JPS60208873A - 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
トンネル障壁型のジョセフソン接合素子の製造方法に関
するものでｉ）。

（従来技術とその一問題点） 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。これらの優れた接合特性
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金合
金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、従来このパター
ニング方法としてはリフトオフ法に限られていた。

この従来例上して、　Ｒ，Ｆ　ｅ　Ｂｒｏｏｍ等によっ
て１９８０年ｌθ月に米国雑誌”ＩＥＢＢ　Ｔｒａｎｓ
ａｃｔｉｏｎｓｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　Ｄｅｖｉｃ
ｅｓ　”の第ＥＤ−２７巻第１０号１９９８〜２００８
頁に発表された論文などがある。

この論文の方法を第１図（ａ）〜（ｆ）の断面図により
工程順に説明する。

まず、第１図（ａＪ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、蒸着法やスパッ
タ法によりＮｂからなる第１の超伝導体電極１２を形成
する。この第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を用いたエツ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
（Ｃ）に示すように基板表面に蒸着法などの指向性の良
い成膜性で一酸化ケイ素（８ｉ０）、二酸化ケイ素（Ｓ
ｔＯ，）等からなる絶縁体層１４を被着し、引続きリフ
トオンすると第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ｉｔ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１０Ａ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プリベーク条件や有機溶剤の液温
、ディッ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
ンネル障壁部のスパッタクリーニングやプラズマ酸化時
に、絶縁体層１４からの哀バッタ物によりトンネル障壁
部が汚染されるという欠点もあった。

（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、オ
ーバエツチングがなく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ＫＮｂ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金合金ら
なる第２の超電導電極を連続して形成する第１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
にエツチングマスクを形成しこの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２の工程と、前
記第１および第２の超電導電極の露出表面に第１の絶縁
体層を形成する第３の工程と、前記第１の絶縁体層と前
記パターン以外の基板面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。

（実施例） 以下本発明を図面により詳細に説明する。

第２図（ａ）〜（ロ）は本発明の実施例を工程順に示し
た素子断面図である。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ｌｌ
上にＮｂまたはＮｂ化合物からなる第１の超伝導体電極
１２、トンネル障壁層１５、ｐｂまたはｐｂ金合金らな
る第２の超伝導体電極２１の３Ｎ膜を形成する。これら
第１の超伝導体電極１２および第２の超伝導体電極２１
は蒸着法またはらバッタ法で形成され、トンネル障壁層
１５は第１の超伝導体電極に表面を熱やプラズマにより
酸化するか絶縁体膜、半導体膜を被着して形成する。こ
れら３層膜１２１１５．２１のパターニングは通常のレ
ジスト工程を用いたエツチング法やリフトオフ法によっ
て゛行う。次に、第２１伽）に示すように、第２の超伝
導体電歇２１上のトンネル障壁部となる場所にレジスト
マスク２２を形成した後、第２図（Ｃ）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
ツチングする。ここでレジストマスク２２の膜厚は、エ
ツチング後にこのレジストマスク２２の側壁に再付着物
を生じないように最適化する。次に、第２図（ａｌに示
すよ５Ｋｇ１および第２の超伝導体電極１２゜２１０凡
出表向に第１０艙緑体層２３を形成した後、第２図（ｅ
）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によりＳｉＯ，８ｉ
０２でなる第２の絶縁体Ｉｉ？１ｉ２４を被着し、レジ
ストマスク２２をリフトオンして第２図（ｆ）のような
パターンを形成する。この後第２図（ｇｌに示すように
、第１の超伝導体ｆｉａ４１２１第２の超伝導体電極２
１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２５を形成する。第１の絶縁体層−２３は第２
の絶縁体層２４のピンホールを通して生じる第１の超伝
導体電極２２と第３の超伝導体電極２８間のショートを
防ぐためのものである。

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りレジストマスク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、従来のリフトオフ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、スパッタク
リーニングやプラズマ酸化によりトンネル障壁層１５を
形成する際、トンネル障壁部が周囲の絶縁体層のスパッ
タにより汚染されるという欠点もない。

（具体例） 次に本実施例の具体例を説明する。

まず１表面が熱酸化８　ｉ　０．で被覆されたシリコン
（８，ｉ）基板（１１）上に、１！子ビ一ム蒸着法によ
り基板温度３００ＣでＮｂ膜（１２）を厚さ２０００Ａ
被着する。引続き、同一装置内で２％の酸素（０２）を
含むアルゴン（Ａｒ）−０，混合ガスを用いて、全圧力
ｌＸｌ０　Ｔｏｒｒ　、カソード電圧−１７０ＶでＮｂ
ｌｉ表面を１０分間プラズマ鈑化し、２０〜３υＡ　ｖ
隅１ｊ。

ニオブ（Ｎｂ２０ｇ　）膜（１５）を形成する。この後
、連続して室温でＰｂ膜（２１）を厚さ２００　ＯＡ蒸
着する。この膜上にポジ型ホトレジスト（シラプレー社
製ＡＺ１３５ｏＪ）を用いた通常のホトレジスト工程で
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。

Ａｒ　、　フｏｙｉ　３（ＣＦ４）でそれぞれＰｂ（２
１）。

Ｎｂ／Ｎｂ２Ｏ５（１５）を連続エツチングして第１の
超伝導体電極パターンを形成する。

次に、前記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２０００Ａのレジス
トマスク・をパターニングした後、　Ａｒをエツチング
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刈０　’Ｔｏｒｒ、加
速電圧５００Ｖ、電流密度０．９ｍ　Ａ／−である。次
に、第１および縞２の超伝導体電極の露出表面に約１．
０．　Ｑ　Ａのｊ膜厚を有する熱酸化Ｉ’ｍ（２３）を
形成した後、この基板上に２０００ＡＯ８ｉ０（２４）
を蒸着し、レジストマスク２２をアセトン中の超音波洗
浄でリフトオンする。基板表面をＡｒでスバ・、タフリ
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３０００１のＰｂ膜でなる第３の超伝導体電
極２５を形成する。

この製造方法では、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
速度比は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
２２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は第１の超伝導体電極である
Ｎｂ、下地絶縁層Ｓｉｎ！に対してもそれぞれ１３〜１
４，７〜８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、本具体例では、第１の超伝導体電極１２としてＮ
ｂを、第２および第３の超伝導体電極２１．２５として
ｐｂを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２５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、トンネル障壁層を酸化する場合には金属層、
半導体層も適用できる。さらに、トンネル障壁部を形成
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
の形成に異方性、選択性の優れたイオンエツチング法が
適用できることから、オーバーエツチングを無視でき、
寸法精度の良いトンネル障壁部を有するジョセフゾン接
合素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆｌは従来のジ璽セフソン接合素子の
製造方法を工程ＮＬＫ説明する断面図、第２図（ａ）〜
−杜木本発明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・・・・・・レジストマスク、１４
・・・・・・絶縁体層、１５・・・・・・トンネル障壁
層、１６，２１・・・・・・第２の超伝導体電極、２３
・・・・・・第１の絶縁＃層。 ２４・・・・・・第２の絶縁体層、２５・・・・・・第
３の超伝導体電極 である。 ｖＪ１国 （ｒＬ） 第Ｚ図

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金合金
   らなる第２の超電導電極を連続して形成する第１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
   所にエツチングマスクを形成しこの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２の工程と、
   前記第１および第２の超電導電極の露出表面に第１の絶
   縁体層を形成する第３の工程と、前記第１の絶縁体層と
   前記パターン以外の基板面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。