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技術 微小面積トンネル接合の作製方法

出願人 有限会社山口ティー・エル・オー
発明者 諸橋信一
出願日 2001年3月29日 (19年4ヶ月経過) 出願番号 2001-094997
公開日 2002年10月11日 (17年9ヶ月経過) 公開番号 2002-299705
状態 未査定
技術分野 超電導ディバイスとその製造方法 ホール/MR素子 ナノ構造物
主要キーワード FIBエッチング トランスファー用 真空チェンバー エッチング機 劣化防止層 超伝導トンネル接合 Nb層 断面加工
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2002年10月11日)のものです。
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図面 (4)

課題

超伝導トンネル接合、或いは強磁性トンネル接合ナノスケール化を可能とするレジストパターニングを必要とせず、ナノスケールの精度で微小面積トンネル接合が作製できる方法を提供することを目的とする。

解決手段

集束イオンビームにより、レジストパターニングを用いずに、微小面積トンネル接合を作製する方法であって、上部電極層上部に集束イオンビームによる加工時の劣化防止層を設けた新規トンネル接合構造を用い、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微細加工ができるという集束イオンビームの特徴をフルに利用して、ノナスケールの精度で微小面積トンネル接合を作製する。

概要

背景

従来行われているトンネル接合の作製は、1)ウエファー上に作製されたトンネル接合構造上にフォトレジストを塗布した後、マスクを用いてアライナーにより露光し、現像を行ってパターンを形成、2)反応性イオンエッチングにより不要な部分をエッチング、という所謂フォトレジストプロセスにより接合を作製してきた(例えば、特開2000-216447 異方性被加工材料を用いた立体的電子素子の製造方法及びその製造装置)。超伝導エレクトロニクスおよび磁性エレクトロニクスのキーデバイスである超伝導トンネル接合および強磁性トンネル接合は、集積回路において、スイッチング速度および集積度の向上が求められており、そのためにはトンネル接合面積微小化が必要である。

トンネル接合を作製する際には、上記のように、従来、フォトレジストプロセスが用いられてきたが、フォトレジストプロセスでのパターン形成は、一般的に、露光に用いる光源波長が短ければ短いほど、微細なパターンを形成することができる。

通常のアライナーで使用される水銀ランプの光源の波長はg線(波長436nm)からi線(波長365nm)であり、これを用いて形成されるパターン面積の大きさは数μm角が限界である。それ以下の微小面積のパターン形成を行う場合には、KrFエキシマレーザー(波長248nm)を用いる方法があるが、この方法でも1μm角程度が限界である。

更に微小な面積のパターン形成方法として、電子ビーム露光による方法があるが、この方法でも0.1μm角以上のサブミクロンまでが限界であり、ナノスケール微細加工を行うことは困難である。

一方、0.1μm角以下のナノスケールの微細加工を行う従来技術として、より波長の短いX線を利用してX線露光を行う方法があるが、この方法では露光システム自体が資金的にも大掛かりになり、汎用性のあるシステムではない。

概要

超伝導トンネル接合、或いは強磁性トンネル接合のナノスケール化を可能とするレジストパターニングを必要とせず、ナノスケールの精度で微小面積トンネル接合が作製できる方法を提供することを目的とする。

集束イオンビームにより、レジストパターニングを用いずに、微小面積トンネル接合を作製する方法であって、上部電極層上部に集束イオンビームによる加工時の劣化防止層を設けた新規のトンネル接合構造を用い、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微細加工ができるという集束イオンビームの特徴をフルに利用して、ノナスケールの精度で微小面積トンネル接合を作製する。

目的

本発明は、上述した状況に鑑みなされたもので、レジストパターニングを必要とせずナノスケールの精度で微小面積トンネル接合が作製できる方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

請求項2

請求項1記載の微小面積トンネル接合の作製方法において、上部電極層/トンネルバリア層/下部電極層からなるトンネル接合構造において、上部電極層上部に集束イオンビームによる加工時の劣化防止層を設けたトンネル接合構造。

請求項3

請求項2記載のトンネル接合構造を、請求項1記載の微小面積トンネル接合の作製方法を施すに際し、集束イオンビームの堆積機能を利用する作製方法。

請求項4

請求項2記載のトンネル接合構造を、請求項1記載の微小面積トンネル接合の作製方法を施すに際し、集束イオンビームのエッチング機能を利用する作製方法。

請求項5

請求項2記載の劣化防止層をトンネル接合の素子分離に用いる層間絶縁膜同一材料とする作製方法。

技術分野

0001

本発明は、超伝導エレクトロニクスおよび磁性エレクトロニクスにおいて、キーデバイスとなる超伝導トンネル接合および強磁性トンネル接合作製方法に関する。

背景技術

0002

従来行われているトンネル接合の作製は、1)ウエファー上に作製されたトンネル接合構造上にフォトレジストを塗布した後、マスクを用いてアライナーにより露光し、現像を行ってパターンを形成、2)反応性イオンエッチングにより不要な部分をエッチング、という所謂フォトレジストプロセスにより接合を作製してきた(例えば、特開2000-216447 異方性被加工材料を用いた立体的電子素子の製造方法及びその製造装置)。超伝導エレクトロニクスおよび磁性エレクトロニクスのキーデバイスである超伝導トンネル接合および強磁性トンネル接合は、集積回路において、スイッチング速度および集積度の向上が求められており、そのためにはトンネル接合面積微小化が必要である。

0003

トンネル接合を作製する際には、上記のように、従来、フォトレジストプロセスが用いられてきたが、フォトレジストプロセスでのパターン形成は、一般的に、露光に用いる光源波長が短ければ短いほど、微細なパターンを形成することができる。

0004

通常のアライナーで使用される水銀ランプの光源の波長はg線(波長436nm)からi線(波長365nm)であり、これを用いて形成されるパターン面積の大きさは数μm角が限界である。それ以下の微小面積のパターン形成を行う場合には、KrFエキシマレーザー(波長248nm)を用いる方法があるが、この方法でも1μm角程度が限界である。

0005

更に微小な面積のパターン形成方法として、電子ビーム露光による方法があるが、この方法でも0.1μm角以上のサブミクロンまでが限界であり、ナノスケール微細加工を行うことは困難である。

0006

一方、0.1μm角以下のナノスケールの微細加工を行う従来技術として、より波長の短いX線を利用してX線露光を行う方法があるが、この方法では露光システム自体が資金的にも大掛かりになり、汎用性のあるシステムではない。

発明が解決しようとする課題

0007

本発明は、上述した状況に鑑みなされたもので、レジストパターニングを必要とせずナノスケールの精度で微小面積トンネル接合が作製できる方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

上記の課題を解決するため、本発明の微小面積トンネル接合の作製方法は、集束イオンビームによる微小面積トンネル接合の作製方法であって、レジストパターニングを必要としない方法である。

0009

また、前記作製方法において、上部電極層/トンネルバリア層/下部電極層からなるトンネル接合構造は、上部電極層上部に集束イオンビームによる加工時の劣化防止層を設けたトンネル接合構造としたものである。

0010

また、前記トンネル接合構造を用い、前記の微小面積トンネル接合の作製方法を施すに際し、集束イオンビームの堆積機能および/または集束イオンビームのエッチング機能を利用する作製方法である。

0011

さらに又、前記劣化防止層を、トンネル接合の素子分離に用いる層間絶縁膜同一材料とする作製方法である。

発明を実施するための最良の形態

0012

本発明は、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微細加工ができるという集束イオンビーム(Focused Ion Beam、以下、FIBと略称することがある)の特徴をフルに利用して、レジストパターニングを必要とせずナノスケールの精度で微小面積トンネル接合を作製する方法である。

0013

即ち、FIBの機能は、公知の如く(例えば、薄膜ハンドブック日本学術振興会薄膜第131委員会オーム社、pp.299)、大別すると、1)エッチング機能、2)堆積機能に分けられるが、いずれの機能も、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微細加工ができるという特徴を有する。

0014

FIBによるエッチングは、通常は試料断面加工などに用いられるが、金属イオン源から引き出された金属イオン(例えば、ガリウム(Ga)イオンビームを、電界磁界により集束、偏向、加速して固体表面に照射し、固体表面から、固体を形成している分子原子をたたき出すことによって行われる。このFIBによるエッチング機能により、マスクを用いないで、イオンビーム走査することで直接パターン形成が可能となる。また、イオンビームの直径は10nm程度であり、ナノスケールの微細加工が可能である。

0015

FIBによる堆積は、試料表面に膜付け原料ガスを吹き付けつつ、FIBを局所的に試料表面に照射することで、イオンビーム照射された領域のみに選択的に膜付け原料ガスによる金属層を形成するものであり、一種のイオンビーム・アシテッドデポジションで、FIB−CVD(Chemical Vapor Deposition)とも言われる。

0016

上記、本発明の作製方法を実施するに際し、本発明のトンネル接合構造は、上部電極層/トンネルバリア層/下部電極層からなるトンネル接合構造において、上部電極層の上部にFIBによる加工時の劣化防止層を設けた新規なトンネル接合構造としたものであり、これにより、マスクトランスファー用薄膜の形成時に、高エネルギーのFIB照射による上部電極層表面へのダメージを防止することができ、良好な素子特性を有するトンネル接合を作製できる。

0017

本発明のトンネル接合構造を用い、本発明の微小面積トンネル接合の作製方法を施すに際し、上記したような、FIBの堆積機能および/またはFIBのエッチング機能を利用してトンネル接合を作製する。

0018

なお、劣化防止層を、トンネル接合の素子分離に用いる層間絶縁膜と同一材料とすることにより、層間絶縁膜堆積後に行うエッチバック法による平坦化の際に、エッチバックによるエッチングを同じにすることができる。

0019

以上のようにして、本発明のトンネル接合作製方法は、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微細加工ができるというFIBの特徴をフルに利用した方法であり、上部電極層上部にFIBによる加工時の劣化防止層を設けた新規のトンネル接合構造を用い、レジストパターニングを必要とせずに、ナノスケールの精度で微小面積トンネル接合を作製することができる。

0020

なお、FIB装置は、X線露光装置と比較し、安価で汎用性のある装置であり、本発明によれば、安価にナノスケール精度の微小面積トンネル接合を作製することができる。

0021

本発明の実施例を、以下、図1、図2に基づいて詳細に説明する。

0022

基板(通常はシリコン(Si)基板;本発明はこれに限定はしない)上に、下部電極/トンネルバリア/上部電極/劣化防止層の順に積層構造を堆積する。超伝導トンネル接合構造では、下部電極、上部電極は超伝導体で、強磁性トンネル接合構造では、下部電極、上部電極は強磁性体で、それぞれ構成される。積層構造の堆積方法は、代表的な方法、例えば、スパッタ、或いは蒸着などで行うことができるが、本発明は、この方法に限定するものではない。

0023

実施例1として、FIBの堆積機能を用いる徹小面積超伝導トンネル接合の作製方法について、図1に従って説明する。スパッタの例をあげて説明する。

0024

始めに、Si基板上に、超伝導下部電極/トンネルバリア/超伝導上部電極/劣化防止層の順に積層構造を堆積する(図1-a))。超伝導下部電極/トンネルバリア/超伝導上部電極からなる積層構造は、超伝導トンネル接合構造で公知であり、その作製方法の詳細は、例えば、S.Morohashi and S.Hasuno:J.Appl.Phys.48(1986)3774などに記載されている。本実施例では、超伝導下部電極および超伝導上部電極はニオブ(Nb)とし、トンネルバリア層は金属アルミニウム(Al)を堆積しその表面を酸化した酸化アルミニウム(AlOx)のAlOx-Alとして説明するが、本発明はこれらの材料に限定するものではない。但し、劣化防止層は本発明に関係するもので、後述する層間絶縁層と同じ材料を用いる。

0025

Nb層は、直流マグネトロンスパッタアルゴン(Ar)ガス圧1.3Paで印加電圧300V、印加電流1.5Aのスパッタ条件で堆積する。この時のNbの堆積速度は、約100nm/minである。Nb層の膜厚上下電極とも100nmである。また、Al層は同じく直流マグネトロンスパッタでArガス圧1.3Paで印加電圧200V、印加電流0.5Aのスパッタ条件で堆積する。この時のAlの堆積速度は約6nm/minである。Al層の膜厚は1〜20nm程度である。

0026

スパッタ装置真空を破らず同一真空中でNb下部電極/Al層を連続堆積後に、真空チェンバー内に酸素(O2)ガスを導入し、Al層表面を酸化してトンネルバリアを形成する。酸化方法は、本実施例で説明した所謂熱酸化のみならず、O2雰囲気中での高周波(RF)放電による放電酸化などでもよい。次に、真空にした後、Nb上部電極層を、下部電極と同じ堆積条件でNb/Al-AlOx上に積層する。

0027

続いて、本発明に関係する劣化防止層として、SiO2薄膜をNb/Al-AlOx/Nb構造上の全面に50nm程度堆積する。堆積条件として、RFマグネトロンスパッタでArガス圧1.3Pa、RF印加電力500Wで行う。この条件で堆積速度は20nm/minである。このSiO2劣化防止層は、本発明のFIBによる微小面積トンネル接合の作製において、後で述べるFIBによる接合へのダメージを防止する上で重要な役目をする。同一真空で堆積してもよいし、Nb/Al-AlOx/Nb構造作製後、真空チェンバーから取り出して、つまり大気に曝した後で堆積してもかまわない。

0028

次に、FIBの堆積機能を用いてマスクトランスファー用薄膜の堆積を行う(図1-b))。

0029

本実施例では、FIBの堆積機能により、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微小面積の金属層を形成する(図1-b))。膜付け原料ガスとして、有機プラチナ(Pt)或いは有機タングステン(W)を用いる。堆積条件は、Gaイオンビーム電流30pA、加速電圧30kVでイオンビームを所望の位置で、所望の接合面積で走査しながら有機Ptガスを吹き付ける。堆積した金属Pt層の膜厚は、照射時間およびイオンビーム電流で制御可能である。本実施例では、面積0.1μm角でイオンビームを走査させ、膜厚50nmを堆積させるのに要した時間は、約20秒程度である。堆積したこの金属層の部分が、微小トンネル接合の面積を決定することになる。

0030

上述のように、Gaイオンビームはかなりの電圧で加速してあるため、Nb上部電極表面に直接Gaイオンビームを照射した場合には、Nb上部電極表面へのダメージが生じ、トンネル接合の素子特性に影響する。SiO2劣化防止層は、このFIBの堆積機能によるPt金属層堆積時に、Gaイオンビーム照射によるNb上部電極表面の劣化を防止する重要な役目をするものである。

0031

次に、トンネル接合の面積決定のために、この試料を反応性イオンエッチング(RIE)で加工する。加工条件はCF4ガス圧13.3Pa、印加電力150Wで行う。この条件では、SiO2劣化防止層は30nm/min、Nb上部電極は50nm/minのエッチング速度でエッチングされる。然しながら、FIBの堆積機能で堆積したPt金属層およびトンネルバリアAlOx-Al層は、CF4ガスと反応せず、エッチングされずに残る(図1-c))。つまり、微小面積トンネル接合の面積決定は、RIEと反応しないFIB堆積機能で堆積された金属層によるマスクトランスファーで行う。

0032

トンネル接合の微小面積決定後、Arイオンビームエッチングにより、不要になったFIB堆積機能で堆積されたPt金属層および露出したトンネルバリアAlOx-Al層を、物理的にエッチングして除去する(図1-d))。Arイオンビームエッチングは加速電圧300V、ビーム電流50mAで行う。このときのPt金属層、AlOx-Alトンネルバリア層のエッチング速度は、各々、10nm/min、20nm/minである。この条件では、Nb下部電極およびSiO2劣化防止層は殆どエッチングされない。

0033

続いて、通常行われるフォトレジストプロセスとRIEによる下部電極のエッチングを行う。図1-e)は、エッチング後にレジスト消去した断面模式図を表している。RIEエッチング条件は、CF4ガス圧13.3Pa、印加電力150Wで行う。

0034

次に、全面にSiO2層間絶縁膜を堆積する。この層は素子分離のために必要である。堆積条件はSiO2劣化防止層堆積と同じ条件で、膜厚300〜400nm程度堆積する(図1-f))。

0035

次に、半導体プロセスで公知のエッチバック法による平坦化を行う(図1-g))。FIBの劣化防止層と層間絶縁膜を同一材料としたのは、このエッチバックによるエッチングを同じにするためである。

0036

続いて、フォトレジストプロセスとRIEにより、後で述べる配線層電極電気的コンタクトのためのコンタクトホールの形成を行う(図1-h))。RIE条件は、CHF3ガス圧1.3Pa、印加電力200Wで行う。この条件では、SiO2層間絶縁膜は30nm/minのエッチング速度でエッチングされる。然しながら、このRIEガスでは、Nb上部電極およびNb下部電極は殆どエッチングされない。

0037

最後に、全面にNb配線層を堆積し、フォトレジストプロセスとRIEにより配線層のパターン加工を行い、トンネル接合が完成する。図1-i)は、レジスト除去後の断面模式図を示す。

0038

次に、実施例2として、FIBのエッチング機能を用いる微小面積超伝導トンネル接合作製方法について、図2に従って説明する。

0039

本実施例でも、基板上に、下部電極/トンネルバリア/上部電極/劣化防止層からなる積層構造(図1-a))を堆積する方法は、実施例1と同じであり、その説明は省略する。積層構造の堆積後、全面に微小面積トンネル接合の面積決定のためのマスクトランスファー用金属を堆積する(図2-a))。この金属は、実施例1と同じく、RIEによるエッチング選択比が大きな材料を選択する。実施例2では、金属Al層を10〜20nm程度堆積する。

0040

次に、FIBのエッチング機能を用いて、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微細加工ができるというFIBの特徴をいかして、所望の場所で所望の面積以外のAl層をFIBエッチングにより除去する(図2-b))。これにより、ナノスケールでの微小面積をもつトンネル接合の面積決定が可能となる。以下の行程は実施例1と同様であり、その説明を省略する。

0041

図3は、Si基板上にパターン加工された超伝導Nb薄膜上で、FIBの堆積機能を用いて所望の場所で所望の面積のPt金属層を堆積した加工例、およびFIBのエッチング機能を用いて所望の場所で所望の面積をエッチングした加工例を示す。

0042

上記の実施例では、超伝導トンネル接合を例に説明したが、強磁性トンネル接合も同様の方法で作製できる。

0043

以上、詳細に説明した本発明の実施例によれば、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微細加工ができるというFIBの特徴をフルに利用し、上部電極層上部にFIBによる加工時の劣化防止層を設けた新規のトンネル接合構造を用い、レジストパターニングを必要とせずに、ナノスケールの精度で微小面積トンネル接合を作製することができる。以上、本発明の実施例を説明したが、請求の範囲で規定された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、その形態や細部に種々の変更がなされても良いことは明らかである。

0044

例えば、実施例で説明した詳細なエッチング条件、或いは堆積条件などは、当然にして、目的とするトンネル接合の設計仕様などにより決定すべきものであり、本発明を何ら限定するものではない。

発明の効果

0045

本発明の接合作製方法は、上部電極層上部に集束イオンビームによる加工時の劣化防止層を設けた新規のトンネル接合構造で、任意の位置に任意の形状でナノスケールの微細加工ができるという集束イオンビームの特徴をフルに利用して、レジストパターニングを必要とせずナノスケールの精度で微小面積トンネル接合が作製できる効果がある。これによって、超伝導エレクトロニクスおよび磁性エレクトロニクスにおいて、キーデバイスとなる超伝導トンネル接合および強磁性トンネル接合のナノスケール化が可能になり、スイッチング速度および集積度の格段の向上が期待できる。

図面の簡単な説明

0046

図1集束イオンビーム(FIB)の堆積機能を用いる微小面積トンネル接合の作製方法の実施例を示す流れ図である。
図2集束イオンビーム(FIB)のエッチング機能を用いる微小面積トンネル接合の作製方法の実施例を示す流れ図である。
図3Si基板上にパターン加工された超伝導Nb薄膜上で、集束イオンビーム(FIB)の堆積機能を用いて所望の場所で所望の面積のPt金属層を堆積した加工例、およびFIBのエッチング機能を用いて所望の場所で所望の面積をエッチングした加工例を示す。

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