JPH03263884A - ジョセフソン集積回路の製造方法 - 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】 〔概　要〕 ジョセフソン集積回路の製造方法、より詳しくは、微細
なコンタクトや超伝導の機箱配線を有するジョセフソン
集積回路の製造方法に関し、上側超伝導配線をスパッタ
リングで形成する際に、コンタクトホールなどのような
段差部（側壁部）のあるところでの該配線の厚さ減少を
回避して、臨界電流を大きくすることのできる上側超伝
導配線の形成方法を提供することを目的とし、基板上に
下側超伝導配線層、段差部を有する絶縁層、および前記
段差部を含緬て前記絶縁層を覆う上側超伝導配線層を順
次形成したジョセフソン集積回路の製造方法において、
上側超伝導配線層を不活性なガスでのスパッタリング法
によって形成する際に、基板に高周波バイアス電力を印
加するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ジョセフソ より詳しくは、微細なコ 配線を有するジョセフソ 関する。

ン集積回路の製造方法、 ンククトや超伝導の微細 ン集積回路の製造方法に 〔従来の技術〕 代表的なジョセフソン集積回路は、Ｎｂ／ｉｎ。

／Ｎｂ構造のジョセフソン接合素子、Ｎｂ（ニオブ）の
超伝導配線、５１０２　、Ｓ＋３Ｎｍなどの層間絶縁層
、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗなどの抵抗層からなり、これら
を積層して回路構成に製作される。回路集積度を上げる
ためには、接合面積を小さくし、さらに配線間のコンタ
クト面積や配線の寸法（厚さ、幅）を小さくする微細化
が必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ジョセフソン集積回路での下側超伝導配線１と上側超伝
導配線２とを層間絶縁層３に設けたコンタクトホールを
介して接続するコンタクト構造は第５図に示すようなも
のである。これらは絶縁性の基板４の上に積層形成され
ている。例えば、下側Ｎｂ超伝導層１の厚さが２００１
ｍで、ＳｉＯ□層間絶縁層３の厚さが２５０〜３５０ｎ
ｍである。この絶縁層３にコンタクトホールをリアクテ
ィブイオンエツチング（ＲＩＥ）法などで選択エツチン
グして形成する際に、コンタクト面積を小さ−くしてゆ
くと、ホール（孔）のアスペクト比（絶縁層厚さ／コン
タクトホールのサイズ）が太き（なる。そして、上側Ｎ
ｂ超伝導層２をコンタクトホール内および絶縁層３上に
通常の直流（ＤＣ）または高周波（ＲＦ）マグネトロン
スパッタリング法によって形成した場合に、第５図に示
すようにコンタクトホール内の側壁部に付着（堆積）す
るＮｂ層２はその厚さが平坦部に付着したＮｂ層２の厚
さに比べてかなり薄くなってしまう。このために、下側
Ｎｂ層１と上側Ｎｂ層２とのコンタクト部を流れる超伝
導臨界電流１．ｃは、（１）コンタクトホール側壁部に
付着した薄い上側Ｎｂ層２を流れる電流か、または、（
２）コンタクトホール底部の下側Ｎｂ層層表表面ある自
然酸化膜（Ｎｂ層成膜前にスパッタクリーニングによっ
て出来るだけ除去しておく）を通して流れ得る電流のい
ずれか小さいほうで決まる。さらに、上記（１）要因の
電流はコンタクトホールのサイズおよびホールアスペク
ト比に依存しており、また上記（２）要因の電流はコン
タクト面積およびスパッタクリーニング条件に依存して
いる。すなわち、（１）要因の電流はコンタクトホール
の一辺長に比例し、かつ（２）要因の電流はコンタクト
ホールの面積に比例する。

そこで、発明者らが行なった実験では第６図に示すよう
なコンタクト部での臨界電流Ｉｃの結果が得られている
。この場合には、層間絶縁（Ｓ１０２）層３の厚さが３
００ｎｍで、コンタクトホール面積は１〜９ｐ２（コン
タクトホール形状は正方形）とし、上側Ｎｂ層成膜前に
アルゴン（Ａｒ）１０ｍＴｏｒｒ中で３００ｖの印加電
圧にて３分間のスパッタクリーニングを行なった。そし
て、その厚さを８０℃、５００および３００ｎｍと変え
てＤＣスパッタリングにて上側Ｎｂ層２を形成して臨界
電流を測定した。第６図かられかるように、Ｎｂ層の厚
さが小さくなるにつれて臨界電流も小さくなっている。

特に、厚さ８００ｎｍの場合には、臨界電流はコンタク
ト面積にほぼ比例しており、上記（２）要因にて決定さ
れていることがわかる。そして、Ｎｂ層厚さの減少とと
もに、臨界電流が小さくなＡだけでなく線型性も悪くな
る。これは、５００ｎｍ以下の厚さでは、臨界電流は上
記（１）要因にて決定されることを示唆している。

ジョセフソン集積回路の集積度を上げるためには、超伝
導配線の線−幅だけでなく厚さも低減することが必要と
なり、第６図に示されたように、薄いＮｂ配線を用いた
場合でのコンタクト部の臨界電流の低下は回路の動作上
大きな問題である。

本発明の目的は、上側超伝導配線をスパッタリングで形
成する際に、コンタクトホールなどのような段差部（側
壁部）のあるところでの該配線の厚さ減少を回避して、
臨界電流を大きくすることのできる上側超伝導配線の形
成方法を提供することである。

本発明の別の目的は、ジョセフソン集積回路の集積度向
上になる超伝導配線及びコンタクトの微細化形成に寄与
するジョセフソン集積回路の製造方法を提供することで
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的が、基板上に下側超伝導配線層、段差部を有
する絶縁層、および前記段差部を含めて前記絶縁層を覆
う上側超伝導配線層を順次形成したジョセフソン集積回
路の製造方法において、上側超伝導配線層を不活性なガ
スでのスパッタリング法によって形成する際に、基板に
高周波バイアス電力を印加することを特徴とするジョセ
フソン集積回路の製造方法によって達成される。

〔作　用〕

本発明においては、絶縁層のコンタクトホールや段差部
での端部（縁部）に印加したバイアス電力の電界が集中
することになって、スパッタリングでの不活性ガス（Ａ
ｒなど）イオンが該端部に付着した超伝導材（上側超伝
導配線）をエツチング（再スパツタリング）することに
なる。そして、ここでエツチングされた超伝導材がコン
タクトホールや段差部の側壁部ないし底部に再付着して
、コンタクトホール内の超伝導配線の厚さを平坦部上の
超伝導配線厚さよりも厚＜Ｌ（１０〜２０％厚い）、か
つ側壁部上の厚さも従来の場合よりも厚くなる。

このことによって、コンタクトホールおよび超伝導配線
の微細化を図りつつ臨界電流を大きくすることができる
。

上側および下側超伝導配線が、ニオブ、ニオブの化合物
（ＮｂＮ、　Ｎｂ３Ｓｎ、　Ｎｂ３Ｇｅなど）および合
金（Ｎｂ−Ｔ＋）、および高温酸化物超伝導材（Ｙ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−０゜Ｂ　ｌ−３１−Ｃａ−Ｃｕ−０など）の
いずれかで（特に、Ｎｂで）作られることは好ましい。

また、高周波バイアス電力の電圧が−１００〜−３００
ｖであることが好ましく、これよりも低い電圧ではその
効果が小さく、一方、高い電圧では膜自身の超伝導特性
が劣化すると共に、形成する上側超伝導配線の絶縁層端
部相当箇所が削りすぎにより平坦部上よりも薄くなって
しまう問題が生ずる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施態様例によって
本発明の詳細な説明する。

第１実施例 第１図および第２ａ図〜第２ｄ図に示すように、ジョセ
フソン集積回路を本発明にしたがって次のようにして作
製する。

まず、シリコン単結晶基板を熱酸化して５ｉｎ２絶縁層
を形成し、これを基板１１とする。そして、第２ａ図に
示すように、この基板１１上に通常のＤＣマグネトロン
スパッタリングによって１１Ｎｂ層１２を厚さ１００〜
２００ｎｍで全面に形成（堆積）する。

ジョセフソン接合のために、Ａ１層（厚さ：約７ｎｍ）
をＤＣマグネトロンスパッタリングによって第１Ｎｂ層
１２上に形成し、スパッタリング装置の真空チャンバー
内に酸素を導入してＡＡＯ，層（厚さ：１〜２ｎｍ）を
形成してｉｏ、−Ａ［接合層１３を形成する。接合層１
３の上に第２Ｎｂ層１４をＤＣマグネトロンスパッタリ
ングによって厚さ３０〜２００ｎｍで形成する。

次に、第２ｂ図に示すように、フォトレジスト層２０を
ジョセフソン接合部形状で第２Ｎｂ層１４上にフォトリ
ングラフィによって形成する。このレジスト層２０をマ
スクとして、ＣＦ、ガスをエッチャントにもちいたＲＩ
Ｅによって第２Ｎｂ層１４を、続いてＡｒによるスパッ
タエツチングによってｉ眠−＾β接合層１３を除去して
、レジスト層２０で覆われていた部分を残す。

第２Ｃ図に示すように、所定配線パターンのフォトレジ
スト層２１を第２Ｎｂ層１４および第１Ｎｂ層１２の上
にフォトリングラフィによって形成する。

このレジスト層２１をマスクとして、ＣＦ、ガスをもち
いてＲＩＥによって第１Ｎｂ層１２を選択エツチングす
る。

次に、第２ｄ図に示すように、５１０２絶縁層（厚さ＋
　２００〜４００ｎｍＨ５をＲＦ−７グネトロンスパツ
タリングによって全面に形成し、通常のリングラフィ法
にしたがってレジスト層（図示せず）を形成し、Ｃ）Ｉ
Ｆ３ガスをエッチャントにもちいたＲＩＥによって８１
０２層１５を選択エツチングして接合部でのコンタクト
ホール２２および配線相互の接続用コンタクトホール２
３を形成する。

第１図に示すように第３Ｎｂ層１６を形成する前に、コ
ンタクトホール内に表出している第２Ｎｂ層１４および
第１Ｎｂ層１２の表面をＡｒスパッタクリーニングする
。このクリーニング条件は、圧力が１．３Ｐａで、印加
電圧が−２００〜−３００Ｖで、スハッタ時間が２〜５
分である。そして、第３Ｎｂ層１６（厚さ：　３００〜
６００ｎｍ）をＤＣ？ダネトロンスパッタリングにて全
面に形成し、その際に、基板に高周波バイアス電力（周
波数：　１３．５６ＭＨｚ、電圧ニー１００〜−３００
　Ｖ　）を印加した状態を保つ。このようにバイアスを
かけた状態でスパッタリングを行なう。その成膜速度は
１００〜２００ｎｍ／分である。通常のリングラフィ法
にしたがってレジスト層（図示せず）を形成し、ＣＦ２
をもちいたＲＩＥによって第３Ｎｂ層１６を選択エツチ
ングして、所定配線パターンにする。

上述した工程でコンタクト部Ａおよびジョセフソン接合
部Ｂを有するジョセフソン集積回路を製作することがで
きる。なお、実際の集積回路においては、この他に超伝
導接地面、抵抗層、ジョセフソン接合の制御線、および
これらに伴なう層間絶縁層などを形成する必要があるが
、公知の工程にしたがって形成すればよいので本明細書
ではその説明を省略する。

第１図でのコンタクト部へにおいて、第１Ｎｂ層（下側
超伝導層）１２と第３Ｎｂ層（上側超伝導層）１６との
間のコンタクト特性を下記条件で評価した。

第１Ｎｂ層１２の厚さを２００１ｍとし、Ｓｉｎ□絶縁
層１５の厚さを３００ｎｍとし、第３Ｎｂ層１６の厚さ
を３００ｎｍ又は５００ｎｍとした。コンタクトホール
２３（第２Ｃ図）の形状を正方形として、その−辺長さ
を１．０　、１．５　、２．０　、２．５および３゜Ｏ
ｐＭの５種類とした。Ａｒによるスパッタクリーニング
を１．３Ｐａ圧力で、−３００Ｖの印加電圧にて、３分
間行なった。第３Ｎｂ層１６をバイアス電圧（２００Ｖ
。

１５０　Ｖ　）で、比較例としてバイアス電圧を印加し
ない（ＯＶ）で、アルゴン雰囲気（１，３Ｐａ）下にて
スパッタ形成した。このようなコンタクト部の臨界電力
Ｉｃを４．２Ｋ（液体ヘリウム温度）にて測定して、得
られた結果を第３図に示す。

第３ａ図では、横軸が正方形コンタクトホールの一辺長
さであり、縦軸が臨界電流である。第３ａ図かられかる
ように、バイアス電界を印加しない場合と比べてバイア
ススパッタで形成した場合には、臨界電流が２〜１０倍
とかなり大きくなる。

特に、コンタクト面積（角形コンタクトの一辺長さ〉が
小さく（１，０〜１．５７＝＝）かつＮｂ層厚さが薄い
（３００ｎｍ）の場合に、臨界電流の改善が顕著である
。また、第３ａ図に示されたように臨界電流はコンタク
トホール周辺長と線型関係にあり、（１）要因で決定さ
れることを示している。そして、従来のスパッタリング
法（ノンバイアススパッタリング法）と比べて同じコン
タクトサイズ（面積）で臨界電流の増大が図れるのは上
記（１）要因が改善されていると考えられる。

また、バイアススパッタで形成した第３Ｎｂ層はその厚
さが５００ｎｍと厚い場合には、２．０ｐ角コンタクト
で１８０ｍＡもの臨界電流となり、バイアスなしの厚さ
８００ｎｍ（第６図）のＮｂ層での臨界電流（約６０ｍ
Ａ）よりはるかに大きい。前者の臨界電流は上記（２）
要因から決まり、後者は上記（１）要因から決まると考
えられる。したがってバイアススパッタ（前者）の場合
には、上記（２）要因で決まる臨界電流も当然１８０ｍ
Ａ以上になっていることになる（なぜなら、臨界電流は
（１）、　　（２）の小さい方の要因で決定されるから
である）。−方、上記（２）要因で決まる臨界電流は、
本来Ｎｂ成膜前のスパッタクリーニング条件だけで決定
されて、上側Ｎｂ層の厚さには依存しないはずである。

したがって、バイアススパッタの場合に、上記（２）要
因で決まる臨界電流か大きいというのはバイアススパッ
タを用いている点に原因があると考えられる。それは、
バイアススパッタ成膜の直前ないし初期に高周波バイア
ス印加により、下側Ｎｂ層表面の自然酸化膜が再び除去
されるためだと考えられる。〔通常のスパッタＮｂ成膜
では、下側Ｎｂ層のスパッタクリーニング後にＮｂを形
成するまでの数分間の間に、Ｎｂ表面に薄い酸化膜が再
び形成されていると予想される。バイアススパッタ法で
は、この酸化膜も除去できる。〕従って、バイアススパ
ッタによるＮｂ層形成にあたっては、基板にバイアス電
界のみを予め印加したのちに、バイアススパッタ成膜を
開始するのが好ましい。

バイアススパッタＮｂを用いたコンタクトのもう一つの
特徴は、耐アニール特性に優れている点である。一般に
、Ｎｂ配線やコンタクトの臨界電流は、窒素雰囲気中で
もアニール処理によって劣化する。この原因は、表面に
形成されたＮｂ酸化膜の酸素がＮｂ膜内に拡散して行く
ためと考えられる。第３ｂ図にコンタクトのアニール特
性を示す。縦軸はアニール前後の臨界電流比、横軸はア
ニール温度である。バイアスを印加しないＮｂの場合、
２００℃のアニールでも、臨界電流は元の値の１０％ま
で低下する。一方、バイアス印加した場合、臨界電流の
劣化はせいぜい１０〜４０％ていどである。この原因は
、コンタクト側壁部のＮｂ膜厚が厚くなるため、アニー
ル時の酸素拡散の影響を少なくできるためと考えられる
。このように、バイアススパッタＮｂを用いたコンタク
トでは、その臨界電流が大きくなるだけでなく、耐アニ
ール特性にも顕著な改善が見られる。

第２実施例 バイアス電界を基板に印加した状態でのスパッタリング
による超伝導配線（Ｎｂ膜）形成における段差（ステッ
プ）カバレージについて、第４ａ図および第４ｂ図を参
照して説明する。

バイアススパッタによるＮｂ層３４の形状は、第４ａ図
に示すように、その下地の絶縁層３３の段差形状に大き
く依存している。第１実施例と同様な基板３１の上に第
１Ｎｂ層３２を通常のスパッタリングで形成し、選択エ
ツチングで所定パターンにしてから、絶縁（Ｓ１０２）
層３３を通常のスパッタリングにて形成（成膜）したと
きに、下地（Ｎｂ層の）段差のところでなめらかでない
凹みのあるような段差（逆テーパー状の段差）が生じて
しまうことがある。この絶縁層３３の上に段差を越えて
延在する第２Ｎｂ層（配線）３４をバイアススパッタで
形成すると、段差端部にて、第４ｂ図に示すように、膜
厚が薄くなる恐れがある。そうなるとＮｂ層（超伝導配
線）３４の臨界電流が段差での薄い部分にて決められて
低くなってしまう。

このような臨界電流の低下を防止するには、第４ｂ図に
示すように、上述したバイアススパッタで第２Ｎｂ層３
５を第４ａ図の場合よりも薄く形成（成膜）してから、
続けて基板バイアスをやめて通常のスパッタリングにて
第３Ｎｂ層３６を形成すればよい。第２および第３Ｎｂ
層３５．３６がひとつのＮｂ層を形成することになり、
２層構造である。

例えば、第２および第３Ｎｂ層３５．３６の厚さを両方
とも３００ｎｍとする。そして、２層でなく、もっと多
層な構造にすることも可能であり、この場合でも最下層
のＮｂ層はバイアススパッタ法で形成する。この実施例
では段差側壁部でのＮｂ層厚さを、従来よりもバイアス
電界印加によってＮｂ層膜段差表面形状プロフィル）を
なだらかにしてその上にさらにＮｂ層を形成することで
厚くできるので、上記（１）要因で決まる臨界電流大き
くすることができる。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明によれば、上側超伝導（Ｎｂ）
配線形成く成膜）時の基板バイアス印加を利用してコン
タクト部ないし段差部での臨界電流を大きくすることが
可能となる。さらに、微細なコンタクトホールであって
も上側超伝導配線の臨界電流減少が防止できるので微細
な配線構成が可能となりジョセフソン集積回路の集積度
向上・微細化に寄与する。また、アニール処理に対する
安定性の点でも格段の改善がみられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る製造方法によって作成されたジ
ョセフソン集積回路の概略断面図であり、第２ａ図〜第
２ｄ図は、本発明に係る製造方法による工程を説明する
ジョセフソン集積回路の概略断面図であり、 第３ａ図は、コンタクトホールにおける超伝導（Ｎｂ）
配線の臨界電流と角形コンタクトホールの一辺長さとの
関係を示すグラフであり、第３ｂ図は、アニールによる
コンタクトの臨界電流の変化を示すグラフであり、 第４ａ図は、段差部での状態を示すジョセフソン集積回
路の概略部分断面図であり、 第４ｂ図は、段差部での２層構造の超伝導（Ｎｂ）配線
を示すジョセフソン集積回路の概略部分断面図であり、 第５図は、通常のスパッタリングで形成した上側超伝導
配線を有するジョセフソン集積回路の概略断面図であり
、 第６図は、通常のスパッタリングによって形成した超伝
導（Ｎｂ）配線の臨界電流とコンタクトホール面積との
関係を示すグラフである。 １１・・・基板、　　　　　１２．１４・・・Ｎｂ層、
１３・・・１口、−Ａ１層、　１５・・・絶縁層、１６
・・・バイアススパッタによるＮｂ層、Ａ・・・コンタ
クト部、　Ｂ・・・ジョセフソン接合部、３２・・・Ｎ
ｂ層、 ３４．３５・・・バイアススパッタによるＮｂ層。 第２ｄ図 コンタク１−ホ ル辺長さ（ｐｍ） 第３ｏ図 ジョセフソン集積回路の断面図 第１図 第２０図 第２ｂ図 第２ｃ図 第３ｂ図 ３２ 第４ｂ図 従来のジョセフソン集積回路の断面９ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に下側超伝導配線層、段差部を有する絶縁層
   、および前記段差部を含めて前記絶縁層を覆う上側超伝
   導配線層を順次形成したジョセフソン集積回路の製造方
   法において、 前記上側超伝導配線層を不活性なガスでのスパッタリン
   グ法によって形成する際に、前記基板に高周波バイアス
   電力を印加することを特徴とするジョセフソン集積回路
   の製造方法。 ２、前記上側および下側超伝導配線はニオブ、ニオブの
   化合物および合金、および高温酸化物超伝導材のいずれ
   かで造られかつ前記高周波電力により印加される電圧が
   −１００〜−３００Ｖであることを特徴とする請求項１
   記載の製造方法。