JPH0374515B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、超電導回路形成過程においてのエツ
チング方法の改良に関し、特に、上下に積重ねら
れた関係にある二つの層にあつて、下層に影響を
与えることなく、上層をのみ、所定のパターンに
従つて弗化炭素系ガスによりエツチングする際に
最適なエツチング方法に関する。

＜従来の技術＞ 能動素子としてジヨゼフソン素子を用いた超電
導回路は、低消費電力、超高速スイツチング性等
の理由から、ジヨゼフソン・コンピユータに代表
される情報処理回路等として、将来的に大いなる
期待が寄せられている。

しかるに、こうした超電導回路を実際に基板上
に組むにあたつては、超電導薄膜や絶縁薄膜、抵
抗薄膜等々を要所要所でそれぞれ所定のパターン
に即し微細加工しながら、かつ、それらを高さ方
向に幾重にも積重ねていく工程を必要とする。

こうした微細加工、積層技術は、既存の半導体
集積回路にも見ることができる。むしろ、そちら
の歴史の方が古い。従つてまた、この種超電導回
路の作成にも、半導体集積回路の作成に関して培
われた技術を原理的には略ゞそのまま転用できる
ことも確かに多い。

が、一方でまた、それに際しては、超電導回路
を構成するが故の特殊性によつて、何か特別な手
立てを付加えなければならないことも良くある。

その原因は、主に、半導体集積回路と超電導回
路とで加工対象とする材料が根本的に異なるこ
と、そしてまた特に、超電導回路では材料の選択
の幅が狭いこと等による。

周知のように、超電導回路は、極低温環境下、
一般に液体ヘリウム温度下（約4.2K；1atm）で
動作させる。そのため、この回路に用いる各薄膜
材料は、当該極低温下で化学的、物理的、電気的
に安定でなければならない外、実用に供された場
合のことまでを考えると、極低温と常温との間を
何回となく往復させても、それら特性に大きな変
化のないもの、いわゆる熱サイクル特性が良好な
ものでなければならない。

さらにまた、特に導体材料に関しては、そもそ
もこうした超電導現象、特定の材料によつてのみ
生じ得る現象であることから、その要件を満たさ
ねばならないことはもちろん、安定な極低温下で
の動作を保証するには、実際上、超電導状態への
遷移温度が先に述べた4.2K等の極低温動作温度
よりも十分に高いものでなければならない。

こうした厳しい制約から、実際にジヨゼフソン
素子の上下電極や配線層として用いられている材
料を見ると、鉛Pbに代表される鉛系材料や、ニ
オブNbや窒化ニオブNbNに代表されるニオブ系
材料に限定されているような現状にある。

中でも昨今は、この種技術の開発当初、好んで
用いられた鉛系材料に代えて、より信頼性の高い
ニオブ系材料が主流となつてきている。

しかし、この種のニオブ系材料は、こと微細加
工に関しては余り楽な材料とは言えない。それだ
からこそ、極低温素子材料としては望ましいとも
言えるのであるが、高融点である上に物理的にも
かなり堅いからである。

従つて実際上、このニオブ系材料のエツチング
は、専ら弗化炭素系ガス、すなわち弗化炭素CF₄
ガスとか、弗化炭素に酸素を混入したCF₄＋O₂ガ
スによりプラズマ・ドライ・エツチングに限られ
ている。

一方でまた、常電導領域で動作させる抵抗膜に
ついても考えて見ると、超電導部材として上記の
ようにニオブ系材料が選ばれたことに呼応するよ
うに、開発当初、良く見られた金−インジウムや
アルミニウム系等から、より信頼性の高い、但し
高融点で物理的にも堅いモリブデン系材料が選ば
れるような風潮にある。

従つてまた、こうしたモリブデン系の高融点、
高強度物質を所定パターンに即し微細加工するた
めにも、上記の弗化炭素系ガスによるドライ・エ
ツチングは、同様に必然的な手法となつてきてい
る。

これに対し、絶縁膜材料としては、一般にシリ
コン系材料、すなわちシリコンSiまたはシリコン
酸化物SiO、SiO₂が選ばれ、従つて、本質的にこ
れらについては、既存の半導体集積回路において
慣れ親しんだ他のエツチング技術を転用すること
もできるが、上記のようにニオブ系、モリブデン
系材料と混用されるときには、あえてエツチン
グ・ガスやエツチング手法を変えるまでもないの
で、同様に弗化炭素系ガスによるドライ・エツチ
ングが用いられることが多い。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 上記のように、超電導回路作成工程において、
各種の製造段階で選択的に弗化炭素系ガスによる
ドライ・エツチングを採用するに際しては、他の
エツチング技術におけるとその点では同様なよう
に、エツチング対象とする層をのみ、所期通りに
エツチングできるようでなければならない。

換言すれば、ある層を微細加工した場合に、そ
のエツチングの影響がその下の層にまで不用意に
及んでしまうようでは極めて具合が悪い。

そこで従来からも、弗化炭素系ガスにより特定
層をのみ、エツチングするに際し、超電導回路の
作成に限つてでなければ、半導体集積回路用等と
してこの点に鑑みての対策も幾つか提案されてい
る。

一つは、エツチングすべき層とその下の層とで
材質を異ならせ、特に下層材料は上層エツチング
のための弗化炭素系ガスに対し、大きくエツチン
グ・レートが異なるような材料を選ぶ手法であ
る。

しかしこの手法は、顕かなように、上下層に同
じ材質を使わなければならない場合には適用する
ことができない。そのため、特に本発明が対象と
しているような超電導回路の作成には不向きであ
る。

また、超電導回路として電気的な等価回路を満
足するためには、原理的には必ずしも上下材料層
が同じてなくても良い場合でさえ、既述したよう
に、超電導回路では、他の諸条件から使用可能な
材料に制限が生まれ、従つて、単にエツチング・
レートの観点からのみ、最適な材料を選ぶことは
不可能に近く、実質的にこの方法は採用できない
ことが多い。

これに対し、下層に対して何等かの検出手段を
付しておき、エツチングが進行してこの下層にま
で至つたならば、その旨を検出してそこでエツチ
ングを停止させようとする提案もある。

しかしこの手法は、検出方法自体が複雑で不確
かなものになり易いし、常に監視を要求するの
で、作業性が悪い欠点がある。

本発明はこうした従来の実情に鑑みて成された
もので、弗化炭素系ガスによりドライ・エツチン
グを施すべき層と、その下にあつてそのエツチン
グの影響を受けてはならない層との間に、エツチ
ング停止層を挟むという発想に即し、当該エツチ
ング停止層として最適な材料を模索することを主
目的としたものである。

すなわち、合理的にして各種の電気的、物理的
不都合を伴わない材料のエツチング停止層が提供
できさえすれば、既述してきた従来の欠点は全て
克服できるはずなのである。

＜問題点を解決するための手段＞ エツチング・ガスとしては弗化炭素系ガスが用
いられるということ、そして当該エツチング・ガ
スによりドライ・エツチングを受ける材料層の中
には、特に超電導回路において重要な材料である
ニオブ系が含まれているということの二つの最も
基本的な前提条件の外にも、その種超電導回路の
作成を対象としたエツチング用のエツチング停止
層であるならば、次の項目に挙げられるような諸
条件も満足していなければならない。

少なくとも最も重要なニオブ系材料に比し、
弗化炭素系ガスに対するエツチング・レートが
大いに異なる条件を作れるものであること。

これを挟む上下層に電気的、物理的に悪影響
を与えないものであること。

極薄膜であつても十分な絶縁機能があり（仮
に導電性であると、その使途は極めて限られて
しまう）、ピン・ホールが少なく、被覆性、密
着性の良いこと。

熱サイクル特性が良く、極低温とエツチン
グ・プロセス温度（一般に100℃から200℃程
度）との間で破壊しないこと。

それ自体、必要とあらば簡単にエツチングす
ることができ、できるならば同じ弗化炭素系ガ
スにより条件を変えるだけで容易にエツチング
が可能なこと。

スパツタリングや蒸着法により、容易に成膜
でき、除去に際してもリフト・オフ法等、特殊
ではない通常の手法を採用できること。

こうした知見に即し、鋭意研究の結果、本発明
者は、次の構成による超電導回路形成用エツチン
グ方法を提供するものである。

超電導回路を形成するために、互いに積重ねの
関係にある上下層間にあつて、下層に影響を及ぼ
すことなくニオブ系材料層である上層をのみ、弗
化炭素系エツチング・ガスで所定のパターンにド
ライ・エツチングするに際し、上記上層と下層と
の間には、あらかじめ、酸化マグネシウムから成
るエツチング停止層を形成しておくことを特徴と
する超電導回路形成用エツチング方法。

＜作用＞ 弗化炭素系ガスによりドライ・エツチングを施
すに際し、本発明の思想によつて酸化マグネシウ
ムMgOをエツチング停止層として用いた場合、
プラズマ反応層内の圧力条件を変えるだけで、当
該停止層がその本来の機能としてのエツチング停
止機能を営んだり、逆に自身がエツチングされ易
い状態を生んだりすることができる。

例えば、一般に100ｍTorr以上の相対的高圧側
ではこの酸化マグネシウムMgOの弗化炭素系ガ
スに対するエツチング・レートは、ニオブNbの
それに比し、数百分の一以下となる。

具体的な数値例を挙げてみると、高周波電源周
波数13.56MHzの高周波プラズマ放電装置を用い、
出力0.1W／cm²、装置内圧200ｍTorrの下、導入
したCF₄ガスによりドライ・エツチングを試みた
場合、Nbのエツチング・レートは約300〓／min
にも及ぶが、MgOのエツチング・レートは、せ
いぜい、１〜２〓／min程度にしかならない。

これだけの大きさ差があれば、何等精密な作業
工程を要することなく、通常の注意をもつてして
の通常のエツチング工程によつても、当該MgO
層にて所期通り、エツチングを停止させることは
極めて容易である。

逆に、装置内圧を例えば100ｍTorr以下の相対
的低圧側にすると、MgO層のエツチング・レー
トは大きく向上する。20ｍTorr程度にまで下げ
ると、他の条件は上記条件と同じにしても、その
エツチング・レートは数十〓／min程度にまで容
易に上がる。従つて、このMgO層自体を微細加
工したいときには、この事実は極めて有利とな
る。

このように、弗化炭素系ガスに対してMgO層
が特定の条件下で有効なエツチング停止層として
機能するということだけでも大きな効果であるに
加え、同じ装置で単に圧力条件を変えるだけでそ
れ自身のエツチング加工も容易にできるとの効果
は、真空を破らずにこの種超電導回路を同一の製
造装置で連続して製造できる可能性をも示唆し、
極めて望ましいものとなる。

さらにまた、本発明により特定された酸化マグ
ネシウム層は、先にあげたこの種エツチング停止
層に要求される他の条件をも全て満たすものであ
る。

酸化マグネシウム層は、スパツタリングのみな
らず、電子ビーム蒸着等によつても容易に成膜す
ることができ、しかも容易に極薄膜とすることが
できる。

そして、極薄膜であるにも拘らず、絶縁性に優
れ、この種超電導回路に用いられる他の材料、す
なわちニオブ系、モニブデン、シリコン系、シリ
コン酸化物系等の各種材料に対し、密着性が良
く、被覆性も良好で、ピン・ホールも極めて少な
いものとすることができる。

また、熱サイクル特性も良好で、機械的、化学
的に極めて安定である。

＜実施例＞ 本発明の思想に即し、エツチング停止層として
酸化マグネシウム層を用いて行なうエツチング工
程例につき、第１図各図を挙げ、説明する。

ここでは、シリコン基板の上に形成されたグラ
ンド・プレーンに対し、ジヨゼフソン素子を電気
的に接続を取りながら積層し、最後にジヨゼフソ
ン素子上部電極に対して配線層を付すまでの工程
を対象とする。

第１図Ａに示されるように、シリコン基板１０
の上には、所定のパターンに応じたグランド・プ
レーンを作成するため、その出発層としての超電
導体層１２が基板の略ゞ全面上に形成されるが、
この工程において、本発明を適用する場合には、
超電導体層１２の形成に先立ち、基板１２の上に
適当な厚さの酸化マグネシウム層１１を形成して
置く。これは例えば、スパツタリングでも電子ビ
ーム蒸着でも形成することができる。

一般にシリコン基板１０の厚味はかなり厚く、
少なくとも200μｍ以上あるのは普通であり、ま
た、この種超電導回路におけるグランド・プレー
ンの厚味は3000〓程度に選ばれるが、このような
厚味関係下にあつては、本発明により挿入される
MgO層１１の厚味は100〓以下の極薄膜で良い。

MgO層１１を形成した後に、例えばNb等の超
電導体層１２を形成して第１図Ａに示す構造を得
たならば、次いで超電導体層１２をグランド・プ
レーンとするに必要な所定の平面パターンに即
し、弗化炭素系ガス、例えば弗化炭素ガスCF₄に
よりエツチングする。

このとき、先に作用の項で述べたように、例え
ば高周波電源周波数13.56MHzの高周波フラズマ
放電装置を用い、出力を0.1W／cm²程度として、
装置内圧を相対的に高圧側の200ｍTorr等とすれ
ば、Nbのエツチング・レートは約300〓／minに
も及ぶが、MgOのエツチング・レートは、せい
ぜい、１〜２〓／min程度にしかならない。

従つて、第１図Ｂに示されるように、当該ドラ
イ・エツチングはMgO層１１の所で確実に停止
させることができ、所求のパターンのグランド・
プレーン１３を得ることができる。

これに次いで、第１図Ｃに示されるように、グ
ランド・プレーン１３を覆い、かつグランド・プ
レーン１３以外の基板表面を覆うように、絶縁
膜、例えばSiO₂膜１４を形成した後、さらにそ
の上に再び、エツチング停止層としてのMgO層
１５を形成する。

このエツチング停止層１５は、後程、ジヨゼフ
ソン素子の下部電極をパターニングする際のエツ
チング停止層として用いられるが、その前に、そ
れ自身にもパターン化加工を受ける。

すなわち、グランド・プレーン１３に対してジ
ヨゼフソン素子の下部電極の電気的な導通を取る
コンタクトを形成するため、第１図Ｃ中にあつて
仮想像で示されるように、当該コンタクト形成用
の開口１６が絶縁膜１４を貫くように一連に開け
られる。

このときの当該MgO層１５のエツチング加工
は、これも先の作用の説明の項中において述べた
ように、上記と同一の高周波プラズマ放電装置を
用いても、単にチヤンバ内圧を相対的な低圧側、
例えば20ｍTorr程度にすることにより、容易に
行なうことができる。

このようにした後、上記開口を介してのグラン
ド・プレーン１３へのコンタクト形成を兼ねて、
ジヨゼフソン素子の下部電極形成用としてNb薄
膜層１７′を形成し、これを所定の平面パターン
に即して先と同様の条件でCF₄ガスによりドラ
イ・エツチングし、第１図Ｄに示されるように、
下部電極１７を形成する。このときも、MgO層
１５はエツチング停止層として機能する。

その後、トンネル障壁形成のため、アルミニウ
ム膜形成、酸化工程を経た後、得られた酸化アル
ミニウム膜Al₂O₃に対し、所定のパターニング処
理を施して、下部電極１７の上をのみ覆うよう
に、当該Al₂O₃膜１８を形成する。

この第１図Ｄに示される工程以後、上部電極形
成用Nb層の形成、パターニング加工、周辺酸化
膜SiOの形成、パターニング加工を経て、第１図
Ｅに示されるように、下部電極１７の上にあつて
所定の位置に形成されたトンネル障壁１９と上部
電極２０を有するジヨゼフソン素子を得る。

上部電極上面と周辺絶縁膜２１の表面を覆うよ
うに、再びMgO層２２を形成した後、CF₄の低
圧側でこのMgO層２２をエツチングし、上部電
極２０の表面領域に相当する位置にのみ、配線層
とのコンタクト形成用開口２３を形成する。

その後、第１図Ｆ中に仮想線で示されるよう
に、NbまたはPb、望ましくは材料の画一化から
してもNbから成る超電導体層２４′を全面に形成
した後、所定のパターンに従つてCF₄の高圧側で
エツチングし、MgO層２２をエツチング停止層
として機能させながら、配線層２４を得る。

このような実施例からしても、本発明のMgO
から成るエツチング停止層は、この種超電導回路
の形成にあつて有効に機能することが分かる。

尚、抵抗膜として用いられるMo等について
も、そのエツチング・レートに比し、上記と似た
ような条件下でMgO層が十分な相違を示すこと
も確かめられているし、他層との密着性や被覆性
が良いこと、機械的、化学的に安定な物質である
こと、熱サイクルにも強いこと、絶縁膜なので保
護膜としても機能すること等々も確認されてい
る。

また、上記においてはCF₄についてのみしか記
さなかつたが、酸素を混入した弗化炭素系ガスに
ついても、殆ど同一の条件で上記実施例の工程は
実現することができる。但し、その場合、Nbの
エツチング・レートはさらに上がり、MgO層の
それとの差はますます大きくなつて好ましい。

＜発明の効果＞ 本発明により選ばれたMgO層は、弗化炭素系
ガスによりドライ・エツチングをなすときのエツ
チング停止層として、最適なものとなる。その効
果を列挙すれば以下の通りである。

少なくともこの種超電導回路作成にとつては
最も重要なニオブ系材料に比し、弗化炭素系ガ
スに対するエツチング・レートが大いに異なる
条件を作ることができる。

これを挟む上下層に電気的、物理的に悪影響
を与えることは一切、ない。

極薄膜であつても十分な絶縁機能があり、被
覆性、密着性に優れている。場合によつては既
に形成されている各種薄膜層の保護膜としても
機能させることができる。

熱サイクル特性が良く、極低温とエツチン
グ・プロセス温度との間の往復に良く耐えるこ
とができる。

それ自体、必要とあらば簡単にエツチングす
ることができ、特に、同じ弗化炭素系ガスによ
つても装置内圧条件を変えるのみで容易にエツ
チングすることができる。

スパツタリングや蒸着法により、容易に成膜
でき、除去に際してもリフト・オフ法等、特殊
ではない通常の手法を採用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図各図は、本発明によるMgOエツチング
停止層を要所要所に用いた実施例として、基板上
に形成されたグランド・プレーンに対し、積層上
にジヨゼフソン素子を作成し、さらにその上に配
線層を作成して超電導回路を構成する場合の工程
図である。 図中、１０は基板、１１，１５，２２は酸化マ
グネシウムMgO製のエツチング停止層、１３は
グランド・プレーン、１７はジヨゼフソン素子の
下部電極、１９はトンネル障壁、２０は上部電
極、２４は配線層、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超電導回路を形成するために、互いに積重ね
   の関係にある上下層間にあつて、下層に影響を及
   ぼすことなくニオブ系材料層である上層をのみ、
   弗化炭素系エツチング・ガスで所定のパターンに
   ドライ・エツチングするに際し、上記上層と下層
   との間には、あらかじめ、酸化マグネシウムから
   成るエツチング停止層を形成しておくことを特徴
   とする超電導回路形成用エツチング方法。