記 憶 回 路 は あ る 程 度 の 集 積 規 模 を 持 た な け れ ば 、 利 用 し に く い こ と を 考 え る と 、 そ れ を 実 現 す る た め の プ ロ セ ス は 重 要 で あ る 。 記 憶 セ ル は 記 憶 回 路 の 要 素 技 術 で あ る こ と か ら 、 記 憶 セ ル 実 現 の プ ロ セ ス は 記 憶 回 路 を 実 現 す る プ ロ セ ス と 同 様 の も の で な け れ ば な ら な い 。 ま た 、 ジ ョ セ フ ソ ン 記 憶 セ ル の 中 で 重 要 な パ ラ メ ー タ の ひ と つ で あ る イ ン ダ ク タ ン ス を 実 現 す る た め に は 層 間 絶 縁 膜 の 厚 さ や 配 線 の 線 幅 な ど の 制 御 が 重 要 で あ り 、 こ の パ ラ メ ー タ が 論 理 回 路 の 中 で は 必 要 で あ る こ と が 少 な い こ と を 考 え 合 わ せ る と 、 記 憶 セ ル は よ り プ ロ セ ス に 対 す る 依 存 度 が 高 い と い え る 。
特 に 超 伝 導 集 積 回 路 は 超 伝 導 配 線 の 積 層 に よ り デ バ イ ス を 構 成 す る た め 配 線 開 の 層 間 絶 縁 膜 の 信 頼 性 が デ バ イ ス の 性 能 を 左 右 す る こ と に な る 。 ま た 、 記 憶 セ ル を 実 際 に レ イ ア ウ ト 設 計 す る と 等 価 回 路 に 現 れ る 以 外 の 余 分 な イ ン ダ ク タ ン ス が 存 在 す る 。 こ の イ ン ダ ク タ ン ス は 記 憶 セ ル の 動 作 に は 不 必 要 で あ る ば か り か 回 路 の 動 作 速 度 を 遅 く す る 原 因 と も な る 。 従 っ て 、 こ の イ ン ダ ク タ ン ス を で き る だ け 小 さ く す る よ う な 工 夫 が 必 要 で あ る 。
本 章 で は 量 子 磁 束 転 移 型 記 憶 セ ル を 実 現 す る た め の プ ロ セ ス 技 術 に つ い て 述 べ る 。 従 来 よ り 問 題 と な っ て い た 層 間 絶 縁 膜 の 信 頼 性 を 向 上 す る た め 平 坦 化 技 術 を 導 入 し 、 議 論 す る 。 続 い て 、 低 イ ン ダ ク タ ン ス 配 線 の た め の 記 憶 セ ル 構 造
を 検 討 し 、 本 記 憶 セ ル の 作 製 に つ い て 述 べ る 。
3. 1
平 坦 化 技 術74)、75)超 伝 導 集 積 回 路 は す で に 述 べ た よ う に 超 伝 導 配 線 と 層 間 絶 縁 膜 の 繰 り 返 し に よ り 構 成 さ れ る た め 、 層 間 絶 縁 膜 の 信 頼 性 は 非 常 に 重 要 で あ る 。 超 伝 導 配 線 の 膜 厚 は 磁 界 侵 入 長 を 考 慮 し て 決 定 さ れ 、 典 型 的 な 値 は 約
200nm
で あ る 。 ま た 超 伝 導 配 線 と グ ラ ン ド プ レ ー ン と の 距 離 を 低 減 し て 配 線 の 低 イ ン ダ ク タ ン ス‑6 9 ‑
化 を 図 る こ と に よ り 高 速 化 が 実 現 で き る 。 す な わ ち チ ッ プ 全 体 の 薄 膜 化 に よ り チ ッ プ レ ベ ル で の 高 性 能 化 が 発 揮 さ れ る 。 一 方 、 従 来 の 層 間 絶 縁 膜 は 超 伝 導 配 線 を 被 覆 す る 際 に ク ラ ッ ク が 生 じ や す く 、 膜 厚 を 厚 く す る こ と で 信 頼 性 を 確 保 す る 傾 向 に あ っ た 。 こ の こ と は 高 速 化 の た め の 薄 膜 化 と は 逆 行 す る 方 向 で あ り 、 改 善 が 望 ま れ て い る 。 薄 膜 化 と 信 頼 性 の ふ た つ を 同 時 に 満 た す た め に 平 坦 化 技 術 の 導 入 は 不 可 欠 の も の で あ る 。
平 坦 化 構 造 と は 各 層 が チ ッ プ 全 面 に わ た っ て 平 坦 化 さ れ て い る こ と を 意 味 す る 。 す な わ ち 、 あ る 層 の 形 成 後 に は そ の 層 の 表 面 が 平 坦 化 さ れ 、 重 ね て 平 坦 化 さ れ る 層 に 段 差 を 乗 り 越 え る 部 分 が な い 。 従 っ て 、 薄 い 層 間 絶 縁 膜 で も 高 い 信 頼 性 を 保 つ こ と が で き る 。 平 坦 化 を 施 さ な い 場 合 に は 下 地 の 段 差 を 乗 り 越 え る 層 は 段 差 被 覆 部 分 で の 特 性 劣 化 を 防 ぐ た め に 段 部 の 段 差 以 上 の 膜 厚 が 必 要 と な
り 、 多 層 化 す る と 上 層 に な れ ば な る ほ ど 厚 い 膜 厚 が 要 求 さ れ た 。
絶 縁 膜 の 膜 厚 を 低 減 で き る こ と は 超 伝 導 配 線 の イ ン ダ ク タ ン ス 低 減 を も た ら し 、 記 憶 動 作 の 高 速 化 に つ な が る 。 一 方 、 プ ロ セ ス 面 か ら 得 ら れ る 効 果 は 薄 い 膜 の 加 工 が パ タ ー ン の 微 細 化 に 適 す る こ と で あ る 。 薄 い 膜 の 加 工 に お い て は サ イ ド エ ッ チ ン グ に よ る パ タ ー ン の 細 り を 少 な く す る こ と が で き 、 マ ス ク パ タ ー ン を 精 度 良 く チ ッ プ 上 に 実 現 す る こ と が 可 能 と な る 。 配 線 の イ ン ダ ク タ ン ス は 、 グ ラ ン ド プ レ ー ン か ら の 距 離 の 減 少 に と も な っ て 減 少 し 、 ま た 配 線 幅 に 逆 比 例 す る た め 、 平 坦 化 技 術 に よ り 薄 い 絶 縁 層 を 用 い て 配 線 と グ ラ ン ド プ レ ー ン と の 距 離 を 低 減 す る こ と が で き れ ば 、 同 じ 値 の イ ン ダ ク タ ン ス を 線 幅 の 狭 い イ ン ダ ク タ ン ス 素 子 で 実 現 す る こ と が で き る 。 こ れ は イ ン ダ ク タ ン ス 素 子 を 重 要 な 回 路 要 素 と す る 記 憶 回 路 に お い て は 回 路 全 体 の 小 型 化 を 意 味 し 、 高 速 化 に も 貢 献 することになる。
平 坦 化 技 術 は 各 層 の 厚 さ を 薄 く す る こ と が で き 、 さ ら に 何 層 重 ね て も そ れ ぞ れ の 層 の 厚 さ を 同 じ に で き る こ と か ら 、 多 層 化 に 適 し て い る 。 例 え ば 従 来 採 用 し て い た 鉛 合 金 系 の プ ロ セ ス に お い て は 平 坦 化 を 行 わ な い た め 、 超 伝 導 グ ラ ン ド プ レ ー ン か ら 最 上 層 の 配 線 ま で の 全 膜 厚 は 約
2. 5 μ m
で あ っ た の に 対 し 平 坦 化 技 術 を 用 い る と 、 約1.4μm
に 低 減 す る こ と が で き た 。平 坦 化 技 術 は 半 導 体 デ バ イ ス の 多 層 配 線 部 分 に お い て 欠 か せ な い プ ロ セ ス の 一 つ で あ り 、 そ の 手 法 に も リ フ ト オ フ 法 、 リ フ ロ ー 膜 を 用 い た エ ッ チ パ νク法、
バ イ ア ス ス バ ッ タ 法 等 さ ま ざ ま な 種 類 が あ る 。 超 伝 導 配 線 の 半 導 体 配 線 と の 多 き な 相 違 点 は そ の 膜 厚 に あ る 。 半 導 体 配 線 は 高 密 度 化 、 微 細 化 が 進 む に つ れ 配 線 抵 抗 の 低 減 の た め 膜 厚 は 厚 く な る 方 向 に 進 ん で い る 。 超 伝 導 配 線 の 場 合 は 配 線 抵 抗 は 問 題 と な ら な い 代 わ り に 配 線 の イ ン ダ ク タ ン ス が デ バ イ ス の 中 で 重 要 な 役 割 : を 果 た す 。 正 確 な イ ン ダ ク タ ン ス の 値 の 制 御 の た め に は 層 間 絶 縁 膜 の 厚 さ の 正 確 な 制 御 が 必 要 で あ る 。 エ ッ チ パ ッ ク 法 や バ イ ア ス ス バ ッ タ 法 な ど は い っ た ん 成 膜 し た 層 間 絶 縁 膜 を 何 ら か の 方 法 で エ ッ チ ン グ し 、 平 坦 化 を 実 現 す る 方 法 で あ る た め 、 層 間 絶 縁 膜 の 膜 厚 の 制 御 が 難 し い 。 そ の 点 リ フ ト オ フ 法 は 成 膜 時 の 膜 厚 が 層 間 絶 縁 膜 の 膜 厚 と な る た め そ の 膜 厚 の 制 御 が 比 較 的 容 易 で あ る 。 そ の た め こ こ で は リ フ ト オ フ 法 を 記 憶 回 路 の 試 作 に 積 極 的 に 採 用 す る こ と と す る 。 以 下 、 本 研 究 で 開 発 し 採 用 し て き た ふ た つ の リ フ ト オ フ 平 坦 化 技 術 に つ い て 述 べ る 。 な お 、 層 間 絶 縁 膜 と し て ス バ ッ タ 法 に よ り 作 製 さ れ た S i O2膜 を 採 用 す る 。 そ の 理 由 は
S i 0
2膜 は 鉛 合 金 プ ロ セ ス で 用 い ら れ たS i 0
膜 に 比 べ 高 品 質 で あ る こ と と 、 膜 厚 の 制 御 が 時 間 で 行 え 、 比 較 的 簡 単 で あ る こ と で あ る 。く 1> サ イ ド エ ッ チ ン グ を 用 い た リ フ ト オ フ 平 坦 化 技 術74)
図
3‑ 1
に サ イ ド エ ッ チ ン グ を 用 い た リ フ ト オ フ 平 坦 化 技 術 の 基 本 的 な 流 れ を 示 す 。 例 え ばN b超 伝 導 配 線 の 周 囲 を Si 0 2絶 縁 層 で 埋 め 込 ん で 平 坦 化 層 を 形 成 す る 場 合 を 示 す 。 リ フ ト オ フ 法 の 弱 点 は 加 工 パ タ ー ン 周 囲 に リ フ ト オ フ 残り の 膜 、 い わ ゆ る パ リ が 生 じ る こ と 、 あ る い は パ タ ー ン 周 囲 に 溝 が 生 じ る こ と な ど で あ る 。 こ こ に 示 す リ フ ト オ フ 法 は そ れ ら の 弱 点 を か な り 克 服 し た 方 法 で ある。
下 地 基 板 上 に 堆 積 し た N b膜 を レ ジ ス ト マ ス ク を 用 い て 反 応 性 イ オ ン エ ッ チ ン グ で 選 択 的 に エ ッ チ ン グ し N bパ タ ー ン を 形 成 す る 。 エ ッ チ ン グ 終 了 後 、 レ ジ ス ト マ ス ク を 除 去 せ ず に 残 す (a)。 次 に
S
iO
2を 試 料 全 体 に ス バ ッ タ 成 膜 法 で堆積する。 S i O2膜 の 膜 厚 は N b膜 と 同 じ と す る (b)。 そ の 後 、 レ ジ ス ト マ ス ク の 側 壁 に 付 着 し たS
iO
2膜 を 緩 衝 エ ッ チ ン グ 液 を 用 い て 選 択 的 に 除 去 す る(c)。 こ の 試 料 を 例 え ば ア セ ト ン 等 の 有 機 溶 剤 中 に 浸 し 、 超 音 波 洗 浄 処 理 な ど に よ り レ ジ ス ト マ ス ク を 除 去 す る と (d)に 示 す ご と く 平 坦 化 層 が 得 ら れ る 。
こ の リ フ ト オ フ 技 術 で は キ ー ポ イ ン ト と な る の は (c)の 側 壁 エ ッ チ ン グ で あ る 。
唱BEE‑
ηI
RESIST SUB ( a)
( c ) Nb e t c h i n g
RIE : CF
45Pa 0 . 1 6 W/cm
2S p u t t e r : Ar 2 . 2 x 1 0 ‑
1Pa 5 . 7 W/cm
2E t c h a n t : (mo l / l )
HF(1 . 5 ) ， NH
4F ( 6 ) ， H
20 S i 0 2 d e p o s i t i o n
S i 0 2 e t c h i n g
'~:':"::W~ノヨVιL・t・人・.
L i f t o f f
. . . . f
..・".・.抗タ~.~':心;，':':( e )
サ イ ド エ ッ チ ン グ を 用 い た リ フ ト オ フ 平 坦 化 技 術 の 流 れ
F i l m d e p o s i t i o n
図
3‑ 1.
ー 般 に ス バ ッ タ 成 膜 法 で は 成 膜 時 の 真 空 度 が 高 い ほ ど 、 ま た 試 料 基 板 と ス バ ッ タ タ ー グ ッ ト 問 の 距 離 が 短 い ほ ど 、 基 板 に 入 射 す る 粒 子 は 強 い 方 向 性 を 持 つ と 考 え ら れ る 。 本 リ フ ト オ フ 法 に 使 用 し た S i O2用 の ス バ ッ タ 装 置 は 6イ ン チ の
タ ー グ ッ ト を 用 い 、 基 板 と タ ー ゲ ッ ト 聞 の 距 離 は
9. 5
c mで あ る 。 ま た ス パ ッ タ リ ン グ 時 の 真 空 度 は2. 2 x 1 0 → P a
で あ り 、 本 条 件 に お い て は ス バ ッ タ 粒 子 は か な り の 指 向 性 を 持 っ て 基 板 に 入 射 す る も の と 考 え ら れ る 。 入 射 粒 子 数 の 入 射 角 度 分 布 は 基 板 に 垂 直 な 粒 子 が 最 大 で 、 垂 直 か ら は ず れ る ほ ど 、 粒 子 数 は 減 少 す る 。 そ の 結 果 、 基 板 の 水 平 面 上 で は 入 射 粒 子 と 堆 積 粒 子 が 混 ざ り あ い な が ら 膜 が 成 長 し て い く 。 一 方 、 垂 直 な 面 で は そ の よ う な ミ キ シ ン グ が 比 較 的 少 な く む し ろ 、 降 り 積 も る よ う な 状 態 で 膜 が 成 長 し て い く 。 そ の 上 、 ス バ ッタ 膜 は 基 板 上 で 凸 部 の 上 部 角 か ら 横 に せ り だ す よ う に 成 長 す る た め 、 そ の シ ャ ド ー イ ン グ 効 果 に よ り 垂 直 面 に は い わ ゆ る ま わ り 込 み 効 果 に よ る 膜 が 成 長 す る 。 以 上 の こ と か ら 基 板 上 の 垂 直 面 に は 結 合 が 弱 く 、 成 長 レ ー ト の 小 さ な 膜 が 成 長 す る こ と が わ か る 。 こ の よ う に 垂 直 面 上 に 成 長 す る 膜 の 性 質 が 水 平 面 上 の 膜 の 性 質 と 異 な る こ と を 利 用 し て 選 択 的 に 垂 直 面 上 の 膜 を 除 去 す る こ と が で き る 。
図
3‑2
にS
iO
2ス バ ッ タ 膜 の 基 板 上 ス テ ッ プ へ の 成 長 状 態 を 示 す 。 膜 厚 が100nm
以 下 の 場 合 は 垂 直 面 上 と 水 平 面 上 で の 成 長 レ ー ト は ほ と ん ど 差 が な か っ た 。 し か し 膜 厚 を 増 大 す る と 垂 直 面 上 で の 成 長 レ ー ト は 著 し く 減 少 し 5 0Onm
で は 水 平 面 の 約 半 分 に な っ た 。 垂 直 面 上 と 水 平 面 上 と で の 成 長 レ ー ト 比 が 膜 厚 に 対 し て 一 定 で な く 厚 い 膜 に な る ほ ど 垂 直 面 上 で は よ り 低 い 成 長 レ ー ト に な る こ と か ら シ ャ ド ー イ ン グ 効 果 が 顕 著 に な っ て く る と 考 え ら れ る 。図
3‑3
に 基 板 上 に 形 成 し たN b
パ タ ー ン ( 厚 さ200nm
、 幅1 . 5μm)
と そ の レ ジ ス ト マ ス ク 上 に
S
iO
2膜 を200nm
堆 積 し た 部 分 の 断 面SEM
写 真 と 、 側 壁 上 のS
iO
2膜 エ ッ チ ン グ 後 の 断 面SEM
写 真 を 示 し た 。 エ ッ チ ン グ に は フ ッ 酸 と フ ッ 化 ア ン モ ニ ウ ム を そ れ ぞ れ1. 5moQ/Q
，8moQ/Q
の モ ル 濃 度 で 含 む 水 溶 液 を 用 い 、 エ ッ チ ン グ 時 聞 は 1秒 で 行 っ た 。 こ の エ ッ チ ン グ 液 に よ る エ ッ チ ン グ レ ー ト を 調 べ る と 約
10
秒 の エ ッ チ ン グ で 側 壁 面 が 約300nm
、 水 平 面 が 約10 n m
と 非 常 に 高 い 選 択 比 を 持 っ て エ ッ チ ン グ さ れ る こ と が わ か っ た 。図
3‑4
に こ の サ イ ド エ ッ チ ン グ を 利 用 し て 形 成 し た 多 層 配 線 の 断 面SEM
ηυ
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