DE3129000C2 - Verfahren zur Herstellung einer Josephson-Schaltung mit Josephson-Tunnelelementen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Josephson-Schaltung werden Josephson-Tunnelelemente verwendet, die jeweils auf einem Substratkörper sich in vorbestimmter Weise überlappende, supraleitende Schichten ihrer Basis- und Gegenelektroden aus einem Material mit einer sehr geringen Spannungsrelaxation und mit einer mindestens so hohen Sprungtemperatur wie die von Niob und zwischen diesen Schichten eine als Tunnelbarriere dienende Schicht enthalten. Die Elektrodenschichten werden in den Löchern von Lochmasken mit den geometrischen Formen der zu erzeugenden Schichten der Tunnelelemente angepaßten Lochstrukturen aufgedampft. Außerdem werden Leitungen zur Verknüpfung der Josephson-Tunnelelemente zu der Schaltung und Steuerleitungen ausgebildet. Um auf einfache Weise hochintegrierte Schaltungen unter Verwendung von Josephson-Tunnelelementen mit verhältnismäßig kleinen Leckströmen herstellen zu können, sieht die Erfindung vor, daß auf dem Substratkörper ( 5 ) eine einzige Lochmaske ( 4 ) aus einem hochvakuumfesten und thermisch belastbaren Material mit einer vorbestimmten Lochstruktur (13) aufgebracht wird, die ein Aufdampfen sowohl der Schichten (17, 18) der Basiselektroden als auch der Schichten (24, 25) der Gegenelektroden unter jeweils vorbestimmtem Aufdampfwinkel ( α bzw. 180- α) gestattet, und daß anschließend die Schichten (17, 24; 18, 25) unter ununterbrochenen Vakuumbedingungen aufgedampft werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Josephson-Schaltung mit Joscphson-Tunnelelementen, bei dem auf einem Substratkörper sich in vorbestimmter Weise überlappende, supraleitende Schichten von Basis- und Gegenelektrodcn der Josephson-Tunnelelemente aus Materialien mit einer sehr

so geringen Spannungsrelaxation und mit mindestens einer so hohen Sprungtemperatur wie die von Niob in Löchern von Masken mit geometrischen Formen der zu erzeugenden Schichten der Tunnelelemente angepaßten Lochstrukturen aufgedampft werden, wobei zwisehen diesen Aufdampfschritten Schichten der Tunnelbarrieren auf den freien Oberflächen der Basiselektroden ausgebildet werden, und bei dem Vcrbindungslcitungen >.jr Verknüpfung der Josephson-Tunnelelemente zu der Schaltung sowie Steuerleiuingen erstellt wer· den. Ein derartiges Verfahren ist aus der Veröffentlichung »IBM Journal of Research and Development«, Vol. 24, No. 2, März 1980. Seilen 212 bis 222, bekannt.

Von Josephson-Tunnelclemcntcn, die man für hochintegrierte Logik- und Speichcrschaliungcn in beispiels-

b5 weise 1 - bis 2^m-Technik vorsehen möchte, wird insbesondere gefordert, daß ihre Leckströme bei Spannungen, die kleiner sind als die der Summe der Kncrgidükken der die Tunnelelementc bildenden supraleitenden

Schichten entsprechenden Spannungen möglichst gering sind.

Gemäß dem aus der genannten Literaturstelle »IBM ). Res. Develop.« bekannten Verfahren lassen sich Logikschaltungen mit Josephson-Tunnelelementen bzw. mil einer Vielzahl von Interferometern mit solchen EIemcnlcn dadurch herstellen, daß man auf einem Subsiratkörper, der ?B. aus einem Silizium-Substrat mit aufgebrachten Schichten aus Niob, Niobpentoxid und Siliziumoxid besteht, in einem ersten Lithographie-Verfahren eine Fotolackmaske mit den geometrischen Formen der zu erzeugenden Schichten der Basiselektroden der Tunnelelemente angepaßten Lochstrukturen ausbildet. Mit Hilfe dieser Lochstrukturen werden dann die als Basiselektroden dienenden supraleitenden Schichten auf dem Substratkörper in den Löchern der Fotomaske durch senkrechtes Aufdampfen bei niedriger Temperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur, aufgebracht Als Material der Basiselektroden ist Niob vorgesehen, das zum e'rnen eine verhältnismäßig hohe Spmngtemperatur hat und zum anderen eine sehr gering;; Spannungsrelaxation (vergleiche z. B. DE-AS 21 63 250) aufweist. Zur weiteren Herstellung der Josephson-Elemente muß zunächst die zur Herstellung der Basiselektroden erforderliche Fotomaske wieder entfernt werden, wobei die beim Aufdampfen der Basiselektrodenschichten eingestellten Vakuumbedingungen aufgehoben werden müssen. Anschließend wird auf dem mit den Basiselektroden versehenen Substratkörper eine Siliziumoxid-Zwischenschicht abgeschieden. Auf diese Zwischenschicht wird in einem zweiten Lithographie-Verfahren eine weitere Maske aufgebracht, mit deren Hilfe kreisförmige Löcher in der Zwischenschicht an den Stellen erzeugt werden, an denen die Tunnelbarrierenschichten auszubilden sind. Auf die so mit Löchern versehene Zwischenschicht wird dann in einem dritten Lithographie-Verfahren eine Fotoiackmaske mit den geometrischen Formen der zu erzeugenden Schichten der Gegcnclekirouen der Tunnelelemente angepaßten l.ochsirukturcn ausgebildet. Nachdem dieser Aufbau erstellt ist, werden auf den in den Löchern der Zwischenschicht freiliegenden Oberflächenteilen der Basiscicktrodcnschichten mittels Plasmaoxidation die Tunnelbarriercnschichten ausgebildet. Anschließend werden dann durch senkrechtes Aufdampien bei niedrigen Temperaturen, z. B. bei Raumtemperatur, die supraleitenden Schichten der Gegenelektroden, die ebenfalls aus Niob bestehen können, aufgebracht. Nach Entfernung der Maske für die Gegenelektroden müssen die so gemeinsam ausgebildeten Tunnelelemente schließlich noch mit Vcibindungsleitungen zu ihrer Verknüpfung zu der Josephson-Schaltung sowie mit Steuerleitungen verschen werden.

Ks hat sich jedoch gezeigt, daß die Leckströme der joscphson-Tunnelelemente der nach diesem bekannten Verfahren hergestellten Logikschahungen noch verhältnismäßig hoch sind. Außerdem sind diese Schaltungen nur schwer reproduzierbar, d. h. Schaltungen mit gleichen elektrischen Eigenschaften sind nur schwierig herzustellen. Ferner können mit dem bekannten Verfahren keine höheren Substrattemperaturen vorgesehen werden, so daß mit ihm keine supraleitenden Schichten aus Materialien mit hoher Sprungtemperatur, wie z. B. Niobnitrid, abzuscheiden sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Tunnclclemente der Schaltung auf einfachere Weise herzustellen, wobei die Tunnelelemente reproduzierbare elektrische Eigenschaften und verhältnismäßig kleine Leckströme aufweisen sollen.

Diese Aulgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Herstellung der Josephson-Tunnelelemente auf dem Substratkörper eine einzige Lochmaske aus einem hochvakuumfesten und thermisch belastbaren Material aufgebracht wird, daß die Schichten der Basiselektroden unter einem vorbestimmten ersten Aufdampfwinkel aufgedampft werden und daß nach dem Ausbilden der Schichten der Tunnelbarrieren die Schichten der Gegenelektroden unter Verwendung der gleichen Lochmaske unter einem zweiten Aufdampfwinkel aufgedampft werden, wobei die Schichten unter ununterbrochenen Vakuumbedingungen aufgedampft werden.
Unter einem hochvakuumfesten und thermisch belastbaren Material wird dabei ein Material verstanden, das unter Hochvakuumbedingungen und auch bei sehr hohen Temperaturen, wie z. B. 1300 K, nur eine äußerst geringe Ausgasungsrate aufweist und das ferner bei den Aufdampfschritten keinerlei Veranden ^r.agen zeigt bzw. Reaktionen eingeht.

Die mit diesem Verfahren verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß bei der Ausbildung der Josephson-Tunnelelemente deren Tunnelbarrierenschichten aufgrund der ständig unter Hochvakuumbedingungen durchführbaren Verfahrensschritte keine wesentlichen Veränderungen erfahren. Es wurde närnlich erkannt, daß derartige Veränderungen sich aufgrund von Verunreinigungen insbesondere der Barrierenschichten ergeben und als Ursache für die Erhöhung der Leckströme anzusehen sind. Verunreinigungen der Tunnelbarrierenschichten, die bei dem bekannten Verfahren insbesondere bei der Entfernung der Fotolackmasken und wegen der damit verbundenen Unterbrechung der Vakuumbedingungen nicht zu umgehen sind, lassen sich also bei dem Verfahren nach der Erfindung weitgehend vermeiden. Diese Sauberkeit beim erfindungsgemäßen Verfahren gewährleistet juch, daß Schaltungen mit zumindest weitgehend gleichen elektrischen Eigenschaften ihrer Elemente herzustellen sind.

Außerdem können aufgrund der besonderen Auswahl der Materialien für die Lochmaske Eiektrodenmateriaüen wie z. B. Niobnitrid aufgedampft werden, die verhältnismäßig hohe Temperaturen erfordern. Verunreinigungen der Schichten aufgrund von Veränderungen der Maske können dabei ebenfalls vermieden werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung und deren Weiterbildungen gemäß den Unteransprüchen wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, anhand deren in F i g. 1 als Querschnitt gezeigten josephson-Tunneleiementen mit einer Lochmaske die Schritte des Verfahrens gemäß der Erfindung nachfolgend erläutere sind. In den Fig.2 und 3 ist ein Teil einer weiteren geeigneten Lochmaske in Schrägansicht bzw. als Querschnitt angedeutet. Fig.4 zeigt als Schrägansicht die Herstellung von supraleitenden Elektrodenschichten eines Josephson-Tunnelelementes bei dem Verfahren nach der Erfindung, während aus den Fig.5 und 6 eine besondere Ausführungsform einer weiteren geeigneten Lochmaske bzw. deren räumliche Anordnung bei dem Verfahren hervorgeht. In den Fig. 7 bis 9 sind als Aufsicht Einzelheiten eines für die Herstellung einer Josephson-Schaltung verwendbaren Interferometers veranschaulicht.

Die gleichzeitige Herstellung mehrerer Josephson-Tunnelelemente einer Logik- oder Speicherschaltung in beispielsweise 1- bis 2-um-Technik nach dem erfin-

dungsgemäßen Verfahren umfaßt im wesentlichen zwei Verfahrensschritte, nämlich zunächst den Aufbau einer Lochmaske und daran anschließend die Ausbildung der Tunnelelemente. Beide Verfahrensschritte sind in dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt schematisch angedeutet, wobei der Übersichtlichkeit wegen nur auf die gleichzeitige Herstellung von zwei Josephon-Tunnelelementen 2 und 3 einer Schaltung eingegangen ist.

Gemäß dem ersten Verfahrensschritt wird also eine Lochmaske 4 auf einem im allgemeinen aus mehreren to Schichten aufgebauten Substratkörper 5 erstellt. Der Substratkörper enthält z. B. einen scheiben- oder plattenförmigen Trägerkörper 7, beispielsweise aus Silizium, auf dem eine als Grundebene 8 für die Logikschaltung dienende Schicht aus supraleitendem Material, wie z.B. aus Niob, mit einer Dicke von wenigen 100 nm autgedampii isi. Diese ^ji'üriucucnc σ wiru inrcrscits mit einer Isolierschicht 9 von wenigen 100 nm Dicke bedeckt. Diese beispielsweise aus Si, SiO oder S1O2 bestehende Isolierschicht kann z. B. in einem Niedrigtemperaturverfahren abgeschieden werden, bei dem die darunterliegende Schicht aus Niob nicht angegriffen wird. Die Isolierschicht isoliert die aufzubringenden Schaltelemente von der supraleitenden Grundebene 8 und dient zum Transport schneller Schaltsignale in Gestalt des Dielektrikums von Streifenleitern, die aus der Grundebene und supraleitenden Verbindungsieitungen der Josephson-Elc-iente gebildet werden. Durch die Auswahl eines geeigneten Materials der Isolierschicht kann diese auch als Tiefenbegrenzung für eine nachfolgende Plasmaätzlithographie bei der Herstellung der Lochmaske 4 verwendet werden. Die Lochmaske besteht aus einem hochvakuumfesten Material. Zugleich

ist das Material thermisch belastbar, d. h. es soll Tempe- _ raturen bis über !00Q K. ausgesetzt werden konneris oh-

ne daß es ausgast oder sich in anderer Weise verändert. Geeignete Materialien sind z. B. Aluminium und Silizium bzw. Siliziumverbindungen wie beispielsweise Siliziumoxide, wobei für Aluminium Temperaturen bis etwa 800 K. und für Siliziumoxid bis etwa 1400 K in Frage kommen.

Diese Maske 4 läßt sich dadurch ausbilden, daß man zunächst einen Sockel 11. beispielsweise aus Polysilizium, auf der Isolierschicht 9 des Substratkörpers 5 mit einer Dicke von etwa 1 bis 3 μίτι aufbringt. Das Polysilizium kann beispielsweise mittels einer C.V.D.-Technik bei etwa 700 K abgeschieden werden. Daran anschließend kann gegebenenfalls eine Implantation von Phosphor oder Bor und ein Tempern bei etwa 1100 K vorgenommen werden, um eine feinkörnige Polysiliziumschicht von geringer Oberflächenrauhigkeit zu erzeugen. Auf den so erstellten Sockel 11 wird dann noch eine Deckschicht IZ beispielsweise aus Aluminium, mit einer Dicke zwischen 0,1 und 0,2 μπι aufgebracht Anschließend wird in bekannter Weise diese Deckschicht 12 mit einem Fotolack bedeckt, der durch eine Maske kontaktbelichtet wird, die auf dem Lack unmittelbar aufgebracht wird und eine spezielle Lochstruktur hat. Die einzelnen Löcher der Lochstruktur weisen eine solche geometrische Form auf, daß durch ein späteres schräges Aufdampfen unter verschiedenen Aufdampfwinkeln die für Josephson-Tunnelelemente charakteristischer. G'beriappungszoncn von Eiektrodenschichten herzustellen sind. Nach dem Entwickeln der belichteten Teile des Fotolacks wird eine Lochstruktur in der Lackschicht von gleicher Geometrie wie die Lochstruktur der Maske erhalten. In den Lackiochern wird dann die Deckschicht 12 aus Aluminium, beispielsweise durch Piasmaiätzen, entfernt, so daß sich eine Loehsirukuir mil Löchern einer Länge L ergibt. Die verbleibenden Lackschichtcn können danach in einem Trockcniii/.pro/el* oder mit Hilfe eines Lösungsmittels entfernt wurden. Anschließend wird das Material des Sockels im Bereich der Löcher der Deckschicht 12 mittels eines Trockenätzprozesses weggeätzt. Dabei wird vorteilhaft das in der Fig. 1 dargestellte Unterälzprofil erzeugt, d. h. die jeweilige Länge der Löcher in dem Sockel 11 ist größer als ihre Länge L in der Deckschicht 12. Durch dieses Unterätzen des unmittelbar an den Subsiraikörper angrenzenden Sockels läßt sich eine definierte Begrenzung der aufzubringenden Schichten dcrTunnelelemente erreichen. Außerdem wird ein späteres Knifernen der Lochmaske von dem Substratkörper erleichtert. Das Unterätzen kann man z. B. dadurch vornehmen, daß man einen Socke! mit erhöhte Äi/.rate unmittelbar auf dem Substratkörper benutzt. Eine Erhöhung der Äizrate läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß finden Sockel ein anderes Material als für die aiii ihm aufgebrachte Deckschicht verwendet wird oder daß er aus Halbleitermaterial besteht, das gegenüber dem Material der Deckschicht unterschiedlich dotiert isi.

Die so erhaltene Lochmaske 4 auf dem Substraikörper 5 mit mit 13 bezeichneten Löchern und mil einer Dicke a yird dann in einer Ultrahochvakuumanlage auf eine kühl- und aufheizbare Haltevorrichtung montiert. Diese Haltevorrichtung läßt sich so drehen, daß die Aurdampfrichtung der Materialien für die als Elektroden dienenden Schichten mit der Ebene der zu bedampfenden Fläche des Substratkörpers zwischen einem spitzen Winkel λ und einem Winkel I8O-.1 eingestellt werden kann.

Aufgrund der speziellen Materialeigenschaften der Lochmaske 4 ist es möglich, in dem sich anschließenden Verfahrensschritt zur Ausbildung der |osephson- Hmnelelemente mit einer einzigen Maske zu arbeilen und dadurch ununterbrochene Vakuumbcdingungen einzuhalten und auch hohe Aufdampftemperaturen erforderliche Elektrodenmaterialien aufzubringen, ohne dali die Lochmaske beeinträchtigt wird und die Tunnclbarrierenschichten durch äußere Einflüsse verändert werden.

Zur Herstellung der Josephson-Tunnelelemente v. erden somit, wie in der Fig. 1 durch gepfeilte Linien 15 angedeutet ist, bei einem Druck unter 1.3 · 10 '" Pa auf den Substratkörper 5 zunächst Schichten 17 bzw. 18 aus dem Material der Basiselektroden mit einer Dicke von etwa 100 nm aufgedampft, wobei der Substraikörper auf einer Temperatur zwischen 70 K und 1000 K jchalten wird. Als Basiselektrodenmaterial kann insbesondere Niob vorgesehen werden. Um anschließend Tunnclbarrierenschichten mittels einer Oxidation der Oberfläche der Schichten 17 und 18 der Basiselektroden, vorzugsweise durch Beschüß mit Ionen, auszubilden, wird die Haltevorrichtung bis zu einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und etwa 70 K abgekühlt und so ausgerichtet, daß die Substratoberfläche mit einer Ionenkanone einen Winkel;?mit λ</?< 180-Λ bildet. Als in der Figur nicht dargestellte Ionenkanone wird zweckmäßig eine Ionenquelle gewählt, die eine hohe Strahlstromdichte und Homogenität ihres Strahls gewährleistet. Die Energie der erzeugten Ionen oder Atome soll dabei zwischen etwa 10OeV und 150OeV einstellbar sein. Hierzu können z. B, abweichend von bekannten Ausführungsformen von lonenquellen, Bcschleunigungsblenden für einen reduzierten Durchsatz verwendet werden, um einen größeren Druckgradienten zwischen Plasma und Aufdampfraum zu ermöglichen. Die

Λπ tier iniler Figur durch gepfeilte Linien 19dargcstellicti Tcilchcnsirahlcn ist definiert durch das gewählte Gas oder Gasgemisch im Entladungsraum der sich in tier llochvakuumanlage befindenden Ionenquelle. Durch einen Strahl von Sauerstoffionen, dem wahlweise Argonionen beigemischt sein können, werden dann die aufgedampften Niob-Schichten 17 und 18 der Basiselektroden bei einem 1,3 · 10~⁴ Pa nicht überschreitenden Druck an ihren Oberflächen oxidiert, so daß sich auf ihnen jeweils eine dünne, als Tunnelbarriere wirkende Oxidschicht 21 bzw. 22 ausbildet. Der Druck bei der Oxidation wird /..B. durch geeignetes differenzielles Pumpen der Ionenquelle eingestellt. Nach Abschluß der Oxidation wird der Systemdruck in weniger als 20 see wieder auf einen Druck von höchstens 1,3 ■ 10~' Pa abgesenkt und wird die Haltevorrichtung mit dem an ihr befestigten .Substratkörper so gedreht, daß die Bedampl'uiigsrichtung für das Material der Gegenelektroden mit der Bedampfungscbenc einen Winkel von etwa 180— \ bildet. Bei dem genannten Druck von höchstens 1.3 · 10 ^? Pa werden dann, wie in der Fig. 1 durch gepfeilte Linien 23 angedeutet ist. als Gegenelektroden dienenden Schichten 24 bzw. 25 mit einer Schichtdicke aufgedampft, die größer ist als die Dicke der als Basiselektroden dienenden Schichten 17 und 18.

Bei einem Aufdampfwinkel λ bzw. 180—λ ergibt sich dann eine jeweilige Ausdehnung X der Überlappungszoncn der Josephson-Tunnelelemente 2 und 3 mit ihren beiden Elektroden in Richtung der Länge

L zu X = L—2a · cot λ.

Die Länge /. ist dabei größer als 2a · cot ex.

Als Material der Gegenelektrodenschichten 24 und 25 wird ein supraleitendes Material gewählt, das zum einen eine Sprungtemperatur hai, die mindestens so hoch wie die des Materials der Schichten 17 und 18 der Basiselektroden ist. Außerdem soll dieses Material mit dem Material der Schichten 21 und 22 der Tunnelbarrieren bei seinem Aufbringen praktisch nicht reagieren, d. h. keine physikalischen oder chemischen Veränderungen der Schichten 21 und 22 bewirken. Darüber hinaus werden als Materialien für die beiden Elektroden Materialien gewählt, die nur eine sehr geringe Spannungsrelaxation (vgl. DE-AS 21 63 250) zeigen. Ein entsprechendes Material ist z. B. Niob. Unter diesen Bedingungen lassen sich dann Veränderungen der Tunnelbarrierenschichtcn 21 und 22, die mit einer Erhöhung der Lecksiröme und einer Veränderung des kritischen Stromes der herzustellenden Tunnelelemente verbunden sind, weitgehend vermeiden.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn für das Material der Schichten der Gegenelektroden eine Molybdän-Rhenium-Legierung verwendet wird.

Die so erstellten Josephson-Tunnelelemente 2 und 3 können gegebenenfalls noch mit Isolierschichten 26 bzw. 27, z. B. aus Siliziumoxid, versehen werden. Hierzu kann entweder der bedampfte Substratkörper 5 aus dem Vakuumraum der Bedampfungsanlage direkt ausgebaut werden, oder aber die Haltevorrichtung wird in der Anlage so gedreht, daß der Bedampfungsstrahl bezüglich der zu bedampfenden Substratebene unter einem Winkel von etwa 90° verläuft.

Anschließend besteht die Möglichkeit, die nicht mehr erforderliche Lochmaske 4 wieder zu entfernen. Wenn der Sockel dieser Maske aus Silizium besteht läßt sich hierfür z. B. ein naßchemisches Verfahren einsetzen.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung einer Vielzahl von Josephson-Tunnelelementen 2, 3 auf einem Substratkörper 5 können die zur Verknüpfung dieser Elemente zu einer hochintegrierten Josephson-Schaltung erforderlichen Verknüpfungsleitungen zumindest teilweise mit den einzelnen Schichten der Elektroden hergestellt werden, indem man die Lochstruktur in der Lochmaske 4 entsprechend gestaltet. Es ist jedoch ebensogut möglich,

ίο zunächst die Josephson-Tunnelelemente gleichzeitig auszubilden und diese anschließend noch miteinander zu der hochintegrierten Josephson-Schaltung zu verknüpfen. Entsprechende, an sich bekannte Verknüpfungsschritte sind nachstehend angedeutet, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung in F i g. 1 verzichtet wurde.

Falls die erstellten Josephon-Tunnelelemente 2,3 mit Isolierschichten 26 bzw. 27 abgedeckt sind, wird auf diese Schichten eine Fotolackschicht aufgebracht. Im Falle, daß keine derartigen Isolierschichten vorgesehen sind, können die Josephson-Tunnelelemente auch direkt mit dem Fotolack überzogen werden. Diese Lackschicht wird dann mit einer Maske belichtet, die eine Streifenstruktur gemäß der herzustellenden Verbindungsstruk- tür der endgültigen Schaltung enthält. Anschließend wird die Lackschicht entwickelt. Falls eine Isolierschicht vorhanden ist, wird zuerst durch Plasmaätzen die Streifenstruktur der Lackmaske in die Isolierschicht übertragen. Dann wird die Lackschicht entfernt und der Substratkörper mit den auf ihm aufgebrachten Josephson-Tunnelelementen in einer Ultrahochvakuum-Anlage montiert. Hinterher werden in dieser Anlage die Elektroden der Josephson-Tunnelelemente durch Argon-Ionen-Beschuß gereinigt und dann durch Aufdampfen einer Niobschicht miteinander verbunden. Die Dicke dieser Niobschicht beträgt dabei etwa 500 bis 200 ntn. Falls keine Isolierschichten 26 und 27 vorgesehen sind, wird der Substratkörper mit seinen auf ihm abgeschiedenen Josephson-Tunnelelementen in einer Hochvakuum-Anlage montiert. Die Elektroden der Josephson-Tunnelelemente werden dann in der beschriebenen Weise durch Argon-Ionenbeschuß gereinigt. An diese Reinigung schließt sich dann das Aufdampfen der die Elemente miteinander verbindenden Niobschicht an. Nach der Herstellung der Verbindungsstruktur wird die Lochmaske oder die Isolierschicht-Maske wieder entfernt und eine weitere Isolierschicht aufgebracht Daran schließt sich ein Belacken und Belichten zur Erzeugung von Maskenstrukturen für Lese- und Schreibleitungen

so an. Diese Lese- und Schreibleitungen können durch Aufdampfen von beispielsweise Niob oder einer Blei-Legierung erzeugt werden. Nach dem Entfernen der Maske für die Lese- und Schreiblinien-Bedampfung wird dann noch gegebenenfalls die so erstellte Schaltung mit einer isolierenden Schutzschicht versehen.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß die Schichten 21 und 22 der Tunnelbarrieren durch eine bestimmte Oxidation der freien Oberflächen der Basiselektrodenschichten 17 und 18 erzeugt wurden. Bei diesem Verfahren ist es jedoch ebensogut möglich, als Tunnelbarrieren Schichten aus anderen Materialien, wie z. B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siiiziumcarbid, zu verwenden. Diese Schichten werden in einem besonderen Aufdampfschritt auf den Basiselektrodenschichten 17 und 18 abgeschieden.

Ein Teilstück einer weiteren, für das Verfahren nach der Erfindung verwendbaren Lochmaske geht aus der in

F i g. 2 dargestellten Schrägansicht bzw. dem Querschnitt der F i g. 3 hervor. Diese mit 30 bezeichnete, auf dem Substratkörper 5 angeordnete Lochmaske weist eine Vielzahl von Löchern vorbestimmter geometrischer Form auf. In der Figur ist nur ein einziges Loch 31 mit der Länge L and einer Breite B veranschaulicht. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der Lochmaske 4 nach F i g. 1 hat die Lochmaske 30 nach F i g. 2 einen verhältnismäßig dünnen Sockel 32, beispielsweise aus Aluminium, der eine dickere Deckschicht 33, insbesondere aus Polysilizium, trägt. Entsprechend der Lochmaske gemäß Fi g. 1 ist die Ausdehnung des Loches 31 der Lochmaske 30 im Bereich des Sockels 32 größer als die Ausdehnung im Bereich der Deckschicht 33. Das entsprechende Profil kann beispielsweise durch Unterätzen der Deckschicht erhalten werden. Durch dieses Unterätzen des unmittelbar an den Substratkörper 5 angrenzenden Sockels 32 kann die Unterätztiefe beschränkt und die Stabilität der Lochmaske verbessert werden.

In Fig.4 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit die Herstellung der Gegenelektrode nur eines einzigen Josephson-Tunnelelementes einer Josephson-Schaltung näher veranschaulicht, obwohl bei dem Verfahren nach der Erfindung die Ausbildung der Schichten einer Vielzahl solcher Elemente gleichzeitig vorgenommen wird. Mit F i g. 1 übereinstimmende Teiie sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die als Gegenelektrode dienende Schicht 24 soll gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel aus dem 2-Stoff-System Molybdän-Rhenium gebildet sein, wobei die Legierung durch ratengeregeltes Aufdampfen aus getrennten, durch das jeweilige Material gekennzeichneten Verdampfungsquellen 35 und 36 unmittelbar auf die Schicht 17 bzw. 21 der Basiselektrode bzw. der Tunnelbarriere aufgebracht wird. Hierbei müssen seitliche Randzonen 37 und 38 aus jeweils nur einer Komponente der Legierung am Rand der Schicht 24 durch besondere Formgebung der Löcher 39 der zu verwendenden Lochmaske 40 außerhalb des Bereiches 41 der Übrdappungszone von Schicht 17 der Basiselektrode und Schicht 24 der Gegenelektrode liegen. Zu diesem Zweck können die Verdampfungsquellen 35 und 36 des 2-Stoff-Systems auf einer durch eine gestrichelte Linie 42 angedeuteten Geraden parallel zu einer Achse 43 angeordnet werden, um welche die Vorrichtung zur Halterung des zu bedampfenden Substratkörpers mit der Lochmaske 40 zu drehen ist. Außerdem müssen die Abmessungen des Lochs 39 in der Lochmaske 40 quer zur Lochrichtung der Länge L ungleichmäßig sein, wobei die Lochabmessungen senkrecht zur Lochrichtung der Länge L entweder stetig, oder, wie in der Figur als Alternative dargestellt ist, abgestuft zunehmen. In der Figur ist femer noch die Aufdarnpfungsquelle 44 für das Material der Basiselektrodenschicht, das beispielsweise Niob ist, angedeutet

Ferner kann zur Vermeidung, daß Randzonen aus jeweils nur einer Komponente der Legierung der Schicht der Gegenelektrode in den Überlappungsbereich mit der Schicht der Basiselektrode zu liegen kommen, gemäß der Darstellung nach F i g. 5 eine Lochmaske 46 vorgesehen werden, die für die einzelnen Josephson-Tunnelelemente jeweils ein kreuzförmiges Loch 47 aufweist. Diese Maske soll sich dabei \n der y-z-Ebene eines rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystems erstrecken. Gemäß Fig.6 sind dann die Verdampfungsquellen 35 und 36 des 2-Stoff-Systems nach F i g. 4 in der von den Einheitsvektoren χ und y aufgesnannten Ebene anzuordnen. Der Winkel γ zwischen der durch eine gepfeilte Linie b angedeuteten Aufdampfrichtung und dery-x-Ebene der Lochmaske muli dabei so auf die Lochtiefe der Maske abgestimmt sein, daß nur der in y-Richtung liegende Arm des krcu/.förmigen Loches 47 bedampft wird. Durch Drehen um 90" um die x-Achse können dann zwei orthogonale Schichten erzeugt werden, die sich einander als Basis- und Gegenelektrode auf dem Kreuzungspunkt überlappen.

Bei den Darstellungen gemäß den Fig. I bis b zur Erläuterung von Ausführungsbeispiclen des Verfahrens nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß mit diesem Verfahren in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Elektrodenschichten und die Tiinnclbarrierenschichten gleichzeitig von mehreren losephson-Timnelelementen einer Schaltung hergestellt werden. Mi: dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch ebenso möglich, auch eine Vielzahl von Interfcrometern mit jeweils mehreren solcher Tunncicicmcme gicii-ii/ciiig zu erstellen.

So lassen sich z.B. mit der in Fig.5 nur teilweise ausgeführten Lochmaske 46 mit kreuzförmigen Löchern 47 Interferometer mit jeweils 2 losephon-Tunnelelementen herstellen. Hierzu dampft man zunächst die Basiselektrodenschichten in der beschriebenen Weise unter dem vorbestimmten ersten Aufdampfwinkel auf und oxidiert diese Schichten, um auf ihnen Tunnclbarrieren zu erhalten. Anschließend werden jedoch statt des Aufdampfens der Gegenelektrodenschichten unter dem vorbestimmten, zweiten Aufdampfwinkel zunächst Schichten aus einem isolierenden Material aufgebracht. Dann erst werden die Gegenelektrodenschichten aufgedampft, wobei dieselbe Aufdampfrichtung gewählt wird wie für die Basiselektrodenschichten. Es entstehen so jeweils zwei Josephson-Tunnelelcmcnte an den gegenüberliegenden Enden eines der beiden sich rechtwinklig durchsetzenden Sehlitze der kreuzförmigen Löcher 47 der Maske. Die Verbindungsleitungen /wischen den Interferometem können dann in bekannter Weise erstellt werden. Bei diesem Verfahren kann man die Oxidation der Basiselektroden zu den Tunnelbarrier<_n vor dem Aufbringen der zusätzlichen Isolierschichten oder danach vornehmen.

Als besonders vorteilhaft ist bei der Verwendung von einer Lochmaske mit kreuzförmigen Löchern an/use-

hen, daß der Einfluß von Beugungsbildern auf die Überlappungszonen der Josephson-Übergänge weitgehend unterdrückt werden kann, insbesondere auch im I-'ulSc von Josephson-Tunnelelementen mit unterschiedlich großen Flächen ihrer Überlappungszonen.

Aus den F i g. 7 bis 9 geht eine weiteres Verfahren zur Herstellung von Interfcrometern einer josephson-Schaltung hervor, wobei nur die Herstellung eines einzigen Interferometers als Aufsicht angedeutet ist. Dieses Interferometer soll beispielsweise drei Josephson-Tunnelelemente aufweisen, die gleichzeitig erstellt werden. Dementsprechend wird zunächst auf dem Substralkörper die in F i g. 7 teilweise ausgeführte Lochmaske 49 mit einer Lochstruktur aus drei parallelen, streifenförmigen Löchern 50, 51 und 52 sowie mit zwei diese Löeher senkrecht kreuzenden, streifenförmigen Löchern 53 und 54 ausgebildet Anschließend wird das Material der Basiselektroden, beispielsweise Niob, unter einem solchen Winkel aufgedampft, daß sich, wie aus F i g. 8 hervorgeht, 'lediglich in den Löchern 53 und 54 das Material abscheidet Es entstehen so dort streifenförmige Schichten 56 und 57 auf dem Substratkörper Nach Ausbildung der Tunnelbarrierenschichten, beispielsweise durch Oxidation der Schichten 56 und 57, und nach Drc-

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hung des .Substratkörpers mit der Lochmaske 49 um 90° ••'ird gemäß l-'i g. 9 im wesentlichen nur in den Löchern jO bis 52 das Material der Gegenelektroden, beispielsweise Molybdän-Rhenium, aufgedampft, so dab dort streifcnförmige Schichten 59 bis 61 entstehen. Dabei 5 ergeben sich in den mit 63 bis 65 gekennzeichneten Übcrlappungszoncn der Schichten 56 und 57 mit den Schichten 59 bis 61 drei einzelne Josephson-Tunnelelemente und gleichzeitig die Struktur eines Interferometers, ίο

Kine Vielzahl solcher entsprechend diesem Verfahren gleichzeitig hergestellter Interferometer werden dann, wie bei den Joscphson-Tunnelelementen gemäß Fig. 1 beschrieben, zur Erzeugung einer Logikschaltung miteinander verbunden.

Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung können unter ununterbrochenen Vakuumbedingungen vorteilhaft gleichzeitig nicht nur mehrere interferometer, sondern auch sogenannten Schleifen, bei denen z. B. zwei Joscphson-Tiinntfelemente durch zwei normalleitende Leiterbahnen verbunden sind, hergestellt werden. Diese Schleifen sind Bausteine der sogenannten direktgekoppcltcn Logik.

Mit dem Verfahren können außerdem auch Schleifen mil beispielsweise 4 Josephson-Tunnelelementen mit vernachlässigbarer Selbstinduktion unter ununterbrochenen Vakuumbedingungen ausgebildet werden. Diese Schleifen zeichnen sich durch eine, sehr geringen Platzbcriarf aus.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

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Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Josephson-Schaltung mit Josephson-Tunnelelementen, bei dem auf einem Substratkörper sich in vorbestimmter Weise überlappende, supraleitende Schichten von Basis- und Gegenelektroden der Josephson-Tunnelelemente aus Materialien mit einer sehr geringen Spannungsrelaxation und mit einer mindestens so hohen Sprungtemperatur wie die von Niob in Löchern von Lochmasken mit geometrischen Formen der zu erzeugenden Schichten der Tunnelelemente angepaßten Lochstrukturen aufgedampft werden, wobei zwischen diesen Aufdampfschritten Schichten der Tunnelbarrieren auf den freien Oberflächen der Basiselektroden ausgebildet werden, und bei dem Verbindungsleitungen zur Verknüpfung der Josephson-Tunneldernente zu der Schaltung sowie Steuerleitungen erstellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Josephson-Tunnelelemente auf dem Substratkörper (5) eine einzige Lochmaske (4; 30; 40; 46; 49) aus einem hochvakuumfesten und thermisch belastbaren Material aufgebracht wird, daß die Schichten (17,18; 56,57) der Basiselektroden unter einem vorbestimmten ersten Aufdampfwinkel (λ) aufgedampft werden und daß nach dem Ausbilden der Schichten (21,22) der Ti nnelbarrieren die Schichten (24,25,59, 60,61) der Gegenelektroden unter Verwendung der gleichen Lochmaske unter einem zweiten Aufdampfwinkel (180—λ) aufgedampft werden, wobei die Schichten (17, 24; 18,25; 56,57; 59 bis 61) unter ununterbrochenen Vakuumbedingungen aufgedampft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Lochmaske (4; 30) auf dem Substratkörper (5) zuerst eine Sockelschicht (11; 32) und darauf eine Deckschicht (12; 33) aufgebaut werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Sockelschicht (11) der Lochmaske (4) Polysilizium und für die Deckschicht (12) Aluminium verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Sockelschicht (32) der Lochmaske (30) Aluminium und für die Deckschicht (33) Polysilizium verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (13; 31) in der Lochmaske (4; 30) so ausgebildet werden, daß deren Ausdehnung in der Sockelschicht (11, 32) gegenüber der Ausdehnung in der Deckschicht (12; 33) stufenförmig vergrößert ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (13; 31; 39; 47; 5G bis 54) in der Lochmaske (4; 30; 40; 46; 49) durch eine Fotolack-Maskentechnik und anschließende Ätztechnik ausgebildet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (4; 30; 40; 46; 49) nach Ausbildung der Tunnelelemente wieder entfernt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Schichten (24, 25; 59 bis 61) der Gegenelektroden eine Molybdän-Rhenium-Legierung vorgesehen

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Komponenten der Legierung ratengeregelt aufgedampft werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Schichten (21, 22) der Tunnelbarrieren eine Oxidation von Teilen der Oberflächenschichten de- Basiselektroden (17,18; 56,57) durch Beschüß mit Sauerstoffionen durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß den. Sauerstoffionen Argon-Ionen beigemischt werden.

12. Verfahren zur Herstellung der Josephson-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit Interferometern mit jeweils mindestens zwei Josephson-Tunnelelementen, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schichten für die Gcgenelektroden die Schichten der Basiselektroden oder die Schichten der Tunnelbarrieren bis auf die Bereiche der auszubildenden Tunnelelemente jeweils mit einer Isolationsschicht abgedeckt werden.

13. Verfahren zur Herstellung der losephson-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit Interferometern mit jeweils mindestens zwei Josephson-Tunneleismenten, dadurch gekennzeichnet, daß für die auszubildenden Interferometer eine Lochmaske (49) mit mehreren sich kreuzenden, streifenförmigen Löchern (50 bis 52; 53,54) vorgesehen wird und daß zwischen den Aufdampfschriltcn für die Schichten (56, 57 und 59 bis 61) der Elektroden der Josephson-Tunnelelemente der Interferometer der Substratkörper mit der Lochmaske (49) bezüglich einer Aufdampfungsquelle so verdreht wird, daß in den Kreuzungsbereichen (63 bis 65) der Löcher (50 bis 52; 53,54) die Tunnelelementc entstehen.

14. Verwendungen des Verfahrens nach Anspruch 13 zur Herstellung mindestens eines Schaltkreises der direktgekoppelten Logik.