JP2002076456A - ジョセフソン接合素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特殊な集束イオンビーム装置や高精度のＸＹ
ステージを用いなくても、イオン注入によりノックアウ
ト効果を利用したジョセフソン接合部を形成できるジョ
セフソン接合素子製造方法を提供する。 【解決手段】 基板７上に下部電極１が形成され、その
上に絶縁層３が形成され、さらにその上に上部電極２が
形成されて成る積層ジョセフソン接合素子基盤に、フオ
トリソグラフィ技術を使ってジョセフソン接合させる部
分を除き、フオトレジスト膜５を塗布してマスキング処
理を行う。次に、イオン注入装置によってイオンビーム
を照射する。イオンビームはフオトレジスト膜５でマス
キングされた部分はフオトレジスト膜５によって遮断さ
れるが、塗布されていないウインドウ部分ではイオンビ
ームは絶縁層３にまで到達し、その部分の絶縁層は酸素
または窒素の低濃度領域となって電気的に弱結合状態に
あるジョセフソン接合部４が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体から発生する
磁気や材料の帯磁率等の微弱磁界の測定等に用いられる
ＳＱＵＩＤ素子や、Ｘ線検出素子等の他、広くジョセフ
ソン接合部を有するあらゆる素子に対して適用可能なジ
ョセフソン接合素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ジョセフソン接合素子をその形式で分け
ると、トンネル型とマイクロブリッジ型の２つの型が挙
げられる。トンネル型素子は、２つの超伝導薄膜が薄い
絶縁膜（１〜２ｎｍの酸化膜）に隔てられて出来ている
もので、そこを流れるトンネル電流によって接合を形成
させるものであり、マイクロブリッジ型素子は、２つの
超伝導電極を微少なブリッジ（弱結合部）で接続するこ
とによって接合を形成したものである。いずれの場合
も、ジョセフソン接合素子の作製には、高度な薄膜作製
技術および微細加工技術が必要であり、作製には熟練を
要する。現在では、比較的容易で且つ高性能な接合が安
定して作製できる素子として、マイクロブリッジ型の１
つの変形型であるイオン注入によるノックアウト効果を
利用した全く新しいジョセフソン接合素子（特開平７−
２３５７０１号「ジョセフソン接合素子およびジョセフ
ソン接合部の作製方法」）が提案されている。この提案
のジョセフソン接合素子は、図３に示すとおり、基板７
の上に超伝導金属薄膜が下部電極１として形成され、そ
の表面の一部を跨ぐように同様な超伝導金属薄膜が上部
電極２として形成される。さらに、両電極１、２が相接
する面には絶縁層３が形成されている。絶縁層３は両電
極物質の酸化物または窒化物もしくは両電極１、２に対
して近接効果を発揮する物質の酸化物または窒化物であ
る。なお、これら両電極１、２および絶縁層３の全ての
端面部分は基板７の法線方向に対し、所定の角度で傾斜
した斜面より形成されている。

【０００３】次に、これらジョセフソン接合素子の製造
方法の一例を図４について説明する。図４は、図３のＡ
−Ａ−Ａで示した切断面に沿って切断し、矢印Ｃの方向
から視た斜面Ｅ２の近傍の拡大図であるが、まず、基板
７の上にＮｂ超伝導薄膜を成膜し、フオトリソグラフィ
技術用いて下部電極１をパターニングする。次に下部電
極１の表面全面をＮｂ_２Ｏ_５等のＮｂ酸化物膜からなる
厚さ４０ｎｍ程度の絶縁層３で覆う。その後、その上か
ら一様にＮｂ超伝導薄膜を成膜した後に、上部電極２の
パターンが残るように、その超伝導薄膜および絶縁層３
の不要部分をエッチングにより除去する。以上で図４に
示すように上部電極１、下部電極２および絶縁層３から
成る素子の積層加工が完了する。

【０００４】次にイオン注入による弱結合加工を行う
が、この注入は例えばＮｂイオン等のイオンを斜面Ｅ１
上の斜面Ｅ２の部分に、基板７の法線方向から注入す
る。これによって斜面Ｅ２の表面から少し内部に、斜面
Ｅ２に沿ってイオン注入層８が形成される。このとき、
絶縁層３とイオン注入層８の交差した部分では、注入イ
オンにより絶縁層３の酸素原子が叩き出され（ノックア
ウト効果）上部電極１または下部電極２の薄膜中に捕獲
される結果、ここに酸素の低濃度領域が形成される。こ
の酸素低濃度領域は絶縁破壊された領域となって、超伝
導薄膜である下部電極１と上部電極２が弱く結合されジ
ョセフソン接合部４が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のようなジョセフ
ソン接合素子の製造方法では、ノックアウト効果を利用
するために注入すべきイオン種は、前述のＮｂのほかＡ
ｕ、Ｃｕ、Ｓｉのような比較的重いイオン種しか実績が
なく、これらのイオン種のビームを出すことが可能な装
置は、液体金属イオン源をもつ特殊な集束イオンビーム
装置に限定されている。集束イオンビーム装置は、微少
な領域に集中してイオン注入するには好都合であるが、
広い範囲に多数個注入するには生産性の点で不向きであ
る。

【０００６】また、ビームを注入させることが可能な範
囲が数ミクロン角程度と小さいため、多数個注入するに
は高精度なＸＹステージと、それを制御する高度なイン
ターフェイスが必要である。その位置合わせのため、ジ
ョセフソン接合作製のスループットは良くなく、例え
ば、ウエハ全面にデバイスが集積された超伝導素子など
を作るには適しておらず、安定した特性をもつ素子を作
製するためには、ステージの移動速度やビームの照射領
域の制限から、生産性には限界がある。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、ノックアウト効果を起こさせるための
イオン注入に際して、特殊な集束イオンビーム装置や高
精度なＸＹステージを用いなくても、比較的軽いイオン
種の利用や、ウエハ全面に生産性良くジョセフソン接合
素子を製造する方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のジョセフソン接合素子の製造方法は、イオ
ン注入の不必要な部位にマスキングを施してイオンビー
ムを照射し、選択的にイオン注入を行い、ジョセフソン
接合部を形成するものである。したがって、イオンビー
ムを集束させずにイオン注入が行われ、かつ、ウエハ全
面へ一括してイオン注入が行われる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面にしたがって本発明の
製造方法を説明する。本発明の製造方法によるジョセフ
ソン接合素子は図１に示すように、基板７の上に超伝導
金属薄膜が下部電極１として形成され、その表面の一部
を跨ぐように同様な超伝導金属薄膜が上部電極２として
形成される。さらに、両電極１、２が相接する面には絶
縁層３が形成されている。絶縁層３は両電極物質の酸化
物または窒化物もしくは両電極１、２に対して近接効果
を発揮する物質の酸化物または窒化物である。なお、こ
れら両電極１、２および絶縁層３の全ての端面部分は基
板７の法線方向に対し、所定の角度で傾斜した斜面より
形成されている。

【００１０】本発明のジョセフソン接合素子の製造方法
は次のとおりである。すなわち、図１（Ａ）は、図３に
おいて素子をＤ−Ｄ−Ｄで示した切断面に沿って切断
し、矢印Ｂの方向から視たものであるが、この図１
（Ａ）において、まず、基板７上にＮｂ超伝導薄膜を成
膜し、表面を４０ｎｍ程度酸化した後、フオトリソグラ
フィ技術等を用いて下部電極１をパターニングする。次
に、その表面を更に７ｎｍ程度酸化させ、下部電極１の
表面全面をＮｂ_２Ｏ_５等のＮｂ酸化物膜からなる厚さ４
０ｎｍ程度の絶縁層３で覆う。その後、その上から一様
にＮｂ超伝導薄膜を成膜した後、上部電極２のパターン
が残るように、その超伝導薄膜および下部電極１上の不
要な絶縁膜をエッチングにより除去する。これにより、
下部電極１の上に絶縁層３を介して上部電極２が部分的
に積層された図１（Ａ）に示される積層構造の素子が得
られる。

【００１１】次に、フオトレジストをスピン塗布し、フ
オトリソグラフィ技術を使ってイオン注入を行う部分に
マスキング処理を行って、イオン注入をしたくない部分
にフオトレジスト膜５が塗布された状態とする（図１
（Ｂ））。不必要な箇所へのイオン注入は接合自身の性
能や安定性に問題が出てくるため、イオン注入したくな
い領域にはイオン注入をくい止める手段を講じるのであ
る。ここではフオトレジストのマスキング塗布によりイ
オン注入の阻止とイオン注入のためのウインドウ形成と
を行う。この方法は基板７にダメージを与えず、ミクロ
ン単位でのイオン注入部の位置合わせが可能で、かつ、
マスク除去が簡単である。

【００１２】そして、このマスキング処理されたウエハ
をイオン注入装置にセットして、例えばＰイオン等のイ
オンを２０〜４０ＫｅＶ程度のエネルギーで基板７の法
線方向からイオンビームを照射する。フオトレジストに
よってマスキングされた部分はイオンがフオトレジスト
膜５の途中で減速されて電極部分まで到達しない。フオ
トレジストが塗布されていないウインドウの開いた部分
にだけイオンビームは進入し、イオンエネルギーやイオ
ンビーム電流値そしてイオン注入量を最適条件に設定す
ることによって、注入イオンは絶縁層３に到達して絶縁
層３中の酸素原子を叩き出し、叩き出された酸素原子は
絶縁層３の上下のＮｂ層である下部および上部電極１お
よび２に捕獲される。したがって、この領域部分は酸素
濃度の低下により絶縁が破壊された弱結合の状態が得ら
れ、ジョセフソン接合部４が形成される（図１
（Ｃ））。最後に、有機溶剤によって塗布したフオトレ
ジスト膜５を除去すればジョセフソン接合素子が完成す
る（図１（Ｄ））

【００１３】成膜によりウインドウを形成してマスクと
する場合においても、同様に選択的にイオン注入を行う
ことができる。図２はこの製造方法を示している。な
お、図２（Ａ）に示されるウエハ上に集積化された超伝
導電極を作製するまでの工程は、図１の場合と全く同様
であるので説明を省略する。この図２（Ａ）の状態から
図１の場合と同様に、まず、フオトレジストを塗布しマ
スキング処理を行うが、図２ではイオン注入をしたくな
い部分にマスキングを行わず、イオン注入を行う部分に
ポジ型のフオトレジスト膜５が塗布された状態とする
（図２（Ｂ））。次に、ウエハ全面に蒸着により成膜６
を加工する（図２（Ｃ））。そして、フオトレジスト膜
５を溶媒を用いてを溶解すると、成膜６の内、フオトレ
ジスト膜５上にあるものはフオトレジスト膜５と共に流
出剥離する（リフトオフ）。このことにより、成膜によ
ってウインドウ部を形成させる（図２（Ｄ））。最後に
図１（Ｃ）と同様にイオン注入装置を用いてイオン注入
を行うと成膜６によってウインドウ部以外のイオンビー
ムは遮断され、ウインドウ部より進入したイオンビーム
は絶縁層３の領域にジョセフソン接合部４を形成する。

【００１４】以上のように本発明は、ノックアウト効果
を利用したジョセフソン接合素子を汎用のイオン注入装
置を用いて製造する方法を提供するものである。これに
よって、イオン種にＰ等の比較的軽いイオン種でも絶縁
層３中にジョセフソン接合部４を形成させることができ
る。

【００１５】図５は実際にＰおよびＡｕをイオン種とし
てジョセフソン接合素子を作製した諸元、ならびに作製
されたＳＱＵＩＤ素子の特性を示している。まず３−ｉ
ｎｃｈウエハ上に複数個形成された超伝導電極に、フオ
トリソグラフィ技術を用いてフオトレジストによるマス
クパターンを作製する。そして、このウエハ全面に汎用
のイオン注入装置を用いてイオン注入を行う。注入に際
しては、事前にコンピュータシミュレーションにより最
適なイオン注入パラメータを算出しておく。イオン注入
条件として、エネルギー、ビーム電流値、注入量、を最
適化させることで所望の特性をもつＳＱＵＩＤ素子を再
現性良く作製できる。この作製したＳＱＵＩＤ素子は安
定に動作しており、この製造方法が有効であることが証
明されている。

【００１６】

【発明の効果】本発明のジョセフソン接合素子の製造方
法は以上詳述したとおりであるから、オペレータが一つ
一つ集束イオンビーム装置と高精度のＸＹステージを操
作して、位置合わせをしながらイオン注入する必要がな
くなり、短時間に効率よく、ウエハ全面に一括してイオ
ン注入が可能になり、生産性が向上する。さらに、イオ
ン注入によって打ち込まれるイオンは、その加速電圧と
種類、注入対象とする材料によって効率的にノックアウ
トを起こす深さが決まっており、あらかじめ、シミュレ
ーション計算をしておけば、特殊な集束イオンビーム装
置でなく汎用のイオン注入装置でもイオン注入すること
ができ、用いるイオン種として従来のＮｂ等、重いイオ
ン種に限定されず、軽いイオン種であるＰ等をイオン種
として用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のジョセフソン接合素子製造方法の一
実施例を示す図である。

【図２】 本発明のジョセフソン接合素子製造方法の他
の実施例を示す図である。

【図３】 ジョセフソン接合素子の外観を示す図であ
る。

【図４】 従来のジョセフソン接合素子製造方法を示す
図である。

【図５】 本発明によるＳＱＵＩＤ素子作製の諸元を示
す図である。

【符号の説明】

１…下部電極 ２…上部電極 ３…絶縁層 ４…ジョセフソン接合部 ５…フオトレジスト膜 ６…成膜 ７…基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 玲子 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 Ｆターム(参考） 4M113 AA04 AA14 AA27 AA37 AA60 AC06 AC24 BB07 BC02 BC08 CA13

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウエハ上に集積化され、絶縁層を挟んだ
   ２つの超伝導電極にイオンビームを照射して、イオン注
   入することにより絶縁層の原子を叩き出すノックアウト
   効果を利用し、部分的に還元させることで超伝導電極間
   の弱結合を形成してジョセフソン接合部を作製するよう
   にしたジョセフソン接合素子の製造方法において、イオ
   ン注入の不必要な箇所にマスキングを施してウエハにイ
   オンビームを照射し、選択的にイオン注入するようにし
   たことを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。