膜厚測定方法、及び磁気デバイスの製造方法
【課題】数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して汎用性を損なうことなく測定精度を向上させた膜厚測定方法、及びその膜厚測定方法を用いて絶縁障壁層の膜厚を制御する磁気デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】測定対象層１１と、測定対象層１１と異なる電子密度を有するスペーサ層１２とが基板Ｓの上に交互に積層された測定試料１０に対してＸ線を照射して小角度のスキャンを行うことにより測定試料１０のＸ線回折スペクトルを測定する。そして、Ｘ線の波長をλ、Ｘ線回折スペクトルに基づくｎ次の回折角をθｎ、Ｘ線回折スペクトルに基づくｍ次の回折角をθｍ、スペーサ層１２の膜厚をスペーサ膜厚Ｔｒとするとき、測定対象層１１の対象膜厚Ｔｐを式（１）に基づいて測定する。
【解決手段】測定対象層１１と、測定対象層１１と異なる電子密度を有するスペーサ層１２とが基板Ｓの上に交互に積層された測定試料１０に対してＸ線を照射して小角度のスキャンを行うことにより測定試料１０のＸ線回折スペクトルを測定する。そして、Ｘ線の波長をλ、Ｘ線回折スペクトルに基づくｎ次の回折角をθｎ、Ｘ線回折スペクトルに基づくｍ次の回折角をθｍ、スペーサ層１２の膜厚をスペーサ膜厚Ｔｒとするとき、測定対象層１１の対象膜厚Ｔｐを式（１）に基づいて測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚測定方法、及び磁気デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝導電子のトンネル効果を利用する磁気デバイスは、多層膜からなるトンネル磁気抵抗素子を有する。トンネル磁気抵抗素子は、トンネル電流の経路を担うトンネル障壁層として数〜数十原子層からなる絶縁体を有する。磁気デバイスの出力特性は、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値に大きく依存し、このトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は、トンネル障壁層の膜厚に対して指数関数的に変化する。そのため、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値、すなわち、トンネル障壁層の膜厚は、磁気デバイスの出力特性を安定させるため、厳密に制御されていなければならない。
【０００３】
トンネル障壁層は、一般的に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、金属膜の酸化処理法や窒化処理法等の成膜方法を用いることにより形成される。例えば、特許文献１は、Ａｌターゲットを利用するスパッタリング法を用いて基板上にＡｌ層を形成し、次いで酸素ラジカルを利用する酸化処理法を用いてＡｌ層を酸化する。これにより、Ａｌ酸化物からなるトンネル障壁層を形成する。
【０００４】
トンネル障壁層の膜厚は、その膜厚が厚い場合に限り、触針式段差計や干渉光学計等を用いて測定できるが、その膜厚が数ｎｍ以下に設計される場合には、これらの測定方法の下で正確な値を得ることはできない。数ｎｍ以下に設計される膜厚を正確に測定する方法としては、測定対象となる薄膜の断面ＴＥＭ像を観測する方法が知られている。しかし、断面ＴＥＭ像の観測は、測定試料を作成するための時間、ＴＥＭ像の観測に要する時間等、多大な時間を要するため、汎用性に乏しい。そのため、トンネル障壁層の膜厚制御においては、厚膜から求める成膜速度を基にして設計膜厚を用いる方法、トンネル電気伝導特性から類推する膜厚を用いる方法、さらには酸化処理等を施す前の導電膜の電気伝等特性から類推する膜厚を用いる方法が採用されている。
【特許文献１】特開２００６−９３２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記成膜速度に基づく設計膜厚は、成膜速度の経時的な変動を誤差として含んでしまう。ＰＶＤ法やＣＶＤ法等の各種の成膜プロセスは、一般的に、成膜時間の時間軸上において、基板温度、成膜圧力、供給ガス流量等の変動を伴うために、成膜速度を経時的に変動させる。そのため、成膜速度に基づく設計膜厚では、トンネル障壁層の膜厚を制御する上で十分な精度を得難い。
【０００６】
また、トンネル電気伝導特性から類推する膜厚では、トンネル磁気抵抗素子を構成する全ての層の電気的な変動を誤差として含むため、トンネル障壁層の正確な膜厚情報を到底得ることはできない。さらに、酸化処理等を施す前の電気伝等特性から類推する膜厚では、測定対象膜が導電材料に限定されるため、酸化マグネシウム等の絶縁体を直接基板上に成膜する場合には利用できない。
【０００７】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上させた膜厚測定方法、及びその膜厚測定方法を用いて絶縁障壁層の膜厚を制御する磁気デバイスの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、絶縁体からなる層の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、測定対象層と、前記測定対象層と異なる電子密度を有するスペーサ層とが基板上に交互に積層された多層体に対してＸ線を照射して小角度のスキャンを行うことにより前記多層体のＸ線回折スペクトルを測定し、前記Ｘ線の波長をλ、前記Ｘ線回折スペクトルに基づくｎ次（ｎは１以上の整数）の回折角をθｎ、前記Ｘ線回折スペクトルに基づくｍ次（ｍはｎと異なる１以上の整数）の回折角をθｍ、前記測定対象層の膜厚をＴｐ、前記スペーサ層の膜厚をＴｒとするとき、前記測定対象層の膜厚を式（１）に基づいて測定することを要旨とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、測定対象層とスペーサ層からなる多層体は、小角度のＸ線照射により、測定対象層の膜厚に関する情報を回折角として出力する。膜厚測定に利用する回折次数は、（ｎ−ｍ）の項により相対的な差分値として規定されるため、絶対的な情報を必要としない。したがって、本発明の膜厚測定方法は、測定対象の膜厚を厚膜化させることなく、非破壊的に容易に測定することができる。この結果、本発明の膜厚測定方法は、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定方法であって、前記スペーサ層の成膜時間を固定し、かつ、前記測定対象層の成膜時間を変更した異なる少なくとも２種類以上の前記多層体の各々のＸ線回折スペクトルを測定し、前記各Ｘ線回折スペクトルから検出する前記各回折角と式（１）とを用いて前記測定対象層の膜厚の変化量を演算し、前記変化量と前記成膜時間の変更量とを比較することにより前記測定対象層の膜厚を測定することを要旨とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、各Ｘ線回折スペクトルから得る各回折角の値は、数原子層の膜厚変動を大きく反映する。したがって、請求項２に記載の発明は、測定対象層の膜厚の変化量と成膜時間の変更量とを比較することにより得る膜厚を、より高い精度の下で決定することができる。よって、請求項２に記載の発明は、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定方法であって、前記スペーサ層の膜厚の設定値をＴｒａとするとき、前記測定対象層の膜厚を式（２）に基づいて測定することを要旨とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、測定対象層の膜厚は、一つの多層体から得る２つの異なる回折角により一義的に決定される。したがって、請求項３に記載の発明は、測定試料の数量とスキャン角度の範囲とを最小限に抑えることができるため、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、さらに汎用性を向上できる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載の膜厚測定方法であって、前記測定対象層が、酸化マグネシウムからなる層であっても良い。
請求項４に記載の発明によれば、数〜数十原子層の膜厚からなる酸化マグネシウム層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、基板の上に絶縁障壁層と磁性層とを有する磁気デバイスの製造方法であって、前記絶縁障壁層の膜厚は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の膜厚測定方法に基づいて制御されることを要旨とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、磁気デバイスが、高い精度の下で膜厚制御された絶縁障壁層を有する。したがって、請求項５に記載の磁気デバイスの製造方法は、磁気デバイスの磁気特性を高い精度の下で制御することができる。この結果、請求項５に記載の磁気デバイスの製造方法は、磁気デバイスの磁気特性を安定させることができ、磁気デバイスの生産性を向上できる。
【発明の効果】
【００１７】
上記したように、本発明によれば、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上させた膜厚測定方法、及びその膜厚測定方法を用いて絶縁障壁層の膜厚を制御する磁気デバイスの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体化した一実施形態について図１〜図４に従って以下に説明する。
（測定試料）
まず、本実施形態の膜厚測定に用いる多層体としての測定試料１０について説明する。図１は、測定試料１０を示す側断面図である。
【００１９】
図１において、測定試料１０は、基板Ｓの上に複数の測定対象層１１と複数のスペーサ層１２とを有する。測定試料１０は、測定対象層１１とスペーサ層１２とが交互に積層されることにより人工格子膜を形成する。すなわち、測定試料１０において、上下一対の測定対象層１１とスペーサ層１２の積算膜厚は、人工格子膜の一周期長を形成する。なお、基板Ｓとしては、セラミック基板、シリコン基板、ガラス基板等の各種の基板を用いることができる。
【００２０】
測定対象層１１は、本実施形態の膜厚測定方法を用いて膜厚を測定するための層であり、膜厚が数〜数十原子層の絶縁体からなる層である。測定対象層１１としては、例えばトンネル磁気抵抗素子に利用されるトンネル障壁層としての酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン等を用いることができ、他の絶縁体であっても良い。
【００２１】
スペーサ層１２は、測定対象層１１との間の界面においてＸ線を回折させるための層であり、測定対象層１１と異なる電子密度を有する層であれば良い。スペーサ層１２としては、例えばトンネル磁気抵抗素子に利用される磁性層としてのＣｏＦｅＢやＣｏＦｅを用いることができる。スペーサ層１２の膜厚は、特に限定されるものではないが、数〜数十原子層であって、かつ、測定対象層１１と異なるサイズが好ましい。
【００２２】
本実施形態においては、測定対象層１１の膜厚を対象膜厚Ｔｐとし、スペーサ層１２の膜厚をスペーサ膜厚Ｔｒという。また、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒとの加算値、すなわち人工格子膜の一周期長を、人工格子周期Λという。
【００２３】
次に、測定試料１０の電子密度の分布について以下に説明する。図２（ａ）は、一つの測定対象層１１の膜厚方向における電子密度の分布を模式的に示す図である。図２（ｂ）は、一つのスペーサ層１２の膜厚方向における電子密度の分布を模式的に示す図である。図２（ｃ）は、測定試料１０の膜厚方向における電子密度の分布を模式的に示す図である。なお、本実施形態における膜厚方向とは、基板Ｓの表面、すなわち測定対象層１１及びスペーサ層１２の表面の法線方向である。
【００２４】
図２（ａ）において、スペーサ層１２は、スペーサ膜厚Ｔｒの範囲において、スペーサ層１２の材料や構造に基づく固有の電子密度（以下単に、スペーサ電子密度φｒという。）を有する。図２（ｂ）において、測定対象層１１は、対象膜厚Ｔｐの範囲において、測
定対象層１１の材料や構造に基づく固有の電子密度（以下単に、対象電子密度φｐという。）を有する。
【００２５】
図２（ｃ）において、測定試料１０は、測定対象層１１とスペーサ層１２とが交互に繰り返されるため、スペーサ層１２の領域においてスペーサ電子密度φｒの電子密度を有し、測定対象層１１の領域において対象電子密度φｐの電子密度を有する。すなわち、測定試料１０の電子密度の分布は、人工格子周期Λごとに、相対的に高い電子密度（あるいは低い電子密度）を繰り返す。なお、図２においては、対象電子密度φｐがスペーサ電子密度φｒよりも低い構成を示すが、これに限らず、対象電子密度φｐがスペーサ電子密度φｒよりも高い構成であっても良い。
【００２６】
（膜厚測定装置）
次に、本実施形態の膜厚測定方法に用いるＸ線反射率測定装置（以下単に、ＸＲＤ装置２０という。）について説明する。図３は、ＸＲＤ装置２０を模式的に示す平面図である。図３において、ＸＲＤ装置２０は、Ｘ線照射系２１、ゴニオメータ２２、Ｘ線検出器２３を有する。
【００２７】
Ｘ線照射系２１は、回転対陰極等のＸ線源（例えば、Ｃｕ−Ｋα線源（λ＝０．１５４１ｎｍ））と、Ｘ線源から出射されるＸ線を整形するスリットと、Ｘ線源から出射されるＸ線を単色光化するモノクロメータとを有する。Ｘ線照射系２１は、Ｘ線源から出射されるＸ線を所定波長に単色化し、かつ、平行化した後にゴニオメータ２２に向けて照射する。本実施形態においては、Ｘ線照射系２１からゴニオメータ２２に向けて照射されるＸ線を入射Ｘ線Ｒｘとし、入射Ｘ線Ｒｘの光軸と基板Ｓの表面とのなす角度を入射角θｘという。
【００２８】
ゴニオメータ２２は、測定試料１０の表面に対するＸ線の入射角θｘを任意に設定する。本実施形態のゴニオメータ２２は、入射角θｘを小角領域、すなわち０≦θｘ≦３０°の範囲で走査する。測定試料１０に入射する入射Ｘ線Ｒｘは、測定試料１０が有する人工格子膜に反射される。本実施形態においては、測定試料１０から反射されるＸ線を、反射Ｘ線Ｒｄという。反射Ｘ線Ｒｄは、人工格子周期Λに関する情報を有する。
【００２９】
Ｘ線検出器２３は、測定試料１０からの反射Ｘ線Ｒｄの強度を検出するシンチレーションカウンタを搭載する。Ｘ線検出器２３は、ゴニオメータ２２の回転に連動して回転し、入射Ｘ線Ｒｘの入射角θｘとＸ線検出器２３の仰角θｄとを等しくする。すなわち、ＸＲＤ装置２０は、θ／２θスキャンを行う。
【００３０】
（膜厚測定方法）
次に、測定試料１０とＸＲＤ装置２０とを用いる膜厚測定方法について以下に説明する。まず、小角領域（０°≦θ≦３０°）におけるＸ線散乱について説明する。図４は、ＸＲＤ装置２０を用いて測定した測定試料１０のＸ線回折スペクトルを示す。
【００３１】
Ｘ線の回折は、一般的に、原子の格子間隔を反映した干渉効果により発現する。面間隔がｄの格子面に波長λのＸ線を入射する場合、隣り合う面からのＸ線の散乱波は、互いに干渉して強め合い、これにより回折を起こす。Ｘ線の回折条件は、回折角をθとし、反射の次数をｎ（ｎは１以上の整数）とすると、式（１−１）式によって表される。
【００３２】
入射角θｘが小角の場合においても、Ｘ線の回折角に関わる情報は、式（１−１）から得られる。例えば、１次（ｎ＝１）の回折角が２θ＝５°の場合、式（１−２）に示すように、２θ＝５°の回折ピークは、ｄ＝１．７７ｎｍの格子周期、すなわち原子の格子間隔の約１０倍の格子周期を反映する。そのため、測定試料１０から得る小角領域の回折角
θは、人工格子周期Λ（対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒの加算値）を反映し、また対象電子密度φｐとスペーサ電子密度φｒの差を反映する。
【００３３】
【数３】
【００３４】
【数４】
【００３５】
図４に示すように、測定試料１０のＸ線回折スペクトルは、小角領域（２≦２θ≦１６）に複数の回折ピークを有する。本実施形態では、回折ピークの回折次数を、低角側から順に１次、２次、３次、・・・という。各回折ピークの位置（回折角θ）は、それぞれ人工格子周期Λ、すなわち対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒの加算値の情報を含む。
【００３６】
小角領域におけるＸ線のｎ次（ｎは１以上の整数）の回折ピークと、ｍ次（ｍはｎと異なる１以上の整数）の回折ピークは、それぞれ式（１−１）及び人工格子周期Λを用いて式（１−３）と式（１−４）で表される。
【００３７】
【数５】
【００３８】
【数６】
【００３９】
人工格子周期Λ、すなわち対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒの加算値は、式（１−３）と式（１−４）とを用いて、式（１−５）で表される。
【００４０】
【数７】
【００４１】
式（１−５）において、回折次数は、（ｎ−ｍ）の項として人工格子周期Λに寄与する。そのため、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒの加算値を得る場合には、ｎ及びｍの絶対値が不要になり、回折次数の差分値に関わる情報があれば良い。例えば、連続する２つの回折ピークを用いて人工格子周期Λを得る場合には、ｎとｍの値に関わらず、（ｎ−ｍ）を常に１として扱うことができる。したがって、式（１−５）によれば、絶対的な回折次数に関わらず、人工格子周期Λを高い精度の下で得ることができる。
【００４２】
対象膜厚Ｔｐは、式（１−５）を用いることにより式（１）で表される。
【００４３】
【数８】
【００４４】
式（１）において、対象膜厚Ｔｐの変化量は、スペーサ層１２の成膜時間を固定し、かつ、測定対象層１１の成膜時間を変更した２種類以上の測定試料１０の回折スペクトルを計測し、各回折スペクトルの各回折角θと式（１）とを用いて求められる各人工格子周期Λを比較することにより得られる。例えば、成膜時間の異なる測定対象層１１の膜厚をそれぞれＴ１ｐ及びＴ２ｐ、これらに対応する人工格子周期をそれぞれΛ１及びΛ２とする。スペーサ膜厚Ｔｒが等しいとすると、Λ１＝Ｔ１ｐ＋Ｔｒ、Λ２＝Ｔ２ｐ＋Ｔｒであるため、人工格子周期の差分値Λ２−Λ１（＝Ｔ１ｐ−Ｔ２ｐ）から対象膜厚の変化量を得ることができる。これによれば、単位時間当たり堆積される測定対象層１１の膜厚を、原子層レベルで演算することができる。ひいては、対象膜厚Ｔｐを、より高い精度の下で測定することができる。
【００４５】
また、対象膜厚Ｔｐは、スペーサ膜厚Ｔｒが既知の設定値Ｔｒａであるとき、式（２）で表される。すなわち、スペーサ膜厚Ｔｒが既知の場合、対象膜厚Ｔｐは、１つのＸ線回折スペクトルから少なくとも２つの回折角θを検出するだけで、対象膜厚Ｔｐを測定できる。
【００４６】
【数９】
【００４７】
（回折次数）
次に、本実施形態の膜厚測定方法に用いる回折次数について以下に説明する。
Ｘ線回折スペクトルにおいて、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒが同じになる場合、すなわち人工格子周期ΛがΛ＝２Ｔｐを満たす場合、偶数の回折次数に対応する回折ピークは消失する。そのため、本実施形態の膜厚測定方法においては、回折次数の正否の判断が適宜行われる。
【００４８】
すなわち、測定試料１０から得るＸ線回折スペクトルの強度Ｉ（Ｑ）は、ＸＲＤ装置２０に起因する固有強度Ｉｅ、人工格子の構造因子｜Ｆ（Ｑ）｜、及びラウエ関数Ｌ（Ｑ）を用いることにより、式（２−１）で表される。人工格子膜の構造因子｜Ｆ（Ｑ）｜は、測定対象層１１の構造因子Ｆｐ（Ｑ）と、スペーサ層１２の構造因子Ｆｒ（Ｑ）を用いることにより、式（２−２）で表される。ラウエ関数Ｌ（Ｑ）は、式（２−３）で表される。なお、各式中におけるＱは、Ｘ線の散乱ベクトルであって、式（２−４）で表される。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
【数１１】
【００５１】
【数１２】
【００５２】
【数１３】
【００５３】
測定対象層１１の構造因子Ｆｐ（Ｑ）は、対象電子密度φｐを用いることにより、式（２−５）で表される。スペーサ層１２の構造因子Ｆｒ（Ｑ）は、測定対象層１１の構造因子Ｆｐ（Ｑ）と同じく、スペーサ電子密度φｒを用いることにより、式（２−５）における対象膜厚Ｔｐをスペーサ膜厚Ｔｒに変換した式で表される。なお、式（２−５）におけるＺは、膜厚方向の座標を示す。
【００５４】
【数１４】
【００５５】
式（２−５）に基づく構造因子Ｆｐ（Ｑ）及び構造因子Ｆｒ（Ｑ）をそれぞれ式（２−２）に代入すると、人工格子膜の構造因子｜Ｆ（ｍ）｜は、式（２−６）で表される。式（２−６）において、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒとが同じになる場合、すなわち人工格子周期ΛがΛ＝２Ｔｐを満たす場合、人工格子膜の構造因子｜Ｆ（ｍ）｜は、式（２−７）で表される。
【００５６】
【数１５】
【００５７】
【数１６】
【００５８】
式（２−７）において、回折次数ｍが偶数の場合、人工格子膜の構造因子｜Ｆ（ｍ）｜は零になる。すなわち、回折次数ｍが偶数の場合、Ｘ線回折スペクトルの強度Ｉ（Ｑ）が零になり、偶数次の回折ピークが消失してしまう。
【００５９】
そこで、本実施形態の膜厚測定方法においては、対象膜厚Ｔｐあるいはスペーサ膜厚Ｔｒの異なる２つ以上の測定試料１０に関して、それぞれＸ線回折スペクトルが測定され、偶数次の回折ピークが消失しているか否かの判断に基づき、回折次数の差分値（ｎ−ｍ）が決定される。この膜厚測定方法によれば、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒとが同じになる場合であっても、回折ピークの消失に伴う誤差を回避することができる。
【００６０】
小角領域におけるＸ線の経路は、入射角θｘが小さくなる分だけ、人工格子膜の中で長くなる。Ｘ線に対する各元素の屈折率は、表１に示すように、非常に小さい値である。しかしながら、Ｘ線の経路が人工格子膜の中で長くなると、Ｘ線回折スペクトルにおいては、人工格子膜の複素屈折率に基づく影響を無視できなくなる。そのため、本実施形態の膜厚測定方法においては、回折次数の選択が適宜行われる。
【００６１】
【表１】
【００６２】
すなわち、人工格子膜が有する屈折率をδとすると、ｍ次の回折ピークは、式（２−８）で表される。式（２−８）によれば、回折次数ｍが小さくなる程、回折角θに与える屈折率δの影響が大きくなり、式（１−４）の関係、ひいては式（１）の関係を十分に満たさなくなる。
【００６３】
【数１７】
【００６４】
本実施形態においては、屈折率δを零と仮定する場合に得られる回折角θと、屈折率δを加味する場合に得られる回折角θとの差を、回折角誤差Δθという。また、回折角誤差Δθに相等する人工格子周期Λを、周期誤差ΔΛという。
【００６５】
表２は、回折次数と、回折角誤差Δθ及び周期誤差ΔΛとの関係を示す。なお、表２は、以下の構成からなる測定試料１０に対してＣｕ−Ｋα線を用いる場合を示す。
・測定対象層１１：ＭｇＯ
・測定対象層１１の予測膜厚：２ｎｍ
・スペーサ層１２：Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０
・スペーサ層１２の予測膜厚：３ｎｍ
・人工格子周期Λ：５ｎｍ
【００６６】
【表２】
【００６７】
表２に示すように、１次の回折ピークは、人工格子周期Λ（５ｎｍ）に対して、屈折率δの影響により、−０．２４６ｎｍも誤差を含んでしまう。屈折率δに起因する誤差は、回折次数が２次、３次・・・と増大するに連れて減少する。
【００６８】
そこで、本実施形態の膜厚測定方法においては、式（２−８）に基づいて、予め周期誤差ΔΛを演算し、人工格子周期Λに対する周期誤差ΔΛを１％以下にする回折次数が、測定の対象として選択される。例えば、表２においては、２次以上の回折次数は、人工格子周期Λ（５ｎｍ）に対する周期誤差ΔΛを１％以下にする。そのため、２次以上の回折次数が、測定の対象として選択される。
【００６９】
なお、回折次数が増加するに連れて、Ｘ線回折ピークの強度Ｉ（Ｑ）は減少する（図４参照）。そのため、本実施形態の膜厚測定方法においては、５次以下の回折次数を用いるのが好ましい。
【００７０】
（実施例）
次に、実施例を以下に説明する。表３は、上記膜厚測定方法を用いて測定した対象膜厚Ｔｐを示す表である。
【００７１】
以下の条件に基づいて実施例の測定試料１０を得た。なお、この際、測定対象層１１の成膜条件としては、予めＴＥＭ像の観測結果に基づいて、対象膜厚Ｔｐが２ｎｍになる成膜条件を選択した。
・基板Ｓ：シリコンウェハ（直径：２００ｍｍ）
・測定対象層１１：ＭｇＯ（ＭｇＯターゲットを用いたスパッタ法）
・測定対象層１１の層数：１０層
・スペーサ層１２：Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（ＣｏＦｅＢターゲットを用いたスパッタ法）
・スペーサ層１２の設定値Ｔｒａ：３ｎｍ
・スペーサ層１２の層数：１０層
次いで、実施例の測定試料１０をＸＲＤ装置２０に移載してＸ線回折スペクトルを計測し、回折次数として３次と５次を選択して人工格子周期Λを求めた。
【００７２】
なお、Ｘ線のスキャン範囲としては、小角範囲（２θ＝２°〜１６°）を用い、入射Ｘ線Ｒｘの照射位置、すなわち膜厚測定位置としては、基板Ｓの中心から８ｍｍ、２４ｍｍ、４０ｍｍ、５６ｍｍ、７２ｍｍの点を選択した。また、対象膜厚Ｔｐの計算方法としては、式（２）及びスペーサ層１２の設定値Ｔｒａを用いた。
【００７３】
【表３】
【００７４】
表３に示すように、各測定位置の対象膜厚Ｔｐは、いずれもＴＥＭ像の観測結果に基づいて制御された設定膜厚（２ｎｍ）と略同じ膜厚を示すことが分かる。また、各測定位置の対象膜厚Ｔｐは、それぞれＸ線回折スペクトルを計測した後に実施したＴＥＭ像の観測結果と同じ値であることが認められた。
【００７５】
上記実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）上記実施形態においては、測定対象層１１と、測定対象層１１と異なる電子密度を有するスペーサ層１２とが基板Ｓの上に交互に積層された測定試料１０に対してＸ線を照射して小角度のスキャンを行うことにより測定試料１０のＸ線回折スペクトルを測定する。そして、Ｘ線の波長をλ、Ｘ線回折スペクトルに基づくｎ次の回折角をθｎ、Ｘ線回折スペクトルに基づくｍ次の回折角をθｍ、スペーサ層１２の膜厚をスペーサ膜厚Ｔｒとするとき、測定対象層１１の対象膜厚Ｔｐを式（１）に基づいて測定する。
【００７６】
したがって、測定対象層１１とスペーサ層１２からなる人工格子膜は、小角度のＸ線照射により、人工格子周期Λ、すなわち対象膜厚Ｔｐに関する情報を回折角θとして出力する。式（１）における回折次数は、（ｎ−ｍ）の項により相対的な差分値で規定されるため、絶対的な情報を必要としない。よって、上記膜厚測定方法は、対象膜厚Ｔｐを厚膜化させることなく、非破壊的に容易に測定することができる。この結果、上記膜厚測定方法は、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００７７】
（２）上記実施形態においては、スペーサ層１２の成膜時間を固定し、かつ、測定対象層１１の成膜時間を変更した異なる少なくとも２種類以上の測定試料１０の各々のＸ線回折スペクトルを測定することにより測定対象層１１の膜厚の変化量を演算し、対象膜厚Ｔｐを測定する。各Ｘ線回折スペクトルから得る各回折角の値は、原子層レベルの膜厚変動を大きく反映するため、測定対象層１１の膜厚の変化量、ひいては対象膜厚Ｔｐが、より高い精度の下で決定される。したがって、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００７８】
（３）上記実施形態においては、スペーサ膜厚Ｔｒの設定値をＴｒａとするとき、対象膜厚Ｔｐを式（２）に基づいて測定する。したがって、対象膜厚Ｔｐは、一つの測定試料１０から得る２つの異なる回折角θにより一義的に決定される。よって、上記膜厚測定方法は、測定試料１０の数量とスキャン角度の範囲とを最小限に抑えることができるため、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、さらに汎用性を向上できる。
【００７９】
（４）上記実施形態においては、対象膜厚Ｔｐの測定に用いる回折次数が、２次〜５次である。したがって、上記膜厚測定方法は、屈折の影響を受ける低次の回折角θと、回折強度の低下を伴う高次の回折角θとを、測定範囲より除外できる。よって、上記膜厚測定方法は、より高い精度を有する回折角θを利用することができ、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、さらに測定精度を向上できる。
【００８０】
（５）上記実施形態においては、測定対象層１１は、酸化マグネシウムからなる層である。したがって、上記膜厚測定方法は、数〜数十原子層の膜厚からなる酸化マグネシウム層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００８１】
尚、上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態において、スペーサ層１２は、単層構造である。これに限らず、スペーサ層１２は、多層構造であっても良い。この際、測定対象層１１との間の界面状態を円滑にする層を挟入する構成が好ましい。この構成によれば、Ｘ線回折スペクトルから界面状態の荒れ起因するノイズを低減できる。ひいては、対象膜厚Ｔｐの測定精度を、さらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】膜厚測定試料の構成を示す側断面図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ測定試料の電子密度を模式的に示す図。
【図３】膜厚測定装置の構成を模式的に示す図。
【図４】Ｘ線回折スペクトルを示す図。
【符号の説明】
【００８３】
λ…波長、θ…回折角、Ｓ…基板、Ｔｒａ…設定値、１０…多層体としての測定試料、１１…測定対象層、１２…スペーサ層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚測定方法、及び磁気デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝導電子のトンネル効果を利用する磁気デバイスは、多層膜からなるトンネル磁気抵抗素子を有する。トンネル磁気抵抗素子は、トンネル電流の経路を担うトンネル障壁層として数〜数十原子層からなる絶縁体を有する。磁気デバイスの出力特性は、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値に大きく依存し、このトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は、トンネル障壁層の膜厚に対して指数関数的に変化する。そのため、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値、すなわち、トンネル障壁層の膜厚は、磁気デバイスの出力特性を安定させるため、厳密に制御されていなければならない。
【０００３】
トンネル障壁層は、一般的に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、金属膜の酸化処理法や窒化処理法等の成膜方法を用いることにより形成される。例えば、特許文献１は、Ａｌターゲットを利用するスパッタリング法を用いて基板上にＡｌ層を形成し、次いで酸素ラジカルを利用する酸化処理法を用いてＡｌ層を酸化する。これにより、Ａｌ酸化物からなるトンネル障壁層を形成する。
【０００４】
トンネル障壁層の膜厚は、その膜厚が厚い場合に限り、触針式段差計や干渉光学計等を用いて測定できるが、その膜厚が数ｎｍ以下に設計される場合には、これらの測定方法の下で正確な値を得ることはできない。数ｎｍ以下に設計される膜厚を正確に測定する方法としては、測定対象となる薄膜の断面ＴＥＭ像を観測する方法が知られている。しかし、断面ＴＥＭ像の観測は、測定試料を作成するための時間、ＴＥＭ像の観測に要する時間等、多大な時間を要するため、汎用性に乏しい。そのため、トンネル障壁層の膜厚制御においては、厚膜から求める成膜速度を基にして設計膜厚を用いる方法、トンネル電気伝導特性から類推する膜厚を用いる方法、さらには酸化処理等を施す前の導電膜の電気伝等特性から類推する膜厚を用いる方法が採用されている。
【特許文献１】特開２００６−９３２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記成膜速度に基づく設計膜厚は、成膜速度の経時的な変動を誤差として含んでしまう。ＰＶＤ法やＣＶＤ法等の各種の成膜プロセスは、一般的に、成膜時間の時間軸上において、基板温度、成膜圧力、供給ガス流量等の変動を伴うために、成膜速度を経時的に変動させる。そのため、成膜速度に基づく設計膜厚では、トンネル障壁層の膜厚を制御する上で十分な精度を得難い。
【０００６】
また、トンネル電気伝導特性から類推する膜厚では、トンネル磁気抵抗素子を構成する全ての層の電気的な変動を誤差として含むため、トンネル障壁層の正確な膜厚情報を到底得ることはできない。さらに、酸化処理等を施す前の電気伝等特性から類推する膜厚では、測定対象膜が導電材料に限定されるため、酸化マグネシウム等の絶縁体を直接基板上に成膜する場合には利用できない。
【０００７】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上させた膜厚測定方法、及びその膜厚測定方法を用いて絶縁障壁層の膜厚を制御する磁気デバイスの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、絶縁体からなる層の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、測定対象層と、前記測定対象層と異なる電子密度を有するスペーサ層とが基板上に交互に積層された多層体に対してＸ線を照射して小角度のスキャンを行うことにより前記多層体のＸ線回折スペクトルを測定し、前記Ｘ線の波長をλ、前記Ｘ線回折スペクトルに基づくｎ次（ｎは１以上の整数）の回折角をθｎ、前記Ｘ線回折スペクトルに基づくｍ次（ｍはｎと異なる１以上の整数）の回折角をθｍ、前記測定対象層の膜厚をＴｐ、前記スペーサ層の膜厚をＴｒとするとき、前記測定対象層の膜厚を式（１）に基づいて測定することを要旨とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、測定対象層とスペーサ層からなる多層体は、小角度のＸ線照射により、測定対象層の膜厚に関する情報を回折角として出力する。膜厚測定に利用する回折次数は、（ｎ−ｍ）の項により相対的な差分値として規定されるため、絶対的な情報を必要としない。したがって、本発明の膜厚測定方法は、測定対象の膜厚を厚膜化させることなく、非破壊的に容易に測定することができる。この結果、本発明の膜厚測定方法は、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定方法であって、前記スペーサ層の成膜時間を固定し、かつ、前記測定対象層の成膜時間を変更した異なる少なくとも２種類以上の前記多層体の各々のＸ線回折スペクトルを測定し、前記各Ｘ線回折スペクトルから検出する前記各回折角と式（１）とを用いて前記測定対象層の膜厚の変化量を演算し、前記変化量と前記成膜時間の変更量とを比較することにより前記測定対象層の膜厚を測定することを要旨とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、各Ｘ線回折スペクトルから得る各回折角の値は、数原子層の膜厚変動を大きく反映する。したがって、請求項２に記載の発明は、測定対象層の膜厚の変化量と成膜時間の変更量とを比較することにより得る膜厚を、より高い精度の下で決定することができる。よって、請求項２に記載の発明は、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定方法であって、前記スペーサ層の膜厚の設定値をＴｒａとするとき、前記測定対象層の膜厚を式（２）に基づいて測定することを要旨とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、測定対象層の膜厚は、一つの多層体から得る２つの異なる回折角により一義的に決定される。したがって、請求項３に記載の発明は、測定試料の数量とスキャン角度の範囲とを最小限に抑えることができるため、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、さらに汎用性を向上できる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載の膜厚測定方法であって、前記測定対象層が、酸化マグネシウムからなる層であっても良い。
請求項４に記載の発明によれば、数〜数十原子層の膜厚からなる酸化マグネシウム層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、基板の上に絶縁障壁層と磁性層とを有する磁気デバイスの製造方法であって、前記絶縁障壁層の膜厚は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の膜厚測定方法に基づいて制御されることを要旨とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、磁気デバイスが、高い精度の下で膜厚制御された絶縁障壁層を有する。したがって、請求項５に記載の磁気デバイスの製造方法は、磁気デバイスの磁気特性を高い精度の下で制御することができる。この結果、請求項５に記載の磁気デバイスの製造方法は、磁気デバイスの磁気特性を安定させることができ、磁気デバイスの生産性を向上できる。
【発明の効果】
【００１７】
上記したように、本発明によれば、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上させた膜厚測定方法、及びその膜厚測定方法を用いて絶縁障壁層の膜厚を制御する磁気デバイスの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体化した一実施形態について図１〜図４に従って以下に説明する。
（測定試料）
まず、本実施形態の膜厚測定に用いる多層体としての測定試料１０について説明する。図１は、測定試料１０を示す側断面図である。
【００１９】
図１において、測定試料１０は、基板Ｓの上に複数の測定対象層１１と複数のスペーサ層１２とを有する。測定試料１０は、測定対象層１１とスペーサ層１２とが交互に積層されることにより人工格子膜を形成する。すなわち、測定試料１０において、上下一対の測定対象層１１とスペーサ層１２の積算膜厚は、人工格子膜の一周期長を形成する。なお、基板Ｓとしては、セラミック基板、シリコン基板、ガラス基板等の各種の基板を用いることができる。
【００２０】
測定対象層１１は、本実施形態の膜厚測定方法を用いて膜厚を測定するための層であり、膜厚が数〜数十原子層の絶縁体からなる層である。測定対象層１１としては、例えばトンネル磁気抵抗素子に利用されるトンネル障壁層としての酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン等を用いることができ、他の絶縁体であっても良い。
【００２１】
スペーサ層１２は、測定対象層１１との間の界面においてＸ線を回折させるための層であり、測定対象層１１と異なる電子密度を有する層であれば良い。スペーサ層１２としては、例えばトンネル磁気抵抗素子に利用される磁性層としてのＣｏＦｅＢやＣｏＦｅを用いることができる。スペーサ層１２の膜厚は、特に限定されるものではないが、数〜数十原子層であって、かつ、測定対象層１１と異なるサイズが好ましい。
【００２２】
本実施形態においては、測定対象層１１の膜厚を対象膜厚Ｔｐとし、スペーサ層１２の膜厚をスペーサ膜厚Ｔｒという。また、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒとの加算値、すなわち人工格子膜の一周期長を、人工格子周期Λという。
【００２３】
次に、測定試料１０の電子密度の分布について以下に説明する。図２（ａ）は、一つの測定対象層１１の膜厚方向における電子密度の分布を模式的に示す図である。図２（ｂ）は、一つのスペーサ層１２の膜厚方向における電子密度の分布を模式的に示す図である。図２（ｃ）は、測定試料１０の膜厚方向における電子密度の分布を模式的に示す図である。なお、本実施形態における膜厚方向とは、基板Ｓの表面、すなわち測定対象層１１及びスペーサ層１２の表面の法線方向である。
【００２４】
図２（ａ）において、スペーサ層１２は、スペーサ膜厚Ｔｒの範囲において、スペーサ層１２の材料や構造に基づく固有の電子密度（以下単に、スペーサ電子密度φｒという。）を有する。図２（ｂ）において、測定対象層１１は、対象膜厚Ｔｐの範囲において、測
定対象層１１の材料や構造に基づく固有の電子密度（以下単に、対象電子密度φｐという。）を有する。
【００２５】
図２（ｃ）において、測定試料１０は、測定対象層１１とスペーサ層１２とが交互に繰り返されるため、スペーサ層１２の領域においてスペーサ電子密度φｒの電子密度を有し、測定対象層１１の領域において対象電子密度φｐの電子密度を有する。すなわち、測定試料１０の電子密度の分布は、人工格子周期Λごとに、相対的に高い電子密度（あるいは低い電子密度）を繰り返す。なお、図２においては、対象電子密度φｐがスペーサ電子密度φｒよりも低い構成を示すが、これに限らず、対象電子密度φｐがスペーサ電子密度φｒよりも高い構成であっても良い。
【００２６】
（膜厚測定装置）
次に、本実施形態の膜厚測定方法に用いるＸ線反射率測定装置（以下単に、ＸＲＤ装置２０という。）について説明する。図３は、ＸＲＤ装置２０を模式的に示す平面図である。図３において、ＸＲＤ装置２０は、Ｘ線照射系２１、ゴニオメータ２２、Ｘ線検出器２３を有する。
【００２７】
Ｘ線照射系２１は、回転対陰極等のＸ線源（例えば、Ｃｕ−Ｋα線源（λ＝０．１５４１ｎｍ））と、Ｘ線源から出射されるＸ線を整形するスリットと、Ｘ線源から出射されるＸ線を単色光化するモノクロメータとを有する。Ｘ線照射系２１は、Ｘ線源から出射されるＸ線を所定波長に単色化し、かつ、平行化した後にゴニオメータ２２に向けて照射する。本実施形態においては、Ｘ線照射系２１からゴニオメータ２２に向けて照射されるＸ線を入射Ｘ線Ｒｘとし、入射Ｘ線Ｒｘの光軸と基板Ｓの表面とのなす角度を入射角θｘという。
【００２８】
ゴニオメータ２２は、測定試料１０の表面に対するＸ線の入射角θｘを任意に設定する。本実施形態のゴニオメータ２２は、入射角θｘを小角領域、すなわち０≦θｘ≦３０°の範囲で走査する。測定試料１０に入射する入射Ｘ線Ｒｘは、測定試料１０が有する人工格子膜に反射される。本実施形態においては、測定試料１０から反射されるＸ線を、反射Ｘ線Ｒｄという。反射Ｘ線Ｒｄは、人工格子周期Λに関する情報を有する。
【００２９】
Ｘ線検出器２３は、測定試料１０からの反射Ｘ線Ｒｄの強度を検出するシンチレーションカウンタを搭載する。Ｘ線検出器２３は、ゴニオメータ２２の回転に連動して回転し、入射Ｘ線Ｒｘの入射角θｘとＸ線検出器２３の仰角θｄとを等しくする。すなわち、ＸＲＤ装置２０は、θ／２θスキャンを行う。
【００３０】
（膜厚測定方法）
次に、測定試料１０とＸＲＤ装置２０とを用いる膜厚測定方法について以下に説明する。まず、小角領域（０°≦θ≦３０°）におけるＸ線散乱について説明する。図４は、ＸＲＤ装置２０を用いて測定した測定試料１０のＸ線回折スペクトルを示す。
【００３１】
Ｘ線の回折は、一般的に、原子の格子間隔を反映した干渉効果により発現する。面間隔がｄの格子面に波長λのＸ線を入射する場合、隣り合う面からのＸ線の散乱波は、互いに干渉して強め合い、これにより回折を起こす。Ｘ線の回折条件は、回折角をθとし、反射の次数をｎ（ｎは１以上の整数）とすると、式（１−１）式によって表される。
【００３２】
入射角θｘが小角の場合においても、Ｘ線の回折角に関わる情報は、式（１−１）から得られる。例えば、１次（ｎ＝１）の回折角が２θ＝５°の場合、式（１−２）に示すように、２θ＝５°の回折ピークは、ｄ＝１．７７ｎｍの格子周期、すなわち原子の格子間隔の約１０倍の格子周期を反映する。そのため、測定試料１０から得る小角領域の回折角
θは、人工格子周期Λ（対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒの加算値）を反映し、また対象電子密度φｐとスペーサ電子密度φｒの差を反映する。
【００３３】
【数３】
【００３４】
【数４】
【００３５】
図４に示すように、測定試料１０のＸ線回折スペクトルは、小角領域（２≦２θ≦１６）に複数の回折ピークを有する。本実施形態では、回折ピークの回折次数を、低角側から順に１次、２次、３次、・・・という。各回折ピークの位置（回折角θ）は、それぞれ人工格子周期Λ、すなわち対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒの加算値の情報を含む。
【００３６】
小角領域におけるＸ線のｎ次（ｎは１以上の整数）の回折ピークと、ｍ次（ｍはｎと異なる１以上の整数）の回折ピークは、それぞれ式（１−１）及び人工格子周期Λを用いて式（１−３）と式（１−４）で表される。
【００３７】
【数５】
【００３８】
【数６】
【００３９】
人工格子周期Λ、すなわち対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒの加算値は、式（１−３）と式（１−４）とを用いて、式（１−５）で表される。
【００４０】
【数７】
【００４１】
式（１−５）において、回折次数は、（ｎ−ｍ）の項として人工格子周期Λに寄与する。そのため、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒの加算値を得る場合には、ｎ及びｍの絶対値が不要になり、回折次数の差分値に関わる情報があれば良い。例えば、連続する２つの回折ピークを用いて人工格子周期Λを得る場合には、ｎとｍの値に関わらず、（ｎ−ｍ）を常に１として扱うことができる。したがって、式（１−５）によれば、絶対的な回折次数に関わらず、人工格子周期Λを高い精度の下で得ることができる。
【００４２】
対象膜厚Ｔｐは、式（１−５）を用いることにより式（１）で表される。
【００４３】
【数８】
【００４４】
式（１）において、対象膜厚Ｔｐの変化量は、スペーサ層１２の成膜時間を固定し、かつ、測定対象層１１の成膜時間を変更した２種類以上の測定試料１０の回折スペクトルを計測し、各回折スペクトルの各回折角θと式（１）とを用いて求められる各人工格子周期Λを比較することにより得られる。例えば、成膜時間の異なる測定対象層１１の膜厚をそれぞれＴ１ｐ及びＴ２ｐ、これらに対応する人工格子周期をそれぞれΛ１及びΛ２とする。スペーサ膜厚Ｔｒが等しいとすると、Λ１＝Ｔ１ｐ＋Ｔｒ、Λ２＝Ｔ２ｐ＋Ｔｒであるため、人工格子周期の差分値Λ２−Λ１（＝Ｔ１ｐ−Ｔ２ｐ）から対象膜厚の変化量を得ることができる。これによれば、単位時間当たり堆積される測定対象層１１の膜厚を、原子層レベルで演算することができる。ひいては、対象膜厚Ｔｐを、より高い精度の下で測定することができる。
【００４５】
また、対象膜厚Ｔｐは、スペーサ膜厚Ｔｒが既知の設定値Ｔｒａであるとき、式（２）で表される。すなわち、スペーサ膜厚Ｔｒが既知の場合、対象膜厚Ｔｐは、１つのＸ線回折スペクトルから少なくとも２つの回折角θを検出するだけで、対象膜厚Ｔｐを測定できる。
【００４６】
【数９】
【００４７】
（回折次数）
次に、本実施形態の膜厚測定方法に用いる回折次数について以下に説明する。
Ｘ線回折スペクトルにおいて、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒが同じになる場合、すなわち人工格子周期ΛがΛ＝２Ｔｐを満たす場合、偶数の回折次数に対応する回折ピークは消失する。そのため、本実施形態の膜厚測定方法においては、回折次数の正否の判断が適宜行われる。
【００４８】
すなわち、測定試料１０から得るＸ線回折スペクトルの強度Ｉ（Ｑ）は、ＸＲＤ装置２０に起因する固有強度Ｉｅ、人工格子の構造因子｜Ｆ（Ｑ）｜、及びラウエ関数Ｌ（Ｑ）を用いることにより、式（２−１）で表される。人工格子膜の構造因子｜Ｆ（Ｑ）｜は、測定対象層１１の構造因子Ｆｐ（Ｑ）と、スペーサ層１２の構造因子Ｆｒ（Ｑ）を用いることにより、式（２−２）で表される。ラウエ関数Ｌ（Ｑ）は、式（２−３）で表される。なお、各式中におけるＱは、Ｘ線の散乱ベクトルであって、式（２−４）で表される。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
【数１１】
【００５１】
【数１２】
【００５２】
【数１３】
【００５３】
測定対象層１１の構造因子Ｆｐ（Ｑ）は、対象電子密度φｐを用いることにより、式（２−５）で表される。スペーサ層１２の構造因子Ｆｒ（Ｑ）は、測定対象層１１の構造因子Ｆｐ（Ｑ）と同じく、スペーサ電子密度φｒを用いることにより、式（２−５）における対象膜厚Ｔｐをスペーサ膜厚Ｔｒに変換した式で表される。なお、式（２−５）におけるＺは、膜厚方向の座標を示す。
【００５４】
【数１４】
【００５５】
式（２−５）に基づく構造因子Ｆｐ（Ｑ）及び構造因子Ｆｒ（Ｑ）をそれぞれ式（２−２）に代入すると、人工格子膜の構造因子｜Ｆ（ｍ）｜は、式（２−６）で表される。式（２−６）において、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒとが同じになる場合、すなわち人工格子周期ΛがΛ＝２Ｔｐを満たす場合、人工格子膜の構造因子｜Ｆ（ｍ）｜は、式（２−７）で表される。
【００５６】
【数１５】
【００５７】
【数１６】
【００５８】
式（２−７）において、回折次数ｍが偶数の場合、人工格子膜の構造因子｜Ｆ（ｍ）｜は零になる。すなわち、回折次数ｍが偶数の場合、Ｘ線回折スペクトルの強度Ｉ（Ｑ）が零になり、偶数次の回折ピークが消失してしまう。
【００５９】
そこで、本実施形態の膜厚測定方法においては、対象膜厚Ｔｐあるいはスペーサ膜厚Ｔｒの異なる２つ以上の測定試料１０に関して、それぞれＸ線回折スペクトルが測定され、偶数次の回折ピークが消失しているか否かの判断に基づき、回折次数の差分値（ｎ−ｍ）が決定される。この膜厚測定方法によれば、対象膜厚Ｔｐとスペーサ膜厚Ｔｒとが同じになる場合であっても、回折ピークの消失に伴う誤差を回避することができる。
【００６０】
小角領域におけるＸ線の経路は、入射角θｘが小さくなる分だけ、人工格子膜の中で長くなる。Ｘ線に対する各元素の屈折率は、表１に示すように、非常に小さい値である。しかしながら、Ｘ線の経路が人工格子膜の中で長くなると、Ｘ線回折スペクトルにおいては、人工格子膜の複素屈折率に基づく影響を無視できなくなる。そのため、本実施形態の膜厚測定方法においては、回折次数の選択が適宜行われる。
【００６１】
【表１】
【００６２】
すなわち、人工格子膜が有する屈折率をδとすると、ｍ次の回折ピークは、式（２−８）で表される。式（２−８）によれば、回折次数ｍが小さくなる程、回折角θに与える屈折率δの影響が大きくなり、式（１−４）の関係、ひいては式（１）の関係を十分に満たさなくなる。
【００６３】
【数１７】
【００６４】
本実施形態においては、屈折率δを零と仮定する場合に得られる回折角θと、屈折率δを加味する場合に得られる回折角θとの差を、回折角誤差Δθという。また、回折角誤差Δθに相等する人工格子周期Λを、周期誤差ΔΛという。
【００６５】
表２は、回折次数と、回折角誤差Δθ及び周期誤差ΔΛとの関係を示す。なお、表２は、以下の構成からなる測定試料１０に対してＣｕ−Ｋα線を用いる場合を示す。
・測定対象層１１：ＭｇＯ
・測定対象層１１の予測膜厚：２ｎｍ
・スペーサ層１２：Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０
・スペーサ層１２の予測膜厚：３ｎｍ
・人工格子周期Λ：５ｎｍ
【００６６】
【表２】
【００６７】
表２に示すように、１次の回折ピークは、人工格子周期Λ（５ｎｍ）に対して、屈折率δの影響により、−０．２４６ｎｍも誤差を含んでしまう。屈折率δに起因する誤差は、回折次数が２次、３次・・・と増大するに連れて減少する。
【００６８】
そこで、本実施形態の膜厚測定方法においては、式（２−８）に基づいて、予め周期誤差ΔΛを演算し、人工格子周期Λに対する周期誤差ΔΛを１％以下にする回折次数が、測定の対象として選択される。例えば、表２においては、２次以上の回折次数は、人工格子周期Λ（５ｎｍ）に対する周期誤差ΔΛを１％以下にする。そのため、２次以上の回折次数が、測定の対象として選択される。
【００６９】
なお、回折次数が増加するに連れて、Ｘ線回折ピークの強度Ｉ（Ｑ）は減少する（図４参照）。そのため、本実施形態の膜厚測定方法においては、５次以下の回折次数を用いるのが好ましい。
【００７０】
（実施例）
次に、実施例を以下に説明する。表３は、上記膜厚測定方法を用いて測定した対象膜厚Ｔｐを示す表である。
【００７１】
以下の条件に基づいて実施例の測定試料１０を得た。なお、この際、測定対象層１１の成膜条件としては、予めＴＥＭ像の観測結果に基づいて、対象膜厚Ｔｐが２ｎｍになる成膜条件を選択した。
・基板Ｓ：シリコンウェハ（直径：２００ｍｍ）
・測定対象層１１：ＭｇＯ（ＭｇＯターゲットを用いたスパッタ法）
・測定対象層１１の層数：１０層
・スペーサ層１２：Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（ＣｏＦｅＢターゲットを用いたスパッタ法）
・スペーサ層１２の設定値Ｔｒａ：３ｎｍ
・スペーサ層１２の層数：１０層
次いで、実施例の測定試料１０をＸＲＤ装置２０に移載してＸ線回折スペクトルを計測し、回折次数として３次と５次を選択して人工格子周期Λを求めた。
【００７２】
なお、Ｘ線のスキャン範囲としては、小角範囲（２θ＝２°〜１６°）を用い、入射Ｘ線Ｒｘの照射位置、すなわち膜厚測定位置としては、基板Ｓの中心から８ｍｍ、２４ｍｍ、４０ｍｍ、５６ｍｍ、７２ｍｍの点を選択した。また、対象膜厚Ｔｐの計算方法としては、式（２）及びスペーサ層１２の設定値Ｔｒａを用いた。
【００７３】
【表３】
【００７４】
表３に示すように、各測定位置の対象膜厚Ｔｐは、いずれもＴＥＭ像の観測結果に基づいて制御された設定膜厚（２ｎｍ）と略同じ膜厚を示すことが分かる。また、各測定位置の対象膜厚Ｔｐは、それぞれＸ線回折スペクトルを計測した後に実施したＴＥＭ像の観測結果と同じ値であることが認められた。
【００７５】
上記実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）上記実施形態においては、測定対象層１１と、測定対象層１１と異なる電子密度を有するスペーサ層１２とが基板Ｓの上に交互に積層された測定試料１０に対してＸ線を照射して小角度のスキャンを行うことにより測定試料１０のＸ線回折スペクトルを測定する。そして、Ｘ線の波長をλ、Ｘ線回折スペクトルに基づくｎ次の回折角をθｎ、Ｘ線回折スペクトルに基づくｍ次の回折角をθｍ、スペーサ層１２の膜厚をスペーサ膜厚Ｔｒとするとき、測定対象層１１の対象膜厚Ｔｐを式（１）に基づいて測定する。
【００７６】
したがって、測定対象層１１とスペーサ層１２からなる人工格子膜は、小角度のＸ線照射により、人工格子周期Λ、すなわち対象膜厚Ｔｐに関する情報を回折角θとして出力する。式（１）における回折次数は、（ｎ−ｍ）の項により相対的な差分値で規定されるため、絶対的な情報を必要としない。よって、上記膜厚測定方法は、対象膜厚Ｔｐを厚膜化させることなく、非破壊的に容易に測定することができる。この結果、上記膜厚測定方法は、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００７７】
（２）上記実施形態においては、スペーサ層１２の成膜時間を固定し、かつ、測定対象層１１の成膜時間を変更した異なる少なくとも２種類以上の測定試料１０の各々のＸ線回折スペクトルを測定することにより測定対象層１１の膜厚の変化量を演算し、対象膜厚Ｔｐを測定する。各Ｘ線回折スペクトルから得る各回折角の値は、原子層レベルの膜厚変動を大きく反映するため、測定対象層１１の膜厚の変化量、ひいては対象膜厚Ｔｐが、より高い精度の下で決定される。したがって、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００７８】
（３）上記実施形態においては、スペーサ膜厚Ｔｒの設定値をＴｒａとするとき、対象膜厚Ｔｐを式（２）に基づいて測定する。したがって、対象膜厚Ｔｐは、一つの測定試料１０から得る２つの異なる回折角θにより一義的に決定される。よって、上記膜厚測定方法は、測定試料１０の数量とスキャン角度の範囲とを最小限に抑えることができるため、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、さらに汎用性を向上できる。
【００７９】
（４）上記実施形態においては、対象膜厚Ｔｐの測定に用いる回折次数が、２次〜５次である。したがって、上記膜厚測定方法は、屈折の影響を受ける低次の回折角θと、回折強度の低下を伴う高次の回折角θとを、測定範囲より除外できる。よって、上記膜厚測定方法は、より高い精度を有する回折角θを利用することができ、数〜数十原子層の膜厚からなる絶縁体層の膜厚に関して、さらに測定精度を向上できる。
【００８０】
（５）上記実施形態においては、測定対象層１１は、酸化マグネシウムからなる層である。したがって、上記膜厚測定方法は、数〜数十原子層の膜厚からなる酸化マグネシウム層の膜厚に関して、汎用性を損なうことなく測定精度を向上できる。
【００８１】
尚、上記実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態において、スペーサ層１２は、単層構造である。これに限らず、スペーサ層１２は、多層構造であっても良い。この際、測定対象層１１との間の界面状態を円滑にする層を挟入する構成が好ましい。この構成によれば、Ｘ線回折スペクトルから界面状態の荒れ起因するノイズを低減できる。ひいては、対象膜厚Ｔｐの測定精度を、さらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】膜厚測定試料の構成を示す側断面図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ測定試料の電子密度を模式的に示す図。
【図３】膜厚測定装置の構成を模式的に示す図。
【図４】Ｘ線回折スペクトルを示す図。
【符号の説明】
【００８３】
λ…波長、θ…回折角、Ｓ…基板、Ｔｒａ…設定値、１０…多層体としての測定試料、１１…測定対象層、１２…スペーサ層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体からなる層の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
測定対象層と、前記測定対象層と異なる電子密度を有するスペーサ層とが基板上に交互に積層された多層体に対してＸ線を照射して小角度のスキャンを行うことにより前記多層体のＸ線回折スペクトルを測定し、
前記Ｘ線の波長をλ、前記Ｘ線回折スペクトルに基づくｎ次（ｎは１以上の整数）の回折角をθｎ、前記Ｘ線回折スペクトルに基づくｍ次（ｍはｎと異なる１以上の整数）の回折角をθｍ、前記測定対象層の膜厚をＴｐ、前記スペーサ層の膜厚をＴｒとするとき、
前記測定対象層の膜厚を式（１）に基づいて測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【数１】
【請求項２】
請求項１に記載の膜厚測定方法であって、
前記スペーサ層の成膜時間を固定し、かつ、前記測定対象層の成膜時間を変更した異なる少なくとも２種類以上の前記多層体の各々のＸ線回折スペクトルを測定し、
前記各Ｘ線回折スペクトルから検出する前記各回折角と式（１）とを用いて前記測定対象層の膜厚の変化量を演算し、前記変化量と前記成膜時間の変更量とを比較することにより前記測定対象層の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の膜厚測定方法であって、
前記スペーサ層の膜厚の設定値をＴｒａとするとき、
前記測定対象層の膜厚を式（２）に基づいて測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【数２】
【請求項４】
請求項１〜３に記載の膜厚測定方法であって、
前記測定対象層は、酸化マグネシウムからなる層であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】
基板の上に絶縁障壁層と磁性層とを有する磁気デバイスの製造方法であって、
前記絶縁障壁層の膜厚は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の膜厚測定方法に基づいて制御されることを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
【請求項１】
絶縁体からなる層の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
測定対象層と、前記測定対象層と異なる電子密度を有するスペーサ層とが基板上に交互に積層された多層体に対してＸ線を照射して小角度のスキャンを行うことにより前記多層体のＸ線回折スペクトルを測定し、
前記Ｘ線の波長をλ、前記Ｘ線回折スペクトルに基づくｎ次（ｎは１以上の整数）の回折角をθｎ、前記Ｘ線回折スペクトルに基づくｍ次（ｍはｎと異なる１以上の整数）の回折角をθｍ、前記測定対象層の膜厚をＴｐ、前記スペーサ層の膜厚をＴｒとするとき、
前記測定対象層の膜厚を式（１）に基づいて測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【数１】
【請求項２】
請求項１に記載の膜厚測定方法であって、
前記スペーサ層の成膜時間を固定し、かつ、前記測定対象層の成膜時間を変更した異なる少なくとも２種類以上の前記多層体の各々のＸ線回折スペクトルを測定し、
前記各Ｘ線回折スペクトルから検出する前記各回折角と式（１）とを用いて前記測定対象層の膜厚の変化量を演算し、前記変化量と前記成膜時間の変更量とを比較することにより前記測定対象層の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の膜厚測定方法であって、
前記スペーサ層の膜厚の設定値をＴｒａとするとき、
前記測定対象層の膜厚を式（２）に基づいて測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【数２】
【請求項４】
請求項１〜３に記載の膜厚測定方法であって、
前記測定対象層は、酸化マグネシウムからなる層であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】
基板の上に絶縁障壁層と磁性層とを有する磁気デバイスの製造方法であって、
前記絶縁障壁層の膜厚は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の膜厚測定方法に基づいて制御されることを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−３６６７１（Ｐ２００９−３６６７１Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０２０５６（Ｐ２００７−２０２０５６）
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【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２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【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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