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1 0 0  

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Thickness  (nm)  Flat 

Film  SiO

_z 

the 

on 

S 

i 

O

₂膜 の 基 板 上 ス テ ッ プ へ の 成 長 状 態 図

3‑2. 

横 軸 は 基 板 上 の 水 平 面 に 堆 積 す る Si O2の 膜 厚

縦 軸 は 基 板 上 の 水 平 面 と 垂 直 面 に 堆 積 す る S i O₂の 膜 厚 比

C  a  ) 

( b ) 

図

3‑ 3. 

基 板 上 ス テ ッ プ に 堆 積 し た

S

i 

0 

2膜 の

S E M

写 真

Ca:Si02

膜堆積後、

b

:側壁

S i  O 2

^{膜 除 去 後 〉}

Fhu 

ワ ー

図

3‑ 4. 

サ イ ド エ ッ チ ン グ を 用 い た リ フ ト オ フ 平 坦 化 技 術 に よ る 平 坦 化 層 断 面

SEM

写 真

写 真 を 示 す 。 図 に 示 す と お り 、 バ リ や 溝 な ど リ フ ト オ フ 固 有 の 問 題 点 は 目 だ っ て お ら ず 、 良 好 な 平 坦 化 が 行 わ れ て い る こ と が わ か る 。 こ れ は リ フ ト オ フ 法 に よ り 平 坦 化 し た 層 を 実 際 の デ バ イ ス に 用 い る 場 合 の 有 効 性 に つ い て 示 し た も の と 言 え る 。 さ ら に 電 気 的 な 信 頼 性 の 面 を 評 価 す る た め に 平 坦 化 層 上 に も う け た 層 間 絶 縁 膜 の 絶 縁 耐 圧 を 調 べ た 。 図

3‑5

に リ フ ト オ フ 法 に よ る 被 平 坦 化 層 上 に設けた

S

i 

O

2膜 上 の 形 状 を 調 べ た 結 果 を 示 す 。 リ フ ト オ フ 時 に 生 じ た 溝 が 、 そ れ を 被 覆 す る Si O2膜 の 膜 厚 が 厚 く な る に 従 い 、 埋 ま っ て い く こ と が わ か っ た 。 リ フ ト オ フ 直 後 で は

200nm

の 厚 さ で あ っ た 溝 は 膜 厚

200nm

^の

S

i 

02

で 覆 わ れ た 後 で は 約

50nm

のj享 さ ま で 埋 め 込 ま れ て い る こ と が 示 さ れ て い る 。 ま た 溝 の 幅 も 減 少 し 、 上 部

S

i 

O

2の 表 面 は な め ら か に な る こ と が わ か る 。 こ の 層 間 絶 縁 膜 上 に 電 極 を 設 け 、 下 地 平 坦 化 の 効 果 を 層 間 絶 縁 膜 の 絶 縁 耐 圧 と し て 評 価 し た 。 比 較 の た め に 平 坦 化 を 施 し て い な い 下 地 に も 同 様 の 構 造 を 形 成 し 絶 縁 耐 圧 を 調 べ た 。 図

3‑8

に 絶 縁 耐 圧 の 分 布 を 示 す 。 平 坦 化 し た 場 合 に は 約

7.0MV/cm

の 耐 圧 が あ り 、 平 坦 化 し な い 場 合 の 約

2

倍 に 向 上 し た 。 こ の 値 は 熱 酸 化 な ど に よ り

S

i基 板 か ら 直 接 酸 化 反 応 に よ り 形 成 し た 真 性

S

i 

0 

2の 値 に 近 く 平 坦 化 の 効 果 が 充 分 に 現 れ た 。

く

2>ULOP

平 坦 化 技 術75)

上 述 し た サ イ ド エ ッ チ ン グ を 併 用 し た リ フ ト オ フ 法 で は 、 リ フ ト オ フ 時 の 抜 き 型 と な る レ ジ ス ト の 一 部 を レ ジ ス ト 溶 解 液 に 接 触 さ せ る た め に 側 壁 の 選 択 エ ッ チ ン グ を 行 う 。 こ の 工 程 に よ り レ ジ ス ト の 側 壁 の Si O2は エ ッ チ ン グ さ れ 、 リ フ ト オ フ 法 で の 平 坦 化 の 問 題 点 の 一 つ で あ る パ リ は ほ と ん ど 残 ら な く な っ た 。 し か し こ の 方 法 で は 平 坦 化 パ タ ー ン の 周 囲 に 溝 が 生 じ 、 平 坦 化 し た 表 面 の 平 滑 性 を 損 な う こ と と な る 。 従 っ て こ の 溝 を 埋 め 、 絶 縁 耐 圧 を 高 め る た め に は あ る 程 度 の 厚 さ の 絶 縁 膜 が 必 要 で あ る 。 し か も 、 側 壁 の

S

i 

0 

2膜 の エ ッ チ ン グ レ ー

ト は 非 常 に 早 く 制 御 が 難 し い 。 そ こ で こ こ で は 上 述 の 問 題 点 を 解 決 す る た め に 新 し い リ フ ト オ フ 法 を 提 案 す る 。

こ の リ フ ト オ フ 技 術 の 特 徴 は エ ッ チ ン グ に 用 い た レ ジ ス ト マ ス ク を 、 堆 積 膜 の エ ッ チ ン グ 後 に ひ さ し 構 造 を 有 す る リ フ ト オ フ 抜 き 型 ( ス テ ン シ ル 〉 に 変 換 す る こ と で あ る 。 ひ さ し 構 造 を 形 成 す る た め に レ ジ ス ト マ ス ク の 基 部 に ア ン ダ

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七

(nm) 

Upper SiO

z 

Film Thickness 

図

3‑5. 

サ イ ド エ ッ チ ン グ を 用 い た リ フ ト オ フ 平 坦 化 技 術

に よ る 平 坦 化 層 上 に 形 成 し た

S

i 

0 

2膜 形 状 の 膜 厚 依 存 性

SiOl. t = 200 nm 

i~桶It

=12  5 

札市

。

5 

﹀OZ

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O

凶江hh

。 。

_9 10 

BREAKDOWN F I E L D  (MV 

/cm)  8 

6  7 

ι 

5  2 3 

サ イ ド ェ 、 ソ チ ン グ を 用 い た リ フ ト オ フ 平 坦 化 技 術 に よ り 平 坦 化 し 図

3‑ 8. 

た 場 合 の

Nb

配 線 開 の 絶 縁 耐 圧 分 布

Nb

配 線 開 の

S

i 

O

₂膜 厚 は

200nm

下 図 は 平 坦 化 し な い 場 合 上 図 は 平 坦 化 し た 場 合 、

‑79  ‑

ー カ ッ ト を 設 け る 。 選 択 的 に ア ン ダ ー カ ッ ト を 形 成 す る た め に 二 層 の レ ジ ス ト 構 造 の 中 間 に 難 現 像 層 を 設 け て 最 終 的 に ひ さ し に な る 部 分 と し た 。 難 現 像 層 は 、

ク ロ ロ ペ ン ゼ 、 ン 浸 漬 法 を 用 い た 。 上 記 の 特 徴 か ら こ こ で 新 た に 提 案 す る リ フ ト オ フ 平 坦 化 技 術 を

U n d e r c u te t c h i n g   m a s k   u s e   L i f t ‑ O f f   P l a n a l i z a t i o n  

(U L 

o 

p)技 術 と 呼 ぶ 。 一 般 の リ フ ト オ フ 技 術 で は リ フ ト オ フ を 容 易 に 行 う た め に ひ さ し 構 造 の ス テ ン シ ル を 形 成 す る 。 従 っ て 堆 積 膜 の リ フ ト オ フ 後 の 形 状 は 基 本 的 に ス テ ン シ ル の 最 も 幡 の 広 い 形 状 に 対 応 し て 規 定 さ れ る 。 そ れ な ら ば 、 エ ッ チ ン グ に 用 い た ス テ ン シ ル を そ の ま ま 基 板 上 に 残 し て お け ば 、 そ の 周 囲 を 自 己 整 合 ( セ ル フ ア ラ イ ン ) 的 に 埋 め 込 む こ と が で き る 。 す な わ ち 、 被 エ ッ チ ン グ 膜 と 向 じ 厚 さ の 埋 め 込 み 膜 を 堆 積 し て エ ッ チ ン グ マ ス ク と し た レ ジ ス ト パ タ ー ン を 用 い て リ フ ト オ フ す る と 、 最 終 的 に 平 坦 化 が 実 現 さ れ る こ と に な る 。 た だ し 、 ひ さ し の 付 い た ス テ ン シ ル の パ タ ー ン で N b膜 を 精 度 良 く エ ッ チ ン グ す る こ と は 難 し く 、 何 ら か の 工 夫 が 必 要 で あ る 。

レ ジ ス ト パ タ ー ン を エ ッ チ ン グ マ ス ク と し て 用 い る た め に は レ ジ ス ト マ ス ク が ひ さ し 梅 造 を 持 つ こ と は 精 度 の 良 い エ ッ チ ン グ に は 不 向 き で あ る 。 レ ジ ス ト マ ス ク の ひ さ し 部 分 は エ ッ チ ン グ の 最 中 に エ ッ チ ン グ に さ ら さ れ 形 状 を 変 え る 可 能 性 が あ る 。 最 悪 の 場 合 に は 膜 厚 の 薄 い ひ さ し の 部 分 は 無 く な っ て し ま う こ と も あ る 。 し か し な が ら 、 リ フ ト オ フ を 容 易 に 行 う た め に は ス テ ン シ ル の ひ さ し 構 造 は 不 可 欠 で あ る 。 こ の ふ た つ の 問 題 を 解 決 す る 方 法 の ひ と つ は ス テ ン シ ル の ひ さ し 構 造 を エ ッ チ ン グ の 後 に 形 成 す る こ と で あ る 。

図3 ‑ 7にU L O P法 の 工 程 流 れ 図 を 示 し 、 各 工 程 ① か ら ③ ま で を 順 を 追 っ て述べる。

① ま ず 基 板 上 に バ タ ー ニ ン グ す る 膜 を 堆 積 し た 試 料 を 用 意 す る 。 こ の 試 料 に 第

i

の レ ジ ス ト を ス ピ ン コ ー ト 法 に よ り 塗 布 す る 。 各 工 程 の プ ロ セ ス 条 件 を 表 3

‑1に 示 す 。 レ ジ ス ト に は シ プ レ イ 社 製 のM P 1 3 0 0を 用 い 、 塗 布 膜 の 膜 厚 は

O.

5 μ mと し 、 塗 布 後 窒 素 雰 囲 気 中 で 7 0⁰C 3 0分 の 熱 処 理 を 行 う 。

② ク ロ ロ ベ ン ゼ ン を 試 料 に 浸 潰 し て 、 レ ジ ス ト の 難 溶 処 理 を 行 う 。 浸 漬 時 聞 は

5

分 と し 、 浸 潰 後 同 じ く 窒 素 雰 囲 気 中 で 7 0"C3 0分 の 熱 処 理 を 行 い 、 ク ロ ロ ベ ン ゼ ン の 拡 散 を 促 進 さ せ る 。 熱 処 理 を 施 す こ と に よ り 、 試 料 表 面 が 乾 燥 し 次 の ス テ ッ プ で 上 部 レ ジ ス ト の 塗 布 状 態 を 安 定 さ せ る と と が で き る 。

 

FILM 

lum 応W 勿~

 

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① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ③  

図3 ‑ 7 . U L O P平 坦 化 技 術 の 流 れ 図

‑8 1   ‑

表

3‑ 1  .  ULOP

平 坦 化 技 術 に お け る 各 工 程 の プ ロ セ ス 条 件

ULOP PROCESS 

PROCESS  MATERIALS  CONDITION 

BOTTOM PR  MP 1300 

•

SPIN  COATING  '" 0.5μm 

N₂  BAKING 

ァ

O

' t

30 min.  MODIFICATION  C6H!5Ci  SOAKING  5 min. 

N₂  BAKING  アO

' t

30 min. 

TOP PR  MP 1300  SPIN COATING  _t '" 1.0μm  N₂  BAKING  80⁰C 30 min  EXPOSURE  UV  '" 60 mJ / cm²  DEVELOPMENT  MP DEVELOPER  SOAKING  '" 90 sec.  PATTERNING  Nb or  Si0₂  RI  ETCHING  '" 200 nm  UNDERCUT  MP DEVELOPER  EXCESS DEVELOP  '"  15 sec.  DEPOSITION  Si0₂ or  Nb  SPUTTERING  '" 200 nm  LIFT‑OFF  ACETONE  PR DISSOLVING  5"  ULTRASONIC 

TREATMENT 

• SHIPLAY

∞ . 

SUPPLIED 

③第

3

の ス テ ッ プ で 下 部 レ ジ ス ト と 同 種 の レ ジ ス ト を 試 料 上 に ス ピ ン コ ー ト す る 。 こ の 上 部 レ ジ ス ト 膜 厚 は

1.0μm

で あ り 、 塗 布 後

80  o c   3  0

分 の 熱 処 理 を 窒 素 ガ ス の 中 で 行 う 。

④

A 

露 光 後 の 現 像 行 程 で

2

通 り の プ ロ セ ス が 考 え ら れ る 。 図

3‑19

中 に (A)  (B) と 記 号 を 付 け て 区 別 し た 。

工 程 (A)で は 、 現 像 工 程 で 上 層 レ ジ ス ト の 難 溶 処 理 を し て い な い 部 分 の み を 現 像 す る 。 難 溶 処 理 層 で 現 像 時 間 が 低 下 す る の で こ の 制 御 は 現 像 時 間 で 行 う ことができる。

⑤

A 

次 の ス テ ッ プ で は 前 ス テ ッ プ で 現 像 さ れ た レ ジ ス ト 部 を マ ス ク に し て 、 レ ジ ス ト 難 溶 層 と 下 部 レ ジ ス ト 及 び 堆 積 膜 を 続 け て エ ッ チ ン グ 除 去 す る 。 エ ッ チ ン グ 時 に は マ ス ク で あ る レ ジ ス ト も 同 時 に エ ッ チ ン グ さ れ る が 、 エ ッ チ ン グ 終 了 時 点 で は レ ジ ス ト 難 溶 層 は 残 る よ う に 上 部 レ ジ ス ト 層 の 暑 さ を 決 定 す る 。

④B  一 方 、 工 程 (B)で は 露 光 後 の 現 像 を レ ジ ス ト 層 全 部 に た い し て 施 す 。 現 像 後 シ プ レ イ 社 製 の

MP 

( マ イ ク ポ ジ ッ ト 〉 デ ペ ロ ッ パ を 用 い て 、 室 温 下 で

9  0

秒 の 現 像 を 行 う 。 そ の 結 果 、 被 エ ッ チ ン グ 膜 の 表 面 が 露 出 す る 。

⑤B  { 欠 の ス テ ッ プ で レ ジ ス ト を マ ス ク に し て 下 地 堆 積 層 を 反 応 性 イ オ ン エ ッ チ ン グ に よ り 除 去 す る 。 (A) の 場 合 と 同 様 に エ ッ チ ン グ 時 に レ ジ ス ト マ ス ク の 膜 厚 も 減 少 す る が レ ジ ス ト 難 溶 層 が 残 る よ う に 難 溶 層 上 部 の レ ジ ス ト の 厚 さ を決定する。

⑥A、

B

ス テ ッ プ 3の 現 像 処 理 で 用 い た 現 像 液 を 用 い て 、 更 に 過 現 像 を 行 う 。 過 現 像 処 理 に よ り 難 溶 層 の 下 の 部 分 の レ ジ ス ト が 選 択 的 に 溶 解 し 、 ア ン ダ ー カ

ッ ト が 形 成 さ れ る 。 そ の 結 果 、 難 溶 層 の 部 分 を ひ さ し と す る ひ さ し 構 造 が 実 現 する。

⑦

A

、

B

そ の 後 は 従 来 の リ フ ト オ フ と 同 じ く 、 埋 め 込 み 膜 を 堆 積 す る 。 埋 め 込 み 膜 の 膜 厚 は 下 地 膜 の 膜 厚 と 同 じ と す る 。

③ 最 後 に ア セ ト ン 中 に 浸 潰 し て 、 超 音 波 処 理 を 併 用 す る と 、 ア ン ダ ー カ ッ ト 部 分 で 埋 め 込 み 層 が 不 連 続 に な っ て い る の で ス ム ー ス な リ フ ト オ フ が 行 え る 。 下 地 層 と 埋 め 込 み 層 の 厚 さ が 同 じ で あ る た め 平 坦 下 が 実 現 さ れ る 。

そ れ ぞ れ の プ ロ セ ス で の 最 適 化 し た 条 件 に つ い て は 表

3‑1

に 示 す 。 ク ロ ロ ベ ン ゼ ン に よ る 難 溶 層 の 厚 さ は ほ ぼ 漫 漬 時 間 に 比 例 し て お り 、 約

40nm/m

‑8 3   ‑

i 

n

で あ る 。 図

3‑8

に ア ン ダ ー カ ッ ト の 深 さ の 過 現 像 時 間 依 存 性 を ま と め た 。 ア ン ダ ー カ ッ ト 上 部 の 深 さ の 減 少 は ク ロ ロ ベ ン ゼ 、 ン の 濃 度 に 依 存 し て い る と 考 え ら れ る が 、 ア ン ダ ー カ ッ ト 下 部 で の す そ 引 き の 原 因 は 明 ら か で は な い 。 例 え ば 、 レ ジ ス ト バ ル ク 内 で の レ ジ ス ト の 結 合 力 よ り も 強 い 付 着 力 が レ ジ ス ト と 下 地 基 板 聞 に 生 じ た 結 果 と も 考 え ら れ る 。 い ず れ に し て も こ の す そ 引 き の 形 状 は 過 現 像 時 間 に よ ら ず ほ ぼ 一 定 で あ る 。

次に U L O P技 術 を 用 い て 形 成 し た 平 坦 化 層 の 評 価 を 行 っ た 。 図 3 ‑ 9に 平 坦 化 層 断 面S E M写 真 を 示 す 。 N b膜 上 に 1. 5 μ m帽、 1.  5 μ m間 隔 の N

b

配 線 を Si O2膜 で 埋 め 込 ん で 平 坦 化 し た 。

N

b膜 と Si O₂膜 は ス バ ッ タ 法 で 堆 積 し た 。 膜 厚 は ど ち ら も 2 0 0 n mで あ る 。 写 真 か ら 明 ら か な よ う に 非 常 に 高 い 平 坦 性 が 得 ら れ た 。 例 え ば 従 来 の リ フ ト オ フ 法 で は し ば し ば 平 坦 化 の 障 害 に な っ て い た パ リ と 呼 ば れ る 突 起 残 差 や パ タ ー ン エ ッ ジ に 沿 っ て 生 じ る 溝 な ど は 観 測 さ れ な い 。 試 料 の 平 坦 性 は S E M写 真 、 表 面 に 探 針 を あ て 位 置 の 変 化 を み る タ リ ス テ ッ プ 測 定 法 な ど か ら 評 価 す る と 約 3 0 n m程 度 で あ る 。 平 坦 化 さ れ た 絶 縁 層 の 信 頼 性 を 評 価 す る に は S E M観 察 や タ リ ス テ ッ プ 測 定 法 だ け で は 不 十 分 で あ り 、 層 間 の 電 気 的 特 性 を 評 価 す る 必 要 が あ る 。 図3 ‑ 1 0は 間 絶 縁 層 の 絶 縁 耐 圧 を 評 価 し た も の で あ る 。 図 中 の 挿 入 図 に 示 さ れ て い る よ う な 絶 縁 耐 圧 測 定 用 の 試 料 を 作 成 し 、 耐 圧 の 評 価 を 行 っ た 。 試 料 は 次 の よ う な プ ロ セ ス で 用 意 し た 。 シ リ コ ン 基 板 上 に ス バ ッ タ 法 で Si 0 2膜 を 形 成 し 、 U L O P法 で バ タ ー ニ ン グ 及 び 平 坦 化 を 行 っ た 。 埋 め 込 み 膜 と し て は 同 じ く S i O₂膜 を 用 い た 。 絶 縁 耐 圧 の 絶 対 値 を 相 対 的 に 評 価 す る た め に 、 参 考 試 料 と し て 堆 積 後 バ タ ー ニ ン グ し て い な い 成 長 直 後 の Si O₂膜 と 従 来 の リ フ ト オ フ 法 に よ り 平 坦 化 し た 試 料 に つ い て も 同 様 の 試 験 を 行 っ た 。 従 来 の リ フ ト オ フ 法 と し て は 前 述 の サ イ ド エ ッ チ ン グ を 併 用 し た リ フ ト オ フ 法 を 用 い た 。 上 下 の 電 極 が オ ー バ ー ラ ッ プ し て い る 部 分 の 面 積 は 約 3 . 7 m m²、 パ タ ー ン の 周 囲 の 長 さ は 約 2 0 

cm

で あ る 。 上 下 両 電 極 へ の 探 針 の 接 触 は そ れ ぞ れ 電 極 の 下 方 が す べ て 絶 縁 層 で あ る 位 置 で 接 触 さ せ て い る 。

図3 ‑ 1 0か ら 明 ら か な よ う に 従 来 の リ フ ト オ フ 法 を 用 い た 平 坦 化 層 で は 2 OOnmの 膜 厚 に 対 し て す べ て シ ョ ー ト で あ っ た 。 こ れ は パ タ ー ン 周 辺 に 溝 が 存 在 し て い る こ と を 示 し て い る 。 そ れ に 対 し U L O P法 を 用 い て 平 坦 化 し た 場

ドキュメント内 ジョセフソン高速記憶回路用量子磁束転移型記憶セルの研究 (ページ 79-92)