…高周波電源、Ｎ…法線、Ｓ…基板、Ｓａ…表面、Ｔ…ＭｇＯターゲット、Ｔａ…ターゲット表面、ＶＧ…圧力検出装置、１０…スパッタ成膜装置、１１…真空槽、１２…排気装置、１３…ガス供給装置、１４…基板ステージ、１５…昇降装置、１５ａ…出力軸、１８…カソード、２０…インピーダンス整合器、２０ａ，２０ｂ…可変キャパシタ、２０ｃ…可変インダクタ、２２…シャッタ、２３…シャッタ回転装置、２３ａ…出力軸、２５…負荷、２６…可変キャパシタ、３０…スパッタ成膜装置、３１…基板回転装置、３２Ａ…下側遮蔽板、３３…シャッタ、３３Ｈ…開口、３４…シャッタ回転装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質磁性膜を有した基板が収容されて希ガスが供給される真空槽と、
前記真空槽内に設けられた接地電極と、
前記真空槽内に配置されたターゲットに接続されたターゲット電極と、
高周波電力を前記ターゲット電極に出力する高周波電源と、
前記ターゲット電極と前記高周波電源との間に直列に接続されたインピーダンス整合器とを備えるスパッタ成膜装置であって、
前記接地電極に流れる電流値を変更する可変キャパシタをさらに備え、
該可変キャパシタが、前記インピーダンス整合器に対する前記ターゲット電極側であって、前記ターゲット電極と前記接地電極とから構成される負荷に対して並列に接続されている
ことを特徴とするスパッタ成膜装置。
【請求項２】
前記ターゲットの構成材料が酸化マグネシウムである
ことを特徴とする請求項１に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項３】
前記ターゲットと前記基板とが互いに平行となるように配置される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項４】
前記基板及び前記ターゲットは円板状をなしており、
前記基板の被成膜面における中心と前記ターゲットの表面における中心とが前記被成膜面の法線上に配置される
ことを特徴とする請求項３に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項５】
前記基板を該基板の周方向に回転させる基板回転装置をさらに備え、
前記基板回転装置により前記基板を該基板の周方向に回転させながら、
前記基板の回転軸から離間して、且つ前記ターゲットの表面における法線が前記基板の被成膜面に対して傾斜するかたちに配置された前記ターゲットをスパッタする
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項１】
非晶質磁性膜を有した基板が収容されて希ガスが供給される真空槽と、
前記真空槽内に設けられた接地電極と、
前記真空槽内に配置されたターゲットに接続されたターゲット電極と、
高周波電力を前記ターゲット電極に出力する高周波電源と、
前記ターゲット電極と前記高周波電源との間に直列に接続されたインピーダンス整合器とを備えるスパッタ成膜装置であって、
前記接地電極に流れる電流値を変更する可変キャパシタをさらに備え、
該可変キャパシタが、前記インピーダンス整合器に対する前記ターゲット電極側であって、前記ターゲット電極と前記接地電極とから構成される負荷に対して並列に接続されている
ことを特徴とするスパッタ成膜装置。
【請求項２】
前記ターゲットの構成材料が酸化マグネシウムである
ことを特徴とする請求項１に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項３】
前記ターゲットと前記基板とが互いに平行となるように配置される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項４】
前記基板及び前記ターゲットは円板状をなしており、
前記基板の被成膜面における中心と前記ターゲットの表面における中心とが前記被成膜面の法線上に配置される
ことを特徴とする請求項３に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項５】
前記基板を該基板の周方向に回転させる基板回転装置をさらに備え、
前記基板回転装置により前記基板を該基板の周方向に回転させながら、
前記基板の回転軸から離間して、且つ前記ターゲットの表面における法線が前記基板の被成膜面に対して傾斜するかたちに配置された前記ターゲットをスパッタする
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１４９３０５（Ｐ２０１２−１４９３０５Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８８６３（Ｐ２０１１−８８６３）
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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