JPH01199453A - 超伝導体素子の製造方法 - 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】 〔目　次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作用 実施例 本発明の一実施例 発明の効果 〔概　要〕 超伝導体素子の製造方法に関し、 ウエソトエッチング工程を避けて超伝導特性を安定させ
ることのできる超伝導体素子の製造方法を提供すること
を目的とし、 基板上にセラミックス系の超伝導体層を形成する工程と
、該超伝導体層の上に所定の絶縁体層を形成する工程と
、該絶縁体層の上部に配線パターンに応じてマスクを形
成する工程と、該マスクに被覆されていない絶縁体層を
ドライエツチングにより除去する工程と、エツチングに
より露呈した超伝導体層に対して、該超伝導層を構成す
る元素の組成比を変えて絶縁層に変換する工程と、含む
ように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、超伝導体素子の製造方法に係り、詳しくは、
セラミックス系の超伝導体を用いて超伝導体素子を形成
する製造方法に関する。

近年、コンピュータの高速化はめざましく、この高速化
のアプローチとしてプロセッサのマルチ化、デバイスの
スイッチング速度の向上、およびこれらデバイスを高密
度に実装して配線距離を短くする等が行われている。高
密度化に配線するためには、微細な配線パターンで回路
を作成することが必要となり、このような微細化を図る
と、配線に用いる導体の断面積が減少する反面、配線の
電気抵抗が増°加する。そのため、伝播する電気信号の
減少、波形の歪が起こる。

一方、超伝導体は、臨界温度以下の環境で電気抵抗が零
となる巨視的量子現象（超伝導現象）を生じる、完全な
反磁性（マイスナー効果）を有する等の性質を示す。

そこで、超伝導体を銅などの常伝導体に代えて配線材料
として用いることができれば、これらの問題は大きく改
善される。

従来の超伝導体は超伝導状態に転移する温度が低く、冷
却のために液体ヘリウムや液体水素を用いなければなら
なかった。しかし、これらの冷却媒体は取り扱いが難し
く、コストもかかるので、超伝導体素子の実現化は困難
であった。

ところが、近時Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系セラミックスに代
表される、いわゆる高温超伝導体が出現し、超伝導体素
子の実用化の可能性が大きく広がりつつある。すな、わ
ち、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系。

Ｌａ’　−３ｒ−Ｃｕ−０系、Ｌａ−１３ａ−Ｃｕ−０
系等のセラミックス系超伝導体は４０〜現在９０にとい
う高い臨界温度をもつので、これら高温超伝導体の薄膜
形成は超伝導体集積回路等のマイクロエレクトロニクス
への応用の上で非常に重要である。

集積回路上の超伝導体配線はその一つであり、実用性の
非常に高いものである。

ところで、セラミックス系の高温超伝導体は、各々の構
成元素が規則的に配置された結晶構造をもち、限られた
組成比の時のみ高い臨界温度を示す。このようなセラミ
ックス系の高温超伝導材料を超伝導体素子に適用するた
めには、まず製造技術の確立を図る必要があり、超伝導
体素子形成後も安定した超伝導特性を示すことが要求さ
れる。

電流密度も微細化することを考えると、１０’　Ａ／ｃ
ｒＡ以上は必要である。このため、超伝導特性の安定し
た超伝導体素子を実現できる製造技術の確立が望まれて
いる。

〔従来の技術〕

セラミックス系の酸化物高温超伝導体は４０〜現在９０
にの比較的高温で超伝導状態になることから、ＩＣなど
の半導体デバイス、各種装置の部品、装置内の配線など
応用範囲が広く、その要求も大きい。これらの要求に応
えるためには品質の良い薄膜を効率良く形成する必要が
ある。例えばジョセフソン接合を含めた半導体集積回路
の構成素子は、すべて薄膜素子からなる全薄膜集積回路
という特質がある。このため、薄膜の結晶粒径、配向性
等の結晶性に基づく薄膜の性質、均一性、再現性が素子
ひいては超伝導集積回路の歩留り、信頼性の重要な因子
となる。

従来の超伝導体素子の製造方法としては、例えば、スパ
ッタ法、蒸着法が知られている。これらの方法では、基
板上にセラミックス系の超伝導材料を組成比に応じて堆
積し、酸素雰囲気の中でアニールを行って超伝導体薄膜
を形成後、通常のフォトリソグラフィ技術によりパター
ニングしている。バターニングを行った基板をウェット
エツチングによりエツチングして、所定の超伝導体素子
を形成している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の超伝導体素子の製造方
法にあっては、デバイスへの加工を行う際に酸や水等を
用いるウェットエツチング工程を経る構成となっていた
ため、特にセラミックス系の高温超伝導材料は酸や水等
に触れると、その超伝導特性が劣化するという性質があ
ることから、デバイス作成後に超伝導体素子の特性が劣
化するという問題点があった。

これは、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−○系セラミックスやＬａ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−０系のセラミックスを使用した超伝導体の場
合、これらの主要成分であるＢａやＣｕの化学的活性力
が強く、酸と容易に反応するからであり、成膜工程のパ
ターニングに水、酸等を用いるウェットエツチング工程
で超伝導体の組成成分が結晶中から遊離してしまい、超
伝導特性が劣化する。また、ウェー／　トエッチング工
程により配線パターンを形成していたため、アンダーカ
プト等の問題により配線パターンの線幅をＳｉ系と同程
度とすることが困難であり、超伝導体の集積回路形成を
阻げている。このため、超伝導体配線を微細に加工でき
る製造方法が求められている。

そこで本発明は、ウェットエンチング工程を避けて超伝
導特性を安定させることのできる超伝導体素子の製造方
法を提供することを目的としてい〔課題を解決するため
の手段〕 本発明による超伝導体素子の製造方法は上記目的達成の
ため、基板上にセラミックス系の超伝導体層を形成する
工程と、該超伝導体層の上に所定の絶縁体層を形成する
工程と、該絶縁体層の上部に配線パターンに応じてマス
クを形成する工程と、該マスクに被覆されていない絶縁
体層をドライエツチングにより除去する工程と、エツチ
ングにより露呈した超伝導体層に対して、該超伝導体層
を構成する元素の組成比を変えて絶縁層に変換する工程
と、を含んでいる。

〔作　用〕

本発明では、基板上にセラミックス系の超伝導体層が形
成された後、該超伝導体層の上に絶縁体層が形成される
とともに配線パターンに応じてマスクが形成される。次
いで、該マスクが被覆していない絶縁体層がドライエツ
チングにより除去され、エツチングにより露呈した超伝
導体層を構成する元素の組成比が変えられて絶縁層に変
換される。

したがって、ウェットエツチング工程がなくなり、安定
した超伝導特性が得られるばかりでなく、Ｓｉ系半導体
と同程度の線幅を有する超伝導体素子の微細加工が可能
となる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

図は本発明に係る超伝導体素子の製造方法の一実施例を
示す図であり、本実施例は超伝導素子として超伝導配線
を作る例である。

図（ａ）〜＜ｅ＞は超伝導配線の製造プロセスを示す図
であり、工程順に説明してゆく。

＜１＞図（ａ）の工程 図（ａ）において、ｌは基板である。、基板１としては
、例えばＳｉ、ＭｇＯ，サファイア、５ｒＴｉｅ、等が
用いられる。このような素材を基板１として用いるのは
、薄膜素子からなる超伝導集積回路実現に不可欠な磁気
的不純物を含まず、清浄で良好な平坦性の基板を得るこ
とが可能だからである。

基Ｆｉｌ上に、例えばＹｌ　Ｂａｚ　Ｃｕ３０７−Ｘな
る組成を有するセラミックス系の超伝導体層２を厚さ５
０００人まで堆積する。超伝導体層２の堆積は例えば以
下の方法により行われる。

すなわち、基板１上にまずＹＢａ２　Ｃｕ３０７−８の
組成を有するセラミックス系の超伝導体層２をスパッタ
法、ＥＢ蒸着法あるいはＣＶＤ法により３００〜８００
°Ｃの温度条件下で形成し、次いで同一チャンバ内で３
００〜９００　’Ｃの温度条件下で酸素を供給してがら
熱処理をする。これにより、酸素の入り込みが適切に調
整されて高温超伝導体となる。

（ＩＩ）図（ｂ）の工程 図（ａ）の工程によって形成された超伝導体層２の上面
にＳｉ３Ｎ４あるいはＳｉＯ□という組成を有する絶縁
体層３を形成する。絶縁体層３は耐水性、耐薬品性を有
しており、ｋシスト塗付および除去の際の溶剤等から超
伝導体層２を保護し、超伝導特性の劣化を防止する保護
膜として機能する。この絶縁体層３は、例えばＳｉ３Ｎ
４からなり、ＣＶＤ法を用いて形成される。

（ＩＩＩ）図（ｃ）工程 図（ｂ）によって形成された絶縁体層３上に所定の配線
パターンに従ってレジストＮ４を形成する。このレジス
ト層４の形成は通常のフォトリソグラフィ技術により行
われる。すなわち、絶縁体層３上にレジストを塗付した
後、配線パターンに従って露光し、不要なレジストを除
去して所定のレジスト層４が形成される。レジスト層４
は図（ｄ）のエツチング工程中、超伝導体層２のマスク
として機能する。

（ＩＶ）図（ｄ）の工程 図（ｂ）により形成された絶縁体層３をウェットエツチ
ング工程を避けてドライエツチングにより配線パターン
に加工する。この絶縁体層３の加工は以下のように行わ
れる。すなわち、絶縁体層３　（組成Ｓｉ、Ｎ４）の不
要部分を図中矢印のように上方から、ＣＦ４　＋Ｏ□ガ
スにより反応性イオンエツチング法（ＲＩＥ法）又はプ
ラズマエツチング法等のドライエツチングにより異方性
（垂直）エツチングを行う。この異方性エツチングは基
板１の垂直方向に進行し、アンダーカットが発生しない
ので絶縁体Ｎ３の幅を例えば１　（μｍ）程度の微細な
ものとすることができる。ドライエツチング技術は現在
のＳｉ系半導体に用いられているものであり、Ｓｉ系半
導体の配線パターンの線幅と同程度の微細加工が可能で
ある。この結果、絶縁体層３の下の超伝導体Ｎ２はＳｉ
系半導体と同程度の線幅の配線に形成され、この部分が
超伏纒体″配線としての役割を果す。このとき、レジス
１−［４がマスクとなりその下にある超伝導体層２およ
び絶縁体層３を保護し、絶縁体層３は配線パターンと同
一形状に加工される。

次いで、ドライエツチングにより露呈した超伝導体Ｎ２
を、図中矢印のように上方から、例えばＣＣｌ４のよう
な塩素系ガスを用いてドライエツチングする。　すなわ
ち、露呈した超伝導体層２（不要部分）の構成元素のう
ち、主としてＣｕを塩素系ガスを用いて除去することに
より、超伝導体Ｎ２（７）組成比がＹＩＢ　ａ　ｚ　Ｃ
ｕ３０７−ｔｔから変動し、超伝導特性を失い絶縁層２
ｉに変換する。

すなわち、セラミックス系の超伝導体は限られた組成比
、例えばＹｌ　Ｂ　ａｘ　Ｃｕｘ　Ｏ？−１１のときだ
け超伝導特性を示すが、僅かでも組成比が変わると、超
伝導特性を失いただのセラミックス、すなわち絶縁体と
なる。この変換は容易に生じ、例えば組成元素中のＣｕ
の組成比が３から２．５となっても生じ絶縁体となって
しまう。このため、従来は安定した超伝導特性を有する
超伝導体素子を形成することは非常に困難であった。

ここで、本発明者はこの性質を逆に利用して、積極的に
構成元素の組成比を変えて絶縁体に変換させ、処理を行
わない部分のみ超伏４体層２を形成している。このドラ
イエンチング工程は絶縁体層３の除去を行ったドライエ
ツチング工程よりも時間がかなり短く、絶縁体層３およ
びレジスト層４に保護された超伝導体層２はその組成比
が変化せず安定した超伝導特性を示す。この結果、所定
の配線パターンに従い形成された絶縁体層３およびレジ
スト層４の形状と同一形状の超伝導体層２は安定した超
伝導特性を示し、超伝導体層２の周囲には絶縁ＪＷ２ｉ
が形成される。次いで、絶縁体層３上のレジストＮ４を
アセトン等の溶剤により除去する。

以上の工程を経て、完成した超伝導体素子を第１図（ｅ
）に示している。

このような超伝導体集積回路は、例えば液体窒素により
７７に近傍まで冷却され、この状態で使用されるとき超
伝導体層２は超伝導特性を示し、その薄体抵抗がＯとな
る。この結果、超伝導体集積回路は、低消費電力で高速
動作を行うことができる。この際、超伝導体層２の周囲
には絶縁Ｎ５があり、超伝導体層２同士の電流リークを
有効に防止している。この超伝導体層２および絶縁層５
の形成は従来の超伝導体層の形成後、ウェットエツチン
グによってパターン形成を行ったのと同じ効果を有して
おり、超伝導体層の必要パターン部分２は加工の際に薬
品、溶剤等に触れないので超伝導特性の劣化が生じない
。

また、Ｓｉ系の絶縁体層３のドライエツチングは現在の
半導体製造技術をそのまま使えるので、Ｓｉ系半導体と
同程度の線幅（例えば、１μｍ）の微細加工が可能とな
り、従来困難であった超伝導体集積回路の製作が可能と
なる。すなわち、従来の超伝導体素子の製造方法はウェ
ットエツチング工程が介在していたたため、超伝導体素
子の線幅を細くすることができないばかりでなく、エツ
チング中に超伝導特性の劣化が生じてしまい、超伝導体
集積回路の実現を阻んでいた。ところが本発明の製造方
法では、超伝導体層をバターニングする際、超伝導体素
子に与えるダメージや汚染等がなくなって、安定した超
伝導特性が得られるばかりでなく、現在のＳｉ系半導体
と同程度の線幅を有する超伝導体素子の形成が可能とな
って超伝導集積回路が製造できる。しかも、超伝導体素
子の形成後も超伝導体層２の表面は平滑なものとなり、
表面段差や平坦化等の問題も生しることはない。

なお、本実施例ではＣｕのエツチングにより超伝導体層
の組成仕を変えて、絶縁層を形成しでいるがこれに限ら
ず、その他の構成元素であるＢａ。

Ｙ、Ｌａ、Ｓｒ等あるいはごれらの化合物を除去しても
同様の効果が得られるのは勿論である。

また、超伝導体層の組成比を変えるのに本実施例では、
ドライエツチングを用いているが、これに限らすウェフ
トエツチングを用いてもよい。

さらに、上記実施例においては、セラミ・７クス系の超
伝導材料としてＹ　Ｂ　ａ　２　Ｃｕ　３０７−Ｘなる
組成のものを用いた場合について説明したが、超伝導材
料としては、例えばＹがＧｄその他のランタン系元素で
置換されたもの、ＢａがＳｒなど池のアルカリ土類金属
で置換されたもの、０の一部がハロゲンで置換されたも
のなど他の組成の超伝導材料を用いても同様の効果が得
られる。

次に、そのような置換例を示す。

ＬｎＢａｚ　Ｃｕ３０７−Ｘ　　（Ｌｎ　：ランタン系
元素）の場合、Ｌｎとしては、Ｅｕ（ユーロピウム）、
Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）１Ｄｙ（ジ
スプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）。

Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、ｙｂ（インテ
ルビウム）がある。また、これらの酸化物を２種以上混
合して成長しても、高温超伝導体となる。

なお、成長材料としては、これらの金属の塩化物、臭化
物あるいはヨウ化物を用いる。

〔効　果〕

本発明によれば、超伝導体層の上部を覆っている絶縁体
層の不要部分をドライエツチングにより除去し、ドライ
エツチングにより露呈した超伝導体層中の構成元素の組
成比を変えて絶縁膜に変換しているので、ウェットエツ
チング工程を避けることができ、安定した超伝導特性を
維持しつつＳｉ系半導体と同程度の線幅を有する超伝導
体素子を製造できる。

【図面の簡単な説明】

図（ａ）〜（ｅ）は本発明に係る超伝導体素子の製造方
法の一実施例の製造プロセスを示す図である。 １・・・・・・基板、 ２・・・・・・超伝導体層、 ３・・・・・・絶縁体層、 ４・・・・・・レジスト層（マスク）、２１・・・・・
・絶縁層。 手続主甫正書（方式） １．事件の表示 特願昭６３−２４１９２号 事件との関係　　特許出願人 住　所　神奈川県用崎市中原区上小田中１０１５番地名
称（５２２）富士通株式会社　　（：４、代理人　郵便
番号　２１１ 住　所　神奈川県用崎市中原区上小田中１０１５番地（
・ ５、補正命令の日付 昭和６３年３月３１日 （発送口：昭和６３年４月２０日） ６、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄、「図面の簡単な説
明」の欄および図面。 ７、補正の内容 ｌ）明細書第９頁第１７行目に「図は本発明にＪとある
のを、「第１図は本発明に」と補正する。 ２）同第９頁第２０行目に「図（ａ）、（ｂ）は」とあ
るのを、「第１図（ａ）、（ｂ）は」と補正する。 ３）同第１Ｏ頁第２行目に［（Ｉ）図（ａ）の工程」と
あるのを、「（Ｉ）第１図（ａ）の工程」と補正する。 ４）同第１Ｏ頁第３行目に「図（ａ）において、」とあ
るのを、「第１図（ａ）において、」と補正する。 ５）同第１１頁第２行目に「（■）図（ｂ）の工程」と
あるのを、ｒ　（ｆｆ）第１図の工程」と補正する。 （６）同第１１頁第３行目に「図（ａ）の工程」とある
のを、「第１図（ａ）の工程」と補正する。 （７）同第１Ｉ頁第１１行目にｒ　（ＩＩ［）図＜ｃ＞
工程」とあるのを、「（■）第１図（ｃ）の工程」と補
正する。 （８）同第１１頁第１２行目に「図（ｂ）によって」と
あるのを、「第１図（ｂ）によって」と補正する。 （９）同第１１頁第１８行目から第１９行目に「図（ｄ
）の」とあるのを、「第１図（ｄ）の」と補正する。 ａω同第１２頁第１行目に「（■）図（ｄ）の工程」と
あるのを、「（■）第１図（ｄ）の工程」と補正する。 ０υ同第１２頁第２行目に「図（ｂ）により」とあるの
を、「第１図（ｂ）により」と補正する。 ＠同第１８頁第７行目にＦ図（ａ）　〜（ｅ）は」とあ
るのを、「第１図（ａ）〜（ｅ）は」と補正する。 側口面を別紙の通り補正する。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　基板上にセラミックス系の超伝導体層を形成する工程
   と、 該超伝導体層の上に所定の絶縁体層を形成する工程と、 該絶縁体層の上部に配線パターンに応じてマスクを形成
   する工程と、 該マスクに被覆されていない絶縁体層をドライエッチン
   グにより除去する工程と、 エッチングにより露呈した超伝導体層に対して、該超伝
   導体層を構成する元素の組成比を変えて絶縁層に変換す
   る工程と、 を含むことを特徴とする超伝導体素子の製造方法。