JPH0282661A - 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

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JPH0282661A
JPH0282661A JP63233726A JP23372688A JPH0282661A JP H0282661 A JPH0282661 A JP H0282661A JP 63233726 A JP63233726 A JP 63233726A JP 23372688 A JP23372688 A JP 23372688A JP H0282661 A JPH0282661 A JP H0282661A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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/A 10./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、酸化膜がエツ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
縁膜をドライエツチングし、前記酸化膜をエツチング停
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。
〔産業上の利用分野〕
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/A 10./Nbジョセフソン
素子の製造方法に関する。
近年、Nb/A A O,/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/A l O,/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/A
 I!0.、/Nb接合径を現在の2声程度から1μm
以下へと縮小化してゆく必要がある。
〔従来の技術〕
微細な接合面積を有す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 、6123
9096 、61−243714に開示されているよう
に上層Nbf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 10./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S
i基板l上に下部Nb電極2、へ1−A10X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R[Eで加工した後、
SiO□層間絶縁膜6を全面に成膜し、5i02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1−をとる。
この方法ではNbzOs陽極酸化膜5をSiO□層間絶
縁膜を上記コンタクトホール形成時のエツチング停止層
として利用し約0.7 tnn径の接合を可能にした。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、この方法では、5i02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、Cl1F3を用
いる。エツチング速度は、Sin、に対しては30nn
+/分、Nb、O5に対しては15nm/分、Nbに対
しては5nn+/分である。約400〜500nRI厚
のSin2層がエツチングされ、NbとNbzOsが露
出した時点でエツチングを停止させる。上記のようにN
bやNbzOsに対するエツチング速度は、SiO□に
対する速度よりも小さいので、2〜3分間のオーバー・
エツチングでもNbやNbzosが大きくエツチングさ
れることはない。しかし、上層NbやNbzOs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70nm
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Singを
用いる場合は、上層Nb上に成膜されたSS102(5
0n厚)もエツチングして上層Nbと配線とのコンタク
トをとる必要がある。このため、Nb2O5がそのエツ
チング時間分だけ余計にエツチングされることになる。
一方、Nb、05の部分では下層Nb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v
AN b層8の成膜前(コンタクト穴の形成直後)のN
bzOs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j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。
〔課題を解決するための手段〕
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、酸化膜がエツ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
縁膜をドライエツチングし、前記酸化膜をエツチング停
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、 P
b合金等が用いられ、トンネルバリア層として八10X
I Mgo、 In0X等が上記Nb。
NbN、 Pb合金にそれぞれ対応して用いられる。
〔作 用〕
本発明では上部電極をNb/A l /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Nbzosのみでな(NbzOs/^j! 20
3/Nb2O5の三層構造になる。一般にAlおよびA
lの酸化物はフッ素系ガスによるRIEではエツチング
されにくい。このためSiO□iO□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A 1
 z(hがエツチング停止層として機能し、微細なジョ
セフソン接合の作成に寄与する。
〔実施例〕
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
ための工程断面図である。
第1A図に示すように、例えばSi等の基板11上に下
層Nb12.ANを順次スパッタ法によりそれぞれ膜厚
100〜300nm 、 3〜10 nm成膜する。次
に真空槽内に酸素を導入し、A11表面を酸化しAl低
層を形成し、AJ−Ai、)ンネルバリア膜13を形成
する。次に上部電極部17としてNb成膜4、へl膜1
5、Nb膜16を順にスパッタにより成膜してNb/A
 l /Nb三層構造を形成する。膜厚はそれぞれ30
〜100 、3〜10 、30〜1100nとした、な
おこの工程ではA1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5On+nの膜厚のSi
O□膜18全18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
されてレイる。
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をマスクとして二亥5102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ClIF5を用い
る。
次に第1C図に示すように、上記SiO□膜18をマス
クとして上部電極Nb/A n /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、^12
03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/cal
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。1■では0.9BmのNbが酸化さ
れ、2.3nIlのNb2O,膜が形成される。なお、
上部電極Nb/A I /Nbの下のAjO,−へl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膜 A l zos/ NbzO3
) 23 。
A 1−A I OX成膜3、Nb成膜2をRIEによ
りパタニングし、下部電極層のパターンを形成する。
反応ガスとしてNb2O,はClIF5. NbにはC
F4を用いる。AIやAiXはArスバフタエッチング
で除去する。
次に第1E図に示すように全面に眉間絶縁膜として膜厚
400〜700nmのSing膜24をスパッタ法で成
膜する。
次にHF図に示すようにレジストをマスクとしてRIE
加工を行い、SiO□膜24にコンタクトホール25を
形成する。反応ガスはCHF、を用いる。
Singに対してのエツチング速度は前述のように、3
0nm/分である。一方、NbzOsに対しては15n
m/分、Nbに対しては5nm/分である。従来オーバ
ーエツチングによってNbzOsが薄くなることが問題
であったが、Afの陽極酸化膜においてエツチングは停
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Nb、0.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5
00〜l100OnのNb配線層25を成膜し、RIE
加工する。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば上部電極をNb/A
β/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SiO□にコンタクトホールを加工す
る工程において、オーバーエツチングしてもAI!の陽
極酸化膜においてエツチングが停止する。このため、N
bzosが薄くなり下層Nbと配4iNb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。
【図面の簡単な説明】
第1八図ないし第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。 l・・・Si基板、     2・・・下部Nb電極、
3、I3・・・Al−A(20,l−ンネルバリア膜、
4・・・上部Nb電極、   5,23・・・陽極酸化
膜、6.24・・・Sing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
・・・AIl膜、    18・・・5if2.19・
・・レジストパターン、 20 、22・・・Nb2O5膜、  21・・−A 
6203膜。 第1A図 第]E届 17・・・ujbt極邪 第7G f2Q 24・・・5102層間絶縁膜 25・・・コンタクトホール 26・・・Nb配線層 従来側 1・・・51基板 4・・・上部Nb電極 5・・・陽極酸化膜 6・・・SiO2層間絶縁膜 7・・・コンタクトホール 8・・・Nb配線層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 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。
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Cited By (3)

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