JPH02189986A - ニオブ膜または窒化ニオブ膜の加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、超伝導集積回路等に用いるニオブ膜または窒
化ニオブ膜の加工方法に関する。

（従来の技術） 特開昭６３−２０５９７４号公報（特願昭６２−０３７
ｓｏｏ号「ジョセフソン接合の製造方法」）にあるよう
にニオブ膜加工用のマスク材料として金属を用いること
で、微細なニオブパターンがパターン転写精度よく加工
できる。ニオブを電極材料として用いたトンネル型ジョ
セフソン接合を例にとり従来技術の説明を行う。

第３図は従来の技術を説明するための図である。

従来の技術においては、まず第３図（ａ）に示されるよ
うに基板３１上に下部電極層３２、トンネル障壁層３３
、上部電極層３４、マクス金属層３５が真空を破ること
なく連続形成され、レジストを塗布し露光、現像するこ
とによってマスク金属層３５上にレジストパターン３６
が形成される。次にレジストパターン３６以外の部分の
マスク金属層３５をエツチングする（第３図（ｂ））。

加工されたマスク金属層３５に覆われていない上部電極
層３４をエツチングし、ジョセフソン接合領域を規定す
る（第３図（Ｃ））。次に層間絶縁膜３７を形成する（
第３図（ｄ））。マスク金属層３５表面の酸化物や汚染
物を取り除いた後上部配線３８を形成しトンネル型ジョ
セフソン接合を完成する（第３図（ｅ））。

ジョセフソン接合の」一部電極３４が、超伝導集積回路
等において一般に用いられるニオブまたは窒化ニオブで
ある場合、前記マスク金属３５としてはアルミニ・クム
が最も良く適している。その理由は、ニオブまたは窒化
ニオブを加工するフッ素系ガスを用いた反応性イオンエ
ツチングにおいて、アルミニウムに対するニオブおよび
窒化ニオブのエツチング選択性が極めて高いことと、ア
ルミニウムのニオブおよび窒化ニオブに列するぬれ性が
非常に良く、わずか数ｎｍの膜厚のアルミニウムでもニ
オブや窒化ニオブの表面をピンホールなしに完全に覆え
ることから厚さ２０ｎｍ以下の極めて薄いアルミニウム
でもマスクとして用いることができるためマスクとなる
アルミニウムの加工が精度良く行えることからである。

また膜厚２０ｎｍ程度の薄いアルミニウムであれば、上
部電極３４と上部配線３８との間に存在しても（第３図
（ｅ）参照）、超伝導近接効果により上部電極３４と上
部配線３８どの間に超伝導電流が流れるためマスクとし
て用いたアルミニウムを除去する必要がない。

（発明が解決しようとする課題） 第３図（ａ）で説明したレジストの現像工程において、
現像液は、半導体製造プロセス等に一般に用いられるギ
ノソジアジド系レジストの現像液に代表されるようにア
ルカリ性の現像液が多い。特にＵＶ露光、Ｘ線露光にお
いてこれら現像液が効果的に用いられている。アルミニ
ウムは、アルカリ性の水溶液にとけやすい金属であるた
めレジストの現像中にマスク金属３５であるアルミニウ
ムは現像液によって浸蝕される。

マスク金属層３５であるアルミニウムは２０ｎｍ程度と
非常に薄いため、前記現像液の浸蝕によるマスク金属層
３５のダメージは大きく、レジストに覆われていない部
分だけでなく、レジストに覆われた部分もエツジ部を中
心に現像液により浸蝕を受ける。このためアルカリ性の
現像液による現像を行った後のアルミニウムはエツチン
グマスクとして用いることができなくなる。

本発明の目的はアルカリ性現像液を用いたレジストパタ
ーン現像時に現像液によるアルミニウムの浸蝕を防止し
、アルミニウムマスクを用いたパターン転写精度の高い
トンネル型ジョセフソン接合の加工等のニオブ膜あるい
は窒化ニオブ膜の加工を実現することにある。

（課題を解決するだめの手段） 本発明によれば、アルミニウムをマスクに用いたニオブ
または窒化ニオブの加工において前記アルミニウム上に
レジストを用いてパターンを形成する以前に酸素、フッ
素のうち少なくとも一種類の原子を含むプラズマ中に前
記アルミニ・クム表面をさらし前記アルミニウム表面に
酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、のうち少なく
とも一種類を成長させる工程を含むことを特徴とするニ
オブ膜または窒化ニオブ膜の加工方法が得られる。

さらに本発明によれば、アルミニウムをマスクに用いた
ニオブまたは窒化ニオブの加工において、レジストを用
いてパターンを形成する以前に前記アルミニウム上にニ
オブまたは窒化ニオブからなる保護層を成膜する工程と
を含むことを特徴とするニオブ膜または窒化ニオブ膜の
加工方法が′得られる。

（作用） 酸化アルミニウム、フッ化アルミニウムはいずれも金属
アルミニウムより化学的に安定であり、アルカリ水溶液
によってほとんど浸蝕されない。

そのため本発明の第１の発明によれば、現像前にマスク
金属であるアルミニウム表面にこれらのアルミニウム化
合物を成長できるため、これらのアルミニウム化合物が
保護膜となり、レジストの現像時にアルミニウムが浸蝕
されない。なお、アルミニウムを空気中にさらすことで
その表面に２ｎｍ程度の薄い酸化アルミニウムが形成さ
れるが、その程度の薄い酸化アルミニウムでは、現像液
からアルミニウムを保護するのには不十分である。

また本発明の第２の発明を用いれば、アルカリ水溶液に
よってエツチングされないニオブまたは窒化ニオブが保
護膜となりレジストの現像時にアルミニウムが混触され
ない。ニオブおよび窒化ニオブは前述したようにアルミ
ニウムとのぬれ性が良いため１０ｎｍ程度以上の膜厚が
あればアルミニウムの表面をピンホールなしに完全に覆
うことができる。またこの保護膜は、ニオブまたは窒化
ニオブなエツチングするときに同時にエツチングされる
ため後に残らない。

（実施例１） 第１図は第１の発明によるジョセフソン接合の加工工程
を示した図である。以下、第１図を用いて第１の発明の
詳細な説明を行う。

熱酸化したシリコン基板１１上に下部電極層１２として
ニオブをスパッタ法で厚さ２００ｎｍ成模する。

下部電極層１２上にアルミニウムをスパッタで６ｎｍ成
膜した後酸素４０Ｐａ、１０分間の熱酸化を行い酸化ア
ルミニウムからなる厚さ約１ｎｍのトンネル障壁層１３
を形成する。次に上部電極層１４としてニオブをスパッ
タで２００ｎｍスパッタで成膜する。上部電極層１４上
にマスク層１５としてアルミニウムをスパッタで２０ｎ
ｍ成膜する（第１図（ａ））。

なお、以」二述べた多層膜の形成は真空を破ることなく
行う。

第１図（ａ）に見られる下部電極層１２と上部電極層１
４にニオブを用い、トンネル障壁層１３として下部電極
層１２上に成膜した薄いアルミニウムの表面を酸化して
得られる酸化アルミニウムを用いた接合構成層を加工し
て得られるジョセフソン接合はＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ接
合と呼ばれ、アブライドフィジックスレターズ（Ａｐｐ
ｌｙｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）第４２巻
、第４７２頁にあるようにリーク電流の少ない優れた接
合特性を有する。もし下部電極層１２上のアルミニウム
にピンホール等があった場合リーク電流が発生すること
を考えると、ニオブとアルミニウムはぬれ性が良く、膜
厚６ｎｍのアルミニウムでも、ニオブの表面をピンポー
ルなく完全に覆っていることがわかる。このことがらマ
スク層１５のアルミニウムは２０ｎｍと比較的薄いが上
部電極層１４表面を完全に覆っていることがわかる。

マスク層１５表面を酸素圧力１００Ｐａ、電力０．５Ｗ
／ｃｍの酸素プラズマ中に１０分間さらし、マスク層１
５表面に厚さ１０ｎｍの酸化アルミニウムを成長させ保
護層１６とする（第１図（ｂ））。この酸化アルミニウ
ムからなる保護層１６の膜厚はアルミニウムを大気にさ
らすことによって表面に成長する酸化アルミニウムの膜
厚約２ｎｍに比べて約５倍厚い。代表的なキノンジアジ
ド系フォトレジストであるＡＺ−１３５０Ｊ（商品名）
をマスク層１５上に膜厚２ｐｍ塗布し、露光した後アル
カリ性の現像液ＡＺデイベロツバ−（商品名）を用いて
約１分間現像を行い、第１図（Ｃ）に示したレジストパ
ターン１７を形成する。この現像工程において、マスク
層１５であるアルミニウム表面が保護層１６に覆われれ
ていなければ、マスク層１５は現像液によって混触され
、大きなダメージを受け、エツチングマスクとして用い
ることができなくなる。本実施例による加工方法を用い
れば、第１図（Ｃ）に示されるようにマスク層１５表面
にはアルカリ性水溶液に不溶な酸化アルミニウムからな
る保護層１６が形成されているためマスク層１５は現像
液によって混触されない。

平行平板型エツチング装置を用いて、アルゴンガス圧１
．８Ｐａ、エツチングパワー、０．１６Ｗ／ｃｍの条件
で１０分間のスパッタエツチングを行い、レジストパタ
ーン１７に覆われていない保護層１６、マスク層１５を
エツチング除去してアルミニウムからなるエツチングマ
スクを形成した後、アセトンを用いてレジストパターン
１７を除去する（第１図（ｄ））。上記条件でのスパッ
タエツチングにおいてアルミニウムおよび酸化アルミニ
ウムのエツチングレートはどちらも２．５ｎｍ／分であ
る。平行平板型エツチング装置を用いて、四フフ化炭素
ガス圧５Ｐａ、エツチングパワー０．１６Ｗ／ａｍの条
件で３分間の反応性イオンエツチングを行い、エツチン
グマスクに覆われていない上部電極層１４をエツチング
除去しジョセフソン接合領域を決定する（第１図（ｅ）
）。上記四フッ化炭素を用いたエツチング条件ではニオ
ブのアルミニウムに対するエツチング選択比はエツチン
グレートがニオブ１１００ｎ／分に対してアルミニウム
１．５ｎｍ／分であるため６０以上あり、厚さ２０ｎｍ
のアルミニウムおよび酸化アルミニウムは上部電極層１
４エツチングのためのエツチングマスクに十分なりうる
。

第１図（ｅ）に示されるようにジョセフソン接合領域を
決定した後、従来の技術と同じく、第３図（ｄ）に示さ
れるように、膜厚２００ｎｍの二酸化シリコンからなる
層間絶縁膜３７を形成後、アルゴン１．８Ｐａ、エツチ
ングパワー０．１６Ｗ／ｃｍの条件で６分間のスパッタ
エツチングを行い、接合上の保護層１６を完全に取り除
き、アルミニウムを露出させる。この後ニオブ２００ｎ
ｍをスパッタで成膜、加工を施し第３図（ｅ）に示され
た上部配線３８を形成しジョセフソン接合を完成する。

本実施例では保護層１６として酸化アルミニウムを用い
たが、第１図に示す酸化アルミニウムを成長させる工程
において、酸素の代わりに四フッ化炭素、（ＣＦ４）、
ＣＨＦ３．ＣＣｌＦ３．ＣＣｌ２Ｆ２．ＣＣｌＦ２−Ｃ
Ｃ１□Ｆ、Ｆ２等のフッ素系のガスを用いることによっ
てフン化アルミニウムを成長させ保護層１６とすること
もできる。フン化アルミニウムも酸化アルミニウムと同
じくアルカリによって浸蝕されない物質であるため現像
時にアルミニウムからなるマスク層１５をアルカリ性の
現像液から保護することができる。また保護層１６を形
成するのに酸素とフッ素系ガスを同時に使ってもよい。

以上本実施例で示したように第１の発明を用いれば、レ
ジストの現像にアルカリ性の現像液を用いる場合も、膜
厚２０ｎｍ程度の薄いアルミニウムをマスクに用いたニ
オブからなる上部電極１４のエツチングが可能となり本
実施例で示したトンネル型ジョセフソン接合の加工に代
表されるパターン転写程度の良いニオブまたは窒化ニオ
ブの加工が行える。

なお本実施例ではキノンジアジド系レジストを用いたが
本発明はこれに限らず、アルカリ性の現像液を用いるレ
ジストであれば使うことができる。

（実施例２） 第２図は第２の発明によるジョセフソン接合の加工工程
を示した図である。以下第２図を用いて第２の発明の詳
細な説明を行う。

熱酸化したシリコン基板２１上に下部電極層２２として
ニオブをスパッタで２００ｎｍ成膜する。下部電極２２
上にアルミニウムをスパッタで６ｎｍ成膜した後、酸素
４０Ｐａ、１０分間の熱酸化を行い酸化アルミニウムか
らなる厚さ約１ｎｍのトンネル障壁層２３を形成する。

次に上部電極２４上にマスク層２５としてアルミニウム
をスパッタで２０ｎｍ成膜する。次にマスク層２５上に
ニオブ１０ｎｍからなる保護層２６をスパッタで成膜し
、第２図（ａ）に示される多層膜を形成する。なお以上
述べた多層膜の形成は、真空を破ることなく行う。ニオ
ブとアルミニウムは非常にぬれ性が良いため、２０ｎｍ
のマスク層２５．１０ｎｍの保護層２６でも、ピンホー
ル等の欠陥なくそのそれ上部電極２４、マスク層２５を
完全に覆っている。

代表的なギノンジアジド系フォトレジストであるＡＺ−
１３５０Ｊ（商品名）を保護層２６上に膜厚２ｐｍ塗布
し、露光した後、アルカリ性の現像液ＡＺデイベロツバ
−（商品名）を用いて約１分間現像を行い、第２図（ｂ
）に示されるレジストパターン２７を形成する。

保護層２６の材料であるニオブは、アルカリ性の水溶液
に溶解しないため、現像中にアルミニウムからなるマス
ク層２５は保護層２６によって保護され、現像液による
浸蝕を受けない。

平行平板型エツチング条件を用いて、四塩化炭素ガス圧
５Ｐａ、エツチングパワー０．１６Ｗ／Ｃｍ条件で１分
３０秒間の反応性イオンエツチングを行い、レジストパ
ターン２７に覆われていない部分の保護層２６、マスク
層２５をエツチング除去した後アセトンを用いてレジス
トパターンを除去する（第２図（Ｃ））。

上記塩素系ガスによるエツチングレートは、ニオブ、ア
ルミニウムともほぼ同程度である。

次に平行平板型エツチング装置を用いて、四フッ化炭素
ガス圧５Ｐａ　、エツチングパワー０．１６Ｗ／ｃｍの
条件で３分間の反応性イオンエツチングを行い第２図（
Ｃ）におけるマスク層２５によって覆われていない」二
部電極２４をエツチング除去しジョセフソン接合領域を
決定する（第２図（ｄ））。前記四フッ化炭素を用いた
エツチング条件ではニオブのアルミニウムに対するエツ
チング選択比は６０以上あるため、前記エツチング時に
ニオブからなる保護層２６はすべてエツチングされるが
、アルミニウムからなるマスク層２５は数ｎｍｌ、かエ
ツチングされないため、マスク層２５は上部電極エツチ
ングの有効なエツチングマスクとなる。

以上の加工方法を用いて第２図（ｄ）に示されるように
ジョフソン接合領域を決定した後は、従来の技術と同じ
方法を用いてトンネル型ジョセフソン接合を完成する。

すなわち、第３図（ｄ）に示されるように膜厚２００ｎ
ｍの二酸化シリコンからなる層間絶縁膜３７を形成し、
その後、アルゴン１．８Ｐａ、エツチングパワー０．１
６Ｗ／ｃｍの条件で６分間のスパッタエツチングを行い
、接合」−の酸化物を完全に取り除き、アルミニウムを
露出さぜた後、ニオブをスパッタで２００ｎｍ成膜し、
加工を施して第３図（ｅ）に示される上部配線３８を形
成する。

本実施例では保護層２６としてニオブを用いたが窒化ニ
オブを用いて同様の効果が得られる。

以」−本実施例で示したように第２の発明を用いればレ
ジストの現像にアルカリ性の現像液を用いる場合も、膜
厚２０ｎｍ程度の薄いアルミニウムをマスクに用いた上
部電極２４のエツチングが可能となり、本実施例で示し
た１−ンネル型ジョセフソン接合の加工に代表されるパ
ターン転写精度の良いニオブまたは窒化ニオブの加工が
行える。なお本実施例ではギノンジアジド系レジストを
用いたが、これに限らず、アルカリ性の現像液を用いる
ものなら使うことがきる。

（発明の効果） 請求項１の発明を用いれば、アルミニウムからなるマス
ク層上に酸化アルミニウムまたはフッ化アルミニウムか
らなる保護層を形成できる。

また請求項２の発明を用いれば、アルミニウムからなる
マスク層上にニオブまたは窒化ニオブからなる保護層を
形成できる。これらの保護層を用いればアルミニウムか
らなるマスク層がアルカリ性の現像液によって混触され
ないため、レジストの現像にアルカリ性の現像液を用い
ても、パターン転写精度の良いアルミニウムをマスクに
用いたニオブ膜および窒化ニオブ膜の加工を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明によるジョセフソン接合の加工方法
を説明するための断面図である。第２図は第２の発明に
よるジョセフソン接合の加工方法を説明するための断面
図である。第３図は従来の技術によるジョセフソン接合
の形成方法を説明するだめの断面図である。 図において １１．２１，３１・・・基板、１２，２２．３２・・・
下部電極層、１３．２３，３３・・件ンネル障壁層、１
４，２４．３４・・・上部電極層、１５．２５・・・マ
スク層、１６．２６・・・保護層、１７，２７，３６・
・・レジストパターン、３５・・・マスク金属層、３７
・・・層間絶縁膜、３８・・・上部配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルミニウムをマスクに用いたニオブまたは窒化ニ
   オブの加工において、前記アルミニウム上にレジストを
   用いてパターンを形成する以前に酸素、フッ素のうち少
   なくとも一種類の原子を含むプラズマ中に前記アルミニ
   ウム表面をさらし前記アルミニウム表面に酸化アルミニ
   ウム、フッ化アルミニウムのうち少なくとも一種類を成
   長させる工程を含むことを特徴とするニオブ膜または窒
   化ニオブ膜の加工方法。 ２、アルミニウムをマスクに用いたニオブまたは窒化ニ
   オブの加工において、レジストを用いてパターンを形成
   する以前に前記アルミニウム上にニオブまたは窒化ニオ
   ブからなる保護層を成膜する工程とを含むことを特徴と
   するニオブ膜または窒化ニオブ膜の加工方法。