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WO2010038593A1 - ハードバイアス積層体の成膜装置および成膜方法、並びに磁気センサ積層体の製造装置および製造方法 - Google Patents

ハードバイアス積層体の成膜装置および成膜方法、並びに磁気センサ積層体の製造装置および製造方法 Download PDF

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WO2010038593A1
WO2010038593A1 PCT/JP2009/065790 JP2009065790W WO2010038593A1 WO 2010038593 A1 WO2010038593 A1 WO 2010038593A1 JP 2009065790 W JP2009065790 W JP 2009065790W WO 2010038593 A1 WO2010038593 A1 WO 2010038593A1
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WO
WIPO (PCT)
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hard bias
chamber
target
substrate
layer
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2009/065790
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English (en)
French (fr)
Inventor
アインシタイン ノエル アバラ
基将 長井
啓介 上田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Anelva Corp
Original Assignee
Canon Anelva Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Anelva Corp filed Critical Canon Anelva Corp
Publication of WO2010038593A1 publication Critical patent/WO2010038593A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3435—Applying energy to the substrate during sputtering
    • C23C14/345—Applying energy to the substrate during sputtering using substrate bias
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices

Definitions

  • the present invention forms a hard bias laminate for a magnetic sensor laminate, in which a thin film of a magnetic alloy and a nonmagnetic alloy is sputtered in a field region on the side of two opposing joint walls of a magnetoresistive element disposed on a substrate.
  • the present invention relates to an apparatus and a film forming method, and a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a magnetic sensor laminate.
  • the MR head includes a magnetoresistive element (MR element) surrounded on two sides by a magnetic layer that applies a bias magnetic field.
  • MR element magnetoresistive element
  • the simplest structure of an MR element includes at least two ferromagnetic layers with an insulator or non-magnetic material separated. One layer is pinned by an antiferromagnetic layer (pinned layer), and the magnetization of the other layer (free layer) rotates freely according to the applied magnetic field. The relative magnetization rotation in these ferromagnetic layers defines the resistance.
  • the magnetic field is generated from hard ferromagnetic films (hard bias films) formed on both sides of the patterned magnetoresistive element.
  • the hard bias laminate including the hard bias film needs to have good coverage around the magnetoresistive element in order to direct the magnetic field to the free layer. Therefore, the hard bias stack must be uniformly formed on a large wafer and have the same thickness on both sides of the magnetoresistive element, in addition to having a high coercive force and appropriate remanent magnetization.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing a general magnetron sputtering apparatus for forming a film on a conventional large wafer.
  • the film forming apparatus 201 mainly includes a vacuum chamber 203 provided with a magnetron / cathode 202 and a holder 205 on which a wafer 204 is placed.
  • the chamber 203 is usually provided with a gas inlet 206 for Ar.
  • the target size is typically very large, corresponding to approximately twice the size of the wafer.
  • Some of these types of chambers can be connected to the collective unit type unit, and the wafer 204 moves between adjacent chambers 203 to form multiple layers.
  • the emission angle distribution of sputtered particles in this design is usually cos n ⁇ , and is not suitable for film formation on a wafer having a patterned structure such as a trench or a columnar photoresist.
  • a sputtering apparatus and a sputtering method for forming a film by magnetron sputtering have been proposed (see Patent Document 1).
  • this apparatus after the inside of the vacuum chamber is brought into a high vacuum state, He gas is introduced from the sputtering gas introduction means, Ar diluted F 2 gas is introduced from the reactive gas introduction means, and DC power is applied.
  • a magnetic field parallel to the sputtering surface and an electric field perpendicular to the sputtering surface are generated on the sputtering surface of the cylindrical target, and a thin film is formed on the substrate by magnetron sputtering.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing the main elements of an IBD apparatus used for multilayer film formation on a wafer having a conventional patterned structure.
  • the film forming apparatus 301 includes an ion beam source 302 having a grid 303 electrically biased to extract an ion beam, a plurality of targets 304 on a rotary holder 307, and a rotatable substrate holder 305. Composed.
  • Process gas is ionized and accelerated by the grid of the ion beam source.
  • the target is irradiated with ions, and particles are sputtered onto the wafer 306.
  • the incident angle of particles reaching the wafer 306 can be changed by rotating the substrate holder 305 along an axis (perpendicular) perpendicular to the incident surface.
  • the general processing pressure is lower than the sputtering method of FIG. Since a plurality of different targets can be placed on the rotating holder, multilayer film formation is possible. Due to the need for an ion beam source 302, a target holder 307, and a substrate holder 305 having various rotational capabilities, ion beam deposition (IBD) apparatuses have become very large.
  • IBD ion beam deposition
  • a typical chamber capacity is 10 times or more that of the conventional sputtering apparatus 201 in which the target and the wafer of FIG. 19 are arranged in parallel.
  • the chamber capacity of the IBD device has become the industry standard for film formation of hard bias stacks for magnetic sensor stacks.
  • an ionized physical vapor deposition apparatus having a multi-cathode on the upper wall of a reaction vessel (chamber)
  • the apparatus comprises a reaction vessel with an upper wall provided with at least two inclined cathodes for a wafer placed on a rotatable wafer holder.
  • RF power is supplied to each cathode, and a gas introduction unit and a gas discharge unit are provided.
  • the internal pressure of the reaction vessel is controlled so as to be a relatively high pressure by a pressure control mechanism. According to this apparatus, a good coverage can be formed on the patterned structure on the wafer surface by using neutral atoms sputtered by each of the inclined multi-cathodes.
  • IBD ion beam deposition
  • the incident angle of sputtered particles on the substrate is not uniform even for wafers of 6 inches or less.
  • it becomes more difficult to obtain uniform coverage on both sides of the magnetoresistive element resulting in a so-called inboard / outboard problem in which the film thickness differs between the center and the edge of the wafer. .
  • the present invention relates to a method for forming a hard bias laminate, which can form a good hard bias laminate having a high coercive force in a field region on the side of two opposing junction walls of a magnetoresistive element using ionized PVD.
  • An object is to provide a film forming apparatus.
  • a base layer having a body-centered cubic structure (bcc) is formed in a field region on the side of two opposing junction walls of a magnetoresistive element arranged on a substrate.
  • the hard bias laminate film forming apparatus of the present invention has a base layer having a body-centered cubic structure (bcc) in a field region on the side of two opposing wall surfaces of a magnetoresistive element disposed on a substrate.
  • a substrate holder that supports a substrate to be processed rotatably around its central axis at the bottom of the processing space, and supports the substrate so as to move up and down stepwise.
  • a plurality of magnetron / cathode units capable of supporting a target on the side, An exhaust system capable of exhausting the interior of the chamber; A gas introduction system for introducing a processing gas into the chamber; A gas pressure adjusting mechanism capable of finely adjusting the gas pressure inside the chamber; A power source for supplying power to the magnetron / cathode unit; A power supply for applying a substrate bias by supplying power to the substrate holder;
  • At least one has a distance adjusting mechanism capable of controlling the distance between the magnetron and the cathode stepwise.
  • the simplest structure of the MR element includes at least two ferromagnetic layers with an insulator therebetween.
  • One layer (pinned layer) is fixed by an antiferromagnetic layer, and the magnetization of the other layer (free layer) is freely rotated according to the applied magnetic field.
  • the relative magnetization rotation between these ferromagnetic layers defines a resistance to current. Since the magnetoresistive element is small, the formation of magnetic domains and domain walls is promoted by static magnetic fields from both ends, and when an external magnetic field is applied, the magnetic domains grow and the domain walls expand.
  • Barkhausen noise is generated.
  • a bias magnetic field is applied, and this magnetic field is usually produced by forming a hard bias stack next to the magnetoresistive element.
  • the free layer is forced to have a single domain structure by the hard bias laminate, and the rotation of magnetization becomes smooth when an external magnetic field is applied.
  • an ion beam deposition (IBD) method is generally used. This irradiates the target with an ion beam, and sputtered particles emitted from the target reach the device substrate with high directivity.
  • the gas pressure can be controlled to somewhat control the direction.
  • the structure of the hard bias laminate is usually composed of an underlayer that is Cr or an alloy thereof, and a magnetic layer such as a CoCrPt alloy or a CoPt alloy that can generate high coercive force and residual magnetization.
  • a high coercive force exceeding 159.16 kA / m (2000 Oe) is required, and a higher bias magnetic field is obtained when the residual magnetization is high.
  • the crystal orientation of the Cr underlayer is usually (110), and (10.0) for the magnetic layer. Although the direction of the C axis of the Co alloy is set at random, in most cases, it exists in parallel to the substrate surface.
  • a magnetoresistive element is first deposited and patterned.
  • TMR current tunneling magnetoresistive
  • the elements are first deposited and then patterned using common lithographic techniques.
  • An insulating layer such as Al 2 O 3 or Si—N is deposited on the junction walls and exposed field regions. Due to the photoresist structure, no film is formed on the element itself. Insulating layers are typically formed on patterned elements by atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (CVD).
  • a hard bias laminate is formed in contact with the vicinity of the bonding wall and the insulating layer.
  • IBD the Cr underlayer and the magnetic layer are formed at different incident angles, and a desired hard bias laminate shape is realized.
  • the target size used in IBD technology tends to be very large in order to obtain sufficient uniformity across the wafer. Optimization is complicated because the deposition rate is low and the angle of incidence (of the magnetic layer) affects important magnetic properties such as coercivity. Changing the angle also affects the shape of the hard bias stack and junction walls at different locations on the wafer, so-called outboard (devices on the wafer that are far from the target) and inboard (near the target). There is a problem with a certain device. For example, H.M. Hedge et al., In US Pat. No. 6,716,322, describe a combined method for improving the shape of such outboard and inboard using a mask.
  • the target must be large.
  • the conventional sputtering method is not used for forming a hard bias laminate because of the surface shape of the wafer. Since the emission angle distribution of sputtered particles is widened, the coverage is reduced.
  • ionized physical vapor deposition is commonly used in the semiconductor industry (see Hopwood, e.g. J, Vac, Sci, Technol, B, Vol. 12, No. 1, January / February 1994 issue).
  • a high-density plasma is generated in the chamber that ionizes the sputtered particles.
  • a high density plasma is typically formed by using an RF induction coil or microwave radiation (ECR).
  • ECR microwave radiation
  • Another method is to apply high frequency power to the target itself. This method is described by Sasaki and Funato (see US Pat. No. 6,444,099) and shown in this document as reference material.
  • Examples of the target include an annular ring type (see US Pat. No. 6,197,165; J. Drewery TEL), a conical type (see US Pat. No. 5,919,345; Tepman), and a partial conical type (see US Pat. No. 6,042,706).
  • IPVD has been used to form pure metals such as Cu and Al in most cases. Alloys such as CuMg are also deposited, and recently phase change alloys such as GeSbTe have been formed. iPVD is also effective when a thin layer of nitride such as TaN or TiN is formed.
  • nitride such as TaN or TiN
  • This method can not be used for all materials, as it usually requires very high power output. Since a large cathode power is required, it is not easy to obtain a relatively thin film with a controlled film thickness. In order to further improve the directionality, a long throw structure is generally used.
  • IPVD is suitable for vapor deposition on a patterned large substrate because it does not cause the inboard / outboard problems of IBD, the industry standard technology.
  • T / S distance the distance between the target and the substrate
  • the target material is sufficiently ionized, it is not necessary to use collimating components that can cause contamination.
  • incident angle control is more difficult than IBD.
  • the angular distribution (incident ion energy and incident angle dependency) of the sputtered particles to the substrate is mainly composed of high-energy normal incident particles and low-energy neutral particles. Normal incidence is achieved by ionized sputtered particles being accelerated by a plasma sheath on the wafer surface.
  • the substrate bias increases the energy of the ionized particles when irradiated onto the wafer.
  • neutral particles are present in a wide angle range due to scattering, and conversely, thermal motion and thus ionization are reduced.
  • the velocity distribution of neutral particles depends on the structure of the target and the substrate that are normally fixed unlike the IBD apparatus.
  • the mean free path is much smaller than the chamber dimensions.
  • Non-ionized particles that are low energy due to collision with the sputtering gas are not directly affected by the sheath electric field.
  • this particle is irradiated to a portion parallel to the substrate surface, an impact is given by the high-energy vertically incident particles and the ionized sputtering gas. Thereby, a high-density compressed film is easily formed.
  • a porous film having a tensile stress is formed on the bonding wall.
  • incident ions are irradiated at an acute angle with respect to the wall, thereby forming a porous film.
  • the film on the joining wall can be denser, but almost vertical (60 degrees or more) walls and combinations (almost perpendicular in the free layer, taper below that) In this case, a porous film is formed. This creates voids and seams at the corners, as is commonly seen in trenching and hole filling in the semiconductor industry. In the case of an interconnect, this seam reduces the final dielectric constant of the plug or line, but this seam is acceptable. However, in the case of a hard bias stack, seam formation is fatal to the device because it prevents a stable magnetic field bias from being applied to the free layer.
  • the hard bias laminate is composed of an underlayer such as Cr, a magnetic layer mainly composed of Co, and a capping layer such as Ta.
  • the magnetic layer needs to have a high coercive force even at high temperatures in order to provide a stable magnetic field bias to the free layer of the magnetoresistive element. Therefore, most commonly added to Co is Pt, and is generally added at a rate exceeding 20 at%.
  • the plasma density can be increased by confining the plasma with a magnetic field. This can be achieved, for example, by increasing the magnetron magnetic field confining the plasma near the target surface.
  • the RF source in order to promote ionization, is irradiated with sputtered particles from a short distance.
  • our research shows that the opposite phenomenon occurs, and the ionization rate decreases as the magnetron magnetic field increases.
  • US Pat. No. 5,750,012 discloses a combined processing gas method in which a low ion mass gas such as Ne is used in combination with a high ion mass gas such as Ar, Kr or Xe.
  • the ratio of the low ion mass to the high ion mass is 1: 1 or more. Even better perpendicularity is obtained with respect to sputtered particles, which is advantageous for targets parallel to the substrate.
  • US Pat. No. 6,200,433 describes a method for improving coverage characteristics at a low gas pressure by using a heavy processing gas such as Kr or Xe for vapor deposition of materials such as Ta, W, TaN and Cu. Yes.
  • a heavy processing gas such as Kr or Xe for vapor deposition of materials such as Ta, W, TaN and Cu.
  • the heavier gas is easily ionized, resulting in an overcosine velocity distribution. For this reason, sputtered particles are directed perpendicular to the target surface rather than Ar or He gas.
  • a stage movable along this axis provides sufficient flexibility.
  • the height of the stage relative to the position of that layer can be raised or lowered. This is better than inserting / excluding spacers to raise and lower the cathode assembly. This is particularly effective for research and development purposes where a quick turnaround time (processing time) is essential, and when making slight adjustments during continuous film formation (production).
  • the magnetoresistive element is etched, surface-stabilized, and the hard bias stack is installed without breaking the vacuum or touching the work material with air.
  • the apparatus can be used to produce a hard bias stack of magnetic sensor stacks.
  • the influence of the seam caused by normal incidence sputtering is minimized, and the non-uniformity of outboard and inboard on a large wafer is small. Therefore, by using an ionized PVD apparatus smaller than the ion beam film forming apparatus (IBD), an excellent hard bias laminate having a high coercive force is formed on the inclined or vertical junction wall surface of the magnetoresistive element having the patterned structure. Can do.
  • IBD ionized PVD apparatus smaller than the ion beam film forming apparatus
  • RIE reactive ion etching
  • IBE ion beam etching
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the coverage at the time of using various gas. It is an explanatory view showing a Makuho force (Hc) of the Co-25pt on SiO 2 substrate (25nm) / CrTi (5nm) . It is the schematic which shows the hard bias laminated body formed with the film-forming method of the comparative example. It is the schematic which shows the observation state of embedding
  • FIG. 1 It is a schematic diagram showing a general magnetron sputtering apparatus for forming a film on a conventional large wafer. It is the schematic which shows the main elements of the IBD apparatus used when carrying out multilayer vapor deposition on the wafer provided with the conventional patterning structure. It is a schematic diagram which shows the controller with which the apparatus of FIG. 1 is provided. It is the schematic which shows typically the magnetic sensor laminated body manufactured by this invention. It is the schematic which has arrange
  • FIG. 1 is a schematic view showing a film forming apparatus for a hard bias laminate according to the first embodiment.
  • the film forming apparatus for the hard bias laminate according to the first embodiment is constituted by a single ionized physical vapor deposition apparatus (iPVD apparatus).
  • the iPVD apparatus 1 includes three magnetron / cathode units 31, 32, and 33 for depositing three different target materials in the same chamber (reaction vessel) 10.
  • the iPVD apparatus 1 of the present embodiment includes a chamber 10 that forms a processing space.
  • a main exhaust pump (TMP) 13 such as a turbo molecular pump is connected to the chamber 10 through a main valve 11 such as a gate valve as an exhaust system capable of evacuating the interior to a desired degree of vacuum. .
  • a gas inlet 14 is opened in the chamber 10, and a gas introduction system (not shown) for introducing a processing gas into the chamber 10 is connected to the gas inlet 14.
  • a gas cylinder (not shown) is connected to the gas introduction system via an automatic flow controller (not shown) such as a mass flow controller, and the processing gas is introduced from the gas inlet 14 at a predetermined flow rate.
  • an automatic flow controller such as a mass flow controller
  • a gas containing neon (Ne), argon (Ar), or Ne is used as the processing gas.
  • the exhaust system is provided with a gas pressure adjusting mechanism capable of finely adjusting the gas pressure inside the chamber 10.
  • This gas pressure adjusting mechanism includes a bypass passage (bypass manifold) 16 formed so as to bypass the main exhaust passage 15 that directly communicates with the TMP 13, and a butterfly valve 17 that opens and closes the inside of the bypass manifold 16. ing.
  • the butterfly valve 15 provided in the bypass manifold 16 the gas pressure during deposition can be controlled more accurately. That is, when the processing gas (Ne) is introduced into the chamber 10, the main valve 11 is closed, and the opening of the butterfly valve 17 of the bypass manifold 16 is adjusted to finely adjust the gas pressure.
  • a substrate holder 22 that supports the substrate 21 is provided on the upper surface below the processing space in the chamber 10.
  • the substrate 21 to be processed is usually carried onto the substrate holder 22 through a horizontal slot (not shown) by a handling robot (not shown).
  • the substrate holder 22 is, for example, a disk-shaped mounting table (stage), and supports the substrate 21 on the upper surface thereof by electrostatic adsorption.
  • the substrate holder 22 is connected to a rotation drive mechanism (not shown) and is configured to be rotatable around its central axis.
  • the substrate holder 22 includes a mechanism that can move up and down in stages, such as a cylinder device, for example, and is configured to be adjustable to, for example, three levels.
  • the substrate holder 22 is rotated, and the height position of the substrate holder 22 is controlled to rise to the initial height, the second height, and the third height in three stages.
  • the height position of the substrate holder 22 is an initial height when a first target described later is formed, a second height when a second target is formed, and a third target is formed. When doing so, it is controlled to be the third height. Therefore, the film formation uniformity of most target materials can be controlled by adjusting the height of the substrate holder 22 and rotating the substrate holder 22.
  • the substrate (wafer) 21 for example, a silicon substrate (SiO 2 substrate) is used, but is not limited thereto. In this embodiment, an 8-inch large wafer is assumed in order to improve productivity. However, the present invention is not limited to this, and a wafer of 6 inches or less can also be used.
  • a plurality of magnetron / cathode units are arranged obliquely above the substrate holder 22 in the processing space.
  • three magnetron / cathode units 31, 32, and 33 are provided on the upper wall portion of the chamber 10.
  • the cathode units 31, 32, and 33 are inclined with respect to the processing surface of the substrate 21 on the substrate holder 22 and are offset from the central axis of the substrate 21 at equal intervals in the surface direction.
  • Each cathode unit 31, 32, 33 has a target attached to the surface side of the cathode casing.
  • a magnetron having a magnet assembly in which a plurality of permanent magnets are arranged vertically and horizontally is provided on the back side of the cathode, and a cusp magnetic field is formed on the surface side of the target.
  • a different target material is attached to the cathode surface side of each cathode unit 31, 32, 33.
  • the first to third different targets are attached.
  • the first target for example, a metal having a body-centered cubic structure (bcc) is used.
  • bcc body-centered cubic structure
  • the second target for example, a Co—Pt or Co—Cr—Pt hexagonal crystal structure (hcp) magnetic alloy (wherein the Pt content is at least an atomic weight ratio of 20%) is used.
  • the third target for example, a material selected from Cr, Mo, Nb, Ru, Ta, Ti, V and W, or an alloy system thereof is used.
  • the first target is a Cr alloy
  • the second target is Co—Pt with a Pt content of at least 20%
  • the third target is Ta.
  • the first target is attached to the first cathode unit 31
  • the second target is attached to the second cathode unit 32
  • the third target is attached to the third cathode unit 32.
  • each target has a disk shape, is formed in the same size, and is inclined with respect to the substrate mounting surface of the substrate holder 22 in a range of 10 degrees to 30 degrees.
  • each target is inclined at 10 to 20 degrees with respect to the substrate mounting surface.
  • the deviation of the cathode center in the mounting surface direction with respect to the central axis of the substrate holder 22 is set to be at least 100 mm, and the cathode center is set 50 to 250 mm away from the substrate processing surface along the central axis direction. Can be mentioned.
  • the three cathode units 31, 32, 33 at least one is provided with a distance adjusting mechanism 38 that can control the distance (T / M distance) between the magnetron and the target.
  • this distance adjustment mechanism is provided in the second cathode unit 32 to which the second target is attached, and for example, an automatic controller that moves the plate to which the magnetron is attached along the axial direction of the unit is mounted.
  • the advance / retreat mechanism include a cylinder device, a rack and pinion, and a ball screw.
  • the second cathode unit 32 is provided with the distance adjusting mechanism, but the present invention is not limited to this, and all the cathode units may be provided.
  • the T / M distance is controlled because it is necessary to maintain a relatively low magnetic field on the target surface, particularly when the target material is a magnetic material.
  • the leakage magnetic field greatly increases as the end of life approaches, but this must be avoided in order to maintain a good ionization rate.
  • the distance from the magnetron to the target can be determined in advance by investigating the increase in magnetic field due to the erosion progress of the target or by feedback from the voltage generated by the ions irradiated on the target.
  • the cathode units 31, 32, 33 are electrically connected to a high frequency power source (RF power source) (not shown) that supplies RF power to the cathode.
  • RF power source RF power source
  • the RF power source is common to the three cathode units 31, 32, and 33, and a switching mechanism such as a switch that selectively supplies power to each of the cathode units 31, 32, and 33 (see FIG. Not shown).
  • the first cathode unit 31 is supplied with RF1 power of 0.5 to 3 kW.
  • the second cathode unit 32 is supplied with 1 to 5 kW of RF2 power.
  • the third cathode unit 33 is supplied with 1 to 5 kW of RF3 power.
  • the optimum impedance may differ depending on the height of the holder, gas pressure, or target material, a matching circuit is required separately. Further, the height of the substrate holder 22 varies depending on the target material to be formed and the gas pressure used.
  • the substrate holder 22 is also provided with a high-frequency power source (RF power source) (not shown) that applies the RF bias 23.
  • the substrate bias RF power source has a frequency of 13.56 MHz or 50 to 70 MHz when the frequency of the cathode side RF power source is 60 MHz and the output density is 4 W / cm 2 or more, but is different from the power frequency on the cathode side.
  • An RF bias 23 is applied.
  • the substrate bias is supplied with power less than 50W.
  • a shutter 35 that can open and close the front surface of each target is attached in front of each target. By disposing the shutter 35 in front of each target, contamination from other sputtered targets can be prevented.
  • a controller for performing a series of processes is provided for each of the magnetron / cathode units 31, 32, 33. That is, the process controllers 31A, 32A, and 33A can receive an input signal from the film forming apparatus, run a program programmed to operate the process according to a flowchart, and output an operation instruction to the apparatus.
  • Each of the process controllers 31A, 32A, and 33A basically has the configuration of the computer 31A1 shown in FIG. 21, and includes an input unit 31A2, a storage medium 31A3 having a program and data, a processor 31A4, and an output unit 31A5. Is controlling.
  • the input unit 31A2 enables input of commands from the outside.
  • the program has a base layer having a body-centered cubic structure (bcc), a magnetic layer, and a capping layer in a field region on the side of two opposing bonding wall surfaces of the magnetoresistive elements arranged on the substrate.
  • a program for forming a hard bias laminate for applying a bias magnetic field to the film includes a program for executing the following procedures (a) to (c).
  • Any of the underlayer, magnetic layer, and capping layer For depositing layers by sputtering
  • the step (b) of introducing the processing gas is a step of introducing the processing gas and adjusting the gas pressure to 20 Pa or less, Further, (d) a program for executing a procedure for applying a magnetic field of 30 mT (300 G) or less to the surface of the target.
  • a more preferable program is as follows: (c) The procedure for forming any one of the underlayer, the magnetic layer, and the capping layer is as follows: The substrate holder on which the substrate is placed is set to an initial height, and while rotating the substrate holder, high frequency power having a frequency of 60 MHz or more is supplied to the first magnetron / cathode unit, and the body-centered cubic structure (bcc) is obtained.
  • the substrate holder is set to a third height, and while rotating the substrate holder, high frequency power having a frequency of 60 MHz or more is supplied to the third magnetron / cathode unit, and Cr, Mo, Nb, Ru, Ta, Ti, V And sputtering a third target material composed of W or an alloy thereof onto a substrate to form a capping layer;
  • FIG. 22 is a schematic view schematically showing a magnetic sensor laminate according to the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic view showing a magnetic sensor laminate in which a photoresist mask is arranged on a magnetoresistive element.
  • the magnetic sensor laminate 102 manufactured according to the present invention is composed of a plurality of laminated films having different compositions at a substantially central portion of a bottom shield layer 131 as a substrate, and a magnetic field is applied.
  • a magnetoresistive element (reader stack) 110 having a magnetoresistive effect in which an electric resistance value changes is provided.
  • the magnetic sensor stack 102 has a hard bias stack 120 that can apply a bias magnetic field to the reader stack 110 in the field region 124 on the side of the two bonding wall surfaces 110a and 110b facing each other. It has.
  • This magnetic sensor laminate 102 is an intermediate product before separating a sensor for a magnetic read head such as a hard disk drive.
  • the leader stack 110 illustrated in FIG. 22 is a magnetic tunnel junction (MTJ) including an oxide barrier layer (MgO) immediately below the free layer 116.
  • MgO oxide barrier layer
  • the leader stack 110 may be a giant magnetoresistive junction (GMR) made of mostly metal having a very low resistance.
  • GMR giant magnetoresistive junction
  • the leader stack 110 is laminated on a bottom shield layer 131 made of a soft magnetic material such as NiFe, for example, and mainly includes an antiferromagnetic pinning layer (AFM layer) 113 and a synthetic antiferro layer (SAF layer). 114, a spacer layer 115, and a ferromagnetic free layer 116.
  • AFM layer antiferromagnetic pinning layer
  • SAF layer synthetic antiferro layer
  • the AFM layer 113 is made of an antiferromagnetic material such as IrMn, for example.
  • the AFM layer 113 is formed on the bottom shield layer 131 via a pre-seed layer (111 in FIG. 23) made of Ta or the like (not shown) and a seed layer (112 in FIG. 23) made of Ru or the like as necessary. Laminated.
  • the SAF layer 114 is composed of two ferromagnetic layers 114a and 114c coupled in opposite directions through a thin coupling layer (nonmagnetic layer or tunnel insulator layer) 114b.
  • the ferromagnetic layer of the SAF layer 114 includes a pinned layer 114a that is in contact with the AFM layer 113 and a reference layer 114c that is in contact with the coupling layer 114b.
  • the spacer layer 115 is made of a nonmagnetic layer or a tunnel insulator layer, and is formed of, for example, an oxide layer such as MgO.
  • the free layer 116 is formed of, for example, a ferromagnetic material such as CoFeB, and may be a layer in which a Ta layer and a NiFe layer are stacked on a ferromagnetic material layer such as CoFeB.
  • the free layer 116 is subjected to a bias magnetic field and oriented so as to be perpendicular to the reference layer 114c. This arrangement can increase sensor sensitivity and provide a linear response to an external magnetic field from the storage medium.
  • the bias magnetic field also referred to as “hard bias” is expected to remain constant throughout the life of the disk drive.
  • the hard bias prevents magnetic domains from being formed in the free layer 116.
  • the magnetoresistance change through the reader stack 110 is determined by the relative direction of magnetization between the reference layer 114 c and the free layer 116.
  • the free layer 116 is covered with a cap layer (117a, 117b in FIG. 23) (not shown) selected from, for example, Cr, Ru, Ta, Ti, an alloy group thereof, and C as necessary.
  • a cap layer (117a, 117b in FIG. 23) (not shown) selected from, for example, Cr, Ru, Ta, Ti, an alloy group thereof, and C as necessary.
  • the hard bias laminate 120 is formed in the field region 124 on the bottom shield layer 131.
  • the magnetic layer 122 is formed of, for example, an alloy (permanent magnet) having a hexagonal structure (hcp) selected from an alloy group containing Co and Pt, such as Co—Pt and Co—Cr—Pt.
  • an alloy permanent magnet
  • hcp hexagonal structure
  • the magnetic layer 122 is laminated on the bottom shield layer 131 with the base layer 121 interposed therebetween.
  • the underlayer 121 is made of, for example, an alloy having a body-centered cubic structure (bcc) selected from Cr, Cr—Mo, Cr—Ti, Nb, Ta, W and an alloy group thereof.
  • the underlayer 121 has a thickness of, for example, 3 to 7 nm in the field region 124 and less than 3 nm in the bonding wall surfaces 110a and 110b.
  • a seed layer (not shown) may be further provided on the foundation layer 121, so that the foundation layer may be doubled. That is, the bonding wall surfaces 110a and 110b of the field region 124 and the leader stack 110 may further include, for example, a seed layer selected from CrB, CrTiB, MgO, Ru, Ta, Ti, and an alloy group thereof.
  • the seed layer has a thickness of less than 1 nm in the field region 124 and a thickness of 0.5 to 2 nm in the bonding wall surfaces 110a and 110b.
  • the magnetic layer 122 is covered with a capping layer 123 selected from, for example, Cr, Mo, Nb, Ru, Ta, Ti, V and W or an alloy thereof.
  • an insulating layer 119 made of, for example, Al 2 O 3 , SiO 2 , Si—N, HfO 2 or a combination thereof is disposed below the magnetic layer 122 and on the bonding wall surfaces 110 a and 110 b of the leader stack 110.
  • the insulating layer 119 has a thickness of 2 to 10 nm in the field region 124 and a thickness of 2 to 5 nm in the bonding wall surfaces 110a and 110b.
  • the magnetic sensor laminate 102 includes a bottom shield layer 131 below the insulating layer 119 and a top shield layer 132 above the capping layer 123.
  • These shield layers 131 and 132 are made of a soft magnetic material such as NiFe, for example. That is, the leader stack 110 and the field region 122 are sandwiched between two thick soft magnetic shield layers 131 and 132.
  • the magnetic sensor laminate 102 is formed by first forming the leader stack 110 on the bottom shield layer 131 and then applying, patterning, and developing a photoresist (PR) mask 141.
  • a bottom shield layer 131 for example, a bottom shield layer made of a soft magnetic material such as NiFe is employed.
  • the photoresist mask 141 is for masking a part of the leader stack 110 during the etching process.
  • etching process for example, ion beam etching (IBE) or reactive ion etching (RIE) is employed.
  • IBE ion beam etching
  • RIE reactive ion etching
  • a hard mask may be formed on the leader stack 110.
  • the photoresist mask 141 is first used to form a hard mask and is removed by an oxygen ashing process before etching the leader stack 110.
  • an insulating layer 119 is coated on the magnetic sensor stack (the side of the leader stack 110 including the photoresist mask 141 and its bonding wall surfaces 110a and 110b).
  • an oxide insulator 3 to 5 nm
  • an oxide insulator such as Al 2 O 3 or SiO 2 is preferable.
  • PVD physical vapor deposition
  • IBD ion beam deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the ALD method and the CVD method have an advantage that conformal film formation is possible.
  • a hard bias laminate 120 is formed on the insulating layer 119.
  • the base layer 121 is formed on the insulating layer 119, and then the magnetic layer 122 and the capping layer 123 are formed.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a manufacturing stage of a magnetoresistive element using a photoresist having a recess.
  • a photoresist 141 is formed thereon, and is developed and patterned.
  • the illustrated photoresist 141 has a recess 152 in the lower portion, and may be one layer or two layers. In the case of a two-layer photoresist, the lower layer is usually thinner and overetched to form the recess 152. This facilitates the photoresist lift-off process.
  • the portion of the magnetoresistive element laminate 151 that is not covered with the resist is etched by an ion beam.
  • the shape of the bonding wall of the magnetoresistive element 110 can be controlled.
  • the joint wall is narrower and becomes wider as it approaches the lower layer, like a skirt.
  • the joining wall can be made more vertical and the spread of the lower part can be reduced, and a substantially vertical joining wall can be obtained.
  • reference numeral 116 denotes a free layer.
  • the magnetoresistive element 110 is patterned by ion beam milling (IBM) at various angles, and a desired bonding wall surface can be formed. Milling causes redeposition on the photoresist 141 and the bonding wall surface, so that the bonding wall surface is usually cleaned so that an electrical short circuit does not occur on the bonding wall surface.
  • IBM ion beam milling
  • an insulating layer 119 selected from Al 2 O 3 , SiO 2 , Si—N, HfO 2, or a combination thereof is formed to electrically connect the bonding wall surfaces. Insulate.
  • the insulating layer 119 can be formed by physical vapor deposition (PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • IBD ion beam film formation
  • ALD atomic layer film formation
  • Atomic layer deposition has a very low deposition rate, but can provide conformal coverage. In ion beam deposition at an intermediate incident angle (45 degrees or less), the coverage of the bonding wall surface is increased. Because this coverage is thin, the inboarding and outboarding issues are less important.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a method of forming a magnetoresistive element by reactive ion etching (RIE) or a combination of ion beam etching (IBE) and RIE.
  • RIE reactive ion etching
  • IBE ion beam etching
  • a metal hard mask 153 such as Ta is formed on the magnetoresistive element laminate 151, and a thin film (stop layer 154) having a function of stopping etching is formed below. .
  • the photoresist is used to fix the metal hard mask 153 and is removed by an oxygen process.
  • RIE reactive ion etching
  • an insulating layer 119 such as Ox or Nit is formed to electrically insulate the bonding wall surfaces.
  • the insulating layer 119 can be formed by, for example, ion beam deposition (IBD), atomic layer deposition (ALD), or chemical vapor deposition (CVD).
  • PCM refers to a point cusp magnetic field (see Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2003-318165 and 2002-363740).
  • the simplest structure of the hard bias laminate is composed of an underlayer such as Cr, a magnetic layer usually made of a Co—Pt alloy, and a capping layer such as Ta.
  • the magnetic layer (hexagonal structure; hcp) is epitaxially grown on the underlayer (body-centered cubic structure; bcc), and as a result, a magnetic layer having an in-plane random C-axis distribution is formed.
  • a substrate (wafer) 21 to be processed is placed on a substrate holder 22.
  • the substrate 21 is carried onto the substrate holder 22 through a horizontal slot (not shown) using a handling robot.
  • An RF bias 23 is applied to the substrate holder 22 from an RF power source (not shown).
  • the substrate bias RF bias 23 has a frequency of 13.56 MHz or 50 to 70 MHz when the frequency of the cathode side RF power supply is 60 MHz and the output density is 4 W / cm 2 or more. Set to a different bias.
  • the substrate bias is supplied with power less than 50W.
  • the inside of the chamber 10 is exhausted to a predetermined degree of vacuum by an exhaust system. Further, a processing gas containing Ne, Ar, or Ne is introduced into the chamber 10 from the gas introduction system. In this embodiment, Ne is used as the processing gas.
  • the main valve 11 When introducing Ne into the chamber 10, the main valve 11 is closed and the opening of the butterfly valve 17 of the bypass manifold 16 is adjusted to finely adjust the gas pressure.
  • the gas pressure during film formation is adjusted to 20 Pa or less.
  • the film formation is performed at a gas pressure of 3 to 15 Pa.
  • the first to third different targets are attached to the three magnetron cathodes 31, 32, and 33, respectively.
  • a metal such as Cr, Nb, or W is used.
  • a hexagonal (hcp) magnetic alloy such as Co and Pt is used.
  • the third target for example, Ta, Cr, Ti, W or an alloy thereof is used.
  • each target has a disk shape and is formed in the same size.
  • Each target is installed with an inclination in the range of 10 degrees to 30 degrees with respect to the substrate placement surface of the substrate holder 22.
  • each target is installed so as to be inclined at 10 to 20 degrees with respect to the substrate mounting surface.
  • the displacement of the cathode center in the mounting surface direction with respect to the central axis of the substrate holder 22 is at least 100 mm, and the cathode center is 50 to 250 mm away from the substrate processing surface along the central axis direction.
  • RF1 power of 0.5 to 3 kW is supplied to the first magnetron / cathode unit 31 from the RF power source at a frequency of 60 MHz or more.
  • a magnetic field of 30 mT (300 G) or less is generated on the surface of the target, and the first target is sputtered on the substrate to form an underlayer having a body-centered cubic structure (bcc).
  • the thickness of the underlayer to be formed is 3 to 7 nm and the crystal orientation is (110).
  • the substrate holder 22 is maintained at the initial height.
  • the RF power supply is switched, and 1 to 5 kW of RF2 power is supplied to the second magnetron / cathode unit 32 from the RF power supply at a frequency of 60 MHz or more.
  • a magnetic field of 30 mT (300 G) or less is generated on the target surface, and the second target is sputtered on the substrate to form a hexagonal crystal structure (hcp) magnetic layer.
  • the thickness of the magnetic layer to be deposited is 10 to 40 nm, and the crystal orientation is (10.0) so that the C axis is dominant in the plane.
  • the substrate holder 22 is maintained at the second height.
  • the distance adjusting mechanism 38 of the second magnetron / cathode unit 32 is controlled to widen the distance (T / M distance) between the magnetron and the target and reduce the magnetic field.
  • the magnetic field on the target surface is preferably set to 10 to 20 mT (100 to 200 G).
  • the RF power source is switched, and 1 to 5 kW RF power is supplied to the third magnetron / cathode unit 33 from the RF power source at a frequency of 60 MHz or more. Then, a magnetic field of 30 mT (300 G) or less is generated on the target surface, a third target is sputtered on the substrate, and a capping layer is formed. During the formation of the capping layer, the substrate holder 22 is maintained at the third height.
  • the constituent material of the third target may be made from the constituent material of the first target.
  • FIG. 4 is a schematic view schematically showing the film formation state of the hard bias laminate by the film forming method of the present embodiment.
  • 120 is a hard bias laminate
  • 141 is a photoresist
  • 119 is an insulating layer
  • 116 is a free layer
  • 155 is redeposition after IBE patterning of the junction wall of the magnetoresistive element
  • 131 is a bottom shield layer.
  • the effect of seams caused by normal incidence sputtering can be minimized.
  • the hard bias laminate 120 can be uniformly formed, and the non-uniformity between the outboard and the inboard is small.
  • the photoresist 141 is finally removed by a lift-off process or a chemical milling process (CMP). Then, as shown in FIG. 5, thick NiFe shield layers 131 and 132 are formed above and below the structure including the magnetoresistive element and the hard bias stack 120. In the hard bias laminate 120, a magnetic field having a sufficient magnitude (horizontal) is applied to the magnetic layer in order to adjust the particle moment, whereby a bias magnetic field is generated in the free layer 116 of the magnetoresistive element.
  • CMP chemical milling process
  • the film forming apparatus 1 includes a chamber 10 having a rotating substrate holder 22 and an RF power source for applying a substrate bias.
  • a chamber 10 having a rotating substrate holder 22 and an RF power source for applying a substrate bias.
  • three magnetron / cathode units 31, 32, and 33 that are inclined and shifted with respect to the central axis of the substrate holder 22 and a very high-frequency RF power source connected thereto are provided.
  • Ne gas is used as the processing gas, and the magnetic field on the target surface is reduced so that the plasma diffuses. Sputtered particles originating from the target reach the wafer with nearly normal incidence across the substrate, resulting in good thickness and stoichiometric uniformity.
  • the hard bias laminate film forming method and film forming apparatus 1 of the first embodiment it is possible to minimize the influence of seams caused by normal incidence sputtering. Further, even when a large wafer is used, a hard bias laminate having a low non-uniformity between the outboard and the inboard and a high coercive force of 238.74 kA / m (3000 Oe) can be formed.
  • a favorable hard bias laminate can be formed on the inclined or vertical junction wall surface of the magnetoresistive element having the patterned structure.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a film forming apparatus for a hard bias laminate according to the second embodiment.
  • the film forming apparatus 41 of this embodiment includes the iPVD apparatus (3PCM chamber) 1 of FIG. 1, and a wafer processing unit 42 and a robot chamber 43 are connected to this to form a collective apparatus. ing.
  • the iPVD apparatus 1 of FIG. 1 has three targets arranged in the chamber 10, it is referred to as “3PCM chamber” for convenience of description.
  • the wafer processing unit 42 includes a front open hangar (FOUP) 44 and accommodates a cassette on which a substrate (wafer) is placed.
  • FOUP front open hangar
  • the robot chamber 43 is formed in, for example, a hollow hexagonal column shape, includes a handling robot (not shown), and is connected between the 3PCM chamber 1 and the wafer processing unit 42. This robot delivers a wafer between the 3PCM chamber 1 and the wafer processing unit 42.
  • planar shapes of the robot chamber 43 and other chambers are schematically shown and are not limited thereto. The same applies to the following embodiments.
  • the handling robot of the robot chamber 43 takes out the wafer on which the magnetoresistive element is formed and the insulating layer is formed from the cassette of the hangar 43, and transfers it to the 3 PCM chamber 1. Moving.
  • a hard bias laminate (underlayer / magnetic layer / capping layer) is formed using each of the three magnetron / cathode units 31, 32, 3 targets (Cr, Co—Pt, Ta, etc.). Do the membrane.
  • the procedure for forming the hard bias stack in the 3PCM chamber 1 is as described in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
  • the completed wafer is returned to the hangar 44. Since the hangar 44 includes two units, one unit can be dedicated to a wafer before processing, and the other unit can be used for a processed wafer.
  • the film forming apparatus 41 and the film forming method of the second embodiment basically have the same functions and effects as those of the first embodiment.
  • the wafer processing unit 42 including the wafer storage 44 is connected via the robot chamber 43, it is easy to handle the unprocessed wafer and the processed wafer. is there. Further, since the 3PCM chamber 1 and the wafer processing unit 42 are connected via the robot chamber 43, the wafer is not exposed to the outside air.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a hard bias laminate film forming apparatus according to the third embodiment.
  • the film forming apparatus 51 of the present embodiment includes the film forming apparatus 41 of FIG. 6 having the iPVD apparatus 1 of FIG. 1 as a main body.
  • the film forming apparatus 51 of this embodiment includes an ion beam etching (IBE) chamber 52 and an insulating layer film forming chamber 53 in addition to the film forming apparatus 41 of FIG. That is, in the film forming apparatus 51 of this embodiment, the IBE chamber 52 and the insulating layer film forming chamber 53 are connected to the robot chamber 43 disposed in the center. Therefore, the wafers are transferred to the wafer processing unit 42, the 3PCM chamber 1, the IBE chamber 52, and the insulating layer film forming chamber 53 by operating a handling robot in the robot chamber 43.
  • IBE ion beam etching
  • the wafer processing unit 42 including the front open hangar (FOUP) 44 and the robot chamber 43 are configured in the same manner as in the second embodiment.
  • the handling robot in the robot chamber 43 takes out the wafer from the cassette of the storage 44 and moves it to the IBE chamber 52 which is the original processing apparatus.
  • a magnetoresistive element laminate 151 and a patterned photoresist 141 are formed on this wafer (see FIG. 2A).
  • the magnetoresistive element stack 151 is etched to form the magnetoresistive element 110 (see FIG. 2B). After the magnetoresistive element 110 is formed, the wafer is moved to the insulating layer deposition chamber 53 by a robot.
  • a thin non-reactive layer having electrical insulation is deposited and surface stabilization is performed (see FIG. 2C).
  • the magnetoresistive element subjected to the surface stabilization treatment is moved to the 3PCM chamber 1 by a robot in order to form a three-layer hard bias laminate (underlayer / magnetic layer / capping layer). .
  • a hard bias stack (underlayer / magnetic layer / capping layer) is formed using the targets (Cr, Co—Pt, Ta, etc.) of the three magnetron / cathode units 31, 32, 3. Be filmed.
  • the procedure for forming the hard bias stack in the 3PCM chamber 1 is as described in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
  • the completed wafer is returned to the hangar 44.
  • the film forming apparatus 51 and the film forming method of the third embodiment basically have the same functions and effects as those of the first embodiment.
  • the IBE chamber 52 and the insulating layer film forming chamber 53 are connected to the robot chamber 43, the magnetoresistive element, the insulating layer, and the hard bias stack A series of film forming steps can be performed continuously.
  • CVD chemical vapor deposition
  • FIG. 8 is a schematic view showing a hard bias laminate film forming apparatus according to the fourth embodiment.
  • the film forming apparatus 61 of this embodiment includes the film forming apparatus 41 of FIG. 6 having the iPVD apparatus 1 of FIG. 1 as a main body.
  • the robot chamber 43 constituting the film forming apparatus 41 in FIG. 6 is referred to as a first robot chamber (RC1 chamber).
  • an ion beam etching (IBE) chamber 52 is connected to the RC1 chamber 43 in the same manner as the film forming apparatus 51 of FIG.
  • the film forming apparatus 61 of this embodiment has a second robot chamber (RC2 chamber) 63 connected to the RC1 chamber 43 via a connection module 62.
  • An insulating layer deposition chamber 53, a first reactive ion etching (RIE1) chamber 64, and a second reactive ion etching (RIE2) chamber 65 are connected to the RC2 chamber 63.
  • the film forming apparatus 61 of this embodiment constitutes an apparatus capable of performing patterning and insulation of the TMR stack in the original apparatus by IBE or RIE.
  • the 3PCM chamber 1 and the IBE chamber 52 are in a high vacuum, and form a two-block aggregate structure in which the low vacuum RIE chambers 64 and 65 are isolated via the connection module 62 and the RC2 chamber 63.
  • the handling robot in the robot chamber 43 takes out the wafer from the cassette of the storage 44 and moves it to the IBE chamber 52 which is the original processing apparatus.
  • the magnetoresistive element stack 151 is etched to form the magnetoresistive element 110 (see FIG. 2B).
  • the wafer is moved to the RIE 1 chamber 64 via the RC 1 chamber 43 and RC 2 chamber 63 robots.
  • the hard mask is etched by ion beam etching (IBE) or reactive ion etching (RIE) such as by CF 4 chemical processing. Thereafter, an oxygen plasma process is performed for ashing the photoresist.
  • IBE ion beam etching
  • RIE reactive ion etching
  • the wafer is moved to the RIE2 chamber 65 by the robot in the RC2 chamber 63, and a methanol etching process is performed. Further, in the RIE2 chamber 65, an Ar ion etching process is performed in order to remove oxide from the bonding wall surface of the magnetoresistive element 110.
  • the present invention is not limited to this, and the oxide may be removed by performing IBE treatment with low ion energy in the IBE chamber 52.
  • the wafer is moved to the insulating layer deposition chamber 53 by the robot in the RC2 chamber 63.
  • alumina Al 2 O 3
  • Si—N is deposited by chemical vapor deposition (CVD) to perform surface stabilization processing.
  • the wafer After the formation of the insulating layer, the wafer is moved to the 3PCM chamber 1 via the RC2 chamber 63 and RC1 chamber 43 robots.
  • a hard bias stack (underlayer / magnetic layer / capping layer) is formed using the targets (Cr, Co—Pt, Ta, etc.) of the three magnetron / cathode units 31, 32, 3. Be filmed.
  • the procedure for forming the hard bias stack in the 3PCM chamber 1 is as described in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
  • the completed wafer is transferred to the cassette in the hangar 44.
  • the IBE process in which the photoresist is milled by the redevaporation material and the hard bias material, the IBE process can be further performed at an acute angle after the capping layer is formed. This allows the next wet etch process to be performed on the photoresist sidewall.
  • the film forming apparatus 61 and the film forming method of the fourth embodiment basically have the same functions and effects as those of the first embodiment.
  • a two-block assembly structure in which a high vacuum chamber such as the 3PCM chamber 1 and a low vacuum chamber such as the RIE chambers 64 and 65 are separated from each other via the connection module 62 and the RC2 chamber 63.
  • a high vacuum chamber such as the 3PCM chamber 1
  • a low vacuum chamber such as the RIE chambers 64 and 65
  • RIE chambers 64 and 65 are separated from each other via the connection module 62 and the RC2 chamber 63.
  • These chambers are connected to the integrated RC1 chamber 43 and RC2 chamber 63 via the connection module 62, and the robot handles the wafer so that the wafer is not exposed to the outside air.
  • another 3PCM chamber or 2PCM chamber can be connected to the RC1 chamber 63.
  • a more complicated hard bias laminate can be manufactured.
  • the underlayer is divided into two layers having different compositions for controlling crystal orientation, and two layers for optimizing Ms and coercive force. And a single capping layer.
  • a thin hard bias stack is important. For this reason, the crystal orientation control and the optimization of the magnetic layer, which have been performed for the development of the longitudinal recording medium, are effective.
  • FIG. 9 is a schematic view showing a film forming apparatus for a hard bias laminate according to the fifth embodiment.
  • a film forming apparatus 71 of this embodiment includes an iPVD apparatus 81 in which two targets are arranged, and a wafer processing unit 42, a robot chamber 43, and physical vapor deposition (PVD).
  • a chamber 72 is connected to form a collecting apparatus.
  • the iPVD apparatus 81 since the iPVD apparatus 81 has two targets arranged in the chamber 10, it is referred to as “2PCM chamber” for convenience of description.
  • the wafer processing unit 42 includes a front open hangar (FOUP) 44 and accommodates a cassette on which a substrate (wafer) is placed.
  • FOUP front open hangar
  • the robot chamber 43 includes a handling robot (not shown), and is connected between the 2PCM chamber 81 and the wafer processing unit 42. Therefore, the delivery of the wafer to the respective apparatuses of the 2PCM chamber 81, the PVD chamber 72, and the wafer processing unit 42 is performed by operation of a handling robot in the robot chamber 43.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an iPVD apparatus used in the fifth embodiment.
  • symbol is attached
  • the iPVD apparatus (2PCM chamber) 81 of the present embodiment is different from the iPVD apparatus (3PCM chamber) 1 of FIG. is doing.
  • the third magnetron / cathode unit 33 for attaching the third target is not provided. Therefore, the substrate holder 22 is controlled in two steps, the initial height and the second height.
  • the film formation of the third target is performed in the PVD chamber 72 connected to the robot chamber 43.
  • at least one DC power function for performing conventional sputtering is mounted on a capping layer such as Ta.
  • the handling robot in the robot chamber 43 takes out the wafer from the cassette of the hangar 44 and moves it to the 2PCM chamber 81.
  • RF1 power of 0.5 to 3 kW is supplied to the first magnetron / cathode unit 31 from an RF power source at a frequency of 60 MHz or more. Then, a magnetic field of 30 mT (300 G) or less is generated on the surface of the target, and the first target is sputtered on the substrate to form an underlayer such as a Cr alloy. During the formation of the underlayer, the substrate holder 22 is maintained at the initial height.
  • the RF power supply is switched, and 1 to 5 kW of RF2 power is supplied to the second magnetron / cathode unit 32 from the RF power supply at a frequency of 60 MHz or more.
  • a magnetic field of 30 mT (300 G) or less is generated on the surface of the target, and the second target is sputtered on the substrate to form a magnetic layer such as Co—Pt.
  • the substrate holder 22 is maintained at a second height.
  • the distance adjusting mechanism of the second magnetron / cathode unit 32 is controlled to widen the distance (T / M distance) between the magnetron and the target and weaken the magnetic field.
  • the wafer after the formation of the underlayer / magnetic layer is moved to the PVD chamber 72 by the robot, and the capping layer is formed.
  • the capping layer can be deposited by DC or preferably RF (ionization) sputtering.
  • the substrate holder 22 in the PVD chamber 72 is set to the third height.
  • the completed wafer is returned into the hangar 44 by the robot.
  • the film forming apparatus 71 and the film forming method of the fifth embodiment basically have the same functions and effects as those of the first embodiment.
  • the wafer processing unit 42 and the PVD chamber 72 are connected via the robot chamber 43, it is easy to handle the wafer before processing and the processed wafer.
  • the 3PCM chamber 1, the PVD chamber 72, and the wafer processing unit 42 are connected via the robot chamber 43, the wafer is not exposed to the outside air.
  • FIG. 11 is a schematic view showing a film forming apparatus for a hard bias laminate according to the sixth embodiment.
  • a film forming apparatus 91 includes a film forming apparatus 71 shown in FIG. 10 mainly composed of an iPVD apparatus 81 shown in FIG.
  • the film forming apparatus 91 of the present embodiment includes an ion beam etching (IBE) chamber, an insulating layer film forming chamber 53, a PVD chamber 72, and a reactive ion etching (RIE) chamber 92. It has.
  • IBE ion beam etching
  • RIE reactive ion etching
  • the IBE chamber 52, the insulating layer film forming chamber 53, the PVD chamber 72, and the RIE chamber 92 are connected to the central robot chamber 43. Therefore, the wafers are transferred to the wafer processing unit 42, 3 PCM chamber 1, IBE chamber 52, insulating layer deposition chamber 53, PVD chamber 72, and RIE chamber 92 by operating the robot in the robot chamber 43. Is called.
  • the RIE chamber 92 includes methanol chemical treatment.
  • the insulating layer deposition chamber 53 is configured by any one of atomic layer deposition (ALD), chemical vapor deposition (CVD), or ionized PVD chambers.
  • ALD atomic layer deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ionized PVD chambers ionized PVD chambers.
  • a CVD or ALD chamber that can provide a conformal insulating coating is preferred.
  • a single target iPVD chamber or 2PCM chamber may be placed to provide more flexibility in hard bias stack structure and coverage.
  • wafer processing unit 42 including the front open hangar (FOUP) 44 and the robot chamber 43 are configured in the same manner as in the fifth embodiment.
  • the handling robot in the robot chamber 43 takes out the wafer from the cassette of the hangar 44 and moves it to the IBE chamber 52 which is the original processing apparatus.
  • the IBE chamber 52 which is the original processing apparatus.
  • a magnetoresistive element laminate and a patterned photoresist are formed.
  • the magnetoresistive element stack is etched to form a magnetoresistive element.
  • the wafer After the formation of the magnetoresistive element, the wafer is moved to the insulating layer film forming chamber 53 by a robot, and a thin non-reactive layer having electrical insulation is formed and surface stabilization processing is performed.
  • the magnetoresistive element subjected to the surface stabilization process is moved to the 2PCM chamber 81 by a robot in order to form a three-layer hard bias laminate (underlayer / magnetic layer / capping layer).
  • RF1 power of 0.5 to 3 kW is supplied to the first magnetron / cathode unit 31 from an RF power source at a frequency of 60 MHz or more. Then, a magnetic field of 30 mT (300 G) or less is generated on the surface of the target, and the first target is sputtered on the substrate to form an underlayer such as a Cr alloy. During the formation of the underlayer, the substrate holder 22 is maintained at the initial height.
  • the RF power supply is switched, and 1 to 5 kW of RF2 power is supplied to the second magnetron / cathode unit 32 from the RF power supply at a frequency of 60 MHz or more.
  • a magnetic field of 30 mT (300 G) or less is generated on the surface of the target, and the second target is sputtered on the substrate to form a magnetic layer such as Co—Pt.
  • the substrate holder 22 is maintained at the second height.
  • the distance adjusting mechanism of the second magnetron / cathode unit 32 is controlled to widen the distance (T / M distance) between the magnetron and the target and weaken the magnetic field.
  • the wafer after the formation of the underlayer / magnetic layer is moved to the PVD chamber 72 by the robot, and the capping layer is formed.
  • the capping layer can be deposited by DC or preferably RF (ionization) sputtering.
  • the substrate holder 22 in the PVD chamber 72 is set to the third height.
  • the completed wafer is returned into the hangar 44 by the robot.
  • the film forming apparatus 91 and the film forming method of the sixth embodiment basically have the same functions and effects as those of the first embodiment.
  • the IBE chamber 52 and the insulating layer film forming chamber 53 are connected to the robot chamber 43, the magnetoresistive element, the insulating layer, and the hard bias stack A series of film forming steps can be performed continuously. Further, since these processing chambers are connected via the robot chamber 43, the wafer is not exposed to the outside air.
  • CVD chemical vapor deposition
  • FIG. 12 is a schematic view showing a hard bias laminate film forming apparatus according to the seventh embodiment.
  • the film forming apparatus 101 of this embodiment includes a film forming apparatus 61 in FIG. 8 mainly composed of the iPVD apparatus 1 in FIG. That is, in the film forming apparatus 101 of this embodiment, the iPVD apparatus (2PCM) 81 shown in FIG. 10 is connected to the first robot chamber (RC1 chamber) 43 in addition to the film forming apparatus 61 shown in FIG. That is, the film forming apparatus 101 of this embodiment includes an iPVD apparatus (3PCM) 1 and an iPVD apparatus (2PCM) 81, and continuously forms a hard bias stack in these chambers 1 and 81.
  • 3PCM iPVD apparatus
  • 2PCM iPVD apparatus
  • the film forming apparatus 101 of this embodiment performs patterning and insulation of the magnetoresistive element in the original apparatus by ion beam etching (IBE) or reactive ion etching (RIE). Configures an executable device.
  • the 3PCM chamber 1, 2PCM chamber 81 and IBE chamber 52 are in high vacuum, and constitute a two-block aggregate structure in which the low vacuum RIE chambers 64 and 65 are isolated via the connection module 62 and the RC2 chamber 63. ing.
  • the handling robot in the robot chamber 43 takes out the wafer from the cassette of the storage 44 and moves it to the IBE chamber 52 which is the original processing apparatus.
  • the magnetoresistive element stack 151 is etched to form the magnetoresistive element 110 (see FIG. 2B).
  • the IBE chamber 52 can be used when fixing a Ta metal hard mask prior to reactive ion etching (RIE), or when etching the magnetoresistive element completely prior to hard bias stack deposition.
  • RIE reactive ion etching
  • the wafer is moved to the RIE 1 chamber 64 via the robots of the RC 1 chamber 43 and the RC 2 chamber 63.
  • the hard mask is etched by ion beam etching (IBE) or reactive ion etching (RIE) such as by CF 4 chemical processing.
  • IBE ion beam etching
  • RIE reactive ion etching
  • the wafer is moved to the RIE2 chamber 65 by the robot in the RC2 chamber 63, and photoresist ashing by O 2 process and methanol etching of the magnetoresistive element are performed. Thereafter, low-pressure ion beam milling can be performed to remove the oxidized portions of the junction wall and the field region.
  • the wafer is moved to the insulating layer deposition chamber 53 by the robot in the RC2 chamber 63.
  • alumina Al 2 O 3
  • Si—N is deposited by chemical vapor deposition (CVD) to perform surface stabilization processing.
  • the wafer After the formation of the insulating layer, the wafer is moved to the 3PCM chamber 1 via the RC2 chamber 63 and RC1 chamber 43 robots. In the 3PCM chamber 1, a three-layer hard bias stack (underlayer / magnetic layer / capping layer) is formed.
  • the 2PCM chamber 81 by moving to the 2PCM chamber 81, more layers can be manufactured using the 2PCM chamber 81. For example, it is possible to optimize the Ms and the coercive force by forming an underlayer having two layers having different configurations in order to control the crystal orientation and dividing the magnetic layer into two layers.
  • IBE processing in which the photoresist is milled with a redeposition material and a hard bias material, further IBE processing can be performed at an acute angle after the capping layer is deposited. This allows the next wet etch to be performed on the photoresist sidewall.
  • the film forming apparatus 101 and the film forming method of the seventh embodiment basically have the same functions and effects as those of the first embodiment.
  • the seventh embodiment since the 3PCM chamber 1 and the 2PCM chamber 81 are combined, a hard bias laminate having a more complicated structure can be formed.
  • a two-block aggregate structure in which a high vacuum chamber such as the 3PCM chamber 1 and a low vacuum chamber such as the RIE chambers 64 and 65 are isolated via the connection module 62 and the RC2 chamber 63 can be configured. These chambers are connected to the integrated RC1 chamber 43 and RC2 chamber 63 via the connection module 62, and the robot handles the wafer so that the wafer is not exposed to the outside air.
  • a hard bias laminate was formed in the field region using photoresist using the hard bias laminate deposition apparatus (3PCM chamber) 1 and the deposition method shown in FIG.
  • the vapor deposition was performed on a silicon substrate (SiO 2 substrate) with 6 Pa Ne gas and 10 W substrate bias.
  • the magnetron 1 generates an average magnetic field of 200 mT (2 kG) at the maximum on the CoPt target surface, whereas the magnetron 2 generates a magnetic field of 100 mT (1 kG) at the maximum.
  • the magnetic field is measured parallel to the target surface between the magnetron pole pieces. Coverage decreases slightly as the magnetic field increases, but is not critical.
  • the ratio close to 100% proves the good vertical directionality of the sputtered particles.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram showing a situation where ionization is further improved by reducing the magnetic field on the target surface with the magnetron 2.
  • the magnetic field was reduced by increasing the thickness of the target or the distance between the target and the magnetron (T / M distance).
  • a and B in FIG. 14 are the data of FIG. 13 as a comparative example, and the maximum magnetic field is 100 mT (1 kG).
  • the magnetic field was reduced to 30 mT (300 G).
  • the magnetic field was further reduced to 15 mT (150 G).
  • the magnetic field from B to D is systematically reduced by increasing the thickness of the target or the distance between the target and the magnetron (T / M distance). Especially in D, the best coverage performance is obtained.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram showing coverage when various gases are used.
  • Ne shows the best coverage, and the best coverage is obtained particularly when the pressure is higher than 3 Pa.
  • Ne is better than Ar.
  • the cross section and ion mass are small. These factors increase the mean free path and the straightness of the sputtered particles, particularly in the plasma sheath.
  • Ne gas is used at a low pressure, the sputtering rate is reduced, but at a relative pressure (3 Pa or higher), it is about twice that of Ar gas.
  • Ar most of the sputtered particles diffuse and return to the target and chamber walls.
  • Ne treatment gas With the 6 Pa Ne treatment gas, good joint coverage was obtained, but signs of void formation were observed in some TEM images. By applying a low power bias, no fatal voids were formed. At a high pressure of 10 Pa, no substrate bias was required to eliminate voids.
  • the present inventor has found that the maximum effect can be obtained from the reduction of the magnetic field, thereby reducing the density of the plasma and that the plasma is diffused in a wide region between the target and the substrate.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram showing the film coercivity (Hc) of Co-25Pt (25 nm) / CrTi (5 nm) on the SiO 2 substrate.
  • Hc film coercivity
  • the coercivity of Co-25Pt / CrTi was compared using Ar and Ne.
  • the substrate bias was compared between 0 W and 10 W. It can be seen that the film coercivity is improved by using Ne gas and setting a relatively weak substrate bias.
  • a hard bias laminate was formed in a field region using a photoresist by a conventional general film formation method.
  • the film forming conditions were set so as to deviate from the film forming method of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic view showing a hard bias laminate formed by a film forming method of a comparative example.
  • a film having a high-density film H in a region parallel to the substrate surface and a porous film P on the bonding wall surface was formed.
  • a hard bias laminate with improved collimation was formed. Although the shadowing effect is reduced, the presence of low energy neutral particles results in the formation of a porous membrane near the junction wall and on the steep junction wall.
  • FIG. 18 is a schematic view showing an observation state of trench embedding.
  • CMP chemical milling process

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Abstract

　イオン化ＰＶＤを用いて、パターン化磁気抵抗素子の傾斜または垂直接合壁面に保磁力の高く、良好なハードバイアス積層体を形成する方法および装置を提供する。 　処理空間にＮｅを導入した２０Ｐａ以下のガス圧下で、ターゲット表面に３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を印可し、基板ホルダ２２を初期高さで回転させながら、第１カソードユニット３１に６０ＭＨｚ以上で電力供給し、第１ターゲット材料をスパッタしてｂｃｃ下地層を成膜し、基板ホルダ２２を第２高さで回転させながら、第２カソードユニット３２に６０ＭＨｚ以上で電力供給し、ｈｃｐ合金の第２ターゲット材料をスパッタして磁性層を成膜し、基板ホルダ２２を第３高さで回転させながら、第３カソードユニット３３に６０ＭＨｚ以上で電力供給し、第３ターゲット材料をスパッタしてキャッピング層を成膜して、ハードバイアス膜を形成する。

Description

ハードバイアス積層体の成膜装置および成膜方法、並びに磁気センサ積層体の製造装置および製造方法
　本発明は、基板上に配置した磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、磁性合金および非磁性合金の薄膜をスパッタする磁気センサ積層体用ハードバイアス積層体の成膜装置および成膜方法、並びに磁気センサ積層体の製造装置および製造方法に関する。
　近年のハードディスク装置（ＨＤＤ）の大容量化に伴い、外部磁界の変動に応じて電気抵抗が変化する素子を用いたＭＲヘッドが注目されている。特にＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドは感度が非常に高く、磁気ディスクの記録密度を高めることができる。
　ＭＲヘッドは、バイアス磁界を与える磁性層によって二側面が囲まれた磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を備えている。ＭＲ素子の最も簡単な構造は、絶縁体あるいは非磁性体を隔てて、少なくとも２つの強磁性層を含んでいる。一層は反強磁性層で固着され（ピン層）、他層（フリー層）の磁化は印可される磁界に応じて自由に回転する。これら強磁性層での相対的な磁化の回転により、抵抗が規定される。
　ＭＲヘッドにおいては、磁界はパターン化された磁気抵抗素子の両面に成膜される硬強磁性膜（ハードバイアス膜）から生じる。このハードバイアス膜を含むハードバイアス積層体は、磁界をフリー層に向けるため、磁気抵抗素子の周りに良好なカバレッジを有する必要がある。したがって、ハードバイアス積層体は、高い保磁力と適切な残留磁化を備えている以外に、大型ウェハに均一に形成され、磁気抵抗素子の両側で厚さが同じでなければならない。
　図１９は、従来の大型ウェハ上に成膜する一般的なマグネトロン・スパッタリング装置を示す模式図である。
　図１９に示すように、この成膜装置２０１は、主に、マグネトロン・カソード２０２を備えた真空チャンバ２０３と、ウェハ２０４を設置するホルダ２０５と、から構成されている。チャンバ２０３には、通常、Ａｒ用のガス導入口２０６が備えられている。ウェハ表面全体で必要な均一性を得るため、ターゲットサイズは非常に大きくなるのが一般的であり、ウェハのほぼ２倍のサイズに相当する。この種のチャンバのうちの幾つかは集合装置型ユニットに接続でき、ウェハ２０４は隣接するチャンバ２０３間を移動して多層成膜される。この設計でのスパッタ粒子の放出角度分布は、通常、ｃｏｓnθ形になり、トレンチや柱状フォトレジストなどのパターン化構造を備えたウェハへの成膜には適していない。
　これに関連する成膜技術として、例えば、マグネトロンスパッタにより成膜するスパッタ装置およびスパッタ方法が提案されている（特許文献１参照）。この装置は真空チャンバ内を高真空状態にした後、スパッタガス導入手段からＨｅガスを、反応性ガス導入手段からＡｒ希釈のＦ2ガスを導入し、直流電力を印可する。この装置によれば、円筒状ターゲットのスパッタ面では、スパッタ面に平行な磁界とスパッタ面に垂直な電界が発生し、マグネトロンスパッタにより基板上に薄膜が形成されるものである。
　図２０は、従来のパターン化構造を備えたウェハ上に多層成膜する場合に用いるＩＢＤ装置の主要素を示す概略図である。この成膜装置３０１は、イオンビームを引出すために電気的にバイアスされたグリッド３０３を備えたイオンビーム源３０２と、回転ホルダ３０７上の複数のターゲット３０４と、回転可能な基板ホルダ３０５と、から構成される。
　処理ガスはイオン化され、上記イオンビーム源のグリッドによって加速される。イオンがターゲットに照射され、ウェハ３０６に粒子をスパッタする。ウェハ３０６に到達する粒子の入射角は、入射面に対して垂直な軸（垂線）に沿って基板ホルダ３０５を回転させることによって変更できる。スパッタ粒子の入射角度や、イオンビーム源から生じるイオンを減速させる衝突を防ぐために、一般的な処理圧力は、図１９のスパッタリング方法よりも低くなっている。異なる複数のターゲットを上記回転ホルダに設置できるため、多層成膜が可能である。イオンビーム源３０２、ターゲットホルダ３０７、様々な回転能力を備えた基板ホルダ３０５に対する必要性から、イオンビーム成膜（ＩＢＤ）装置は非常に大きくなっている。
　典型的なチャンバ容量は、図１９のターゲットとウェハが平行に配置された従来のスパッタリング装置２０１の１０倍以上である。ＩＢＤ装置のチャンバ容量は、磁気センサ積層体用ハードバイアス積層体の成膜の業界標準となっている。
　また、反応容器（チャンバ）の上壁にマルチカソードを備えたイオン化物理的気相成膜装置（ｉＰＶＤ）が提案されている（特許文献２参照）。この装置は、回転可能なウェハホルダ上に配置されたウェハに対して少なくとも２つの傾斜されたカソードが上壁に設けられた反応容器を備えている。また、各カソードにＲＦ電力が供給され、ガス導入部およびガス排出部を備えている。そして、反応容器の内部圧力は圧力制御機構によって相対的に高い圧力となるように制御される。この装置によれば、傾斜したマルチカソードの各々でスパッタされた中性原子を用いることで、ウェハ表面のパターン化された構造上に良好なカバレッジを形成できるものである。
特開２００２－６９６３２号公報 特開２００５－９７６７２号公報
　ところで、従来、磁気センサ積層体用のハードバイアス積層体は図２０に示したようなイオンビーム成膜（ＩＢＤ）によって形成されている。ＩＢＤ装置はロングスローＰＶＤ装置に類似しているため、大きなチャンバが必要となる。
　また、基板へのスパッタ粒子の入射角は、６インチ以下のウェハであっても均一ではない。生産性を向上させ、製造コストを低減するためには、ウェハサイズを８インチ等の大型ウェハに変更する必要がある。しかし、大型のウェハを使用した場合、磁気抵抗素子の両側で均等なカバレッジを得ることがより困難になり、ウェハの中央と端部で膜厚が異なる、いわゆるインボード／アウトボードの問題が生じる。
　従来のトレンチの埋め込み技術のように、堆積膜にボイドやシームが形成され、良好なハードバイアス積層体を得ることができなかった。
　本発明は、イオン化ＰＶＤを用いて、磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に保磁力の高く、良好なハードバイアス積層体を形成できるハードバイアス積層体の成膜方法および成膜装置を提供することを目的とする。
　また本発明は、保磁力の高く、良好なハードバイアス積層体を備え、感度の高い磁気センサ積層体を得ることができる磁気センサ積層体の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成すべく成された本発明案の構成は以下の通りである。
　即ち、本発明のハードバイアス積層体の成膜方法は、基板上に配置した磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層、磁性層、キャッピング層を有し、前記素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜するハードバイアス積層体の成膜方法であって、
　チャンバの内部の処理空間を排気する手順と、
　前記処理空間にＮｅもしくはＡｒ、またはＮｅを含む処理ガスを導入する手順と、
　前記下地層、磁性層、キャッピング層のいずれかの層をスパッタリングにより成膜する手順と、
を有することを特徴とする。
　また、本発明のハードバイアス積層体の成膜装置は、基板上に配置した磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層、磁性層、キャッピング層を有し、前記素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜するハードバイアス積層体の成膜装置であって、
　処理空間を形成するチャンバと、
　前記処理空間の下部で、処理対象である基板をその中心軸周りに回転可能に支持すると共に、段階的に上下移動可能に支持する基板ホルダと、
　前記処理空間における前記基板ホルダの斜め上方に配置され、前記基板載置面に対して傾斜させると共に、前記基板ホルダの中心軸から基板載置面方向へ等間隔にずらして配置された、カソード表面側にターゲットを支持可能な複数のマグネトロン・カソードユニットと、
　前記チャンバの内部を排気可能な排気系と、
　前記チャンバの内部に処理ガスを導入するガス導入系と、
　前記チャンバの内部のガス圧を微調整可能なガス圧調整機構と、
　前記マグネトロン・カソードユニットに電力を供給する電源と、
　前記基板ホルダに電力を供給して基板バイアスを印可する電源と、
を備え、
　前記複数のマグネトロン・カソードユニットうち、少なくとも一つはマグネトロンとカソードとの間の距離を段階的に制御可能な距離調整機構を有していることを特徴とする。
　〔作用〕
　以下、本発明を創案するに至る経緯について説明する。
　前述したように、ＭＲ素子の最も簡単な構造は、絶縁体を隔てて、少なくとも２つの強磁性層を含んでいる。一層（ピン層）は反強磁性層で固着され、他層（フリー層）の磁化は印可される磁界に応じて自由に回転する。これら強磁性層間での相対的な磁化の回転により、電流に対する抵抗が規定される。磁気抵抗素子は小さいので、両端からの静磁場によって磁区と磁壁の形成が促進され、外部磁界が印可されると、磁区が成長して磁壁が拡大する。
　しかし、一般にその挙動は段階的であり、バルクハウゼン・ノイズと呼ばれるノイズが発生する。このノイズを低減するためバイアス磁界が印加され、通常、この磁界は磁気抵抗素子の隣にハードバイアス積層体を成膜して作られる。上記ハードバイアス積層体によってフリー層は強制的に単磁区構造となり、外部磁界が印加された場合に磁化の回転が円滑となる。
　ハードバイアス積層体を成膜する技術としては、イオンビーム蒸着（ＩＢＤ）法を使用するのが一般的である。これはイオンビームをターゲットに照射し、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が高い方向性をもってデバイス基板に到達する。ガス圧力は、方向性をいくぶん制御するために制御可能である。
　ハードバイアス積層体の構造は、通常、Ｃｒまたはその合金である下地層と、高い保磁力および残留磁化を発生可能なＣｏＣｒＰｔ合金やＣｏＰｔ合金などの磁性層からなる。ハードバイアス積層体を外部磁界に対して強固にするためには、１５９．１６ｋＡ／ｍ（２０００Ｏｅ）を超える高い保磁力が必要とされ、残留磁化が高い場合にはより高いバイアス磁界が得られる。Ｃｒ下地層の結晶方位は通常（１１０）で、磁性層の場合は（１０．０）となる。Ｃｏ合金のＣ軸は、方向がランダムに設定されるが、ほとんどの場合基板面に平行に存在する。
　一般に、磁気抵抗素子はまず成膜され、そしてパターン化される。現在のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子では、素子がまず成膜され、そして一般的なリソグラフィ技術を用いてパターン化される。Ａｌ2Ｏ3やＳｉ－Ｎなどの絶縁層が、接合壁と露出したフィールド領域に蒸着される。フォトレジスト構造により、素子自体への成膜は行われない。絶縁層は、通常、原子層成膜（ＡＬＤ）または化学的気相成膜（ＣＶＤ）によってパターン化された素子に形成する。
　上記接合壁付近と絶縁層に接して、ハードバイアス積層体が形成される。ＩＢＤにより、Ｃｒ下地層と磁性層が異なる入射角で成膜され、所望のハードバイアス積層体形状を実現する。ＩＢＤ技術で使用されるターゲットサイズは、ウェハ全体で十分な均一性が得るために、非常に大きくなる傾向がある。成膜速度は低く、（磁性層の）入射角は保磁力などの重要な磁気特性に影響を与えるため、最適化は複雑である。角度を変えても、ウェハ上の別の部位にあるハードバイアス積層体と接合壁の形状に影響し、いわゆるアウトボード（ターゲットとは離れているウェハ上のデバイス）とインボード（ターゲットの近くにあるデバイス）の問題がある。例えば、Ｈ．Ｈｅｄｇｅらは、ＵＳ６，７１６，３２２号公報において、マスクを使用して、このようなアウトボードとインボードの形状を改善する複合方法について説明している。
　一般には、より大きなウェハに移行するという傾向にあり、これでは良好なデバイス歩留まりを得るために必要となる均一性を達成することがより困難になる。イオンビーム源と同様に、ターゲットも大きくしなければならない。
　従来のスパッタリング方法は、ウェハの表面形状のため、ハードバイアス積層体の成膜には用いられない。スパッタ粒子の放出角度分布が広がるので、カバレッジが小さくなる。
　高アスペクト比のトレンチとビアを埋め込むために、半導体産業ではイオン化物理気相成膜（ｉＰＶＤ）が使用されるのが一般的である（Ｈｏｐｗｏｏｄを参照、例えばＪ・Ｖａｃ・Ｓｃｉ・Ｔｅｃｈｎｏｌ・Ｂ、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．１、１９９４年１月／２月号）。スパッタ粒子をイオン化するチャンバでは、高密度プラズマが生成される。高密度プラズマは、通常、ＲＦ誘導コイルまたはマイクロ波放射（ＥＣＲ）を使用することによって形成される。別の方法は、高周波電力をターゲット自体に印加することである。この方法は、佐々木および船戸によって説明され（ＵＳ６，４４４，０９９号公報参照）、この文献に参考資料として示されている。
　ターゲットには、環状輪型（ＵＳ６，１９７，１６５号公報参照；Ｊ．Ｄｒｅｗｅｒｙ　ＴＥＬ）、円錐型（ＵＳ５，９１９，３４５号公報参照；Ｔｅｐｍａｎ）、部分円錐型（ＵＳ６，０４２，７０６号公報参照；Ｆｕ）など、様々な形状が存在するが、一般にターゲットと基板（ウェハ）は平行である。
　ｉＰＶＤは、ほとんどの場合、ＣｕやＡｌなどの純金属の成膜に使用されてきた。ＣｕＭｇなどの合金も蒸着され、最近ではＧｅＳｂＴｅなどの相変化合金も成膜されている。ｉＰＶＤは、ＴａＮやＴｉＮなどの窒化物の薄層を成膜する場合にも効果的である。「自続スパッタリング」を促進するために、ＲＦ電源の代わりに非常に大きなＤＣ電力をターゲットに印加することもできる。これにより、処理ガスがない場合や非常に低圧下でも成膜することが可能となる。しかし、通常、非常に高出力の電力が必要となるため、すべての材料にこの方法が使用できるわけではない。大きなカソード電力が必要となるため、膜厚を制御された比較的薄い膜を得るのは容易ではない。方向性をさらに改善するため、一般にロングスロー構造も使用されている。
　ｉＰＶＤは、業界の標準技術であるＩＢＤが抱えるインボード／アウトボードの問題が生じないため、パターン化された大型基板に蒸着する場合に好適である。ターゲットと基板との距離（Ｔ／Ｓ距離）がＩＢＤよりも短い上に、ターゲット材が十分にイオン化されている限り、汚染の原因となりうるコリメート部品などを使用する必要がない。ただし、入射角制御がＩＢＤよりも難しくなる。スパッタ粒子の基板への角度分布（入射イオンエネルギーと入射角依存性）は、主に高エネルギーの垂直入射粒子と、低エネルギーの中性粒子から構成される。垂直入射は、イオン化されたスパッタ粒子がウェハ表面のプラズマ・シースにより加速されることにより実現される。基板バイアスは、ウェハ上への照射時にイオン化粒子のエネルギーを増加させる。圧力を低くしない限り、散乱によって中性粒子が広角な範囲に存在するので、逆に熱運動ひいてはイオン化が低減される。低圧の場合、中性粒子の速度分布は、ＩＢＤ装置とは異なり通常固定されているターゲットと基板の構成に左右される。しかし、スパッタ粒子を十分にイオン化するために必要な圧力を考えた場合、平均自由経路はチャンバ寸法よりもはるかに小さくなる。
　スパッタガスとの衝突が原因で低エネルギーであるイオン化されていない粒子は、シース電界から直接の影響は受けない。この粒子が基板面に平行な部分に照射された場合、高エネルギーである垂直入射粒子とイオン化されたスパッタガスによって衝撃が与えられる。これにより、高密度の圧縮化膜が簡単に形成される。一方、接合壁には、入射方向の分散が原因で、膜の大部分が低エネルギーの中性粒子から生成されるため、多孔質で引っ張り応力である膜が形成される。また入射イオンが壁に対して鋭角に照射され、これによっても多孔質膜が形成される。接合壁が緩斜面（４５度以下）である場合、接合壁面の膜はより高密度になりうるが、ほぼ垂直（６０度以上）の壁や組み合わせ（フリー層ではほぼ垂直で、それ以下でテーパーが着けられている）の場合は、多孔質膜が形成される。これにより、半導体産業においてトレンチや孔の埋め込みで一般的に見られるように、角部にボイドやシームができる。インターコネクトの場合、このシームによってプラグまたはラインの最終的な誘電率は低下するが、このシームは許容可能である。しかしハードバイアス積層体の場合、シーム形成は、フリー層に安定した磁界バイアスを印加する妨げになるため、デバイスにとって致命的である。
　前述したように、ハードバイアス積層体は、Ｃｒなどの下地層、Ｃｏを主成分とする磁性層、およびＴａなどのキャッピング層から構成される。磁性層は、磁気抵抗素子のフリー層に安定した磁界バイアスを提供するため、高温においても高い保磁力を有する必要がある。よって、最も一般的にＣｏに加えられるのは、Ｐｔであり、一般に２０ａｔ％を超える割合添加される。半導体のインターコネクトの埋め込みに使用される金属のほとんどは、第一イオン化エネルギーＥｉが比較的低くなっている。例えば、Ａｌ（Ｅｉ＝５．９８６ｅＶ）、Ｃｏ（７．８６ｅＶ）、Ｃｕ（７．７２６ｅＶ）、Ｒｕ（７．３７ｅＶ）、Ｔａ（７．８９ｅＶ）、Ｔｉ（６．８２ｅＶ）、Ｗ（６．８２ｅＶ）のイオン化エネルギーは、Ｐｔ（Ｅｉ＝９．０２ｅＶ）よりも低い。Ｐｔのイオン化は容易ではない。このため、磁性層合金のイオン化を改善する方法が必要である。
　圧力が低いほど、特に斜め入射の場合に、高密度な圧縮膜が形成される傾向にある。しかし、圧力が増加するとイオン化が改善されるため、低ガス圧も許容しなければならない。少なくとも、イオン化率が増大すると幾分か多孔質にはなるが、ほぼ垂直の壁により薄い膜が形成される。絶対に回避しなければならないのは、シームとボイドの形成である。これらが形成されると、フリー層から高密度の磁性層の距離が遠ざかることになる。
　イオン化を改善するために、ガス圧力を大きくする以外に、磁界でプラズマを閉じこめることによってプラズマの密度を高くすることができる。これは、例えば、ターゲット表面付近にプラズマを閉じこめるマグネトロン磁界を増やすことによって実現できる。ＲＦ容量結合型ターゲットの場合、イオン化を促進するために、ＲＦ源に近距離からスパッタ粒子が照射される。しかし、我々の調査により、これと逆の現象が起こることがわかっており、マグネトロン磁界が大きくなるとイオン化率が低下する。
　ＵＳ５，７５０，０１２号公報では、Ｎｅなどの低イオン質量ガスをＡｒ、ＫｒまたはＸｅなどの高イオン質量ガスと組み合わせて使用する複合処理ガス法が開示されている。高イオン質量に対する低イオン質量の割合は、１：１以上である。スパッタ粒子に関してはさらに良好な垂直性が得られており、これは基板と平行なターゲットにとって利点となる。
　一方、ＵＳ６，２００，４３３号公報では、Ｔａ、Ｗ、ＴａＮおよびＣｕなどの材料の蒸着にＫｒやＸｅなどの重い処理ガスを用いて、低ガス圧でカバレッジ特性を改善する方法について述べられている。重いガスほど簡単にイオン化されるため、結果としてオーバーコサインの速度分布となる。このため、スパッタ粒子は、ＡｒやＨｅのガスよりも、ターゲット表面に対して垂直に向けられる。
　若干傾いているターゲットを使用して発明者が導き出した結果から、３Ｐａを超える圧力では、ターゲット表面に弱い磁界を維持し、ＫｒやＸｅよりもＡｒやＮｅ、好ましくはＮｅを用いて、より良好なイオン化が得られることが分かっている。イオン化は圧力をかけた処理ガスで改善が見られ、これはスパッタ種熱運動化の標準メカニズムを指示している。ターゲット表面との垂直性の改善に関する上記文献の内容がカバレッジにほとんど影響を与えないように、３Ｐａ以上では、平均自由経路はターゲットから基板までの距離（使用システムでは１５０ｍｍ以上）よりもかなり短くなる。ＫｒやＸｅなどの重ガスをＣｏ７５Ｐｔ２５合金で試したところ、ガスの分子量が増大するにつれて、トレンチのボトム・カバレッジが系統的に低下した。
　現在のイオン化ＰＶＤ装置では、基本的な下地層／磁性層／キャッピング層からなるハードバイアス積層体の成膜に２つまたは３つの別々のチャンバが必要となる。１つのチャンバ内で積層膜全体の成膜を行う場合、製造コストやツールの設置面積、効率の面で利点がある。
　しかし、最適な均一性を得るためには、各層で異なるターゲット／基板位置が必要となる。ウェハ中央の垂直軸から適切な（オフセット）距離にある円形ターゲットの場合、この軸に沿って移動可能なステージによって十分な柔軟性が与えられる。各層に関して、その層の位置に対するステージの高さを上下できる。これは、カソード・アセンブリを上下するためにスペーサーを挿入／除外するよりも良好である。これは特に、迅速なターンアラウンド・タイム（処理時間）が必須となる研究開発目的や連続成膜（生産）期間中に若干の調整を行う場合に有効である。
　別の処理チャンバの統合以外に、真空を破ったり、加工材料が空気に触れたりすることなく、磁気抵抗素子をエッチングし、表面安定化処理を施し、ハードバイアス積層体を設置するように、上記装置を使用して磁気センサ積層体のハードバイアス積層体を製造できる。
　大型ウェハ（２００～３００ｍｍ）用ｉＰＶＤ装置のほとんどは、大型のフラット・ターゲットまたは複雑な形状をもつ大型ターゲットを使用する傾向にある。また、大型ウェハ内で均一な化学量論組成を達成するのが困難なように、組成で特性が左右されるＣｏ－Ｐｔなどの合金を扱うのも容易ではない。本発明者は、斜め入射回転スパッタ成膜を行うことにより、加工材料よりも小さいターゲットで、優れた均一性を有する膜だけなく優れた組成均一性を有する膜も得られることを見出した。残留磁化と保磁力のいずれもＰｔの含有量に大きく左右されるため、これはＣｏ－Ｐｔ磁性合金の場合に特に重要である。
　本発明によれば、垂直入射スパッタリングが原因で生じるシームの影響を最小限に抑え、大型ウェハにおけるアウトボードとインボードの不均一性が少ない。したがって、イオンビーム成膜装置（ＩＢＤ）よりも小さいイオン化ＰＶＤ装置を用いて、パターン化構造を有する磁気抵抗素子の傾斜または垂直接合壁面に保磁力の高く、良好なハードバイアス積層体を形成することができる。
　これにより、保磁力の高く、良好なハードバイアス積層体を備え、感度の高い磁気センサ積層体を得ることができる。
第１の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。 凹部を有するフォトレジストを用いた磁気抵抗素子の製造段階を示す概略図である。 反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）、またはイオンビーム・エッチング（ＩＢＥ）とＲＩＥの組み合わせによる磁気抵抗素子の形成方法を示す概略図である。 第１の実施形態の成膜方法によるハードバイアス積層体の成膜状況を模式的に示す概略図である。 接合部およびハードバイアス積層体を含む構造体の上下にシールド層が形成された状態を示す概略図である。 第２の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。 第３の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。 第４の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。 第５の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。 第５の実施形態に用いるｉＰＶＤ装置を示す模式図である。 第６の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。 第７の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。 ２つのマグネトロンでアスペクト比ＡＲ＝１．５のトレンチに関するカバレッジ・データを示す説明図である。 マグネトロン２でターゲット表面の磁界を減少させることにより、さらにボトムカバレッジが改善される状況を示す説明図である。 種々のガスを使用した場合のカバレッジを示す説明図である。 ＳｉＯ2基板上のＣｏ－２５Ｐｔ（２５ｎｍ）／ＣｒＴｉ（５ｎｍ）の膜保磁力（Ｈｃ）を示す説明図である。 比較例の成膜方法で形成したハードバイアス積層体を示す概略図である。 トレンチの埋め込みの観察状態を示す概略図である。 従来の大型ウェハ上に成膜する一般的なマグネトロン・スパッタリング装置を示す模式図である。 従来のパターン化構造を備えたウェハ上に多層蒸着する場合に用いるＩＢＤ装置の主要素を示す概略図である。 図１の装置が備えるコントローラーを示す模式図である。 本発明により製造される磁気センサ積層体を模式的に示す概略図である。 磁気抵抗素子上にフォトレジストマスクを配置した概略図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書で特に図示または記載されない部分については、当該技術分野の周知もしくは公知技術を適用する。また、以下の実施形態は本発明の例示形態であって、これらに限定されるものではない。
　（第１の実施形態）
　〔装置構成〕
　図１を参照して、本発明に係るハードバイアス積層体の成膜装置の第１の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。
　図１に示すように、第１の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置は、イオン化物理気相成膜装置（ｉＰＶＤ装置）単体で構成されている。このｉＰＶＤ装置１は、同一チャンバ（反応容器）１０の内部で３つの異なるターゲット材料を蒸着する３基のマグネトロン・カソードユニット３１、３２、３３を備えている。
　本実施形態のｉＰＶＤ装置１は、処理空間を形成するチャンバ１０を備えている。このチャンバ１０には、その内部を所望の真空度まで真空排気可能な排気系として、ゲートバルブ等の主弁１１を介して、ターボ分子ポンプなどの主排気ポンプ（ＴＭＰ）１３が接続されている。
　このチャンバ１０にはガス注入口１４が開口され、このガス注入口１４にはチャンバ１０の内部に処理ガスを導入する不図示のガス導入系が接続されている。ガス導入系は、例えば、マスフローコントローラなどの自動流量制御器（不図示）を介して、ガスボンベ（不図示）が接続され、ガス注入口１４から処理ガスが所定の流量で導入される。本実施形態では、処理ガスとして、例えば、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、またはＮｅを含むガスが使用される。
　上記排気系には、チャンバ１０の内部のガス圧を微調整可能なガス圧調整機構が備えられている。このガス圧調整機構は、上記ＴＭＰ１３へ直通する主排気路１５を迂回するように形成されたバイパス経路（バイパス・マニホールド）１６と、このバイパス・マニホールド１６内を開閉するバタフライ弁１７と、からなっている。このバイパス・マニホールド１６に備えられたバタフライ弁１５の調整により蒸着中のガス圧をより正確に制御することができる。すなわち、チャンバ１０内に処理ガス（Ｎｅ）を導入する際、主弁１１を閉じ、バイパス・マニホールド１６のバタフライ弁１７の開度を調整してガス圧を微調整する。
　チャンバ１０内の処理空間の下部には、上面に基板２１を支持する基板ホルダ２２が設けられている。処理対象である基板２１は、通常、ハンドリング・ロボット（図示せず）により、水平スロット（図示せず）を通じて基板ホルダ２２上に運ばれる。基板ホルダ２２は、例えば、円板状の載置台（ステージ）であって、その上面に静電吸着により基板２１を吸着支持するようになっている。この基板ホルダ２２は、不図示の回転駆動機構に接続されて、その中心軸周りに回転可能に構成されている。
　また、基板ホルダ２２は、例えば、シリンダ装置等の不図示の段階的に上下移動可能な機構を備え、例えば、３段階の高さに調整可能に構成されている。成膜中には基板ホルダ２２が回転し、基板ホルダ２２の高さ位置は初期高さ、第２高さ、第３高さに３段階で上昇するように制御される。具体的には、基板ホルダ２２の高さ位置は、後述する第１ターゲットを成膜する際は初期高さ、第２ターゲットを成膜する際は第２高さ、および第３ターゲットを成膜する際は第３高さとなるように制御される。したがって、基板ホルダ２２の高さ調整および回転操作により、ほとんどのターゲット材料の成膜均一性を制御可能である。
　基板（ウェハ）２１としては、例えば、シリコン基板（ＳｉＯ2基板）を用いるが、これに限定されるものではない。また、本実施形態では、生産性を向上させるため、８インチの大型ウェハを想定しているが、これに限定されるものではなく、６インチ以下のウェハも使用することができる。
　また、上記処理空間の基板ホルダ２２の斜め上方には、複数のマグネトロン・カソードユニットが配置されている。本実施形態では、３つの異なるターゲット材料をスパッタ蒸着するので、チャンバ１０の上壁部に３基のマグネトロン・カソードユニット３１、３２、３３が設けられている。各カソードユニット３１、３２、３３は、基板ホルダ２２上の基板２１の処理面に対して傾斜させると共に、基板２１の中心軸から面方向へ等間隔を隔ててずらしてオフセット配置されている。
　各カソードユニット３１、３２、３３は、カソードケーシングの表面側にターゲットが取り付けられる。カソードの裏面側には、複数の永久磁石を縦横に配置した磁石アセンブリを有するマグネトロンを備えており、ターゲットの表面側にカスプ磁界を形成するようになっている。
　各カソードユニット３１、３２、３３のカソード表面側には、それぞれ異なるターゲット材料が取り付けられる。本実施形態では、３基のカソードユニット３１、３２、３３が配置されているので、第１から第３の異なるターゲットが取り付けられる。
　第１ターゲットには、例えば、体心立方晶構造（ｂｃｃ）を有する金属が用いられる。第２ターゲットには、例えば、Ｃｏ－ＰｔまたはＣｏ－Ｃｒ－Ｐｔの六方晶構造（ｈｃｐ）磁性合金（ここで、Ｐｔの含有量は少なくとも原子量率２０％である。）が用いられる。第３ターゲットには、例えば、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＶおよびＷ、またはその合金系から選択される材料が用いられる。好ましい態様としては、第１ターゲットがＣｒ合金、第２ターゲットがＰｔの含有量が少なくとも原子量率２０％のＣｏ－Ｐｔ、第３ターゲットがＴａであることが挙げられる。
　なお、本実施形態では、第１カソードユニット３１に第１ターゲットを、第２カソードユニット３２に第２ターゲットを、および第３カソードユニット３２に第３ターゲットを取り付ける。
　各ターゲットは円板状を呈し、全て同じサイズに形成され、基板ホルダ２２の基板載置面に対して１０度～３０度の範囲で傾いていることが好ましい。より好ましい態様としては、各ターゲットが基板載置面に対して１０度～２０度で傾いていることが挙げられる。また、基板ホルダ２２の中心軸を基準としたカソード中心の載置面方向のずれが少なくとも１００ｍｍで、カソード中心が上記中心軸方向に沿って基板処理面から５０～２５０ｍｍ離れているように設定されることが挙げられる。
　３基のカソードユニット３１、３２、３３のうち、少なくとも一つはマグネトロンとターゲットとの間の距離（Ｔ／Ｍ距離）を制御可能な距離調整機構３８を備えている。本実施形態では、この距離調整機構は第２ターゲットを取り付ける第２カソードユニット３２に設けられ、例えば、マグネトロンを取り付けるプレートをユニットの軸方向に沿って進退移動させる自動コントローラが搭載されている。進退移動機構としては、例えば、シリンダ装置、ラック＆ピニオン、ボールネジ等が挙げられる。なお、本実施形態では、第２カソードユニット３２のみに距離調整機構を備えているが、これに限るものではなく、全てのカソードユニットに備えてもよい。
　ここで、Ｔ／Ｍ距離を制御するのは、特にターゲット材料が磁性材料である場合には、ターゲット表面に比較的低い磁界を維持する必要があるからである。寿命末期が近づくにつれて漏れ磁界が大幅に増加するが、良好なイオン化率を維持するためには、これを回避する必要がある。マグネトロンからターゲットまでの距離は、ターゲットのエロージョン進行による磁界の増加を調査することにより、またはターゲットに照射されるイオンによって発生する電圧からのフィードバックすることにより、事前に決定することができる。
　上記カソードユニット３１、３２、３３には、カソードにＲＦ電力を供給する不図示の高周波電源（ＲＦ電源）が電気的に接続されている。チャンバ１０内での各ターゲット材料の蒸着は連続して行うが、各カソードユニット３１、３２、３３に別々のＲＦ電源を接続する必要がないように、ＲＦ電源は共通接続されている。すなわち、本実施形態では、ＲＦ電源は、３基のカソードユニット３１、３２、３３に共通であって、各カソードユニット３１、３２、３３に選択的に電力供給を行うスイッチ等の切り替え機構（図示せず）を備えている。例えば、第１カソードユニット３１には、０．５～３ｋＷのＲＦ１電力を供給する。また、第２カソードユニット３２には、１～５ｋＷのＲＦ２電力を供給する。さらに、第３カソードユニット３３には、１～５ｋＷのＲＦ３電力を供給する。
　ただし、ホルダの高さ、ガス圧力、またはターゲット材料によって最適なインピーダンスが異なる場合があるため、整合回路は別途必要となる。また、基板ホルダ２２の高さは、成膜するターゲット材料と使用するガス圧力によって異なる。
　上記基板ホルダ２２にも、ＲＦバイアス２３を印可する不図示の高周波電源（ＲＦ電源）が備えられている。基板バイアス用ＲＦ電源は、カソード側のＲＦ電源の周波数が、例えば６０ＭＨｚで出力密度が４Ｗ／ｃｍ2以上の場合に、周波数が１３．５６ＭＨｚまたは５０～７０ＭＨｚであるがカソード側の電力周波数と異なるＲＦバイアス２３を印可する。また、この基板バイアスは５０Ｗ未満の電力で供給する。
　また、各ターゲットの前方には、それぞれターゲットの前面を開閉可能なシャッタ３５が取り付けられている。各ターゲットの前方にシャッタ３５を配置することにより、スパッタされている他のターゲットからのコンタミネーションを防止することができる。
　図１の製造装置は、一連のプロセスを行うためのコントローラを各マグネトロン・カソードユニット３１，３２，３３毎に設けられている。すなわち、プロセスコントローラ３１Ａ、３２Ａ，３３Ａは、成膜装置からの入力信号を受け取り、処理をフローチャートで動作させるようにプログラムされたプログラムを動かし、動作指示を装置に出力できるようになっている。プロセスコントローラ３１Ａ、３２Ａ、３３Ａの構成はそれぞれ図２１に示すコンピュータ３１Ａ１の構成を基本的にもち、入力部３１Ａ２、プログラム及びデータを有する記憶媒体３１Ａ３、プロセッサ３１Ａ４及び出力部３１Ａ５からなり、対応の装置を制御している。入力部３１Ａ２は、装置からのデータ入力機能の他に、外部よりの命令の入力を可能とする。
　プログラムは、基板上に配置した磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層、磁性層、キャッピング層を有し、前記素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜するためのプログラムであって、以下の（ａ）から（ｃ）の手順を実施するためのプログラムより構成されている。
（ａ）チャンバの内部の処理空間を排気する手順
（ｂ）前記処理空間にＮｅもしくはＡｒ、またはＮｅを含む処理ガスを導入する手順
（ｃ）前記下地層、磁性層、キャッピング層のいずれかの層をスパッタリングにより成膜する手順
　好ましいプログラムは、前記（ｂ）処理ガスを導入する手順は、前記処理ガスを導入して、２０Ｐａ以下のガス圧力に調整する手順であり、
　更に、（ｄ）ターゲットの表面に、３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を印可する手順を実施するためのプログラムを有する。
　より好ましいプログラムは、前記（ｃ）下地層、磁性層、キャッピング層のいずれかの層を成膜する手順は、
　基板を載置する基板ホルダを初期高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第１マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である金属またはその合金から構成される第１ターゲット材料を基板にスパッタし、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層を成膜する手順と、
　前記基板ホルダを第２高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第２マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、ＣｏおよびＰｔを含有する六方晶構造（ｈｃｐ）合金から構成される第２ターゲット材料を基板にスパッタし、磁性層を成膜する手順と、
　前記基板ホルダを第３高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第３マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＶおよびＷまたはその合金から構成される第３ターゲット材料を基板にスパッタし、キャッピング層を成膜する手順と、
を有する。
　〔磁気センサ積層体の構造〕
　次に、図２２，２３を参照して、磁気抵抗素子の側方のフィールド領域に本発明により成膜したハードバイアス積層体を備える磁気センサ積層体の構造について説明する。図２２は、本発明に係る磁気センサ積層体を模式的に示す概略図である。図２３は、磁気抵抗素子上にフォトレジストマスクを配置した磁気センサ積層体を示す概略図である。
　図２２に示すように、本発明により製造される磁気センサ積層体１０２は、基板としてのボトムシールド層１３１の略中央部に、組成が異なる複数の積層膜からなり、磁界が印加されることで電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を有する磁気抵抗素子（リーダースタック）１１０を備える。また、磁気センサ積層体１０２は、上記リーダースタック１１０の対向する２つの接合壁面１１０ａ、１１０ｂの側方のフィールド領域１２４に、バイアス磁界を上記リーダースタック１１０に付与することができるハードバイアス積層体１２０を備えている。この磁気センサ積層体１０２は、ハードディスクドライブ等の磁気読み取りヘッド用のセンサを切り分ける前の中間製品である。
　図２２に例示するリーダースタック１１０は、フリー層１１６の真下に酸化物バリア層（ＭｇＯ）を備える磁気トンネル接合体（ＭＴＪ）である。これに限定されず、リーダースタック１１０は、非常に低い抵抗を有する大部分が金属製の巨大磁気抵抗接合体（ＧＭＲ）であってもよい。
　具体的には、リーダースタック１１０は、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体からなるボトムシールド層１３１上に積層され、主に反強磁性ピニング層（ＡＦＭ層）１１３、シンセティックアンチフェロ層（ＳＡＦ層）１１４、スペーサ層１１５、および強磁性フリー層１１６を備えている。
　ＡＦＭ層１１３は、例えば、ＩｒＭｎ等の反強磁性体によって形成されている。ＡＦＭ層１１３は、例えば、上記ボトムシールド層１３１上に、必要に応じて不図示のＴａ等からなるプレシード層（図２３の１１１）およびＲｕ等からなるシード層（図２３の１１２）を介して積層される。
　ＳＡＦ層１１４は、薄いカップリング層（非磁性層またはトンネル絶縁体層）１１４ｂを介して、逆向きに結合した２つの強磁性体層１１４ａ、１１４ｃからなる。ＳＡＦ層１１４の強磁性体層は、ＡＦＭ層１１３と接触しているピンド層１１４ａと、カップリング層１１４ｂと接触しているリファレンス層１１４ｃとから構成される。
　スペーサ層１１５は、非磁性層またはトンネル絶縁体層からなり、例えば、ＭｇＯ等の酸化物層により形成されている。
　フリー層１１６は、例えば、ＣｏＦｅＢ等の強磁性体によって形成されており、ＣｏＦｅＢ等の強磁性体層上にＴａ層、ＮｉＦｅ層を積層した層でもよい。フリー層１１６は、バイアス磁界がかけられ、リファレンス層１１４ｃと直角を成すように配向される。この配置により、センサ感度を高くでき、記憶媒体からの外部磁場に対する線形応答を提供する。バイアス磁界は、「ハードバイアス」とも称され、ディスクドライブの寿命を通して一定に維持されることが期待される。またハードバイアスは、フリー層１１６に磁区が形成されることを防ぐ。リーダースタック１１０を通じた磁気抵抗変化は、リファレンス層１１４ｃとフリー層１１６との間の磁化の相対的方向によって決まる。
　フリー層１１６は、必要に応じて、例えば、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉおよびこれらの合金群ならびにＣから選択される不図示のキャップ層（図２３の１１７ａ，１１７ｂ）で覆われている。
　上述したように、ボトムシールド層１３１上のフィールド領域１２４にはハードバイアス積層体１２０が成膜される。
　磁性層１２２は、例えば、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ等のＣｏおよびＰｔを含有する合金群から選択される六方晶構造（ｈｃｐ）を有する合金（永久磁石）によって形成されている。
　磁性層１２２は、ボトムシールド層１３１上に、下地層１２１を介して積層されている。この下地層１２１は、例えば、Ｃｒ、Ｃｒ－Ｍｏ、Ｃｒ－Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗおよびこれらの合金群から選択される体心立方晶構造（ｂｃｃ）の合金によって形成されている。この下地層１２１は、例えば、フィールド領域１２４において３～７ｎｍ、接合壁面１１０ａ，１１０ｂにおいて３ｎｍ未満の厚さを有する。
　上記下地層１２１に加え、この下地層１２１上にさらに不図示のシード層を備えて、下地層を二重に構成してもよい。即ち、フィールド領域１２４およびリーダースタック１１０の接合壁面１１０ａ、１１０ｂは、例えば、ＣｒＢ、ＣｒＴｉＢ、ＭｇＯ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、およびこれらの合金群から選択されるシード層をさらに備えていてもよい。このシード層は、例えば、フィールド領域１２４において厚さ１ｎｍ未満、接合壁面１１０ａ，１１０ｂにおいて厚さ０．５～２ｎｍを有する。
　また、磁性層１２２は、例えば、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＶおよびＷまたはその合金から選択されるキャッピング層１２３で覆われている。
　さらに、磁性層１２２の下部およびリーダースタック１１０の接合壁面１１０ａ、１１０ｂの上には、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｓｉ－Ｎ、ＨｆＯ2またはこれらの組み合わせからからなる絶縁層１１９が配置されている。この絶縁層１１９は、例えば、フィールド領域１２４において厚さ２～１０ｎｍの厚さ、接合壁面１１０ａ，１１０ｂにおいて厚さ２～５ｎｍを有する。
　そして、磁気センサ積層体１０２は、上記絶縁層１１９の下にボトムシールド層１３１を備え、上記キャッピング層１２３の上にトップシールド層１３２を備えている。これらシールド層１３１、１３２は、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体によって形成されている。すなわち、リーダースタック１１０およびフィールド領域１２２は、２つの厚い軟磁性シールド層１３１、１３２の間に挟まれている。
　次に、図２３を参照して、上記磁気センサ積層体１０２の製造方法について説明する。
　図２３に示すように、磁気センサ積層体１０２の作成は、まずボトムシールド層１３１上に、リーダースタック１１０が成膜され、次にフォトレジスト（ＰＲ）マスク１４１の塗布、パターニング、及び現像を行なう。ボトムシールド層１３１としては、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性体からなるボトムシールド層を採用する。
　フォトレジストマスク１４１は、エッチング処理に際して、リーダースタック１１０の一部をマスクするためにある。エッチング処理には、例えば、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が採用される。ＲＩＥを用いる場合には、リーダースタック１１０上にハードマスクを形成してもよい。この場合、フォトレジストマスク１４１は最初にハードマスクを形成するために使用され、上記リーダースタック１１０をエッチングする前に、酸素アッシングプロセスによって除去される。
　エッチング処理の後、磁気センサ積層体（フォトレジストマスク１４１を含むリーダースタック１１０およびその接合壁面１１０ａ、１１０ｂの側方）の上に、絶縁層１１９を被覆する。絶縁層１１９の被覆には、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＯ2などの酸化物絶縁体（３～５ｎｍ）が好ましく、例えば、物理気相成長法（ＰＶＤ）、イオンビーム蒸着法（ＩＢＤ）、原子層蒸着法（ＡＬＤ）および化学気相成長法（ＣＶＤ）のいずれかの成膜法が用いられる。ＡＬＤ法やＣＶＤ法ではコンフォーマルな成膜が可能である利点を有する。
　次に、上記絶縁層１１９の上に、ハードバイアス積層体１２０を成膜する。基本的なハードバイアス積層体１２０の場合、まず上記絶縁層１１９上に下地層１２１を成膜し、次いで磁性層１２２およびキャッピング層１２３を成膜する。
　〔成膜方法〕
　次に、図１から図５を参照して、上記第１の実施形態の成膜装置１を用いて実施する本発明に係るハードバイアス積層体の成膜方法について説明する。
　〈磁気抵抗素子の形成方法〉
　まず、本発明に係るハードバイアス積層体の成膜方法の前処理として、磁気抵抗素子の形成方法について説明する。
　図２は、凹部を有するフォトレジストを用いた磁気抵抗素子の製造段階を示す概略図である。
　図２（ａ）に示すように、ウェハ上に磁気抵抗素子用積層体１５１を成膜後、この上にフォトレジスト１４１を形成し、現像、パターン化する。例示したフォトレジスト１４１は、下部に凹部１５２を有しており、１層または２層の場合がある。２層のフォトレジストの場合は、通常下位層の方が薄く、凹部１５２を形成するためにオーバーエッチされている。これにより、フォトレジストのリフトオフ・プロセスが促進される。
　次に、図２（ｂ）に示すように、イオンビームによって、磁気抵抗素子用積層体１５１のレジストで覆われていない部分をエッチングする。ビームの入射角を変えることにより、磁気抵抗素子１１０の接合壁の形状を制御できる。ほぼ垂直の入射を行った場合、接合壁はスカートのように、上部が狭く下部層に近づくにつれて広くなる。イオンビームの照準をさらに鋭角に合わせることにより、接合壁をより垂直にして下部の広がりを減少でき、ほぼ垂直な接合壁が得られる。なお、図２（ｂ）中、１１６はフリー層である。
　様々な角度でのイオンビーム・ミリング（ＩＢＭ）により磁気抵抗素子１１０がパターン化され、所望の接合壁面を形成できる。ミリングによって、フォトレジスト１４１および接合壁面にも再付着するため、接合壁面をきれいにして接合壁面で電気ショートが起きないように、通常、別途鋭角でミリングを行う。
　次に、図２（ｃ）に示すように、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｓｉ－Ｎ、ＨｆＯ2またはこれらの組み合わせから選択される絶縁層１１９を成膜して、接合壁面を電気的に絶縁する。
　絶縁層１１９の成膜は物理的気相成膜（ＰＶＤ）で行うことができる。しかし、接合壁面部分の厚み制御は極めて重要であるため、例えば、イオンビーム成膜（ＩＢＤ）や原子層成膜（ＡＬＤ）などのより適合する成膜技術が好ましい。原子層成膜は蒸着率が非常に低いが、共形なカバレッジが得られる。中間入射角（４５度以下）のイオンビーム成膜では、接合壁面のカバレッジが大きくなる。このカバレッジは薄いため、インボードとアウトボードの問題はさほど重要ではない。
　図３は、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）、またはイオンビーム・エッチング（ＩＢＥ）とＲＩＥの組み合わせによる磁気抵抗素子の形成方法を示す概略図である。
　図３（ａ）に示すように、磁気抵抗素子用積層体１５１上にＴａなどの金属ハードマスク１５３を形成し、下部にはエッチングを停止する機能を有する薄い膜（停止層１５４）を形成する。フォトレジストは、金属ハードマスク１５３の定着に使用され、酸素プロセスによって削除する。
　次に、図３（ｂ）に示すように、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を行う。金属ハードマスク１５３は磁気抵抗素子用積層体１５１の反応性イオン・エッチングを行うためのマスクとして使用される。停止層１５４は、下部付近の接合壁面の形状を制御する。メタノール化学処理ＲＩＥを行うと、接合壁角度は約８０度となる。
　比較的高さの低いハードマスク（４０ｎｍ以下）の場合、従来のＰＶＤではシャドーイングが少なくなるが、入射が垂直ではないスパッタ粒子の割合が大きいため、接合壁面の膜は厚いままである。このため若干の視準が必要となり、またイオンビーム成膜（ＩＢＤ）の場合はロングスロー法が必要となる。視準は、薄いスロット、またはメッシュ、またはイオン化されたスパッタにより行うことができる。スロットやメッシュの使用により、粒子の形成が促進され、さらに蒸着時間とともにスロット間の距離が短縮される。
　次に、図３（ｃ）に示すように、例えば、Ｏｘ、Ｎｉｔなどの絶縁層１１９を成膜して、接合壁面を電気的に絶縁する。絶縁層１１９の成膜は、例えば、イオンビーム成膜（ＩＢＤ）、原子層成膜（ＡＬＤ）および化学的気相成膜（ＣＶＤ）で行うことができる。
　〈ハードバイアス積層体の成膜方法〉
　次に、図１のｉＰＶＤ装置（３ＰＣＭ）１を用いて、磁気抵抗素子が形成され、絶縁層が成膜されたウェハ上に、ハードバイアス積層体を成膜する。ここで「ＰＣＭ」とは、ポイントカスプ磁界をいう（特開２００３－３１８１６５号公報、特開２００２－３６３７４０号公報参照）。
　ハードバイアス積層体の最も簡単な構造は、Ｃｒなどの下地層、通常Ｃｏ－Ｐｔ合金から構成される磁性層、およびＴａなどのキャッピング層から構成される。磁性層（六方晶構造；ｈｃｐ）は、下地層（体心立方晶構造；ｂｃｃ）上にエピタキシャル成長し、その結果、面内のランダムなＣ軸分布をもつ磁性層が形成される。
　本実施形態の成膜方法は、まず、基板ホルダ２２上に処理対象である基板（ウェハ）２１を設置する。基板２１は、ハンドリング・ロボットを用いて、水平スロット（図示せず）を通じて基板ホルダ２２上に運ばれる。
　不図示のＲＦ電源から基板ホルダ２２に、ＲＦバイアス２３を印可する。基板バイアス用ＲＦバイアス２３は、カソード側のＲＦ電源の周波数が、例えば６０ＭＨｚで出力密度が４Ｗ／ｃｍ2以上の場合に、周波数が１３．５６ＭＨｚまたは５０～７０ＭＨｚであるがカソード側の電力周波数と異なるバイアスに設定する。また、この基板バイアスは５０Ｗ未満の電力で供給する。
　次に、チャンバ１０の内部を排気系により所定の真空度まで排気する。さらに、チャンバ１０の内部にガス導入系からＮｅ、Ａｒ、またはＮｅを含む処理ガスを導入する。本実施形態では、処理ガスとしてＮｅを使用する。
　チャンバ１０内にＮｅを導入する際、主弁１１を閉じ、バイパス・マニホールド１６のバタフライ弁１７の開度を調整してガス圧を微調整する。成膜時のガス圧力は、２０Ｐａ以下に調整する。好ましくは、３～１５Ｐａのガス圧力で成膜を行う。
　３基のマグネトロン・カソード３１、３２、３３には、それぞれ第１から第３の異なるターゲットを取り付ける。第１ターゲットには、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、またはＷなどの金属を用いる。第２ターゲットには、例えば、ＣｏおよびＰｔなどの六方晶構造（ｈｃｐ）の磁性合金を用いる。第３ターゲットには、例えば、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗまたはその合金などを用いる。
　前述したように、各ターゲットは、円板状を呈し、全て同じサイズに形成されている。そして、各ターゲットは、基板ホルダ２２の基板載置面に対して１０度～３０度の範囲で傾けて設置される。より好ましい態様としては、各ターゲットが基板載置面に対して１０度～２０度で傾くように設置する。また、基板ホルダ２２の中心軸を基準としたカソード中心の載置面方向のずれが少なくとも１００ｍｍであって、カソード中心が上記中心軸方向に沿って基板処理面から５０～２５０ｍｍ離れているように設定する。このように設定することにより、処理ガスの導入後に上記ＲＦ電源を３つのターゲットのいずれかに印加した場合に、基板処理面でスパッタ粒子がほぼ垂直の入射角で到達する。
　この状態で、まず、第１マグネトロン・カソードユニット３１に、ＲＦ電源から周波数６０ＭＨｚ以上で０．５～３ｋＷのＲＦ１電力を供給する。そして、ターゲット表面に３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を発生させ、基板上に第１ターゲットをスパッタリングし、体心立方晶構造（ｂｃｃ）の下地層を形成する。例えば、成膜される下地層の厚みは３～７ｎｍで、結晶配向は（１１０）となる。この下地層の成膜の間、基板ホルダ２２は初期高さに維持されている。
　次に、ＲＦ電源を切り替え、第２マグネトロン・カソードユニット３２に、ＲＦ電源から周波数６０ＭＨｚ以上で１～５ｋＷのＲＦ２電力を供給する。そして、ターゲット表面に３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を発生させ、基板上に第２ターゲットをスパッタリングし、六方晶構造（ｈｃｐ）の磁性層を形成する。成膜される磁性層の厚みは１０～４０ｎｍで、Ｃ軸が平面で優位となるように結晶配向は（１０．０）となる。この磁性層の成膜の間、基板ホルダ２２は第２高さに維持されている。また、第２マグネトロン・カソードユニット３２の距離調整機構３８を制御して、マグネトロンとターゲットとの間の距離（Ｔ／Ｍ距離）を広げて磁界を減少させる。具体的には、ターゲット表面の磁界は１０～２０ｍＴ（１００～２００Ｇ）に設定することが好ましい。
　さらに、ＲＦ電源を切り替え、第３マグネトロン・カソードユニット３３に、ＲＦ電源から周波数６０ＭＨｚ以上で１～５ｋＷのＲＦ電力を供給する。そして、ターゲット表面に３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を発生させ、基板上に第３ターゲットをスパッタリングし、キャッピング層を形成する。このキャッピング層の成膜の間、基板ホルダ２２は第３高さに維持されている。なお、第３ターゲットの構成材料は、第１ターゲットの構成材料から作ってもよい。
　図４は、本実施形態の成膜方法によるハードバイアス積層体の成膜状況を模式的に示す概略図である。図４において、１２０はハードバイアス積層体、１４１はフォトレジスト、１１９は絶縁層、１１６はフリー層、１５５は磁気抵抗素子の接合壁面のＩＢＥパターン化後の再蒸着、１３１はボトムシールド層である。図４に示すように、垂直入射スパッタリングが原因で生じるシームの影響を最小限に抑えることができる。また、８インチのような大型ウェハを用いてもハードバイアス積層体１２０を均一に成膜することができ、アウトボードとインボードの不均一性が少ない。
　フォトレジスト１４１は、最終的にリフトオフ・プロセスやケミカル・ミリング・プロセス（ＣＭＰ）によって除去される。そして、図５に示すように、磁気抵抗素子およびハードバイアス積層体１２０を含む構造体の上下に厚いＮｉＦｅのシールド層１３１，１３２が形成される。ハードバイアス積層体１２０は、粒子モーメントを調整するため、磁性層に十分な大きさをもつ（水平な）磁界が印加され、これにより磁気抵抗素子のフリー層１１６にバイアス磁界が発生する。
　すなわち、本発明によれば、パターン化された構造上で、磁性合金および非磁性合金の多層薄膜にイオン化スパッタリングを行う成膜装置および成膜方法を提供している。本実施形態の成膜装置１には、回転する基板ホルダ２２を備えたチャンバ１０と、基板バイアスを印加するためのＲＦ電源と、が備えられている。また、基板ホルダ２２の中心軸に対して傾けてずらされている３基のマグネトロン・カソードユニット３１、３２、３３と、これらに接続された非常に高周波のＲＦ電源と、を備えている。さらに、イオン化を改善するために、処理ガスとしてＮｅガスが使用され、プラズマが拡散するようにターゲット表面の磁界が低減されている。ターゲットから生じるスパッタ粒子は、基板全体にほぼ垂直入射でウェハに到達し、良好な厚さと化学量論的な均一性が得られる。
　以上説明したように、第１の実施形態のハードバイアス積層体の成膜方法および成膜装置１によれば、垂直入射スパッタリングが原因で生じるシームの影響を最小限に抑えることができる。また、大型ウェハを用いてもアウトボードとインボードの不均一性が少なく、保磁力が２３８．７４ｋＡ／ｍ（３０００Ｏｅ）と高いハードバイアス積層体を形成することができる。
　また、イオンビーム成膜装置（ＩＢＤ）よりも小さいｉＰＶＤ装置を用いて、パターン化構造を有する磁気抵抗素子の傾斜または垂直接合壁面に良好なハードバイアス積層体を成膜できる。
　このようにして、保磁力が高く、良好なハードバイアス積層体を備え、感度の高い磁気センサ積層体を得ることができる。
　（第２の実施形態）
　〔装置構成〕
　次に、図６を参照して、図１のｉＰＶＤ装置１を主体とした第２の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置について説明する。図６は、第２の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。
　図６に示すように、本実施形態の成膜装置４１は、図１のｉＰＶＤ装置（３ＰＣＭチャンバ）１を備え、これにウェハ処理ユニット４２およびロボット・チャンバ４３を接続して集合装置を構成している。なお、以下の説明において、図１のｉＰＶＤ装置１はチャンバ１０内に３つのターゲットを配置しているので、説明の便宜上、「３ＰＣＭチャンバ」という。
　ウェハ処理ユニット４２は前面開放式格納庫（ＦＯＵＰ）４４を備え、この格納庫４４内に基板（ウェハ）を載置したカセットを収容している。
　ロボット・チャンバ４３は、例えば中空六角柱状に形成され、不図示のハンドリング・ロボットを備え、３ＰＣＭチャンバ１とウェハ処理ユニット４２との間に接続配置されている。このロボットは、３ＰＣＭチャンバ１とウェハ処理ユニット４２との間でウェハの受け渡しを行う。
　なお、ロボット・チャンバ４３や、その他のチャンバの平面形状は模式的に示したものであり、これに限定されるものではない。以下の実施形態においても同様である。
　〔成膜方法〕
　次に、図６を参照して、第２の実施形態の成膜装置４１を用いた成膜方法について説明する。
　第２の実施形態の成膜方法は、ロボット・チャンバ４３のハンドリング・ロボットが格納庫４３のカセットから、磁気抵抗素子が形成され、絶縁層が成膜されたウェハを取り出し、これを３ＰＣＭチャンバ１へ移動する。
　３ＰＣＭチャンバ１では、３基のマグネトロン・カソードユニット３１、３２、３の各ターゲット（Ｃｒ、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｔａなど）を用いて、ハードバイアス積層体（下地層／磁性層／キャッピング層）の成膜を行う。３ＰＣＭチャンバ１におけるハードバイアス積層体の成膜手順は、第１の実施形態で説明した通りであり、説明を省略する。
　ハードバイアス積層体の成膜後、完成ウェハは格納庫４４に戻される。格納庫４４は２つのユニットを備えているので、一方のユニットを処理前のウェハ専用とし、他方のユニットを処理済みウェハ用にすることができる。
　以上説明したように、第２の実施形態の成膜装置４１および成膜方法は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に第２の実施形態によれば、ロボット・チャンバ４３を介して、ウェハの格納庫４４を備えたウェハ処理ユニット４２を接続しているので、処理前のウェハおよび処理済みのウェハのハンドリングが容易である。また、ロボット・チャンバ４３を介して、３ＰＣＭチャンバ１とウェハ処理ユニット４２が接続されているので、ウェハが外気に晒されることがない。
　（第３の実施形態）
　次に、図７を参照して、図１のｉＰＶＤ装置１を主体とした第３の実施形態のハードバイアス積層体成膜装置について説明する。図７は、第３の実施形態のハードバイアス積層体成膜装置を示す概略図である。
　図７に示すように、本実施形態の成膜装置５１は、図１のｉＰＶＤ装置１を本体とした図６の成膜装置４１を備えている。本実施形態の成膜装置５１は、図６の成膜装置４１に加え、イオンビーム・エッチング（ＩＢＥ）チャンバ５２および絶縁層成膜チャンバ５３を備えている。すなわち、本実施形態の成膜装置５１は、中央に配置したロボット・チャンバ４３に、ＩＢＥチャンバ５２および絶縁層成膜チャンバ５３を接続配置している。したがって、ウェハ処理ユニット４２、３ＰＣＭチャンバ１、ＩＢＥチャンバ５２および絶縁層成膜チャンバ５３のそれぞれの装置へのウェハの受け渡しは、ロボット・チャンバ４３内のハンドリング・ロボットの操作により行われる。
　なお、前面開放式格納庫（ＦＯＵＰ）４４を備えたウェハ処理ユニット４２、およびロボット・チャンバ４３は、第２の実施形態と同様に構成されている。
　〔成膜方法〕
　次に、図２および図７を参照して、第３の実施形態の成膜装置５１を用いた成膜方法について説明する。
　第３の実施形態の成膜方法は、まず、ロボット・チャンバ４３内のハンドリング・ロボットが格納庫４４のカセットからウェハを取り出し、本来の処理装置であるＩＢＥチャンバ５２へ移動される。このウェハには、磁気抵抗素子用積層体１５１とパターン化フォトレジスト１４１が形成されている（図２（ａ）参照）。
　ＩＢＥチャンバ５２では、磁気抵抗素子用積層体１５１をエッチング処理して磁気抵抗素子１１０が形成される（図２（ｂ）参照）。磁気抵抗素子１１０の形成後、ウェハはロボットによって絶縁層成膜チャンバ５３へ移動される。
　絶縁層成膜チャンバ５３では、電気的絶縁性を有する薄い非反応性層を成膜して表面安定化処理が行われる（図２（ｃ）参照）。
　次に、表面安定化処理が施された磁気抵抗素子は、３層のハードバイアス積層体（下地層／磁性層／キャッピング層）の成膜を行うために、ロボットによって３ＰＣＭチャンバ１へ移動される。
　３ＰＣＭチャンバ１では、３基のマグネトロン・カソードユニット３１、３２、３の各ターゲット（Ｃｒ、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｔａなど）を用いて、ハードバイアス積層体（下地層／磁性層／キャッピング層）が成膜される。３ＰＣＭチャンバ１におけるハードバイアス積層体の成膜手順は、第１の実施形態で説明した通りであり、説明を省略する。
　ハードバイアス積層体の成膜後、完成ウェハは格納庫４４に戻される。
　以上説明したように、第３の実施形態の成膜装置５１および成膜方法は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に第３の実施形態によれば、ロボット・チャンバ４３に、ＩＢＥチャンバ５２および絶縁層成膜チャンバ５３を接続しているので、磁気抵抗素子の形成、絶縁層の成膜、ハードバイアス積層体の成膜の一連の工程を連続的に行える。
　なお、共形な絶縁層カバレッジを得るためには、化学的気相成膜（ＣＶＤ）技術が必要な場合がある。この場合には、別のチャンバを接続して、低真空チャンバをロボット・チャンバ４３から絶縁するのが最良である。
　（第４の実施形態）
　〔装置構成〕
　次に、図８を参照して、図１のｉＰＶＤ装置１を主体とした第４の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置について説明する。図８は、第４の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。
　図８に示すように、本実施形態の成膜装置６１は、図１のｉＰＶＤ装置１を本体とした図６の成膜装置４１を備えている。説明の便宜上、図６の成膜装置４１を構成するロボット・チャンバ４３を第１ロボット・チャンバ（ＲＣ１チャンバ）という。本実施形態の成膜装置６１は、図７の成膜装置５１と同様に、ＲＣ１チャンバ４３にイオンビーム・エッチング（ＩＢＥ）チャンバ５２を接続配置している。
　さらに、本実施形態の成膜装置６１は、接続モジュール６２を介して、ＲＣ１チャンバ４３に第２ロボット・チャンバ（ＲＣ２チャンバ）６３を接続している。ＲＣ２チャンバ６３には、絶縁層成膜チャンバ５３、第１反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ１）チャンバ６４および第２反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ２）チャンバ６５を接続配置している。
　すなわち、本実施形態の成膜装置６１は、ＩＢＥやＲＩＥによって本来の装置でのＴＭＲスタックのパターン化と絶縁を実行可能な装置を構成している。また、３ＰＣＭチャンバ１およびＩＢＥチャンバ５２は高真空であり、接続モジュール６２およびＲＣ２チャンバ６３を介して、低真空のＲＩＥチャンバ６４、６５を隔離した２ブロックの集合体構造を構成している。
　〔成膜方法〕
　次に、図２および図８を参照して、第４の実施形態の成膜装置６１を用いた成膜方法について説明する。
　第４の実施形態の成膜方法は、まず、ロボット・チャンバ４３内のハンドリング・ロボットが格納庫４４のカセットからウェハを取り出し、本来の処理装置であるＩＢＥチャンバ５２へ移動される。
　ＩＢＥチャンバ５２では、磁気抵抗素子用積層体１５１をエッチング処理して、磁気抵抗素子１１０が形成される（図２（ｂ）参照）。磁気抵抗素子１１０の形成後、ＲＣ１チャンバ４３およびＲＣ２チャンバ６３のロボットを経由して、ウェハがＲＩＥ１チャンバ６４へ移動される。
　ＲＩＥ１チャンバ６４において、ハードマスクはＣＦ4化学処理などによるイオンビーム・エッチング（ＩＢＥ）または反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）でエッチング処理される。その後、フォトレジストのアッシングのために酸素プラズマ・プロセスが行われる。
　次に、ウェハは、ＲＣ２チャンバ６３のロボットにより、ＲＩＥ２チャンバ６５に移動され、メタノール・エッチング処理が行われる。さらに、ＲＩＥ２チャンバ６５では、磁気抵抗素子１１０の接合壁面から酸化物を除去するため、Ａｒイオン・エッチング処理を実施する。これに限るものではなく、上記ＩＢＥチャンバ５２で低イオン・エネルギーのＩＢＥ処理を行って酸化物を除去してもよい。その後、ＲＣ２チャンバ６３のロボットにより、ウェハは絶縁層成膜チャンバ５３に移動される。
　絶縁層成膜チャンバ５３では、原子層成膜（ＡＬＤ）でアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や化学気相成膜（ＣＶＤ）でＳｉ－Ｎを成膜して表面安定化処理が行われる。
　絶縁層の成膜後、ウェハはＲＣ２チャンバ６３およびＲＣ１チャンバ４３のロボットを経由して、３ＰＣＭチャンバ１まで移動される。
　３ＰＣＭチャンバ１では、３基のマグネトロン・カソードユニット３１、３２、３の各ターゲット（Ｃｒ、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｔａなど）を用いて、ハードバイアス積層体（下地層／磁性層／キャッピング層）が成膜される。３ＰＣＭチャンバ１におけるハードバイアス積層体の成膜手順は、第１の実施形態で説明した通りであり、説明を省略する。
　ハードバイアス積層体の成膜後、完成ウェハは格納庫４４のカセットに移される。なお、フォトレジストがミリングされた再蒸着材とハードバイアス材で覆われるＩＢＥプロセスでは、キャッピング層の成膜後、さらにＩＢＥ処理を鋭角で行うことができる。これにより、フォトレジスト側壁に次のウェットエッチング・プロセスを行うことができる。
　以上説明したように、第４の実施形態の成膜装置６１および成膜方法は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に第４の実施形態によれば、接続モジュール６２およびＲＣ２チャンバ６３を介して、３ＰＣＭチャンバ１等の高真空チャンバと、ＲＩＥチャンバ６４、６５等の低真空チャンバを隔離した２ブロックの集合体構造を構成できる。これらのチャンバは、接続モジュール６２を介して統合されたＲＣ１チャンバ４３およびＲＣ２チャンバ６３に接続され、ロボットがウェハをハンドリングするので、ウェハが外気に晒されることはない。
　なお、ＲＣ１チャンバ６３には別の３ＰＣＭチャンバまたは２ＰＣＭチャンバを接続できる。これにより、より複雑なハードバイアス積層体の製造が可能となる。例えば、ＲＣ１チャンバ６３に接続された２ＰＣＭチャンバや３ＰＣＭチャンバの場合、下地層は結晶配向制御のために別組成となる２つの層、Ｍｓと保磁力を最適化するために２層に分割されている磁性層、および単一キャッピング層で形成できる。シールド間の距離が小さい場合、薄いハードバイアス積層体が重要となる。このため、長手記録媒体の開発のために行われてきた結晶配向制御と磁性層の最適化が有効となる。
　（第５の実施形態）
　次に、図９および図１０を参照して、同一チャンバ内に２つのターゲットを配置したイオン化ＰＶＤ装置（ｉＰＶＤ装置）を主体とした第５の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置について説明する。図９は、第５の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。
　図９に示すように、本実施形態の成膜装置７１は、２つのターゲットを配置したｉＰＶＤ装置８１を備え、これにウェハ処理ユニット４２、ロボット・チャンバ４３および物理的気相成膜（ＰＶＤ）チャンバ７２を接続して集合装置を構成している。なお、以下の説明において、ｉＰＶＤ装置８１はチャンバ１０内に２つのターゲットを配置しているので、説明の便宜上、「２ＰＣＭチャンバ」という。
　ウェハ処理ユニット４２は前面開放式格納庫（ＦＯＵＰ）４４を備え、この格納庫４４内に基板（ウェハ）を載置したカセットを収容している。
　ロボット・チャンバ４３は不図示のハンドリング・ロボットを備え、２ＰＣＭチャンバ８１およびウェハ処理ユニット４２との間に接続配置されている。したがって、２ＰＣＭチャンバ８１、ＰＶＤチャンバ７２およびウェハ処理ユニット４２のそれぞれの装置へのウェハの受け渡しは、ロボット・チャンバ４３内のハンドリング・ロボットの操作により行われる。
　図１０は、第５の実施形態に用いるｉＰＶＤ装置を示す模式図である。なお、図１のｉＰＶＤ装置（３ＰＣＭチャンバ）１と同様の構成部材については、同一の符号を付している。図１０に示すように、本実施形態のｉＰＶＤ装置（２ＰＣＭチャンバ）８１は、マグネトロン・カソードユニットの数が図１のｉＰＶＤ装置（３ＰＣＭチャンバ）１と異なっており、その他は概ね同様の構成を有している。
　本実施形態のｉＰＶＤ装置（２ＰＣＭチャンバ）８１では、第３ターゲットを取り付ける第３マグネトロン・カソードユニット３３が設けられていない。したがって、基板ホルダ２２は初期高さと第２高さの２段階制御されるようになっている。
　第３のターゲットの成膜は、ロボット・チャンバ４３に接続配置されたＰＶＤチャンバ７２内で行われる。このＰＶＤチャンバ７２では、Ｔａなどのキャッピング層に従来のスパッタリングを行うためのＤＣ電力機能を少なくとも１つ搭載している。
　〔成膜方法〕
　次に、図９および図１０を参照して、第５の実施形態の成膜装置７１を用いた成膜方法について説明する。
　第５の実施形態の成膜方法は、まず、ロボット・チャンバ４３内のハンドリング・ロボットが格納庫４４のカセットからウェハを取り出し、２ＰＣＭチャンバ８１に移動される。
　２ＰＣＭチャンバ８１では、第１マグネトロン・カソードユニット３１に、ＲＦ電源から周波数６０ＭＨｚ以上で０．５～３ｋＷのＲＦ１電力を供給する。そして、ターゲットの表面に３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を発生させ、基板上に第１ターゲットをスパッタリングし、例えば、Ｃｒ合金などの下地層が成膜される。この下地層の成膜の間、基板ホルダ２２は初期高さに維持されている。
　次に、ＲＦ電源を切り替え、第２マグネトロン・カソードユニット３２に、ＲＦ電源から周波数６０ＭＨｚ以上で１～５ｋＷのＲＦ２電力を供給する。そして、ターゲットの表面に３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を発生させ、基板上に第２ターゲットをスパッタリングし、例えば、Ｃｏ－Ｐｔなどの磁性層が成膜される。この磁性層の成膜の間、基板ホルダ２２は第２高さに上昇維持されている。また、第２マグネトロン・カソードユニット３２の距離調整機構を制御して、マグネトロンとターゲットとの間の距離（Ｔ／Ｍ距離）を広げて磁界を弱める。
　次に、ロボットにより、下地層／磁性層の形成後のウェハがＰＶＤチャンバ７２に移動され、キャッピング層の成膜が行われる。このキャッピング層の成膜は、ＤＣまたは好ましくはＲＦ（イオン化）スパッタリングによって行うことができる。ＰＶＤチャンバ７２内の基板ホルダ２２は、第３高さに設定されている。
　そして、ロボットにより、完成ウェハは格納庫４４内へ戻される。
　以上説明したように、第５の実施形態の成膜装置７１および成膜方法は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に第５の実施形態によれば、ロボット・チャンバ４３を介して、ウェハ処理ユニット４２およびＰＶＤチャンバ７２を接続しているので、処理前のウェハおよび処理済みのウェハのハンドリングが容易である。また、ロボット・チャンバ４３を介して、３ＰＣＭチャンバ１、ＰＶＤチャンバ７２およびウェハ処理ユニット４２が接続されているので、ウェハが外気に晒されることがない。
　（第６の実施形態）
　次に、図１１を参照して、図１０のｉＰＶＤ装置８１を主体とした第６の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置について説明する。図１１は、第６の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。
　図１１に示すように、本実施形態の成膜装置９１は、図１０のｉＰＶＤ装置８１を主体とした図１０の成膜装置７１を備えている。本実施形態の成膜装置９１は、図１０の成膜装置７１に加え、イオンビーム・エッチング（ＩＢＥ）チャンバ、絶縁層成膜チャンバ５３、ＰＶＤチャンバ７２および反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）チャンバ９２を備えている。
　すなわち、本実施形態の成膜装置９１は、中央のロボット・チャンバ４３に、ＩＢＥチャンバ５２、絶縁層成膜チャンバ５３、ＰＶＤチャンバ７２およびＲＩＥチャンバ９２を接続配置している。従って、ウェハ処理ユニット４２、３ＰＣＭチャンバ１、ＩＢＥチャンバ５２、絶縁層成膜チャンバ５３、ＰＶＤチャンバ７２およびＲＩＥチャンバ９２の各装置へのウェハの受け渡しは、ロボット・チャンバ４３内のロボットの操作により行われる。
　ＲＩＥチャンバ９２は、メタノール化学処理を備えている。絶縁層成膜チャンバ５３は、原子層蒸着（ＡＬＤ）、化学気相成膜（ＣＶＤ）またはイオン化ＰＶＤのチャンバのいずれかで構成される。特に、共形の絶縁被膜が得られるＣＶＤまたはＡＬＤチャンバであることが好ましい。より柔軟にハードバイアス積層体構造とカバレッジを得るため、ＰＶＤチャンバ９２の代わりに、単一ターゲットのｉＰＶＤチャンバまたは２ＰＣＭチャンバを配置してもよい。
　なお、前面開放式格納庫（ＦＯＵＰ）４４を備えたウェハ処理ユニット４２、およびロボット・チャンバ４３は、第５の実施形態と同様に構成されている。
　〔成膜方法〕
　次に、図１１を参照して、第６の実施形態の成膜装置９１を用いた成膜方法について説明する。
　第６の実施形態の成膜方法は、まず、ロボット・チャンバ４３内のハンドリング・ロボットが格納庫４４のカセットからウェハを取り出し、本来の処理装置であるＩＢＥチャンバ５２に移動される。ウェハには、磁気抵抗素子用積層体とパターン化フォトレジストが形成されている。
　ＩＢＥチャンバ５２では、磁気抵抗素子用積層体をエッチング処理して、磁気抵抗素子が形成される。
　磁気抵抗素子の形成後、ウェハはロボットによって絶縁層成膜チャンバ５３に移動され、電気的絶縁性を有する薄い非反応性層を成膜して表面安定化処理が行われる。表面安定化処理が施された磁気抵抗素子は、３層のハードバイアス積層体（下地層／磁性層／キャッピング層）の成膜を行うために、ロボットによって２ＰＣＭチャンバ８１に移動される。
　２ＰＣＭチャンバ８１では、第１マグネトロン・カソードユニット３１に、ＲＦ電源から周波数６０ＭＨｚ以上で０．５～３ｋＷのＲＦ１電力を供給する。そして、ターゲットの表面に３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を発生させ、基板上に第１ターゲットをスパッタリングし、例えば、Ｃｒ合金などの下地層が成膜される。この下地層の成膜の間、基板ホルダ２２は初期高さに維持されている。
　次に、ＲＦ電源を切り替え、第２マグネトロン・カソードユニット３２に、ＲＦ電源から周波数６０ＭＨｚ以上で１～５ｋＷのＲＦ２電力を供給する。そして、ターゲットの表面に３０ｍＴ（３００Ｇ）以下の磁界を発生させ、基板上に第２ターゲットをスパッタリングし、例えば、Ｃｏ－Ｐｔなどの磁性層が成膜される。この磁性層の成膜の間、基板ホルダ２２は第２高さに維持されている。また、第２マグネトロン・カソードユニット３２の距離調整機構を制御して、マグネトロンとターゲットとの間の距離（Ｔ／Ｍ距離）を広げて磁界を弱める。
　次に、ロボットにより、下地層／磁性層の形成後のウェハがＰＶＤチャンバ７２に移動され、キャッピング層の成膜が行われる。このキャッピング層の成膜は、ＤＣまたは好ましくはＲＦ（イオン化）スパッタリングによって行うことができる。ＰＶＤチャンバ７２内の基板ホルダ２２は、第３高さに設定されている。
　そして、ロボットにより、完成ウェハは格納庫４４内へ戻される。
　以上説明したように、第６の実施形態の成膜装置９１および成膜方法は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に第６の実施形態によれば、ロボット・チャンバ４３に、ＩＢＥチャンバ５２および絶縁層成膜チャンバ５３を接続しているので、磁気抵抗素子の形成、絶縁層の成膜、ハードバイアス積層体の成膜の一連の工程を連続的に行える。また、これらの処理チャンバは、ロボット・チャンバ４３を介して接続されているので、ウェハが外気に晒されることもない。
　なお、共形な絶縁層カバレッジを得るためには、化学的気相成膜（ＣＶＤ）技術が必要な場合がある。この場合には、別のチャンバを接続して、低真空チャンバをロボット・チャンバ４３から絶縁するのが最良である。
　（第７の実施形態）
　次に、図１２を参照して、図１のｉＰＶＤ装置（３ＰＣＭ）１および図１０のｉＰＶＤ装置（２ＰＣＭ）８１を主体とした第７の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置について説明する。図１２は、第７の実施形態のハードバイアス積層体の成膜装置を示す概略図である。
　図１２に示すように、本実施形態の成膜装置１０１は、図１のｉＰＶＤ装置１を主体とした図８の成膜装置６１を備えている。すなわち、本実施形態の成膜装置１０１は、図８の成膜装置６１に加え、第１ロボット・チャンバ（ＲＣ１チャンバ）４３に図１０のｉＰＶＤ装置（２ＰＣＭ）８１を接続配置している。すなわち、本実施形態の成膜装置１０１は、ｉＰＶＤ装置（３ＰＣＭ）１およびｉＰＶＤ装置（２ＰＣＭ）８１を備え、これらのチャンバ１、８１内で連続してハードバイアス積層体を成膜する。
　第４の実施形態と同様に、本実施形態の成膜装置１０１は、イオンビーム・エッチング（ＩＢＥ）や反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって本来の装置での磁気抵抗素子のパターン化と絶縁を実行可能な装置を構成している。また、３ＰＣＭチャンバ１、２ＰＣＭチャンバ８１およびＩＢＥチャンバ５２は高真空であり、接続モジュール６２およびＲＣ２チャンバ６３を介して、低真空のＲＩＥチャンバ６４、６５を隔離した２ブロックの集合体構造を構成している。
　〔成膜方法〕
　次に、図２および図１２を参照して、第７の実施形態の成膜装置１０１を用いた成膜方法について説明する。
　第７の実施形態の成膜方法は、まず、ロボット・チャンバ４３内のハンドリング・ロボットが格納庫４４のカセットからウェハを取り出し、本来の処理装置であるＩＢＥチャンバ５２へ移動される。
　ＩＢＥチャンバ５２では、磁気抵抗素子用積層体１５１をエッチング処理して、磁気抵抗素子１１０が形成される（図２（ｂ）参照）。このＩＢＥチャンバ５２は、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）の前にＴａ金属ハードマスクを定着する場合、またはハードバイアス積層体成膜前に磁気抵抗素子を完全にエッチングする場合に使用できる。磁気抵抗素子の形成後、ＲＣ１チャンバ４３およびＲＣ２チャンバ６３のロボットを経由して、ウェハがＲＩＥ１チャンバ６４へ移動される。
　ＲＩＥ１チャンバ６４において、ハードマスクはＣＦ4化学処理などによるイオンビーム・エッチング（ＩＢＥ）または反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）でエッチング処理される。
　次に、ウェハは、ＲＣ２チャンバ６３のロボットにより、ＲＩＥ２チャンバ６５に移動され、Ｏ2プロセスによるフォトレジスト・アッシングと磁気抵抗素子のメタノール・エッチングが行われる。その後、低圧のイオンビーム・ミリングを行って、接合壁面およびフィールド領域の酸化部分を除去できる。
　その後、ＲＣ２チャンバ６３のロボットにより、ウェハは絶縁層成膜チャンバ５３に移動される。
　絶縁層成膜チャンバ５３では、原子層成膜（ＡＬＤ）でアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や化学気相成膜（ＣＶＤ）でＳｉ－Ｎを成膜して表面安定化処理が行われる。
　絶縁層の成膜後、ウェハはＲＣ２チャンバ６３およびＲＣ１チャンバ４３のロボットを経由して、３ＰＣＭチャンバ１まで移動される。３ＰＣＭチャンバ１では、３層のハードバイアス積層体（下地層／磁性層／キャッピング層）が成膜される。
　さらに、２ＰＣＭチャンバ８１に移動させることにより、２ＰＣＭチャンバ８１を用いてより多くの層を製造できる。例えば、結晶配向を制御するために構成が異なる２つの層をもつ下地層を形成し、磁性層を２層に分割してＭｓと保磁力を最適化できる。
　フォトレジストがミリングされた再蒸着材とハードバイアス材で覆われるＩＢＥプロセスでは、キャッピング層の蒸着後、さらなるＩＢＥ処理を鋭角で行うことができる。これにより、フォトレジスト側壁に次のウェット・エッチングを行うことができる。
　以上説明したように、第７の実施形態の成膜装置１０１および成膜方法は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に第７の実施形態によれば、３ＰＣＭチャンバ１と２ＰＣＭチャンバ８１とを組み合わせているので、より複雑な構造のハードバイアス積層体を成膜することができる。
　また、接続モジュール６２およびＲＣ２チャンバ６３を介して、３ＰＣＭチャンバ１等の高真空チャンバと、ＲＩＥチャンバ６４、６５等の低真空チャンバを隔離した２ブロックの集合体構造を構成できる。これらのチャンバは、接続モジュール６２を介して統合されたＲＣ１チャンバ４３およびＲＣ２チャンバ６３に接続され、ロボットがウェハをハンドリングするので、ウェハが外気に晒されることはない。
　以下、実施例および比較例を挙げて、本発明の内容をさらに詳しく説明する。
　〔実施例〕
　図１に示したハードバイアス積層体の成膜装置（３ＰＣＭチャンバ）１および成膜方法を用いて、フォトレジストを用いてフィールド領域にハードバイアス積層体を形成した。なお、蒸着は、シリコン基板（ＳｉＯ2基板）上で６ＰａのＮｅガスと１０Ｗの基板バイアスで行った。
　走査型電子顕微鏡により、絶縁部位でのハードバイアス積層体の画像観察を行ったところ、磁性層はフリー層が存在していた壁にまで良好に拡張しており、シームもボイドも形成されなかった。
　このような良好なハードバイアス積層体が得られた理由を検討するため、以下の実験を行った。
　図１３は、２つのマグネトロンのアスペクト比ＡＲ＝１．５のトレンチに関するカバレッジ・データを示す説明図である。
　図１３において、マグネトロン１は、ＣｏＰｔターゲット表面に最大２００ｍＴ（２ｋＧ）の平均磁界を生じるが、マグネトロン２では最大１００ｍＴ（１ｋＧ）の磁界となる。磁界は、マグネトロン磁極片の間でターゲット表面と平行して測定されている。磁界が大きくなるにつれてカバレッジが若干減少しているが、重大ではない。
　いずれのデータも、ＲＦ電力１０００ＷにＤＣ電力３００Ｗを重畳供給した場合である。図１３において、ダイヤモンド記号で示すように、ＤＣ電力を排除してＲＦ電力を１９００Ｗに増やすと、カバレッジまたはイオン化が改善される。
　なお、１００％に近い割合は、スパッタ粒子の良好な垂直方向性を証明している。
　次に、図１４は、マグネトロン２でターゲット表面の磁界を減少させることにより、さらにイオン化が改善される状況を示す説明図である。磁界は、ターゲットの厚さ、またはターゲットとマグネトロンとの間の距離（Ｔ／Ｍ距離）を大きくすることによって減少させた。
　図１４中のＡおよびＢは比較例としての図１３のデータであり、磁界は最大１００ｍＴ（１ｋＧ）である。図１４中のＣの条件として、磁界を３０ｍＴ（３００Ｇ）に減少させた。図１４中のＤの条件では、磁界をさらに１５ｍＴ（１５０Ｇ）にまで減少させた。
　このように、ターゲットの厚さ、またはターゲットとマグネトロンとの間の距離（Ｔ／Ｍ距離）を大きくすることにより、ＢからＤまでの磁界が系統的に減少する。特にＤでは、最良のカバレッジ・パフォーマンスが得られている。
　図１５は、種々のガスを使用した場合のカバレッジを示す説明図である。
　図１５に示すように、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）およびキセノン（Ｘｅ）を用いて、ガス圧力（Ｐａ）に対するカバレッジ（％）の比較実験を行った。最良のカバレッジを示すのはＮｅであり、特に３Ｐａよりも高圧の場合に最良なカバレッジが得られている。
　Ａｒに比して、Ｎｅで良好な結果が得られるのは、その断面とイオン質量が小さいことに起因すると考えられる。これらの要素により、特にプラズマ・シースでの平均自由行路とスパッタ粒子の直進性が拡大される。低圧でＮｅガスを使用するとスパッタ率は低減するが、相対圧力（３Ｐａ以上）ではＡｒガスの約２倍になる。Ａｒでは、スパッタ粒子のほとんどが拡散して、ターゲットとチャンバ壁に戻される。
　６ＰａのＮｅ処理ガスでは、良好な接合部のカバレッジが得られたが、一部のＴＥＭ画像でボイド形成の兆候が観察された。低電力バイアスを印可することにより、致命的なボイドは形成されなかった。１０Ｐａの高圧では、ボイドを排除するために基板バイアスは不要であった。
　このように本発明者は、磁界の低下から最大の効果が得られ、これによりプラズマの密度が低下することや、ターゲットと基板との間の広い領域にプラズマが拡散することを見いだした。
　図１６は、ＳｉＯ2基板上のＣｏ－２５Ｐｔ（２５ｎｍ）／ＣｒＴｉ（５ｎｍ）の膜保磁力（Ｈｃ）を示す説明図である。図１６に示すように、Ｃｏ－２５Ｐｔ／ＣｒＴｉの保磁力をＡｒとＮｅを使用して比較した。膜保磁力の良好なＮｅについては、基板バイアスを０Ｗと１０Ｗで比較した。膜保磁力は、Ｎｅガスを使用し、比較的弱い基板バイアスを設定することによって改善されることが分かる。
　〔比較例〕
　比較例として、従来のイオン化物理的気相成膜装置（ｉＰＶＤ装置）を用いて、従来の一般的な成膜方法でフォトレジストを用いてフィールド領域にハードバイアス積層体を形成した。成膜条件は、本発明の成膜方法を逸脱するように設定した。
　図１７は、比較例の成膜方法で形成したハードバイアス積層体を示す概略図である。図１７に示すように、基板面と平行な領域に高密度の膜Ｈがあり、接合壁面に多孔質膜Ｐがある膜が形成された。イオン化ＰＶＤを使用した場合には、視準が改善されたハードバイアス積層体が成膜された。シャドーイング効果は低減されているが、低エネルギー中性粒子が存在するために、接合壁付近および急傾斜の接合壁に多孔質膜が形成される。
　また、図１８は、トレンチの埋め込みの観察状態を示す概略図である。図１８を参照して、図１７のハードバイアス積層体には、トレンチの埋め込みに観察されるのと同様のボイドＢやシームＳが明確に存在している。磁性層の高密度の部分Ｈがフリー層近傍に存在しないため、磁界バイアス効果はほとんどまたは全く存在しない。一部の例では、ケミカル・ミリング・プロセス（ＣＭＰ）で接合壁の三角形の部分が除去される。これは読み取りデバイスにとっては致命的である。
　１、４１、５１、６１、７１、８１、９１、１０１：成膜装置、１０：チャンバ、１７：ガス圧調整機構、２１：基板、２２：基板ホルダ、３１、３２、３３：マグネトロン・カソードユニット、３８：距離調整機構、４２：ウェハ処理ユニット、４３、６３：ロボット・チャンバ、４４：格納庫、５２：イオンビーム成膜チャンバ、５３：絶縁層成膜チャンバ、６４、６５：反応性イオン・エッチング・チャンバ、１０２：磁気センサ積層体、１１０：磁気抵抗素子（リーダースタック）、１１０ａ、１１０ｂ：接合壁面、１１１：プレシード層、１１２：シード層、１１３：反強磁性ピニング層（ＡＦＭ層）、１１４：シンセティックアンチフェロ層（ＳＡＦ層）、１１４ａ：ピンド層（強磁性体層）、１１４ｂ：カップリング層、１１４ｃ：リファレンス層（強磁性体層）、１１５：スペーサ層、１１６：フリー層、１１７ａ、１１７ｂ：キャップ層、１１９：絶縁層、１２０：ハードバイアス積層体、１２１：下地層、１２２：磁性層、１２３：キャッピング層、１２４：フィールド領域、１３１：ボトムシールド層（基板）、１３２：トップシールド層、１４１：フォトレジストマスク

Claims (49)

  1. 　基板上に配置した磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層、磁性層、キャッピング層を有し、前記素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜するハードバイアス積層体の成膜方法であって、
    　チャンバの内部の処理空間を排気する手順と、
    　前記処理空間にＮｅもしくはＡｒ、またはＮｅを含む処理ガスを導入する手順と、
    　前記下地層、磁性層、キャッピング層のいずれかの層をスパッタリングにより成膜する手順と、
    を有することを特徴とするハードバイアス積層体の成膜方法。
  2. 　前記処理ガスを導入する手順は、前記処理ガスを導入して、２０Ｐａ以下のガス圧力に調整する手順であり、
    　更に、ターゲットの表面に、３０ｍＴ以下の磁界を印可する手順を有することを特徴とする請求項１に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  3. 　前記下地層、磁性層、キャッピング層のいずれかの層を成膜する手順は、
    　基板を載置する基板ホルダを初期高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第１マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である金属またはその合金から構成される第１ターゲット材料を基板にスパッタし、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層を成膜する手順と、
    　前記基板ホルダを第２高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第２マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、ＣｏおよびＰｔを含有する六方晶構造（ｈｃｐ）合金から構成される第２ターゲット材料を基板にスパッタし、磁性層を成膜する手順と、
    　前記基板ホルダを第３高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第３マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＶおよびＷまたはその合金から構成される第３ターゲット材料を基板にスパッタし、キャッピング層を成膜する手順と、
    を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  4. 　前記基板ホルダは上下移動可能であって、初期高さ、第２高さ、第３高さが段階的に高さ調整されることを特徴とする請求項３に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  5. 　前記磁性層を成膜する第２ターゲット材料をスパッタする際に、第２ターゲットの表面の磁界を減少させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  6. 　前記ターゲット表面の磁界を１０～２０ｍＴに設定することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  7. 　前記第３ターゲットの構成材料が第１ターゲットの構成材料から作られることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  8. 　各ターゲットは基板載置面に対して１０度～３０度で傾けられていることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  9. 　前記処理ガスが３～１５Ｐａのガス圧力に調整されることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  10. 　前記基板ホルダに、周波数１３．５６ＭＨｚ以上であるが前記カソード側の電源の電力周波数と異なるバイアスを印可する高周波電力を供給すると共に、５０Ｗ未満の電力で供給することを特徴とする請求項３から請求項９のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  11. 　前記第１ターゲット材料が、前記磁気抵抗素子に配置された絶縁層の上に成膜され、該絶縁層はＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｓｉ－Ｎ、ＨｆＯ2またはこれらの組み合わせから選択されて形成されることを特徴とする請求項３から請求項１０のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  12. 　前記第１ターゲットにより成膜される下地層の厚みは３～７ｎｍで、結晶配向が（１１０）であることを特徴とする請求項３から請求項１１のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  13. 　前記第２ターゲットにより成膜される磁性層の厚みは１０～４０ｎｍで、Ｃ軸が平面に配向するように結晶配向が（１０．０）であることを特徴とする請求項３から請求項１２のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  14. 　前記第１マグネトロン・カソードユニットに供給される高周波電力は０．５～３ｋＷであって、第２および第３マグネトロン・カソードユニットに供給される高周波電力は１～５ｋＷであることを特徴とする請求項３から請求項１３のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  15. 　前記下地層および磁性層と、前記キャッピング層と、が同一のチャンバの内部で成膜されることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  16. 　前記下地層および磁性層と、前記キャッピング層と、が別個のチャンバの内部で成膜されることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  17. 　前記チャンバにハンドリング・ロボットを備えたロボット・チャンバが接続され、該ロボットが外気に晒されないようにチャンバの間の基板の移動を行うことを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  18. 　前記ロボット・チャンバに、エッチング処理を行うチャンバと、絶縁層の成膜を行うチャンバが接続され、ハードバイアス積層体の成膜の前処理として、前記磁気抵抗素子のエッチング処理、および絶縁層の成膜が行われることを特徴とする請求項１７に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  19. 　前記エッチング処理は、イオンビーム・エッチングまたは反応性イオン・エッチングであることを特徴とする請求項１８に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  20. 　前記エッチング処理が、ＣＦ4化学処理または酸素プラズマ・プロセスを伴うことを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  21. 　前記エッチング処理が、メタノール・エッチングを伴うことを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  22. 　前記絶縁層の成膜は、化学的気相成膜（ＣＶＤ）または原子層成膜（ＡＬＤ）であることを特徴とする請求項１８に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  23. 　前記絶縁層の成膜は、化学的気相成膜によるＳｉ－Ｎ、または原子層成膜によるＡｌ2Ｏ3の成膜であることを特徴とする請求項２２に記載のハードバイアス積層体の成膜方法。
  24. 　請求項１から２３のいずれか１項に記載された方法によりハードバイアス積層体が成膜されることを特徴とする磁気センサ積層体の製造方法。
  25. 　基板上に配置した磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層、磁性層、キャッピング層を有し、前記素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜するハードバイアス積層体の成膜装置であって、
    　処理空間を形成するチャンバと、
    　前記処理空間の下部で、処理対象である基板をその中心軸周りに回転可能に支持すると共に、段階的に上下移動可能に支持する基板ホルダと、
    　前記処理空間における前記基板ホルダの斜め上方に配置され、前記基板載置面に対して傾斜させると共に、前記基板ホルダの中心軸から基板載置面方向へ等間隔にずらして配置された、カソード表面側にターゲットを支持可能な複数のマグネトロン・カソードユニットと、
    　前記チャンバの内部を排気可能な排気系と、
    　前記チャンバの内部に処理ガスを導入するガス導入系と、
    　前記チャンバの内部のガス圧を微調整可能なガス圧調整機構と、
    　前記マグネトロン・カソードユニットに電力を供給する電源と、
    　前記基板ホルダに電力を供給して基板バイアスを印可する電源と、
    を備え、
    　前記複数のマグネトロン・カソードユニットうち、少なくとも一つはマグネトロンとカソードとの間の距離を段階的に制御可能な距離調整機構を有していることを特徴とするハードバイアス積層体の成膜装置。
  26. 　前記カソード側の電源は複数のマグネトロン・カソードユニットに電気的に共通接続され、各マグネトロン・カソードユニットに選択的に高周波電力を供給しうるように切り替え機構を備えていることを特徴とする請求項２５に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  27. 　前記ターゲットは第１から第３ターゲットからなり、
    　前記第１ターゲットは体心立方晶構造（ｂｃｃ）である金属またはその合金であり、
    　前記第２ターゲットは、Ｃｏ及びＰｔを含有する六方晶構造（ｈｃｐ）である磁性合金であり、
    　前記第３ターゲットは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＶおよびＷまたはその合金から選択され、
    　前記チャンバ内に処理ガスを導入し、第１、第２、および第３ターゲットを支持するカソードに高周波電力を連続して供給して、ハードバイアス積層体を成膜することを特徴とする請求項２３または請求項２６に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  28. 　前記ターゲットは第１から第３ターゲットからなり、
    　前記第１ターゲットはＣｒ合金であり、
    　前記第２ターゲットは、Ｃｏ－Ｐｔ（Ｐｔの含有量が少なくとも原子量率２０％）の六方晶構造（ｈｃｐ）である磁性合金であり、
    　前記第３ターゲットはＴａであって、
    　成膜中に基板ホルダが回転し、各成膜中の基板ホルダの位置が初期高さ、第２高さ、第３高さに段階的に制御されることを特徴とする請求項２７に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  29. 　各カソードが基板載置面に対して１０度～３０度で傾き、基板ホルダの中心軸を基準として、カソード中心が基板載置面方向に等間隔でずれていることを特徴とする請求項２５から請求項２８のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  30. 　各カソードが基板載置面に対して１０度～２０度で傾き、基板ホルダの中心軸を基準としたカソード中心の基板載置面方向のずれが少なくとも１００ｍｍで、カソード中心が基板ホルダの中心軸方向に沿って基板処理面から５０～２５０ｍｍ離れて設定されていることを特徴とする請求項２９に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  31. 　前記カソード側の電源の周波数が６０ＭＨｚで出力密度が４Ｗ／ｃｍ2以上であり、前記基板バイアスの周波数が１３．５６ＭＨｚまたは５０～７０ＭＨｚであるがカソード側の電力周波数と異なることを特徴とする請求項２５から請求項３０のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  32. 　前記基板ホルダに基板バイアスを印可する電源が、５０Ｗ未満の電力を供給するように設定されていることを特徴とする請求項２５から請求項３１のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  33. 　前記カソードの裏面側には、複数の永久磁石を縦横に配置した磁石アセンブリを有するマグネトロンを備えており、前記カソードの表面側にカスプ磁界を形成することを特徴とする請求項２５から請求項３２のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  34. 　前記下地層を成膜する第１ターゲットを支持するカソードおよび前記磁性層を成膜する第２ターゲットを支持するカソードと、前記キャッピング層を成膜する第３ターゲットを支持するカソードと、が同一のチャンバの内部に配置されている請求項２５から請求項３３のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  35. 　前記下地層を成膜する第１ターゲットを支持するカソードおよび前記磁性層を成膜する第２ターゲットを支持するカソードと、前記キャッピング層を成膜する第３ターゲットを支持するカソードと、が別個のチャンバの内部に配置されていることを特徴とする請求項２５から請求項３４のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  36. 　前記チャンバにハンドリング・ロボットを備えたロボット・チャンバが接続され、該ロボットが外気に晒されないようにチャンバの間の基板の移動を行うことを特徴とする請求項２５から請求項３５のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  37. 　前記ロボット・チャンバに、カセット内に基板を収納して供給する格納庫を備えたウェハ処理ユニットが接続されていることを特徴とする請求項３６に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  38. 　前記ロボット・チャンバに、ハードバイアス積層体の成膜の前処理として、前記磁気抵抗素子のエッチング処理を行うチャンバが接続されていることを特徴とする請求項３６または請求項３７に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  39. 　前記エッチング処理を行うチャンバが、イオンビーム・エッチングおよび反応性イオン・エッチングまたはそのいずれかの処理が可能なチャンバであることを特徴とする請求項３８に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  40. 　前記エッチング処理を行うチャンバが、ＣＦ4化学処理および酸素プラズマ・プロセスまたはそのいずれかを対象としていることを特徴とする請求項３８または請求項３９に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  41. 　前記エッチング処理を行うチャンバが、メタノール・エッチングを対象としていることを特徴とする請求項３８または請求項３９に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  42. 　前記ロボット・チャンバに、ハードバイアス積層体の成膜の前処理として、前記磁気抵抗素子に絶縁層を成膜するチャンバが接続されていることを特徴とする請求項３６から請求項４１のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  43. 　前記絶縁層を成膜するチャンバが、化学的気相成膜および原子層成膜またはいずれかを行うチャンバであることを特徴とする請求項４２に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  44. 　前記絶縁層を成膜するチャンバが、化学的気相成膜によるＳｉ－Ｎ、または原子層成膜によるＡｌ2Ｏ3の成膜を対象としていることを特徴とする請求項４２または請求項４３に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  45. 　単一または複数のロボット・チャンバを介して、高真空のチャンバと低真空のチャンバとが隔離されて集合体装置を形成していることを特徴とする請求項３６から請求項４４のいずれか１項に記載のハードバイアス積層体の成膜装置。
  46. 　請求項２５から４５のいずれか１項に記載された装置を備えるとを特徴とする磁気センサ積層体の製造装置。
  47. 　基板上に配置した磁気抵抗素子の対向する２つの接合壁面の側方のフィールド領域に、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層、磁性層、キャッピング層を有し、前記素子にバイアス磁界を与えるためのハードバイアス積層体を成膜するためのプログラムであって、以下の（ａ）から（ｃ）の手順を実施するためのプログラムより構成されていることを特徴とするハードバイアス積層体の成膜プログラム。
    （ａ）チャンバの内部の処理空間を排気する手順
    （ｂ）前記処理空間にＮｅもしくはＡｒ、またはＮｅを含む処理ガスを導入する手順
    （ｃ）前記下地層、磁性層、キャッピング層のいずれかの層をスパッタリングにより成膜する手順
  48. 　前記（ｂ）処理ガスを導入する手順は、前記処理ガスを導入して、２０Ｐａ以下のガス圧力に調整する手順であり、
    　更に、（ｄ）ターゲットの表面に、３０ｍＴ以下の磁界を印可する手順を実施するためのプログラムを有することを特徴とする請求項４７に記載のハードバイアス積層体の成膜プログラム。
  49. 　前記（ｃ）下地層、磁性層、キャッピング層のいずれかの層を成膜する手順は、
    　基板を載置する基板ホルダを初期高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第１マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である金属またはその合金から構成される第１ターゲット材料を基板にスパッタし、体心立方晶構造（ｂｃｃ）である下地層を成膜する手順と、
    　前記基板ホルダを第２高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第２マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、ＣｏおよびＰｔを含有する六方晶構造（ｈｃｐ）合金から構成される第２ターゲット材料を基板にスパッタし、磁性層を成膜する手順と、
    　前記基板ホルダを第３高さに設定し、該基板ホルダを回転させながら、第３マグネトロン・カソードユニットに周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＶおよびＷまたはその合金から構成される第３ターゲット材料を基板にスパッタし、キャッピング層を成膜する手順と、
    を有することを特徴とする請求項４７または請求項４８に記載のハードバイアス積層体の成膜プログラム。
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