JPH01184967A - Josephson element and manufacture thereof - Google Patents

Josephson element and manufacture thereof

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JPH01184967A
JPH01184967A JP63008284A JP828488A JPH01184967A JP H01184967 A JPH01184967 A JP H01184967A JP 63008284 A JP63008284 A JP 63008284A JP 828488 A JP828488 A JP 828488A JP H01184967 A JPH01184967 A JP H01184967A
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JP
Japan
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conductive layer
region
junction
resist
insulating layer
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Application number
JP63008284A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Morohashi
信一 諸橋
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPH01184967A publication Critical patent/JPH01184967A/en
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Abstract

PURPOSE:To prevent an element from characteristics deterioration attributable to diffusion or the like and to facilitate its application to an enhanced integration package by a method wherein a material (Nb) same as the one constituting a junction electrode is employed as an etching stopper. CONSTITUTION:On an Si semiconductor substrate 10, Nb is deposited for the building of a base electrode 11, a 5nm-thick Al film is deposited, and then thermal oxidation is accomplished for a 1nm-thick layer out of the 5nm-thick Al film to be converted into AlOX for the formation of a tunnel barrier layer 12. A process follows wherein Nb is deposited 25nm thick for the construction or a counter electrode 13. The SNAP technique is then applied for the definition of a junction area. That is, a resist 21 to serve as a mask is formed on a region J1 for a junction, which is followed by anodization. In this process, the section not covered by the resist 21 or the region near the junction is converted into Nb2O5 (anode oxide film 14) which is insulatory in nature, self-alignedly to the resist 21. Finally, the resist 21 is removed and Nb is deposited on the entire wafer surface for the formation of a conductive layer 15 to serve as an etching stopper.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 ジョセフソン素子およびその製造方法、特に、Nb系ジ
ョセフソン接合を用いた素子において該接合を形成する
技術に関し、 拡散等に起因する特性劣化を防止し、高集積化への適用
を容易にすることを目的とし、半導体基板上にニオブか
らなる第1の導電層、弱い超伝導性を呈する第1の絶縁
層およびニオブからなる第2の導電層を順にデポジショ
ンする第1の工程と、該デポジションされた積層体に対
し接合を形成すべき領域が残るように陽極酸化を行う第
2の工程と、ニオブからなる第3の導電層をデポジショ
ンする第3の工程と、前記第3の導電層に対し前記接合
を形成すべき領域を含み且つ該領域より大きい第2の領
域を導電層の状態で残す第4の工程と、全面に亘って第
2の絶縁層をデポジションした後、前記第2の領域の一
部に対応する部分を反応性イオンエツチングにより除去
する第5の工程とを具備し、該エツチングに用いる反応
ガスを選択して前記第2の絶縁層のみが除去され得るよ
うに構成する。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] The present invention relates to a Josephson element and a method for manufacturing the same, particularly a technique for forming a junction in an element using an Nb-based Josephson junction, which prevents characteristic deterioration due to diffusion etc. In order to facilitate application to high integration, a first conductive layer made of niobium, a first insulating layer exhibiting weak superconductivity, and a second conductive layer made of niobium are sequentially deposited on a semiconductor substrate. a first step of depositing, a second step of anodizing the deposited stack so that a region where a bond is to be formed remains, and depositing a third conductive layer of niobium. a third step, a fourth step of leaving a second region including the region where the bond is to be formed and larger than the third conductive layer as a conductive layer; and a fifth step of removing a portion corresponding to a part of the second region by reactive ion etching after depositing the second insulating layer, and selecting a reactive gas used for the etching to remove the portion corresponding to a part of the second region. The configuration is such that only the second insulating layer can be removed.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、ジョセフソン素子およびその製造方法に関し
、特に、ニオブ(Nb)系ジョセフソン接合を用いた素
子において該接合を形成する技術に関する。
The present invention relates to a Josephson device and a method for manufacturing the same, and particularly to a technique for forming a niobium (Nb)-based Josephson junction in a device using the same.

近年、原子力、核融合、気象、衛星通信等における画像
処理、また、航空機の設計や、分子科学等の計算物理学
の分野における論理シミュレーション、あるいは、新世
代コンピュータの開発等、超高速計算に対する需要が急
速に高まりつつあり、その結果、この要求にハードウェ
アの面から応える技術としての超高速ディジタルデバイ
スの開発が、強い社会的要請となっている。上述したジ
ョセフソン素子を用いたデバイスは、このような社会的
要請に応えるための超高速ディジタルデバイスの1つで
ある。
In recent years, there has been a demand for ultra-high-speed calculations, such as image processing in nuclear power, nuclear fusion, weather, satellite communications, etc., logical simulation in the fields of computational physics such as aircraft design and molecular science, and the development of new generation computers. As a result, there is a strong social demand for the development of ultra-high-speed digital devices as a technology to meet this demand from a hardware perspective. The device using the Josephson element described above is one of the ultrahigh-speed digital devices that meet such social demands.

ジョセフソン素子は、2づの超伝導体を弱結合領域(弱
い超伝導性をもった領域)で結合した構造を有し、超伝
導現象に特有な巨視的量子効果を外から印加した磁界や
電圧により制御できるようにしたもので、巨視的量子効
果に起因する非常に強い非線形性、高速応答性、低雑音
性を有する素子である。従って、このような特長をもつ
ジョセフソン素子には、ディジタル応用を含め広範な応
用が考えられ、特に、電圧標準、高感度磁力計、ミリ波
検出用ミキサ等のアナログ応用の分野では既に実用化の
段階に到達している。
A Josephson device has a structure in which two superconductors are coupled through a weak coupling region (a region with weak superconductivity), and the macroscopic quantum effect unique to superconductivity is generated by an externally applied magnetic field or It is a device that can be controlled by voltage, and has extremely strong nonlinearity due to macroscopic quantum effects, high-speed response, and low noise. Therefore, Josephson elements with these features can be used in a wide range of applications, including digital applications, and have already been put to practical use in analog applications such as voltage standards, high-sensitivity magnetometers, and millimeter-wave detection mixers. has reached the stage of

〔従来の技術〕[Conventional technology]

Nb系ジョセフソン接合を形成する技術の一例としてS
 N’A P (Selective Niobium
 AnordizaLionProcess)法が知ら
れている(参考文献;11.Kroger。
As an example of technology for forming Nb-based Josephson junctions, S
N'A P (Selective Niobium
AnordizaLionProcess) method is known (Reference: 11. Kroger.

L、N、Sm1th and D、W、Jillie、
 Appl、Phys、Lett、、39゜280(1
981))。
L, N, Sm1th and D, W, Jillie,
Appl, Phys, Lett, 39°280 (1
981)).

この5NAP法は、ウェハ全面に一挙に、下部電極とし
ての超伝導体(Nb)、弱結合領域としてのトンネル障
壁(バリア)、上部電極としての超伝導体(Nb)のサ
ンドインチ構造を同−真空雰囲気内で形成し、その後で
、接合を形成すべき領域(以下単に「接合」と称する)
を決定する方法である。
This 5NAP method creates a sandwich structure of a superconductor (Nb) as a lower electrode, a tunnel barrier as a weak coupling region, and a superconductor (Nb) as an upper electrode all at once on the entire wafer surface. A region to be formed in a vacuum atmosphere and then to form a bond (hereinafter simply referred to as "bond")
This is a method to determine.

この場合、接合は、該接合に対応する部分以外の上部電
極を陽極酸化法によって絶縁化することにより決定され
る。また、陽極酸化を行う際に、接合を覆うマスクとし
てレジストあるいはバターニングした二酸化珪素(Si
O2)薄膜が用いられる。
In this case, the junction is determined by insulating the upper electrode other than the portion corresponding to the junction by anodizing. Also, when performing anodic oxidation, resist or patterned silicon dioxide (Si) can be used as a mask to cover the bond.
O2) thin film is used.

しかしながら、5NAP法において用いられる陽極酸化
による素子分離は、陽極酸化膜が横方向にも成長し、接
合用マスクの内部にも拡がる。このため、接合が小さく
なると接合面積の正確な決定が困難になる。これは、同
一ウェハ上に多くの素子を形成する場合を考えると、各
素子の接合面積を均一にすることが難しくなることを意
味し、集積回路化する上で回路に制約を与えるものであ
る。
However, in the element isolation by anodic oxidation used in the 5NAP method, the anodic oxide film grows laterally and also extends inside the bonding mask. Therefore, when the bond becomes small, it becomes difficult to accurately determine the bond area. This means that when many elements are formed on the same wafer, it becomes difficult to make the bonding area of each element uniform, which puts constraints on the circuit when integrated circuits are created. .

これに対処するための手段として、素子分離をエツチン
グによって行う方法が提案されている。
As a means to deal with this problem, a method has been proposed in which elements are separated by etching.

その−例は、S N I P (Self−align
ed Niobium(nitride) l5ola
tion Process)法として知られている(参
考文献HA、5hoji et al+ IEEE T
rans、onMagnetics、 MAG−19,
827(1983) )。
An example of this is S N I P (Self-aligned
ed Niobium (nitride) l5ola
tion process) method (References HA, 5hoji et al+ IEEE T
rans, onMagnetics, MAG-19,
827 (1983)).

この5NIP法においては、ウェハ全面に亘って形成さ
れたサンドインチ構造、すなわち下部電極(Nb)、ト
ンネルバリアおよび上部電極(Nb)、から接合を分離
するために反応性イオンエツチング(RrE)が用いら
れる。この場合、エツチングの際に用いたマスクは除去
せずに、そのままりフトオフ用のマスクとして用い、S
iO絶縁薄膜を蒸着し、セルファラインによって接合周
辺を絶縁分離する。
In this 5NIP method, reactive ion etching (RrE) is used to separate the junction from the sandwich structure formed over the entire wafer, namely the bottom electrode (Nb), tunnel barrier and top electrode (Nb). It will be done. In this case, the mask used during etching is not removed, but is used as a mask for lift-off, and
An iO insulating thin film is deposited, and the periphery of the junction is insulated and isolated using a self-alignment line.

このように5NIP法においては、素子分離すなわち接
合分離にRIEを用いているので5NAP法に比して接
合面積を高精度に決定できるという利点があるが、その
反面、接合周辺の絶縁化はSiO蒸着膜によって行われ
ているので、より絶縁耐性の良好な5in2膜に比して
、高信顛度の絶縁性という観点から好ましいとは言えな
い。従って、可能であるならば接合周辺を絶縁する膜と
して通常のSiO□膜を用いることが好適である。
In this way, the 5NIP method uses RIE for element isolation, that is, junction isolation, so it has the advantage that the junction area can be determined with high precision compared to the 5NAP method. However, on the other hand, the insulation around the junction is Since this is done using a vapor-deposited film, it cannot be said to be preferable from the viewpoint of reliable insulation compared to a 5in2 film which has better insulation resistance. Therefore, if possible, it is preferable to use an ordinary SiO□ film as a film for insulating the periphery of the junction.

また、Nb系接合を形成する他の方法として、SN E
 P (Selective Niobium Etc
hing Process)法が知られている(参考文
献;M、Gurvitch、M、八、Was−hing
Lon  and  Il、八、Huggins、  
Appl、Phys、Lett、、  42+472(
1983) )。
In addition, as another method for forming Nb-based junctions, SNE
P (Selective Niobium Etc.
Hing Process) method is known (References: M, Gurvitch, M, Hachi, Was-hing
Lon and Il, 8, Huggins,
Appl, Phys, Lett, 42+472(
1983) ).

この5NEP法は、接合分離の際には5NIP法と同様
のRIEを用い、接合周辺を絶縁する際には5NAP法
と同様の陽極酸化を用いた方法である。それ故、この5
NEP法は、5NAP法と同様に陽極酸化膜の横方向へ
の成長に起因する問題点を有している。
The 5NEP method uses RIE similar to the 5NIP method when separating the junctions, and uses anodic oxidation similar to the 5NAP method when insulating the periphery of the junctions. Therefore, this 5
The NEP method, like the 5NAP method, has problems due to the lateral growth of the anodic oxide film.

本発明者は、上述したNb系接合の形成に付随する問題
点に対処するための1つの方法を提案した(参考文献B
S、Morohashi et at、 Appl、P
hys、Lett、。
The present inventor proposed one method for addressing the problems associated with the formation of Nb-based junctions described above (Reference B
S, Morohashi et at, Appl, P
hys, Lett.

■、 254(1986))。以下、この方法をS A
 C(Self−八Iigned Cotact)法と
称する。
■, 254 (1986)). Below, this method will be described as SA
It is called the C (Self-Igned Contact) method.

このSAC法は、まずウェハ全面に亘って形成されたサ
ンドイッチ構造、すなわち基部電極(Nb)、トンネル
バリアおよび対向電極(Nb)、に対し5NEP法を用
いて接合面積を決定し、次いでレジストを除去した後、
全面に亘ってAI膜をデポジションし、接合面積より大
きな面積部分を残してその周囲を陽極酸化し、さらに、
基部電極部を加工し、ウェハ全面に絶縁層をデポジショ
ンし、そしてRIE法によってコンタクト孔を形成する
、というステップを含んでいる。この場合、上述したA
I膜は、その後のRIE法によるエツチングがHK A
1膜内部に及ぶのを抑制する働き、すなわちエツチング
ストッパとしての機能を有している。
This SAC method first determines the bonding area using the 5NEP method for a sandwich structure formed over the entire wafer, that is, a base electrode (Nb), a tunnel barrier, and a counter electrode (Nb), and then removes the resist. After that,
Deposit the AI film over the entire surface, leave a portion larger than the bonding area and anodize the surrounding area, and further,
The steps include processing a base electrode portion, depositing an insulating layer over the entire surface of the wafer, and forming contact holes by RIE. In this case, the above-mentioned A
The I film is then etched by RIE method.
It has the function of suppressing the etching from reaching the inside of the film, that is, it functions as an etching stopper.

〔発明が解“決しようとする課題〕[Problem that the invention attempts to solve]

第7図には上述したSAC法におけるステップの一部が
図示されている。同図において、70はSi半導体基板
、71はNbの基部電極、72はAIO,のトンネルバ
リア層、73はNbの対向電極、74はNbzOsの陽
極酸化膜、75はエツチングストッパとしてのへ1膜、
76はレジスト、をそれぞれ示す。
FIG. 7 illustrates some of the steps in the SAC method described above. In the figure, 70 is a Si semiconductor substrate, 71 is an Nb base electrode, 72 is an AIO tunnel barrier layer, 73 is a Nb counter electrode, 74 is an anodized NbzOs film, and 75 is an etching stopper film. ,
Reference numeral 76 indicates a resist.

このSAC法によれば、エツチングストッパとしてA1
膜75が用いられているので、同図(a)に示されるよ
うに、Aの部分において^lの一部が対向電極(Nb)
73の中に拡散し、それによってジョセフソン素子とし
ての特性が劣化するという不都合が生しる。また、同図
(b)に示されるように、そのA1膜は主としてリフト
オフに依っているので、大規模な集積回路には適用が困
難であるという課題もある。
According to this SAC method, A1 is used as an etching stopper.
Since the film 75 is used, as shown in FIG.
73, resulting in the disadvantage that the characteristics of the Josephson element deteriorate. Furthermore, as shown in FIG. 2B, the A1 film mainly relies on lift-off, so there is also the problem that it is difficult to apply to large-scale integrated circuits.

本発明は、上述した従来技術における課題に鑑み創作さ
れたもので、拡散等に起因する特性劣化を防止し、高集
積化への適用を容易にすることができるジョセフソン素
子とその製造方法を提供することを目的としている。
The present invention was created in view of the above-mentioned problems in the prior art, and provides a Josephson device and method for manufacturing the same that can prevent characteristic deterioration caused by diffusion etc. and facilitate application to high integration. is intended to provide.

〔課題を解決するための手段、および作用〕上述した従
来技術における課題は、接合の電極と同し材料(Nb)
をエツチングストッパとして用いることにより、解決さ
れ得る。
[Means and effects for solving the problem] The problem with the above-mentioned conventional technology is that the bonding electrode is made of the same material (Nb).
This problem can be solved by using as an etching stopper.

従って、本発明の1つの形態によれば、半導体基板上に
形成されたニオブからなる第1の導電層と、該第1の導
電層上で接合を形成すべき領域上に形成された弱い超導
電性を呈する第1の絶縁層と、該第1の絶縁層上に形成
されたニオブからなる第2の導電層と、前記第1の導電
層上で前記第1の絶縁層および第2の導電層を挟むよう
にして形成された第2の絶縁層と、前記接合を形成すべ
き領域を含み且つ該領域より大きい第2の領域に亘って
前記第2の導電層および第2の絶縁層の上に形成された
ニオブからなる第3の導電層と、第4の導電層が前記第
3の導電層に接触し得るようなコンタクト孔を有するよ
うに形成された第3の絶縁層と、を備えてなるジョセフ
ソン素子が提供される。
According to one aspect of the invention, a first conductive layer made of niobium is formed on a semiconductor substrate, and a weak superconductor is formed on the first conductive layer in a region where a junction is to be formed. a first insulating layer exhibiting conductivity; a second conductive layer made of niobium formed on the first insulating layer; and a first insulating layer and a second conductive layer formed on the first conductive layer. a second insulating layer formed so as to sandwich the conductive layer; and a second region that includes the region where the bond is to be formed and is larger than the region, on the second conductive layer and the second insulating layer. and a third insulating layer formed to have a contact hole through which a fourth conductive layer can come into contact with the third conductive layer. A Josephson device is provided.

また、本発明の他の形態によれば、半導体基板上にニオ
ブからなる第1の導電層、弱い超伝導性を呈する第1の
絶縁層およびニオブからなる第2の導電層を順にデポジ
ションする第1の工程と、該デポジションされた積層体
に対し接合を形成すべき領域が残るように陽極酸化を行
う第2の工程と、ニオブからなる第3の導電層をデポジ
ションする第3の工程と、前記第3の導電層に対し前記
接合を形成すべき領域を含み且つ該領域より大きい第2
の領域を導電層の状態で残す第4の工程と、全面に亘っ
て第2の絶縁層をデポジションした後、前記第2の領域
の一部に対応する部分を反応性イオンエツチングにより
除去する第5の工程とを具備し、該エツチングに用いる
反応ガスを選択して前記第2の絶縁層のみが除去され得
るようにしたジョセフソン素子の製造方法が提供される
According to another aspect of the present invention, a first conductive layer made of niobium, a first insulating layer exhibiting weak superconductivity, and a second conductive layer made of niobium are sequentially deposited on a semiconductor substrate. a second step of anodizing the deposited laminate to leave a region where a bond is to be formed; and a third step of depositing a third conductive layer of niobium. a second conductive layer that includes a region where the junction is to be formed with respect to the third conductive layer and is larger than the region;
a fourth step of leaving a region as a conductive layer; and after depositing a second insulating layer over the entire surface, a portion corresponding to a part of the second region is removed by reactive ion etching. A method for manufacturing a Josephson device is provided, comprising a fifth step, and selecting a reactive gas used in the etching so that only the second insulating layer can be removed.

なお、本発明の他の構成上の特徴および作用の詳細につ
いては、添付図面を参照しつつ以下に記述する実施例を
用いて説明する。。
Note that other structural features and details of the operation of the present invention will be explained using the embodiments described below with reference to the accompanying drawings. .

〔実施例〕〔Example〕

第1図には本発明の一実施例としてのジョセフソン素子
の構造が断面的に示される。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the structure of a Josephson element as an embodiment of the present invention.

第1図において、10はシリコン(Si)からなる半導
体基板、11はNbからなる超伝導性を有する基部電極
、12はAIO,からなる弱結合領域(弱い超伝導性を
有する領域)としてのトンネルバリア層、13はNbか
らなる超伝導性を有する対向電極、14はNb2O5か
らなる絶縁層としての陽極酸化膜、15はNbからなる
エツチングストッパとして機能する導電層、16はNb
2O5からなる絶縁層としての陽極酸化膜、17は5i
Ozからなる絶縁層、18はNbからなる配線層、Jl
は接合(ジョセフソン接合)の大きさを規定するiJt
域、J2はエツチングストッパの大きさを規定する領域
(Jz>J+) 、をそれぞれ表す。
In FIG. 1, 10 is a semiconductor substrate made of silicon (Si), 11 is a base electrode made of Nb and has superconductivity, and 12 is a tunnel as a weak coupling region (region with weak superconductivity) made of AIO. 13 is a superconducting counter electrode made of Nb, 14 is an anodic oxide film as an insulating layer made of Nb2O5, 15 is a conductive layer made of Nb and functions as an etching stopper, 16 is Nb.
Anodic oxide film as an insulating layer consisting of 2O5, 17 is 5i
An insulating layer made of Oz, 18 a wiring layer made of Nb, Jl
is iJt which defines the size of the junction (Josephson junction)
and J2 represent the area (Jz>J+) that defines the size of the etching stopper.

次に、第1図に示されるジョセフソン素子の製造方法に
ついて第2図(a)〜(g)の工程図を参照しながら説
明する。
Next, a method for manufacturing the Josephson element shown in FIG. 1 will be explained with reference to process diagrams in FIGS. 2(a) to 2(g).

まず工程(a)では、真空雰囲気内で、DCマグネトロ
ン・スパッタにより、Siの半導体基板10上に順次、
Nbを200nmデポジションして基部電極11を形成
し、次いでAIを5nmデポジションした後、熱酸化に
より5nmのうちlnm程度をAl0Xに転化させてト
ンネルバリア層12を形成し、さらにNbを25r+a
+程度デポジションして対向電極13を形成する。
First, in step (a), in a vacuum atmosphere, by DC magnetron sputtering,
After depositing 200 nm of Nb to form the base electrode 11, and then depositing 5 nm of AI, thermal oxidation converts about 1 nm of the 5 nm into Al0X to form the tunnel barrier layer 12, and further deposits 25 r+a of Nb.
The counter electrode 13 is formed by depositing the amount of the opposite electrode 13.

次に工程(b)では、5NAP法を用いて接合面積を決
定する。すなわち、接合を形成すべき領域Jl上にマ久
りとしてのレジスト21を形成した後、陽極酸化を行う
。これによって、レジス1−21と自己整合(セルファ
ライン)的に接合周辺の領域、すなわちレジスト21で
覆われていない部分は、絶縁性を有するNbzOsに転
化する(陽極酸化膜14)。
Next, in step (b), the bonding area is determined using the 5NAP method. That is, after a resist 21 is formed as a temporary resist on the region Jl where a junction is to be formed, anodic oxidation is performed. As a result, the region around the junction with the resist 1-21 in a self-aligned manner (self-alignment), that is, the portion not covered with the resist 21, is converted to NbzOs having insulating properties (anodic oxide film 14).

次に工程(c)では、レジスト21を除去した後、ウェ
ハ全面に亘ってNbを25nm程度デポジションし、エ
ツチングストッパとしての導電層15を形成する。
Next, in step (c), after removing the resist 21, Nb is deposited to a thickness of about 25 nm over the entire surface of the wafer to form a conductive layer 15 as an etching stopper.

次に工程(d)では、工程(b)と同じ手法(SNAP
法)により、接合を形成すべき領域J、を含み且つ該領
域より大きい第2の領域J2上にマスクとしてのレジス
ト22を形成した後、陽極酸化を行う。
Next, in step (d), the same method as in step (b) (SNAP
After forming a resist 22 as a mask on a second region J2 that includes the region J in which a junction is to be formed and is larger than the region J2 by a method (method), anodic oxidation is performed.

これによって、レジスト22と自己整合(セルファライ
ン)的に周辺の領域が絶縁性を有するNb2O5に転化
する(陽極酸化膜16)。
As a result, the surrounding area is converted into Nb2O5 having an insulating property (anodic oxide film 16) in a self-aligned manner with the resist 22 (self-alignment).

次に工程(e)では、レジスト22を除去した後、cp
a+sχ0□の混合ガスを用いたRIE法により基部電
極部を形成し、次いでウェハ全面に亘って5in2を4
00nm程度デポジションし、絶縁層17を形成する。
Next, in step (e), after removing the resist 22, cp
A base electrode part is formed by the RIE method using a mixed gas of a+sχ0□, and then a 5in2 electrode is formed over the entire wafer surface.
A thickness of approximately 0.00 nm is deposited to form an insulating layer 17.

次に工程(f)では、第2の領域J2の一部に対応する
Sin、層17の部分が露出するようにレジスト23の
パターニング処理を行なった後、CHF3 + 30χ
0□の混合ガスを用いたRIE法により該5iOzAW
17をエツチング除去する。この場合のエツチングレー
トは、SiO□層17は容易にエツチングされるが、そ
の下層のNbからなる導電層15は殆どエツチングされ
ないように、選択される。具体的には、エツチングレー
トはエツチング処理によって制御され得るので、エツチ
ング処理が導電層15に達する直前でCHhのみにガス
を切り換える。Nbは、CHhガスだけでは殆どエツチ
ングされないことは知られている。従って、このような
ガスの切り換えを行うことにより、同図Cf> に示さ
れるように、Sin2層17はきれいにエツチングされ
るが、その下層のNbからなる導電層15は殆どエツチ
ングされないような形状を得ることができる。
Next, in step (f), after patterning the resist 23 so that a portion of the Sin layer 17 corresponding to a part of the second region J2 is exposed, CHF3 + 30χ
The 5iOzAW was obtained by the RIE method using a mixed gas of 0□.
17 is removed by etching. The etching rate in this case is selected so that the SiO□ layer 17 is easily etched, but the underlying conductive layer 15 made of Nb is hardly etched. Specifically, since the etching rate can be controlled by the etching process, the gas is switched to only CHh just before the etching process reaches the conductive layer 15. It is known that Nb is hardly etched by CHh gas alone. Therefore, by switching the gas in this way, as shown in Figure Cf>, the shape is created such that the Sin2 layer 17 is etched cleanly, but the underlying conductive layer 15 made of Nb is hardly etched. Obtainable.

最後に工程軸)では、ウェハ全面に亘りNbをデポジシ
ョンし、所定形状にパターニングして配線層18を形成
する。
Finally, in the process axis), Nb is deposited over the entire surface of the wafer and patterned into a predetermined shape to form the wiring layer 18.

上述した本実施例の工程においては、エツチングストッ
パ15を接合の電極(この場合には対向電極13)と同
じ材料(Nb)により構成しているので、従来形に見ら
れたような拡散等に起因する特性劣化を防止することが
できる。また、対向電極13の形成に際してはリフトオ
フを用いていないので、接合面積の微小化が可能となり
、それによって高集積化に容易に適応させることができ
る。
In the process of this embodiment described above, since the etching stopper 15 is made of the same material (Nb) as the bonding electrode (in this case, the counter electrode 13), diffusion etc. as seen in the conventional type are avoided. It is possible to prevent characteristic deterioration caused by this. Further, since lift-off is not used when forming the counter electrode 13, it is possible to miniaturize the bonding area, thereby easily adapting to high integration.

さらに、工程(f)において用いられるエツチング用の
反応ガスは、5102層17は容易にエツチングされる
が、その下層のNbからなる導電層15は殆どエツチン
グされないように、選択されているので、陽極酸化によ
るNb2O5膜は、厚く形成する必要はない。5NAP
の場合、対向電極13としてのNb膜は25nm程度で
充分であり、陽極印加電圧を25V程度にすると、Nb
膜(25nm)がNbzOs (50nm)に転化する
。仮に印加電圧を40V程度にすると、そのために接合
が破壊されるおそれがあるが、本実施例ではNbからな
るエツチングストッパ15の存在によって印加電圧を大
きくする必要はなく、上述したように25V程度の電圧
で充分である。
Furthermore, the reaction gas for etching used in step (f) is selected so that the 5102 layer 17 is easily etched, but the underlying conductive layer 15 made of Nb is hardly etched. The Nb2O5 film formed by oxidation does not need to be formed thickly. 5NAP
In this case, it is sufficient for the Nb film as the counter electrode 13 to have a thickness of about 25 nm, and when the anode applied voltage is set to about 25 V, the Nb film is
The film (25 nm) is converted to NbzOs (50 nm). If the applied voltage were to be about 40 V, there is a risk that the junction would be destroyed, but in this example, due to the presence of the etching stopper 15 made of Nb, there is no need to increase the applied voltage, and as mentioned above, the applied voltage is about 25 V. Voltage is sufficient.

なお、上述した実施例では5NAP法に基づき接合面積
を決定するようにした(第2図(b)参照)が、これは
、5NEP法に基づいて決定するようにしてもよい。第
3図(a)〜(d)には5NEP法を利用した製造工程
の一例が示される。
In the above embodiment, the bonding area is determined based on the 5NAP method (see FIG. 2(b)), but it may be determined based on the 5NEP method. An example of a manufacturing process using the 5NEP method is shown in FIGS. 3(a) to 3(d).

第3図において工程(a)は、第2図の工程(a)に対
応する。第3図の工程(b)では、接合を形成すべき領
域J1上にマスクとしてのレジスト21を形成する。工
程(c)では、CF4+5χ02の混合ガスを用いたR
IE法により、レジスト21で覆われていないNb層1
3の部分をエツチング除去し、さらに工程(d)では、
レジス)21を残したままで陽極酸化を行う。これによ
って、レジスト21で覆われていない部分は、絶縁性を
有するNb2O5に転化する (陽極酸化膜14a)。
Step (a) in FIG. 3 corresponds to step (a) in FIG. In step (b) of FIG. 3, a resist 21 as a mask is formed on the region J1 where a junction is to be formed. In step (c), R using a mixed gas of CF4+5χ02
By the IE method, the Nb layer 1 not covered with the resist 21 is
3 is removed by etching, and in step (d),
Anodic oxidation is performed with resist 21 remaining. As a result, the portion not covered with the resist 21 is converted to Nb2O5 having insulating properties (anodic oxide film 14a).

この後の製造工程は、第2図の工程(c)〜(g)と同
様であるので、その説明は省略する。
The subsequent manufacturing steps are the same as steps (c) to (g) in FIG. 2, so their explanation will be omitted.

また、上述の5NAP法を利用した実施例(第2図(b
)参照)では接合面積J、の決定は1回の陽極酸化によ
って行われる例について説明したが、これは、第4図(
a)および(b)に示されるように、2回の陽極酸化に
よって接合面積を決定するようにしてもよい。
In addition, an example using the above-mentioned 5NAP method (Fig. 2 (b)
), we have explained an example in which the bonding area J is determined by one-time anodic oxidation;
As shown in a) and (b), the junction area may be determined by two anodic oxidations.

第4図において、(a)は第2図(b)の断面図を上か
ら見た時の上面図に対応し、(b)は2回目の陽極酸化
が行われた時の様子を上から模式的に見タモのである。
In Fig. 4, (a) corresponds to the top view of the cross-sectional view in Fig. 2 (b) when viewed from above, and (b) shows the state when the second anodic oxidation is performed from above. This is a schematic diagram of Tamo.

図中、21aはマスクとしてのレジスト (第2図(b
)のレジスト21に相当)、21bはレジスト21aに
交差する方向に形成されたレジストを示し、ハツチング
で示される部分は陽極酸化膜14を表している。
In the figure, 21a is a resist as a mask (Fig. 2(b)
), 21b represents a resist formed in a direction crossing the resist 21a, and the hatched portion represents the anodic oxide film 14.

このように、互いに交差する2つのマスクを用いて陽極
酸化を2回行うことにより、接合面積を高精度に決定す
ることができる。
In this way, by performing anodic oxidation twice using two masks that intersect with each other, the bonding area can be determined with high precision.

同様に、第3図(a)〜(d)に示される5NEP法を
利用した実施例においても、接合面積J1の決定は1回
の陽極酸化によって行われる例について説明したが、こ
れは、第5図(a)および(b)に示されるように、2
回の陽極酸化によって接合面積を決定するようにしても
よい。
Similarly, in the embodiment using the 5NEP method shown in FIGS. 3(a) to 3(d), an example was explained in which the bonding area J1 was determined by one anodic oxidation. 5 As shown in Figures (a) and (b), 2
The bonding area may also be determined by anodic oxidation.

第5図において、(a)は第3図(d)の断面図を上か
ら見た時の上面図に対応し、(b)は2回目のRIEお
よび陽極酸化が行われた時の様子を上から模式的に見た
ものである。図中、21cはマスクとしてのレジスト 
(第3図(d)のレジスト21に相当)、21dはレジ
スト2ICに交差する方向に形成されたレジストを示し
、ハンチングで示される部分は陽極酸化膜14aを表し
ている。
In FIG. 5, (a) corresponds to a top view of the cross-sectional view in FIG. 3(d) when viewed from above, and (b) shows the state after the second RIE and anodization. This is a schematic view from above. In the figure, 21c is a resist as a mask.
(corresponding to the resist 21 in FIG. 3(d)), 21d indicates a resist formed in a direction intersecting the resist 2IC, and the portion indicated by hunting represents the anodic oxide film 14a.

また、前述した各実施例(例えば第2図(d)参照)で
はエツチングストッパ15の面積J2の決定は陽極酸化
によって行われる例について説明したが、これは、第6
図(a)〜(c)に示されるようにRIEによって面積
J2を決定するようにしてもよい。
Further, in each of the embodiments described above (for example, see FIG. 2(d)), an example was explained in which the area J2 of the etching stopper 15 is determined by anodic oxidation.
The area J2 may be determined by RIE as shown in FIGS. (a) to (c).

第6図において工程(a)は、第2図の工程(c)に対
応する。第6図の工程(b)では領域J2上にマスクと
してのレジスト22を形成し、工程(C)ではRIE法
を用いてレジスト22で覆われていないNbN13の部
分をエツチング除去する。この後の工程は、第2図の工
程(e)〜(g)と同様であるので、その説明は省略す
る。ただしこの場合には、陽極酸化膜16を持たない構
造の素子が出来上がる。
In FIG. 6, step (a) corresponds to step (c) in FIG. In the step (b) of FIG. 6, a resist 22 is formed as a mask on the region J2, and in the step (C), the portions of the NbN13 not covered with the resist 22 are etched away using the RIE method. Since the subsequent steps are similar to steps (e) to (g) in FIG. 2, their explanation will be omitted. However, in this case, an element having a structure without the anodic oxide film 16 is completed.

さらに、前述した各実施例ではトンネルバリア層12を
構成する材料としてAIO,の場合について説明したが
、それに限らず、例えばZrL +YbOx +Ta0
X等を用いてもよい。
Further, in each of the above-described embodiments, the case where AIO is used as the material constituting the tunnel barrier layer 12 has been described, but the material is not limited to this, and for example, ZrL + YbOx + Ta0
X etc. may also be used.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明のジョセフソン素子およびそ
の製造方法によれば、エツチングストッパを接合の電極
と同じ材料、すなわちNbにより構成することにより、
拡散等に起因する特性劣化を防止し、接合面積の微小化
を図って高集積化に容易に適応させることができる。
As explained above, according to the Josephson element and its manufacturing method of the present invention, by forming the etching stopper from the same material as the bonding electrode, that is, Nb,
It is possible to prevent characteristic deterioration due to diffusion, etc., to miniaturize the junction area, and to easily adapt to high integration.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例としてのジョセフソン素子の
構造を示す断面図、 第2図(a)〜(g)は第1図の素子の製造工程図、第
3図(a)〜(d)は第1図の素子の一変形例の製造工
程を説明するための図、 第4図(a)および(b)は第2図(b)の工程の変形
例を説明するための上面図、 第5図(a)および(b)は第3図(d)の工程の変形
例を説明するための上面図、 第6図(a)〜(c)は第1図の素子の他の変形例の製
造工程を説明するための図、 第7図(a)および(b)は従来のNb系接合の形成に
おいて住しる課題を説明するための図、である。 (符号の説明) 10・・・半導体基板(Si)、   11・・・基部
電極(Nb)、12・・・トンネルツマリア層(八10
X)、13・・・対向電極(Nb)、 14A4a・・−陽極酸化膜(NbzOs)、15・・
・エツチングストッパ(Nb)、16・・・陽極酸化膜
(NbzOs)、 17・・・絶縁層(SiO□)、1
8・・・配線層(Nb)、 21.2’la〜21d、22.23−マスク (レジ
スト)、J、・・・接合を形成すべき領域、 J2・・・領域J、より大きい第2の領域。 本発明の一実施例としてのノヨセフソン素子の構造を示
す断面図 第1図 1o・・・半導体基板(Si) 11・・・基部電極(Nb ) 12・・・ トンネルバリア層(AtOx)13・・・
対向電極(Nb ) 14・・・陽極酸化膜(Nb205) 15・・・ エツチングストツノf(Nb)16・・・
陽極酸化膜(Nb205) 17・・・絶縁層(Si02) 18°°°配線層(Nb ) 43′12 第1図の素子の製造工程図 第2図 i2B  第1図の素子のa造工程図 第3図 第2図fblの工程の変形例を説明するための上面図第
4図 陽極酸化          陽極酸化第3図(d)の
工程の変形例を説明するための上面図第5図 説明するための図
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a Josephson device as an embodiment of the present invention, FIGS. 2(a) to (g) are manufacturing process diagrams of the device in FIG. 1, and FIGS. 3(a) to (d) is a diagram for explaining the manufacturing process of a modification of the element shown in FIG. 1, and FIGS. 4(a) and (b) are diagrams for explaining a modification of the process of FIG. 2(b). 5(a) and (b) are top views for explaining a modification of the process of FIG. 3(d), and FIGS. 6(a) to (c) are top views of the element of FIG. 1. 7(a) and 7(b) are diagrams for explaining the manufacturing process of another modification. (Explanation of symbols) 10...Semiconductor substrate (Si), 11...Base electrode (Nb), 12...Tunnel layer (810)
X), 13... Counter electrode (Nb), 14A4a...-Anodized film (NbzOs), 15...
・Etching stopper (Nb), 16... Anodic oxide film (NbzOs), 17... Insulating layer (SiO□), 1
8... Wiring layer (Nb), 21.2'la to 21d, 22.23-mask (resist), J,... region where a junction is to be formed, J2... region J, larger second area. A cross-sectional view showing the structure of a Noyosefson device as an embodiment of the present invention.・
Counter electrode (Nb) 14... Anodic oxide film (Nb205) 15... Etching hole f (Nb) 16...
Anodic oxide film (Nb205) 17... Insulating layer (Si02) 18°°° Wiring layer (Nb) 43'12 Manufacturing process diagram for the device in Figure 1 Figure 2 i2B Manufacturing process diagram for the device in Figure 1 FIG. 3: A top view for explaining a modification of the process in FIG. illustration

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、半導体基板(10)上に形成されたニオブからなる
第1の導電層(11)と、 該第1の導電層上で接合を形成すべき領域(J_1)上
に形成された弱い超導電性を呈する第1の絶縁層(12
)と、 該第1の絶縁層上に形成されたニオブからなる第2の導
電層(13)と、 前記第1の導電層上で前記第1の絶縁層および第2の導
電層を挟むようにして形成された第2の絶縁層(14、
14a)と、 前記接合を形成すべき領域を含み且つ該領域より大きい
第2の領域(J_2)に亘って前記第2の導電層および
第2の絶縁層の上に形成されたニオブからなる第3の導
電層(15)と、 第4の導電層(18)が前記第3の導電層に接触し得る
ようなコンタクト孔を有するように形成された第3の絶
縁層(17)と、を備えてなるジョセフソン素子。 2、半導体基板(10)上にニオブからなる第1の導電
層(11)、弱い超伝導性を呈する第1の絶縁層(12
)およびニオブからなる第2の導電層(13)を順にデ
ポジションする第1の工程と、 該デポジションされた積層体に対し接合を形成すべき領
域(J_1)が残るように陽極酸化(14、14a)を
行う第2の工程と、 ニオブからなる第3の導電層(15)をデポジションす
る第3の工程と、 前記第3の導電層に対し前記接合を形成すべき領域を含
み且つ該領域より大きい第2の領域(J_2)を導電層
の状態で残す第4の工程と、 全面に亘って第2の絶縁層(17)をデポジションした
後、前記第2の領域の一部に対応する部分を反応性イオ
ンエッチングにより除去する第5の工程とを具備し、 該エッチングに用いる反応ガスを選択して前記第2の絶
縁層のみが除去され得るようにしたジョセフソン素子の
製造方法。 3、前記第2の工程は、接合を形成すべき領域(J_1
)を規定するためにマスク(21;21a、21b)を
形成した後で陽極酸化(14)を行う工程を少くとも1
回含む、請求項2記載のジョセフソン素子の製造方法。 4、前記第2の工程は、接合を形成すべき領域(J_1
)を規定するためにマスク(21;21c、21d)を
形成した後で前記第2の導電層(13)を反応性イオン
エッチングにより除去する工程と、該マスクを残したま
まで陽極酸化(14a)を行う工程とをそれぞれ少くと
も1回ずつ含む、請求項2記載のジョセフソン素子の製
造方法。
[Claims] 1. A first conductive layer (11) made of niobium formed on a semiconductor substrate (10), and a region (J_1) on which a junction is to be formed on the first conductive layer. The formed first insulating layer (12) exhibiting weak superconductivity
), a second conductive layer (13) made of niobium formed on the first insulating layer, and sandwiching the first insulating layer and the second conductive layer on the first conductive layer. The formed second insulating layer (14,
14a), and a second region (J_2) made of niobium formed on the second conductive layer and the second insulating layer over a second region (J_2) that includes the region where the junction is to be formed and is larger than the region. a third conductive layer (15); and a third insulating layer (17) formed to have a contact hole through which a fourth conductive layer (18) can come into contact with the third conductive layer. Josephson element to prepare. 2. A first conductive layer (11) made of niobium and a first insulating layer (12) exhibiting weak superconductivity on a semiconductor substrate (10).
) and niobium (13), and anodizing (14) so that a region (J_1) in which a bond is to be formed remains in the deposited stack. , 14a); a third step of depositing a third electrically conductive layer (15) of niobium; a fourth step of leaving a second region (J_2) larger than the second region in the state of a conductive layer; and after depositing a second insulating layer (17) over the entire surface, a part of the second region a fifth step of removing a portion corresponding to the second insulating layer by reactive ion etching, and selecting a reactive gas used in the etching so that only the second insulating layer can be removed. Method. 3. In the second step, the area where the bond is to be formed (J_1
) After forming the mask (21; 21a, 21b), the step of anodizing (14) is performed at least once.
3. The method of manufacturing a Josephson device according to claim 2, comprising: 4. In the second step, the area where the bond is to be formed (J_1
) and removing the second conductive layer (13) by reactive ion etching after forming a mask (21; 21c, 21d) to define the mask (21; 21c, 21d); and anodizing (14a) with the mask remaining. 3. The method of manufacturing a Josephson device according to claim 2, further comprising the step of performing the following steps at least once each.
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