JPH0334237B2 - - Google Patents
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- JPH0334237B2 JPH0334237B2 JP61054950A JP5495086A JPH0334237B2 JP H0334237 B2 JPH0334237 B2 JP H0334237B2 JP 61054950 A JP61054950 A JP 61054950A JP 5495086 A JP5495086 A JP 5495086A JP H0334237 B2 JPH0334237 B2 JP H0334237B2
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- mask
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- electrode
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明はトンネル型ジヨセフソン素子の製造方
法に関し、さらに詳しくは集積回路に適した微小
なジヨセフソン素子の製造方法に関する。
法に関し、さらに詳しくは集積回路に適した微小
なジヨセフソン素子の製造方法に関する。
（従来の技術）
代表的な従来例として、エイツチ・クローガー
（H.Kroger）らによつて1981年８月にアプライ
ド・フイジツクス・レターズ
（AppliedPhysicsLetters）の第39巻第３号280〜
282頁で発表された論文で提案されている方法が
ある。この方法を第２図ａ〜ｃの断面図を用いて
工程順に説明する。第２図ａに示すように、基板
２１上にニオブ（Nb）でなる第１の超伝導体電
極２２に、トンネル障壁層２３、Nbでなる第２
の超伝導体電極２４の３層膜を連続形成する。第
１の超伝導体電極２２および第２の超伝導体電極
２４は直流マグネトロンスパツタ法で被着する。
トンネル障壁層２３はシリコン−水素（Si−Ｈ）
合金を被着し、熱酸化して形成する。上記３層膜
２２，２３，２４をパターニングして下部配線を
形成した後、第２図ｂに示すように第２の超伝導
体電極２４上の接合部となる場所にホトレジスト
でエツチングマスク２５を形成し、引続き第１お
よび第２の超伝導体電極２２，２４をアノードと
して第２の超伝導体電極２４の露出部分をトンネ
ル障壁層まで陽極酸化し絶縁体層２６を形成す
る。エツチングマスク２５を除去した後、第２の
超伝導体電極２４の露出表面をスパツタクリーニ
ングし、第１および第２の超伝導体電極２２，２
４の場合と同様な成膜法で第３の超伝導体電極２
７を被着し、引続き加工すると第２図ｃに示すよ
うなジヨセフソン素子が得られる。
（H.Kroger）らによつて1981年８月にアプライ
ド・フイジツクス・レターズ
（AppliedPhysicsLetters）の第39巻第３号280〜
282頁で発表された論文で提案されている方法が
ある。この方法を第２図ａ〜ｃの断面図を用いて
工程順に説明する。第２図ａに示すように、基板
２１上にニオブ（Nb）でなる第１の超伝導体電
極２２に、トンネル障壁層２３、Nbでなる第２
の超伝導体電極２４の３層膜を連続形成する。第
１の超伝導体電極２２および第２の超伝導体電極
２４は直流マグネトロンスパツタ法で被着する。
トンネル障壁層２３はシリコン−水素（Si−Ｈ）
合金を被着し、熱酸化して形成する。上記３層膜
２２，２３，２４をパターニングして下部配線を
形成した後、第２図ｂに示すように第２の超伝導
体電極２４上の接合部となる場所にホトレジスト
でエツチングマスク２５を形成し、引続き第１お
よび第２の超伝導体電極２２，２４をアノードと
して第２の超伝導体電極２４の露出部分をトンネ
ル障壁層まで陽極酸化し絶縁体層２６を形成す
る。エツチングマスク２５を除去した後、第２の
超伝導体電極２４の露出表面をスパツタクリーニ
ングし、第１および第２の超伝導体電極２２，２
４の場合と同様な成膜法で第３の超伝導体電極２
７を被着し、引続き加工すると第２図ｃに示すよ
うなジヨセフソン素子が得られる。
（発明が解決しようとする問題点）
この方法では、第２図ｂに示した陽極酸化の工
程で、酸化は時間とともに等方的に進行するため
エツチングマスク２５下部の第２の超伝導体電極
２４まで一部酸化される。しかもエツチングマス
ク２５下部への酸化層の侵入幅をサブミクロンオ
ーダーで制御するのは容易ではない。従つて、１
〜2μｍ程度の微小接合寸法のジヨセフソン素子
を数多く配した集積回路を作製する場合には、目
標とするジヨセフソン素子の臨界電流値が得られ
ないという問題や、この値のウエーハ内での均一
性が不充分であるという問題を生じる。
程で、酸化は時間とともに等方的に進行するため
エツチングマスク２５下部の第２の超伝導体電極
２４まで一部酸化される。しかもエツチングマス
ク２５下部への酸化層の侵入幅をサブミクロンオ
ーダーで制御するのは容易ではない。従つて、１
〜2μｍ程度の微小接合寸法のジヨセフソン素子
を数多く配した集積回路を作製する場合には、目
標とするジヨセフソン素子の臨界電流値が得られ
ないという問題や、この値のウエーハ内での均一
性が不充分であるという問題を生じる。
本発明の目的は、このような従来の欠点を取り
除いたジヨセフソン素子の製造方法を提供するこ
とにある。
除いたジヨセフソン素子の製造方法を提供するこ
とにある。
（問題点を解決するための手段）
本発明によれば、基板上に第１の超伝導体電
極、トンネル障壁層、第２の超伝導体電極、陽極
酸化のマスクとなる範囲で充分薄いマスク補助層
を連続形成する工程、前記マスク補助層上の接合
部となる箇所にエツチングマスクを形成し、前記
マスク補助層と第２の超伝導体電極と前記トンネ
ル障壁層をドライエツチング除去する工程、前記
エツチングマスクを除去した後第１絶縁体層を被
着する工程、前記第１の絶縁体層をドライエツチ
ングして接合部の側壁を選択的に前記第１の絶縁
体層で被覆する工程、前記第１の超伝導体電極の
露出表面を陽極酸化して第２の絶縁体層を形成す
る工程、前記マスク補助層を除去した後、前記第
２の超伝導体電極と電気的に接触するように第３
の超伝導体電極を形成する工程を含むことを特徴
とするジヨセフソン素子の製造方法が得られる。
極、トンネル障壁層、第２の超伝導体電極、陽極
酸化のマスクとなる範囲で充分薄いマスク補助層
を連続形成する工程、前記マスク補助層上の接合
部となる箇所にエツチングマスクを形成し、前記
マスク補助層と第２の超伝導体電極と前記トンネ
ル障壁層をドライエツチング除去する工程、前記
エツチングマスクを除去した後第１絶縁体層を被
着する工程、前記第１の絶縁体層をドライエツチ
ングして接合部の側壁を選択的に前記第１の絶縁
体層で被覆する工程、前記第１の超伝導体電極の
露出表面を陽極酸化して第２の絶縁体層を形成す
る工程、前記マスク補助層を除去した後、前記第
２の超伝導体電極と電気的に接触するように第３
の超伝導体電極を形成する工程を含むことを特徴
とするジヨセフソン素子の製造方法が得られる。
（作用）
本発明では、まずマスク補助層、第２の超伝導
体電極、トンネル障壁層を順次ドライエツチング
して接合部の寸法を規定し、次に接合部の側壁を
第１の絶縁体層で被覆保護した後、露出した第１
の超伝導体電極を陽極酸化して第１の超伝導体電
極と第３の超伝導体電極との間の電気絶縁のため
の第２の絶縁体層を形成する。そのため、陽極酸
化の際、従来例のように酸化が接合部まで及ぶと
いう問題がない。その結果、ドライエツチング技
術で規定される高寸法精度の微小接合を備え、こ
の接合寸法の場所的なばらつきの小さいジヨセフ
ソン素子の製造が可能となる。
体電極、トンネル障壁層を順次ドライエツチング
して接合部の寸法を規定し、次に接合部の側壁を
第１の絶縁体層で被覆保護した後、露出した第１
の超伝導体電極を陽極酸化して第１の超伝導体電
極と第３の超伝導体電極との間の電気絶縁のため
の第２の絶縁体層を形成する。そのため、陽極酸
化の際、従来例のように酸化が接合部まで及ぶと
いう問題がない。その結果、ドライエツチング技
術で規定される高寸法精度の微小接合を備え、こ
の接合寸法の場所的なばらつきの小さいジヨセフ
ソン素子の製造が可能となる。
しかも、本発明によれば、陽極酸化の際に第２
の超伝導体電極表面の酸化を防止するマスク補助
層はエツチング耐性を必要とするエツチングマス
クとは独立に材料や膜厚を選択できる。従つて、
マスク補助層の膜厚を陽極酸化のマスクとなる範
囲で充分薄くすれば、接合部側壁を第１の絶縁体
層で被覆する際に、マスク補助層への被覆はほと
んどなく、マスク補助層を除去した後も接合部周
辺に突起のない平坦な上部配線が形成できる。
の超伝導体電極表面の酸化を防止するマスク補助
層はエツチング耐性を必要とするエツチングマス
クとは独立に材料や膜厚を選択できる。従つて、
マスク補助層の膜厚を陽極酸化のマスクとなる範
囲で充分薄くすれば、接合部側壁を第１の絶縁体
層で被覆する際に、マスク補助層への被覆はほと
んどなく、マスク補助層を除去した後も接合部周
辺に突起のない平坦な上部配線が形成できる。
（実施例）
次に本発明を第１図ａ〜ｆの断面図に示す実施
例を参照して詳細に説明する。
例を参照して詳細に説明する。
まず、第１図ａに示すように基板１１上に第１
の超伝導体電極１２、トンネル障壁層１３、第２
の超伝導体電極１４、マスク補助層１５を順次形
成する。第１および第２の超伝導体電極１２，１
４は、共にスパツタ法や電子ビーム蒸着法により
被着したそれぞれ膜厚300nｍ、150nｍのNb膜で
ある。トンネル障壁層１３は、スパツタ法や蒸着
法により被着した膜厚約5nｍのアルミニウム
（Al）膜を純酸素（O2）雰囲気中で熱酸化して形
成する。マスク補助層１５は、スパツタ法やプラ
ズマCVD法により被着した膜厚50nｍの窒化シリ
コン（Si3N4）膜である。
の超伝導体電極１２、トンネル障壁層１３、第２
の超伝導体電極１４、マスク補助層１５を順次形
成する。第１および第２の超伝導体電極１２，１
４は、共にスパツタ法や電子ビーム蒸着法により
被着したそれぞれ膜厚300nｍ、150nｍのNb膜で
ある。トンネル障壁層１３は、スパツタ法や蒸着
法により被着した膜厚約5nｍのアルミニウム
（Al）膜を純酸素（O2）雰囲気中で熱酸化して形
成する。マスク補助層１５は、スパツタ法やプラ
ズマCVD法により被着した膜厚50nｍの窒化シリ
コン（Si3N4）膜である。
上記多層膜のパターニングは通常のフオトリソ
グラフイ工程を用いて、まず、マスク補助層１５
をフロン23（CHF3）などのエツチングガスで、
反対性スパツタエツチングした後、次に第２の超
伝導体電極１４、トンネル障壁層１３、第１の超
伝導体電極１２をフロン12（CCl2F2）やフロン13
（CF4）で反応性スパツタエツチングする。
グラフイ工程を用いて、まず、マスク補助層１５
をフロン23（CHF3）などのエツチングガスで、
反対性スパツタエツチングした後、次に第２の超
伝導体電極１４、トンネル障壁層１３、第１の超
伝導体電極１２をフロン12（CCl2F2）やフロン13
（CF4）で反応性スパツタエツチングする。
次に、第１図ｂに示すようにマスク補助層１５
上の接合部となる場所にエツチングマスク１６を
形成した後、上記多層膜のエツチングと同様にマ
スク補助層１５、第２の超伝導体電極１４、トン
ネル障壁層１３を順次除去して接合部を規定す
る。次に、第１図ｃに示すように、エツチングマ
スク１６を除去した後、プラズマCVD法やスパ
ツタ法により試料全面に二酸化シリコン（SiO2）
を150nｍ被着し、第１の絶縁体層１６を形成す
る。
上の接合部となる場所にエツチングマスク１６を
形成した後、上記多層膜のエツチングと同様にマ
スク補助層１５、第２の超伝導体電極１４、トン
ネル障壁層１３を順次除去して接合部を規定す
る。次に、第１図ｃに示すように、エツチングマ
スク１６を除去した後、プラズマCVD法やスパ
ツタ法により試料全面に二酸化シリコン（SiO2）
を150nｍ被着し、第１の絶縁体層１６を形成す
る。
次にCHF3などを用いた反応性スパツタエツチ
ング法やイオンビームエツチング法での第１の絶
縁体層１７を平坦部の第１の超伝導体電極１２表
面が現われるまでエツチングする。これらの異方
性エツチング法では、エツチングは主に基板面に
対して垂直方向に進行するため、この方向に第１
の絶縁体層１６の初期膜厚の厚い接合部周辺では
エツチング残りを生じ、第１図ｄに示すように接
合部の側壁を第１の絶縁体層１７で被覆した構造
が得られる。その後、５硼酸アンモニウムとエチ
レングリコールの水溶液中で第１の超伝導体電極
１２をアノードとして第１超伝導体電極１２の露
出表面を陽極酸化すると、第１図ｅに示すような
酸化ニオブ（Nb2O5）でなる第２の絶縁体層１８
が形成される。Nb2O5の膜厚は陽極酸化電圧Ｖに
より約2nｍ／Ｖの関係で制御される。
ング法やイオンビームエツチング法での第１の絶
縁体層１７を平坦部の第１の超伝導体電極１２表
面が現われるまでエツチングする。これらの異方
性エツチング法では、エツチングは主に基板面に
対して垂直方向に進行するため、この方向に第１
の絶縁体層１６の初期膜厚の厚い接合部周辺では
エツチング残りを生じ、第１図ｄに示すように接
合部の側壁を第１の絶縁体層１７で被覆した構造
が得られる。その後、５硼酸アンモニウムとエチ
レングリコールの水溶液中で第１の超伝導体電極
１２をアノードとして第１超伝導体電極１２の露
出表面を陽極酸化すると、第１図ｅに示すような
酸化ニオブ（Nb2O5）でなる第２の絶縁体層１８
が形成される。Nb2O5の膜厚は陽極酸化電圧Ｖに
より約2nｍ／Ｖの関係で制御される。
本実施例では、Ｖ＝100（ｖ）で200nｍの
Nb2O5膜を成長させた。NbからNb2O5への体積
膨張は約2.6倍であるから、陽極酸化で消費され
た第１の超伝導体電極１２の膜厚は約80nｍであ
る。
Nb2O5膜を成長させた。NbからNb2O5への体積
膨張は約2.6倍であるから、陽極酸化で消費され
た第１の超伝導体電極１２の膜厚は約80nｍであ
る。
ここでは、陽極酸化のアノードとして第１の超
伝導体電極１２を用いたが、前もつて第１の超伝
導体電極１２の下部に電気的接触を保つて設けた
導体層を用いてもよい。最後に、マスク補助層１
５をリン酸（H3PO4）溶液で選択的に除去した
後、第２の超伝導体電極１４表面をスパツタクリ
ーニングし、第１図ｆに示すように第２の超伝導
体電極１４のパターニングと同様な方法で400n
ｍのNb膜でなる第３の超伝導体電極１９を形成
する。
伝導体電極１２を用いたが、前もつて第１の超伝
導体電極１２の下部に電気的接触を保つて設けた
導体層を用いてもよい。最後に、マスク補助層１
５をリン酸（H3PO4）溶液で選択的に除去した
後、第２の超伝導体電極１４表面をスパツタクリ
ーニングし、第１図ｆに示すように第２の超伝導
体電極１４のパターニングと同様な方法で400n
ｍのNb膜でなる第３の超伝導体電極１９を形成
する。
本実施例では、第１図ｄの接合部側壁の被覆保
護の工程で、マスク補助層１５が充分薄いために
この側壁に被着した第１の絶縁体層による突起の
問題はない。また、第１図ｅに示した陽極酸化の
工程で接合部の側壁が第１の絶縁体層１７で被覆
保護されているため、陽極酸化層が接合部まで進
入することがない。そのため、第１の超伝導体電
極１２と第２の超伝導体電極１４との間の電気絶
縁層に第１の超伝導体電極１２の陽極酸化膜を用
いても、接合寸法は異方性ドライエツチング法で
規定されるため高寸法精度で場所的なばらつきの
小さいジヨセフソン素子が形成できる。
護の工程で、マスク補助層１５が充分薄いために
この側壁に被着した第１の絶縁体層による突起の
問題はない。また、第１図ｅに示した陽極酸化の
工程で接合部の側壁が第１の絶縁体層１７で被覆
保護されているため、陽極酸化層が接合部まで進
入することがない。そのため、第１の超伝導体電
極１２と第２の超伝導体電極１４との間の電気絶
縁層に第１の超伝導体電極１２の陽極酸化膜を用
いても、接合寸法は異方性ドライエツチング法で
規定されるため高寸法精度で場所的なばらつきの
小さいジヨセフソン素子が形成できる。
本実施例では、マスク補助層にSi3N4膜を用い
たが、陽極酸化時にマスク効果のある材料であれ
ば他の絶縁体や半導体膜を用いてもよい。第１、
第２、第３の超伝導体電極として共にNb膜を用
いたが、第１の超伝導体電極には陽極酸化が可能
な窒化ニオブ（NbN）などのNb化合物を、第
２、第３の超伝導体電極には各種の超伝導体材料
を用いることができる。トンネル障壁層にはAl
酸化膜以外に他の金属酸化膜、半導体膜、絶縁体
膜なども適用できる。第１の絶縁体層にはSiO2
膜以外に他の絶縁体膜を用いても何ら問題はな
い。
たが、陽極酸化時にマスク効果のある材料であれ
ば他の絶縁体や半導体膜を用いてもよい。第１、
第２、第３の超伝導体電極として共にNb膜を用
いたが、第１の超伝導体電極には陽極酸化が可能
な窒化ニオブ（NbN）などのNb化合物を、第
２、第３の超伝導体電極には各種の超伝導体材料
を用いることができる。トンネル障壁層にはAl
酸化膜以外に他の金属酸化膜、半導体膜、絶縁体
膜なども適用できる。第１の絶縁体層にはSiO2
膜以外に他の絶縁体膜を用いても何ら問題はな
い。
また、マスク補助層の除去は、この材料および
膜厚の選択により、第２の超伝導体電極のスパツ
タクリーニング時に同じ方法で連続して除去する
ことができる。特に、本実施例で用いたNbのよ
うな酸化性が強く、酸化膜の除去が容易でない材
料を第２の超伝導体電極とする場合に、第２の超
伝導体電極表面に酸化膜を形成しないで被着した
マスク補助層を用いると、第２、第３の超伝導体
電極間の電気接触が容易となる。
膜厚の選択により、第２の超伝導体電極のスパツ
タクリーニング時に同じ方法で連続して除去する
ことができる。特に、本実施例で用いたNbのよ
うな酸化性が強く、酸化膜の除去が容易でない材
料を第２の超伝導体電極とする場合に、第２の超
伝導体電極表面に酸化膜を形成しないで被着した
マスク補助層を用いると、第２、第３の超伝導体
電極間の電気接触が容易となる。
（効果）
以上説明したように本発明によれは、第１の超
伝導体電極と第２の超伝導体電極との間の電気絶
縁層に第１の超伝導体電極を陽極酸化膜を用いて
も、接合寸法は異方性ドライエツチング法で規定
されるため高寸法精度で場所的なばらつきの小さ
いジヨセフソン素子が形成できる。しかも、接合
部側壁の被覆の際、第２の超伝導体電極表面は陽
極酸化のマスクとなる範囲で充分薄く、マスク補
助層でマスキングされるため、マスク補助層を除
去した後も接合部周辺に突起がなく平坦な上部配
線が形成できる。
伝導体電極と第２の超伝導体電極との間の電気絶
縁層に第１の超伝導体電極を陽極酸化膜を用いて
も、接合寸法は異方性ドライエツチング法で規定
されるため高寸法精度で場所的なばらつきの小さ
いジヨセフソン素子が形成できる。しかも、接合
部側壁の被覆の際、第２の超伝導体電極表面は陽
極酸化のマスクとなる範囲で充分薄く、マスク補
助層でマスキングされるため、マスク補助層を除
去した後も接合部周辺に突起がなく平坦な上部配
線が形成できる。
第１図ａ〜ｆは本発明のトンネル型ジヨセフソ
ン素子の製造方法を工程順に示す断面図、第２図
ａ〜ｃは従来のトンネル型ジヨセフソン素子の製
造方法を工程に示す断面図である。 図において、１１，２１は基板、１２，２２は
第１の超伝導体電極、１３，２３はトンネル障壁
層、１４，２４は第２の超伝導体電極、１５はマ
スク補助層、１６，２５はエツチングマスク、１
７，２６は第１の絶縁体層または絶縁体層、１
８、は第２の絶縁体層、１９，２７は第３の超伝
導体電極である。
ン素子の製造方法を工程順に示す断面図、第２図
ａ〜ｃは従来のトンネル型ジヨセフソン素子の製
造方法を工程に示す断面図である。 図において、１１，２１は基板、１２，２２は
第１の超伝導体電極、１３，２３はトンネル障壁
層、１４，２４は第２の超伝導体電極、１５はマ
スク補助層、１６，２５はエツチングマスク、１
７，２６は第１の絶縁体層または絶縁体層、１
８、は第２の絶縁体層、１９，２７は第３の超伝
導体電極である。
Claims (1)
- １ 基板上に第１の超伝導体電極、トンネル障壁
層、第２の超伝導体電極、陽極酸化のマスクとな
る範囲で充分薄いマスク補助層を連続形成する工
程、前記マスク補助層上の接合部となる箇所にエ
ツチングマスクを形成し、前記マスク補助層と、
第２の超伝導体電極と前記トンネル障壁層をドラ
イエツチング除去する工程、前記エツチングマス
クを除去した後第１の絶縁体層を被着する工程、
前記第１の絶縁体層をドライエツチングして接合
部の側壁を選択的に前記第１の絶縁体層で被覆す
る工程、前記第１の超伝導体電極の露出表面を陽
極酸化して第２の絶縁体層を形成する工程、前記
マスク補助層を除去した後、前記第２の超伝導体
電極と電気的に接触するように第３の超伝導体電
極を形成する工程を含むことを特徴とするジヨセ
フソン素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61054950A JPS62213287A (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | ジヨセフソン素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61054950A JPS62213287A (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | ジヨセフソン素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62213287A JPS62213287A (ja) | 1987-09-19 |
| JPH0334237B2 true JPH0334237B2 (ja) | 1991-05-21 |
Family
ID=12984941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61054950A Granted JPS62213287A (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | ジヨセフソン素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62213287A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2023199419A1 (ja) | 2022-04-13 | 2023-10-19 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60208873A (ja) * | 1984-04-03 | 1985-10-21 | Nec Corp | ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
-
1986
- 1986-03-14 JP JP61054950A patent/JPS62213287A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62213287A (ja) | 1987-09-19 |
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Legal Events
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |