DE3220251C2

DE3220251C2 - Process for the production of at least one Josephson tunnel element with connecting lines

Info

Publication number: DE3220251C2
Application number: DE3220251A
Authority: DE
Inventors: Eckhardt Dr. 8520 Erlangen Hoenig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-05-28
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE3220251A1

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson-Tunnelelementes, das auf einem Substrat abgeschiedene supraleitende Schichten einer Basis- und einer Gegenelektrode sowie eine Schicht einer Tunnelbarriere zwischen den Elektrodenschichten enthält, wird zunächst auf dem Substrat eine Lochmaske vorbestimmter Dicke und mit einer dem mindestens einen zu erzeugenden Tunnelelement angepaßten Lochstruktur angeordnet. Anschließend werden in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Schichten der Elektroden durch schräges Aufdampfen aufgebracht und wird zwischen diesen Aufdampfschritten die Schicht der Tunnelbarriere ausgebildet. Außerdem werden Anschlußleitungen für das mindestens eine Tunnelelement erstellt. Gemäß der Erfindung wird auf das Substrat (14) eine Lochmaske (2) aufgebracht, welche neben einem Loch (3) zur Ausbildung des Tunnelelementes (27) mit den Anschlußleitungen (28, 29) angepaßten, kanalartigen Öffnungen (6, 7) versehen wird, wobei zwischen dem mindestens einen Loch (3) des Tunnel elementes (27) und den Öffnungen (6, 7) der Anschlußleitungen (28, 29) jeweils eine Brücke (8, 9) mit einer von der Aufdampfrichtung abhängigen Ausdehung (a) ausgebildet wird. Ferner erfolgt erfindungsgemäß die Ausbildung der Schicht (20) der Tunnelbarriere in senkrechter Richtung bezüglich der Oberfläche des Substrates (14). zug oder die Bespannung aus einem luftdurchlässigen Material besteht und der PrIn the method for producing at least one Josephson tunnel element, which contains superconducting layers of a base and a counter electrode deposited on a substrate and a layer of a tunnel barrier between the electrode layers, a perforated mask of a predetermined thickness is first applied to the substrate and with one of the at least one generating tunnel element adapted hole structure arranged. The layers of the electrodes are then applied in an uninterrupted vacuum process by oblique vapor deposition and the layer of the tunnel barrier is formed between these vapor deposition steps. In addition, connecting lines are created for the at least one tunnel element. According to the invention, a perforated mask (2) is applied to the substrate (14) which, in addition to a hole (3) for forming the tunnel element (27), is provided with channel-like openings (6, 7) adapted to the connecting lines (28, 29) , wherein between the at least one hole (3) of the tunnel element (27) and the openings (6, 7) of the connecting lines (28, 29) each have a bridge (8, 9) with an extent (a) depending on the vapor deposition direction will. Furthermore, according to the invention, the formation of the layer (20) of the tunnel barrier takes place in a perpendicular direction with respect to the surface of the substrate (14). train or the covering consists of an air-permeable material and the Pr

Description

a) die Lochmaske (2) neben der dem Tunnelelement (27) entsprechenden Lochstruktur mit den Anschlußleitungen (28, 29) angepaßten, kanalartigen Öffnungen (6, 7) versehen wird, wobei zwischen dem mindestens einen Loch (3) der Lochstruktur und den zugeordneten kanalartigen Öffnungen (6, T) jeweils eine Brücke (8, 9) mit einer von der Aufdampfrichtung abhängige Ausdehnung ^y ausgebildet wird,a) the perforated mask (2) is provided next to the hole structure corresponding to the tunnel element (27) with the connecting lines (28, 29) adapted, channel-like openings (6, 7), with between the at least one hole (3) of the hole structure and the associated channel-like openings (6, T) each have a bridge (8, 9) with an extension ^ y depending on the vapor deposition direction,

und daßand that

b) die Ausbildung der Schicht (20) der Tunnelbarriere in zumindest weitgehend senkrechter Richtung bezüglich der Oberfläche des Substrates (14) erfolgtb) the formation of the layer (20) of the tunnel barrier in an at least largely perpendicular manner Direction with respect to the surface of the substrate (14) takes place

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdampfrichtungen zum Aufdampfen der Materialien der Schichten (17, 23) der Elektroden des Josephson-Tunnelelementes (27) zumindest annähernd in einer gemeinsamen Hauptausdehnungsrichtung des Loches (3) zur Ausbildung des Tunnelelementes (27) und der kanalartigcn Öffnungen (6,7) zur Ausbildung der Anschlußleitungen (28, 29) liegen.2. The method according to claim 1, characterized in that the evaporation directions for the evaporation of the materials of the layers (17, 23) of the electrodes of the Josephson tunnel element (27) at least approximately in a common main direction of extent of the hole (3) to form the tunnel element (27 ) and the channel-like openings (6, 7) for forming the connecting lines (28, 29).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdampfrichtungen mil der Oberfläche des Substrates (14) jeweils einen vorbestimmten Winkel (λ bzw. 180° —λ) einnehmen.3. The method according to claim 2, characterized in that the evaporation directions mil the surface of the substrate (14) each assume a predetermined angle (λ or 180 ° -λ).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdampfrichtungen so gewählt werden, daß sich unter den Brücken (8,9) die Schichten (17, 23) aus den Elektrodenmaterialien in einem Überlappungsbereich (25) überlappen.4. The method according to claim 3, characterized in that the evaporation directions are selected be that under the bridges (8,9) the layers (17, 23) of the electrode materials in one Overlap the overlap area (25).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdampfwinkel (λ bzw. 180" — λ) und die Ausdehnung (a)der Brücke so gewählt sind, daß eine Ausdehnung (c) des Überlappungsbcrciches (25) in Aufdampfrichlung erhalten wird, die mindestens halb so groß wie die entsprechende Ausdehnung (α) der jewciligi-n Biücke (H, 9) iitul die kleiner als diese Ausdehnung (u) ist.5. The method according to claim 4, characterized in that the vapor deposition angle (λ or 180 "- λ) and the extension (a) of the bridge are chosen so that an extension (c) of the overlap area (25) is obtained in vapor deposition, which is at least half as large as the corresponding extension (α) of the respective bridge (H, 9) iitul which is smaller than this extension (u) .

6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5. gekennzeichnet durch eine Länge (I) des Loches (3) der Lochmaske (2) in Aufdampfungsrichlung, bei der eine entsprechende Ausdehnung (d) des Tunnelelementes (27) mit mindestens 'Λ der Länge (I) des Loches erhalten wird.6. The method according to any one of claims I to 5, characterized by a length (I) of the hole (3) of the shadow mask (2) in the vapor deposition direction, in which a corresponding extension (d) of the tunnel element (27) with at least 'Λ the length (I) of the hole is obtained.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausdehnung (e) von quer zu den Aufdampfrichtungen verlaufenden Teilen (35, 36) der kanalartigen Öffnungen so groß gewählt wird, daß bei den vorgegebenen Acfdampfwinkeln (λ bzw. 180° —«) bzgl. der Oberfläche des Substrates eine Überlappung der darin aufgedampften Schichten erhalten wird.7. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that an extension (e) of parts (35, 36) of the channel-like openings extending transversely to the evaporation directions is selected so large that at the predetermined Acfdampfwinkel (λ or 180 ° - «) with respect to the surface of the substrate, an overlap of the layers vapor-deposited therein is obtained.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson-Tunnelelementes mit Anschlußleitungen insbesondere für Logik- und Speicherschaltungen, das eine auf einem Substrat abgeschiedene supraleitende Schicht einer Basiselektrode, eine Schicht einer Gegenelektrode aus einem supraleitenden Material mit einer sehr geringen Spannungsrelaxation und mit einer mindestens so hohen Sprungtemperatur wie die von Niob sowie eine Schicht einer Tunnelbarriere zwischen den Schichten der Elektroden enthält, bei welchem Verfahren zunächst auf dem Substrat eine Lochmaske vorbestimmter Dicke und mit einer dem zu erzeugenden Tunnelelement angepaßten Lochstruktur angeordnet wird, bei dem anschließend in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Schichten der Elektroden durch schräges Aufdampfen aufgebracht werden und zwischen diesen Aufdampfschritten die Schicht der Tunnelbarriere ausgebildet wird und bei dem Anschlußleitungen für das Tunnelelemcnt erstellt werden. Ein solches Verfahren ist in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 31 28 982 vorgeschlagen.The invention relates to a method for producing at least one Josephson tunnel element with connecting lines in particular for logic and memory circuits, the one deposited on a substrate superconducting layer of a base electrode, a layer of a counter electrode made of a superconducting Material with a very low stress relaxation and at least as high a transition temperature like that of niobium as well as contains a layer of a tunnel barrier between the layers of the electrodes, in which method a shadow mask of a predetermined thickness and with a first on the substrate the tunnel element to be produced adapted hole structure is arranged, in which then in a uninterrupted vacuum process, the layers of the electrodes are applied by oblique vapor deposition and the layer of the tunnel barrier is formed between these vapor deposition steps and at the connecting lines for the tunnel element are created. Such a procedure is not prepublished in the DE-OS 31 28 982 proposed.

Dieses vorgeschlagene Verfahren unterscheidet sich von der sogenannten Schwebemasken-Lithographie,This proposed method differs from so-called floating mask lithography,

■to wie sie z. B. aus der Veröffentlichung H. D. Hahlbohm. H. Lübbig (Hrgb.), »SQUID '80 - Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications«. Berlin 1980, Seiten 399 bis 415 hervorgeht, im wesentlichen dadurch, daß ein Loch die Funktion der bei dem bekannten Verfahren vorgesehenen schwebenden Maskenteile übernimmt. Mit der Verwendung einer solchen besonderen Lochmaske und des besonderen Materials für die Gegenelektrode läßt sich dann die Sauberkeit bei der Herstellung der Schichten des Josephson-Tunnel-■ to how they z. B. from the publication H. D. Hahlbohm. H. Lübbig (ed.), "SQUID '80 - Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications". Berlin 1980, pages 399 to 415, essentially in that a hole has the function of the floating mask parts provided in the known method takes over. With the use of such a special shadow mask and the special material the cleanliness of the layers of the Josephson tunnel

5J elementes bedeutend erhöhen. Die Löcher der Maske lassen sich nämlich besser reinigen als die unter Brücken einer Schwebemaske liegenden Oberflächenteile. Außerdem erfährt die Schicht der Tunnelbarriere keine wesentlichen Veränderungen bei den ständig unter Hochvakuumbedingungen durchzuführenden Verfahrensschritten; insbesondere tritt keine Interdiffusion mit der sie abdeckenden Schicht der Gegenelektrode auf. Derartige Veränderungen der Tunnclbarricrcschicht werden als eine Ursache für die Erhöhung der Lcckströme der nach dem bekannten Schwebemaskenverfahren hergestellten Josephson-Tunnelelementc ungesehen. Die Reproduzierbarkeil sowie die Kennlinien der n;ich dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Tiinnelcleniente werden also gegenüber den bisher bekannienSignificantly increase the 5J element. The holes in the mask This is because they are easier to clean than the parts of the surface lying under the bridges of a floating mask. aside from that the layer of the tunnel barrier does not experience any significant changes with the constantly under Process steps to be carried out under high vacuum conditions; in particular, there is no interdiffusion the layer of the counter electrode that covers them. Such changes in the tunnel barrier layer are considered to be a cause of the increase in leakage currents of the Josephson tunnel elements produced by the known floating mask process unseen. The reproducibility and the characteristics of the n; i Tiinnelcleniente produced according to the proposed process are therefore compared to the previously known

h^ri !-'lementen wesentlich verbessert. Dsl außerdem die Tunnelbarrieien nicht unter Krücken wie bei dem bekannten Schwebemaskenverfahren, sondern direkt in den Löchern ausgebildet werden, ist ihre Herstellungh ^r i! - 'elements significantly improved. If the tunnel barriers are not formed under crutches as in the known floating mask method, but directly in the holes, their production is the same

besonders einfach. Dabei können die Abstände zwischen den benachbarten Löchern sehr klein gehalten werden, so daß eine hohe Integrationsdichte, d. h. eine große Anzahl von Tunnelelementen pro Flächeneinheit, zu erreichen ist Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich deshalb besonders gut zur Herstellung hochintegrierter Logikschaltungen.particularly easy. The distances between the adjacent holes can be kept very small so that a high integration density, i.e. H. a large number of tunnel elements per unit area, can be achieved The proposed method is therefore particularly suitable for the production of highly integrated Logic circuits.

Mit Lochmasken gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Josephson-Tunnelelemente besitzen jedoch keine Anschlüsse, falls man sich bei dem Aufdampfen der Schichten auf eine Drehung um eine einzige Achse beschränkt. Dies bedeutet, daß in einem nachfolgenden Lithographieschritt durch Beschichten, Entwickeln und Ätzen diese Anschlüsse an die Elemente gesondert herzustellen sind. Für diesen Lithographieschritt müssen aber die Vakuumbedingungeii unterbrochen werden. Der verfahrenstechnische Aufwand ist dementsprechend groß.Have Josephson tunnel elements made with shadow masks according to the proposed method however no connections in case one is involved in the vapor deposition of the layers are constrained to rotate about a single axis. This means that in a subsequent Lithography step by coating, developing and etching these connections to the elements are to be produced separately. For this lithography step, however, the vacuum conditions must be interrupted will. The procedural effort is correspondingly great.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das vorgeschlagene Verfahren so weiterzubilden, daß eine Unterbrechung der Vakuumbedingungen zur Herstellung der Anschlußieitungen vermieden werden kann.The object of the present invention is therefore to develop the proposed method so that an interruption of the vacuum conditions for the production of the connection lines can be avoided can.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daßAccording to the invention, this object is achieved for the method of the type mentioned at the outset in that

a) die Lochmaske neben der dem Tunnelelement entsprechenden Lochstruktur mit den Anschlußleitungen angepaßten, kanalartigen öffnungen versehen wird, wobei zwischen dem mindestens einen Loch der Lochstruktur und den zugeordneten kanalartigen öffnungen der Anschlußieitungen jeweils eine Brücke mit einer von der Aufdampfrichtung abhängigen Ausdehnung ausgebildet wird,a) the perforated mask next to the hole structure corresponding to the tunnel element with the connecting lines adapted, channel-like openings is provided, wherein between the at least one hole the hole structure and the associated channel-like openings of the connection lines each have one A bridge is formed with an expansion that depends on the direction of vapor deposition,

und daßand that

b) die Ausbildung der Schicht der Tunnelbarriere in zumindest weitgehend senkrechter Richtung bezüglich der Oberfläche des Substrates erfolgt.b) the formation of the layer of the tunnel barrier in at least a largely perpendicular direction with respect to the surface of the substrate takes place.

Die mit diesen Verfahrensschritten nach der Erfindung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß die Anschlußleitungen im selben Arbeitsgang mit den Tunnelelementen hergestellt werden können, d. h. der Aufwand für einen weiteren Lithographieschritt wird vermieden. Die vorzusehenden Aufdampfrichtungen sind dabei ohne Schwierigkeiten einzustellen. Ein Ausricht-Problem tritt deshalb nicht auf. Ferner gewährleisten die Brücken zwischen dem Loch zur Ausbildung des Tunnelelementes und den zugeordneten öffnungen zur Ausbildung der Anschlußleitungen, daß unter ihnen keine als Tunnelbarrieren dienenden Schichten ausgebildet werden. Man erhält somit auf einfache Weise unter jeder Brücke eine leitende Verbindung zwischen der jeweils als AnschluQleitung dienenden Leiterbahn und einer Elektrode des Tunnelelementes. The advantages associated with these method steps according to the invention are in particular to be found therein see that the connecting lines can be made in the same operation with the tunnel elements, d. H. the effort for a further lithography step is avoided. The vapor deposition directions to be provided can be adjusted without difficulty. An alignment problem therefore does not arise. Further ensure the bridges between the hole for forming the tunnel element and the associated openings for the formation of the connection lines, so that none of them serve as tunnel barriers Layers are formed. A conductive connection is thus obtained in a simple manner under each bridge between the conductor track serving as a connection line and an electrode of the tunnel element.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung gehen aus den Unter ansprüchen hervor.Advantageous embodiments of the method according to the invention emerge from the subclaims.

Zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens nach der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in derenTo explain an embodiment of the method according to the invention, reference is made to the drawing taken, in their

F i g. 1 <ä\n Ausschnitt aus einer Lochmaske für das Verfahrer¹ nach der Erfindung veranschaulicht ist. InF i g. 1 <ä \ n cutout is illustrated of an aperture mask for the Verfahrer ¹ according to the invention. In

F i g. 2 Sind die wesentlichen Schritte dieses Verfahrens in eiflem Querschnitt durch ein Josephson-Tunnelelement mit Lochmaske angedeutet.F i g. 2 are the main steps of this procedure in a cross section through a Josephson tunnel element indicated with shadow mask.

Fig.3 zeigt eine Lochmaske zur Erstellung eines Dreifach-Interferomeiers.3 shows a perforated mask for creating a Triple interferomer.

Aus der Aufsicht der F i g. 1 ist ein Ausschnitt einer Lochmaske 2 ersichtlich, die zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit Anschlußleitungen dient Die Lochmaske weist ein rechteckiges Loch 3 auf, des-From the supervision of FIG. 1 shows a section of a perforated mask 2 which is used to manufacture a Josephson tunnel element is used with connecting lines The perforated mask has a rectangular hole 3, des-

s sen Längsseiten 4 eine Länge / und dessen Breitseiten 5 eine Breite b haben. Die Abmessungen des Loches hängen insbesondere von der Geometrie des zu erstellenden Josephson-Elementes und dem jeweiligen Winkel ab, unter dem die Schichten der Elektroden dieses EIementes schräg aufgedampft werden. Dabei ist angenommen, daß das Aufdampfen in Richtung der größten Abmessung des Loches 3, also in Ausdehnungsrichtung der Längsseiten 4 vorgenommen wird. Außerdem weist die Lochmaske 2 zwei kanalartige, sich in Aufdampfungs-s sen long sides 4 have a length / and the broad sides 5 have a width b . The dimensions of the hole depend in particular on the geometry of the Josephson element to be created and the respective angle at which the layers of the electrodes of this element are vapor-deposited at an angle. It is assumed here that the vapor deposition is carried out in the direction of the largest dimension of the hole 3, that is to say in the direction in which the longitudinal sides 4 extend. In addition, the perforated mask 2 has two channel-like, evaporation

IS richtung erstreckende öffnungen 6 und 7 auf, die zur Erstellung von Anschlußleitungen für das Josephson-Tunnelelement dienen. Diese kanalartigen öffnungen 6 und 7 haben etwa die gleiche Breite b wie das Loch 3 für das Tunnelelement Sie sind von diesem Loch jeweils über eine Brücke 8 bzw. 9 getrennt Dabei ist eine Breitseite 10 jeder dieser öffnungen vor, iter zugewandten Brciiseiie 5 des Loches 3 mit einem vorbestimmten Abstand a entfernt Wie in der F i g. 1 ferner durch gestrichelte Linien 11 und 12 angedeutet ist, ist die Lochmaske 2 zwischen den Linien 11 und 12 unterhöhlt Die Brücken 8 und 9 stellen somit Teile einer Schwebemaske dar.IS direction extending openings 6 and 7, which are used to create connecting lines for the Josephson tunnel element. These channel-like openings 6 and 7 have approximately the same width b as the hole 3 for the tunnel element. They are separated from this hole by a bridge 8 or 9, respectively removed by a predetermined distance a As in FIG. 1 is also indicated by dashed lines 11 and 12, the perforated mask 2 is undercut between the lines 11 and 12. The bridges 8 and 9 thus represent parts of a floating mask.

Bei der Herstellung des Josephson-Tunnelelemen.tes mit Anschlußleitungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von dem Herstellungsverfahren ausgegangen, wie es in der eingangs genannten DE-OS 31 28 982 beschrieben ist. Dementsprechend umfaßt das Verfahren im wesentlichen zwei Verfahrensschritte, nämlich zunächst den Aufbau der Lochmaske 2 undIn the manufacture of the Josephson Tunnelelemen.tes with connecting lines according to the invention The process is based on the manufacturing process as described in the DE-OS mentioned at the outset 31 28 982 is described. Accordingly, the process essentially comprises two process steps, namely first the structure of the shadow mask 2 and

J5 daran anschließend die Ausbildung des Tunnelelementes mit Anschlußleitungen. Beide Verfahrensschritte sind in dem in F i g. 2 dargestellten Querschnitt längs der in F i g. 1 mit H-II bezeichneten Schnittlinie schematisch angedeutet. In dem ersten Verfahrensschvitt w^frd die Lochmaske 2 auf einem Substrat 14 erstellt, das mehrschichtig aufgebaut ist und einen Trägerkörper aus SiIiziu.n enthält, auf dem eine eine Grundebene bildende dünne Schicht aus einem supraleitenden Material, wie z. B. aus Niob, aufgedampft ist. Diese Grundebene ist ihrerseits mit einer dünnen Isolierschicht, die aus Si, SiO oder SiOi bestehen kann, abgedeckt. Zur Ausbildung der Lochmaske 2 wird auf dieser Isolierschicht des Substrates 14 zunächst ein in der Figur nicht dargestellter Sockel aus Polysilizium aufgebracht. Dieser Sockel wirdJ5 then the formation of the tunnel element with connecting lines. Both process steps are in the process shown in FIG. 2, along the cross-section shown in FIG. 1 with H-II designated section line indicated schematically. In the first Verfahrensschvitt w ^f rd, the shadow mask 2 on a substrate 14 made, which is a multilayer structure and comprises a support body made of SiIiziu.n on which a ground plane forming a thin layer of a superconducting material such. B. made of niobium, is vapor-deposited. This ground plane is in turn covered with a thin insulating layer, which can consist of Si, SiO or SiOi. To form the shadow mask 2, a base made of polysilicon (not shown in the figure) is first applied to this insulating layer of the substrate 14. This pedestal will

so dann noch mit einer Deckschicht aus Aluminium verschen. Anschließend wird in bekannter Weise diese Deckschicht mit einem Fotolack bedeckt, der durch eine Maske kontaktbelichte» wird, die eine den geometrische; Formen des herzustellenden Josephson-Tunnelelementes und dessen Anschlußleitungen angepaßte Lochstruktur hat. Nach dem Entwickeln der belichteten Teile des Fotolacks wird dann eine Locnstruktur in der Lackschicht von gleicher Geometrie wie die Lochstruktur der Maske erhalten. In den Lacklöchern wird dann die Deckschicht aus Aluminium durch Plasmaätzen entfernt, so daß sich die aus den F i g. 1 und 2 ersichtliche Struktur der Lochmaske 2 ergibt Die verbleibenden Lackschichten können danach in einem Trockenätzprozeß oder in einem Lösungsmittel ebenfalls entfernt werden. Anschließend vird das Material des Sockels in dem Loch 3 sowie in den kanalartigen öffnungen 6 und 7 in einem Trockenätzprozeß weggeätzt. Dabei wird das in Fig. 1 angedeutete Unterätzprofil erzeugt, wobei dieso then give it away with a top layer of aluminum. This cover layer is then covered in a known manner with a photoresist, which is covered by a Mask contact exposure »is one of the geometrical; Shapes of the Josephson tunnel element to be produced and whose connecting lines have adapted hole structure. After developing the exposed Parts of the photoresist then become a locating structure in the lacquer layer of the same geometry as the hole structure the mask received. The aluminum top layer is then removed in the lacquer holes by plasma etching, so that from the F i g. The structure of the shadow mask 2, which can be seen in FIGS. 1 and 2, results in the remaining ones Lacquer layers can then also be removed in a dry etching process or in a solvent. Then the material of the base is in the hole 3 and in the channel-like openings 6 and 7 in etched away in a dry etching process. The underetching profile indicated in FIG. 1 is generated, with the

schwebenden Brücken 8 und 9 ausgebildet werden.floating bridges 8 and 9 are formed.

Mit der so erhaltenen Lochmaske 2, deren Brücken 8 und 9 in einer Höhe Λ gegenüber der Substratoberfläche angeordnet sind, werden anschließend unter Hochvakuumbedingungen die Schichten des zu erstellenden Josephson-Tunnelelcmentcs und seiner Anschlußleitungen aufgebracht Hierzu wird zunächst, wie in der Figur durch gepfeilte Linien 16 angedeutet ist. auf das Substrat 14 bis auf durch die Brücken 8 und 9 abgeschattete Bereiche eine Schicht 17 aus dem Material für eine Basiselektrode, insbesondere aus Niob, aufgedampft. Die Aufdampfrichtung des Materials dieser Schicht bildet dabei mit der Ebene der zu bedampfenden Oberfläche des Substrates einen Winkel α, wobei die Aufdampfrichtung in der Ausdehnungsrichtung des Loches 3 bzw. der Öffnungen 6 und 7 liegt. Zur anschließenden Ausbildung einer Tunnelbarrierenschicht können beispielsweise besondere Schichten aus geeigneten Materialien wie SiIiein großflächiger Joscphson-Llbcrgang ausgebildet ist. tragen sie beide zur Stromführung bei.With the shadow mask 2 obtained in this way, the bridges 8 and 9 of which are arranged at a height Λ opposite the substrate surface, the layers of the Josephson tunnel element to be created and its connecting lines are then applied under high vacuum conditions is indicated. A layer 17 made of the material for a base electrode, in particular made of niobium, is vapor-deposited on the substrate 14 except for areas shaded by the bridges 8 and 9. The direction of vapor deposition of the material of this layer forms an angle α with the plane of the surface of the substrate to be vaporized, the direction of vapor deposition lying in the direction of extent of the hole 3 or the openings 6 and 7. For the subsequent formation of a tunnel barrier layer, for example, special layers made of suitable materials such as silicon can be formed in a large-area Joscphson walkway . they both contribute to the current flow.

Vorteilhaft wird der Bcdampfungswinkcl t für eine vorgegebene Höhe Λ so eingestellt, daß eine Ausdehnung c der Übcrlappungsbcreichc 25 in Aufdampfrichtung erhalten wird, die mindestens halb so groß wie die entsprechende A'isdchnung a der Brücken 8 und 9, jedoch kleiner als a ist, d. h. daß gilt: a > c < a/2. Zweckmäßig sollte außerdem für das Loch 3 der Maske 2 die Länge / so vorgesehen werden, daß sich eine entsprechende Ausdehnung i/des Josephson-Tunneielementes 22 ergibt, die mindestens ein Drittel der Länge /beträgt, d. h. daß gilt: d > 1/3. Bei diesen Verhältnissen ist eine saubere Ausbildung des Josephson-Tunnelelementes und seiner Anschlußleitungen gewährleistet.Advantageously, the vaporization angle t for a given height Λ is set so that an extension c of the overlap area 25 in the vapor deposition direction is obtained which is at least half as large as the corresponding dimension a of the bridges 8 and 9, but smaller than a , ie that applies: a> c < a / 2. Expediently, the length / should also be provided for the hole 3 of the mask 2 in such a way that a corresponding expansion i / of the Josephson tunnel element 22 results which is at least one third of the length /, that is to say that: d> 1/3. With these conditions, a clean formation of the Josephson tunnel element and its connecting lines is guaranteed.

Bei den Darstellungen gemäß den Fig. I und 2 zur Erläuterung eines Ausführungsbeispicls des Verfahrens nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß mitIn the representations according to FIGS. I and 2 to explain an exemplary embodiment of the method according to the invention it was assumed that with

Hifäcom Vprfuhri>n in *»ini»m iinnniprhrnrhpnpn Vakuum-Hifäcom Vprfuhri> n in * »ini» m iinnniprhrnrhpnpn vacuum

Schicht 17 der Basiselektrode aufgedampft werden. Gemaß dem Ausführungsbeispiel ist jedoch angenommen, daß die Tunnelbarrierenschicht durch Oxidation hergestellt wird. Hierzu wird das Substrat 14 mit seiner Schicht 17 einem Beschüß mit Sauerstoffionen ausgesetzt, wobei die in der Figur durch gepfeilte Linien 19 dargestellten Teilchenstrahlen zumindest weitgehend senkrecht bezüglich der zu beschichtenden Oberfläche ausgerichtet sind. Auf der bereits abgeschiedenen Schicht 17 aus dem Basiselektrodenmaterial wird so eine Oxidschicht 20 erhalten, wobei durch die Brücken 8 und 9 abgeschatteten Flächenteile ausgespart sind. Nach Abschluß der Oxidation wird schließlich, wie in der F i g. 2 durch gepfeilte Linien 22 angedeutet ist. eine als Gegenelektrode dienende Schicht 23 aufgedampft. Die Bedampfungsrichtung für das Material der Gegenelektrode bildet dabei mit der Bedampfungsebene einen Winkel von 180° — λ. wobei die Bedampfungsrichtung in der gleichen Ebene wie die Bedampfungsrichtung für das Basiselektrodenrnateräai liegt Als Material der Gegenelektrodenschicht 23 wird ein supraleitendes Material gewählt, das zum einen eine Sprungtemperatur hat, die mindestens so hoch wie die des Materials der Schicht 17 der Basiselektrode ist. Außerdem soll dieses Material mit dem Material der Oxidschicht 20 bei seinem Aufbringen praktisch nicht reagieren. Darüber hinaus werden als Materialien für die beiden Elektroden Materialien gewählt, die nur eine sehr geringe Spannungsrelaxation zeigen.Layer 17 of the base electrode are vapor-deposited. According to In the exemplary embodiment, however, it is assumed that the tunnel barrier layer is produced by oxidation will. For this purpose, the substrate 14 with its layer 17 is exposed to bombardment with oxygen ions, wherein the particle beams shown in the figure by arrow lines 19 at least largely are aligned perpendicular to the surface to be coated. On the already separated Layer 17 of the base electrode material is thus obtained an oxide layer 20, with bridges 8 and 9 shaded areas are left out. After completion of the oxidation, as in the F i g. 2 is indicated by arrow lines 22. a layer 23 serving as a counter electrode is vapor-deposited. The direction of vapor deposition for the material of the counter electrode forms one with the vapor deposition plane Angle of 180 ° - λ. the direction of vaporization in the same plane as the direction of vaporization for the base electrode material is used as the material of the counter electrode layer 23 a superconducting material is selected that has a critical temperature on the one hand, which is at least as high as that of the material of the layer 17 of the base electrode. Also, this material is supposed to practically do not react with the material of the oxide layer 20 when it is applied. Beyond that chosen as materials for the two electrodes materials that have only a very low stress relaxation demonstrate.

Wie aus F i g. 2 ferner hervorgeht, läßt sich durch eine geeignete Wahl der Ausdehnung a der Brücken 8 und 9 in AufdampfungsrkJitung, der entsprechenden Länge / des Loches 3 sowie des Aufdampfwinkels α bei gegebener Höhe h der Brücken 8 und 9 über der Substratoberfläche erreichen, daß sich unter den Brücken die Schichten 17 und 23 aus den Materialien der beiden Elektroden ss in einem Überlappungsbereich 23 überlappen. Da in den Überlappungsbereichen 25 keine Oxidschicht 20 ausgebildet ist, liegen dort die beiden Schichten 17 und 23 unmittelbar aneinander, so daß sich eine leitende Verbindung ergibt Diese Bereiche 25 stellen die Verbindung zwischen den einzelnen Elektroden 17 und 23 des in einem Bereich 26 in dem Loch 3 ausgebildeten Josephson-Tunneielementes 27 und zwischen den als Anschlußleitungen 28 bzw. 29 in den kanalartigen Öffnungen 6 und 7 aufgedampften Schichten 17 und 23 dar. μ Zwar sind diese Schichten der Anschlußicitungcn durch die Oxidschicht 20 in den Bereichen der kanalartigcn öffnungen 6 und 7 getrennt; da jedoch zwischen ihnen prozeß die Schichten der Elektroden und die Tunnelbarrierenschicht sowie die entsprechenden Anschlußleitungen nur eines einzigen Josephson-Tunnelelementes hergestellt werden sollen. Mit dem Verfahren ist es jedoch ebenso möglich, auch eine Vielzahl von solchen Elementen gleichzeitig zu erstellen. Ein Ausführungsbeispiel einer Lochmaske zur Ausbildung eines Interferometers mit drei Josephson-Tunnelelementcn geht aus Fig. 3 hervor. I7':r in der Figur in Aufsicht gezeigte Teil der entsprechenden, mit 31 bezeichneten Lochmaske weist drei im wesentlichen gleiche, parallel zueinander angeordnete, durch gestrichelte Linien ^2 bis 34 umgrenzte Bereiche auf, die jeweils im wesentlichen dem in F i g. 1 gezeigten Ausschnitt aus einer Lochmaske entsprechen. Mit F i g. 1 übereinstimmende Teile sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Jeder dieser Bereiche umfaßt somit auch zwei kanalartige öffnungen 6 und 7, die in Bedampfungsrichtung verlaufen. Diese öffnungen 6 und 7 sind über quer zu ihnen bzw. zu der Aufdampfungsrichtung ausgerichtete Querkanäle 35 bzw. 36 untereinander verbunden. Zur Erstellung von Anschlußleitungen des gesamten Dreifach-Interferometers sind außerdem in Aufdampfungsrichtung weisende Anschlußkanäle 37 und 38 vorgesehen.As shown in FIG. 2 also shows, can be achieved by a suitable choice of the extent a of the bridges 8 and 9 in AufdampfungsrkJitung, the corresponding length / of the hole 3 and the evaporation angle α at a given height h of the bridges 8 and 9 above the substrate surface that under the Bridges the layers 17 and 23 made of the materials of the two electrodes ss overlap in an overlap region 23. Since no oxide layer 20 is formed in the overlapping areas 25, the two layers 17 and 23 lie directly against one another, so that a conductive connection results. These areas 25 provide the connection between the individual electrodes 17 and 23 in an area 26 in the hole 3 formed Josephson tunnel elements 27 and between the layers 17 and 23 vapor-deposited as connecting lines 28 and 29 in the channel-like openings 6 and 7 ; However, since between them the layers of the electrodes and the tunnel barrier layer as well as the corresponding connecting lines of only a single Josephson tunnel element are to be produced. With the method, however, it is also possible to create a large number of such elements at the same time. An exemplary embodiment of a perforated mask for forming an interferometer with three Josephson tunnel elements is shown in FIG. I7 ': r part of the corresponding perforated mask designated 31, shown in plan view in the figure, has three essentially identical areas, arranged parallel to one another, delimited by dashed lines ^ 2 to 34, each essentially corresponding to that shown in FIG. 1 correspond to the excerpt from a shadow mask shown. With F i g. 1 corresponding parts are therefore provided with the same reference numerals. Each of these areas thus also includes two channel-like openings 6 and 7, which run in the direction of vapor deposition. These openings 6 and 7 are connected to one another via transverse channels 35 and 36 aligned transversely to them or to the direction of vapor deposition. In order to create connection lines for the entire triple interferometer, connection channels 37 and 38 pointing in the vapor deposition direction are also provided.

Die mit e bezeichnete Ausdehnung der Querkanäle 35 und 36 in Aufdampfungsrichtung wird so groß gewählt, daß sich bei der vorgesehenen schrägen Aufdampfung der beiden Elektrodcnschichtcn diese auch innerhalb dieser Kanäle überlappen, um so die Ausbildung von nicht-leitenden Bereichen /.wischen den aufgedampften Schichten zu vermeiden.The expansion of the transverse channels 35 and 36 in the vapor deposition direction, denoted by e, is chosen to be so large that that with the envisaged inclined vapor deposition of the two electrode layers, these are also within these channels overlap so as to form non-conductive areas /. wipe the vapor-deposited Avoid layers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

32 210 251 claims:

1. Process for the production of at least one Josephson tunnel element with connecting lines, especially for logic and memory circuits, one deposited on a substrate superconducting layer of a base electrode, one layer of a Counter electrode made of a superconducting material with a very low stress relaxation and with a transition temperature at least as high as that of niobium and a layer of a tunnel barrier contains between the layers of the electrodes, in which method initially on the Substrate a shadow mask of a predetermined thickness and with a matched to the tunnel element to be produced Hole structure is arranged, in which then in an uninterrupted vacuum process the layers of the electrodes are applied by oblique vapor deposition and between them AufdaEpfschritt the layer of the tunnel barrier is formed and at the connection lines for the tunnel element are created thereby marked that