JPS58209182A - ジヨセフソン接合素子の製造方法 - 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】 本発明はンヨセフソン接合素子の製造方法に関し、さら
に詳しくはトンネル接合型のンヨセフソン接合素子の製
造方法に関するものである。

ジョセフソン接合素子を用いて論理回路や記憶回路を構
成する場合には、トンネル接合の臨界電流すなわち零電
圧状態で流れる最大電流の各素子間におけるばらつきを
小さくするか解消することが必要である。臨界電流はト
ンネル接合部の面積、゛トンネル接合部の誤厚およ゛び
物理的性質によって変化するが、近年素子の微小化、篩
密度化が進んで特にトンネル接合部の面積の精度を向上
させることが重要となっている。

従来、ジョセフソン接合素子の製造方法として以下に述
べる２つの方法が用いられている。まず、第１の方法を
第１図（、）〜（ｆｌｌに用いて、工程順に説明する　
第１図（ａ）に示すように、絶縁体基板あるいは表面に
絶縁体層を有する基板ｌｌ上に、蒸着法やスバ、り法に
よりニオブ（Ｎｂ）、鉛（Ｐｂ）等でなる第１の超伝導
停電！に１２を形成する。第１の超伝導停電４！１２の
バターニングは通常のホトレジスト工程を用いた工、チ
ン、グ法や９７トオ７法で行な）。次に、第１図（ｂ）
に示すようにｇｉの超伝導体電極１２上のトンネル接合
部となる部分にアンターカット形状のレジストマスク１
３を形成し、第１図（ｃ）に示すように基板表面に蒸着
法などの指向性の良い成膜法で一酸化ケイ素（８ｉ０）
、二酸化ケイ素（！ｉ０ア）等でなる絶縁体層１４ｔ−
被着し、引、ｉｔリフトオフすると第１図（ｄ＞に示す
ような開口をもつトンネル接合部が形成される。アンタ
ーカット形状のレジストマスク１３は通常のホトレジス
ト工程に加え、露光前または露光後にりＩ：ＦＣ２ベン
ゼンや７Ｉ：Ｆモベンゼンなどの有ｗａ剤に浸すことに
よって得られる。、次に、第１図（、）に示す二うに熱
酸化法あるいはプラズマ酸化法でトンネル接合部に数１
ＯＡの厚さのトンネル接合層１５を形成する。この後、
第１図（ｆ）に示すように、第１の超伝導停電−１２の
場合と同様、蒸着法やスバ、り法で＄２の超伝導体電橋
１６ｉ形成する。

この方法で（Ｃトンネル接合部の形成にアンターカット
形状のレジストマスク１３を必要とするが、この形状ｒ
・レジストのプリベーク条件や胃機溶剤の液温、ディ、
ブ時間などの影響を受（すやすい。

特に、実際のトンネル接合部の面積を規定するレジスト
マスク下部の寸法を精度よく得ることは非常に難しい、
、また、トンネル接合部は同図の絶縁体層１４よりも低
い位置にあるため、トンネル接合部のプラズマクリーニ
ングやブクズマ酸化時にスパッタされた絶縁体層１４の
付着により汚染されるという欠点があった。・ 第２の方法を第２図（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。

第２図（ａ）に不す二う（、第１図（，１と同様な方法
で基板２１上に第１の超伝導体′１億２２を形成する〇
その後、第２図（ｂ）に示すように基板全面に蒸着法や
スパッタ法でＳｉＯ、Ｓｉｎ、等でなる絶縁体層２３ｔ
−被着する。、？ｘｌＣ１第２図（ｃ）に示すように絶
縁体層２３上にトンネル接合部を形成するだめの開口を
有するレジストマスク２４ｔ−形成した後。

アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを用いたイオンエツ
チング法や７　ｃｙ　ｙ　２３　（ＣＵＰ、）、７ｇｙ
１４（ＣＦ、）　　などのエツチングガスＫＡる反応性
スバ、タエ、チ／グ法で絶縁体層２３ｔ−加工し、第２
図（ｄｔに不すようなトン半ル接合ｓｔ−形成する。次
に（き）に示すよ５ｉＣ，第１図（ｅりと同様な方法で
トンネル接合部にａ１０人のトンネル接合層２５を形成
しその後、第１の超伝導停電ｓ２２の場合と同様な電橋
材料および成膜法で第２図（ｆ）に示すような第２の超
伝導体電極２６を形成する。この方法では、トンネル接
合部の絶縁体層２３をイオンエツチング法や反応性スパ
ッタエツチング法で除去するため−トンネル接合部にお
ける電ｔ！表面はイオン損傷を受ける。反応性スバ、タ
エッナング法の場合にｈａｓ表面は反応性のエツチング
ガスによって汚染される。また、この方法でも第１の方
ｍ、！［ｍ、トンネル接合部はプラズマクリーニングや
プラズマ醸化時に絶縁体層２３の付着により汚染される
という欠点があった。

本発明の目的は、このような従来の欠点を取り除いたジ
ョセフソン接合素子の裏造方法ｔ−提供することにある
。

本発明によれば基板上に第１の超伝導体電極と前記第１
の超伝導体電機の一表面上のトンネル接合層、および前
記トンネル恢合層を介して前記第１の超伝導体電機と対
向する第２め超伝導体電機を有するジョセフソン接合素
子の製造方法において、基板上に第１の超伝導体電機を
設け、該第１の超伝導体電機上のトンネル接合部となる
甑域にレジストマスク形成した後、前記Ｉ！ｌの超伝導
体電機を少なくとも−ントンの侵入深さと同じ極厚が残
る二５にエツチングでる工程、引続き第１の絶縁体層を
被着して前記第１の超伝導体電機の仮エツチング部を埋
める工程、次に前記第１の超伝導体電極の露出部に第２
の絶縁体層を形成した後、前記第１の絶縁体層をす７ト
オ７する工程、次に前記トンネル接合部に前記トンネル
接合層を形成する工程、次に前記トンネル接合層と接触
するように前記第２の超伝導体電極を形成する工程を具
ｉすることを特徴とするンヨセフソン接合素子の製造方
法が得られる。

以下本発明の基本プロセスについて図面を用いて説明す
る。

第３囚（ａ）に示すように、絶縁体基板あるいは表ｇＫ
絶縁体層を有する基板３１上に、蒸着法平スパッタ法に
よりＮｂ　、　Ｐｈ等でなる第１の超伝導体電橋３２ｔ
ｌ″形成する。第１の超伝導体ＩＩＬ壱３２のバターニ
ングは通常のレンスト工程を用いたヱ。

チング法やす７トオフ法で行な５．次に、第３図価）に
示すように第１の超伝導停電４Ｍ３２上のトンネル接合
部となる部分しくレジストマスク３３ｔ−形成した後、
第３図（ｃｌに示すように反応性スパッタエツチングや
イオンエツチングなどの異方性エツチング法で第１の超
伝導体電極３２をロンドンの侵入深さ以上の膜厚が残な
よ５に加工する。引続き第３図（ｄｌに示す工うに基孜
全面に蒸溜法やイオンヒームスバ、り法などの指向性の
良い成膜法に二り８ｉ０，８ｉ０ｔ　　等でなる第１の
絶縁体層３４ｉ被着し、第３図（−）に示すようＫ、ト
ンネル接合部の周辺におｌｊる第１の超伝導停電★３２
の露出部に第２の絶縁体層３５を形成する。この第２の
絶縁体層３５は第１の絶縁体層３４の不完全な埋込み部
分を被覆するためのものであるウ　レジストマスク３３
１１７７　ト才７した後、トンネル接合部を＃＃！化ま
たはプラズマ酸化し、第３図（ｆ）に示すような数１Ｏ
Ａのトンネル接合層３６を形成する。

この後、第３図（ｇ）に示すように、第１の超伝導停電
＠３２の場合と同様に蒸着法やスバ、り法で第２の超伝
導体電型３７を形成する。この方法では、トンネル接合
部の形成に再塩性の良い矩形レジストマスクが利用でき
ること、エアナング方法２よびエツチング条件の最適化
によりレジストマスク３３から第１の超伝導停電ｓ３２
への尚積置のパターン転写か可能であることから、従来
のリフトオフ法を用い斤方法（第１図）に比ベトンネル
接゛　薯 合部の寸法を制御し易い。また、トンネル接合部はレジ
ストマスク３３との接触部で規定されるため従来のエツ
チングを用いた方法（第２図）よりも尚精度のトンネル
接合部が得られる。しかも、トンネル接合部はエツチン
グ雰囲気にさらされないため、イオン損傷の問題や反応
性エッチングガプラズマクリーニングやプラズマ酸化時
に第１の絶縁体層３４のスパッタによって生じるトンネ
ル接合部の汚染を減りできる。

次に本発明の一実施例を示す。

表面が熱酸化８ｉ０２で被覆されたシリコン（８ｉ　）
基板上に、＾周波スバアタ法により基板温度３００℃で
Ｎｂ膜４０００Ａ　ｔ−被着する。この膜上にポジ塁ホ
トレジスト（シラプレー社製ＡＺｉ３５０Ｊ　）ｔ−用
いた通常のホトレジスト工程でレジストマスクを形成し
、フレオン１２　（ＣＣ＋、Ｆ、）をエツチングガスと
する反応性スバ、タエ、ナング法でＮｂ膜を加工して第
１の超伝導体電極を形成する。第１の超伝導体電極上の
トンネル接合部となる部分に直径２μ＝ｎ、ｆｉｌ厚１
５μｍのレジストマスクを形成した懐、ＣＣ＋、Ｆ、を
用いた反応性スバツタエ、チンン法で第１の超伝導体電
極を２０００＾エツチ／ｙスル、、ＡＺ１３５０Ｊ　Ｋ
：対ｆｂＮｂ膜ｌｃ対ｆルＮｂ膜のエツチング速度比は
５〜６で、しかも異方性エツチングが可能なため、レジ
ストマスクに対するパターン寸法変化はほとんど無視で
きる程度である。、第１の超伝導体電極の被エツチング
部の残存膜厚は２０００　Ａであり、Ｎｂ　　膜に関し
て一般に知られているロンドンの侵入深活約１００ＯＡ
よりも充分厚い。次に基板全面に電子ヒーム、蒸Ｎ法に
より８ｉ０を２０００λ夜着した後、トン不、し接合部
の周辺ｓＫおける第１の超伝導停電＄３２の露出部に約
１００λの膜厚をもつ熱酸化層を形成し、レジストマス
クをアセトン中の超音波洗浄でリフトオフする。ｒＸに
、グロ・−ベンゼン処理を用いて基板上にアンター力、
ト形状のレジストマスクを形成する。この基板をＡｒ　
　プラズマ１クリーニングした後、純敢素Ｏ１に二るプ
ラズマ酸化法で２０〜３０λのトンネル接合層を形成す
る。引続き真空を保持したまま＠−ビスマス合金（Ｐｂ
　Ｂ；）ｔ−６０００に蒸着し、リフトオフして第２の
超伝導体電極を形成する。

本実施例では、第１の超伝導体電極、第２の超伝導体電
極としてそれぞれＮｂ、ｐｂ−Ｂｉ　を用いた場合につ
いて説明したが、Ｎｂ、Ｎｂ化合物、Ｎｂ合金、Ｐｂ、
Ｐｂ合金などの任意の組合せ・が可能である。これらの
電櫨材料の加工床としてイオンエ、テング法はどの材料
にも適用できるが、反応性スバツタエ、チング法を用い
る場合には適切な工、チングガスの選択が必要である。

ｆた、不実施例ではトンネル接合部ｔ−形成するための
レジストマスクとしてＡＺ１３５０Ｊを使用したが一他
の停機レジスト、無機レジスト、さらにはこれらのレジ
ストの転写により形成したよりエツチング耐性のある金
属マスクなども扇いることができる。、第２の超伝導体
電機はリフトオフ法により形成したが、当然エツチング
法により形成することもできるつ以上説明したように本
発明によれば、トンネル接合部の周囲ｒ異方性エッチン
クすることによってトンネル接合部を形成するため一向
ＮｇＥでしかもエツチングによる汚染のないト／ネル接
合−をラズマ酸化時に周囲の絶縁体層のスパッタによっ
て生じるトンネル接合部の汚染を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（、）〜（ｆ）、第２図（，１〜（ｆｌは従来の
ン、セフソン接合素子の製造方法を工Ｓａに説明するた
めの素子断面図、第３図（、）〜（ｇ）は本発明のジョ
セフソン接合素子の＊ｎ方法を説明するための主要工程
におげろ電子ｌ＃ｒｒｊｊＪ図である。 図において、１１，２１．３１は基板、１２゜２２．３
２は第１の超伝導体電機、１３，２４゜３３はレジスト
マスク、１．４　、２３は絶縁体層、１５．２５．３６
はトンネル接合層、１６，２６゜３７は第２の超伝導体
電極、３４は第１の絶縁体層、３５は第２の絶縁体層で
ある。 し）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に第１の超伝導体電極−と前記第１の伝導体電極
   の一表面上のトンネル接合層、および前記トンネル接合
   層を介して前記第１の超伝導体ＩＥ橋と対向する第２の
   超伝導体電機を有する：）ｌｌｌセ７ソ／接合素子の製
   造方法において、基板上に第１の超伝導体電番を設げ、
   該第１の超伝導体ＩＥ橋上のトンネル接合部となる領域
   にレンストマスク針形成した後、前記第１の超伝導体電
   機を少なくとも一ンドンの侵入深さと同じ膜厚が残るよ
   ５ＶＣ工める工Ｓ−次に前記第１の超伝導体電機の露出
   部に第２の絶縁体層を形成した後、前記第１の絶縁体層
   をす７トオフする工程、／Ｘに前記トンネル接合部に前
   記トンネル接合層を形成する工程５次に前記トンネル接
   合層と接触するように前記第２の超伝導体を極を形成す
   る工程を具備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。