JPH04298084A - ジョセフソン接合素子及びその製造方法 - Google Patents
ジョセフソン接合素子及びその製造方法Info
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- JPH04298084A JPH04298084A JP3063384A JP6338491A JPH04298084A JP H04298084 A JPH04298084 A JP H04298084A JP 3063384 A JP3063384 A JP 3063384A JP 6338491 A JP6338491 A JP 6338491A JP H04298084 A JPH04298084 A JP H04298084A
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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。
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はジョセフソン接合素子及
びその製造方法に関する。ジョセフソン接合は高速性に
優れ、低消費電力という特徴をもつため、これらの特徴
をいかした高速処理がジョセフソン集積回路により可能
となる。
びその製造方法に関する。ジョセフソン接合は高速性に
優れ、低消費電力という特徴をもつため、これらの特徴
をいかした高速処理がジョセフソン集積回路により可能
となる。
【０００２】
【従来の技術】従来、ジョセフソン集積回路用接合材料
としては、電極としてＮｂ（ニオブ）、オーバーレイア
層としてＡｌ（アルミニウム）、接合バリアとしてＡｌ
ＯｘからなるＮｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合が良好な
特性を示すことから、広く用いられている。
としては、電極としてＮｂ（ニオブ）、オーバーレイア
層としてＡｌ（アルミニウム）、接合バリアとしてＡｌ
ＯｘからなるＮｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合が良好な
特性を示すことから、広く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
Ｎｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合を用いたジョセフソン
接合素子においては、図６（ａ）に示す作成直後の電流
−電圧特性が、２００℃程度の熱処理により、図６（ｂ
）に示すような特性の劣化が生じる。この原因はＮｂは
融点が２４６８℃の高融点金属であるのに対して、Ａｌ
は６６０℃の低融点金属であることに起因すると考えら
れる。即ち、Ｎｂ薄膜の粒界を通してＡｌが比較的低温
で拡散してしまうためである。図７（ａ）に示すＮｂ／
Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合に２００℃、１時間の熱処理
を加えてオージェ分析で調べると、図７（ｂ）から明ら
かなように、Ｎｂ／Ａｌ界面がダレていることがわかる
。図１で示した特性の劣化はこの接合界面のダレが原因
である。
Ｎｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合を用いたジョセフソン
接合素子においては、図６（ａ）に示す作成直後の電流
−電圧特性が、２００℃程度の熱処理により、図６（ｂ
）に示すような特性の劣化が生じる。この原因はＮｂは
融点が２４６８℃の高融点金属であるのに対して、Ａｌ
は６６０℃の低融点金属であることに起因すると考えら
れる。即ち、Ｎｂ薄膜の粒界を通してＡｌが比較的低温
で拡散してしまうためである。図７（ａ）に示すＮｂ／
Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合に２００℃、１時間の熱処理
を加えてオージェ分析で調べると、図７（ｂ）から明ら
かなように、Ｎｂ／Ａｌ界面がダレていることがわかる
。図１で示した特性の劣化はこの接合界面のダレが原因
である。
【０００４】従って、ジョセフソン接合の熱処理に対す
る耐性を向上させることが、今後の大規模な集積回路を
目指す上で大きな課題となっている。そこで本発明は、
耐熱性に優れたジョセフソン接合素子及びその製造方法
を提供することを目的とする。
る耐性を向上させることが、今後の大規模な集積回路を
目指す上で大きな課題となっている。そこで本発明は、
耐熱性に優れたジョセフソン接合素子及びその製造方法
を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者は、ジョセフソ
ン接合の熱処理に対する耐性を向上させるため、Ａｌに
代わる材料の検討を行った。即ち、オーバーレイア構造
の接合において良好な素子特性を得るためには、接合界
面がクリアであることが重要であるが、その前に、（１
）オーバーレイア層が、十分薄い膜厚であってＮｂ電極
表面を良好に被ってくれる表面被覆性に優れていること
、（２）オーバーレイア層の酸化膜が、接合バリア層と
して熱的安定性及び電気伝導性を同時に満足することが
求められる。
ン接合の熱処理に対する耐性を向上させるため、Ａｌに
代わる材料の検討を行った。即ち、オーバーレイア構造
の接合において良好な素子特性を得るためには、接合界
面がクリアであることが重要であるが、その前に、（１
）オーバーレイア層が、十分薄い膜厚であってＮｂ電極
表面を良好に被ってくれる表面被覆性に優れていること
、（２）オーバーレイア層の酸化膜が、接合バリア層と
して熱的安定性及び電気伝導性を同時に満足することが
求められる。
【０００６】そこで、ミエデマ理論（Ａ．Ｒ．Ｍｉｅｄ
ｅｍａ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａ．１００Ｂ（１
９８０）１ｐ．参照）を用いて、Ｎｂ電極に対する表面
被覆性を検討した。その結果を図１に示す。 この図から明らかなように、被覆性の良好な金属として
、２つのグループが存在することが判った。１つはＡｌ
を含めた低融点金属のグループ（Ｂｅ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｚ
ｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｄ，Ｂｉ）、も
う１つはＮｂを含めた高融点金属のグループ（Ｖ，Ｚｒ
，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ）で
あった。
ｅｍａ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａ．１００Ｂ（１
９８０）１ｐ．参照）を用いて、Ｎｂ電極に対する表面
被覆性を検討した。その結果を図１に示す。 この図から明らかなように、被覆性の良好な金属として
、２つのグループが存在することが判った。１つはＡｌ
を含めた低融点金属のグループ（Ｂｅ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｚ
ｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｄ，Ｂｉ）、も
う１つはＮｂを含めた高融点金属のグループ（Ｖ，Ｚｒ
，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ）で
あった。
【０００７】低融点金属のグループは低温拡散が生じ易
いという点から、新しい接合材料としては検討の対象外
とした。従って高融点金属のグループについて、その酸
化膜の熱的安定性及び電気伝導性について考察した。は
じめに、熱的安定性をみる指標として、酸素１個当たり
の酸化物形成エネルギーを調べた。その結果、 Ｈｆ
＞Ｚｒ＞Ｎｂ＞Ｔａ＞Ｗ＞Ｍｏ＞Ｖ＞Ｒｅ＞Ｉｒ＞Ｏｓ
で順序づけられることが判った。
いという点から、新しい接合材料としては検討の対象外
とした。従って高融点金属のグループについて、その酸
化膜の熱的安定性及び電気伝導性について考察した。は
じめに、熱的安定性をみる指標として、酸素１個当たり
の酸化物形成エネルギーを調べた。その結果、 Ｈｆ
＞Ｚｒ＞Ｎｂ＞Ｔａ＞Ｗ＞Ｍｏ＞Ｖ＞Ｒｅ＞Ｉｒ＞Ｏｓ
で順序づけられることが判った。
【０００８】次に、電気伝導性について調べた。接合バ
リア層としては絶縁性があるほうが望ましいと考えられ
る。酸化物を電気的性質から大別すると、（ａ）絶縁体
、（ｂ）半導体、（ｃ）金属伝導体の３つに分けられる
。そこで、上記の金属について調べると、（ａ）絶縁体
；ＨｆＯ２ ，ＺｒＯ２ ，Ｎｂ２ Ｏ５ ，Ｔａ２
Ｏ５ （ｂ）半導体；Ｖ２ Ｏ５ （ｃ）金属伝導体；ＷＯ２ ，ＭｏＯ２ ，ＲｅＯ２
，ＩｒＯ２ ，ＯｓＯ４ に大別される。
リア層としては絶縁性があるほうが望ましいと考えられ
る。酸化物を電気的性質から大別すると、（ａ）絶縁体
、（ｂ）半導体、（ｃ）金属伝導体の３つに分けられる
。そこで、上記の金属について調べると、（ａ）絶縁体
；ＨｆＯ２ ，ＺｒＯ２ ，Ｎｂ２ Ｏ５ ，Ｔａ２
Ｏ５ （ｂ）半導体；Ｖ２ Ｏ５ （ｃ）金属伝導体；ＷＯ２ ，ＭｏＯ２ ，ＲｅＯ２
，ＩｒＯ２ ，ＯｓＯ４ に大別される。
【０００９】以上の結果を総合すると、Ｈｆ（ハフニウ
ム）をオーバーレイア層として用い、Ｈｆの酸化物であ
るＨｆＯ２ を接合バリア層として用いることにより、
耐熱性を向上させることが予測された。そして本発明者
の実験によれば、このＨｆオーバーレイア層及びＨｆＯ
２ 接合バリア層を用いたジョセフソン接合素子がその
素子特性と共に、耐熱性も良好であることを確認した。
ム）をオーバーレイア層として用い、Ｈｆの酸化物であ
るＨｆＯ２ を接合バリア層として用いることにより、
耐熱性を向上させることが予測された。そして本発明者
の実験によれば、このＨｆオーバーレイア層及びＨｆＯ
２ 接合バリア層を用いたジョセフソン接合素子がその
素子特性と共に、耐熱性も良好であることを確認した。
【００１０】従って、上記課題は、Ｎｂ又はＮｂＮから
なる下部電極と、前記下部電極上に形成されたＨｆオー
バーレイア層と、前記Ｈｆオーバーレイア層上に形成さ
れたＨｆＯｘ接合バリア層と、前記ＨｆＯｘ接合バリア
層上に形成されたＮｂ又はＮｂＮからなる上部電極とを
有することを特徴とするジョセフソン接合素子によって
達成される。
なる下部電極と、前記下部電極上に形成されたＨｆオー
バーレイア層と、前記Ｈｆオーバーレイア層上に形成さ
れたＨｆＯｘ接合バリア層と、前記ＨｆＯｘ接合バリア
層上に形成されたＮｂ又はＮｂＮからなる上部電極とを
有することを特徴とするジョセフソン接合素子によって
達成される。
【００１１】また、上記課題は、基板上に、Ｎｂ又はＮ
ｂＮからなる下部電極を形成する工程と、前記下部電極
上に、Ｈｆオーバーレイア層を形成する工程と、前記Ｈ
ｆオーバーレイア層上に、ＨｆＯｘ接合バリア層を形成
する工程と、前記ＨｆＯｘ接合バリア層上にＮｂ又はＮ
ｂＮからなる上部電極を形成する工程と、接合面積にパ
ターニングしたマスクを用いて前記上部電極を選択的に
エッチングし、接合部を形成する工程とを有することを
特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法によって達
成される。
ｂＮからなる下部電極を形成する工程と、前記下部電極
上に、Ｈｆオーバーレイア層を形成する工程と、前記Ｈ
ｆオーバーレイア層上に、ＨｆＯｘ接合バリア層を形成
する工程と、前記ＨｆＯｘ接合バリア層上にＮｂ又はＮ
ｂＮからなる上部電極を形成する工程と、接合面積にパ
ターニングしたマスクを用いて前記上部電極を選択的に
エッチングし、接合部を形成する工程とを有することを
特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法によって達
成される。
【００１２】また、上記のジョセフソン接合素子の製造
方法において、前記Ｈｆオーバーレイア層上にＨｆＯｘ
接合バリア層を形成する工程が、酸化雰囲気中における
熱酸化又は高周波放電酸化により、前記Ｈｆオーバーレ
イア層表面を酸化して、前記ＨｆＯｘ接合バリア層を形
成する工程であるを有することを特徴とするジョセフソ
ン接合素子の製造方法によって達成される。
方法において、前記Ｈｆオーバーレイア層上にＨｆＯｘ
接合バリア層を形成する工程が、酸化雰囲気中における
熱酸化又は高周波放電酸化により、前記Ｈｆオーバーレ
イア層表面を酸化して、前記ＨｆＯｘ接合バリア層を形
成する工程であるを有することを特徴とするジョセフソ
ン接合素子の製造方法によって達成される。
【００１３】また、上記のジョセフソン接合素子の製造
方法において、前記上部電極を選択的にエッチングして
接合部を形成する工程が、前記Ｈｆオーバーレイア層及
び前記ＨｆＯｘ接合バリア層と反応しないＣＦ４ 系を
用いた反応性エッチングにより、前記上部電極を選択的
にエッチングする工程であるを有することを特徴とする
ジョセフソン接合素子の製造方法によって達成される。
方法において、前記上部電極を選択的にエッチングして
接合部を形成する工程が、前記Ｈｆオーバーレイア層及
び前記ＨｆＯｘ接合バリア層と反応しないＣＦ４ 系を
用いた反応性エッチングにより、前記上部電極を選択的
にエッチングする工程であるを有することを特徴とする
ジョセフソン接合素子の製造方法によって達成される。
【００１４】
【作用】本発明は、オーバーレイア層にＨｆを用い、接
合バリア層にＨｆの酸化物であるＨｆＯ２ を用いるこ
とにより、オーバーレイア層としてＮｂ又はＮｂＮから
なる下部電極の表面被覆性に優れ、接合バリア層として
熱的安定性及び電気伝導性に優れていると共に、従来の
Ａｌを用いた場合と比較して耐熱性を向上させることが
できる。
合バリア層にＨｆの酸化物であるＨｆＯ２ を用いるこ
とにより、オーバーレイア層としてＮｂ又はＮｂＮから
なる下部電極の表面被覆性に優れ、接合バリア層として
熱的安定性及び電気伝導性に優れていると共に、従来の
Ａｌを用いた場合と比較して耐熱性を向上させることが
できる。
【００１５】また、その製造プロセスにおいて、Ｈｆオ
ーバーレイア層表面を酸化してＨｆＯｘ接合バリア層を
容易に形成できることや、Ｈｆオーバーレイア層及びＨ
ｆＯｘ接合バリア層をエッチングストップ層としてＮｂ
又はＮｂＮからなる上部電極を選択的にエッチングでき
ることにより、従来のＡｌを用いた場合と比較しても高
度で複雑な工程を要しない。
ーバーレイア層表面を酸化してＨｆＯｘ接合バリア層を
容易に形成できることや、Ｈｆオーバーレイア層及びＨ
ｆＯｘ接合バリア層をエッチングストップ層としてＮｂ
又はＮｂＮからなる上部電極を選択的にエッチングでき
ることにより、従来のＡｌを用いた場合と比較しても高
度で複雑な工程を要しない。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。図２は本発明の一実施例によるジョセフソン接
合素子を示す断面図である。Ｓｉ基板１２上に膜厚２０
０ｎｍ程度のＮｂ下部電極１４が形成されている。そし
てこのＮｂ下部電極１４上に、膜厚１〜１０ｎｍのＨｆ
オーバーレイア層１６及びＨｆＯｘ接合バリア層１８を
介して、膜厚２００ｎｍ程度のＮｂ上部電極２０が設け
られ、オーバーレイア構造をなすＮｂ／Ｈｆ−ＨｆＯｘ
／Ｎｂ接合を形成している。
明する。図２は本発明の一実施例によるジョセフソン接
合素子を示す断面図である。Ｓｉ基板１２上に膜厚２０
０ｎｍ程度のＮｂ下部電極１４が形成されている。そし
てこのＮｂ下部電極１４上に、膜厚１〜１０ｎｍのＨｆ
オーバーレイア層１６及びＨｆＯｘ接合バリア層１８を
介して、膜厚２００ｎｍ程度のＮｂ上部電極２０が設け
られ、オーバーレイア構造をなすＮｂ／Ｈｆ−ＨｆＯｘ
／Ｎｂ接合を形成している。
【００１７】また、これらＳｉ基板１２、Ｎｂ下部電極
１４、Ｈｆオーバーレイア層１６、ＨｆＯｘ接合バリア
層１８、Ｎｂ上部電極２０は、膜厚４００ｎｍのＳｉＯ
２ 絶縁膜２２によって覆われている。そしてＮｂ上部
電極２０及びＮｂ下部電極１４上に開口されたコンタク
トホールを介して、それぞれＮｂ上部電極２０及びＮｂ
下部電極１４に接続する膜厚６００ｎｍのＮｂ配線層２
８ａ、２８ｂが形成されている。
１４、Ｈｆオーバーレイア層１６、ＨｆＯｘ接合バリア
層１８、Ｎｂ上部電極２０は、膜厚４００ｎｍのＳｉＯ
２ 絶縁膜２２によって覆われている。そしてＮｂ上部
電極２０及びＮｂ下部電極１４上に開口されたコンタク
トホールを介して、それぞれＮｂ上部電極２０及びＮｂ
下部電極１４に接続する膜厚６００ｎｍのＮｂ配線層２
８ａ、２８ｂが形成されている。
【００１８】このように本実施例は、Ｎｂ下部電極１４
上のオーバーレイア層としてＨｆ層を用い、接合バリア
層としてＨｆＯｘ層を用いることに特徴がある。そして
本実施例によるジョセフソン接合素子を３００℃で１時
間の熱処理を行なった後の電流−電圧特性を調べると、
図３に示されるように、論理予測の通りに良好な素子特
性が得られ、特性劣化は観測されなかった。従って、こ
のＮｂ／Ｈｆ−ＨｆＯｘ／Ｎｂ接合の耐熱性は、従来の
Ｎｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合に比べて格段に向上す
ることが実証された。
上のオーバーレイア層としてＨｆ層を用い、接合バリア
層としてＨｆＯｘ層を用いることに特徴がある。そして
本実施例によるジョセフソン接合素子を３００℃で１時
間の熱処理を行なった後の電流−電圧特性を調べると、
図３に示されるように、論理予測の通りに良好な素子特
性が得られ、特性劣化は観測されなかった。従って、こ
のＮｂ／Ｈｆ−ＨｆＯｘ／Ｎｂ接合の耐熱性は、従来の
Ｎｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合に比べて格段に向上す
ることが実証された。
【００１９】なお、本実施例において用いたＮｂ上部電
極２０及びＮｂ下部電極１４の代わりに、ＮｂＮ上部電
極及びＮｂＮ下部電極を用いてもよい。次に、図２に示
すジョセフソン接合素子の製造方法を、図４及び図５を
用いて説明する。同一真空装置内において、真空を破る
ことなくＮｂ／Ｈｆ−ＨｆＯｘ／Ｎｂ構造を作成する。 即ち、Ｓｉ基板１２上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法
を用い、膜厚２００ｎｍ程度のＮｂ下部電極１４を成膜
する。この成膜条件はＡｒ圧力１．３Ｐａ（パスカル）
、印加電圧３００Ｖ、印加電流２．０Ａであり、このと
きの堆積速度は２００ｎｍ／ｍｉｎである。なお、Ｓｉ
基板１２の代わりに他の基板材料であっても構わないし
、またＮｂの成膜にＤＣマグネトロンスパッタを用いる
代わりにＲＦマグネトロンスパッタを用いてもよい。
極２０及びＮｂ下部電極１４の代わりに、ＮｂＮ上部電
極及びＮｂＮ下部電極を用いてもよい。次に、図２に示
すジョセフソン接合素子の製造方法を、図４及び図５を
用いて説明する。同一真空装置内において、真空を破る
ことなくＮｂ／Ｈｆ−ＨｆＯｘ／Ｎｂ構造を作成する。 即ち、Ｓｉ基板１２上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法
を用い、膜厚２００ｎｍ程度のＮｂ下部電極１４を成膜
する。この成膜条件はＡｒ圧力１．３Ｐａ（パスカル）
、印加電圧３００Ｖ、印加電流２．０Ａであり、このと
きの堆積速度は２００ｎｍ／ｍｉｎである。なお、Ｓｉ
基板１２の代わりに他の基板材料であっても構わないし
、またＮｂの成膜にＤＣマグネトロンスパッタを用いる
代わりにＲＦマグネトロンスパッタを用いてもよい。
【００２０】同一装置内で連続してＤＣマグネトロンス
パッタ法を用い、同じＡｒ圧、印加電圧２４０Ｖ、印加
電流０．２Ａの条件で膜厚１〜１０ｎｍのＨｆオーバー
レイア層１６を堆積する。このときの堆積速度１２ｎｍ
／ｍｉｎである。また、同一装置内で連続して、Ｏ２
（酸素）ガスを導入して熱酸化によりＨｆオーバーレイ
ア層１６表面を酸化してＨｆＯｘ接合バリア層１８を形
成する。このときのＨｆＯｘ接合バリア層１８の層厚は
、酸化時間、圧力、温度をパラメータとして所望の厚さ
に制御することができる。更に、同一装置内で連続して
、Ｎｂ下部電極１４の成膜と同様の条件で、膜厚２００
ｎｍ程度のＮｂ上部電極２０を形成する。こうして、Ｎ
ｂ下部電極１４、Ｈｆオーバーレイア層１６、ＨｆＯｘ
接合バリア層１８、及びＮｂ上部電極２０を連続的に形
成する（図４（ａ）参照）。
パッタ法を用い、同じＡｒ圧、印加電圧２４０Ｖ、印加
電流０．２Ａの条件で膜厚１〜１０ｎｍのＨｆオーバー
レイア層１６を堆積する。このときの堆積速度１２ｎｍ
／ｍｉｎである。また、同一装置内で連続して、Ｏ２
（酸素）ガスを導入して熱酸化によりＨｆオーバーレイ
ア層１６表面を酸化してＨｆＯｘ接合バリア層１８を形
成する。このときのＨｆＯｘ接合バリア層１８の層厚は
、酸化時間、圧力、温度をパラメータとして所望の厚さ
に制御することができる。更に、同一装置内で連続して
、Ｎｂ下部電極１４の成膜と同様の条件で、膜厚２００
ｎｍ程度のＮｂ上部電極２０を形成する。こうして、Ｎ
ｂ下部電極１４、Ｈｆオーバーレイア層１６、ＨｆＯｘ
接合バリア層１８、及びＮｂ上部電極２０を連続的に形
成する（図４（ａ）参照）。
【００２１】次いで、フォトレジストプロセスによって
接合面積にパターニングしたレジストをマスクとして、
反応性エッチングを行なう。反応ガスとしてＣＦ４ ＋
Ｏ２ を用い、圧力１３．３Ｐａ、印加電力５０Ｗの条
件で行なう。このときのＮｂ上部電極２０のエッチング
レイトは１００ｎｍ／ｍｉｎであり、またＣＦ４ はＨ
ｆオーバーレイア層１６及びＨｆＯｘ接合バリア層１８
と反応しないため、Ｎｂ上部電極だけが選択的にエッチ
ングされえＨｆＯｘ接合バリア層１８表面で止る。即ち
、Ｈｆオーバーレイア層１６及びＨｆＯｘ接合バリア層
１８はエッチングストッパ層としての機能を果たす。従
って、本実施例による製造方法は、プロセスにおけるス
ループットの向上を図ることができる利点も有している
。
接合面積にパターニングしたレジストをマスクとして、
反応性エッチングを行なう。反応ガスとしてＣＦ４ ＋
Ｏ２ を用い、圧力１３．３Ｐａ、印加電力５０Ｗの条
件で行なう。このときのＮｂ上部電極２０のエッチング
レイトは１００ｎｍ／ｍｉｎであり、またＣＦ４ はＨ
ｆオーバーレイア層１６及びＨｆＯｘ接合バリア層１８
と反応しないため、Ｎｂ上部電極だけが選択的にエッチ
ングされえＨｆＯｘ接合バリア層１８表面で止る。即ち
、Ｈｆオーバーレイア層１６及びＨｆＯｘ接合バリア層
１８はエッチングストッパ層としての機能を果たす。従
って、本実施例による製造方法は、プロセスにおけるス
ループットの向上を図ることができる利点も有している
。
【００２２】続いて、このままで、イオンビームエッチ
ング法を用い、露出しているＨｆＯｘ接合バリア層１８
及びＨｆオーバーレイア層１６を除去する。このときの
条件は印加電力５００Ｗ、圧力１．３×１０−２Ｐａで
あり、そのエッチグ速度は３０ｎｍ／ｍｉｎである。そ
してレジストを除去する（図４（ｂ）参照）。次いで、
フォトレジストプロセスによって所定の形状にパターニ
ングしたレジストをマスクとし、ＣＦ４ ＋Ｏ２ ガス
を用いた反応性エッチングにより、Ｎｂ下部電極１４の
加工を行なう。このときの条件は、Ｎｂ上部電極２０の
エッチングの場合と同様である。そしてレジストを除去
する（図４（ｃ）参照）。
ング法を用い、露出しているＨｆＯｘ接合バリア層１８
及びＨｆオーバーレイア層１６を除去する。このときの
条件は印加電力５００Ｗ、圧力１．３×１０−２Ｐａで
あり、そのエッチグ速度は３０ｎｍ／ｍｉｎである。そ
してレジストを除去する（図４（ｂ）参照）。次いで、
フォトレジストプロセスによって所定の形状にパターニ
ングしたレジストをマスクとし、ＣＦ４ ＋Ｏ２ ガス
を用いた反応性エッチングにより、Ｎｂ下部電極１４の
加工を行なう。このときの条件は、Ｎｂ上部電極２０の
エッチングの場合と同様である。そしてレジストを除去
する（図４（ｃ）参照）。
【００２３】次いで、全面に、ＲＦマグネトロンスパッ
タ法を用い、膜厚４００ｎｍのＳｉＯ２ 絶縁膜２２を
堆積する。このスパッタ成膜条件は、印加電力９００Ｗ
、Ａｒ圧力１．３Ｐａである。なお、接合の耐熱性が向
上したことにより、スパッタ法でなく、３００℃程度の
ＣＶＤ法を用いて成膜してもよい。続いて、レジストプ
ロセスによって所定の形状にパターニングしたレジスト
をマスクとする用いた反応性エッチングにより、Ｎｂ上
部電極２０及びＮｂ下部電極１４上にコンタクトホール
２４、２６を開口する。このエッチング条件は、反応ガ
スとしてＣＨＦ３ を用い、印加電力１００Ｗ、圧力５
Ｐａである。そしてレジストを除去する（図５（ａ）参
照）。なお、絶縁膜としては、ＳｉＯ２ 絶縁膜２２の
代わりに耐湿性に優れたＳｉＮ絶縁膜を用いてもよい。
タ法を用い、膜厚４００ｎｍのＳｉＯ２ 絶縁膜２２を
堆積する。このスパッタ成膜条件は、印加電力９００Ｗ
、Ａｒ圧力１．３Ｐａである。なお、接合の耐熱性が向
上したことにより、スパッタ法でなく、３００℃程度の
ＣＶＤ法を用いて成膜してもよい。続いて、レジストプ
ロセスによって所定の形状にパターニングしたレジスト
をマスクとする用いた反応性エッチングにより、Ｎｂ上
部電極２０及びＮｂ下部電極１４上にコンタクトホール
２４、２６を開口する。このエッチング条件は、反応ガ
スとしてＣＨＦ３ を用い、印加電力１００Ｗ、圧力５
Ｐａである。そしてレジストを除去する（図５（ａ）参
照）。なお、絶縁膜としては、ＳｉＯ２ 絶縁膜２２の
代わりに耐湿性に優れたＳｉＮ絶縁膜を用いてもよい。
【００２４】最後に、膜厚６００ｎｍのＮｂ膜の堆積し
た後、フォトレジストプロセスによって所定の形状にパ
ターニングしたレジストをマスクとし、ＣＦ４＋Ｏ２
ガスを用いた反応性エッチングによる配線加工を行い、
Ｎｂ配線層２８ａ、２８ｂを形成する。そしてレジスト
を除去する（図５（ｂ）参照）。なお、ＨｆＯｘ接合バ
リア層１８は、Ｈｆオーバーレイア層１６表面を熱酸化
して形成したが、ＲＦ酸化によりＨｆオーバーレイア層
１６表面を酸化して形成してもよい。
た後、フォトレジストプロセスによって所定の形状にパ
ターニングしたレジストをマスクとし、ＣＦ４＋Ｏ２
ガスを用いた反応性エッチングによる配線加工を行い、
Ｎｂ配線層２８ａ、２８ｂを形成する。そしてレジスト
を除去する（図５（ｂ）参照）。なお、ＨｆＯｘ接合バ
リア層１８は、Ｈｆオーバーレイア層１６表面を熱酸化
して形成したが、ＲＦ酸化によりＨｆオーバーレイア層
１６表面を酸化して形成してもよい。
【００２５】また、フォトレジストプロセスによるレジ
ストパターニングにより接合面積を決定したが、この接
合面積決定は陽極酸化で行ってもよい。更に、Ｎｂ上部
電極２０及びＮｂ下部電極１４の代わりに、ＮｂＮ上部
電極及びＮｂＮ下部電極を用いてもよい。
ストパターニングにより接合面積を決定したが、この接
合面積決定は陽極酸化で行ってもよい。更に、Ｎｂ上部
電極２０及びＮｂ下部電極１４の代わりに、ＮｂＮ上部
電極及びＮｂＮ下部電極を用いてもよい。
【００２６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、Ｎｂ又は
ＮｂＮ電極とするオーバーレイア構造のジョセフソン接
合素子において、理論的検討から導き出されたＨｆをオ
ーバーレイア層とし、その表面酸化層ＨｆＯｘを接合バ
リア層とすることにより、良好な素子特性を保持すると
共に、耐熱性も格段に優れたジョセフソン接合素子を実
現することができる。
ＮｂＮ電極とするオーバーレイア構造のジョセフソン接
合素子において、理論的検討から導き出されたＨｆをオ
ーバーレイア層とし、その表面酸化層ＨｆＯｘを接合バ
リア層とすることにより、良好な素子特性を保持すると
共に、耐熱性も格段に優れたジョセフソン接合素子を実
現することができる。
【００２７】これにより、将来の大規模集積回路用のジ
ョセフソン接合を供給することができる。
ョセフソン接合を供給することができる。
【図１】本発明の原理の理論的検討に用いた周期表であ
る。
る。
【図２】本発明の一実施例によるＮｂ／Ｈｆ−ＨｆＯｘ
／Ｎｂ接合構造のジョセフソン接合素子を示す断面図で
ある。
／Ｎｂ接合構造のジョセフソン接合素子を示す断面図で
ある。
【図３】図２のジョセフソン接合素子の熱処理後の電流
−電圧特性を示すグラフである。
−電圧特性を示すグラフである。
【図４】図２のジョセフソン接合素子の製造方法を説明
するための工程図（その１）である。
するための工程図（その１）である。
【図５】図２のジョセフソン接合素子の製造方法を説明
するための工程図（その２）である。
するための工程図（その２）である。
【図６】従来のＮｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合構造の
ジョセフソン接合素子の熱処理による電流−電圧特性の
劣化を示すグラフである。
ジョセフソン接合素子の熱処理による電流−電圧特性の
劣化を示すグラフである。
【図７】熱処理によるＮｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合
界面におけるＡｌ濃度分布の変化を示す図である。
界面におけるＡｌ濃度分布の変化を示す図である。
１２…Ｓｉ基板
１４…Ｎｂ下部電極
１６…Ｈｆオーバーレイア層
１８…ＨｆＯｘ接合バリア層
２０…Ｎｂ上部電極
２２…ＳｉＯ２ 絶縁膜
２４、２６…コンタクトホール
２８ａ、２８ｂ…Ｎｂ配線層
Claims (4)
- 【請求項１】 Ｎｂ又はＮｂＮからなる下部電極と、
前記下部電極上に形成されたＨｆオーバーレイア層と、
前記Ｈｆオーバーレイア層上に形成されたＨｆＯｘ接合
バリア層と、前記ＨｆＯｘ接合バリア層上に形成された
Ｎｂ又はＮｂＮからなる上部電極とを有することを特徴
とするジョセフソン接合素子。 - 【請求項２】 基板上に、Ｎｂ又はＮｂＮからなる下
部電極を形成する工程と、前記下部電極上に、Ｈｆオー
バーレイア層を形成する工程と、前記Ｈｆオーバーレイ
ア層上に、ＨｆＯｘ接合バリア層を形成する工程と、前
記ＨｆＯｘ接合バリア層上にＮｂ又はＮｂＮからなる上
部電極を形成する工程と、接合面積にパターニングした
マスクを用いて前記上部電極を選択的にエッチングし、
接合部を形成する工程とを有することを特徴とするジョ
セフソン接合素子の製造方法。 - 【請求項３】 請求項２記載のジョセフソン接合素子
の製造方法において、前記Ｈｆオーバーレイア層上にＨ
ｆＯｘ接合バリア層を形成する工程が、酸化雰囲気中に
おける熱酸化又は高周波放電酸化により、前記Ｈｆオー
バーレイア層表面を酸化して、前記ＨｆＯｘ接合バリア
層を形成する工程であることを特徴とするジョセフソン
接合素子の製造方法。 - 【請求項４】 請求項２又は３記載のジョセフソン接
合素子の製造方法において、前記上部電極を選択的にエ
ッチングして接合部を形成する工程が、前記Ｈｆオーバ
ーレイア層及び前記ＨｆＯｘ接合バリア層と反応しない
ＣＦ４ 系を用いた反応性エッチングにより、前記上部
電極を選択的にエッチングする工程であることを特徴と
するジョセフソン接合素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3063384A JPH04298084A (ja) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | ジョセフソン接合素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3063384A JPH04298084A (ja) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | ジョセフソン接合素子及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04298084A true JPH04298084A (ja) | 1992-10-21 |
Family
ID=13227751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3063384A Withdrawn JPH04298084A (ja) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | ジョセフソン接合素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04298084A (ja) |
-
1991
- 1991-03-27 JP JP3063384A patent/JPH04298084A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19980514 |