JPS60208875A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はジョセフソン接合素子の製造方法に関し、特に
段差部分をなくしたトンネル障壁層のジョセフソン接合
素子の製造方法に関するものである０ （従来技術とその問題点） 一般に、ジョセフソン接合素子から構成される論理回路
や記憶回路には、接合特性が優れ、この特性の各素子間
でのばらつきが小さく、シかも熱サイクルによる特性劣
化の小さい素子が要求される。これら優れた接合特性と
高信頼性という両方の集積化条件を満たす素子として、
第１の超伝導体電極にニオブ（Ｎｂ）またはＮｂ化合物
を、第２の超伝導体電極に鉛（ｐｂ　）またはＰｂ合金
を用いたものが注目されている。しかしながら、このＰ
ｂ系材料は化学的に不安定であるため、従来このパー　
ターニング方法としてはリフトオフ法に限られていた。

従来例として、Ｈ＋・Ｆ−Ｂｒｏｏｍ等にｊって１９８
０年１０月に米国雑誌”　ＩＥＥＢ　Ｔｒａｎｓａｃｔ
ｉｏｎｓ　ｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　”
の第ＥＤ−２７巻第１０号１９９８〜２００８頁に発表
された論文などがある。

この論文方法を第１図（ａ）〜（ｆ）の断面図を用いて
工程順に説明する。

まず、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１１上に、蒸着法やスバ、
り法によｆｉＮｂからなる第１の超伝導体電極１２を形
成する。第１の超伝導体電極１２のパターニングは通常
のホトレジスト工程ヲ用いた工、チング法やリフトオフ
法で行なう。次に第１図（ｂ）に示すように第１の超伝
導体電極１２上のトンネル障壁部となる部分にアンダー
カット形状のレジストマスク１３を形成し、第１図（切
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（Ｓｉｎ、
）等からなる絶縁体層１４を被着し、引続きす７トオ７
すると第１図（ｄ）に示すような開口部をもつトンネル
障壁部が形成される。アンダ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
は露光後にクロロベンゼンやブロモベンゼンなどの有機
溶剤に浸すことによって得られる。次に、第１図（ｅ）
に示すように熱酸化法あるいはプラズマ酸化法でトンネ
ル障壁部に数１０に厚さのトンネル障壁層１５を形成す
る。この後、第１図（ｆ）に示すように、蒸着法および
リフトオフ法で第２の超伝導体電極１６を形成する。

この製造方法は、トンネル障壁部の形成にアンダーカッ
ト形状のレジストマスク１３を必要とするが、このマス
クの形状はレジストのズリベーク条件や有機溶剤の液温
、ディ、プ時間などの影響を受けやすい。特に、トンネ
ル障壁部の有効面積を規定するレジストマスク１３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
ネル障壁部のスバ、タクリーニングやプラズマ酸化時に
、絶縁体層１４からのスバ、り物にょシトンネル障壁部
が汚染されるという問題がある。さらに、第１の超伝導
体電極１２のパターンエツジ部では、絶縁体層１４や第
２の超伝導体電極１６のステ。

プカバレッジが不充分なために、種々の素子特性の悪化
の問題を生じたシ、第１の超伝導体電極１２と第２の超
伝導体電極１６がショートしたシ、第２の超伝導体電極
１６に弱結合部が発生したりする欠点があった。

（発明の目的） 本発明の目的は、このような従来の欠点を取除き、段差
部をなくシ、寸法精度よくトンネル障壁部を形成できる
ジョセフソン接合素子の製造方法を提供することにある
。

（発明の構成） 本発明のジョセフソン接合素子の製造方法の構成は、基
板上にＮｂまたはＮｂ化合物からなる所定パターンの第
１の超電導電極、この第１の超電導電極上にトンネル障
壁層、このトンネル障壁層上にｐｂまたはＰｂ合金から
なる第２の超電導電極の三層膜を連続して形成する第１
の工程と、前記三層ｉ上ｔ−レジストマスクで覆りて前
記第２の超電導電極と同じ厚さの第１の絶縁体層を被着
しそのレジストマスクを除く第２の工程と、前記第２の
超電導電極上のトンネル障壁層となる個所にエツチング
マスクを形成しこのエツチングマスク以外の個所の第２
の超電導電極部分をエツチングする第３の工程と、前記
第２の超電導電極の被エツチング部と前記第１の絶縁体
層とを埋めるように第２の絶縁体層を被着しその後前記
エツチングマスクを除く第４の工程と、前記第２の超電
導電極と接触する個所を含んで前記第２の絶縁本層上に
第３の超電導電極を被着する第５の工程とを備えること
を特徴とする。

（実施例） 以下本発明を図面によシ詳細に説明する。

第２図（ａ）〜（１）は本発明の実施側音工程順に説明
する素子の断面図でろる０まず、第２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
１１上に、ＮｂまたはＮｂ化合物でなる第１の超伝導体
電極１２．トンネル障壁層１５．ＰｂまたはＰｂ合金で
なる第２の超伝導体電極２１０３層膜を形成する。これ
ら第１および第２の超伝導体電極２１は蒸着法またはス
パッタ法で被着され、トンネル障壁層１５は＄１の超伝
導体電極１２は通常のレジスト工程を用いて、第２図（
ｂ）に示すようにイオンエツチング法や反応性スバツタ
エ。

チング法でパターニングする。引続き第２図（Ｃ）に示
すように、基板全面に蒸着法やイオンビームデポジショ
ン法などの指向性の良い成膜法で８ｉ０゜８ｉ０．等か
らなる第１の絶縁体層２３を被着する。

この膜厚は後述するように最適化しである。次に第２図
（ｄ）に示すように、レジストマスク２２金リフトオフ
した後、第２図（ｅ）のように、第２の超伝導体電極２
１上のトンネル障壁部となる場所にレジストマスク２４
を形成し、第２図（ｆ）に示すようにイオンエツチング
法で第２の超伝導体電極２１を完全にエツチングし、第
１の超伝導体電極１２と第１の絶縁体層２３の境界部を
平坦化する。ここで、レジストマスク２２の膜厚は、エ
ツチング後のレジストマスク２２の側壁に再付着物音生
じないように最適化しておく。

第２の超伝導体電極２１と第１の絶縁体層２３の各エツ
チング速度をそれぞれｒ、、ｒｌとし、第１の超伝導体
電極１２と第２の超伝導体電極２１の膜厚をそれぞれｄ
ｓｌ、　ｄ＊２とすれば、被着すべき第１の絶縁体層２
３の膜厚ｄｉは、次式の関係にあるよう選ばれる。

ｄＩ＝　ｄｓｔ　＋　−ｄｓ２　・−・（ｉ）Ｓ 次に、第２図（ｇ）に示すように第１の絶縁体層２３と
同様な方法で、第２の超伝導体電極２１と同じ厚さの第
２の絶縁体層２５を被着する。レジストマスク２４をリ
フトオフして、第２図（、ｈ）のようなバター／を形成
する。この後第２図（ｉ）に示すように、第１の超伝導
体電極１２．第２の超伝導体電極２１の場合と同様な成
膜法および加工法により、第３の超伝導体電極２６を形
成する。

この製造方法によれば、トンネル障壁部を形成する際に
再現性の良い矩形レジストマスクが利用できること、イ
オンエツチング法によシレジストマスク２２から第２の
超伝導体電極２１への高精度のパターン転写が可能であ
ることから、従来のり７トオノ法を用いた方法に比ベト
ンネル障壁部の寸法を制御し易い。また、第１の超伝導
体電極１２と第４の絶縁体層２３の平坦化により、第１
図のような第１の超伝導体電極１２のパターンエ、ジ部
における不充分なステップカバレジを解消して、ショー
トや弱結合部の発生を防止できる。

（具体例） 次に本発明の詳細な説明する。

表面が熱酸化ＳｉＯ２で被覆されたシリコン（Ｓｉ　）
基板（１１）上に、゛電子ビーム蒸着法によシ基板温度
３００℃でＮｂ膜（１２）ｔ−厚さ２ｏｏｏＸ被着する
。引続き、同一装置内で２チの酸素（，０２）’ｒ含む
アルゴン（Ａｒ）−０２混合ガスを用いて、全圧力１　
ｘ　Ｉ　Ｆ２Ｔｏｒｒ　、カソード電圧−１７０ｖでＮ
ｂ膜表面全１０分間プラズマ酸化し、２０〜３０ｘの酸
化ニオブ（Ｎｂ２０５）膜（１５）ｅ形成する０この後
、連続して室温でＰｂ膜（２１）を厚さ２０００Ｘ蒸着
する。この膜上にポジ型ホトレジスト（７ツプレ一社製
ＡＺ　１３５０Ｊ　）を用いた通常のホトレジスト工程
で膜厚１，５μｍのレジストマスク２２を形成した後、
平行平板型のスパッタエツチング装置を用いて、Ａｔ’
＋フロン１３　（ＯＦ、）でそれぞれＰｂＣ２１）、　
Ｎｂ／Ｎｂ２０ｆｆ（１５）全連続工、チングして第１
の超伝導体電極パターンを形成する。次に、基板全面に
電子ビーム蒸着法により　５ｉｎ（２３）ｉ２２ｓｏＸ
被着し、レジスト２２をアセトン中の超音波洗浄でリフ
トオフする。次に３層膜１２゜１５．２１上のトンネル
障壁部となる場所に直径１．５μｍ、膜厚ｚｏｏｏＸの
レジストマスク２４全バターニングした後、Ａｒ　ｋエ
ツチングガスとするイオンエツチング法でＰｂ膜（２１
）を完全に除去し、第２の超伝導体電極パターンを形成
する。このエツチング条件は、Ａｒ圧力２　ｘ　１０−
’　Ｔｏｒｒ、加速電圧５ｏｏｖ、電流密度０．９　ｍ
Ａ／ｃｍ２である。

８ｉ０に対するＰｂのエツチング速度比は７．５である
から、（１）式から明らかなように、第１の絶縁体層２
３は約２５０Ｘ工、チングされる。この結果、第１の超
伝導体電極１２と第１の絶縁体層２３の膜厚は共に２ｏ
ｏｏＸとなシ完全に平坦化が達成される。

次に、第１の絶縁体層２３と同様な方法で８ｉ０（２５
）を２ｏｏｏＸ被着し、レジストマスク２４をリフトオ
フする。

この基板表面ｉＡｒでスパッタクリーニングした後、第
２の超伝導体電極パターン形成と同様な方法で３ｏｏｏ
ＸのＰｂ膜からなる第３の超伝導体電極２６を形成する
。

この製造方法によれば、第２の超伝導体電極２１のパタ
ーニングの際、ＡＺ１３５０Ｊに対するＰｂのエツチン
グ速度比が１３〜１４と非常に大きく、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トンネ
ル障壁部のパターン寸法変化をほとんど生じない。また
、Ｐｂは超伝導体電極であるＮｂ、下地絶縁層５ｉｎ２
に対してもそれぞれ１３〜１４，７〜８と大きなエツチ
ング速度比をもつため、Ｐｂの選択エツチングが可能で
ある。

なお、この具体例では、第３の超伝導体電極までを形成
するプロセスについて述べたが、全く同様な方法の繰返
しでさらに多層の素子の段差解消を行なうことができる
。また、第１の超伝導体電極１２としてＮｂ　ｉ　、第
２および第３の超伝導体電極２１．２６としてＰｂｉ用
いた場合について説明したが、それぞれＮｂ化合物、　
Ｐｂ合金でも同様な結果が得られる。また、第３の超伝
導体電極２６にはＮｂあるいはＮｂ化合物を用いること
もできる。また、トンネル障壁層１５には第１の超伝導
体電極２１の表面の酸化層以外に、被着により形成した
絶縁体層、トンネル障壁層１５を酸化する場合には金属
層、半導体層も適用できる０さらにトンネル障壁部全形
成するためのマスクとしてＡＺ１３５０Ｊを使用したが
、他の有機レジスト。

無機レジストなども用いることができる。また、イオン
エツチング法では、Ｐｂは電子ビームレジストに対して
も非常に大きなエツチング速度比をもつため、１μｍ程
度の微細パターンの加工にはこの電子ビームレジストが
有効である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、トンネル障壁部
を異方性エツチングで形成するので、寸法精度の良いト
ンネル障壁部を有するジョセフソン接合素子全製造する
ことができる。また、完全に段差を解消できるので不充
分なステップヵバレ、ジに起因するショートや弱結合部
の発生などの問題を解決できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は従来のジョセフソン接合素子の
製造方法全工程順に説明する断面図、第２図（ａ）〜（
ｉ）は本発明の実施例を工程順に説明する素子の断面図
である。図において １１・・・・・・基板、１２・・・・・・第１の超伝導
体電極、１３．２２．２４・旧・・レジストマスク、１
４・・・・・・絶縁体層、１５・・・・・・トンネル障
壁層、１６．２１・・・・・・第２の超伝導体電極、２
３・・・・・・第１の絶縁体層、２５・・・・・・第２
の絶縁体層、２６・・・・・・第３の超第７図 （ｃｔ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上にＮｂまたはＮｂ化合物からなる所定パターンの
   第１の超電導電極、この第１の超電導電極上にトンネル
   障壁層、このトンネル障壁層上にＰｂまたはＰｂ合金か
   らなる第２の超電導電極の三層膜を連続して形成する第
   １の工程と、前記三層膜上をレジストマスクで覆って前
   記第２の超電導電極と同じ厚さの第１の絶縁体層を被着
   しそのレジストマスクを除く第２の工程と、前記第２の
   超電導電極上のトンネル障壁部となる個所に工、チング
   マスクを形成しこのエツチングマスク以外の個所の第２
   の超電導電極部分を工、チングする第３の工程と、前記
   第２の超電導電極の被エツチング部と前記第１の絶縁体
   層とを埋めるように第２の絶縁体層を被着しその後前記
   工、チングマスクを除く第４の工程と、前記第２の超電
   導電極と接触する個所を含んで前記第２の絶縁体層上に
   第３の超電導電極を被着する第５の工程とを備えること
   を特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。