特許 6095806 トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法、およびスパッタリング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6095806

(24)【登録日】2017年2月24日

(45)【発行日】2017年3月15日

(54)【発明の名称】トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法、およびスパッタリング装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/12 20060101AFI20170306BHJP

   H01L 21/8246 20060101ALI20170306BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20170306BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20170306BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20170306BHJP

   H01F 41/18 20060101ALI20170306BHJP

   G11B 5/39 20060101ALI20170306BHJP

   C23C 14/08 20060101ALI20170306BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20170306BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/12

   H01L27/10 447

   H01L43/08 Z

   H01F10/32

   H01F41/18

   G11B5/39

   C23C14/08 J

   C23C14/34 S

【請求項の数】12

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-562571(P2015-562571)

(86)(22)【出願日】2014年11月14日

(86)【国際出願番号】JP2014005729

(87)【国際公開番号】WO2015121905

(87)【国際公開日】20150820

【審査請求日】2016年3月24日

(31)【優先権主張番号】特願2014-26132(P2014-26132)

(32)【優先日】2014年2月14日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000227294

【氏名又は名称】キヤノンアネルバ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100106183

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 弘司

(74)【代理人】

【識別番号】100114915

【弁理士】

【氏名又は名称】三村 治彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120363

【弁理士】

【氏名又は名称】久保田 智樹

(74)【代理人】

【識別番号】100125139

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 洋

(72)【発明者】

【氏名】大谷 裕一

(72)【発明者】

【氏名】清野 拓哉

【審査官】 加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１２２４１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１５４００９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／１２

Ｃ２３Ｃ １４／０８

Ｃ２３Ｃ １４／３４

Ｇ１１Ｂ ５／３９

Ｈ０１Ｆ １０／３２

Ｈ０１Ｆ ４１／１８

Ｈ０１Ｌ ２１／８２４６

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの強磁性層の間にトンネルバリア層が配されたトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記強磁性層が形成された基板の表面を含む面における第１の絶縁物ターゲットの投影面が第１の状態にあるときに、該第１の絶縁物ターゲットをスパッタリングし、前記基板の表面に絶縁膜の形成を行う第１の成膜過程と、
前記基板の表面を含む面における第２の絶縁物ターゲットの投影面が、前記第１の状態と異なる第２の状態にあるときに、該第２の絶縁物ターゲットをスパッタリングし、前記基板の表面に絶縁膜の形成を行う第２の成膜過程と、を有し、
前記第１の絶縁物ターゲットと前記第２の絶縁物ターゲットは同一のターゲットであり、
前記第２の成膜過程における前記スパッタリングは、前記第１の成膜過程における前記スパッタリングにより得られる前記絶縁膜の前記基板の中心部から周辺部にかけて生ずる第１の特性変化に対して、前記基板の前記中心部から前記周辺部にかけて少なくとも一部に前記第１の特性変化とは逆の傾向を有する第２の特性変化を示す前記絶縁膜が得られるものであり、
前記第１の成膜過程を行った後に、前記第１の絶縁物ターゲットと前記基板との距離を変化させることで、前記第１の絶縁物ターゲットの前記投影面を前記第１の状態から前記第２の状態に変化させて前記第２の成膜過程を行うことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項2】

前記第１の絶縁物ターゲットと前記基板との前記距離の変化は、前記基板を載置している基板ホルダの位置を変化させることで行われることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項3】

前記第１の成膜過程、前記基板ホルダの位置の変化、及び前記第２の成膜過程に亘って継続してＲＦ電力が前記ターゲットに印加されていることを特徴とする請求項２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項4】

前記基板ホルダは、回転可能に前記基板を保持するものであり、前記第１の成膜過程および前記第２の成膜過程において、前記基板ホルダは前記基板を回転させることを特徴とする請求項２または３に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項5】

前記第１の成膜過程および前記第２の成膜過程において形成される前記絶縁膜は前記トンネルバリア層であり、
前記第１の特性変化及び前記第２の特性変化は、前記トンネルバリア層における接合抵抗値の変化であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項6】

前記第１の特性変化は、前記基板の前記中心部における前記接合抵抗値が、前記基板の前記周辺部における接合抵抗値よりも高いものであり、前記第２の特性変化は、前記基板の前記中心部における前記接合抵抗値が、前記基板の前記周辺部における接合抵抗値よりも低いものであることを特徴とする請求項５に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項7】

２つの強磁性層の間にトンネルバリア層が配されたトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記強磁性層が形成された基板の表面を含む面における第１の絶縁物ターゲットの投影面が第１の状態にあるときに、該第１の絶縁物ターゲットをスパッタリングし、前記基板の表面に絶縁膜の形成を行う第１の成膜過程と、
前記基板の表面を含む面における第２の絶縁物ターゲットの投影面が、前記第１の状態と異なる第２の状態にあるときに、該第２の絶縁物ターゲットをスパッタリングし、前記基板の表面に絶縁膜の形成を行う第２の成膜過程と、を有し、
前記第２の成膜過程における前記スパッタリングは、前記第１の成膜過程における前記スパッタリングにより得られる前記絶縁膜の前記基板の中心部から周辺部にかけて生ずる第１の特性変化に対して、前記基板の前記中心部から前記周辺部にかけて少なくとも一部に前記第１の特性変化とは逆の傾向を有する第２の特性変化を示す前記絶縁膜が得られるものであり、
前記第１の成膜過程および前記第２の成膜過程において形成される前記絶縁膜は前記トンネルバリア層であり、
前記第１の特性変化及び前記第２の特性変化は、前記トンネルバリア層における接合抵抗値の変化であり、
前記第１の特性変化は、前記基板の前記中心部における前記接合抵抗値が、前記基板の前記周辺部における接合抵抗値よりも高いものであり、前記第２の特性変化は、前記基板の前記中心部における前記接合抵抗値が、前記基板の前記周辺部における接合抵抗値よりも低いものであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項8】

前記第１の絶縁物ターゲットと前記第２の絶縁物ターゲットは異なるターゲットであり、前記第１の絶縁物ターゲットと前記第２の絶縁物ターゲットとを同時にスパッタすることで、前記第１の成膜過程と前記第２の成膜過程を同時に実行することを特徴とする請求項７に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項9】

前記第１の絶縁物ターゲットの、前記基板に面する側の表面の中心における法線が、前記基板の表面を含む面に対してなす角度と、前記第２の絶縁物ターゲットの、前記基板に面する側の表面の中心における法線が、前記基板の表面を含む面に対してなす角度と、が異なることを特徴とする請求項８に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項10】

前記基板は、前記基板を面内で回転可能な基板ホルダによって保持され、前記第１の成膜過程及び前記第２の成膜過程において、前記基板ホルダは前記基板を回転させることを特徴とする請求項８または９に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項11】

前記第１の絶縁物ターゲットおよび前記第２の絶縁物ターゲットは、酸化マグネシウムターゲットであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。

【請求項12】

処理室と、
前記処理室の内部を排気するための排気部と、
前記処理室の内部に配された、基板を保持するための基板ホルダと、
前記処理室の内部に配され、絶縁物ターゲットを取り付け可能なターゲットホルダと、
前記ターゲットホルダの近傍でプラズマを形成するための高周波電力を、前記ターゲットホルダに印加するための高周波電源と、
前記基板ホルダに保持された前記基板に対して、前記ターゲットホルダと前記基板ホルダとの相対的な位置関係を第１の関係とし、前記高周波電源により前記ターゲットホルダに高周波電力を印加して前記ターゲットホルダに取り付けられる前記絶縁物ターゲットをスパッタリングすることで前記基板に第１の成膜過程を実行し、続いて、前記ターゲットホルダと前記基板ホルダとの相対的な位置関係を、前記第１の関係とは異なる第２の関係であって、前記第１の関係における前記第１の成膜過程により得られる絶縁膜の前記基板の中心部から周辺部にかけて生ずる第１の特性変化に対して、前記中心部から前記周辺部にかけて少なくとも一部に前記第１の特性変化とは逆の傾向を有する第２の特性変化を示す絶縁膜が得られる第２の関係とし、前記高周波電源により前記ターゲットホルダに高周波電力を印加して前記ターゲットホルダに取り付けられる前記絶縁物ターゲットをスパッタリングすることで第２の成膜過程を実行する制御部と、を有し、
前記第１の成膜過程および前記第２の成膜過程において形成される前記絶縁膜は、トンネル磁気抵抗効果素子のトンネルバリア層であり、
前記第１の特性変化及び前記第２の特性変化は、前記トンネルバリア層における接合抵抗値の変化であり、
前記第１の特性変化は、前記基板の前記中心部における前記接合抵抗値が、前記基板の前記周辺部における前記接合抵抗値よりも高いものであり、前記第２の特性変化は、前記基板の前記中心部における前記接合抵抗値が、前記基板の前記周辺部における前記接合抵抗値よりも低いものであることを特徴とするスパッタリング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法、およびスパッタリング装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance effect）技術を応用した集積化磁気メモリである磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）が近年注目を集めている。ＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子としては、非特許文献１に示される面内磁化型の素子や、非特許文献２に示される垂直磁化型の素子が存在する。面内磁化型では、フリー層とリファレンス層の磁化方向が、素子を構成する積層膜における積層方向に対して垂直方向に磁化回転する。垂直磁化型では、フリー層とリファレンス層の磁化方向が、素子を構成する積層膜における積層方向と同方向に磁化回転する。

【0003】

ＴＭＲ素子の製造においては、所望の成膜材料からなるターゲットをスパッタリングすることにより、対向する基板上に成膜するスパッタリング（以下、単にスパッタともいう）法が広く用いられている。ＴＭＲ素子におけるトンネルバリア層として用いられる絶縁膜の製造方法としては、酸化物ターゲットに対してＲＦスパッタを行うことで酸化膜を成膜する方法（特許文献１参照）が知られている。また、金属膜を成膜した後に酸化処理を施すことで酸化膜を形成する方法（特許文献２参照）も知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−８２９６１号公報

【特許文献2】米国特許第７７８０８２０号明細書

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Young-suk Choi et al., Jpn. J. of Appl. Phys. 48, 120214 (2009)

【非特許文献2】D. C. Worledge et al., Appl. Phys. Lett. 98, 022501 (2011)

【発明の概要】

【0006】

ＴＭＲ素子を用いたデバイスにおいて、より高い出力信号を得るためには、高い磁気抵抗比（ＭＲ比）を有するＴＭＲ素子を製造することが必要となる。特に、トンネルバリア層の状態はＭＲ比に大きく影響する。

【0007】

特許文献１に記載される酸化物ターゲットを用いて酸化膜を形成する場合、特許文献２に記載される金属膜の酸化によって酸化膜を形成する場合に比べて、高いＭＲ比が得られる傾向にある。しかしながら、特許文献１に記載の方法を用いて酸化膜の成膜処理を施した場合、特許文献２に記載の方法を用いて酸化膜を形成した場合に比べて、基板面内の各点、特に基板の中心から外周にかけて、電気抵抗値のばらつきが大きい傾向にある。このような電気抵抗値のばらつきは、１枚の基板から得られる磁気抵抗効果素子間の特性のばらつきの原因となり、歩留まりを悪化させるため、可能な限り低減されることが望ましい。

【0008】

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、絶縁物ターゲットを用いてスパッタ法により基板に成膜処理を行う場合に、基板面内における電気抵抗値などの特性のばらつきを低減することができるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法、およびスパッタリング装置を提供することを目的とする。

【0009】

上述した課題を解決するため、本発明の第一の側面によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、２つの強磁性層の間にトンネルバリア層が配されたトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法において、前記強磁性層が形成された基板の表面を含む面における第１の絶縁物ターゲットの投影面が第１の状態にあるときに、該第１の絶縁物ターゲットをスパッタリングし、前記基板の表面に絶縁膜の形成を行う第１の成膜過程と、前記基板の表面を含む面における第２の絶縁物ターゲットの投影面が、前記第１の状態と異なる第２の状態にあるときに、該第２の絶縁物ターゲットをスパッタリングし、前記基板の表面に絶縁膜の形成を行う第２の成膜過程と、を有し、前記第２の成膜過程における前記スパッタリングは、前記第１の成膜過程における前記スパッタリングにより得られる前記絶縁膜の前記基板の中心部から周辺部にかけて生ずる第１の特性変化に対して、前記基板の前記中心部から前記周辺部にかけて少なくとも一部に前記第１の特性変化とは逆の傾向を有する第２の特性変化を示す前記絶縁膜が得られるものであることを特徴とする。

【0010】

本発明の第二の側面によるスパッタリング装置は、処理室と、前記処理室の内部を排気するための排気部と、前記処理室の内部に配された、基板を保持するための基板ホルダと、前記処理室の内部に配され、絶縁物ターゲットを取り付け可能なターゲットホルダと、前記ターゲットホルダの近傍でプラズマを形成するための高周波電力を、前記ターゲットホルダに印加するための高周波電源と、前記基板ホルダに保持された前記基板に対して、前記ターゲットホルダと前記基板ホルダとの相対的な位置関係を第１の関係とし、前記高周波電源により前記ターゲットホルダに高周波電力を印加して前記ターゲットホルダに取り付けられる前記絶縁物ターゲットをスパッタリングすることで前記基板に第１の成膜過程を実行し、続いて、前記ターゲットホルダと前記基板ホルダとの相対的な位置関係を、前記第１の関係とは異なる第２の関係であって、前記第１の関係における前記第１の成膜過程により得られる絶縁膜の前記基板の中心部から周辺部にかけて生ずる第１の特性変化に対して、前記中心部から前記周辺部にかけて少なくとも一部に前記第１の特性変化とは逆の傾向を有する第２の特性変化を示す絶縁膜が得られる第２の関係とし、前記高周波電源により前記ターゲットホルダに高周波電力を印加して前記ターゲットホルダに取り付けられる前記絶縁物ターゲットをスパッタリングすることで第２の成膜過程を実行する制御部と、を有することを特徴とする。

【0011】

本発明によれば、絶縁物ターゲットを用いてスパッタ法により基板に成膜処理を行う場合に、基板面内における電気抵抗値などの特性のばらつきを低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】面内磁化型のトンネル磁気抵抗効果素子の積層構造を示す模式図である。

【図2】垂直磁化型のトンネル磁気抵抗効果素子の積層構造を示す模式図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の概略構成を示す図である。

【図4】本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置におけるターゲットと基板との位置関係を説明するための図である。

【図5】本発明の一実施形態の説明に用いられる「基板の表面を含む面における絶縁物ターゲットの投影面」を説明するための図である。

【図6】ＲＦスパッタリングを用いて従来の方法で酸化膜を形成した場合の基板面内のＲＡ分布を示す図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る方法を用いて酸化膜を形成した場合の基板面内のＲＡ分布を示す図である。

【図8】本発明の一実施形態に係るＲＦスパッタリングを説明するためのフローチャートである。

【図9】本発明の一実施形態に係るＲＦスパッタリングを説明するためのタイミングチャートである。

【図10】本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置に用いられる制御装置を説明するための図である。

【図11】本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法を用いて製造されたトンネル磁気抵抗効果素子を適用可能な、磁気抵抗メモリの概略構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

【0014】

（トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の構造の説明）
以下に、ＴＭＲ素子の構造の例を示す。以下に示すＴＭＲ素子は、本発明の一実施形態に係るＴＭＲ素子の製造方法により製造することができるものである。

【0015】

図１は、非特許文献１に記載の面内磁化型のＴＭＲ素子（以下、単にＴＭＲ素子という）の積層構造を示す模式図である。

【0016】

図１に示すように、ＴＭＲ素子１００では、まず、処理基板の上に、下部電極層１０８として、例えばＴａとＣｕを含む金属層又は金属化合物層が積層されている。具体的には、下部電極層１０８は、例えばＴａ（５ｎｍ）／ＣｕＮ（２０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）のような構造とする。なお、本明細書では、材料名又は後ろの括弧内に厚さを記載した材料名を「／」で区切ることにより各材料の層が積層されてなる積層構造を表すものとし、「／」の右側の層ほど、積層構造において上部側に位置するものとする。下部電極層１０８において、上部のＴａは下地膜の役目を兼ね備えており、Ｔａ以外でもＨｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、ＭｏまたはＷなどの金属としてもよい。さらに、その上に例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｒｕのうち少なくとも１つの元素を含む層を成膜してもよい。

【0017】

下部電極層１０８上には、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＲｕＲｈＭｎまたはＣｒＰｔＭｎ等からなる例えば厚さ３〜２０ｎｍ程度の反強磁性層１０７が形成されている。反強磁性層１０７上には、例えばＣｏＦｅ等の強磁性層からなる例えば厚さ１〜５ｎｍ程度のリファレンス層１０６が形成されている。リファレンス層１０６上には、例えばＲｕ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅのうち少なくとも１つから選ばれる、またはこれらの金属のうち２つ以上の合金からなる例えば厚さ０．８５ｎｍ程度の非磁性中間層１０５が形成されている。非磁性中間層１０５上には、例えばＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢ等の強磁性層からなる例えば厚さ１〜５ｎｍ程度のリファレンス層１０４が形成されている。

【0018】

上記反強磁性層１０７、リファレンス層１０６、非磁性中間層１０５、およびリファレンス層１０４は、シンセティック型のリファレンス層を構成している。このシンセティック型のリファレンス層は、反強磁性層１０７とリファレンス層１０６との２層構造からなる構成であってもよい。シンセティック型のリファレンス層は、磁化方向が固定された層である。

【0019】

リファレンス層１０４上には、トンネルバリア層１０３が形成されている。トンネルバリア層１０３の材料は、高いＭＲ比を得るために酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適である。その他、トンネルバリア層１０３の材料は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｇｅ、Ｓｉの少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物でもよい。

【0020】

トンネルバリア層１０３上には、例えばＣｏＦｅＢもしくはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の少なくとも１つまたは２つ以上の合金からなる材料が、１層または２層以上形成されてなる構造である例えば厚さ１〜１０ｎｍ程度のフリー層１０２が形成されている。フリー層１０２は、磁化が固定されていない強磁性層であり、リファレンス層の磁化との相対角度によって抵抗を変化させる。

【0021】

フリー層１０２上には、上部電極層１０１として、例えばＴａ（８ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｃｕ（３０ｎｍ）／Ｒｕ（７ｎｍ）のような積層構造を有する層が形成されている。上部電極層１０１は、素子を保護する機能をも有しており、Ｔａの部分は、例えばＲｕ、ＴｉまたはＰｔなどの材料に置き換えてもよい。

【0022】

上記図１に示すようなＴＭＲ素子は、クラスタ型基板処理装置によって真空一貫で作製することができる。

【0023】

なお、図１では、反強磁性層１０７は厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎ層であり、リファレンス層１０６は厚さ２．５ｎｍのＣｏ_７０Ｆｅ_３０（各数値は原子％を表し、以下同様）層であり、非磁性中間層１０５は厚さ０．８５ｎｍのＲｕ層であり、リファレンス層１０４は厚さ３ｎｍのＣｏ_６０Ｆｅ_２０Ｂ_２０層であり、トンネルバリア層１０３は厚さ１．０ｎｍのＭｇＯ層であり、フリー層１０２は厚さ３ｎｍのＣｏ_６０Ｆｅ_２０Ｂ_２０層である。

【0024】

図２は、非特許文献２に記載の垂直磁化型のＴＭＲ素子（以下、ｐ−ＴＭＲ素子という）の積層構造を示す模式図である。

【0025】

図２に示すように、ｐ−ＴＭＲ素子２００では、まず、処理基板の上に、バッファー層２１１、２１０が順次形成されている。例えば、バッファー層２１１には、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｒｕ少なくとも１つの元素を含む材料が用いられる。また、バッファー層２１０には、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、ＭｏまたはＷなどの金属がよく、その他、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｇｅ、Ｓｉの少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物としてもよい。

【0026】

バッファー層２１１上には、例えばＣｏＦｅＢ等の強磁性層からなるフリー層２０９が形成されている。さらに、このＣｏＦｅＢ層と後述のトンネルバリア層２０８のＭｇＯ層の間には、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも１つまたは２つ以上の合金層が配置されていてもよい。ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ磁性層の厚さは、トータルで例えば０．８〜２．０ｎｍ程度である。

【0027】

フリー層２０９上には、トンネルバリア層２０８が形成されている。トンネルバリア層２０８の材料も、高いＭＲ比を得るためにＭｇＯが好適である。その他、トンネルバリア層２０８の材料は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｇｅ、Ｓｉの少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物でもよい。

【0028】

トンネルバリア層２０８上には、例えばＦｅ、ＣｏＦｅ等の強磁性層からなる例えば厚さ０．２〜１ｎｍ程度のリファレンス層２０７が形成されている。リファレンス層２０７上には、例えばＣｏＦｅＢ等の強磁性層からなる例えば厚さ０．５〜２．０ｎｍ程度のリファレンス層２０６が形成されている。リファレンス層２０６上には、例えばＴａなどからなる配向分離層２０５が形成されている。配向分離層２０５上には、垂直磁気異方性をリファレンス層２０６およびリファレンス層２０７に付与するリファレンス層２０４が形成されている。

【0029】

図２では、リファレンス層２０４の例として、Ｃｏ／Ｐｔが繰り返し積層され、最上層にＣｏが形成されてなる積層構造を有するものを示している。その他にも、リファレンス層２０４としては、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉのような積層構造、ＴｂＴｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏのようなアモルファス材料、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌのような規則化合金のいずれの形態のものでもよい。Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉは、繰り返し積層されてもよく、その繰り返し数は特に限定されるものではない。

【0030】

また、リファレンス層２０７を省いて、リファレンス層２０６のＣｏＦｅＢが直接トンネルバリア層２０８に接する形としてもよい。さらに、配向分離層２０５は、Ｔａ以外にも、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｒｕの少なくとも一つもしくは２つ以上の合金やＭｇ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｇｅ、Ｓｉの少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物としてもよい。

【0031】

リファレンス層２０４上には、例えばＲｕ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅのうち少なくとも１つまたは２つ以上の合金からなる例えば厚さ０．８ｎｍ程度の非磁性中間層２０３が形成されている。非磁性中間層２０３上には、リファレンス層２０２が形成されている。

【0032】

図２では、リファレンス層２０２の例として、Ｃｏ／Ｐｄが繰り返し積層されてなる積層構造を有するものを示している。その他にも、リファレンス層２０２としては、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉのような積層構造、ＴｂＴｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏのようなアモルファス材料、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌのような規則化合金で構成のいずれの形態のものでもよい。Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉは、繰り返し積層されてもよい。Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉは、繰り返し積層されてもよく、その繰り返し数は特に限定されるものではない。

【0033】

上記リファレンス層２０７、リファレンス層２０６、配向分離層２０５、リファレンス層２０４の積層構造部、非磁性中間層２０３、およびリファレンス層２０２は、シンセティック型のリファレンス層を構成している。なお、このシンセティック型のリファレンス層は、非磁性中間層２０３およびリファレンス層２０２を省き、リファレンス層２０７、リファレンス層２０６、配向分離層２０５、およびリファレンス層２０４で形成される構造としてもよい。

【0034】

リファレンス層２０２上には、例えばＴａからなる例えば厚さ５ｎｍのキャップ層２０１が形成されている。Ｔａは、例えばＲｕ、Ｔｉ、Ｐｔなどの材料に置き換えてもよい。

【0035】

上記図２に示すようなＴＭＲ素子も、クラスタ型基板処理装置によって真空一貫で作製することができる。

【0036】

なお、図２では、バッファー層２１１は厚さ５ｎｍのＲｕＣｏＦｅ層であり、バッファー層２１０は厚さ２ｎｍのＴａ層であり、フリー層２０９は厚さ０．８ｎｍのＣｏＦｅＢ層であり、トンネルバリア層２０８は厚さ０．９ｎｍのＭｇＯ層であり、リファレンス層２０７は０．５ｎｍのＦｅ層であり、リファレンス層２０６は厚さ０．８ｎｍのＣｏＦｅＢ層であり、配向分離層２０５は厚さ０．３ｎｍのＴａ層であり、リファレンス層２０４は厚さ０．２５ｎｍのＣｏ層と厚さ０．８ｎｍのＰｔ層との積層体が４回繰り返して積層され、最上層に厚さ０．３ｎｍのＣｏ層が形成された積層構造のものであり、非磁性中間層２０３は厚さ０．９ｎｍのＲｕ層であり、リファレンス層２０２は厚さ０．２５ｎｍのＣｏ層と厚さ０．８ｎｍのＰｔ層との積層体が１４回繰り返して積層された構造のものであり、キャップ層２０１は厚さ２０ｎｍのＲｕ層である。

【0037】

（スパッタリング装置の説明）
図３を参照して、本実施形態に係るスパッタリング装置（以下、「成膜装置」ともいう）の構成について説明する。本実施形態に係るスパッタリング装置は、ＲＦスパッタリング装置であり、上記図１及び図２に示すようなＴＭＲ素子におけるトンネルバリア層に用いられる酸化マグネシウム膜などの酸化膜その他の絶縁膜を成膜することができるものである。

【0038】

図３に示すように、成膜装置１は、処理室としての真空容器２を備える。真空容器２には、その内部を排気するための排気部としてのターボ分子ポンプ４８およびドライポンプ４９が排気ポート８を介して接続されている。また、成膜装置１は、真空容器２へ放電用のガスを導入可能なガス導入機構１５を備えている。

【0039】

真空容器２の内部には、その上方において、被スパッタ面が露出している絶縁物ターゲット４がターゲットホルダ６に保持されている。絶縁物ターゲット４は、成膜すべき絶縁膜を構成する絶縁物材料からなるものであり、成膜すべき絶縁膜の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、酸化膜を成膜する場合には、酸化物ターゲットを用いることができる。特に、酸化マグネシウム膜を成膜すべき場合には、絶縁物ターゲット４として、酸化マグネシウムターゲットを用いることができる。

【0040】

なお、図３では、絶縁物ターゲット４の数が２である場合を示しているが、絶縁物ターゲット４の数は３以上の数であってもよい。

【0041】

また、ターゲット４から放出されたスパッタ粒子が到達する所定の位置には、絶縁膜を表面に成膜すべき基板１０を載置するための基板ホルダ７が設けられている。基板１０は、真空容器２に設けられているゲートバルブ４２を介して、搬入および搬出される。基板ホルダ７の基板載置面の周囲には、基板１０の端部や側壁、裏面などへの膜の付着を防止するためのマスク１１が設けられてもよい。基板ホルダ７は、基板１０を載置している基板載置面を自転可能に構成され、基板１０を載置した状態で、基板１０をその面内で回転可能に構成されている。本実施形態においては、基板ホルダ７の回転軸と基板１０の回転軸は一致するよう構成されている。基板ホルダ７の回転は、基板ホルダ駆動機構３１によって制御される。

【0042】

そのほか、真空容器２には、真空容器２の内部の圧力を測定するための圧力計４１が設けられている。また、真空容器２内において、基板ホルダ７の上方の空間の周囲を囲むように筒状のシールド４０（防着シールド部材）が設けられている。

【0043】

絶縁物ターゲット４は、基板１０の斜向かいに配置され、基板１０に対して傾きを持って対向している。本実施形態においては、絶縁物ターゲット４の径は、基板１０の径よりも小さなものが用いられている。本実施形態に示すように、絶縁物ターゲット４を基板ホルダ７及び基板１０に対して傾斜して対向した位置に設けることで、絶縁物ターゲット４の径が小さなものを用いた場合にも、基板１０上に成膜された絶縁膜について、基板１０の面内で良好な膜厚分布が得られる。

【0044】

なお、絶縁物ターゲット４が基板ホルダ７及び基板１０に対して傾斜しているとは、図３に示すように、表面が平坦な未使用の絶縁物ターゲット４を用いた際に、その表面と基板１０の表面とが平行ではないことをいう。

【0045】

ターゲットホルダ６には、高周波電源（以下、ＲＦ電源ともいう）１２が接続されている。ＲＦ電源１２とターゲットホルダ６との間には、不図示の整合器が設けられる。ＲＦ電源１２により、ターゲットホルダ６に電圧が印加され、真空容器２の内部空間にプラズマが形成されることで、スパッタリングが行われる。ターゲットホルダ６の裏面には、マグネトロンユニット１９が配置されている。マグネトロンユニット１９により、ターゲット４の近傍にプラズマを閉じ込めるための磁力線が形成される。

【0046】

ターゲットホルダ６の近傍には、円筒状の防着部材３がターゲットホルダ６の周囲を覆うように設置されており、スパッタ粒子が真空容器２の内面に直接付着するのを防止している。また、ターゲットホルダ６と基板ホルダ７の間には、シャッター１３が設けられている。シャッター１３は、シャッター駆動機構１４により制御されるようになっている。これにより、シャッター１３は、絶縁物ターゲット４と基板１０とが互いに傾斜して対向する開状態と、絶縁物ターゲット４と基板１０とが互いに遮蔽された閉状態とを切り替え可能に構成されている。

【0047】

スパッタリング装置１では、ＭｇＯターゲットなどの絶縁物ターゲット４を２つ以上設けることも可能である。絶縁物ターゲット４を２つ以上配置することにより、１つの絶縁物ターゲット４を用いて放電した場合よりも成膜速度が速くなり、生産性を高めることができる。

【0048】

ガス導入機構１５は、放電用のガスを導入するための配管、ガスを貯蔵するボンベ、ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラー、ガスの流れを遮断したり開始したりするためのバルブ類、減圧弁やフィルターなどから構成されている。

【0049】

次に、図４を用いて絶縁物ターゲット４と基板１０との位置関係を説明するための、各種パラメータについて説明する。

【0050】

まず、角度θについて説明する。図４に示すように、角度θは、直線Ｎ１と直線Ｎ３とがなす角度である。

【0051】

直線Ｎ３は、基板１０の被処理面を含む面の法線である。あるいは、直線Ｎ３は、基板ホルダ７における基板１０が載置される面により定義されてもよい。すなわち、直線Ｎ３は、基板ホルダ７の基板１０が載置される面を含む面の法線であると定義することもできる。

【0052】

直線Ｎ１は、絶縁物ターゲット４の被スパッタ面の中心ｃを通る、絶縁物ターゲット４の被スパッタ面の法線である。なお、絶縁物ターゲット４は、基板１０に対する成膜処理を行うことで、その被スパッタ面の形状が変化するが、直線Ｎ１は、絶縁物ターゲット４の使用による表面形状の変化に応じて変化するものではない。すなわち、直線Ｎ１は、絶縁物ターゲット４が未使用の、被スパッタ面の表面が平坦である状態をもって定義される。あるいは、直線Ｎ１は、ターゲットホルダ６における、絶縁物ターゲット４が載置される面により定義されてもよい。すなわち、直線Ｎ１は、ターゲットホルダ６における、絶縁物ターゲット４が載置されて面の法線であって、絶縁物ターゲット４の被スパッタ面の中心ｃを通過することになるものと定義することもできる。

【0053】

直線Ｎ２は、基板１０の被成膜面の中心を通る、基板１０の被成膜面の法線である。なお、基板１０は、これに対する成膜処理を行うことで、その被成膜面の形状が変化するが、直線Ｎ２は、基板１０が成膜される前の、被成膜面の表面が平坦である状態をもって定義される。あるいは、直線Ｎ２は、基板ホルダ７における、基板１０が載置される面により定義されてもよい。すなわち、直線Ｎ２は、基板ホルダ７における、基板１０の法線であって、基板１０の被成膜面の中心を通過することになるものと定義することもできる。

【0054】

角度θは、直線Ｎ３と、絶縁物ターゲット４に関する直線Ｎ１が一致している状態を０度とする。そして、その状態から、絶縁物ターゲット４表面の中心を回転の中心として、直線Ｎ１と直線Ｎ３を含む面の面内方向に絶縁物ターゲット４を回転させたときの直線Ｎ３と直線Ｎ１とのなす角度をθと定義する。

【0055】

本実施形態に係る成膜装置１では、絶縁物ターゲット４の中心と基板１０の中心とが互いにずれるように、ターゲットホルダ６と基板ホルダ７とが配置されている。本実施形態では、θ＝０度の状態から、絶縁物ターゲット４の表面が基板１０の側に向く方向に絶縁物ターゲット４を回転させた場合の角度を「＋」、反対の方向に絶縁物ターゲット４を回転させた場合の角度を「−」とする。したがって、例えば０度＜θ＜＋９０度においては、絶縁物ターゲット４の中心法線である直線Ｎ１と、基板１０の中心法線である直線Ｎ２とは、絶縁物ターゲット４を基準として基板１０の側で交差することになる。

【0056】

次に、オフセット距離およびＴ／Ｓ距離について説明する。

【0057】

オフセット距離は、基板１０の中心を通る直線Ｎ２と直線Ｎ３との間の距離である。

【0058】

Ｔ／Ｓ距離は、絶縁物ターゲット４の表面の中心位置から基板１０の表面を含む面Ｓまでの直線Ｎ３に沿った距離である。あるいは、Ｔ／Ｓ距離は、ターゲットホルダ６における、絶縁物ターゲット４が載置される面と、基板ホルダ７における基板１０が載置される面と、により定義されてもよい。

【0059】

なお、角度θについて基板１０への成膜処理が可能な範囲において特に制限はない。ただし、基板１０に絶縁膜を成膜した際の膜厚の面内分布、およびスパッタ粒子の基板１０上への付着効率を考慮すると、１５度≦θ≦６０度であることが好ましい。

【0060】

次に、図５を用いて、本実施形態の説明に用いられる「基板の表面を含む面における絶縁物ターゲットの投影面」について説明する。

【0061】

図５に示すように、基板１０を含む面における絶縁物ターゲット４の投影面Ｐは、絶縁物ターゲット４の表面上の各点から、絶縁物ターゲット４の表面に対して垂直な方向に、すなわち直線Ｎ１に沿った方向に仮想上の直線を延ばし、各直線と基板１０を含む面との交点を考えることで求めることができる。

【0062】

なお、本実施形態に係る成膜装置１において、基板ホルダ７には、上下動および水平移動可能な機構が設けられており、上記オフセット距離及びＴ／Ｓ距離をそれぞれ所定の距離に設定して成膜を実行することが可能になっている。また、ターゲットホルダ６には、上記基板１０に対する絶縁物ターゲット４の角度θを変更可能な揺動機構が設けられており、所定の角度θに設定して成膜を実行することが可能になっている。

【0063】

また、本実施形態の説明に用いられる「基板の表面を含む面における絶縁物ターゲットの投影面の状態」について説明する。

【0064】

「基板の表面を含む面における絶縁物ターゲットの投影面の状態」は、基板の表面を含む面における絶縁物ターゲットの投影面の位置と、その投影面の形状とを用いて決定される。上述した、角度θ、Ｔ／Ｓ距離、およびオフセット距離の少なくともいずれかを変化させることで、基板１０を含む面における絶縁物ターゲット４の投影面Ｐが変化する。例えば、角度θを変化させた場合、投影面の形状が変化する。また、Ｔ／Ｓ距離およびオフセット距離のうちの少なくとも一方を変化させた場合には、基板の表面を含む面におけるターゲットの投影面の位置が変化する。

【0065】

ここで、図６に、絶縁物ターゲットとしてＭｇＯターゲットを用い、Ｔ／Ｓ距離を変化させて絶縁膜としてのＭｇＯ膜を基板上に成膜した場合の、基板上の位置およびＲＡ（抵抗面積積）の関係の例を示す。なお、角度θについては、いずれもθ＝３０度にて成膜を行った。図６に示すグラフの横軸は、基板の中心を通る一直線上における基板の各点の位置を表しており、基板の中心を０としている。縦軸は、基板の各点の位置におけるＲＡを現している。ＲＡは、基板の中心における値を１．０とし、標準化した値を示している。ＭｇＯ以外の膜の構成については、図２に示した構成と同様である。ＲＡの測定は、図２に示される積層構造を形成し、素子分離を行う前の状態において行った。

【0066】

図６に示す結果から分かるように、例えばＴ／Ｓ距離が２４０ｍｍの場合、基板中心で最もＲＡが低く、基板外周に向かってＲＡが増加し、その後、最外周においてはわずかに低下する。一方、Ｔ／Ｓ距離を２６０ｍｍとし、基板の表面を含む面におけるＭｇＯターゲットの投影面を変化させた場合、基板中心付近で最もＲＡが高く、基板外周に向かってＲＡが低下していく。ここで、各Ｔ／Ｓ距離におけるＲＡ分布（１σ、以下同様）を算出したところ、Ｔ／Ｓ距離２４０ｍｍでは９．２％、２５０ｍｍでは４．３％、２６０ｍｍでは９．６％であった。なお、ＭｇＯ膜を成膜した基板（ウェハ）端部から幅１０ｍｍの周縁部であるエッジエクスクルージョンについては、ＲＡの測定を行わずＲＡ分布の算出から除外した。

【0067】

上述したＲＡ分布を低減するために、本実施形態では、２つの成膜過程を組み合わせて、スパッタ法により酸化膜などの絶縁膜の成膜を行う。

【0068】

具体的には、まず、基板ホルダとターゲットホルダとの相対的な位置関係が第１の関係にあるとき、あるいは、基板の表面を含む面における絶縁物ターゲットの投影面が第１の状態にあるときに第１の成膜過程を行う。この第１の成膜過程では、基板の中心部から周辺部にかけて所定の特性に関して第１の特性変化を有する膜が得られるように成膜する。ここで、所定の特性とは、例えば上述したＲＡといった電気的特性などである。

【0069】

そして、基板ホルダとターゲットホルダとの相対的な位置関係が第２の関係にあるとき、あるいは、基板の表面を含む面におけるターゲットの投影面が第２の状態にあるときに第２の成膜過程を行う。この第２の成膜過程では、基板の中心部から周辺部にかけて少なくとも一部に、第１の特性変化と同じ特性に関して第１の特性変化とは逆の傾向を有する第２の特性変化を有する膜が得られるように成膜する。

【0070】

一例としては、第１の成膜過程において、Ｔ／Ｓ距離を２４０ｍｍとしてＭｇＯ膜の成膜を行い、次の第２の成膜過程において、Ｔ／Ｓ距離を２６０ｍｍとしてＭｇＯ膜の成膜を行う。

【0071】

このような第１及び第２の成膜過程を含む工程を経ることで、第１の成膜過程において堆積される絶縁膜における、基板の中心部から周辺部の少なくとも一部にかけて生ずる第１の特性変化が、第２の成膜過程において堆積される絶縁膜における、基板の中心部から周辺部の少なくとも一部にかけて生ずる第２の特性変化によって相殺される。この結果、基板の中心部から周辺部に向かうＲＡなどの所定の特性のばらつきを低減することが可能となる。さらに、絶縁物ターゲットとして酸化物ターゲットを用いて酸化膜の形成を行うことにより、金属膜の酸化により酸化膜を形成する場合に比べて、高いＭＲ比を得ることができる。

【0072】

図７に、本実施形態に係る方法を用いた場合の、基板面内の各点におけるＲＡのばらつきの例を示す。図７に示すグラフの横軸および縦軸は図６に示すグラフと同様である。本実験では、絶縁物ターゲットとしてＭｇＯターゲットを用い、絶縁膜としてのＭｇＯ膜を基板上に成膜した。第１の成膜過程および第２の成膜過程における成膜時間の合計は６５秒に固定している。そして第１の成膜過程においては、Ｔ／Ｓ距離を２４０ｍｍとし、第２の成膜過程においてはＴ／Ｓ距離を２６０ｍｍとし、各成膜過程における処理時間を変化させた場合の基板面内の各点におけるＲＡの変化を調べた。

【0073】

図７において、プロットａは、第１の成膜過程において５０秒、第２の成膜過程において１５秒の成膜を実行した場合の結果を示している。このときのＲＡ分布は２．４％であった。プロットｂは、第１の成膜過程において４５秒、第２の成膜過程において２０秒の成膜を実行した場合の結果を示している。このときのＲＡ分布は３．４％であった。プロットｃは、第１の成膜過程において３２．５秒、第２の成膜過程において３２．５秒の成膜を実行した場合の結果を示している。このときのＲＡ分布は４．２％であった。図７に示す結果から分かるように、本実施形態に係る方法を用いてＭｇＯ膜の成膜を行った場合、そのＲＡ分布は、図６に示す結果のいずれよりも良好なものとなった。

【0074】

ここで、本実施形態の説明において用いたＲＡについて説明を行う。ＲＡは接合抵抗値を意味し、ＲＡ＝Ｒｐ×Ａ（Ω・μｍ^２）で定義される。ここで、Ｒｐは、固定層と自由層の磁化が平行な（抵抗が低い）状態における抵抗値である。Ａは、素子の断面積（電流方向に垂直な面）である。ＲＡの測定には、米IBM社と独Infineon Technologies社が開発した技術であるＣＩＰＴ（Current In-Plane Tunneling）法と、CAPRES社のマイクロスコピック１２ポイントプローブの技術とを用いて開発された測定器で測定する方法を用いる。測定の対象としては、トンネル磁気抵抗膜を加工して形成されたＴＭＲ素子を用いて測定することができる。あるいは、より簡易的に測定できるＣＩＰＴ測定器で測定したＲＡ値を用いてもよい。本実施形態では、ＣＩＰＴ測定器で測定したＲＡ値を用いている。

【0075】

ＣＩＰＴ法は、ＴＭＲ膜の膜面に垂直方向の抵抗を測定し、磁気抵抗効果膜の表面に４本のプローブを接触させて抵抗値を測定する方法である。例として、図１に示すＴＭＲ膜（ＴＭＲ素子）を測定対象とした場合について説明する。ＣＩＰＴ法によって測定されるＴＭＲ膜の抵抗は、トンネルバリア層であるＭｇＯ層の上部の水平方向の抵抗Ｒｔと、ＭｇＯ層の下部の水平方向の抵抗Ｒｂと、ＭｇＯ層に垂直な方向の抵抗ＲＡの合成抵抗となる。ＴＭＲ膜の下部と上部の電極は、電気抵抗が小さい金属層とすることにより、ＭｇＯ層の上部と下部の水平方向の抵抗を低減させ、合成抵抗のうちの垂直な方向の抵抗ＲＡの測定精度を高めることができる。この様にＣＩＰＴ法を用いることにより、接合抵抗値であるＲＡが測定可能となる。

【0076】

なお、上述の説明では、第１の成膜過程と第２の成膜過程とを単一の絶縁物ターゲットを用いて行う場合について説明した。しかしながら、各成膜過程は、同一の絶縁物材料製の複数の絶縁物ターゲットを用いて実行してもよい。複数の絶縁物ターゲットを同時にスパッタして成膜を行うことで、成膜速度を高め、生産性を向上させることが可能となる。

【0077】

また、上述の説明では、第１の成膜過程と第２の成膜過程を同一の絶縁物ターゲットを用いて行う場合について説明した。すなわち、所定の絶縁物ターゲットをスパッタして第１の成膜過程を行った後に、基板ホルダを駆動させ、Ｔ／Ｓ距離を変更したうえで、再度同一の絶縁物ターゲットをスパッタして第２の成膜過程を行っていた。しかしながら、第１の成膜過程において用いる絶縁物ターゲットと、第２の成膜過程において用いるターゲットとを同一絶縁物材料製だが別個の異なる絶縁物ターゲットとし、これらの絶縁物ターゲットを同時にスパッタすることで、第１の成膜過程および第２の成膜過程を同時に実行してもよい。これら異なる絶縁物ターゲットでは、互いにＴ／Ｓ距離を異なるものとする。この方法は、１つの基板ホルダに対して複数のターゲットホルダが設けられた装置において、ターゲットホルダと基板ホルダの距離が各々のターゲットホルダで異なるスパッタリング装置を用いることで実行可能である。このような方法を採ることで、Ｔ／Ｓ距離を変化させる工程が不要となるため、基板処理時間を短縮し、生産性を高めることが可能である。

【0078】

上述した実施形態では、Ｔ／Ｓ距離を変更することで、基板の被処理面を含む面における絶縁物ターゲットの投影面の状態を変化させていた。しかしながら、絶縁物ターゲットの投影面の状態を変化させる方法はこれに限定されるものではない。例えば、第１の成膜過程において用いる絶縁物ターゲットと、第２の成膜過程において用いる絶縁物ターゲットとの基板に対する傾き角度θ（図４参照）を異ならせることで、基板の被処理面を含む面におけるターゲットの投影面を変化させることができる。

【0079】

このように、絶縁物ターゲットの基板に対する傾き角度θを変化させた場合にも、Ｔ／Ｓ距離を変化させた場合と同様に、基板の中心部から周辺部にかけて生ずる所定の特性に関する特性変化の傾向を変えることができる。例えば、第１の成膜過程において、θ＝θ１である第１の絶縁物ターゲットをスパッタして酸化物層などの絶縁膜の成膜を行う。次に、第２の成膜過程において、θ＝θ２（ただし、θ１≠θ２）である第２の絶縁物ターゲットをスパッタして酸化物層などの絶縁膜の成膜を行う。このとき、第２の成膜過程において成膜される絶縁膜は、第１の成膜過程で成膜される絶縁膜の基板の中心部から周辺部にかけて生ずる所定の特性に関する第１の特性変化に対して、基板中心部から周辺部にかけて少なくとも一部に、第１の特性変化と同じ特性に関して第１の特性変化とは逆の傾向を有する第２の特性変化を示す絶縁膜が得られるように、第２の成膜過程を行う。

【0080】

なお、絶縁物ターゲットの基板に対する傾き角度θを変化させる方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、同一の絶縁物ターゲットを用い、ターゲットホルダに、基板に対する角度θを変更可能な揺動機構を設け、第１の成膜過程を実行した後に、角度θを変更させ、第２の成膜過程を実行してもよい。あるいは、予め角度θ１に設定された絶縁物ターゲットを用いて第１の成膜過程を実行した後に、予め角度θ２に設定された別の絶縁物ターゲットを用いて第２の成膜過程を実行してもよい。または、予め角度θ１に設定された絶縁物ターゲットと、予め角度θ２に設定された別の絶縁物ターゲットとの両方を用いて、同時に成膜過程を行うことで、第１の成膜過程および第２の成膜過程を同時に実行してもよい。

【0081】

また、上記のように、Ｔ／Ｓ距離を変更したり角度θを変化させたりすることとともに、またはこれらに代えて、オフセット距離（図４参照）を変更することにより、基板の被処理面を含む面におけるターゲットの投影面を変化させることもできる。

【0082】

ここで、図８および図９を用いて、上記実施形態の各工程における装置の各要素の動作を説明する。図８は、上記実施形態に係るＲＦスパッタリング処理を示すフローチャートである。また、図９は、図８で説明したフローチャートを実行する際の各時点における「ＲＦ電力」、「Ｔ／Ｓ距離」、「基板ホルダの回転」および「シャッターの位置」の各々の状態を表したタイミングチャートである。

【0083】

ステップＳ９１では、基板搬送口であるゲートバルブ４２を介して、基板１０を真空容器２内に搬送し、基板ホルダ７上に保持させる。このとき基板ホルダ７は、不図示の基板保持手段との間で基板の受け渡しを行うために、「搬送位置」に位置する。

【0084】

なお、放電開始前の所定のタイミングで、ターボ分子ポンプ４８およびドライポンプ４９により所定の圧力になるように真空容器２内を排気するとともに、ガス導入機構１５により真空容器２内に放電用のガスを導入する。

【0085】

ステップＳ９２では、基板ホルダ駆動機構３１を駆動することで、基板ホルダ７とターゲットホルダ６との相対的な位置関係が第１の関係となるように基板ホルダ７を上下動させる。これにより、Ｔ／Ｓ距離を所定の距離に設定する。図９では、このときの基板ホルダ７の位置を「第１の位置」として示している。なお、搬送位置と第１の位置は同じであってもよい。また、このとき、基板ホルダ７の上下動とともに、または基板ホルダ７の上下動に代えて、ターゲットホルダ６の揺動機構により角度θを所定の角度に設定してもよい。

【0086】

続いてステップＳ９２では、基板ホルダ駆動機構３１によって基板ホルダ７を回転させるとともに、絶縁物ターゲット４に対してＲＦ電源１２によりＲＦ電力を印加して放電を行う。このとき、絶縁物ターゲット４の近傍に配されるシャッター１３は、絶縁物ターゲット４と基板１０との間（遮蔽位置）に位置している。このように放電開始時においてシャッター１３により絶縁物ターゲット４を遮蔽しているのは、放電開始時はスパッタレートが安定しないためである。

【0087】

スパッタレートが安定した後は、ステップＳ９３で、シャッター１３を絶縁物ターゲット４と基板１０との間ではない位置（非遮蔽位置）に移動させ、基板１０に第１の成膜過程のＲＦスパッタリングを行う。これにより、ＭｇＯ膜などの絶縁膜を成膜する。

【0088】

次のステップＳ９４では、シャッター１３を遮蔽位置に移動させることで成膜を一時的に停止する。そして、基板ホルダ駆動機構３１を駆動することで、基板ホルダ７とターゲットホルダ６との相対的な位置関係が第２の関係となるように基板ホルダ７を上下動させる。これにより、ステップＳ９２で設定したＴ／Ｓ距離を変更する。図９では、このときの基板ホルダ７の位置を「第２の位置」として示している。なお、このとき、基板ホルダ７の上下動とともに、または基板ホルダ７の上下動に代えて、ターゲットホルダ６の揺動機構により角度θをステップＳ９２での角度から変更してもよい。

【0089】

次のステップＳ９５では、再度シャッター１３を非遮蔽位置に移動させ、基板１０に第２の成膜過程のＲＦスパッタリングを行う。これにより、ＭｇＯ膜などの絶縁膜を成膜する。

【0090】

次のステップＳ９６では、ＲＦ電源１２によるＲＦ電力の印加を停止するとともに、シャッター１３を遮蔽位置に移動させて成膜を終了させる。なお、ＲＦ電力の印加の停止と、シャッター１３の遮蔽位置への移動は同時でなくともよい。

【0091】

次のステップＳ９７では、基板１０を搬送位置に移動させるために基板ホルダ駆動機構３１によって基板ホルダ７を搬送位置に移動させる。その後、基板１０を真空容器２から搬出し、ＲＦスパッタリング処理が完了となる。

【0092】

なお、図９では、ステップＳ９２乃至ステップＳ９５、すなわち第１の成膜過程、Ｔ／Ｓ距離の変更および第２の成膜過程に亘って継続してＲＦ電力が印加されている場合について示している。しかしながら、ＲＦ電力の印加はこの場合に限定されるものではなく、例えば、ＲＦ電力の印加をステップＳ９２乃至ステップＳ９５の各々のステップの切り替わりの際に停止してもよい。ただし、ステップＳ９２乃至ステップＳ９５に亘って継続してＲＦ電力を印加することは、ＲＦ電力の印加を開始してからスパッタレートが安定するまでの待機時間を省略できるため、スループット向上の観点から好ましい。

【0093】

ここで、図１０を用いて本実施形態に係るスパッタリング装置を動作させるための制御装置について説明する。図１０は、本実施形態に係るスパッタリング装置に用いられる制御装置を示している。

【0094】

図１０に示すように、制御装置は、記憶装置５１を具備する主制御部５０を備えている。主制御部５０に具備された記憶装置５１には、本実施形態に係る種々の基板処理プロセスを実行する制御プログラムが格納されている。例えば、制御プログラムは、マスクＲＯＭとして実装される。あるいは、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などにより構成される記憶装置５１に、外部の記録媒体やネットワークを介して制御プログラムをインストールすることも可能である。主制御部５０は、ターゲットに高周波電力を印加するためのＲＦ電源１２、基板ホルダ駆動機構３１、シャッター駆動機構１４、及びゲートバルブ４２等とそれぞれ電気的に接続されている。これにより、制御装置の主制御部５０は、スパッタリング装置１の動作を管理し、制御できるように構成されている。

【0095】

記憶装置５１は、さらに第１の成膜過程および第２の成膜過程を実行するためのデータを保持していてもよい。例えば、記憶装置５１は角度θ、Ｔ／Ｓ距離およびオフセット距離の各々に関して、基板の中心部から周辺部の少なくとも一部にかけて接合抵抗値が減少する膜が得られる条件と、基板の中心部から周辺部の少なくとも一部にかけて接合抵抗値が増加する膜が得られる条件とを保持している。そして、記憶装置５１が、これらの条件を第１の成膜過程および第２の成膜過程において用いる条件として予め記憶していてもよい。

【0096】

（ＭＲＡＭについての説明）
次に、上記ＴＭＲ素子の製造方法を用いて製造したＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭについて説明する。図１１は、ＭＲＡＭ７００の概略構造を示す断面図である。

【0097】

ＭＲＡＭ７００の基板７０１には、薄膜トランジスタＴｒが形成されている。薄膜トランジスタＴｒのソース／ドレイン拡散層は、コンタクトプラグ７０３、配線７０４−１、配線７０４−２、および下部電極層７０５を介してＴＭＲ素子７１０に電気的に接続されている。

【0098】

ＴＭＲ素子７１０は、下部電極層７０５の上側に形成された固定磁性層７２０と、固定磁性層７２０上に形成されたトンネルバリア層７２１と、トンネルバリア層７２１上に形成された自由磁性層７２２とを有している。

【0099】

また、ＴＭＲ素子７１０の下側には、下部電極層７０５の下方に離間するワード線７０６が配設されている。ワード線７０６は、紙面に対して垂直方向に延びる帯状に形成されている。また、ＴＭＲ素子７１０の上側には、ワード線７０６と直交する方向に延びる帯状のビット線７０７が配設されている。すなわち、ＴＭＲ素子７１０は、互いに直交するワード線７０６とビット線７０７との間に配設されている。

【0100】

ＴＭＲ素子７１０は、下部電極層７０５の上側に、固定磁性層７２０、トンネルバリア層７２１、および自由磁性層７２２を積層し、これら固定磁性層７２０、トンネルバリア層７２１、および自由磁性層７２２にエッチングを施してパターニングすることによって形成されている。

【0101】

本実施形態に係る方法を用いて製造されたＴＭＲ素子７１０を用いることで、磁気抵抗効果の再現性やウェハ内の面内均一性を改善することができ、ＭＲＡＭの生産性である歩留りを向上させることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】