JPS62253785A - 間欠的エツチング方法 - 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、加工の対象とする部材の表面に微細な加工を
施すためのエツチング方法、特に、微細・加工に適した
反応性イオンエツチングのエッチレートを増大させて助
出よく加工し得るようにした間欠的エツチング方法に関
するものである。

（従来の技術） 近年のプロセス技術の進歩により、各種の機能・デバイ
スの形状寸法が微細化するに伴い、サブミクロンオーダ
の凹欠部をエツチングによって半導体等の部材に加工形
成することの必要性が増大して来ている。特に、電子計
算機用超高速演算素子として開発されたジョセフノン素
子などのような機能デバイスの製作には約０．１μｍの
極めて微細な溝などのエツチングによる加工形成も必要
不可欠である。

かかる微細な形状寸法の凹欠部を加工形成するに際して
は、その凹欠部における、例えば溝幅など、表面開口の
寸法に対する深さの比、すなわち、いわゆるアスペクト
比をできるだけ大きくするとともに、凹欠部の側壁面を
開口表面に対してできるだけ垂直になし得るエツチング
方法が必要である。したがって、かかるエツチング方法
には、エツチングの進捗方向とこれに垂直の方向とにお
ける蝕刻の速度、すなわち、いわゆるエッチレートが格
段に相違する異方性が必要である。かかる異方性を有す
るエツチング方法としては、少なくとも従来開発されて
いるエツチング方法のうちでは、高周波電界の印加によ
り生成した反応性ガスイオンのプラズマに平行平板電極
間電界により方向性を付与して被加工部材を蝕刻させる
いわゆる反応性イオンエツチング（ＲＩＥ’）が最も好
適である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述のよう洸アスペクト比の大きい凹欠
部を加工形成するためにこの反応性イオンエツチングを
施す場合には、そのエッチレートが開口面積が広い凹欠
部を蝕刻する場合のエッチレートに比して極めて小さく
なるという問題点がある。かかるエッチレート低下の原
因としては、加形形成すべき凹欠部の例えば溝幅などの
表面開口の寸法が極めて小さいうえに、深さが大きくて
アスペクト比が極めて大きくなるほど、反応性イオンエ
ツチングによる反応生成物など、エツチングにより凹欠
部内に生じた残滓が外部に抜は難くなるために、エツチ
ングの進行が妨げられることがまず考えられる。

また、反応性イオンエツチング（Ｒ工Ｅ）では、前述し
たように平行平板電極間にプラズマ生成用高周波電界の
印加に伴なって生ずる直流電圧すなわちセルフバイアス
電圧が加わり、その直流′電界によってプラズマを形成
した正に帯電したガスイオンが平板電極上に配置した平
板状被加工部材に・垂直の方向忙加速されて入射すると
とくよってエツチングに異方性が生ずるのであり、その
異方性を顕著にするためにはセルフバイアス電圧を増大
させることが必要である。しかしながら、反応性イオン
エツチングではセルフバイアス電圧を増大させるために
は印加高周波電界自体を増大させることが必要であり、
印加高周波電界、の増大に伴って被加工部材の温度が上
昇する。一方、エツチングの際に被加工部材の非加工表
面を覆うマスクとして有機レジストを用いる必要がある
場合には、その有機レジストが温度の大幅な上昇によっ
て変質してしまうので、凹欠部を深くするためにエツチ
ングを長時間連続して行なう必要に対処するためにセル
フバイアス電圧を十分に増大させることができず、した
がって、エツチングに十分な異方性を付与して所望形状
寸法の微細な凹欠部を実現することが極めて困難になる
、という問題点があった。

本発明の目的は、かかる従来の問題点を解決し、開口部
の形状寸法が極度に小さく、アスペクト比が極度に大き
い凹欠部を加工形成し得るエツチング方法を提供するこ
とにある。

（問題点を解決するための手段） 上述した目的を達成して、溝幅など表面開口の形状寸法
が小さく、アスペクト比が大きい凹欠部を加工形成する
ために、本発明においては、気密容器内にガスを注入し
て電界印加により生成させたイオンプラズマによって蝕
刻を進行させる反応性イオンエツチングなど、気密容器
内に設置した被加工部材に容器内を真空に引きながらエ
ツチングを施すにあたり、高周波電界の印加により気密
容器内の注入ガスに放電をおこさせてプラズマを生成さ
せるなど、エツチングを進行させる過程と、高周波電界
の印加を休止するなど、エツチングを休止して専ら真空
引きを行ない、反応性イオンエツチングによる反応生成
物などの残滓を除去する過程とを交互に反復し、反応性
イオンエツチングなどのエツチングを間欠的に進行させ
る。

すなわち、本発明によるエツチング方法は、少なくとも
作動中の真空装置に連結した気密容器内において加工の
対象とする部材にエツチングを施すにあたり、所定の周
期で間欠的に前記部材にエツチングを施すようにしたこ
とを特徴とするものであり、複数回反復するエツチング
進行過程の１回当りのエツチング進行時間を短（し、凹
欠部内に生成した反応生成ガスを放電体止時に強制的に
凹欠部から排出することにより、凹欠部内のガス圧が高
くなるなど〜残滓の堆積によるエラ”チング進行の阻萼
を防止し、かかるエツチングの進行と休止との交互過程
を複数回反復することにより、所望の深さの凹欠部を加
工形成し得るようにしたものである。

（作用） したがって、本発明によれば、例えば反応性イオンエツ
チングにおいても、凹欠部内の反応生成ガス圧が高（な
ること忙よってエツチングの進行が妨げられるのを防止
することができる。また、１回あたりのエツチング時間
が短いので、その間におけるガス放電による被加工部材
の温度上昇を低く抑えることができ、さらに、真空引き
の間に被加工部材の温度を下げることもできる。したが
って、エツチング時の高周波電力を増大させてセルフバ
イアス電圧を増大させることができ、その結果、エツチ
ングの異方性を十分に大きくすることができる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

すなわち、上述した本発明の間欠的エツチング方法を用
い、実際に前述したジョセフソン素子を構成するニオブ
（Ｎｂ）材に微細な溝を加工形成した製作過程およびそ
の結果について、まずその概略を説明する。

ニオブ材に所望の形状寸法の開口を有する微細な溝を反
応性イオンエツチングにより加工形成するためには、そ
の部材表面に被着したレジスト膜自体を所望形状寸法に
欠除させてマスクを製作する電子ビーム露光の際に、レ
ジスト内における電子の散乱およびニオブ材からの電子
の後方散乱による近接効果をできるだけ軽減して所望の
微細な線幅の電子ビーム露光を行ない得るようにするに
必要な８／１１構造のレジスト膜を用いる。しかして、
８層構造の最下層をなす有機レジスト膜は、ニオブ材エ
ツチング用のマスクとするに十分な膜厚とする必要上、
エッチレートが比較的小さいニオブ材に対しては約０．
６μｍの膜厚にする。したがって、超高速のジョセフソ
ン素子とするに必要な線幅約０．１μｍの溝を加工形成
する場合のアスペクト比は約６となる。開口溝ｍ００１
μｍ１アスペクト比６のかかる微細な溝も、本発明によ
る間欠的エツチング方法を用いて容易に加工形成するこ
とができた。

すなわち、ニオブ材に間欠的に施す反応性イオンエツチ
ングにおける１回当りの高周波電界印加によるガス放電
時間を８０秒とし、放電停止後２分間真空引きのみを行
なった後Ｋ、再び放電を開始するという製作過程を８回
繰返して所望のアスペクト比を得た。この場合における
ニオブ材のエッチレートは、従来どおりに連続してエツ
チングを施した場合のエッチレートに比してかなり大ぎ
くなり、本発明による間欠的エツチング方法が、線幅が
小さく、アスペクト比が大きい微細な溝を加工形成する
場合に極めて有効であることを実証し得た。

つぎに、上述した本発明の実施例を詳細に説明する。

ブリッジ型ジョセフソン素子は、素子容量を無視し得る
ほど小さく、高速ディジタル演算素子とするに好適であ
り、平面的構造が集積化に適しているが、良好な特性の
ブリッジ型接合を得るには弱結合部に材料のコヒーレン
ス長の数倍程度、すなわち、０．１μｍ穆度の溝幅の微
細な溝を加工形成する必要がある。

かかる微細加工に適した製作方法としては、高密度集積
化が可能であり、超伝導グランドプレーンを用い得るよ
うに素子を絶縁材基膜上に製作し得るものである必要が
ある。そのために、弱結合部材料としてのニオブ（Ｎｂ
）材を絶縁基膜上に１回に限り蒸着し、電子ビームリゾ
グラフィ技術を用いて幅０．１μｍ程度の溝を加工形成
し、以下に詳述するような厚さ可変型のジョセフソン素
子を製作した。

しかして、幅０．１μｍ程度の溝を加工形成する製作方
法としては、斜め蒸着法、リフトオフ法などがあるが、
高融点の超伝導金属のニオブ（Ｎｂ）材の加工には適さ
ないので、絶縁基膜に蒸着したニオブ層上のレジストに
電子ビーム露光によりパターンを形成したマスクを用い
て反応性イオンエツチング（ＲＩＥ　）により所望の微
細加工を行なった。

ＲＩＥ用マスクツ製作に用いたＪＫＯＬ　ＪＢＸ　−６
ＤＳ型電子ビーム露光装置は、電子ビーム加速電圧が２
５　ＫＶであり、電子ビーム径をｌ　Ｏｎｍまで絞り得
るが、電子ビームには （／ｉ）エツチング被加工部材からの電子の後方散乱（
ｂｌ　レジスト内の電子の散乱 に基づ（近接効果によって加工可能な線幅が制約される
。したがって、電子ビーム露光を用いた微細加工にはこ
の近接効果を軽減する必要がある。

しかして、（ａｔ被加工部材からの電子の後方散乱を減
少させるためには被加工部材を極めて薄（する方法もあ
るが、ジョセフソン素子を構成するニオブ材は膜厚０．
ｌ＃＋以上にする必要があって薄くはできず、また、（
ｂ）レジスト内の電子の散乱を減少させるためには、電
子ビーム加速電圧一定の条件下にあってはレジストの膜
厚をできるだけ薄くすればよいが、膜厚０．１μｍ以上
のニオブ材膜に施す反応性イオンエツチングに用いるレ
ジスト膜反応性イオンエツチングによるエッチレートが
太き（、特に、０．１μｍｇ度の高分解能を得るに用い
る分解能が最も優れたＰＭＭＡレジストのエッチレート
は８００〜４００　ｎｍ／分と極めて大ぎいので、ニオ
ブ材に施す反応性イオンエツチングに用いるマスクとし
てはかなりのレジスト膜厚が必要であり、したがって、
ｆｂ）レジスト内の成子の散乱は避けられない。

本発明エツチング方法のジョセフソン素子用ニオブ材に
溝１１０．１μｍの溝を反応性イオンエッチ・ングによ
り加工形成する際の実施例としては、第１１１に示すよ
うな８層レジストを用いる製作過程を採用した。図示の
８層レジストにおいて、ニオブ材に施す反応性イオンエ
ツチングのマスクには最下層のポリマ有機膜を用いるの
であるから、電子ビーム露光を施す最上層のＰＭＭＡレ
ジスト膜は極めて薄くすることができ、したがって、か
かる８層レジストを用いれば、最下層のポリマ有機レジ
ストａを十分な膜厚にして（ａ）被加工部材からの電子
の後方散乱を減少させるとともに、最上層のＰＭＭＡレ
ジスト膜を十分薄くして（ｂ）レジスト内の電子の散乱
を減少させることができる。

なお、最上層レジストに分解能が最も優れた電子ビーム
・レジストＰＭＭＡ　（Ｏｌｉ：ＢＲ−１０００）を用
いるのに対し、最下層のポリマ有機レジストにはつぎ０
８条件が必要である。

（１）ニオブ（Ｗｂ）材に織す反応性イオンエツチング
に用いるマスクとして十分な耐プラズマ性を有すること
。

（１）　Ｏ，プラズマにより反応性イオンエツチングを
施した場合の分解能が十分に大きいこと。

（８）剥離が容易であること。

しかして、一般に、耐プラズマ性の点では電子ビーム・
レジストよりフォトレジストの方が優れているが、分解
能の点では電子ビーム・レジストの方が邊かに優れてい
る。最下１脅のポリマ有機レジスト０ＥＢＲ−１０８０
はポジ型電子ビーム・レジストであって、耐プラズマ性
が優れており、また、例えばフォトレジストＭＰ　−１
４００Ｊに比して分解能が優れているので、反応性イオ
ンエツチングにより微細加工を行なうことができる。

また、前述したように、３層レジストにおける最上層レ
ジストを電子ビーム露光に対してできるだけ薄くすると
ともに、各層レジストの膜厚をそれぞれ下のレジスト膜
の反応性イオンエツチングに対して十分にマスクとして
作用する範囲でなるべ（薄くし、第１表に示す膜厚とし
た。

第１表 なお、アモルファス・シリコン（ａ−８ｉ）は、プラズ
マＯＶＤにより、帯電を防ぐためＫＰドープした状態で
堆積し、その堆積条件としては、最下層の有機レジスト
膜が堆積中に損傷しないように堆積温度１５０℃、放電
電力ｌｏｔとした。また、中間層としてアモルファス・
シリコンを用いたのは、帯電を防ぐために低抵抗にする
のが容易であること、反応性イオンエツチングが容易で
あること、最下層の有機レジスト膜が損傷しないように
して堆積可能であることによる。電子ビーム露光のドー
ズ量は１ｎＯ／ｃａであり、現像後にはＭＩＢＫ　：　
ＬＰＡ　＝　１　：　８を用いた。

第１図示の製作過程において、最上層レジストの電子ビ
ーム露光を除き、それぞれエツチングな°施す各層のア
モルファス・シリコン、有機レジス）　０ＥＢＲ−１（
１８０およびニオブ゛（Ｎｂ）にそれぞれ施す反応性イ
オンエツチングの各条件を第２表、第３表および第４表
にそれぞれ示す。各条件ともに、微細なパターンをエツ
チングするために、注入ガス圧をできるだけ低くし、ま
た、セルフバイアス電圧をできるだけ高くしである。な
お、各表中のエッチレートは大面積の膜をエツチングし
た場合のエッチレートであるが、微細なパターンをエツ
チングする際には、特に、溝幅が快くなり、アスペクト
比が大きくなるほど、例えば有機レジスト０ＥＢＲ−１
０８０をエツチングした場合のｃｏ、　。

Ｈ，Ｏなど、エツチングによる反応生成物が溝の中から
外部圧抜は出さないために、エツチングの進行が妨げら
れるので、実際のエッチレートは表中の値より遥かに小
さい。

第２表 第３表 第令表 ここで、第１図示の製作過程について説明すると、基板
上に窒化シリコン（５ｉａＮ、　）層を介して被着した
ニオブ（Ｎｂ）材層上に上述した８層構成ルジスト、す
なわち、ＰＭＭＡ　（ＯＥＢＲ−１０００）、アモルフ
ァス・シリコン（ａ−８ｉ）およびポリマ（０ＫＢＲ−
１０８０）を被着し、電子ビーム露光および現像を行な
って最上層レジストに所望形状寸法の開口を有する欠除
部を形成し、ついで、ＯＦ、　＋　Ｏ，ガスプラズマを
用いた反応性イオンエツチングにより中間層レジスト（
ａ−８ｉ）に同形開口の欠除部を形成し、ついで、最上
層レジストを除去した後に、０．ガスプラズマを用いた
反応性イオンエツチングにより最下層レジストのポリマ
に同形開口の欠除部を形成し、最後罠、中間層レジスト
を除去した後に、（！？、　＋　Ｏ，ガスプラズマを用
いた反応性イオンエツチングによりニオブ層に所望形状
寸法の開口を有する凹欠部を形成する。

しかして、前述した反応性イオンエツチングにおける微
細開口でアスペクト比の大きい凹欠部形成時に生ずるエ
ッチレート低下の問題を解決するためには、例えば第１
図示の製作過程においてかかる凹欠部を形成すべきポリ
マ・レジスト０ＥＢＲ−１０８０およびニオブ（Ｎｂ）
層のエツチング中に、反応生成ガスを外部に強制的に排
出してやればよく、本発明エツチング方法においては、
かかる場合のエツチングを間欠的に行ない、反応性イオ
ンエツチングにおけるガス放電の過程とエツチング中気
密容器内をＢＸｌｏ　　Ｐａ租度に保つために連続して
行なう真空引きのみの過程とを交互に行なうことにより
、凹欠部中の反応生成ガスを真空・引きによって排気す
るようにしている。

かかる間欠的エツチングは、反応性イオンエツチング時
の温度上昇を抑え、レジストの温度上昇に伴う変質を防
止することにより、等制約に放電時に印加する高周波電
力、したがって、セルフバイアス電圧を大きくすること
ができるという効果を得へている。

上述した本発明エツチング方法により加工形成したニオ
ブ材層の微細パターンの走査型電子図微鏡写真を第２図
および第３図に示す。第２図示の微細パターンは微細溝
を左側から順次にドーズ量を１０％ずつ減少させたもの
であり、ニオブ材層に開口幅０．１μｍ糧度の微細加工
が可能であることを示している。

本発明は、ブリッジ型ジョセフソン素子を用いて論理回
路を高密度集積化に適した方法によって製作することを
最終的な目的としているので、１個のゲート当りの占有
面積をできるだけ小さくし得るよ５１Ｃ１最小線幅を１
μｍとする。したがって、ブリッジ型ジョセフソン素子
の電極配線バターニングも電子ビーム露光によって行な
い、論理回路製作の際の重ね合わせ精度をよくしている
。

前述したように、電子ビームレジストは耐プラズマ性が
悪（、特に１ネガ型しジストＰＧＭＡ（０ＥＢＲ−１０
０）の反応性イオンエツチングによるエッチレートは極
めて＠殉へ大きいので、ジョセフノン素子製作時にも第
４図に示すように８層レジストを用いた製作過程を採用
している。図示の８層しジス）Ｋおける最下層の有機レ
ジスト膜としてＭＰ　−１４００Ｊを用いているのは、
第１図示の製作過程とは異なり、分解能自体はそれほど
必要ではなく、耐プラズマ性の点で優れているからであ
る。また、ＰＧＭムレシストはベーク温度が低いので、
　ＭＰ　−１４００Ｊレジストが８層しジスト製作中に
変質することはない。なお、ＭＰ　−１４００Ｊは膜厚
が６００μｍとなるようにシンナーで希釈している。ま
た、アモルファス・シリコンは、第１図示の製作過程に
おけると同様に、プラズマＯＶＤ　Ｋよって堆積してい
るが、堆積温度は、ＭＰ−１４００Ｊのベーク＠摩が１
８０°Ｃン低いので、１００℃にしている。また、アモ
ルファス・シリコン、ＭＰ　−１４００Ｊおよびニオブ
（Ｎｂ）のエツチングには、それぞれ、第１図示の製作
過程におけると同様のガスを用いているが、第４図示の
製作過程においては、エツチング中の有機物の堆積が生
じ難いようにガス圧を５　Ｐａと高くし、主に反応性イ
オンエツチング中の温度上昇を小さくするために放電時
の高周波電力、したがって、セルフバイアス電圧を小さ
くしている。

本発明エツチング方法を用いたブリッジ型ジョセフソン
素子の製作過程を簡単に述べるとつぎのとおりである。

（１）シリコン基板上に窒化シリコンＳｉ　、Ｎ、を１
１００ｎの膜厚にプラズマＣｖＤ法によって堆積する。

（２）　ニオブＮｂを電子ビーム蒸着によって１２０ｎ
ｍの膜厚に蒸着する。

（８）第４図に示した製作過程を用いて素子の電極およ
びボンディング・パッドのパターンニングを行なう。

（４）第１図に示した製作過程を用いてブリッジ部のバ
ターニングを行なう。

この製作方法においては、１回のニオブ材蒸着によって
ブリッジ型ジョセフノン素子を製作し得るので、集積化
するに好適である。

以上の製作過程によって製作したブリッジ屋ジョセフソ
ン素子の走査型電子顕微鏡写真を第５図に示す。なお、
ブリッジ長は０．１〜０．１５μｍのものが良好な再現
性をもって得られている。

上述の過程によって製作したブリッジ型ジョセフノン素
子の温度４．２°Ｋにおける電流・電圧特性の測定結果
の例を第６図に示す。現在までに得られたＶＴＢ素子の
臨界電流値工。は０．０５〜０．５ｍＡ、工。Ｒｎ積は
・０．０５〜０．８ｍＶの範囲にある。また、　ｌ　Ｏ
ＧＨｚ程度のマイクロ波を照射したときの電流・電圧特
性の測定結果の例を第７図に示す。

図示の特性においては、０．１ｍＶ程度までステップが
現われている。なお、上述の過程によってＶ’ｌ’Ｂ素
子を製作する場合に素子の特性に重大な影響を及ぼすと
考えられるのは、ブリッジ部のニオブＮｂの膜厚と反応
性イオンエツチングによる損傷とであるが、ブリッジ部
に残っているニオブ材の膜厚は、開口線＠０．１μｍの
とぎには走査型電子顕微鏡による断面形状の観察からは
困難であったが′＃ｇＡであると推定され、素子の特性
のばらつきはこの膜厚の制御が不十分のためと考えられ
る。

また、ニオブＮｂ材の反応性イオンエツチングの条件は
、微細なパターンをエツチングし得るようにセルフバイ
アス電圧がかなり大きくなるようにしたが、この場合に
はかなりの物理的スパッタリングも同時に行なわれてい
ると考えられ、セルフバイアス電圧を８００〜７００ｖ
の範囲内で変化させた。この範囲内では素子特性には大
きい差違が現われなかった。なお、エツチング条件によ
ってブリッジ部のニオブ材の膜圧が変化するため、エツ
チング条注の影響のみを単独に検出することは困難であ
るが、セルフバイアス電圧を下げることなどにより、反
応性イオンエツチングによる損傷を減少させて素子特性
を向上させることは可能とみられる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ジョ
セフソン素子を構成するニオブ材のブリッジ部などの微
細な開口を有する凹欠部を反応性イオンエツチングなど
により深く加工形成するときに、従来、広い開口面積の
ときに比してエッチレートが低下していたのを大幅に改
善して、集積化の容易な微細素子を良好な特性をもって
容易に製作し得るという格別顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明エツチング方法を用いた凹欠部製作過程
の例を示す線図、 第２図および第３図は本発明エツチング方法により加工
形成したニオブ材の微細パターンの例をそれぞれ示す顕
微鏡写真、 第４図は本発明エツチング方法に準じた集積回路電極配
線製作過程の例を示す線図、 第５図は本発明エツチング方法により加工形成したジョ
セフソン素子ブリッジ部の微細パターンの例を示す顕微
鏡写真、 第６図および第７図は同じくそのジョセフソン素子の電
流・電圧特性の例をそれぞれ示す特性曲線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも作動中の真空装置に連結した気密容器内
   において加工の対象とする部材にエッチングを施すにあ
   たり、所定の周期で間欠的に前記部材にエッチングを施
   すようにしたことを特徴とする間欠的エッチング方法。 ２、前記部材に施すエッチングを反応性イオンエッチン
   グとしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   間欠的エッチング方法。 ３、少なくとも前記反応性イオンエッチングにおける高
   周波電力の供給を前記所定の周期で間欠的に休止するこ
   とにより、前記部材に間欠的にエッチングを施すように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の間欠
   的エッチング方法。 ４、前記高周波電力の印加により前記気密容器内の注入
   ガスに放電をおこさせて生成したプラズマによつてエッ
   チングを進行させる過程と、前記高周波電力印加の休止
   によりエッチングを休止して専ら真空引きを行ない、反
   応性イオンエッチングによる反応生成物を除去する過程
   とを交互に反復するようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載の間欠的エッチング方法。