JPS61278179A - 超電導回路形成用エッチング方法 - 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
二つの層にあって、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っ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〉 能動素子としてジ菖ゼフソン素子を用いた超電導回路は
、低消費電力、超高速スイッチング性等の理由から、ジ
□ゼフソン・コンピュ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
あたっては、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、従ってまた、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ζ
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って、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４．２に；１ａｔｅ）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、特定の材料によっ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、２に等の
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、実際にジョゼフソン素子の上
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
ていた鉛系材料に代えて、より信頼性の高いニオブ系材
料が主流となってきている。

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。

従って実際上、このニオブ系材料の薔−）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　＋　０２ガスによる
プラズマ・ドライ・エッ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。

従ってまた、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・エッチングは、同様に必
然的な手法となってきている。

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Ｓｉｎ
、　　５ｉＯｚが選ばれ、従って、木質的にこれらにつ
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
、あえてエッチング・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
ッ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・エッチ
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ってで
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、超電導回路とじ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でなくて
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、従って
、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ったならば
、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・エッチングを施すべき層
と、その下にあっ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〉 エッチング・ガスとしては弗化炭素系ガスが用いられる
ということ、そして当該エッチング・ガスによりドライ
・エッ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、この種
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。

■極薄膜であっ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）、ビン・
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。

■スパッ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ａ重ねの関係にあ
る上下層間にあって、下層に影響を及ぼすことなく上層
をのみ、弗化炭素系エッチング・ガスで所定のパターン
にドライ・エッチングするに際し２上記上層と下層どの
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・エッチングを施すに際し
、本発明の思想によっ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１００ｍＴａｒｒ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
．５８ＭＨｚの高周波プラズマ放電装置を用い、出力０
゜１ｉｌｌ／Ｃ１１２，装置内圧２００ｍＴｏｒｒの下
、導入したＧＦ４ガスによりドライ・エッチングを試み
た場合、Ｗｂのエツチング・レートは約３００Ａ　／　
ｗｉｎにも及ぶが、　ＭｇＯのエツチング・レートは、
せいぜい、　１〜２λ／ｓｉｎ程度にしかならない。

これだけの大きな差があれば、回答精密な作業工程を要
することなく、通常の注意をもってしての通常のエツチ
ング工程によっても、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１００ｍ丁ｏｒｒ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ｅ　　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
・レートは数十入／腸ｉｎ程度にまで容易に上がる。従
って、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、スパッタリングのみならず、電
子ビーム蒸着等によっ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
、モリブデン、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
１ｒｇＪ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・ブ
レーンに対し、ジョゼフソン素子を電気的に接続を取り
ながら積層し、最後にジョ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・ブレーンを作
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Ｃ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の上に退出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、スパッタリングでも電
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ｌＯの厚味はかなり厚く、少なくと
も２０（Ｄｍ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・ブレーンの厚味は３０００
λ程度に選ばれるが、このような厚味関係下にあっては
、本発明により挿入されるＭｇＯ層１１の厚味は１００
λ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・ブレーンとするに
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１３．５８ＭＨｚの高周波プラズマ放電装置
を用い、出力を０．１Ｗ／ｃ■２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３００Ａ／ｗｉｎにも及ぶが
、ＭｇＯのエツチング・レートは、せいぜい、１〜２人
／ｗｉｎ程度にしかならない。

従って、第１図ＣＢ）に示されるように、当該ドライ・
エッチングはＮｇＯＪｉｌｌ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５ｕｃｈ　Ｐｓ１４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Ｍｇ０層１５を形成
する。

このエツチング停止層１５は、後程、ジョゼフソン素子
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に対してジョゼフソ
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）中にあって仮想線で示される
ように、当該コンタクト形成用の開口１Ｂ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、単にチャ
ンバ内圧を相対的な低圧側１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、ジョゼフソン素
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Ｃ
Ｆ４ガスによ′リトライ・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
にも、ＭｇＯ暦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Ａｌ
２Ｏ３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＾１２０３膜１Ｂ
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の上にあっ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を有するジョゼ
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Ｍｇ０層２２を形成した後、ＣＦ４の低圧側でこのＭ
ｇ０層２２をエツチングし、上部電極２０の表面領域に
相出する位置にのみ、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、Ｎ
ｂまたはＰｂ、望ましくは材料の画一化からしてもＷｂ
から成る超電導体層２４′を全面に形成した後、所定の
パターンに従ってＣＦ４の高圧側でエツチングし、　Ｍ
ｇ０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って
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Ｍ
ｇＯ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
ったが、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
って好ましい。

〈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・エッ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っては最も重
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。

■極薄膜であっても十分な絶縁機能があり、被覆性、密
着性に優れている。場合によっ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っても装置内圧力
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
。

■スパッ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図番図は、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、積層上にジョゼフソン素子を
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はジョ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. 超電導回路を形成するために、互いに積重ねの関係にあ
   る上下層間にあって、下層に影響を及ぼすことなく上層
   をのみ、弗化炭素系エッチング・ガスで所定のパターン
   にドライ・エッチングするに際し、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ッチ
   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
   形成用エッチング方法。