JPH03263884A - Manufacture of josephson integrated circuit - Google Patents

Manufacture of josephson integrated circuit

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JPH03263884A
JPH03263884A JP2061092A JP6109290A JPH03263884A JP H03263884 A JPH03263884 A JP H03263884A JP 2061092 A JP2061092 A JP 2061092A JP 6109290 A JP6109290 A JP 6109290A JP H03263884 A JPH03263884 A JP H03263884A
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JP
Japan
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layer
critical current
integrated circuit
sputtering
superconducting
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JP2061092A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Imamura
健 今村
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable a critical current to be increased at a contact part or a stepped part and further to contribute to improvement in integration and miniaturization of a Josephson integrated circuit by applying a high-frequency bias power to a substrate when forming an upper-side superconductive wiring layer by the sputtering method with an inactive gas. CONSTITUTION:A surface of a second Nb layer 14 and that of a first Nb layer 14 which are exposed within a contact hole are subjected to Ar sputter cleaning before forming a third Nb layer 16. Then, the third Nb layer 16 is formed on the entire surface by DC magnetron sputtering. In that case, a high-frequency bias power is being applied to a substrate.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 ジョセフソン集積回路の製造方法、より詳しくは、微細
なコンタクトや超伝導の機箱配線を有するジョセフソン
集積回路の製造方法に関し、上側超伝導配線をスパッタ
リングで形成する際に、コンタクトホールなどのような
段差部(側壁部)のあるところでの該配線の厚さ減少を
回避して、臨界電流を大きくすることのできる上側超伝
導配線の形成方法を提供することを目的とし、基板上に
下側超伝導配線層、段差部を有する絶縁層、および前記
段差部を含緬て前記絶縁層を覆う上側超伝導配線層を順
次形成したジョセフソン集積回路の製造方法において、
上側超伝導配線層を不活性なガスでのスパッタリング法
によって形成する際に、基板に高周波バイアス電力を印
加するように構成する。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] A method for manufacturing a Josephson integrated circuit, more specifically, a method for manufacturing a Josephson integrated circuit having fine contacts and superconducting wiring, in which the upper superconducting wiring is sputtered. To provide a method for forming an upper superconducting interconnect that can increase critical current by avoiding a decrease in the thickness of the interconnect at a step portion (side wall portion) such as a contact hole when forming the upper superconducting interconnect. For the purpose of manufacturing a Josephson integrated circuit, a lower superconducting wiring layer, an insulating layer having a stepped portion, and an upper superconducting wiring layer covering the insulating layer including the stepped portion are sequentially formed on a substrate. In the method,
The configuration is such that high frequency bias power is applied to the substrate when forming the upper superconducting wiring layer by sputtering with an inert gas.

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

本発明は、ジョセフソ より詳しくは、微細なコ 配線を有するジョセフソ 関する。 The present invention For more details, see joseph so with wiring related.

ン集積回路の製造方法、 ンククトや超伝導の微細 ン集積回路の製造方法に 〔従来の技術〕 代表的なジョセフソン集積回路は、Nb/in。a method for manufacturing integrated circuits; Fine details of superconductivity and superconductivity integrated circuit manufacturing method. [Conventional technology] A typical Josephson integrated circuit is Nb/in.

/Nb構造のジョセフソン接合素子、Nb(ニオブ)の
超伝導配線、5102 、S+3Nmなどの層間絶縁層
、Mo、Ti、Zr、Wなどの抵抗層からなり、これら
を積層して回路構成に製作される。回路集積度を上げる
ためには、接合面積を小さくし、さらに配線間のコンタ
クト面積や配線の寸法(厚さ、幅)を小さくする微細化
が必要である。
/Nb structure Josephson junction element, Nb (niobium) superconducting wiring, interlayer insulating layers such as 5102, S+3Nm, and resistance layers such as Mo, Ti, Zr, and W, and these are laminated to form a circuit configuration. be done. In order to increase the degree of circuit integration, it is necessary to reduce the junction area, further reduce the contact area between wirings and the dimensions (thickness, width) of the wirings.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

ジョセフソン集積回路での下側超伝導配線1と上側超伝
導配線2とを層間絶縁層3に設けたコンタクトホールを
介して接続するコンタクト構造は第5図に示すようなも
のである。これらは絶縁性の基板4の上に積層形成され
ている。例えば、下側Nb超伝導層1の厚さが2001
mで、SiO□層間絶縁層3の厚さが250〜350n
mである。この絶縁層3にコンタクトホールをリアクテ
ィブイオンエツチング(RIE)法などで選択エツチン
グして形成する際に、コンタクト面積を小さ−くしてゆ
くと、ホール(孔)のアスペクト比(絶縁層厚さ/コン
タクトホールのサイズ)が太き(なる。そして、上側N
b超伝導層2をコンタクトホール内および絶縁層3上に
通常の直流(DC)または高周波(RF)マグネトロン
スパッタリング法によって形成した場合に、第5図に示
すようにコンタクトホール内の側壁部に付着(堆積)す
るNb層2はその厚さが平坦部に付着したNb層2の厚
さに比べてかなり薄くなってしまう。このために、下側
Nb層1と上側Nb層2とのコンタクト部を流れる超伝
導臨界電流1.cは、(1)コンタクトホール側壁部に
付着した薄い上側Nb層2を流れる電流か、または、(
2)コンタクトホール底部の下側Nb層層表表面ある自
然酸化膜(Nb層成膜前にスパッタクリーニングによっ
て出来るだけ除去しておく)を通して流れ得る電流のい
ずれか小さいほうで決まる。さらに、上記(1)要因の
電流はコンタクトホールのサイズおよびホールアスペク
ト比に依存しており、また上記(2)要因の電流はコン
タクト面積およびスパッタクリーニング条件に依存して
いる。すなわち、(1)要因の電流はコンタクトホール
の一辺長に比例し、かつ(2)要因の電流はコンタクト
ホールの面積に比例する。
A contact structure for connecting lower superconducting wiring 1 and upper superconducting wiring 2 in a Josephson integrated circuit through a contact hole provided in interlayer insulating layer 3 is as shown in FIG. These are laminated on an insulating substrate 4. For example, the thickness of the lower Nb superconducting layer 1 is 2001
m, and the thickness of the SiO□ interlayer insulating layer 3 is 250 to 350 nm.
It is m. When forming a contact hole in this insulating layer 3 by selective etching using a reactive ion etching (RIE) method, etc., as the contact area is reduced, the aspect ratio of the hole (insulating layer thickness/ The size of the contact hole becomes thicker, and the upper N
b When the superconducting layer 2 is formed in the contact hole and on the insulating layer 3 by normal direct current (DC) or radio frequency (RF) magnetron sputtering method, it adheres to the side wall in the contact hole as shown in Fig. 5. The thickness of the (deposited) Nb layer 2 becomes considerably thinner than the thickness of the Nb layer 2 deposited on the flat portion. For this purpose, a superconducting critical current 1. c is (1) the current flowing through the thin upper Nb layer 2 attached to the side wall of the contact hole, or (
2) It is determined by the smaller of the currents that can flow through the natural oxide film (removed as much as possible by sputter cleaning before forming the Nb layer) on the surface of the lower Nb layer at the bottom of the contact hole. Further, the current factor (1) above depends on the size of the contact hole and the hole aspect ratio, and the current factor (2) above depends on the contact area and sputter cleaning conditions. That is, the current of factor (1) is proportional to the side length of the contact hole, and the current of factor (2) is proportional to the area of the contact hole.

そこで、発明者らが行なった実験では第6図に示すよう
なコンタクト部での臨界電流Icの結果が得られている
。この場合には、層間絶縁(S102)層3の厚さが3
00nmで、コンタクトホール面積は1〜9p2(コン
タクトホール形状は正方形)とし、上側Nb層成膜前に
アルゴン(Ar)10mTorr中で300vの印加電
圧にて3分間のスパッタクリーニングを行なった。そし
て、その厚さを80℃、500および300nmと変え
てDCスパッタリングにて上側Nb層2を形成して臨界
電流を測定した。第6図かられかるように、Nb層の厚
さが小さくなるにつれて臨界電流も小さくなっている。
Therefore, in an experiment conducted by the inventors, results of the critical current Ic at the contact portion as shown in FIG. 6 were obtained. In this case, the thickness of the interlayer insulation (S102) layer 3 is 3
00 nm, the contact hole area was 1 to 9p2 (contact hole shape is square), and sputter cleaning was performed for 3 minutes at an applied voltage of 300 V in argon (Ar) of 10 mTorr before forming the upper Nb layer. Then, the upper Nb layer 2 was formed by DC sputtering with the thickness changed to 500 and 300 nm at 80° C., and the critical current was measured. As can be seen from FIG. 6, as the thickness of the Nb layer becomes smaller, the critical current also becomes smaller.

特に、厚さ800nmの場合には、臨界電流はコンタク
ト面積にほぼ比例しており、上記(2)要因にて決定さ
れていることがわかる。そして、Nb層厚さの減少とと
もに、臨界電流が小さくなAだけでなく線型性も悪くな
る。これは、500nm以下の厚さでは、臨界電流は上
記(1)要因にて決定されることを示唆している。
In particular, when the thickness is 800 nm, the critical current is approximately proportional to the contact area, and is determined by the factor (2) above. As the thickness of the Nb layer decreases, not only A, which has a small critical current, but also linearity deteriorates. This suggests that at a thickness of 500 nm or less, the critical current is determined by the factor (1) above.

ジョセフソン集積回路の集積度を上げるためには、超伝
導配線の線−幅だけでなく厚さも低減することが必要と
なり、第6図に示されたように、薄いNb配線を用いた
場合でのコンタクト部の臨界電流の低下は回路の動作上
大きな問題である。
In order to increase the integration density of Josephson integrated circuits, it is necessary to reduce not only the line width but also the thickness of the superconducting wiring, and as shown in Figure 6, when using thin Nb wiring, The reduction in the critical current of the contact portion is a major problem in terms of circuit operation.

本発明の目的は、上側超伝導配線をスパッタリングで形
成する際に、コンタクトホールなどのような段差部(側
壁部)のあるところでの該配線の厚さ減少を回避して、
臨界電流を大きくすることのできる上側超伝導配線の形
成方法を提供することである。
An object of the present invention is to avoid a reduction in the thickness of the upper superconducting wiring at a step part (side wall part) such as a contact hole when forming the upper superconducting wiring by sputtering.
It is an object of the present invention to provide a method for forming an upper superconducting wiring that can increase critical current.

本発明の別の目的は、ジョセフソン集積回路の集積度向
上になる超伝導配線及びコンタクトの微細化形成に寄与
するジョセフソン集積回路の製造方法を提供することで
ある。
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a Josephson integrated circuit that contributes to miniaturization of superconducting wiring and contacts that improves the degree of integration of the Josephson integrated circuit.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上述の目的が、基板上に下側超伝導配線層、段差部を有
する絶縁層、および前記段差部を含めて前記絶縁層を覆
う上側超伝導配線層を順次形成したジョセフソン集積回
路の製造方法において、上側超伝導配線層を不活性なガ
スでのスパッタリング法によって形成する際に、基板に
高周波バイアス電力を印加することを特徴とするジョセ
フソン集積回路の製造方法によって達成される。
The above-mentioned object is a method for manufacturing a Josephson integrated circuit, in which a lower superconducting wiring layer, an insulating layer having a stepped portion, and an upper superconducting wiring layer covering the insulating layer including the stepped portion are sequentially formed on a substrate. This is achieved by a method of manufacturing a Josephson integrated circuit characterized in that high frequency bias power is applied to the substrate when the upper superconducting wiring layer is formed by sputtering with an inert gas.

〔作 用〕[For production]

本発明においては、絶縁層のコンタクトホールや段差部
での端部(縁部)に印加したバイアス電力の電界が集中
することになって、スパッタリングでの不活性ガス(A
rなど)イオンが該端部に付着した超伝導材(上側超伝
導配線)をエツチング(再スパツタリング)することに
なる。そして、ここでエツチングされた超伝導材がコン
タクトホールや段差部の側壁部ないし底部に再付着して
、コンタクトホール内の超伝導配線の厚さを平坦部上の
超伝導配線厚さよりも厚<L(10〜20%厚い)、か
つ側壁部上の厚さも従来の場合よりも厚くなる。
In the present invention, the electric field of the bias power applied to the contact hole or the edge of the step portion of the insulating layer is concentrated, so that the inert gas (A
(r, etc.) ions will etch (re-sputter) the superconducting material (upper superconducting wiring) attached to the end. Then, the etched superconducting material re-attaches to the sidewalls or bottoms of the contact holes and stepped portions, causing the thickness of the superconducting wiring inside the contact holes to be less than the thickness of the superconducting wiring on the flat portions. L (10-20% thicker), and the thickness on the side wall is also thicker than in the conventional case.

このことによって、コンタクトホールおよび超伝導配線
の微細化を図りつつ臨界電流を大きくすることができる
This makes it possible to increase the critical current while miniaturizing the contact hole and the superconducting wiring.

上側および下側超伝導配線が、ニオブ、ニオブの化合物
(NbN、 Nb3Sn、 Nb3Geなど)および合
金(Nb−T+)、および高温酸化物超伝導材(Y−B
a−Cu−0゜B l−31−Ca−Cu−0など)の
いずれかで(特に、Nbで)作られることは好ましい。
The upper and lower superconducting interconnects are made of niobium, niobium compounds (NbN, Nb3Sn, Nb3Ge, etc.) and alloys (Nb-T+), and high-temperature oxide superconducting materials (Y-B
a-Cu-0°B 1-31-Ca-Cu-0, etc.) (especially Nb).

また、高周波バイアス電力の電圧が−100〜−300
vであることが好ましく、これよりも低い電圧ではその
効果が小さく、一方、高い電圧では膜自身の超伝導特性
が劣化すると共に、形成する上側超伝導配線の絶縁層端
部相当箇所が削りすぎにより平坦部上よりも薄くなって
しまう問題が生ずる。
Also, the voltage of high frequency bias power is -100 to -300
V is preferable; lower voltages have a smaller effect, while higher voltages deteriorate the superconducting properties of the film itself and cause excessive removal of the portions corresponding to the ends of the insulating layer of the upper superconducting wiring to be formed. This causes a problem that the thickness becomes thinner than on the flat part.

〔実施例〕〔Example〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施態様例によって
本発明の詳細な説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail by way of embodiments with reference to the accompanying drawings.

第1実施例 第1図および第2a図〜第2d図に示すように、ジョセ
フソン集積回路を本発明にしたがって次のようにして作
製する。
First Embodiment As shown in FIGS. 1 and 2a-2d, a Josephson integrated circuit is fabricated in accordance with the present invention as follows.

まず、シリコン単結晶基板を熱酸化して5in2絶縁層
を形成し、これを基板11とする。そして、第2a図に
示すように、この基板11上に通常のDCマグネトロン
スパッタリングによって11Nb層12を厚さ100〜
200nmで全面に形成(堆積)する。
First, a silicon single crystal substrate is thermally oxidized to form a 5in2 insulating layer, and this is used as the substrate 11. Then, as shown in FIG. 2a, an 11Nb layer 12 is deposited on this substrate 11 to a thickness of 100 to 100 nm by normal DC magnetron sputtering.
It is formed (deposited) on the entire surface with a thickness of 200 nm.

ジョセフソン接合のために、A1層(厚さ:約7nm)
をDCマグネトロンスパッタリングによって第1Nb層
12上に形成し、スパッタリング装置の真空チャンバー
内に酸素を導入してAAO,層(厚さ:1〜2nm)を
形成してio、−A[接合層13を形成する。接合層1
3の上に第2Nb層14をDCマグネトロンスパッタリ
ングによって厚さ30〜200nmで形成する。
A1 layer (thickness: about 7 nm) for Josephson junction
is formed on the first Nb layer 12 by DC magnetron sputtering, and oxygen is introduced into the vacuum chamber of the sputtering device to form an AAO, layer (thickness: 1 to 2 nm). Form. Bonding layer 1
A second Nb layer 14 is formed on the substrate 3 by DC magnetron sputtering to a thickness of 30 to 200 nm.

次に、第2b図に示すように、フォトレジスト層20を
ジョセフソン接合部形状で第2Nb層14上にフォトリ
ングラフィによって形成する。このレジスト層20をマ
スクとして、CF、ガスをエッチャントにもちいたRI
Eによって第2Nb層14を、続いてArによるスパッ
タエツチングによってi眠−^β接合層13を除去して
、レジスト層20で覆われていた部分を残す。
Next, as shown in FIG. 2b, a photoresist layer 20 is photolithographically formed on the second Nb layer 14 in the shape of a Josephson junction. Using this resist layer 20 as a mask, RI using CF and gas as an etchant
The second Nb layer 14 is removed using E and then the i-^β junction layer 13 is removed by sputter etching using Ar, leaving the portion covered by the resist layer 20.

第2C図に示すように、所定配線パターンのフォトレジ
スト層21を第2Nb層14および第1Nb層12の上
にフォトリングラフィによって形成する。
As shown in FIG. 2C, a photoresist layer 21 having a predetermined wiring pattern is formed on the second Nb layer 14 and the first Nb layer 12 by photolithography.

このレジスト層21をマスクとして、CF、ガスをもち
いてRIEによって第1Nb層12を選択エツチングす
る。
Using this resist layer 21 as a mask, the first Nb layer 12 is selectively etched by RIE using CF and gas.

次に、第2d図に示すように、5102絶縁層(厚さ+
 200〜400nmH5をRF−7グネトロンスパツ
タリングによって全面に形成し、通常のリングラフィ法
にしたがってレジスト層(図示せず)を形成し、C)I
F3ガスをエッチャントにもちいたRIEによって81
02層15を選択エツチングして接合部でのコンタクト
ホール22および配線相互の接続用コンタクトホール2
3を形成する。
Next, as shown in Figure 2d, 5102 insulation layers (thickness +
C) I
81 by RIE using F3 gas as an etchant.
02 layer 15 is selectively etched to form contact holes 22 at junctions and contact holes 2 for connecting interconnections.
form 3.

第1図に示すように第3Nb層16を形成する前に、コ
ンタクトホール内に表出している第2Nb層14および
第1Nb層12の表面をArスパッタクリーニングする
。このクリーニング条件は、圧力が1.3Paで、印加
電圧が−200〜−300Vで、スハッタ時間が2〜5
分である。そして、第3Nb層16(厚さ: 300〜
600nm)をDC?ダネトロンスパッタリングにて全
面に形成し、その際に、基板に高周波バイアス電力(周
波数: 13.56MHz、電圧ニー100〜−300
 V )を印加した状態を保つ。このようにバイアスを
かけた状態でスパッタリングを行なう。その成膜速度は
100〜200nm/分である。通常のリングラフィ法
にしたがってレジスト層(図示せず)を形成し、CF2
をもちいたRIEによって第3Nb層16を選択エツチ
ングして、所定配線パターンにする。
As shown in FIG. 1, before forming the third Nb layer 16, the surfaces of the second Nb layer 14 and the first Nb layer 12 exposed in the contact hole are cleaned by Ar sputtering. The cleaning conditions are a pressure of 1.3 Pa, an applied voltage of -200 to -300 V, and a shatter time of 2 to 5.
It's a minute. Then, the third Nb layer 16 (thickness: 300~
600nm) to DC? It is formed on the entire surface by Dunnetron sputtering, and at that time, high frequency bias power (frequency: 13.56 MHz, voltage knee 100 to -300
V) is kept applied. Sputtering is performed with this bias applied. The film formation rate is 100 to 200 nm/min. A resist layer (not shown) is formed according to the usual phosphorography method, and CF2
The third Nb layer 16 is selectively etched by RIE using etching to form a predetermined wiring pattern.

上述した工程でコンタクト部Aおよびジョセフソン接合
部Bを有するジョセフソン集積回路を製作することがで
きる。なお、実際の集積回路においては、この他に超伝
導接地面、抵抗層、ジョセフソン接合の制御線、および
これらに伴なう層間絶縁層などを形成する必要があるが
、公知の工程にしたがって形成すればよいので本明細書
ではその説明を省略する。
A Josephson integrated circuit having a contact portion A and a Josephson junction portion B can be manufactured by the above-described process. In addition, in an actual integrated circuit, it is necessary to form a superconducting ground plane, a resistance layer, a Josephson junction control line, and an interlayer insulating layer accompanying these, but these steps are performed according to known processes. Since it is only necessary to form it, its explanation will be omitted in this specification.

第1図でのコンタクト部へにおいて、第1Nb層(下側
超伝導層)12と第3Nb層(上側超伝導層)16との
間のコンタクト特性を下記条件で評価した。
In the contact portion shown in FIG. 1, the contact characteristics between the first Nb layer (lower superconducting layer) 12 and the third Nb layer (upper superconducting layer) 16 were evaluated under the following conditions.

第1Nb層12の厚さを2001mとし、Sin□絶縁
層15の厚さを300nmとし、第3Nb層16の厚さ
を300nm又は500nmとした。コンタクトホール
23(第2C図)の形状を正方形として、その−辺長さ
を1.0 、1.5 、2.0 、2.5および3゜O
pMの5種類とした。Arによるスパッタクリーニング
を1.3Pa圧力で、−300Vの印加電圧にて、3分
間行なった。第3Nb層16をバイアス電圧(200V
The thickness of the first Nb layer 12 was 2001 m, the thickness of the Sin□ insulating layer 15 was 300 nm, and the thickness of the third Nb layer 16 was 300 nm or 500 nm. The shape of the contact hole 23 (Fig. 2C) is a square, and the lengths of the negative sides are 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 and 3°O.
There were five types of pM. Sputter cleaning with Ar was performed at a pressure of 1.3 Pa and an applied voltage of -300 V for 3 minutes. The third Nb layer 16 is applied at a bias voltage (200V
.

150 V )で、比較例としてバイアス電圧を印加し
ない(OV)で、アルゴン雰囲気(1,3Pa)下にて
スパッタ形成した。このようなコンタクト部の臨界電力
Icを4.2K(液体ヘリウム温度)にて測定して、得
られた結果を第3図に示す。
150 V), and as a comparative example, sputtering was performed in an argon atmosphere (1.3 Pa) without applying a bias voltage (OV). The critical power Ic of such a contact portion was measured at 4.2 K (liquid helium temperature), and the obtained results are shown in FIG.

第3a図では、横軸が正方形コンタクトホールの一辺長
さであり、縦軸が臨界電流である。第3a図かられかる
ように、バイアス電界を印加しない場合と比べてバイア
ススパッタで形成した場合には、臨界電流が2〜10倍
とかなり大きくなる。
In FIG. 3a, the horizontal axis is the side length of the square contact hole, and the vertical axis is the critical current. As can be seen from FIG. 3a, the critical current is considerably larger, 2 to 10 times, when formed by bias sputtering than when no bias electric field is applied.

特に、コンタクト面積(角形コンタクトの一辺長さ〉が
小さく(1,0〜1.57==)かつNb層厚さが薄い
(300nm)の場合に、臨界電流の改善が顕著である
。また、第3a図に示されたように臨界電流はコンタク
トホール周辺長と線型関係にあり、(1)要因で決定さ
れることを示している。そして、従来のスパッタリング
法(ノンバイアススパッタリング法)と比べて同じコン
タクトサイズ(面積)で臨界電流の増大が図れるのは上
記(1)要因が改善されていると考えられる。
In particular, the improvement in critical current is remarkable when the contact area (length of one side of the square contact) is small (1.0 to 1.57 = =) and the Nb layer thickness is thin (300 nm). As shown in Figure 3a, the critical current has a linear relationship with the contact hole peripheral length, indicating that it is determined by the factor (1).Compared with the conventional sputtering method (non-bias sputtering method), The reason why the critical current can be increased with the same contact size (area) is thought to be due to the improvement of factor (1) above.

また、バイアススパッタで形成した第3Nb層はその厚
さが500nmと厚い場合には、2.0p角コンタクト
で180mAもの臨界電流となり、バイアスなしの厚さ
800nm(第6図)のNb層での臨界電流(約60m
A)よりはるかに大きい。前者の臨界電流は上記(2)
要因から決まり、後者は上記(1)要因から決まると考
えられる。したがってバイアススパッタ(前者)の場合
には、上記(2)要因で決まる臨界電流も当然180m
A以上になっていることになる(なぜなら、臨界電流は
(1)、  (2)の小さい方の要因で決定されるから
である)。−方、上記(2)要因で決まる臨界電流は、
本来Nb成膜前のスパッタクリーニング条件だけで決定
されて、上側Nb層の厚さには依存しないはずである。
In addition, if the third Nb layer formed by bias sputtering is as thick as 500 nm, a critical current of 180 mA will occur with a 2.0p angle contact, and the Nb layer with a thickness of 800 nm without bias (Figure 6) will have a critical current of 180 mA. Critical current (approximately 60m
A) Much larger. The critical current of the former is shown in (2) above.
The latter is thought to be determined by the factor (1) above. Therefore, in the case of bias sputtering (former), the critical current determined by the factor (2) above is naturally 180 m
(This is because the critical current is determined by the smaller of factors (1) and (2).) - On the other hand, the critical current determined by factor (2) above is:
Originally, it should be determined only by the sputter cleaning conditions before Nb film formation, and should not depend on the thickness of the upper Nb layer.

したがって、バイアススパッタの場合に、上記(2)要
因で決まる臨界電流か大きいというのはバイアススパッ
タを用いている点に原因があると考えられる。それは、
バイアススパッタ成膜の直前ないし初期に高周波バイア
ス印加により、下側Nb層表面の自然酸化膜が再び除去
されるためだと考えられる。〔通常のスパッタNb成膜
では、下側Nb層のスパッタクリーニング後にNbを形
成するまでの数分間の間に、Nb表面に薄い酸化膜が再
び形成されていると予想される。バイアススパッタ法で
は、この酸化膜も除去できる。〕従って、バイアススパ
ッタによるNb層形成にあたっては、基板にバイアス電
界のみを予め印加したのちに、バイアススパッタ成膜を
開始するのが好ましい。
Therefore, in the case of bias sputtering, the fact that the critical current determined by factor (2) above is large is considered to be due to the fact that bias sputtering is used. it is,
This is considered to be because the natural oxide film on the surface of the lower Nb layer is removed again by applying a high frequency bias immediately before or at the beginning of bias sputtering film formation. [In normal sputter Nb film formation, a thin oxide film is expected to be formed again on the Nb surface during several minutes after sputter cleaning of the lower Nb layer and before Nb is formed. This oxide film can also be removed by bias sputtering. ] Therefore, in forming the Nb layer by bias sputtering, it is preferable to apply only a bias electric field to the substrate in advance and then start bias sputtering film formation.

バイアススパッタNbを用いたコンタクトのもう一つの
特徴は、耐アニール特性に優れている点である。一般に
、Nb配線やコンタクトの臨界電流は、窒素雰囲気中で
もアニール処理によって劣化する。この原因は、表面に
形成されたNb酸化膜の酸素がNb膜内に拡散して行く
ためと考えられる。第3b図にコンタクトのアニール特
性を示す。縦軸はアニール前後の臨界電流比、横軸はア
ニール温度である。バイアスを印加しないNbの場合、
200℃のアニールでも、臨界電流は元の値の10%ま
で低下する。一方、バイアス印加した場合、臨界電流の
劣化はせいぜい10〜40%ていどである。この原因は
、コンタクト側壁部のNb膜厚が厚くなるため、アニー
ル時の酸素拡散の影響を少なくできるためと考えられる
。このように、バイアススパッタNbを用いたコンタク
トでは、その臨界電流が大きくなるだけでなく、耐アニ
ール特性にも顕著な改善が見られる。
Another feature of the contact using bias sputtered Nb is that it has excellent annealing resistance. Generally, the critical current of Nb interconnects and contacts is degraded by annealing even in a nitrogen atmosphere. The reason for this is thought to be that oxygen in the Nb oxide film formed on the surface diffuses into the Nb film. Figure 3b shows the annealing characteristics of the contact. The vertical axis represents the critical current ratio before and after annealing, and the horizontal axis represents the annealing temperature. In the case of Nb without applying bias,
Even with 200° C. annealing, the critical current decreases to 10% of its original value. On the other hand, when a bias is applied, the deterioration of the critical current is at most 10 to 40%. The reason for this is thought to be that the thicker Nb film on the contact sidewall portion reduces the influence of oxygen diffusion during annealing. In this way, the contact using bias sputtered Nb not only has a larger critical current, but also shows a remarkable improvement in annealing resistance.

第2実施例 バイアス電界を基板に印加した状態でのスパッタリング
による超伝導配線(Nb膜)形成における段差(ステッ
プ)カバレージについて、第4a図および第4b図を参
照して説明する。
Second Embodiment Step coverage in forming superconducting wiring (Nb film) by sputtering with a bias electric field applied to the substrate will be explained with reference to FIGS. 4a and 4b.

バイアススパッタによるNb層34の形状は、第4a図
に示すように、その下地の絶縁層33の段差形状に大き
く依存している。第1実施例と同様な基板31の上に第
1Nb層32を通常のスパッタリングで形成し、選択エ
ツチングで所定パターンにしてから、絶縁(S102)
層33を通常のスパッタリングにて形成(成膜)したと
きに、下地(Nb層の)段差のところでなめらかでない
凹みのあるような段差(逆テーパー状の段差)が生じて
しまうことがある。この絶縁層33の上に段差を越えて
延在する第2Nb層(配線)34をバイアススパッタで
形成すると、段差端部にて、第4b図に示すように、膜
厚が薄くなる恐れがある。そうなるとNb層(超伝導配
線)34の臨界電流が段差での薄い部分にて決められて
低くなってしまう。
The shape of the Nb layer 34 formed by bias sputtering largely depends on the step shape of the underlying insulating layer 33, as shown in FIG. 4a. A first Nb layer 32 is formed on a substrate 31 similar to that of the first embodiment by normal sputtering, formed into a predetermined pattern by selective etching, and then insulated (S102).
When the layer 33 is formed (deposited) by normal sputtering, a step that is not smooth and has a concave shape (reverse tapered step) may occur at the step of the base (Nb layer). If a second Nb layer (wiring) 34 extending over the step is formed on this insulating layer 33 by bias sputtering, the film thickness may become thinner at the end of the step, as shown in FIG. 4b. . In this case, the critical current of the Nb layer (superconducting wiring) 34 is determined by the thin portion at the step and becomes low.

このような臨界電流の低下を防止するには、第4b図に
示すように、上述したバイアススパッタで第2Nb層3
5を第4a図の場合よりも薄く形成(成膜)してから、
続けて基板バイアスをやめて通常のスパッタリングにて
第3Nb層36を形成すればよい。第2および第3Nb
層35.36がひとつのNb層を形成することになり、
2層構造である。
In order to prevent such a decrease in critical current, as shown in FIG.
After forming (filming) 5 thinner than in the case of Fig. 4a,
Subsequently, the third Nb layer 36 may be formed by normal sputtering without applying a substrate bias. 2nd and 3rd Nb
Layers 35 and 36 form one Nb layer,
It has a two-layer structure.

例えば、第2および第3Nb層35.36の厚さを両方
とも300nmとする。そして、2層でなく、もっと多
層な構造にすることも可能であり、この場合でも最下層
のNb層はバイアススパッタ法で形成する。この実施例
では段差側壁部でのNb層厚さを、従来よりもバイアス
電界印加によってNb層膜段差表面形状プロフィル)を
なだらかにしてその上にさらにNb層を形成することで
厚くできるので、上記(1)要因で決まる臨界電流大き
くすることができる。
For example, the thicknesses of the second and third Nb layers 35 and 36 are both 300 nm. It is also possible to have a multilayer structure instead of two layers, and even in this case, the lowermost Nb layer is formed by bias sputtering. In this example, the thickness of the Nb layer at the step sidewall can be made thicker than before by applying a bias electric field to make the Nb layer step surface profile (profile) gentler and forming an additional Nb layer thereon. (1) Critical current determined by factors can be increased.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

上述したように、本発明によれば、上側超伝導(Nb)
配線形成く成膜)時の基板バイアス印加を利用してコン
タクト部ないし段差部での臨界電流を大きくすることが
可能となる。さらに、微細なコンタクトホールであって
も上側超伝導配線の臨界電流減少が防止できるので微細
な配線構成が可能となりジョセフソン集積回路の集積度
向上・微細化に寄与する。また、アニール処理に対する
安定性の点でも格段の改善がみられる。
As mentioned above, according to the present invention, the upper superconductor (Nb)
It is possible to increase the critical current at the contact portion or step portion by applying a substrate bias during wiring formation or film formation. Furthermore, even a fine contact hole can prevent a decrease in the critical current of the upper superconducting wiring, making it possible to form a fine wiring structure, contributing to improved integration and miniaturization of Josephson integrated circuits. Furthermore, a significant improvement can be seen in terms of stability against annealing treatment.

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

第1図は、本発明に係る製造方法によって作成されたジ
ョセフソン集積回路の概略断面図であり、第2a図〜第
2d図は、本発明に係る製造方法による工程を説明する
ジョセフソン集積回路の概略断面図であり、 第3a図は、コンタクトホールにおける超伝導(Nb)
配線の臨界電流と角形コンタクトホールの一辺長さとの
関係を示すグラフであり、第3b図は、アニールによる
コンタクトの臨界電流の変化を示すグラフであり、 第4a図は、段差部での状態を示すジョセフソン集積回
路の概略部分断面図であり、 第4b図は、段差部での2層構造の超伝導(Nb)配線
を示すジョセフソン集積回路の概略部分断面図であり、 第5図は、通常のスパッタリングで形成した上側超伝導
配線を有するジョセフソン集積回路の概略断面図であり
、 第6図は、通常のスパッタリングによって形成した超伝
導(Nb)配線の臨界電流とコンタクトホール面積との
関係を示すグラフである。 11・・・基板、     12.14・・・Nb層、
13・・・1口、−A1層、 15・・・絶縁層、16
・・・バイアススパッタによるNb層、A・・・コンタ
クト部、 B・・・ジョセフソン接合部、32・・・N
b層、 34.35・・・バイアススパッタによるNb層。 第2d図 コンタク1−ホ ル辺長さ(pm) 第3o図 ジョセフソン集積回路の断面図 第1図 第20図 第2b図 第2c図 第3b図 32 第4b図 従来のジョセフソン集積回路の断面9 第 図
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a Josephson integrated circuit manufactured by the manufacturing method according to the present invention, and FIGS. FIG. 3a is a schematic cross-sectional view of superconducting (Nb) in the contact hole.
FIG. 3B is a graph showing the relationship between the critical current of the wiring and the side length of the rectangular contact hole, FIG. 3B is a graph showing the change in the critical current of the contact due to annealing, and FIG. FIG. 4b is a schematic partial cross-sectional view of the Josephson integrated circuit showing a two-layer structure of superconducting (Nb) wiring at a stepped portion; FIG. , is a schematic cross-sectional view of a Josephson integrated circuit having an upper superconducting interconnect formed by conventional sputtering, and FIG. 6 shows the relationship between critical current and contact hole area of a superconducting (Nb) interconnect formed by conventional sputtering. It is a graph showing a relationship. 11... Substrate, 12.14... Nb layer,
13...1 port, -A1 layer, 15...insulating layer, 16
...Nb layer by bias sputtering, A...contact part, B...Josephson junction, 32...N
b layer, 34.35...Nb layer formed by bias sputtering. Figure 2d Contact 1 - Hole side length (pm) Figure 3o Cross-sectional view of Josephson integrated circuit Figure 1 Figure 20 Figure 2b Figure 2c Figure 3b Figure 32 Figure 4b Cross-section of conventional Josephson integrated circuit 9 Figure

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、基板上に下側超伝導配線層、段差部を有する絶縁層
、および前記段差部を含めて前記絶縁層を覆う上側超伝
導配線層を順次形成したジョセフソン集積回路の製造方
法において、 前記上側超伝導配線層を不活性なガスでのスパッタリン
グ法によって形成する際に、前記基板に高周波バイアス
電力を印加することを特徴とするジョセフソン集積回路
の製造方法。 2、前記上側および下側超伝導配線はニオブ、ニオブの
化合物および合金、および高温酸化物超伝導材のいずれ
かで造られかつ前記高周波電力により印加される電圧が
−100〜−300Vであることを特徴とする請求項1
記載の製造方法。
[Claims] 1. A Josephson integrated circuit in which a lower superconducting wiring layer, an insulating layer having a stepped portion, and an upper superconducting wiring layer covering the insulating layer including the stepped portion are sequentially formed on a substrate. A method for manufacturing a Josephson integrated circuit, characterized in that when forming the upper superconducting wiring layer by sputtering with an inert gas, high frequency bias power is applied to the substrate. 2. The upper and lower superconducting wirings are made of niobium, niobium compounds and alloys, and high-temperature oxide superconducting materials, and the voltage applied by the high-frequency power is -100 to -300V. Claim 1 characterized by
Manufacturing method described.
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