JP2646440B2 - ジョセフソン接合素子の製造方法 - Google Patents
ジョセフソン接合素子の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 ジョセフソン接合素子の製造方法に係り、特に微細な
接合面積のNb/AlOx/Nbジョセフソン素子の製造方法に関
し、 再現性よく微細なジョセフソン接合素子を製造するこ
とを目的とし、 基板上に第１の超伝導金属膜、トンネルバリア層、第
２の超伝導金属膜、酸化膜がエッチング停止層として作
用する金属膜および第３の超伝導金属膜を順次重ねて形
成する工程と、 ジョセフソン接合となるべき領域を残して、前記第２
の超伝導金属膜、金属膜、および第３の超伝導金属膜を
全膜厚について陽極酸化し陽極酸化膜を形成する工程
と、 前記陽極酸化膜全面に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜をドライエッチングし、前記酸化膜をエッ
チング停止層として前記ジョセフソン接合領域に開口部
を形成し、第３の超伝導金属膜を露出せしめる工程と、 前記開口部を介して第３の超伝導金属にコンタクトす
る第４の超伝導金属を形成する工程を有することを構成
とする。
接合面積のNb/AlOx/Nbジョセフソン素子の製造方法に関
し、 再現性よく微細なジョセフソン接合素子を製造するこ
とを目的とし、 基板上に第１の超伝導金属膜、トンネルバリア層、第
２の超伝導金属膜、酸化膜がエッチング停止層として作
用する金属膜および第３の超伝導金属膜を順次重ねて形
成する工程と、 ジョセフソン接合となるべき領域を残して、前記第２
の超伝導金属膜、金属膜、および第３の超伝導金属膜を
全膜厚について陽極酸化し陽極酸化膜を形成する工程
と、 前記陽極酸化膜全面に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜をドライエッチングし、前記酸化膜をエッ
チング停止層として前記ジョセフソン接合領域に開口部
を形成し、第３の超伝導金属膜を露出せしめる工程と、 前記開口部を介して第３の超伝導金属にコンタクトす
る第４の超伝導金属を形成する工程を有することを構成
とする。
本発明はジョセフソン接合素子の製造方法に係り、特
に微細な接合面積のNb/AlOx/Nbジョセフソン素子の製造
方法に関する。
に微細な接合面積のNb/AlOx/Nbジョセフソン素子の製造
方法に関する。
近年、Nb/AlOx/Nbジョセフソン接合素子を用いた集積
回路の高速動作が数多く報告されている。Nb/AlOx/Nbジ
ョセフソン接合素子は、リーク電流の少ない高品質な電
流−電圧特性をもっており、しかも、再現性、安定性と
もに優れている。その結果、ジョセフソン回路作製時の
歩留りが向上し、ジョセフソン接合本来の高速性能が数
千ゲート規模の回路においても実証できるようになっ
た。しかし、今後、ジョセフソン集積回路の集積度を向
上させるには、まずNb/AlOx/Nb接合径を現在の２μｍ程
度から１μｍ以下へと縮小化してゆく必要がある。
回路の高速動作が数多く報告されている。Nb/AlOx/Nbジ
ョセフソン接合素子は、リーク電流の少ない高品質な電
流−電圧特性をもっており、しかも、再現性、安定性と
もに優れている。その結果、ジョセフソン回路作製時の
歩留りが向上し、ジョセフソン接合本来の高速性能が数
千ゲート規模の回路においても実証できるようになっ
た。しかし、今後、ジョセフソン集積回路の集積度を向
上させるには、まずNb/AlOx/Nb接合径を現在の２μｍ程
度から１μｍ以下へと縮小化してゆく必要がある。
微細な接合面積を有るジョセフソン接合素子を製造す
る方法としては特願昭61−232680,61−239096,61−2437
14に開示されているように上層Nbを陽極酸化して面積を
決定する方法がある。この方法によって製造されたNb/A
lOx/Nbの接合の断面図を第２図に示す。この接合方法は
例えばSi基板１上に下部Nb電極２、Al−AlOxトンネルバ
リア膜３、上部Nb電極４を連続的に成膜した後、レジス
トをマスクとして上部Nb電極を陽極酸化し、接合部の上
部Nb電極４のみを残す。次に陽極酸化膜５、トンネルバ
リア膜３、下部電極２をRIEで加工した後、SiO2層間絶
縁膜６を全面に成膜し、SiO2膜６にコンタクトホール７
をRIEで形成し、最後にNb配線層８を形成してコンタク
トをとる。この方法ではNb2O5陽極酸化膜５をSiO2層間
絶縁膜を上記コンタクトホール形成時のエッチング停止
層として利用し約0.7μｍ径の接合を可能にした。
る方法としては特願昭61−232680,61−239096,61−2437
14に開示されているように上層Nbを陽極酸化して面積を
決定する方法がある。この方法によって製造されたNb/A
lOx/Nbの接合の断面図を第２図に示す。この接合方法は
例えばSi基板１上に下部Nb電極２、Al−AlOxトンネルバ
リア膜３、上部Nb電極４を連続的に成膜した後、レジス
トをマスクとして上部Nb電極を陽極酸化し、接合部の上
部Nb電極４のみを残す。次に陽極酸化膜５、トンネルバ
リア膜３、下部電極２をRIEで加工した後、SiO2層間絶
縁膜６を全面に成膜し、SiO2膜６にコンタクトホール７
をRIEで形成し、最後にNb配線層８を形成してコンタク
トをとる。この方法ではNb2O5陽極酸化膜５をSiO2層間
絶縁膜を上記コンタクトホール形成時のエッチング停止
層として利用し約0.7μｍ径の接合を可能にした。
しかし、この方法では、SiO2層間絶縁膜６にコンタク
トホール７をRIEで形成する時の再現性に以下のような
問題がある。反応性ガスとしては、CHF3を用いる。エッ
チング速度は、SiO2に対しては30nm/分、Nb2O5に対して
は15nm/分、Nbに対しては5nm/分である。約400〜500nm
厚のSiO2層がエッチングされ、NbとNb2O5が露出した時
点でエッチングを停止させる。上記のようにNbやNb2O5
に対するエッチング速度は、SiO2に対する速度よりも小
さいので、２〜３分間のオーバー・エッチングでもNbや
Nb2O5が大きくエッチングされることはない。しかし、
上層NbやNb2O5はそれぞれ50,120nm程度と薄い。上層Nb
を全膜厚にわたって陽極酸化するためには、上層Nbを70
nm以上に厚くすることはきないからである。しかも、特
願昭61−239096で述べたように、陽極酸化のマスクとし
て、レジストの代わりに上層Nb上のSiO2を用いる場合
は、上層Nb上に成膜されたSiO2（50nm厚）もエッチング
して上層Nbと配線とのコンタクトをとる必要がある。こ
のため、Nb2O5がそのエッチング時間分だけ余計にエッ
チングされることになる。一方、Nb2O5の部分では下層N
bと配線Nb層間に絶縁がなされている事が不可欠であ
る。このため、配線Nb層８の成膜前（コンタクト穴の形
成直後）のNb2O5の膜厚として80nm以上は必要である。
これらの条件をすべてみたす事はかなり困難である。実
際のプロセスでは、オーバー・エッチのためにNb2O5の
膜厚が薄くなり、配線層と下層Nbがショートするという
問題が起こりやすい。
トホール７をRIEで形成する時の再現性に以下のような
問題がある。反応性ガスとしては、CHF3を用いる。エッ
チング速度は、SiO2に対しては30nm/分、Nb2O5に対して
は15nm/分、Nbに対しては5nm/分である。約400〜500nm
厚のSiO2層がエッチングされ、NbとNb2O5が露出した時
点でエッチングを停止させる。上記のようにNbやNb2O5
に対するエッチング速度は、SiO2に対する速度よりも小
さいので、２〜３分間のオーバー・エッチングでもNbや
Nb2O5が大きくエッチングされることはない。しかし、
上層NbやNb2O5はそれぞれ50,120nm程度と薄い。上層Nb
を全膜厚にわたって陽極酸化するためには、上層Nbを70
nm以上に厚くすることはきないからである。しかも、特
願昭61−239096で述べたように、陽極酸化のマスクとし
て、レジストの代わりに上層Nb上のSiO2を用いる場合
は、上層Nb上に成膜されたSiO2（50nm厚）もエッチング
して上層Nbと配線とのコンタクトをとる必要がある。こ
のため、Nb2O5がそのエッチング時間分だけ余計にエッ
チングされることになる。一方、Nb2O5の部分では下層N
bと配線Nb層間に絶縁がなされている事が不可欠であ
る。このため、配線Nb層８の成膜前（コンタクト穴の形
成直後）のNb2O5の膜厚として80nm以上は必要である。
これらの条件をすべてみたす事はかなり困難である。実
際のプロセスでは、オーバー・エッチのためにNb2O5の
膜厚が薄くなり、配線層と下層Nbがショートするという
問題が起こりやすい。
本発明は再現性よく微細なジョセフソン接合素子を製
造することを目的とする。
造することを目的とする。
上記課題は本発明によれば 基板上に第１の超伝導金属膜、トンネルバリア層、第
２の超伝導金属膜、酸化膜がエッチング停止層として作
用する金属膜および第３の超伝導金属膜を順次重ねて形
成する工程と、 ジョセフソン接合となるべき領域を残して、前記第２
の超伝導金属膜、金属膜、および第３の超伝導金属膜を
全膜厚について陽極酸化し陽極酸化膜を形成する工程
と、 前記陽極酸化膜全面に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜をドライエッチングし、前記酸化膜をエッ
チング停止層として前記ジョセフソン接合領域に開口部
を形成し、第３の超伝導金属膜を露出せしめる工程と、 前記開口部を介して第３の超伝導金属にコンタクトす
る第４の超伝導金属を形成する工程を有することを特徴
とするジョセフソン接合素子の製造方法によって解決さ
れる。本発明では超伝導金属としてNb,NbN,Pb合金等が
用いられ、トンネルバリア層としてAlOx,MgO,InOx等が
上記Nb,NbN,Pb合金にそれぞれ対応して用いられる。
２の超伝導金属膜、酸化膜がエッチング停止層として作
用する金属膜および第３の超伝導金属膜を順次重ねて形
成する工程と、 ジョセフソン接合となるべき領域を残して、前記第２
の超伝導金属膜、金属膜、および第３の超伝導金属膜を
全膜厚について陽極酸化し陽極酸化膜を形成する工程
と、 前記陽極酸化膜全面に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜をドライエッチングし、前記酸化膜をエッ
チング停止層として前記ジョセフソン接合領域に開口部
を形成し、第３の超伝導金属膜を露出せしめる工程と、 前記開口部を介して第３の超伝導金属にコンタクトす
る第４の超伝導金属を形成する工程を有することを特徴
とするジョセフソン接合素子の製造方法によって解決さ
れる。本発明では超伝導金属としてNb,NbN,Pb合金等が
用いられ、トンネルバリア層としてAlOx,MgO,InOx等が
上記Nb,NbN,Pb合金にそれぞれ対応して用いられる。
本発明では上部電極をNb/Al/Nbの三層構造にして陽極
酸化するので陽極酸化後は従来のNb単層の場合のNb2O5
のみでなくNb2O5/Al2O3/Nb2O5の三層構造になる。一般
にAlおよびAlの酸化物はフッ素系ガスによるRIEでエッ
チングされにくい。このためSiO2層間絶縁膜にコンタク
トホールをRIEで形成する際に上記三層構造中のAl2O3が
エッチング停止層として機能し、微細なジョセフセン接
合の作成に寄与する。
酸化するので陽極酸化後は従来のNb単層の場合のNb2O5
のみでなくNb2O5/Al2O3/Nb2O5の三層構造になる。一般
にAlおよびAlの酸化物はフッ素系ガスによるRIEでエッ
チングされにくい。このためSiO2層間絶縁膜にコンタク
トホールをRIEで形成する際に上記三層構造中のAl2O3が
エッチング停止層として機能し、微細なジョセフセン接
合の作成に寄与する。
以下本発明の実施例を図面に基づいて証明する。
第1A図ないし第1G図は本発明の一実施例を説明するた
め工程断面図である。
め工程断面図である。
第1A図に示すように、例えばSi等の基板11上に下層Nb
12,Alを順次スパッタ法によりそれぞれ膜厚100〜300nm,
3〜10nm成膜する。次に真空槽内に酸素を導入し、Al表
面を酸化しAlOx層を形成し、Al/AlOxトンネルバリア膜1
3を形成する。次に上部電極部17としてNb膜14、Al膜1
5、Nb膜16を順にスパッタにより成膜してNb/Al/Nb三層
構造を形成する。膜厚はそれぞれ30〜100,3〜10,30〜10
0nmとした、なおこの工程ではAl表面には酸化層が形成
されないように留意する。
12,Alを順次スパッタ法によりそれぞれ膜厚100〜300nm,
3〜10nm成膜する。次に真空槽内に酸素を導入し、Al表
面を酸化しAlOx層を形成し、Al/AlOxトンネルバリア膜1
3を形成する。次に上部電極部17としてNb膜14、Al膜1
5、Nb膜16を順にスパッタにより成膜してNb/Al/Nb三層
構造を形成する。膜厚はそれぞれ30〜100,3〜10,30〜10
0nmとした、なおこの工程ではAl表面には酸化層が形成
されないように留意する。
上記三層構造を形成した後、約50nmの膜厚のSiO2膜18
をスパッタにより形成する。
をスパッタにより形成する。
なお、実際のジョセフソン集積回路の作製プロセスで
は、Si基板11と下層Nb12との間に、すでに熱酸化Si層、
超伝導接地面、抵抗層、層間絶縁膜などが形成されてい
る。
は、Si基板11と下層Nb12との間に、すでに熱酸化Si層、
超伝導接地面、抵抗層、層間絶縁膜などが形成されてい
る。
次に第1B図に示すようにレジストを塗布しレジストを
パターニングし、レジストパターン19を形成し、レジス
トパターン18をマスクとして該SiO2膜18をRIEによりパ
ターニングする。このRIEにおいて反応性ガスとしてCHF
3を用いる。
パターニングし、レジストパターン19を形成し、レジス
トパターン18をマスクとして該SiO2膜18をRIEによりパ
ターニングする。このRIEにおいて反応性ガスとしてCHF
3を用いる。
次に第1C図に示すように、上記SiO2膜18をマスクとし
て上部電極Nb/Al/Nbを全膜厚にわたって陽極酸化し、陽
極酸化膜23を形成する。20,21,22はそれぞれNb2O5膜、A
l2O3膜、Nb2O5膜である。この陽極酸化工程では電解液
として、エチレングリコールとホウ酸アンモニウムの混
合液を用い、一定電流たとえば0.5mA/cm2を流して陽極
酸化を行う。陽極酸化されるNbの膜厚は印加電圧できま
る。1Vでは0.9nmのNbが酸化され、2.3nmのNb2O5膜が形
成される。なお、上記電極Nb/Al/Nbの下のAlOx−Al膜や
下層Nbの一部も酸化されても良い。
て上部電極Nb/Al/Nbを全膜厚にわたって陽極酸化し、陽
極酸化膜23を形成する。20,21,22はそれぞれNb2O5膜、A
l2O3膜、Nb2O5膜である。この陽極酸化工程では電解液
として、エチレングリコールとホウ酸アンモニウムの混
合液を用い、一定電流たとえば0.5mA/cm2を流して陽極
酸化を行う。陽極酸化されるNbの膜厚は印加電圧できま
る。1Vでは0.9nmのNbが酸化され、2.3nmのNb2O5膜が形
成される。なお、上記電極Nb/Al/Nbの下のAlOx−Al膜や
下層Nbの一部も酸化されても良い。
次に第1D図に示すようにレジストをマスクとして陽極
酸化膜（Nb2O5/Al2O3/Nb2O3）23,Al−AlOx膜13、Nb膜12
をRIEによりパターニングし、下部電極層のパターニン
グを形成する。反応ガスとしてNb2O5はCHF3,NbにはCF4
を用いる。AlやAlOxはArスパッタエッチングで除去す
る。
酸化膜（Nb2O5/Al2O3/Nb2O3）23,Al−AlOx膜13、Nb膜12
をRIEによりパターニングし、下部電極層のパターニン
グを形成する。反応ガスとしてNb2O5はCHF3,NbにはCF4
を用いる。AlやAlOxはArスパッタエッチングで除去す
る。
次に第1E図に示すように全面に層間絶縁膜として膜厚
400〜700nmのSiO2膜24をスパッタ法で成膜する。
400〜700nmのSiO2膜24をスパッタ法で成膜する。
次に1F図に示すようにレジストをマスクとしてRIE加
工を行い、SiO2膜24にコンタクトホール25を形成する。
反応ガスはCHF3を用いる。SiO2に対してのエッチング速
度は前述のように、30nm/分である。一方、Nb2O5に対し
ては15nm/分、Nbに対しては5nm/分である。従来オーバ
ーエッチングによってNb2O5が薄くなることが問題であ
ったが、Alの陽極酸化膜においてエッチングは停止でき
るので、接合面積より大きなコンタクトホールを形成し
ても、絶縁を保つのに充分な厚さのNb2O5膜20が残る。
工を行い、SiO2膜24にコンタクトホール25を形成する。
反応ガスはCHF3を用いる。SiO2に対してのエッチング速
度は前述のように、30nm/分である。一方、Nb2O5に対し
ては15nm/分、Nbに対しては5nm/分である。従来オーバ
ーエッチングによってNb2O5が薄くなることが問題であ
ったが、Alの陽極酸化膜においてエッチングは停止でき
るので、接合面積より大きなコンタクトホールを形成し
ても、絶縁を保つのに充分な厚さのNb2O5膜20が残る。
次に第1G図に示すようにAr中でスパッタクリーニング
し、上部電極16表面の酸化層を除去した後、膜厚500〜1
000nmのNb配線層25を成膜し、RIE加工する。
し、上部電極16表面の酸化層を除去した後、膜厚500〜1
000nmのNb配線層25を成膜し、RIE加工する。
以上説明したように本発明によれば上部電極をNb/Al/
Nbの三層構造にし接合部以外を陽極酸化しているので、
層間絶縁膜SiO2にコンタクトホールを加工する工程にお
いて、オーバーエッチングしてもAlの陽極酸化膜におい
てエッチングが停止する。このため、Nb2O5が薄くなり
下層Nbと配線Nbがショートするという問題を防いで、再
現良く微細な接合を作製することが可能となる。
Nbの三層構造にし接合部以外を陽極酸化しているので、
層間絶縁膜SiO2にコンタクトホールを加工する工程にお
いて、オーバーエッチングしてもAlの陽極酸化膜におい
てエッチングが停止する。このため、Nb2O5が薄くなり
下層Nbと配線Nbがショートするという問題を防いで、再
現良く微細な接合を作製することが可能となる。
第1A図ないし第1G図は本発明の一実施例を説明するため
の工程断面図であり、 第２図は従来の技術を説明するための断面図である。 １……Si基板、２……下部Nb電極、 3,13……Al−AlOxトンネルバリア膜、 ４……上部Nb電極、5,23……陽極酸化膜、 6,24……SiO2層間絶縁膜、 7,25……コンタクトホール、 8,26……Nb配線層、11……基板、 12……下層Nb、14,16……Nb膜、 15……Al膜、18……SiO2、 19……レジストパターン、 20,22……Nb2O5膜、21……Al2O3膜。
の工程断面図であり、 第２図は従来の技術を説明するための断面図である。 １……Si基板、２……下部Nb電極、 3,13……Al−AlOxトンネルバリア膜、 ４……上部Nb電極、5,23……陽極酸化膜、 6,24……SiO2層間絶縁膜、 7,25……コンタクトホール、 8,26……Nb配線層、11……基板、 12……下層Nb、14,16……Nb膜、 15……Al膜、18……SiO2、 19……レジストパターン、 20,22……Nb2O5膜、21……Al2O3膜。
Claims (1)
- 【請求項１】基板上に第１の超伝導金属膜、トンネルバ
リア層、第２の超伝導金属膜、酸化膜がエッチング停止
層として作用する金属膜および第３の超伝導金属膜を順
次重ねて形成する工程と、 ジョセフソン接合となるべき領域を残して、前記第２の
超伝導金属膜、金属膜、および第３の超伝導金属膜を全
膜厚について陽極酸化し陽極酸化膜を形成する工程と、 前記陽極酸化膜全面に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜をドライエッチングし、前記酸化膜をエッチ
ング停止層として前記ジョセフソン接合領域に開口部を
形成し、第３の超伝導金属膜を露出せしめる工程と、 前記開口部を介して第３の超伝導金属にコンタクトする
第４の超伝導金属を形成する工程を有することを特徴と
するジョセフソン接合素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63233726A JP2646440B2 (ja) | 1988-09-20 | 1988-09-20 | ジョセフソン接合素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63233726A JP2646440B2 (ja) | 1988-09-20 | 1988-09-20 | ジョセフソン接合素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0282661A JPH0282661A (ja) | 1990-03-23 |
| JP2646440B2 true JP2646440B2 (ja) | 1997-08-27 |
Family
ID=16959608
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63233726A Expired - Lifetime JP2646440B2 (ja) | 1988-09-20 | 1988-09-20 | ジョセフソン接合素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2646440B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3036085B2 (ja) * | 1990-12-28 | 2000-04-24 | 富士通株式会社 | 光学マスクとその欠陥修正方法 |
| DE69218388T2 (de) * | 1991-12-10 | 1997-10-23 | Sumitomo Electric Industries | Supraleitendes Bauelement mit extrem dünnem Kanal aus supraleitendem Oxyd und sein Herstellungsverfahren |
| US7060508B2 (en) * | 2003-02-12 | 2006-06-13 | Northrop Grumman Corporation | Self-aligned junction passivation for superconductor integrated circuit |
-
1988
- 1988-09-20 JP JP63233726A patent/JP2646440B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0282661A (ja) | 1990-03-23 |
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