JPS6224677A - 超伝導回路用接地面の形成方法 - 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、超伝導回路用接地面の形成方法に関し、更に
詳しくは平坦で、絶縁性の高い、超伝導回路用接地面を
実現する方法に関するものである。

従来の技術 超伝導回路において接地面はジョセフソン素子同志を分
離すると共にマイクロストリップ線路構造の配線を実現
して、超高速信号を歪なく伝搬させるものであり、ジョ
セフソン集積回路の高速性を保つ上で重要な役割を演じ
、Ｐｂ合金を用いたジョセフソン集積回路ではＳ１ウエ
ハなどを基板とし、熱酸化により形成されたＳ１酸化膜
上にＮｂなどで形成される。また、Ｎｂ系素子において
はＮｂ下部電極がそのまま接地面としても機能する構成
となっている。

また、パターン化した複数の薄膜層を有する多層膜構造
を形成する場合、コンタクトホール部などにおける段差
部の被覆の不十分さに基く、新たな不良モード、例えば
ショート、リークなどの他、断線などの恐れがあり、従
って各層の平坦化を実現することが極めて重要であり、
多層構造の歩留り、信頼性を確保する上で無視できない
点である。

従来の接地面形成工程を添付第２図に基き詳しく説明す
る。即ち、まず基板１上に接地面としてのニオブ２を蒸
着した後、フォトレジスト３をマスクとして、陽極酸化
によりニオブ酸化物４を形成する（第２図（ａ）参照）
。次に、レジスト３を除去した後、新たなフォトレジス
ト３°を形成し、これをマスクにＳｉＯを蒸着しく第２
図ら）参照）、リフトオフｊこよってＳ１０進縁膜５を
形成する（第２図（Ｃ）参照）各工程からなっている。

次に、配線層となるニオブ６を、絶縁層５の開孔部に接
続することでコンタクトを形成する（第２図（ｄ）参照
）。

この従来の超伝導回路用接地面の形成方法では、接地面
絶縁層として、誘電率の大きな（ε〜２９）ニオブ酸化
膜を用いているため、高速信号の伝搬には適していない
。また、この大きな誘電率の効果を除去するためＳｉＯ
のような別の絶縁膜５をさらに積層するため、開孔部に
ＳｉＯの膜厚に和光する段差が生じる。このような段差
による断線を考慮すると、配線層６の膜厚を絶縁膜の厚
さ以下に薄くすることができず、回路の表面の凹凸が大
きくなるという欠点があった。

発明が解決しようとする問題点 以上説明したように、超伝導回路作製の際、その接地面
は超高速信号を伝搬させる上で重要であるが、従来の製
造方法では誘電率の大きな酸化膜にニオブ酸化膜）を接
地面絶縁層として利用していたために、所期の目的を達
成する上で問題であった。更に、開口部等の段差による
不良モードを排除し、断線等のない、より高い信頼性を
有する超伝導回路の開発が望まれている。

そこで、本発明の目的は、誘電率の低い接地面絶縁層を
用いることで、高速信号低部特性を改善し、更に、平坦
な表面を提供することで、膜厚の薄い配線層を使用でき
るようにすることにある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は、超伝導回路用接地面の形成方法における
上記のような現状に鑑み、その緒特性を更に一層改善し
、所期の目的を十分に達成し得る超伝導回路を開発すべ
く種々検討した結果、従来のものが高誘電率の接地面絶
縁層を用いており、また開孔部の存在に起因する段差部
の平坦化が不十分であったために配線層の膜厚の縮小が
できなかったことにあり、これらの問題がより誘電率の
低い絶縁膜材料を使用し、特定の金属層をエツチングス
トッパとして利用することにより有利に解決し得ること
を見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は基板上の超伝導薄膜と、該薄膜の基板と
は反対側の表面に接して配置された絶縁膜と、その絶縁
膜の欠落部である接地面コンタクト部よりなる接地面の
形成方法であって、その特徴は基板に近接した第１の超
伝導体薄膜と、基板から遠く離れた第２の超伝導体薄膜
と、その間に介在する金属層の三層を順次形成した後、
第２の超伝導体薄膜を、コンタクト部を規定するフォト
レジストをマスクとして、エツチングにより除去し、次
いで前記金属層を酸化することにより酸化物絶縁層に転
換させることにある。

本発明の方法において特に好ましい超伝導体材料として
はニオブ（Ｎｂ）をまた金属膜材料としてはアルミニウ
ムが挙げられる。また、アルミニウム等の金属膜の酸化
法としては陽極酸化法が最も好ましい例として挙げられ
る。

本発明の方法によって得られる超伝導回路の構成は添付
第１図（ｆ）に最もよく示されている。即ち、Ｓｉウェ
ハなどの基板１と、その上に設けられた第ｌの超伝導体
（Ｎｂ）層２と、ＡＩ酸化膜９を介してＮｂ層層上上設
けられた絶縁膜５と、該絶縁膜５の開孔部にＡ１層８を
介して埋込まれた第２超伝導薄膜パターン７と、更に絶
縁膜５および第２超伝導薄膜７上に設けられた上部電極
層６とで構成される。

このような超伝導回路は、まず基板上に接地面を構成し
、かつ下部電極としても機能するＮｂ層を蒸着法などの
公知の成膜法に従って形成し、更にその上に順次Ａ１層
および第２超伝導体層を同様に公知の成膜法に従って形
成する。次いで、第２超伝導体層上にコンタクト部を画
成するためのパターンをフォトレジストで形成する。

このようなレジストとしては特別なものを使用する必要
はなく、第２超伝導体材料のＮｂなどよりもエツチング
レートの低い、即ち選択比の高い従来公知の材料から適
宜選択される。例えば、ネガ型環状ゴム系のＯＭＲシリ
ーズ（東京応化社）、ＫＴＦＲおよびＫＭＥＲ（いずれ
もイーストマンコダック社製）など、ネガ型ポリ桂皮酸
ビニル系のＫＰＲ（イーストマンコダック社）、ＴＰＲ
（東京応化社）など、ポジ型フォトレジストであるＡＺ
シリーズ（シブレイ社）、０ＦＰＲシリーズ（東京応化
社）などの他、電子線レジスト、Ｘ線レジスト、遠紫外
線レジストなどを、エツチング方法、エツチングすべき
材質に応じて上記の条件を満たすように適宜選択して使
用することができる。

また、レジストパターンの形成後第２超伝導体層のエツ
チングを行うが、この操作はＣＦ、、Ｃ２Ｆ６、ｃ３Ｆ
、など、あるいはＣＢｒＦ＊　もしくはこれらの混合物
等を用いた反応性イオンエツチングなどで方向性エツチ
ングを行うことが有利である。

このエツチング操作の際に金属膜がエツチングのストッ
パとしての機能を果す。即ち、この金属膜としては超伝
導体層、例えばＮｂよりもエツチング速度の遅いものか
ら選ばれ、層などが有利に使用される。かくして、エツ
チング装置のエツチング速度分布が存在しても、ある一
定時間以上エツチング操作を遂行することにより一様に
アルミニウム層が露出した段階で安定することになる。

尚、本発明の方法において上記金属膜の厚さは臨界的で
あり、１００八〜１μｍの範囲内でなければならない。

なんとなれば、下限の１００人に満たない厚さで使用し
た場合にはエツチングストッパとしての機能が期待でき
ず、一方上限の１μｍを越える厚さで使用した場合には
超伝導コンタクトがとれなくなってしまう。

次に、レジストが存在する状態でＮｂ層の側部および露
出した金属層を酸化する。この操作は金属膜が完全に酸
化されるまで行う。この際金属膜の一部（コンタクト部
）は酸化されずに残されるが、膜厚が薄いために近接効
果により両側の超伝導体のＮｂを超伝導状態で結合して
いる。

更に、レジストをステンシルとして絶縁体を蒸着等によ
り形成し、リフトオフなどによりレジストを除去すると
、平坦な表面が得られる。金属薄膜等の酸化の際には一
般に体積増加があり、この現象も平坦化を達成する上で
有利なものである。

超伝導回路は次いで配線層を形成して完成される。この
配線層材料としては従来公知の任意の材料を使用するこ
とができ、例えばＰｌｌ、ＩＪＩＩ化合物、Ｎｂ又はＮ
ｂ化合物を挙げることができ、その形成法としてはフォ
トリソグラフィー技術を利用した、例えば真空蒸着、ス
パッタ法、プラズマＣＶＤ法、あるいはリフトオフ法な
どを例示できる。尚、本発明の方法においては特に超伝
導体としてＮｂを使用することが好ましい。

一作月 以上述べたように、超伝導回路用接地面の形成の際、従
来問題となっていた点は、接地面絶縁層の形成を誘電率
の低いＮｂ酸化物で実現していたために高速信号伝搬特
性が得られず、また多層膜構造であるためにその平坦性
が不十分であり、段差の存在に基くステップカバレージ
の悪さのためにリーク、断線などの恐れがあり、信頼性
も不十分であったことにある。また、配線層の膜厚の縮
小も、同様な理由から限界があった。

しかしながら、本発明の方法によれば、低誘電率の接地
面絶縁層を実現し得る金属層を用い、これを第２の超伝
導体層のパターン化の際のエツチングストッパとしても
利用し、次いで陽極酸化法等により金属酸化物に転化す
ることにより低誘電率の絶縁層を形成することができ、
その結果十分な高速信号伝搬特性を得ることができる。

また、表面の平坦化については、第２超伝導体層のパタ
ーン化の際に、金属膜がエツチングストッパとして機能
し、超伝導層の均一なエツチングが可能であり、更に接
地面絶縁層の形成の際、酸化に伴って金属層、超伝導体
層の体積膨張があり、これは後に堆積される絶縁体層と
超伝導体層との間に生じ易い溝を狭（する作用を有する
ために表面の平坦化に大きく寄与する。かくして、平坦
な表面が実現できることは、配線層の膜厚を減じること
を可能とする。

即ち、本発明は、エツチングに対する耐性の高い金属層
を２つの超伝導層ではさんだ三層構造の一方の超伝導層
を、上記金属層をストッパとしてエツチングにより除去
し、上記金属層を酸化することで、低誘電率の接地面絶
縁層を実現することを、主要な特徴とする。従来の技術
とは、酸化して接地面絶縁層となるべき金属が、超伝導
金属でなく、エツチングストッパとして用いる別の金属
であることが異なる。

実施例 以下、添付第１図を参照して記載される実施例により本
発明の方法を更に具体的に説明する。

まず、同一真空装置内で、Ｓｉウェハからなる基板１上
に第一のニオブ膜２、アルミニウム膜８および第二のニ
オブ膜７を連続して積層する。典型的な膜厚は、第１、
第２のニオブ膜が１５０ｎｍ、アルミ膜が１５ｎｍであ
る。これに、エツチングマスクとしてフォトレジスト３
を配置する（第１図（ａ）参照）。次に、反応性イオン
エツチング装置において、ＣＢｒＦ３ガスを用いて方向
性エツチングを行なう。この時、アルミのエツチング速
度は、二オテに比べて非常に遅いので、アルミ膜がスト
ッパとなり、装置のエツチング速度分布が存在しても、
ある一定時間以上エツチングを実行すると、一様にアル
ミが露出した段階で安定する（第１図（ｂ）参照）。こ
れを五ホウ酸アンモニウムとエチレングリコールと水の
混合液中で試料側を陽極として電流を流し、金属の露出
部を酸化する。即ち、ニオブ７の側面はニオブ陽極酸化
膜４、アルミニウム層３からはアルミ陽極酸化膜９が形
成される。アルミニウム８の全部が酸化されるまで、陽
極酸化を進める。コンタクト部の酸化されないアルミニ
ウムは、膜厚が薄いので近接効果により両側の超伝導体
のニオブ２．７を超伝導状態で結合する（第１図（Ｃ）
参照）。ひき続き、第１図（ｄ）に従って、ＳｉＯをレ
ジスト３をステンシルとして蒸着する。

更に、リフトオフによりレジストを除くと、平坦な表面
が得られる（第１図（ｅ）参照）。通常、酸化膜になる
と体積増加するので、第２のニオブ層７の側壁が膨張し
、第１図（ｅ）にみられるようにＳｉＯ絶縁膜と、ニオ
ブとの間に生じやすい溝をせまくし、平坦な表面を実現
するのに効果的である。この平坦な表面にニオブ配線層
６を所定のパターンで形成する（第１図（ｆ）参照）。

以上に述べた工程かられかるように、接地面絶縁層にア
ルミ酸化膜を用いるので、誘電率が小さく（ε〜１０）
従って、高速信号伝搬に有利である。

また、平坦な表面が得られるため、この上に配置される
ニオブ配線層の膜厚を厚くしなくても、段差による断線
等を防止でき、信頼性を向上させることができる。

発明の効果 かくして、本発明の方法によれば、超伝導回路用接地面
絶縁層材料として誘電率の低い金属酸化物を使用したこ
とに基き、高速信号伝搬性を大巾に改善することができ
た。

更に、超伝導体薄膜間に金属層（後に酸化されて絶縁層
となる）を設け、これを第２超伝導体層用のエツチング
ストッパとしても機能させたことにより、配線層の形成
の際の表面の平坦化が確保でき、従って段差被覆性（ス
テップカバレージ）の問題が排除され、断線等の恐れが
なくなり、信頼性を大巾に向上させることができると共
に、配線の膜厚も大１１Ｊ（ごり；り化できるようにな
った。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は、本発明の超伝導回路用接地面
の形成工程の説明図であり、 第２図（ａ）〜（ｄ）は、従来の超伝導回路用接地面の
形成工程の説明図である。 （主な参照番号） １・・基板、　　２・・ニオブ膜、 ３・・レジスト、　　４・・ニオブ酸化膜、５・・Ｓｉ
Ｏ絶縁膜、　　６・・ニオブ配線層、７・・ニオブ膜、
　８・・アルミ膜、 ９・・アルミ酸化膜、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上の超伝導薄膜と、該薄膜の基板とは反対側
   の表面に接して設けられた絶縁膜と、該絶縁膜の欠落部
   である接地面コンタクト部よりなる接地面の形成方法に
   おいて、 上記の基板側に近い第一超伝導薄膜と基板から遠い第二
   の超伝導薄膜と、その間に介在する金属層の三層を最初
   に形成した後、前記第二の超伝導薄膜を、コンタクト部
   を規定するフォトレジストをマスクとしてエッチングに
   より除去し、引き続き、前記金属層を酸化することによ
   り酸化物絶縁層に転換せしめることを特徴とする超伝導
   回路用接地面の形成方法。
2. （２）上記第一および第二の超伝導薄膜がニオブより成
   り、上記金属層がアルミニウムより成り、これを陽極酸
   化することにより、絶縁層に転換することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の超伝導回路用接地面の形成
   方法。
3. （３）上記金属層の厚さが１００Å〜１μｍの範囲内で
   ある特許請求の範囲第２項記載の超伝導回路用接地面の
   形成方法。