JPH0577346B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、接地面用金属層上に複数の回路を配
置して構成される回路装置に関し、特に接地面用
金属層と回路間の接続を行う接地面コンタクト部
の構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、ジヨセフソン接合装置等の接地面金属層
上に回路が構成される装置において、接地面金属
層と回路間のコンタクトの形成に関しては、1980
年３月に発行されたアイ ビー エム ジヤーナ
ル オブ リサーチ アンド デイベロプメント
（IBM Journal of research and development）
第24巻第２号第195頁に記載されているジエー・
エツチ・グライナ（J.H.Greiner）等の論文や、
昭和58年３月に電子通信学会から発行された石田
晶等の編著による単行本「超伝導集積回路」の第
90頁以後に記載されている図3.1、表3.1の構造が
用いられていた。

この構造においてはコンタクト材料として鉛合
金、絶縁膜として二酸化シリコン膜が用いられ、
パターニングはリフトオフ法が用いられていた。

一方、材料としてニオブと二酸化シリコンを用
い、高速化及び高集積化のための平坦化を行つた
装置構造として、石田等による昭和61年度電子通
信学会総合全国大会予稿集２−88頁に記載の提案
や、永沢等による昭和61年第47回応用物理学会予
稿集421頁記載の平坦化方法の提案がある。

第３図ａ〜ｆは、ニオブ及び二酸化シリコンを
用いた従来の平坦化手法によるコンタクトの形成
方法を説明するための工程順に示した回路装置の
断面図である。本方法による接地面コンタクトは
接地面用金属層上に接して設けられている。本接
地面コンタクトは以下の工程によつて製造され
る。

まず、第３図ａに示す様に、シリコン等から成
る基板１上に、接地面金属層２としてニオブ膜を
成膜し、ニオブ膜の表面を陽極酸化して陽極酸化
膜３１を形成後、二酸化シリコン（SiO₂）等を
用いて絶縁膜５を形成する。

次に、第３図ｂに示す様に、露光現像工程によ
り形成されたホトレジストからなるマスク２２を
用いて絶縁膜５と陽極酸化膜３１をエツチングし
コンタクト柱を形成するための孔を明ける。

続いて、第３図ｃに示す様に、全面にニオブ等
から成るコンタクト膜２１を成膜し、コンタクト
膜２１上にホトレジスト等からなる補助層２３を
塗布し溶融させて表面を第３図ｄの様に平坦にす
る。

次に、第３図ｅに示す様に、補助層２３とコン
タクト膜２１とのエツチング速度が等しい条件で
エツチバツクし、絶縁膜５の主表面上のコンタク
ト膜２１が全てエツチングされた時点でエツチン
グを終了する。この操作によりコンタクト膜はコ
ンタクト柱４のみを残して除去され、回路装置表
面に補助層２３の平坦性が転写される。

続いて、第３図ｆに示すように、例えば回路装
置の配線３２を接地端子として形成する。以下引
き続きその上に所望の回路を形成することにより
回路装置が完成する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のグライナ等によるコンタクトの形成方法
による構造によれば、コンタクト柱の埋込み後の
平坦化を行なつていないので、コンタクト柱の一
部が周辺の絶縁膜上にも形成され、コンタクト柱
の厚さが段差となつて残つていた。従つて、コン
タクト柱上に形成される回路の配線や絶縁膜は、
残つたコンタクト柱の段差で断線や短絡が生じな
いように形成しなければならなかつた。従つて、
各層の膜厚が必要以上に厚くなつた。このため、
絶縁膜の増大によりインダクタンスが増加して高
速化が図られなかつた。又接地面コンタクト部の
凹凸のため、その上に形成されるパターンの微細
化が行えず回路の集積化が図れなかつた。

一方、石田等による平坦化手法によれば、上記
の段差が解消され高速化と高集積化が図れる。こ
のためには、コンタクト膜と補助層を同一のエツ
チング速度でエツチングする必要がある。しかし
ながら、金属であるニオブ等のコンタクト膜とホ
トレジスト等の有機物質等から成る補助層とは膜
質が大きく異なるため、同一のエツチング速度が
得られる加工条件を見出し難かつた。加工方法、
たとえばマイクロ波電子サイクロトロン共鳴方式
によつては、コンタクト膜と補助層が同一のエツ
チング速度となる条件が見出せなかつた。

第４図は四弗化炭素ガスと酸素ガスの混合ガス
を用いた平行平板型反応性スパツタエツチング装
置でコンタクト膜の平坦化を行なう場合のエツチ
ング速度の酸素分圧依存性の一例を示したもので
ある。酸素と四弗化炭素ガスの全圧力は8Pa、放
電電力は1kWである。

第４図に示したように、酸素分圧0.6Paの条件
において、ニオブコンタクト膜と補助層のエツチ
ング速度が等しくなる。しかし、コンタクト膜の
直下にある二酸化シリコンからなる絶縁膜とのエ
ツチング速度比は２倍で、かつ酸素分圧の変動に
対するニオブコンタクト膜と補助層のエツチング
速度の変動量が大きい。従つて、加工条件の変動
によりコンタクト膜と補助層のエツチング速度に
ずれが生じ、絶縁膜やコンタクト柱のオーバエツ
チ量が増大した。又、二酸化シリコン等の絶縁膜
に対するエツチング速度比が小さいため、絶縁膜
のオーバエツチ量が一層増大し、絶縁膜厚に依存
するインダクタンス値の設計値からのずれを増大
させ、回路装置の動作を困難にする欠点があつ
た。

本発明の目的は、上記の欠点を除去し、加工精
度の高い加工方法を用いることができ、かつ製造
歩留りを向上させることのできる回路装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の回路装置は、基板上に形成された接地
面用金属層と、この接地面用金属層上に形成され
た接地面保護金属層と、この接地面保護金属層上
に形成されたコンタクト柱と、このコンタクト柱
間を埋めるように形成されそのコンタクト柱と同
一平面を有するように平坦化された絶縁膜とを含
んで構成される。

〔作用〕

本発明の回路装置は、接地面用金属層上にコン
タクト膜を形成し、コンタクト膜をエツチングし
てコンタクト柱の形状にパターニングする時、接
地面保護金属層が接地面用金属層をエツチングか
ら保護するため、接地面用金属層はコンタクト柱
の加工の際に何ら損傷を受けることはない。

回路装置において、接地面用金属層とコンタク
ト柱は、通常同一の材料で構成されている。従つ
て、接地面用金属層上のコンタクト膜をエツチン
グしてコンタクト柱をパターニングする場合、非
常に高い精度でエツチングを終了しないと接地面
用金属層の膜厚とコンタクト柱の高さが規定でき
ない。しかし、エツチングの終了時点は、通常の
製造工程において、面内ばらつきや各工程毎のば
らつきのため変動するので、終了時点の正確な制
御は非常に困難である。

本発明の装置は、コンタクト膜のエツチング速
度に対して十分エツチング速度が遅い膜を、接地
面保護金属層として接地面用金属層上に設けてい
るので、コンタクト膜をエツチングする時の終了
時点の制御が容易になる。即ち、接地面保護金属
層は、コンタクト膜をエツチングする時の加工条
件に対して、十分エツチング速度が遅い。よつ
て、前述した面内ばらつきや各工程毎のばらつき
によるコンタクト膜のエツチング残りを防ぐた
め、多少長い時間エツチングを行つても、接地面
保護金属層はほとんどエツチングされない。よつ
て接地面保護金属層での接地面用金属層の膜厚
は、コンタクト膜のエツチング工程によつても変
化しない。又コンタクト柱の高さも、接地面保護
金属層がほとんどエツチングされないため、加工
前に形成したコンタクト膜の厚さとほぼ等しく保
たれる。即ち本発明は、コンタクト柱の加工精度
を高めることができる。

続いて、本発明の装置は、コンタクト柱間を絶
縁膜で埋込む工程に対して、絶縁膜上に補助層を
設け、補助層と絶縁膜を同一のエツチング速度で
エツチバツクして、表面を平坦にする精度の高い
平坦化手法を適用できる。これは、本発明の回路
装置がコンタクト柱を先に接地面用金属層上に形
成する製造方法で形成できるからである。しかも
コンタクト柱の高さの精度も高く保てるので、コ
ンタクト柱を埋込んだ絶縁膜の膜厚の精度も高く
なる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して
説明する。

本発明の一実施例として、本発明をジヨセフソ
ン接合装置に適用した時の回路装置の断面構造を
第１図に示す。

第１図において、シリコン等からなる基板１上
に接地面用金属層２が設けられており、この接地
面用金属層２上には接地面保護金属層３が形成さ
れている。そしてこの接地面保護金属層３上には
コンタクト柱４が形成され、このコンタクト柱４
は絶縁膜５で埋込まれた構造となつている。

このコンタクト柱上にはコンタクト柱４に接し
て、回路装置の接地線としての下部配線６が設け
られている。そしてこの下部配線６上には、基部
電極７とトンネル障壁層８と対向電極９から成る
ジヨセフソン接合が形成され、これらの回路が第
２の絶縁膜１０で埋込まれ、表面が平坦化されて
いる。さらに、対向電極９への配線として上部配
線１１が形成され、本実施例のジヨセフソン接合
装置が構成されている。

ジヨセフソン接合装置に必要な抵抗や磁界結合
型理論回路への信号入力を行う制御線等の他の回
路は、石田、永沢等による方法により適宜コンタ
クト柱４と第１の絶縁膜５上に形成される。これ
らの抵抗等のジヨセフソン接合素子以外の回路の
構成も下部配線６および上部配線１１を用いて従
来から知られている構造で形成される。

次に、本実施例を製造する方法の一例を第２図
ａ〜ｆを用いて説明する。第２図ａ〜ｆ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
導体チツプの断面図である。

先ず、第２図ａに示す様に、シリコン等からな
る基板１上に接地面用金属層２を膜厚300nm、接
地面保護金属層３を膜厚1nm、コンタクト膜２１
を膜厚200nm、それぞれスパツタと蒸着により形
成する。

接地面金属層２及びコンタクト膜２１として例
えばニオブ膜を用い、接地保護金属層３として例
えばアルミニウムを用いる。ニオブの成膜は、マ
グネトロン高周波スパツタ装置を用いて、アルゴ
ンガス圧力１パスカル（Pa）、成膜速度100nm／
分の条件下で所望の膜厚を形成することによつて
行なわれる。アルミニウムの成膜は、電子ビーム
蒸着法により1nm／分の成膜速度で１分間蒸着し
て形成される。

次に、第２図ｂに示すように、コンタクト柱を
形成するためのホトレジストからなるマスク２２
を、露光・現像工程により形成する。続いて、マ
スク２２を用い、平行平板型反応性スパツタエツ
チング装置を用いて、ニオブからなるコンタクト
膜２１をエツチングし、コンタクト柱４を形成す
る。

この加工は、四弗化炭素（CF₄）ガスを10Paの
圧力で導入し、エツチング速度100nm／分の条件
下に２分20秒エツチングすることにより行なわれ
る。エツチングは面内ばらつきと工程ばらつきを
除くため20秒間長く行なわれる。このニオブをエ
ツチングする時の条件におけるアルミニウムのエ
ツチング速度は1nm／分であるので、30秒間のオ
ーバエツチによつてアルミニウムが削られる量は
0.5nmである。よつて、コンタクト膜２１のオー
バエツチングによつても接地面保護金属層３のア
ルミニウムは完全にエツチングされないので、接
地面保護金属層３のアルミニウムの下側にあるニ
オブの接地面用金属層２の膜厚は、コンタクト膜
２１のオーバエツチングによつても全く変化しな
い。

続いて、第２図ｃに示すように、コンタクト柱
４間を埋込む絶縁膜５として二酸化シリコン膜を
250nmの厚さに形成する。二酸化シリコンは、高
周波マグネトロンスパツタ装置を用いて、たとえ
ばアルゴンガス圧力0.2Pa、成膜速度40nm／分の
条件で形成する。

続いて、第２図ｄに示すように、平坦化のため
補助層２３としてホトレジスト等の有機膜を、例
えば4000rpmの回転数で膜厚300nmにスピン塗布
する。その後、200℃に昇温して補助層２３の有
機膜を溶融させ表面を平坦にする。補助層２３の
膜厚と昇温温度およびスピン塗布時の回転数は、
用いる補助層２３の材質に適した最適な条件が設
定される。

このようにして表面を平坦にした後、第２図ｅ
に示すように、平行平板型反応性エツチング装置
を用いて、補助層２３の有機膜と絶縁膜５の二酸
化シリコン膜が同一のエツチング速度となる条件
で、補助層２３と絶縁膜５をエツチングする。

この時の条件は、たとえば第５図に示した酸素
分圧0.4Pa、酸素と四弗化炭素の混合ガス圧力
4Pa、エツチング速度30nm／分が設定される。
このエツチバツクの工程は、コンタクト柱４の表
面が現われた時点で終了させる。この様にして、
コンタクト柱４が絶縁膜５中に埋込まれ、主表面
が平坦化された接地面コンタクト柱が形成され
る。

続いて、第２図ｆに示すように、回路装置にお
いて接地を行うための所望の下部配線６を、例え
ばニオブ膜を200nmの膜厚にスパツタで成膜し、
反応性エツチングによりホトレジストマスクを用
いて所望のパターン形状に加工して形成する。

その後引続き、石田等や永沢等の方法により基
部電極７とトンネル障壁層８と対向電極９から成
るジヨセフソン接合と、第２の絶縁膜１０と、上
部配線１１を形成して第１図に示したジヨセフソ
ン接合装置を完成させる。

以上説明したように、本実施例の回路装置にお
いては、平坦化を行う時のエツチバツク工程とし
て、加工条件の変動に起因する酸素分圧の変動に
対しても、補助層とのエツチング速度比に大きな
差が生じない絶縁膜をエツチバツクする手法が用
いられるので、絶縁膜の膜厚の制御が容易とな
り、高い加工精度を得ることができる。

上記実施例では、ジヨセフソン素子を用いたジ
ヨセフソン接合装置について説明したが、本発明
は接地面金属層を接地面保護金属層で覆い、接地
面保護金属層上にコンタクト柱を形成し、コンタ
クト柱間を絶縁膜で埋込んだ第１図に示すような
コンタクトを用いる他の超伝導回路装置や半導体
装置等の回路装置に対しても同様に実施できるこ
とは明らかである。

なお、接地面保護金属層の膜厚は、コンタクト
柱部での接触抵抗が回路動作に影響しない厚さが
選定される。たとえば、実施例の1nmのアルミニ
ウム膜を接地面保護金属層とした時の接触抵抗
は、アルミニウム膜の比抵抗を３×10^-6Ωcmと
し、コンタクト柱の大きさを光露光で実現可能な
最も小さい値として1μm角を仮定しても、３×
10^-5Ωである。この値は、ジヨセフソン接合装置
の負荷抵抗0.1Ω〜10Ωに比し非常に小さく、無視
できることが分かる。

さらに、接地面保護金属層として、窒化ニオ
ブ、鉛合金等の超伝導金属を用いても本発明を実
施できる。この場合には、ジヨセフソン接合装置
等の超伝導装置に対して、コンタクト部の接触抵
抗を零にすることができるので、接地面保護金属
層の膜厚の制約は小さくなる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、本発明の
回路装置の製造において、コンタクト柱形成後コ
ンタクト柱を埋込んで主表面を平坦化する工程
で、材料的に類似した絶縁膜と補助層とを同一の
エツチング速度でエツチングする方法を用いるこ
とができるため、加工状況の変動に起因する加工
条件の変動に対しても、エツチング速度比のずれ
を小さくおさえ、高い精度で加工できる。さらに
マイクロ波電子サイクロトロン共鳴方式のエツチ
ング装置等の他のエツチング方式に対しても高い
加工精度を得る条件を容易に得ることができる。

又、コンタクト柱のパターニングにおいて、コ
ンタクト膜のエツチング速度よりエツチング速度
が著しく遅い材料を接地面保護金属層として用い
るので、コンタクト柱加工時の各層の膜厚変動を
ほとんど無くし、加工精度を高めることができ
る。従つて、回路装置の製造歩留りは向上したも
のとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図ａ
〜ｆは本発明の一実施例の製造方法を説明するた
めの工程順に示した半導体チツプの断面図、第３
図は従来の回路装置の製造方法を説明するための
工程順に示した半導体チツプの断面図、第４図は
コンタクト膜をエツチバツクして平坦化する場合
の酸素分圧の変化に対する各膜のエツチング速度
の変化を示した図、第５図は絶縁膜をエツチバツ
クして平坦化する場合の酸素分圧の変化に対する
各膜のエツチング速度の変化を示した図である。 １…基板、２…接地面用金属層、３…接地面保
護金属層、４…コンタクト柱、５…第１の絶縁
膜、６…下部配線、７…基部電極、８…トンネル
障壁層、９…対向電極、１０…第２の絶縁膜、１
１…上部配線、２１…コンタクト膜、２２…マス
ク、２３…補助層、３１…陽極酸化膜、３２…配
線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基板上に形成された接地面用金属層と、該接
   地面用金属層上に形成された接地面保護金属層
   と、該接地面保護金属層上に形成されたコンタク
   ト柱と、該コンタクト柱間を埋めるように形成さ
   れそのコンタクト柱と同一平面を有するように平
   坦化された絶縁膜とを含むことを特徴とする回路
   装置。