スパッタ装置
【課題】酸化マグネシウム膜の面内均一性を高めることの可能なスパッタ装置を提供することにある。
【解決手段】ターゲット表面１２ａに対して基板表面Ｓａを平行に配置する基板ステージ１１と、ターゲット表面１２ａに漏洩磁場を形成する磁気回路と、を有し、ターゲット表面１２ａにて法線方向の漏洩磁場が無い部位をエロージョン部位１２ｅとし、基板表面Ｓａの中心とエロージョン部位１２ｅとを結ぶ線を第１の直線Ｌ１とし、基板表面Ｓａの中心から該基板の径方向に延びる直線を第２の直線Ｌ２とすると、ターゲット表面１２ａの中心とエロージョン部位１２ｅとの距離が基板半径Ｒ１より大きく、第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下である。
【解決手段】ターゲット表面１２ａに対して基板表面Ｓａを平行に配置する基板ステージ１１と、ターゲット表面１２ａに漏洩磁場を形成する磁気回路と、を有し、ターゲット表面１２ａにて法線方向の漏洩磁場が無い部位をエロージョン部位１２ｅとし、基板表面Ｓａの中心とエロージョン部位１２ｅとを結ぶ線を第１の直線Ｌ１とし、基板表面Ｓａの中心から該基板の径方向に延びる直線を第２の直線Ｌ２とすると、ターゲット表面１２ａの中心とエロージョン部位１２ｅとの距離が基板半径Ｒ１より大きく、第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の技術は、スパッタ装置、特にターゲットからスパッタされる酸化マグネシウムの粒子を基板上に堆積するスパッタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載のように、トンネル磁気抵抗素子の高出力化を図る技術として、トンネル絶縁膜に酸化マグネシウムを用いることが広く検討されている。また、こうした酸化マグネシウム膜を含め、極めて小さい膜厚が求められるトンネル絶縁膜の形成方法には、下記二つの方法が鋭意研究されている。
（方法１）トンネル絶縁膜の材料である酸化物を基板上に直接堆積する方法。
（方法２）トンネル絶縁膜の構成元素である金属を基板上に堆積した後、該金属膜を酸化する方法。
【０００３】
例えば、特許文献２に記載の技術には、マイクロ波で励起されたアルゴンガスによって酸化マグネシウムからなるターゲットをスパッタするＥＣＲスパッタ法が、上記方法１の一例として開示されている。これに対し、特許文献３に記載の技術には、スパッタ法により形成されたマグネシウム膜をラジカル酸化により酸化する方法が、上記方法２の一例として開示されている。
【０００４】
また、特許文献４に記載の技術には、上記方法１の一例であるＲＦスパッタ法や反応性スパッタ法と、方法２の一例である自然酸化プロセスとが開示されている。そして、方法１による素子抵抗値ＲＡの面内均一性が１０％（１σ）を越えてしまう一方、方法２による素子抵抗値ＲＡの面内均一性が３％未満（１σ）であることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】再公表特許ＷＯ２００５／０８８７４５号公報
【特許文献２】特開２００１−１３４９３０号公報
【特許文献３】特開２００７−１７３８４３号公報
【特許文献４】特開２００７−１４２４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、トンネル磁気抵抗素子の素子抵抗値ＲＡとトンネル絶縁膜の膜厚Ｔとの関係は、一般に、ＲＡ＝αｅβＴ（α，βは定数）によって示される。こうした素子抵抗値ＲＡと膜厚Ｔとの関係から認められるように、素子抵抗値ＲＡの面内均一性を確保するうえでは、トンネル絶縁膜の膜厚Ｔに対して非常に高い面内均一性が求められることとなる。
【０００７】
この点、上述した方法２によれば、酸化マグネシウム膜の形成される工程が、マグネシウム膜の形成と該マグネシウム膜の酸化とに分割されるため、膜厚Ｔと酸素濃度とを同時に調整する必要がある方法１と比べて、膜厚Ｔの面内均一性を確保することが容易なこととなる。そのため、上記特許文献４に開示されるように、方法２による素子抵抗値ＲＡの面内均一性は、確かに、方法１による面内均一性よりも優れているのが現状であって、方法１による素子抵抗値ＲＡの面内均一性は、トンネル磁気抵抗素子が量産されることに足る程度に至らないものとなっている。
【０００８】
一方、マグネシウム膜の形成工程と該マグネシウム膜の酸化工程とが必要とされる方法２とは、これらが同時に進行する方法１に比べて、トンネル磁気抵抗素子の製造上、生産能力が低くなったり生産管理が煩雑になったりするという回避し難い問題を有している。それゆえに、トンネル磁気抵抗素子の量産化を図る技術の分野では、上述した方法１において素子抵抗値ＲＡの面内均一性を高めること、すなわち酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高める技術が切望されている。
上述した実情を鑑みてなされた本開示の技術は、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高めることの可能なスパッタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示のスパッタ装置の一態様は、酸化マグネシウムのターゲットをスパッタするスパッタ装置であって、ターゲット表面に対して基板表面を平行に配置するステージと、前記ターゲット表面に漏洩磁場を形成する磁気回路と、を有し、前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部位をエロージョン部位とし、前記基板表面の中心と前記エロージョン部位とを結ぶ線を第１の直線とし、前記基板表面の中心から該基板の径方向に延びる直線を第２の直線とすると、前記ターゲット表面の中心と前記エロージョン部位との距離が基板半径より大きく、前記第１の直線と前記第２の直線とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下である。
【００１０】
ターゲット表面から放出される粒子の進行方向と該ターゲット表面の法線方向とのなす角度を粒子の放出角度とすると、本発明者らの実測によれば、酸化マグネシウムのターゲットから粒子が放出される頻度である放出頻度とは、放出角度が２５°であるときに最大となる。そして、放出角度が２５°よりも小さい範囲では、放出角度が小さくなるに従って、放出頻度の減少の度合いが大きくなる。また、放出角度が２５°よりも大きい範囲では、放出角度が大きくなるに従って、放出頻度の減少の度合いが大きくなる。
【００１１】
これに対し、従前のターゲットから放出される粒子の放出角度分布とは、一般に、放出角度が例えば９０°であるときに粒子の放出頻度が最大になる、いわゆるコサイン則に従うものと考えられている。そのため、本発明者らは、酸化マグネシウムのターゲットに固有のこうした放出角度分布を、従前のスパッタ装置にて膜厚の面内均一性が得られ難い一因として特定した。そして、酸化マグネシウムに固有の放出角度分布に基づき、ターゲット表面の中心とエロージョン部位との距離が基板半径より大きく、且つ第１の直線と前記第２の直線とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下であれば、膜厚の面内均一性が２％（１σ）以下であることが見出された。
【００１２】
この点、本開示のスパッタ装置の一態様では、ターゲット表面の中心と前記エロージョン部位との距離が基板半径より大きく、且つ第１の直線と第２の直線とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下である。それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高めることが可能であって、特に２％（１σ）以下という量産性に適した面内均一性で酸化マグネシウム膜を形成することが可能となる。
【００１３】
本開示のスパッタ装置の別の態様は、上記態様において、前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有し、前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分のうち前記ターゲット表面の中心に最も近い部位を前記エロージョン部位とする。
【００１４】
漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有する場合、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性が、こうした幅の大きさに応じて変わることも少なくない。例えば、漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有し、且つこうした部分のうちターゲット表面の中心から最も遠い部位がエロージョン部位となる場合、エロージョン部位の他、該エロージョン部位よりもターゲット表面の中心に近い部位においても酸化マグネシウムの粒子が同等に放出されることとなる。そして、ターゲット表面のうちでエロージョン部位以外の部位から酸化マグネシウムが放出されて、こうした酸化マグネシウムが基板表面に到達する結果、上述した効果が低減されてしまう場合もある。
【００１５】
この点、本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有する場合には、ターゲット表面の中心に最も近い部位がエロージョン部位として定められる。それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性が、こうした幅の大きさに応じて変わることを抑えることが可能にもなる。
【００１６】
本開示のスパッタ装置の別の態様は、上記態様において、前記エロージョン部位から放出された粒子が前記基板表面に到達するまでに該粒子が他の粒子と衝突しない圧力まで前記ターゲット表面と前記基板表面との間を排気する排気部を有する。
【００１７】
エロージョン部位から放出された粒子がターゲット表面と基板表面との間で他の粒子と衝突する場合、該放出された粒子が基板表面に到達する前に、該放出された粒子の進行方向が変わってしまうことも少なくない。そのため、こうした粒子同士の衝突する機会が増えることになれば、上述した効果が低減されてしまうことにもなる。
【００１８】
この点、本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、エロージョン部位から放出された粒子が基板表面に到達するまでに、該粒子と他の粒子とが衝突しない圧力にまで、ターゲット表面と基板表面との間が減圧される。それゆえに、エロージョン部位から放出された粒子がターゲット表面と基板表面との間で他の粒子と衝突する場合と比べて、上述した効果を高めることが可能でもある。
【００１９】
本開示のスパッタ装置の一態様は、前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が、前記ターゲット表面の中心を囲う環状である。
本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が環状でない場合と比べて、基板表面の中心を囲う環状の部位では、該部位とエロージョン部位との相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面に形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、基板表面の中心を囲う環状の部位において、さらに顕著なものとなる。
【００２０】
本開示のスパッタ装置の一態様は、上記態様において、前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分の形状が、前記基板の外周部と相似形である。
本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分の形状が基板の外周部と相似形であるため、基板の周方向における各部位にて、該部位とエロージョン部位との相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面に形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、基板の周方向において、さらに顕著なものとなる。
【００２１】
本開示のスパッタ装置の一態様は、上記態様において、前記磁気回路が、前記ターゲット表面の中心で前記漏洩磁場を回転する。
本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、ターゲット表面の中心を回転中心としてエロージョン部位が回転することになるため、基板の周方向における各部位にて、該部位とエロージョン部位との相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面に形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、さらに顕著なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本開示におけるスパッタ装置の一実施形態の構成を示す全体構成図。
【図２】ターゲット表面におけるエロージョン部位を示すターゲット表面の平面図。
【図３】ターゲット表面におけるエロージョン部位を示すターゲットの断面図であって、図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】基板表面とターゲット表面との位置関係を基板ステージの配置とターゲットの配置に基づいて示す配置構成図。
【図５】酸化マグネシウムの放出頻度を放出角度ごとに示す放出角度分布図。
【図６】アルミニウムの放出頻度を放出角度ごとに示す放出角度分布図。
【図７】酸化マグネシウム膜の膜厚を数値計算で求める際の方式を示す概念図。
【図８】酸化マグネシウム膜における膜厚の面内均一性の数値計算結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本開示におけるスパッタ装置を具体化した一実施形態について図１〜図６を参照して説明する。まず、スパッタ装置の全体構成について図１及び図２を参照して説明する。
【００２４】
図１に示されるように、円板状の基板Ｓが載置される基板ステージ１１の上方には、基板ステージ１１の載置面１１ａとターゲット表面１２ａとが互いに平行となるように、円板状をなす酸化マグネシウムのターゲット１２が配設されている。基板ステージ１１とターゲット１２とは、載置面１１ａの中心である基板中心Ｓｃとターゲット表面１２ａの中心であるターゲット中心１２ｃとが同一の直線上に並ぶように配置されている。なお、ターゲット１２の半径であるターゲット径Ｒ２は、基板Ｓの半径である基板半径Ｒ１よりも大きい。
【００２５】
ターゲット１２におけるターゲット表面１２ａとは反対側の面には、高周波電源１３に接続されたバッキングプレート１４が連結され、該バッキングプレート１４の上方には、ターゲット表面１２ａ及びその下方に漏洩磁場を形成する磁気回路１５が搭載されている。磁気回路１５の形成する漏洩磁場は、ターゲット表面１２ａの法線方向に沿う磁場成分である垂直磁場成分Ｂ⊥を含まない領域、すなわち漏洩磁場の法線方向の成分が「０」の部分を有する。また、こうした垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部位を結ぶ線は、ターゲット表面１２ａにおいてターゲット中心１２ｃを囲む楕円形状を呈している。また、磁気回路１５には、基板中心Ｓｃとターゲット中心１２ｃとを通る回転軸を中心に、磁気回路１５を回転する回転機構１６が連結されている。なお、基板ステージ１１とターゲット１２との間には、基板Ｓの表面である基板表面Ｓａとターゲット表面１２ａとの間を所定の圧力まで排気する排気部１７が接続されている。
【００２６】
そして、ターゲット１２がスパッタされる際には、まず、基板ステージ１１とターゲット１２との間にアルゴンガスなどのスパッタガスが供給されつつ、基板ステージ１１とターゲット１２との間が排気部１７によって所定の圧力まで減圧される。次いで、バッキングプレート１４に高周波電源１３からの高周波電力が供給されることにより、スパッタガスからプラズマが生成され、該プラズマ中の正イオンがターゲット表面１２ａに向けて引き込まれる。これによって、ターゲット表面１２ａから酸化マグネシウムの粒子が放出され、該粒子が基板表面Ｓａに堆積することとなる。
【００２７】
この際、ターゲット表面１２ａの下方におけるプラズマの密度は、図２に示されるように、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分を結んだ楕円形状の零磁場ラインＬＢ０で最も高くなる。そして、零磁場ラインＬＢ０がターゲット中心１２ｃで回転することから、ターゲット表面１２ａにおいては、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分と互いに対向する部分である円環状のエロージョン領域１２Ｓでスパッタが進行し、該エロージョン領域１２Ｓに窪みが形成される。
【００２８】
なお、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い領域がターゲット表面１２ａの径方向に幅を有する場合、エロージョン領域１２Ｓも同じく径方向に幅を有することになる。例えば、上述したように、回転機構１６の駆動によって磁気回路１５が回転するため、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い領域もターゲット中心１２ｃを回転中心として回転する。そして、ターゲット表面１２ａにおいて垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分が楕円形状を呈し、こうした楕円形状の部分が回転することになるため、エロージョン領域１２Ｓは、同楕円形状の長径と短径との差分に相当する幅であるエロージョン幅Ｗを有することになる。以下、図３に示されるように、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分でターゲット中心１２ｃに最も近い部位、すなわちエロージョン領域１２Ｓのうちでターゲット中心１２ｃに最も近い部位を、エロージョン部位１２ｅとする。
【００２９】
次に、基板表面Ｓａとターゲット表面１２ａとの位置関係に関して、ステージ中心１１ｃ、ターゲット中心１２ｃ、及びエロージョン部位１２ｅを用い、図３〜図７を参照して以下に説明する。なお、以下では、基板中心Ｓｃとエロージョン部位１２ｅとを結ぶ線を第１の直線Ｌ１とし、基板中心Ｓｃから該基板Ｓの径方向に延びる直線を第２の直線Ｌ２とする。また、ターゲット中心１２ｃとエロージョン部位１２ｅとの距離をエロージョン径Ｒ３とし、第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２とのなす角度を成膜角度θｄとする。
【００３０】
図３に示されるように、基板ステージ１１とターゲット１２とは、所定の距離であるＴＳ間距離Ｈだけ互いに離れ、且つステージ中心１１ｃ、基板中心Ｓｃ、及びターゲット中心１２ｃが同一の直線上に並ぶように配置されている。また、基板ステージ１１とターゲット１２とは、ＴＳ間距離Ｈ、エロージョン径Ｒ３、及び成膜角度θｄが下記条件１及び条件２を満たすように配置されている。
（条件１）エロージョン径Ｒ３＞基板半径Ｒ１
（条件２）５４．５°≧θｄ≧４３．５°
【００３１】
次に、上述した条件１及び条件２の詳細について図５〜図８を参照して以下に説明する。まず、条件１及び条件２の前提となる酸化マグネシウムの放出角度分布について図５及び図６を参照して説明する。
【００３２】
図５は、先に説明されたエロージョン部位１２ｅを原点とする極座標系で酸化マグネシウムの放出角度分布を示す放出頻度分布図である。なお、図５では、極座標上の点とエロージョン部位１２ｅとの距離である動径が放出頻度を示し、極座標上の点とエロージョン部位１２ｅとを結ぶ直線とターゲット表面１２ａとのなす角度である偏角が放出角度θを示す。また、図６は、アルミニウムのターゲットにおけるエロージョン部位１２Ｋから放出されるアルミニウムの放出角度分布を極座標系で示す放出頻度分布図である。なお、図６においても、極座標上の点とエロージョン部位１２Ｋとの距離である動径が放出頻度Ｆを示し、極座標上の点とエロージョン部位１２Ｋとを結ぶ直線とターゲット表面とのなす角度である偏角が放出角度θを示す。ちなみに、図５及び図６に示される放出角度分布は、基板Ｓ上における膜厚分布の実測値から得られるものであって、例えば、互いに異なるＴＳ間距離Ｈに配置された基板Ｓの各々における膜厚の分布から得られる。
【００３３】
図５に示されるように、酸化マグネシウムの放出頻度の分布を示す分布曲線２０では、放出頻度Ｆの最も高い放出角度θが２５°である。そして、放出角度θが２５°よりも小さい範囲では、放出角度θが小さくなるに従って、放出頻度Ｆの減少の度合いが大きくなる。また、放出角度θが２５°よりも大きい範囲では、放出角度が大きくなるに従って、放出頻度Ｆの減少の度合いが大きくなる。これに対し、図６に示されるように、アルミニウムの放出頻度の分布を示す分布曲線２１では、放出頻度Ｆの最も高い放出角度θが９０°であって、放出頻度Ｆと放出角度θとの関係が、一般的なコサイン則、すなわちＦ＝ｃｏｓｎ（９０−θ）（ｎは１以上の整数）で与えられる。
【００３４】
本発明者らは、酸化マグネシウムのターゲット１２に固有のこうした放出角度分布を、従前のスパッタ装置にて膜厚の面内均一性が得られ難い一因として特定した。そして、酸化マグネシウムに固有の放出角度分布を用いた面内膜厚均一性の数値計算と実測とに基づき、エロージョン径Ｒ３が基板半径Ｒ１よりも大きく、且つ成膜角度θｄが４３．５°以上、５４．５°以下であれば、２％（１σ）以下の膜厚面内均一性を得られることが見出された。
【００３５】
次に、上記面内膜厚均一性の数値計算の方式とその数値計算結果について図７及び図８を参照して以下に説明する。なお、図７では、基板Ｓ上の任意の点である着弾点Ｓｐにおける膜厚の数値計算の方式を示す。
【００３６】
図７に示されるように、エロージョン部位１２ｅにおける任意の点であるエロージョン点１２ｎと基板Ｓ上の任意の点である着弾点Ｓｐとを結ぶ直線を飛行経路Ｌｎとし、該飛行経路Ｌｎとターゲット表面１２ａとのなす角度を飛行角度θｎとする。ここで、エロージョン点１２ｎから放出された酸化マグネシウムの粒子１２Ｄは、エロージョン点１２ｎと着弾点Ｓｐとの間で粒子１２Ｄが散乱されない限り、上記放出角度θを飛行角度θｎとした放出頻度Ｆｎで到達する。この際、一つの着弾点Ｓｐに対しては、他のエロージョン点１２ｎ＋１からも、該エロージョン点１２ｎ＋１の位置に応じた放出頻度Ｆｎ＋１で酸化マグネシウムの粒子１２Ｄが到達する。そのため、一つの着弾点Ｓｐにおける膜厚は、全てのエロージョン点１２ｎの各々における上記放出頻度Ｆｎの積算値に相当する。そして、基板Ｓの面内膜厚均一性は、基板Ｓ上の全ての着弾点Ｓｐの各々における膜厚の数値計算結果から得られることになる。このような数値計算から得られた面内膜厚均一性と上記エロージョン径Ｒ３及びＴＳ間距離Ｈとの関係について図８に示す。なお、図８における縦軸及び横軸は、それぞれ基板半径Ｒ１によって規格化されたＴＳ間距離Ｈ及びエロージョン径Ｒ３である。
【００３７】
図８に示されるように、基板半径Ｒ１に対するエロージョン径Ｒ３が１．０より大きく、且つ縦軸とのなす角度が第１の境界角度θｄ１（＝４３．５°）である境界線Ｌ３と、縦軸とのなす角度が第２の境界角度θｄ２（＝５４．５°）である境界線Ｌ４との間でのみ、２％（１σ）以下の良好な面内均一性が認められる。
【００３８】
ここで、基板半径Ｒ１に対するエロージョン径Ｒ３が１．０となる範囲とは、エロージョン径Ｒ３が基板半径Ｒ１よりも大きい範囲である。すなわち、上述した条件１である「エロージョン径Ｒ３＞基板半径Ｒ１」が満たされる範囲である。
【００３９】
また、図８における横軸とは、基板中心Ｓｃから該基板Ｓの径方向に延びる上述した第２の直線Ｌ２に相当する。また、図８における原点とは、エロージョン径Ｒ３が０、及びＴＳ間距離Ｈが０となる点、すなわち基板中心Ｓｃに相当し、図８における各座標点とは、基板中心Ｓｃからエロージョン径Ｒ３だけ離れた点、すなわちエロージョン部位１２ｅの直下に相当する。そのため、図８における各座標点と原点とを通る直線は、上述した第１の直線Ｌ１であり、上記境界線Ｌ３と横軸とがなす第１の境界角度θｄ１、及び上記境界線Ｌ４と横軸とがなす第２の境界角度θｄ２は、上述した成膜角度θｄに相当する。それゆえに、境界線Ｌ３と境界線Ｌ４とに挟まれる範囲とは、上述した条件２である「５４．５°≧θｄ≧４３．５°」が満たされる範囲である。
次に、上述したスパッタ装置の作用について以下に説明する。
【００４０】
まず、基板ステージ１１とターゲット１２との間にアルゴンガスなどのスパッタガスが供給され、ターゲット１２から放出される粒子が基板Ｓに到達するまで他の粒子と衝突しない程度の圧力まで、基板ステージ１１とターゲット１２との間が排気部１７によって減圧される。次いで、バッキングプレート１４に高周波電源１３からの高周波電力が供給されることにより、スパッタガスからプラズマが生成され、該プラズマ中の正イオンがターゲット表面１２ａに向けて引き込まれる。これによって、ターゲット表面１２ａから酸化マグネシウムの粒子が放出され、該粒子が基板表面Ｓａに堆積することとなる。この際、上述したスパッタ装置では、上記条件１及び条件２の双方が満たされるように、基板ステージ１１とターゲット１２とが配置されている。それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高めることが可能であって、特に２％（１σ）以下という量産性に適した面内均一性で酸化マグネシウム膜を形成することが可能となる。
［実施例］
【００４１】
上述したスパッタ装置を用い下記複数の条件下で酸化マグネシウム膜を形成した。そして、複数の条件の各々から得られた酸化マグネシウム膜の面内膜厚均一性を計測した結果、図８に示される膜厚均一性と同等の結果が得られた。
・基板Ｓ：シリコン基板
・基板半径Ｒ１： ４インチ〜６インチ
・ターゲット１２： 酸化マグネシウムターゲット
・ターゲット径Ｒ２： ６．５インチ〜９．５インチ
・ＴＳ間距離Ｈ： １８ｃｍ〜２４ｃｍ
・エロージョン径Ｒ３：５．５インチ〜８．５インチ
・成膜圧力： ０．３Ｐａ〜１．５Ｐａ
以上説明したように、本実施形態によれば以下の効果が得られるようになる。
【００４２】
（１）上記実施形態によれば、ターゲット中心１２ｃとエロージョン部位との距離であるエロージョン径Ｒ３が基板半径Ｒ１より大きく、且つ第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２とのなす角度である成膜角度θｄが４３．５°以上、５４．５°以下である。
【００４３】
それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高めることが可能であって、特に２％（１σ）以下という量産性に適した面内均一性で酸化マグネシウム膜を形成することが可能となる。
【００４４】
（２）上述したように、磁気回路１５の回転により、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分がエロージョン幅Ｗを有する場合、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性が、こうしたエロージョン幅Ｗの大きさに応じて変わることも少なくない。例えば、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分がエロージョン幅Ｗを有し、且つこうした部分のうちターゲット中心１２ｃから最も遠い部位がエロージョン部位となる場合、エロージョン部位の他、該エロージョン部位よりもターゲット中心１２ｃに近い部位においても酸化マグネシウムの粒子が同等に放出されることとなる。そして、ターゲット表面１２ａのうちでエロージョン部位以外の部位から酸化マグネシウムが放出されて、こうした酸化マグネシウムが基板表面Ｓａに到達する結果、上述した（１）の効果が低減されてしまう場合もある。
【００４５】
この点、上記実施形態によれば、図３に示されるように、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分がエロージョン幅Ｗを有し、ターゲット中心１２ｃに最も近い部位がエロージョン部位１２ｅとして定められる。それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性が、こうしたエロージョン幅Ｗの大きさに応じて変わることを抑えることが可能にもなる。
【００４６】
（３）エロージョン部位１２ｅから放出された粒子がターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間で他の粒子と衝突する場合、該放出された粒子が基板表面Ｓａに到達する前に、該放出された粒子の進行方向が変わってしまうことも少なくない。そのため、こうした粒子同士の衝突する機会が増えることになれば、上述した（１）（２）の効果が低減されてしまうことにもなる。
【００４７】
この点、上記実施形態によれば、エロージョン部位１２ｅから放出された粒子が基板表面Ｓａに到達するまでに、該粒子と他の粒子とが衝突しない圧力にまで、ターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間が減圧される。それゆえに、エロージョン部位１２ｅから放出された粒子がターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間で他の粒子と衝突する場合と比べて、上述した効果を高めることが可能でもある。
【００４８】
（４）エロージョン領域１２Ｓがターゲット中心１２ｃを囲う環状であるから、こうしたエロージョン領域１２Ｓが環状でない場合と比べて、基板中心Ｓｃを囲う環状の部位では、該部位とエロージョン部位１２ｅとの相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面Ｓａに形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、基板中心Ｓｃを囲う環状の部位において、さらに顕著なものとなる。
【００４９】
（５）エロージョン領域１２Ｓの形状が、基板Ｓの外周部と相似形であるから、基板Ｓの周方向における各部位にて、該部位とエロージョン部位１２ｅとの相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面Ｓａに形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、基板Ｓの周方向において、さらに顕著なものとなる。
【００５０】
（６）磁気回路１５がターゲット中心１２ｃで回転する、すなわちターゲット中心１２ｃを回転中心としてエロージョン部位１２ｅが回転することになるため、基板Ｓの周方向における各部位にて、該部位とエロージョン部位１２ｅとの相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面Ｓａに形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、さらに顕著なものとなる。
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することも可能である。
【００５１】
・回転機構１６が割愛されるとともに、ターゲット１２と磁気回路１５との相対的な位置が変わらない構成であってもよい。このような構成であっても、上述した条件１、及び条件２が満たされる構成であれば、上記（１）〜（５）に準じた効果を得ることは可能である。
【００５２】
・エロージョン領域１２Ｓは、楕円形状や多角形状をなす環状であってもよく、また開環された形状であってもよい。このような構成であっても、上述した条件１、及び条件２が満たされる構成であれば、上記（１）〜（３）、（６）に準じた効果を得ることは可能である。
【００５３】
・ターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間の圧力は、エロージョン部位１２ｅから放出された粒子がターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間で他の粒子と衝突する圧力であってもよい。このような構成であっても、基板Ｓに到達する粒子の頻度が上述した放出頻度に依存する以上、少なからず上記（１）、（２）に準じた効果を得ることは可能である。
【００５４】
・エロージョン領域１２Ｓがエロージョン幅Ｗを有する場合、例えば、ターゲット中心１２ｃから最も遠い部位がエロージョン部位１２ｅとして定められてもよい。このような構成であっても、基板Ｓに到達する粒子がエロージョン領域１２Ｓから放出される以上、上述した条件１、及び条件２が満たされる構成であれば、少なからず上記（１）に準じた効果を得ることは可能である。
【００５５】
・基板ステージ１１は、該基板ステージ１１に載置された基板Ｓの成膜中に、静止してもよく、あるいはステージ中心１１ｃを通り基板Ｓの法線方向に沿う中心軸で回転してもよい。すなわち、上述したスパッタ装置における成膜の態様は、基板Ｓを静止させてもよく、あるいは基板中心Ｓｃを中心に基板Ｓを回転させてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
θ…放出角度、Ｆ，Ｆｎ…放出頻度、Ｈ…ＴＳ間距離、Ｓ…基板、Ｔ…膜厚、Ｗ…エロージョン幅、θｄ…成膜角度、θｎ…飛行角度、Ｌ１…第１の直線、Ｌ２…第２の直線、Ｌ３，Ｌ４…境界線、Ｌｎ…飛行経路、Ｒ１…基板半径、Ｒ２…ターゲット径、Ｒ３…エロージョン径、ＲＡ…素子抵抗値、Ｓａ…基板表面、Ｓｃ…基板中心、Ｓｐ…着弾点、θｄ１…第１の境界角度、θｄ２…第２の境界角度、ＬＢ０…零磁場ライン、Ｆｎ＋１…放出頻度、１１…基板ステージ、１１ａ…載置面、１１ｃ…ステージ中心、１２…ターゲット、１２ａ…ターゲット表面、１２ｃ…ターゲット中心、１２Ｄ…粒子、１２ｅ，１２Ｋ…エロージョン部位、１２ｎ，１２ｎ＋１…エロージョン点、１２Ｓ…エロージョン領域、１３…高周波電源、１４…バッキングプレート、１５…磁気回路、１６…回転機構、１７…排気部、２０，２１…分布曲線。
【技術分野】
【０００１】
本開示の技術は、スパッタ装置、特にターゲットからスパッタされる酸化マグネシウムの粒子を基板上に堆積するスパッタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載のように、トンネル磁気抵抗素子の高出力化を図る技術として、トンネル絶縁膜に酸化マグネシウムを用いることが広く検討されている。また、こうした酸化マグネシウム膜を含め、極めて小さい膜厚が求められるトンネル絶縁膜の形成方法には、下記二つの方法が鋭意研究されている。
（方法１）トンネル絶縁膜の材料である酸化物を基板上に直接堆積する方法。
（方法２）トンネル絶縁膜の構成元素である金属を基板上に堆積した後、該金属膜を酸化する方法。
【０００３】
例えば、特許文献２に記載の技術には、マイクロ波で励起されたアルゴンガスによって酸化マグネシウムからなるターゲットをスパッタするＥＣＲスパッタ法が、上記方法１の一例として開示されている。これに対し、特許文献３に記載の技術には、スパッタ法により形成されたマグネシウム膜をラジカル酸化により酸化する方法が、上記方法２の一例として開示されている。
【０００４】
また、特許文献４に記載の技術には、上記方法１の一例であるＲＦスパッタ法や反応性スパッタ法と、方法２の一例である自然酸化プロセスとが開示されている。そして、方法１による素子抵抗値ＲＡの面内均一性が１０％（１σ）を越えてしまう一方、方法２による素子抵抗値ＲＡの面内均一性が３％未満（１σ）であることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】再公表特許ＷＯ２００５／０８８７４５号公報
【特許文献２】特開２００１−１３４９３０号公報
【特許文献３】特開２００７−１７３８４３号公報
【特許文献４】特開２００７−１４２４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、トンネル磁気抵抗素子の素子抵抗値ＲＡとトンネル絶縁膜の膜厚Ｔとの関係は、一般に、ＲＡ＝αｅβＴ（α，βは定数）によって示される。こうした素子抵抗値ＲＡと膜厚Ｔとの関係から認められるように、素子抵抗値ＲＡの面内均一性を確保するうえでは、トンネル絶縁膜の膜厚Ｔに対して非常に高い面内均一性が求められることとなる。
【０００７】
この点、上述した方法２によれば、酸化マグネシウム膜の形成される工程が、マグネシウム膜の形成と該マグネシウム膜の酸化とに分割されるため、膜厚Ｔと酸素濃度とを同時に調整する必要がある方法１と比べて、膜厚Ｔの面内均一性を確保することが容易なこととなる。そのため、上記特許文献４に開示されるように、方法２による素子抵抗値ＲＡの面内均一性は、確かに、方法１による面内均一性よりも優れているのが現状であって、方法１による素子抵抗値ＲＡの面内均一性は、トンネル磁気抵抗素子が量産されることに足る程度に至らないものとなっている。
【０００８】
一方、マグネシウム膜の形成工程と該マグネシウム膜の酸化工程とが必要とされる方法２とは、これらが同時に進行する方法１に比べて、トンネル磁気抵抗素子の製造上、生産能力が低くなったり生産管理が煩雑になったりするという回避し難い問題を有している。それゆえに、トンネル磁気抵抗素子の量産化を図る技術の分野では、上述した方法１において素子抵抗値ＲＡの面内均一性を高めること、すなわち酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高める技術が切望されている。
上述した実情を鑑みてなされた本開示の技術は、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高めることの可能なスパッタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示のスパッタ装置の一態様は、酸化マグネシウムのターゲットをスパッタするスパッタ装置であって、ターゲット表面に対して基板表面を平行に配置するステージと、前記ターゲット表面に漏洩磁場を形成する磁気回路と、を有し、前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部位をエロージョン部位とし、前記基板表面の中心と前記エロージョン部位とを結ぶ線を第１の直線とし、前記基板表面の中心から該基板の径方向に延びる直線を第２の直線とすると、前記ターゲット表面の中心と前記エロージョン部位との距離が基板半径より大きく、前記第１の直線と前記第２の直線とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下である。
【００１０】
ターゲット表面から放出される粒子の進行方向と該ターゲット表面の法線方向とのなす角度を粒子の放出角度とすると、本発明者らの実測によれば、酸化マグネシウムのターゲットから粒子が放出される頻度である放出頻度とは、放出角度が２５°であるときに最大となる。そして、放出角度が２５°よりも小さい範囲では、放出角度が小さくなるに従って、放出頻度の減少の度合いが大きくなる。また、放出角度が２５°よりも大きい範囲では、放出角度が大きくなるに従って、放出頻度の減少の度合いが大きくなる。
【００１１】
これに対し、従前のターゲットから放出される粒子の放出角度分布とは、一般に、放出角度が例えば９０°であるときに粒子の放出頻度が最大になる、いわゆるコサイン則に従うものと考えられている。そのため、本発明者らは、酸化マグネシウムのターゲットに固有のこうした放出角度分布を、従前のスパッタ装置にて膜厚の面内均一性が得られ難い一因として特定した。そして、酸化マグネシウムに固有の放出角度分布に基づき、ターゲット表面の中心とエロージョン部位との距離が基板半径より大きく、且つ第１の直線と前記第２の直線とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下であれば、膜厚の面内均一性が２％（１σ）以下であることが見出された。
【００１２】
この点、本開示のスパッタ装置の一態様では、ターゲット表面の中心と前記エロージョン部位との距離が基板半径より大きく、且つ第１の直線と第２の直線とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下である。それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高めることが可能であって、特に２％（１σ）以下という量産性に適した面内均一性で酸化マグネシウム膜を形成することが可能となる。
【００１３】
本開示のスパッタ装置の別の態様は、上記態様において、前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有し、前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分のうち前記ターゲット表面の中心に最も近い部位を前記エロージョン部位とする。
【００１４】
漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有する場合、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性が、こうした幅の大きさに応じて変わることも少なくない。例えば、漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有し、且つこうした部分のうちターゲット表面の中心から最も遠い部位がエロージョン部位となる場合、エロージョン部位の他、該エロージョン部位よりもターゲット表面の中心に近い部位においても酸化マグネシウムの粒子が同等に放出されることとなる。そして、ターゲット表面のうちでエロージョン部位以外の部位から酸化マグネシウムが放出されて、こうした酸化マグネシウムが基板表面に到達する結果、上述した効果が低減されてしまう場合もある。
【００１５】
この点、本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有する場合には、ターゲット表面の中心に最も近い部位がエロージョン部位として定められる。それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性が、こうした幅の大きさに応じて変わることを抑えることが可能にもなる。
【００１６】
本開示のスパッタ装置の別の態様は、上記態様において、前記エロージョン部位から放出された粒子が前記基板表面に到達するまでに該粒子が他の粒子と衝突しない圧力まで前記ターゲット表面と前記基板表面との間を排気する排気部を有する。
【００１７】
エロージョン部位から放出された粒子がターゲット表面と基板表面との間で他の粒子と衝突する場合、該放出された粒子が基板表面に到達する前に、該放出された粒子の進行方向が変わってしまうことも少なくない。そのため、こうした粒子同士の衝突する機会が増えることになれば、上述した効果が低減されてしまうことにもなる。
【００１８】
この点、本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、エロージョン部位から放出された粒子が基板表面に到達するまでに、該粒子と他の粒子とが衝突しない圧力にまで、ターゲット表面と基板表面との間が減圧される。それゆえに、エロージョン部位から放出された粒子がターゲット表面と基板表面との間で他の粒子と衝突する場合と比べて、上述した効果を高めることが可能でもある。
【００１９】
本開示のスパッタ装置の一態様は、前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が、前記ターゲット表面の中心を囲う環状である。
本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が環状でない場合と比べて、基板表面の中心を囲う環状の部位では、該部位とエロージョン部位との相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面に形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、基板表面の中心を囲う環状の部位において、さらに顕著なものとなる。
【００２０】
本開示のスパッタ装置の一態様は、上記態様において、前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分の形状が、前記基板の外周部と相似形である。
本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分の形状が基板の外周部と相似形であるため、基板の周方向における各部位にて、該部位とエロージョン部位との相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面に形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、基板の周方向において、さらに顕著なものとなる。
【００２１】
本開示のスパッタ装置の一態様は、上記態様において、前記磁気回路が、前記ターゲット表面の中心で前記漏洩磁場を回転する。
本開示のスパッタ装置の別の態様によれば、ターゲット表面の中心を回転中心としてエロージョン部位が回転することになるため、基板の周方向における各部位にて、該部位とエロージョン部位との相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面に形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、さらに顕著なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本開示におけるスパッタ装置の一実施形態の構成を示す全体構成図。
【図２】ターゲット表面におけるエロージョン部位を示すターゲット表面の平面図。
【図３】ターゲット表面におけるエロージョン部位を示すターゲットの断面図であって、図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】基板表面とターゲット表面との位置関係を基板ステージの配置とターゲットの配置に基づいて示す配置構成図。
【図５】酸化マグネシウムの放出頻度を放出角度ごとに示す放出角度分布図。
【図６】アルミニウムの放出頻度を放出角度ごとに示す放出角度分布図。
【図７】酸化マグネシウム膜の膜厚を数値計算で求める際の方式を示す概念図。
【図８】酸化マグネシウム膜における膜厚の面内均一性の数値計算結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本開示におけるスパッタ装置を具体化した一実施形態について図１〜図６を参照して説明する。まず、スパッタ装置の全体構成について図１及び図２を参照して説明する。
【００２４】
図１に示されるように、円板状の基板Ｓが載置される基板ステージ１１の上方には、基板ステージ１１の載置面１１ａとターゲット表面１２ａとが互いに平行となるように、円板状をなす酸化マグネシウムのターゲット１２が配設されている。基板ステージ１１とターゲット１２とは、載置面１１ａの中心である基板中心Ｓｃとターゲット表面１２ａの中心であるターゲット中心１２ｃとが同一の直線上に並ぶように配置されている。なお、ターゲット１２の半径であるターゲット径Ｒ２は、基板Ｓの半径である基板半径Ｒ１よりも大きい。
【００２５】
ターゲット１２におけるターゲット表面１２ａとは反対側の面には、高周波電源１３に接続されたバッキングプレート１４が連結され、該バッキングプレート１４の上方には、ターゲット表面１２ａ及びその下方に漏洩磁場を形成する磁気回路１５が搭載されている。磁気回路１５の形成する漏洩磁場は、ターゲット表面１２ａの法線方向に沿う磁場成分である垂直磁場成分Ｂ⊥を含まない領域、すなわち漏洩磁場の法線方向の成分が「０」の部分を有する。また、こうした垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部位を結ぶ線は、ターゲット表面１２ａにおいてターゲット中心１２ｃを囲む楕円形状を呈している。また、磁気回路１５には、基板中心Ｓｃとターゲット中心１２ｃとを通る回転軸を中心に、磁気回路１５を回転する回転機構１６が連結されている。なお、基板ステージ１１とターゲット１２との間には、基板Ｓの表面である基板表面Ｓａとターゲット表面１２ａとの間を所定の圧力まで排気する排気部１７が接続されている。
【００２６】
そして、ターゲット１２がスパッタされる際には、まず、基板ステージ１１とターゲット１２との間にアルゴンガスなどのスパッタガスが供給されつつ、基板ステージ１１とターゲット１２との間が排気部１７によって所定の圧力まで減圧される。次いで、バッキングプレート１４に高周波電源１３からの高周波電力が供給されることにより、スパッタガスからプラズマが生成され、該プラズマ中の正イオンがターゲット表面１２ａに向けて引き込まれる。これによって、ターゲット表面１２ａから酸化マグネシウムの粒子が放出され、該粒子が基板表面Ｓａに堆積することとなる。
【００２７】
この際、ターゲット表面１２ａの下方におけるプラズマの密度は、図２に示されるように、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分を結んだ楕円形状の零磁場ラインＬＢ０で最も高くなる。そして、零磁場ラインＬＢ０がターゲット中心１２ｃで回転することから、ターゲット表面１２ａにおいては、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分と互いに対向する部分である円環状のエロージョン領域１２Ｓでスパッタが進行し、該エロージョン領域１２Ｓに窪みが形成される。
【００２８】
なお、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い領域がターゲット表面１２ａの径方向に幅を有する場合、エロージョン領域１２Ｓも同じく径方向に幅を有することになる。例えば、上述したように、回転機構１６の駆動によって磁気回路１５が回転するため、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い領域もターゲット中心１２ｃを回転中心として回転する。そして、ターゲット表面１２ａにおいて垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分が楕円形状を呈し、こうした楕円形状の部分が回転することになるため、エロージョン領域１２Ｓは、同楕円形状の長径と短径との差分に相当する幅であるエロージョン幅Ｗを有することになる。以下、図３に示されるように、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分でターゲット中心１２ｃに最も近い部位、すなわちエロージョン領域１２Ｓのうちでターゲット中心１２ｃに最も近い部位を、エロージョン部位１２ｅとする。
【００２９】
次に、基板表面Ｓａとターゲット表面１２ａとの位置関係に関して、ステージ中心１１ｃ、ターゲット中心１２ｃ、及びエロージョン部位１２ｅを用い、図３〜図７を参照して以下に説明する。なお、以下では、基板中心Ｓｃとエロージョン部位１２ｅとを結ぶ線を第１の直線Ｌ１とし、基板中心Ｓｃから該基板Ｓの径方向に延びる直線を第２の直線Ｌ２とする。また、ターゲット中心１２ｃとエロージョン部位１２ｅとの距離をエロージョン径Ｒ３とし、第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２とのなす角度を成膜角度θｄとする。
【００３０】
図３に示されるように、基板ステージ１１とターゲット１２とは、所定の距離であるＴＳ間距離Ｈだけ互いに離れ、且つステージ中心１１ｃ、基板中心Ｓｃ、及びターゲット中心１２ｃが同一の直線上に並ぶように配置されている。また、基板ステージ１１とターゲット１２とは、ＴＳ間距離Ｈ、エロージョン径Ｒ３、及び成膜角度θｄが下記条件１及び条件２を満たすように配置されている。
（条件１）エロージョン径Ｒ３＞基板半径Ｒ１
（条件２）５４．５°≧θｄ≧４３．５°
【００３１】
次に、上述した条件１及び条件２の詳細について図５〜図８を参照して以下に説明する。まず、条件１及び条件２の前提となる酸化マグネシウムの放出角度分布について図５及び図６を参照して説明する。
【００３２】
図５は、先に説明されたエロージョン部位１２ｅを原点とする極座標系で酸化マグネシウムの放出角度分布を示す放出頻度分布図である。なお、図５では、極座標上の点とエロージョン部位１２ｅとの距離である動径が放出頻度を示し、極座標上の点とエロージョン部位１２ｅとを結ぶ直線とターゲット表面１２ａとのなす角度である偏角が放出角度θを示す。また、図６は、アルミニウムのターゲットにおけるエロージョン部位１２Ｋから放出されるアルミニウムの放出角度分布を極座標系で示す放出頻度分布図である。なお、図６においても、極座標上の点とエロージョン部位１２Ｋとの距離である動径が放出頻度Ｆを示し、極座標上の点とエロージョン部位１２Ｋとを結ぶ直線とターゲット表面とのなす角度である偏角が放出角度θを示す。ちなみに、図５及び図６に示される放出角度分布は、基板Ｓ上における膜厚分布の実測値から得られるものであって、例えば、互いに異なるＴＳ間距離Ｈに配置された基板Ｓの各々における膜厚の分布から得られる。
【００３３】
図５に示されるように、酸化マグネシウムの放出頻度の分布を示す分布曲線２０では、放出頻度Ｆの最も高い放出角度θが２５°である。そして、放出角度θが２５°よりも小さい範囲では、放出角度θが小さくなるに従って、放出頻度Ｆの減少の度合いが大きくなる。また、放出角度θが２５°よりも大きい範囲では、放出角度が大きくなるに従って、放出頻度Ｆの減少の度合いが大きくなる。これに対し、図６に示されるように、アルミニウムの放出頻度の分布を示す分布曲線２１では、放出頻度Ｆの最も高い放出角度θが９０°であって、放出頻度Ｆと放出角度θとの関係が、一般的なコサイン則、すなわちＦ＝ｃｏｓｎ（９０−θ）（ｎは１以上の整数）で与えられる。
【００３４】
本発明者らは、酸化マグネシウムのターゲット１２に固有のこうした放出角度分布を、従前のスパッタ装置にて膜厚の面内均一性が得られ難い一因として特定した。そして、酸化マグネシウムに固有の放出角度分布を用いた面内膜厚均一性の数値計算と実測とに基づき、エロージョン径Ｒ３が基板半径Ｒ１よりも大きく、且つ成膜角度θｄが４３．５°以上、５４．５°以下であれば、２％（１σ）以下の膜厚面内均一性を得られることが見出された。
【００３５】
次に、上記面内膜厚均一性の数値計算の方式とその数値計算結果について図７及び図８を参照して以下に説明する。なお、図７では、基板Ｓ上の任意の点である着弾点Ｓｐにおける膜厚の数値計算の方式を示す。
【００３６】
図７に示されるように、エロージョン部位１２ｅにおける任意の点であるエロージョン点１２ｎと基板Ｓ上の任意の点である着弾点Ｓｐとを結ぶ直線を飛行経路Ｌｎとし、該飛行経路Ｌｎとターゲット表面１２ａとのなす角度を飛行角度θｎとする。ここで、エロージョン点１２ｎから放出された酸化マグネシウムの粒子１２Ｄは、エロージョン点１２ｎと着弾点Ｓｐとの間で粒子１２Ｄが散乱されない限り、上記放出角度θを飛行角度θｎとした放出頻度Ｆｎで到達する。この際、一つの着弾点Ｓｐに対しては、他のエロージョン点１２ｎ＋１からも、該エロージョン点１２ｎ＋１の位置に応じた放出頻度Ｆｎ＋１で酸化マグネシウムの粒子１２Ｄが到達する。そのため、一つの着弾点Ｓｐにおける膜厚は、全てのエロージョン点１２ｎの各々における上記放出頻度Ｆｎの積算値に相当する。そして、基板Ｓの面内膜厚均一性は、基板Ｓ上の全ての着弾点Ｓｐの各々における膜厚の数値計算結果から得られることになる。このような数値計算から得られた面内膜厚均一性と上記エロージョン径Ｒ３及びＴＳ間距離Ｈとの関係について図８に示す。なお、図８における縦軸及び横軸は、それぞれ基板半径Ｒ１によって規格化されたＴＳ間距離Ｈ及びエロージョン径Ｒ３である。
【００３７】
図８に示されるように、基板半径Ｒ１に対するエロージョン径Ｒ３が１．０より大きく、且つ縦軸とのなす角度が第１の境界角度θｄ１（＝４３．５°）である境界線Ｌ３と、縦軸とのなす角度が第２の境界角度θｄ２（＝５４．５°）である境界線Ｌ４との間でのみ、２％（１σ）以下の良好な面内均一性が認められる。
【００３８】
ここで、基板半径Ｒ１に対するエロージョン径Ｒ３が１．０となる範囲とは、エロージョン径Ｒ３が基板半径Ｒ１よりも大きい範囲である。すなわち、上述した条件１である「エロージョン径Ｒ３＞基板半径Ｒ１」が満たされる範囲である。
【００３９】
また、図８における横軸とは、基板中心Ｓｃから該基板Ｓの径方向に延びる上述した第２の直線Ｌ２に相当する。また、図８における原点とは、エロージョン径Ｒ３が０、及びＴＳ間距離Ｈが０となる点、すなわち基板中心Ｓｃに相当し、図８における各座標点とは、基板中心Ｓｃからエロージョン径Ｒ３だけ離れた点、すなわちエロージョン部位１２ｅの直下に相当する。そのため、図８における各座標点と原点とを通る直線は、上述した第１の直線Ｌ１であり、上記境界線Ｌ３と横軸とがなす第１の境界角度θｄ１、及び上記境界線Ｌ４と横軸とがなす第２の境界角度θｄ２は、上述した成膜角度θｄに相当する。それゆえに、境界線Ｌ３と境界線Ｌ４とに挟まれる範囲とは、上述した条件２である「５４．５°≧θｄ≧４３．５°」が満たされる範囲である。
次に、上述したスパッタ装置の作用について以下に説明する。
【００４０】
まず、基板ステージ１１とターゲット１２との間にアルゴンガスなどのスパッタガスが供給され、ターゲット１２から放出される粒子が基板Ｓに到達するまで他の粒子と衝突しない程度の圧力まで、基板ステージ１１とターゲット１２との間が排気部１７によって減圧される。次いで、バッキングプレート１４に高周波電源１３からの高周波電力が供給されることにより、スパッタガスからプラズマが生成され、該プラズマ中の正イオンがターゲット表面１２ａに向けて引き込まれる。これによって、ターゲット表面１２ａから酸化マグネシウムの粒子が放出され、該粒子が基板表面Ｓａに堆積することとなる。この際、上述したスパッタ装置では、上記条件１及び条件２の双方が満たされるように、基板ステージ１１とターゲット１２とが配置されている。それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高めることが可能であって、特に２％（１σ）以下という量産性に適した面内均一性で酸化マグネシウム膜を形成することが可能となる。
［実施例］
【００４１】
上述したスパッタ装置を用い下記複数の条件下で酸化マグネシウム膜を形成した。そして、複数の条件の各々から得られた酸化マグネシウム膜の面内膜厚均一性を計測した結果、図８に示される膜厚均一性と同等の結果が得られた。
・基板Ｓ：シリコン基板
・基板半径Ｒ１： ４インチ〜６インチ
・ターゲット１２： 酸化マグネシウムターゲット
・ターゲット径Ｒ２： ６．５インチ〜９．５インチ
・ＴＳ間距離Ｈ： １８ｃｍ〜２４ｃｍ
・エロージョン径Ｒ３：５．５インチ〜８．５インチ
・成膜圧力： ０．３Ｐａ〜１．５Ｐａ
以上説明したように、本実施形態によれば以下の効果が得られるようになる。
【００４２】
（１）上記実施形態によれば、ターゲット中心１２ｃとエロージョン部位との距離であるエロージョン径Ｒ３が基板半径Ｒ１より大きく、且つ第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２とのなす角度である成膜角度θｄが４３．５°以上、５４．５°以下である。
【００４３】
それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性を高めることが可能であって、特に２％（１σ）以下という量産性に適した面内均一性で酸化マグネシウム膜を形成することが可能となる。
【００４４】
（２）上述したように、磁気回路１５の回転により、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分がエロージョン幅Ｗを有する場合、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性が、こうしたエロージョン幅Ｗの大きさに応じて変わることも少なくない。例えば、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分がエロージョン幅Ｗを有し、且つこうした部分のうちターゲット中心１２ｃから最も遠い部位がエロージョン部位となる場合、エロージョン部位の他、該エロージョン部位よりもターゲット中心１２ｃに近い部位においても酸化マグネシウムの粒子が同等に放出されることとなる。そして、ターゲット表面１２ａのうちでエロージョン部位以外の部位から酸化マグネシウムが放出されて、こうした酸化マグネシウムが基板表面Ｓａに到達する結果、上述した（１）の効果が低減されてしまう場合もある。
【００４５】
この点、上記実施形態によれば、図３に示されるように、垂直磁場成分Ｂ⊥の無い部分がエロージョン幅Ｗを有し、ターゲット中心１２ｃに最も近い部位がエロージョン部位１２ｅとして定められる。それゆえに、酸化マグネシウム膜の膜厚の面内均一性が、こうしたエロージョン幅Ｗの大きさに応じて変わることを抑えることが可能にもなる。
【００４６】
（３）エロージョン部位１２ｅから放出された粒子がターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間で他の粒子と衝突する場合、該放出された粒子が基板表面Ｓａに到達する前に、該放出された粒子の進行方向が変わってしまうことも少なくない。そのため、こうした粒子同士の衝突する機会が増えることになれば、上述した（１）（２）の効果が低減されてしまうことにもなる。
【００４７】
この点、上記実施形態によれば、エロージョン部位１２ｅから放出された粒子が基板表面Ｓａに到達するまでに、該粒子と他の粒子とが衝突しない圧力にまで、ターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間が減圧される。それゆえに、エロージョン部位１２ｅから放出された粒子がターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間で他の粒子と衝突する場合と比べて、上述した効果を高めることが可能でもある。
【００４８】
（４）エロージョン領域１２Ｓがターゲット中心１２ｃを囲う環状であるから、こうしたエロージョン領域１２Ｓが環状でない場合と比べて、基板中心Ｓｃを囲う環状の部位では、該部位とエロージョン部位１２ｅとの相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面Ｓａに形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、基板中心Ｓｃを囲う環状の部位において、さらに顕著なものとなる。
【００４９】
（５）エロージョン領域１２Ｓの形状が、基板Ｓの外周部と相似形であるから、基板Ｓの周方向における各部位にて、該部位とエロージョン部位１２ｅとの相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面Ｓａに形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、基板Ｓの周方向において、さらに顕著なものとなる。
【００５０】
（６）磁気回路１５がターゲット中心１２ｃで回転する、すなわちターゲット中心１２ｃを回転中心としてエロージョン部位１２ｅが回転することになるため、基板Ｓの周方向における各部位にて、該部位とエロージョン部位１２ｅとの相対的な関係が互いに保たれやすくなる。そのため、基板表面Ｓａに形成される酸化マグネシウム膜の膜厚均一性が高められるという上述した効果が、さらに顕著なものとなる。
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することも可能である。
【００５１】
・回転機構１６が割愛されるとともに、ターゲット１２と磁気回路１５との相対的な位置が変わらない構成であってもよい。このような構成であっても、上述した条件１、及び条件２が満たされる構成であれば、上記（１）〜（５）に準じた効果を得ることは可能である。
【００５２】
・エロージョン領域１２Ｓは、楕円形状や多角形状をなす環状であってもよく、また開環された形状であってもよい。このような構成であっても、上述した条件１、及び条件２が満たされる構成であれば、上記（１）〜（３）、（６）に準じた効果を得ることは可能である。
【００５３】
・ターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間の圧力は、エロージョン部位１２ｅから放出された粒子がターゲット表面１２ａと基板表面Ｓａとの間で他の粒子と衝突する圧力であってもよい。このような構成であっても、基板Ｓに到達する粒子の頻度が上述した放出頻度に依存する以上、少なからず上記（１）、（２）に準じた効果を得ることは可能である。
【００５４】
・エロージョン領域１２Ｓがエロージョン幅Ｗを有する場合、例えば、ターゲット中心１２ｃから最も遠い部位がエロージョン部位１２ｅとして定められてもよい。このような構成であっても、基板Ｓに到達する粒子がエロージョン領域１２Ｓから放出される以上、上述した条件１、及び条件２が満たされる構成であれば、少なからず上記（１）に準じた効果を得ることは可能である。
【００５５】
・基板ステージ１１は、該基板ステージ１１に載置された基板Ｓの成膜中に、静止してもよく、あるいはステージ中心１１ｃを通り基板Ｓの法線方向に沿う中心軸で回転してもよい。すなわち、上述したスパッタ装置における成膜の態様は、基板Ｓを静止させてもよく、あるいは基板中心Ｓｃを中心に基板Ｓを回転させてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
θ…放出角度、Ｆ，Ｆｎ…放出頻度、Ｈ…ＴＳ間距離、Ｓ…基板、Ｔ…膜厚、Ｗ…エロージョン幅、θｄ…成膜角度、θｎ…飛行角度、Ｌ１…第１の直線、Ｌ２…第２の直線、Ｌ３，Ｌ４…境界線、Ｌｎ…飛行経路、Ｒ１…基板半径、Ｒ２…ターゲット径、Ｒ３…エロージョン径、ＲＡ…素子抵抗値、Ｓａ…基板表面、Ｓｃ…基板中心、Ｓｐ…着弾点、θｄ１…第１の境界角度、θｄ２…第２の境界角度、ＬＢ０…零磁場ライン、Ｆｎ＋１…放出頻度、１１…基板ステージ、１１ａ…載置面、１１ｃ…ステージ中心、１２…ターゲット、１２ａ…ターゲット表面、１２ｃ…ターゲット中心、１２Ｄ…粒子、１２ｅ，１２Ｋ…エロージョン部位、１２ｎ，１２ｎ＋１…エロージョン点、１２Ｓ…エロージョン領域、１３…高周波電源、１４…バッキングプレート、１５…磁気回路、１６…回転機構、１７…排気部、２０，２１…分布曲線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウムのターゲットをスパッタするスパッタ装置であって、
ターゲット表面に対して基板表面を平行に配置するステージと、
前記ターゲット表面に漏洩磁場を形成する磁気回路と、を有し、
前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部位をエロージョン部位とし、
前記基板表面の中心と前記エロージョン部位とを結ぶ線を第１の直線とし、
前記基板表面の中心から該基板の径方向に延びる直線を第２の直線とすると、
前記ターゲット表面の中心と前記エロージョン部位との距離が基板半径より大きく、
前記第１の直線と前記第２の直線とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下である
ことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有し、
前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分のうち前記ターゲット表面の中心に最も近い部位が前記エロージョン部位である
請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記エロージョン部位から放出された粒子が前記基板表面に到達するまでに該粒子が他の粒子と衝突しない圧力まで前記ターゲット表面と前記基板表面との間を排気する排気部を有する
請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が、前記ターゲット表面の中心を囲う環状である
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパッタ装置。
【請求項５】
前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分の形状が、前記基板の外周部と相似形である
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパッタ装置。
【請求項６】
前記磁気回路が、前記ターゲット表面の中心で前記漏洩磁場を回転する
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパッタ装置。
【請求項１】
酸化マグネシウムのターゲットをスパッタするスパッタ装置であって、
ターゲット表面に対して基板表面を平行に配置するステージと、
前記ターゲット表面に漏洩磁場を形成する磁気回路と、を有し、
前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部位をエロージョン部位とし、
前記基板表面の中心と前記エロージョン部位とを結ぶ線を第１の直線とし、
前記基板表面の中心から該基板の径方向に延びる直線を第２の直線とすると、
前記ターゲット表面の中心と前記エロージョン部位との距離が基板半径より大きく、
前記第１の直線と前記第２の直線とのなす角度が４３．５°以上、５４．５°以下である
ことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が幅を有し、
前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分のうち前記ターゲット表面の中心に最も近い部位が前記エロージョン部位である
請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記エロージョン部位から放出された粒子が前記基板表面に到達するまでに該粒子が他の粒子と衝突しない圧力まで前記ターゲット表面と前記基板表面との間を排気する排気部を有する
請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分が、前記ターゲット表面の中心を囲う環状である
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパッタ装置。
【請求項５】
前記ターゲット表面にて前記漏洩磁場の法線方向の成分が０の部分の形状が、前記基板の外周部と相似形である
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパッタ装置。
【請求項６】
前記磁気回路が、前記ターゲット表面の中心で前記漏洩磁場を回転する
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパッタ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８２９６１（Ｐ２０１３−８２９６１Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２６９７（Ｐ２０１１−２２２６９７）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【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２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【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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