JPH03286578A - ニオブ膜エッチング用アルミニウムマスクの加工方法 - 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、超伝導集積回路等の製造工程において用いら
れるニオブ膜エツチング用のアルミニウムマスクの加工
方法に関する。

〔従来の技術〕

超伝導集積回路等の製造工程において用いられるニオブ
膜のエツチング用マスクとしてアルミニウム膜を用いる
方法は、第３６回応用物理学会関係連合講演会予稿集第
１分冊、第７５頁講演番号４Ｐ−Ａ−４，（１９８９年
）にあるように、ニオブ膜の微細パターンが制御性良く
加工できる方法として従来知られていた。以下第２図を
用いて説明する。

まず第２図（ａ）に示すように、シリコン基板１１上に
ニオブ（Ｎｂ）膜１２を形成したのち、第２図（ｂ）に
示すように、その上にアルミニウム（Ａ１）膜１４を成
膜する。

次に第２図（Ｃ）に示すよに、アルミニウム膜１４を加
工しアルミニウムからなるマスク１４Ａを形成する。こ
のアルミニウム膜１４の加工方法としては、塩素ガスに
よる反応性イオンエツチング法が一般によく用いられる
。

次に第２図（ｄ）に示すように、マスク１４Ａを用い、
四フッ化炭素に代表されるフッ素系ガスを用いた反応性
イオンエツチング法によりニオブ膜１２を加工しニオブ
パターン１２Ａを形成する。フッ素系ガスによる反応性
イオンエツチングではアルミニウムはほとんどエツチン
グされないため、アルミニウムのマスク１４Ａは被エツ
チング物であるニオブ膜１２に比べて十分薄くできる。

上述した従来の加工方法においては、アルミニウム膜１
４はニオブ膜１２威膜後、同一真空中で連続成膜するこ
とが一般的であった。その理由は超伝導集積回路におい
ては、完成したニオブパターン１２Ａに対して、縦方向
に別のニオブパターンを積み重ね、両者の間で超伝導コ
ンタクトを取る必要がある場合があり、その際ニオブパ
ターン１２Ａとアルミニウムのマスク１４Ａとの間に酸
化物が存在するとこれを除去するために、アルミニウム
のマスク１４Ａごと取りさる必要があった。これに対し
て前記のように酸化物等が存在しないと、特開昭６３−
２０５９７４号広報にあるように、マスク１４Ａ表面の
酸化物等だけを取り去ればよいからであった。

〔発明が解決しようとする課題〕 アルミニウム膜１４の加工には、塩素ガスを用いた反応
性イオンエツチング法が最も適しているが、塩素ガスに
よる反応性イオンエツチングにおいては、エツチングレ
ートが非常に高く、かつニオブとのエツチング選択比が
低いという問題点があった。例えば、−船釣なエツチン
グ条件である塩素ガス流量３０３ＣＣＭ、塩素ガス圧力
５Ｐａ、エツチング電力０．２４Ｗ／ｃｍ３では、アル
ミニウムとニオブのエツチングレートは、どちらも約２
５０　ｎｍ７分となる。パターン転写精度を上げるため
にアルミニウムのマスク１４Ａはできるだけ薄い方が望
ましく、通常３０ｎｍ以下である。このため前記条件で
アルミニウム膜１４の加工を行うと、エツチングをアル
ミニウム膜１４だけで止めることが難しく、ニオブ膜１
２まで大きくエツチングされてしまう恐れがあった。

さらに、塩素ガスを用いる反応性イオンエツチング法に
よるアルミニウムのエツチングには、アルミニウム表面
の酸化膜等の変質層に起因するエツチングが進行しない
エツチングのオフセット時間がある。このオフセット時
間はアルミニウム膜の表面状態に応じて容易に変化する
ため、エツチングをアルミニウム膜だけで止めるのはな
おさら困難である。

エツチングレートを下げるために、エツチング電力を例
えば３分の２の０．１６Ｗ／ｃｍ２に下げると、前記ア
ルミニウム表面の変質層にアルミニウムが保護されてエ
ツチング反応はおこらず、１０分間のエツチングを行っ
てもアルミニウムはほとんどエツチングされない。この
ため、エツチング電力を低くすることによってエツチン
グレートを低すくることはできない。

ニオブパターン１２Ａの寸法精度を上げるために、複数
回の加工でアルミニウムのマスク１４Ａを形成する場合
がある。この場合も特に前述した、エツチング深さの制
御性が問題となる。

以上述べたように、従来のアルミニウムマスクの加工方
法においては、アルミニウム膜加工時に下地のニオブま
でエツチングされてしまうという問題点があった。

本発明の目的は、上記従来の技術の問題点を克服し、塩
素ガスを用いる反応性イオンエツチングによるアルミニ
ウムマスクの加工時のエツチング終点の制御性を向上さ
せたニオブ膜エツチング用アルミニウムマスクの加工方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のニオブ膜エツチング用アルミニウムマスクの加
工方法は、ニオブ膜上にアルミニウム膜を形成したのち
、塩素ガスを用いる反応性イオンエツチング法によりア
ルミニウム膜をバターニングするニオブ膜エツチング用
アルミニウムマスクの加工方法において、前記ニオブ膜
成膜後ニオブ膜表面を酸化したのちアルミニウム膜を形
成するものである。

〔作用〕

アルミニウム膜やニオブ膜表面に酸化物等の変質層があ
ると、その部分は、塩素ガスによる反応性イオンエツチ
ング法ではエツチングされず、塩素プラズマの物理的な
スパッタによりわずかにエツチングされるだけである。

このため、前記変質層が除去されない間はアルミニウム
およびニオブは塩素ガスによりエツチングされない、こ
の変質層が除去される時間がエツチングのオフセット時
間となる。

本発明においてはニオブ膜成膜後、アルミニウム膜成膜
前にニオブ膜表面を酸化する。このため、塩素ガスを用
いる反応性イオンエツチング法によるアルミニウムマス
ク加工時に、アルミニウム膜がエツチングされ終わった
段階でニオブの酸化膜が現われるため、エツチングはし
ばらくの間道まない。このニオブ膜表面の酸化膜に起因
するエツチングのオフセット時間がエツチングのマージ
ンとなり、従来困難であった下地のニオブ膜をエツチン
グすることなしにアルミニウム膜だけをエツチングする
ことが可能となる。

なお、完成したニオブパターンと上層のニオブパターン
との間の超伝導コンタクトを取る際に、このニオブパタ
ーンとアルミニウムマスクとの間の酸化物は邪魔になる
が、アルミニウムマスクが比較的薄いことと、超伝導コ
ンタクトを取る際に行うアルゴンガスを用いたスパッタ
エツチングにおいて、アルミニウムのエツチングレート
はニオブのエツチングレートの約２．５倍であることか
ら、超伝導コンタクトを取る際にアルミニウムマスクを
除却した上でニオブ表面の酸化物を取り去ることはさほ
ど困難なことではない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を説明するための工程順に示
した半導体チップの断面図である。以下第１図を用いて
本発明の詳細な説明を行う。なおアルミニウム膜１４表
面には、当然酸化膜が存在するが、煩雑さを避けるため
、第１図では省略した。

まず第１図（ａ）に示すように、表面を熱酸化したシリ
コン基板１１上にニオブ膜１２を３００ｎｍスパッタ法
で成膜する。

次に第１図（ｂ）に示すように、酸素流量５０ＳＣＣＭ
、酸素圧力１０Ｐａ、放電電力０，１６Ｗ　／　、ｃ　
ｍ　２の条件で３分間のプラズマ酸化を行い、ニオブ膜
１２表面にニオブ酸化膜１３を厚さ約６ｎｍ形戒する。

次に第１図（ｃ）に示すように、このニオブ酸化膜１３
上にアルミニウム膜１４を１５ｎｍスパッタ法で成膜す
る。

次に第１図（ｄ）に示すように、フォトレジストのマス
クを形成したのち、平行平板型エツチング装置を用いて
、塩素流量３０ＳＣＣＭ、塩素ガス圧５Ｐａ、エツチン
グ電力０、２４　Ｗ　／　ｃ　ｍ　２の条件で反応性イ
オンエツチングを行い、アルミニウムのマスク１４Ａを
形成する。上記条件の反応性イオンエツチングにおいて
は、アルミニウム膜１４表面の酸化膜を除去するために
約３０秒間のオフセット時間を要した後、２５０　ｎｍ
７分のエツチングレートでエツチングが進む。このため
、膜厚１５ｎｍのアルミニウム膜１４は、オフセット時
間接約４秒でエツチングされてしまう。

ここでもし従来例のようにニオブ酸化膜１３がなければ
、ニオブＭ１２も２５０ｎｍ／分のエツチングレートで
エツチングされる。従って、エツチングレートが非常に
大きいことと、オフセット時間はアルミニウム表面の状
態に依存するため、一定ではないことからニオブ膜１２
に損傷を与えずアルミニウム膜１４だけを除去すること
は困難である。しかし、本実施例によれば、ニオブ膜１
２表面にニオブ酸化膜１３が存在するため、アルミニウ
ム膜１４のエツチングが終了した後、ニオブ膜１２がエ
ツチングされはじめるまで約１分間のオフセット時間が
ある。このため、アルミニウムｗＡ１４の加工を確実に
行うため、オーバーエツチングを行っても、それが１分
以内であればニオブ膜１２はエツチングされることはな
い。

次に第１図（ｅ）に示すように、基板温度２０℃、四フ
ッ化炭素流量３０ＳＣＣＭ、四フッ化炭素ガス圧５Ｐａ
、エツチング電力０．１６Ｗ／Ｃｍ３の条件で、アルミ
ニウムマスク１４Ａを用いてニオブ膜１２を加工しニオ
ブパターン１２Ａを形成する。四フッ化炭素ガスを用い
た反応性イオンエラキング法では、陰極降下電圧が塩素
ガスを用いた場合の３倍程度高くなるため、エツチング
電力０．１６Ｗ／ｃｍ２でもニオブ酸化膜１３は約１分
間で除去され、その後ニオブ膜１２は６０ｎｍ分のエツ
チングレートでエツチングされる。基板温度２０℃の条
件で四フッ化炭素ガスを用いる反応性イオンエツチング
を行うと、加工されたニオブは極めて垂直なエツチング
プロファイルを有する。なおエツチングガス中にフッ素
が存在すると、非常に安定なアルミニウムフッ化物がで
きるため、アルミニウムのマスク１４Ａは、上記エツチ
ングで５ｎｍはどしかエツチングされない。

上記プロセスにより完成されたニオブパターン１２Ａと
上層のニオブパターンとの超伝導コンタクトを取る場合
には、アルゴンガス圧１．３Ｐａ、エツチング電力０．
１６Ｗ／ｃｍ２の条件でスパッタエツチングを行う。こ
のエツチング条件でのアルミニウム、ニオブのエツチン
グレートはそれぞれ２．５ｎｍ／分、１．０ｎｍ／分で
あるので、ニオブパターン１２Ａ形戒後に残ったマスク
１４Ａ（約１０ｎｍ＞は、約４分間で除去でき、さらに
６分間以上のスパッタエツチングを行うことでニオブパ
ターン１２Ａのニオブ酸化膜１３は完全に除去でき、超
伝導コンタクトに際して問題とならない。

また本実施例においては、第１図（ｂ）のニオブＭ１２
上にニオブ酸化膜を形成する工程では、酸化手段として
酸素プラズマ酸化を用いたが、基板を真空室から取り出
し大気中に放置するだけでもニオブ酸化物を形成でき、
反応性イオンエツチング時に約３０秒間のオフセット時
間が得らえる。

以上本実施例で述べた本発明の加工方法を用いればニオ
ブ膜上のニオブ酸化膜がエツチング保護層となり、ニオ
ブ膜に損傷を与えることなくアルミニウムマスクを加工
することが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、ニオブ膜表面を酸化した
のちアルミニウム膜を形成することにより、塩素ガスを
用いる反応性イオンエツチング法によりニオブ膜エツチ
ング用アルミニウムマスクを形成する場合、ニオブ膜に
損傷を与えることなくアルミニウムだけを加工すること
ができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施例を説明するた
めの半導体チップの断面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は従
来例を説明するための半導体チップの断面図である。 １１・・・シリコン基板、１２・・・ニオブ膜、１２Ａ
・・・ニオブパターン、１３・・・ニオブ酸化膜、１４
・・・アルミニウム膜、１４Ａ・・・マスク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ニオブ膜上にアムミニウム膜を形成したのち、塩素ガ
   スを用いる反応性イオンエッチング法によりアルミニウ
   ム膜をパターニングするニオブ膜エッチング用アルミニ
   ウムマスクの加工方法において、前記ニオブ膜成膜後ニ
   オブ膜表面を酸化したのちアルミニウム膜を形成するこ
   とを特徴とするニオブ膜エッチング用アルミニウムマス
   クの加工方法。