JPH0448788A - Formation of pattern of josephson junction element - Google Patents

Formation of pattern of josephson junction element

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JPH0448788A
JPH0448788A JP2155144A JP15514490A JPH0448788A JP H0448788 A JPH0448788 A JP H0448788A JP 2155144 A JP2155144 A JP 2155144A JP 15514490 A JP15514490 A JP 15514490A JP H0448788 A JPH0448788 A JP H0448788A
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film
pattern
upper electrode
forming
resist pattern
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JP2155144A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Yamada
宏治 山田
Hiroyuki Mori
博之 森
Sachiko Kizaki
木崎 幸子
Nobuo Miyamoto
信雄 宮本
Mikio Hirano
幹夫 平野
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To form a resist pattern with high reliability and with good reproducibility by a method wherein three-layer films of a lower-part electrode, a tunnel barrier layer and an upper-part electrode are formed continuously on a substrate and the resist pattern which prescribes a junction area is formed on the upper-part electrode film. CONSTITUTION:An Nb film of a lower-part electrode 12 is applied to an Si substrate 11 by a DC magnetron sputtering method. An AlOx layer 13 whose surface oxide film of Al is used as a tunnel barrier layer is formed. After three-layer films have been formed continuously, the Si substrate 11 is taken out from a sputtering apparatus. Then, a resist film 15 used to prescribe a junction area is formed on an upper-part electrode 14. A resist pattern 16 is formed. An insulating film 17 for filling-up use is formed, as a protective film, in one part on an etching part and on the upper-part electrode 14. At this time, the junction area at the Al oxide film and the AlOx layer is prescribed by the upper-part electrode 14 as the tunnel barrier layer.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明の極低温において高速動作するジョセフソン接合
素子のパターン形成方法に係り、特に高集積回路に適し
た接合パターンの形成方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for forming a pattern of a Josephson junction element that operates at high speed at extremely low temperatures, and particularly to a method for forming a junction pattern suitable for highly integrated circuits.

[従来の技術] 従来のジョセフソン接合素子の形成方法としては、特開
昭58−176983号公報に記載されているようにN
b/AlOx/Nb 膜から成る下部電極、トンネル障
壁層、上部電極を連続的に形成し、しかる後に所望とす
るレジストパターンをマスクにしてドライエツチング法
によって接合および配線パターンを形成する方法が用い
られてきた。この方法によればパターンの形成工程が途
中に介在することがないので高品質の接合が得られ、こ
のために、リーク電流の少ないジョセフソン接合が形成
できるという大きな特徴があり、ジョセフソン集積回路
への応用が進められていた。
[Prior Art] As a conventional method for forming a Josephson junction element, as described in JP-A-58-176983,
A method is used in which a lower electrode, a tunnel barrier layer, and an upper electrode made of a b/AlOx/Nb film are successively formed, and then a junction and wiring pattern are formed by dry etching using a desired resist pattern as a mask. It's here. According to this method, a high-quality junction can be obtained because there is no intervening pattern formation process, and this method has the great feature of being able to form Josephson junctions with low leakage current. Applications were underway.

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

しかしながら、従来のパターン形成方法においては作製
工程に問題があり、接合面積が設計値に対してばらつき
1寸法の良好な再現性が得られなかった。特に接合部の
マスクパターン寸法が2μm以下になると、下地からの
反射の影響および段差上下間におけるレジスト膜厚の差
等が露光。
However, in the conventional pattern forming method, there is a problem in the manufacturing process, and good reproducibility of one dimension of bonding area variation with respect to the design value cannot be obtained. In particular, when the mask pattern size at the junction is 2 μm or less, the influence of reflection from the underlying layer and the difference in resist film thickness between the top and bottom of the step are exposed.

現像条件のマージンを狭くし、高精度なレジストパター
ンが形成出来なかった。また、接合部のドライエツチン
グ後における絶縁膜の埋戻しには構造上に問題があり、
マイクロショートや配線電極等の断線を起こし易いとい
う問題点があった。
The narrow margin of development conditions made it impossible to form a highly accurate resist pattern. In addition, there is a structural problem in backfilling the insulating film after dry etching the joint.
There is a problem in that micro-shorts and disconnection of wiring electrodes are likely to occur.

第2図は従来のジョセフソン接合素子の作製工程を示し
たものである。
FIG. 2 shows the manufacturing process of a conventional Josephson junction element.

まず、第2図(a)に示すように、基板21上にNb膜
より成る下部電極22トンネル障壁層となるA Q O
x層23.Nb膜より成る上部電極24の三層膜をスパ
ッタ法により被着形成する。
First, as shown in FIG. 2(a), a lower electrode 22 made of an Nb film is deposited on a substrate 21 to serve as a tunnel barrier layer.
x layer 23. A three-layer film of the upper electrode 24 made of a Nb film is deposited by sputtering.

次いで、上部電極24上にポジ型レジストをスピン塗布
により形成する。
Next, a positive resist is formed on the upper electrode 24 by spin coating.

プリベーク後第2図(b)に示すように配線と接合部分
26を含むレジストパターンをマスク転写、現像によっ
て形成する。次いで、第2図(c)に示すように、ドラ
イエツチングによりレジストパターン26が形成されて
いる部分以外の上部電極24.トンネル障壁層23.下
部電極22をエツチングにより除去する。エツチング後
、マスクに用いた不要レジストを酸素プラズマ灰化とア
セトンの併用によって除去し、接合部分を含むインダク
タパターンAと配線パターンBを形成する。
After prebaking, a resist pattern including wiring and bonding portions 26 is formed by mask transfer and development as shown in FIG. 2(b). Next, as shown in FIG. 2(c), dry etching is performed to remove the upper electrode 24, except for the portion where the resist pattern 26 is formed. Tunnel barrier layer 23. The lower electrode 22 is removed by etching. After etching, unnecessary resist used as a mask is removed by a combination of oxygen plasma ashing and acetone to form an inductor pattern A and a wiring pattern B including a bonding portion.

次いで、第2図(d)に示すように、接合面積規定用の
レジスト膜27をスピン塗布により形成する。プリベー
ク後第2図(e)に示すように接合レジストパターン2
8をマスク転写、現像によって形成する0次いで、第2
図(f)に示すようにドライエツチングによりAQOx
層23が露出するまでエツチングし、レジストパターン
28が形成されている部分以外の上部電極24を除去す
る。
Next, as shown in FIG. 2(d), a resist film 27 for defining the bonding area is formed by spin coating. After prebaking, bonding resist pattern 2 is formed as shown in FIG. 2(e).
8 is formed by mask transfer and development, then the second
As shown in Figure (f), AQOx is removed by dry etching.
Etching is performed until the layer 23 is exposed, and the upper electrode 24 is removed except for the portion where the resist pattern 28 is formed.

次いで、第2図(g)に示すように上部電極24から成
る接合パターン上のレジストをリフトオフマスクにして
、下部電極22と上部電極24のエツチング部分を絶縁
膜29により全面に被着して埋め戻す0次いで、第2図
(h)に示すようにアセトンによりリフトオフを行って
下部電極22の露呂部および上部電極24から成る接合
パターンの側壁を絶縁膜29で保護する。次いで、第2
図(i)に示すように上部電極24の表面を十分にAr
スパッタクリーニングを行った後に上部電極接続配線3
0を形成して完了する。
Next, as shown in FIG. 2(g), using the resist on the bonding pattern consisting of the upper electrode 24 as a lift-off mask, the etched portions of the lower electrode 22 and the upper electrode 24 are entirely covered with an insulating film 29 and buried. Next, as shown in FIG. 2(h), lift-off is performed using acetone to protect the exposed portion of the lower electrode 22 and the side wall of the bonding pattern consisting of the upper electrode 24 with an insulating film 29. Then the second
As shown in Figure (i), the surface of the upper electrode 24 is sufficiently coated with Ar.
Upper electrode connection wiring 3 after sputter cleaning
Complete by forming 0.

ところが、上記の方法において問題となるのは以下の2
点である。すなわち。
However, there are two problems with the above method:
It is a point. Namely.

第1点として第2図(d)に示すようにレジストの膜厚
が段差上下(a、b)間で異なること、また、三層膜上
と基板上では表面反射率が異なる点である。すなわち、
接合面積を規定するレジストパターンは上部電極24上
に形成するため、露光、T!を像条件のマージンが狭く
、設計寸法通りに形成することが困難である。実際には
第2図(e)に示すように1点線(設計寸法)よりも仕
上りのレジストパターン寸法は小さくなって形成される
The first point is that, as shown in FIG. 2(d), the resist film thickness is different between the upper and lower portions of the step (a, b), and the surface reflectance is different between the three-layer film and the substrate. That is,
Since the resist pattern defining the bonding area is formed on the upper electrode 24, exposure, T! The margin of the image condition is narrow and it is difficult to form it according to the designed dimensions. Actually, as shown in FIG. 2(e), the finished resist pattern size is formed smaller than the one-dot line (design size).

このために超電導臨界電流(Ic )が設計値よりずれ
て回路動作のマージンを低下させる結果となる。
For this reason, the superconducting critical current (Ic) deviates from the designed value, resulting in a reduction in the circuit operation margin.

第2点としては第2図(i)に示すように上部電極24
との接続配線を行う際、Arスパッタクリーニングで該
上部電極24表面の酸化膜を完全に除去する必要がある
。しかし、溝が形成されるとArスパッタクリーニング
の際に、Ar粒子がトンネル障壁層であるAQOx23
を破壊し、下部電極層までエツチングが進んでしまう、
このために配線電極膜を被着した際に、下部電極間にお
いて局部的にマイクロショートが生じて接合特性の劣化
の原因となる(第2図(i)点線丸印内A)。
As a second point, as shown in FIG. 2(i), the upper electrode 24
When performing connection wiring with the upper electrode 24, it is necessary to completely remove the oxide film on the surface of the upper electrode 24 by Ar sputter cleaning. However, when the groove is formed, Ar particles are removed from the tunnel barrier layer AQOx23 during Ar sputter cleaning.
The etching progresses to the lower electrode layer.
For this reason, when a wiring electrode film is deposited, micro-shorts occur locally between the lower electrodes, causing deterioration of the bonding characteristics (A in the dotted circle in FIG. 2(i)).

一方、パリが形成された場合には該接続配線や上層の配
線パターンが断線を生じて致命的な欠陥となる可能性が
ある(第2図(i)点線丸印内B)。
On the other hand, if a break is formed, the connection wiring or the wiring pattern in the upper layer may be disconnected, resulting in a fatal defect (B in the dotted circle in FIG. 2(i)).

このように従来方法では、上記のような問題点のあるこ
とから、設計寸法通りの高精度で、かつ微小の接合面積
から成るジョセフソン素子を、高信頼性かつ再現性良く
形成することが困難であった。
Due to the above-mentioned problems with conventional methods, it is difficult to form Josephson elements with high precision and a small bonding area according to the design dimensions with high reliability and good reproducibility. Met.

本発明の目的は高精度のレジストパターンを接合面積規
定用のマスクとし、かつ上部電極Nbパターンのドライ
エツチングにおける絶縁膜の埋戻しに対して、溝やパリ
が形成されないような構造のジョセフソン結合素子のパ
ターン形成方法を提供することにある。
The object of the present invention is to use a highly accurate resist pattern as a mask for defining the junction area, and to create a Josephson bond with a structure in which no grooves or palls are formed when backfilling the insulating film during dry etching of the upper electrode Nb pattern. An object of the present invention is to provide a method for forming a pattern of an element.

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

上記目的を達成するために、本発明のジョセフソン接合
素子のパターン形成方法は、以下の工程からなる。
In order to achieve the above object, a method for forming a pattern of a Josephson junction element according to the present invention includes the following steps.

(1)基板上に下部電極、トンネル障壁層および上部電
極の三層膜を連続的に形成する工程。
(1) Step of continuously forming a three-layer film of a lower electrode, a tunnel barrier layer, and an upper electrode on a substrate.

(2)上記上部電極膜上に接合面積を規定するレジスト
パターンを形成し、該上部電極膜をパターン加工した後
、エツチング部分を絶縁膜により埋戻しをする工程。
(2) A step of forming a resist pattern defining a bonding area on the upper electrode film, patterning the upper electrode film, and then backfilling the etched portion with an insulating film.

(3)上記上部電極接合パターンおよび絶縁膜上に接合
部分を含むインダクタ用レジストパターンを形成し、該
絶縁膜、トンネル障壁層および下部電極膜をパターン加
工した後、エツチング部分を絶縁膜により埋戻しをする
工程。
(3) After forming an inductor resist pattern including a bonding portion on the upper electrode bonding pattern and the insulating film, and patterning the insulating film, tunnel barrier layer, and lower electrode film, the etched portion is backfilled with the insulating film. The process of doing.

(4)上記上部電極接合パターンに超電導膜を形成し、
該超電導膜上に配線および下部電導接続配線用のレジス
トパターンを形成しパターン加工を行う工程。
(4) forming a superconducting film on the upper electrode bonding pattern;
A step of forming and patterning a resist pattern for wiring and lower conductive connection wiring on the superconducting film.

ここで、ドライエツチング後における上記接合面積を規
定した不要レジストパターンおよび接合パターンを含む
インダクタ用不要レジストパターンに対して酸素プラズ
マ灰化処理によって整形後退をさせ、被エツチング部分
の端部と角部にわずかにテラス部分を形成する。その後
から絶縁膜を被着して埋戻す、すなわち、接合面積を規
定する上部電極および接合部分を含むインダクタパター
ン上の絶縁膜の外周部分だけに絶縁膜が被着形成される
ような構造にするものである。
Here, after dry etching, the unnecessary resist pattern that defines the above-mentioned bonding area and the unnecessary resist pattern for the inductor including the bonding pattern are shaped back by oxygen plasma ashing treatment, and the edges and corners of the part to be etched are Forms a slight terrace. After that, an insulating film is deposited and backfilled, that is, a structure is created in which the insulating film is deposited only on the outer periphery of the insulating film on the inductor pattern that includes the upper electrode and the bonding part that define the bonding area. It is something.

上記、下部電極、トンネル障壁層および上部電極の三層
膜の具体的な材料としては、Nb/AlOx/Nb、N
b/AlOx/NbN、NbN/N b2O5/N b
 Nのうちの一者の構成とするのが好ましい。
Specific materials for the three-layer film of the lower electrode, tunnel barrier layer, and upper electrode are Nb/AlOx/Nb, Nb/AlOx/Nb, and
b/AlOx/NbN, NbN/N b2O5/N b
It is preferable that the configuration be one of N.

〔作用〕[Effect]

マスクパターンを露光によってレジスト上に転写する際
、下地の表面反射率の違い、段差によって生ずるレジス
ト膜厚の不均一性等が露光、現像条件のマージンを狭く
して高精度なレジストパターンが形成できない。
When a mask pattern is transferred onto a resist by exposure, differences in the surface reflectance of the underlying material and non-uniformity in the resist film thickness caused by steps can narrow the margins for exposure and development conditions, making it impossible to form a highly accurate resist pattern. .

本発明は、Nb/AlOx/Nb 三層膜をスパッタ直
後に接合面積を規定するレジストパターンを形成するの
が最大のポイントである。゛すなわち。
The key point of the present invention is to form a resist pattern that defines the bonding area immediately after sputtering the Nb/AlOx/Nb three-layer film.゛That is.

三層膜スパッタ直後は表面反射率が一様であり、かつ表
面が平坦であるために、レジストの膜厚を薄くでき、露
光、現像条件のマージンも広くなり高精度なレジストパ
ターンを再現性よく形成することが可能となる。
Immediately after three-layer film sputtering, the surface reflectance is uniform and the surface is flat, so the resist film thickness can be made thinner, and the margin for exposure and development conditions is wider, making it possible to create highly accurate resist patterns with good reproducibility. It becomes possible to form.

また、上記の接合パターンおよび接合部分を含むパター
ン形成工程において、レジストパターン以外の被エツチ
ング部分をエツチング除去した後に、残存したレジスト
パターンの断面形状を整形後後退させる工程は、上記の
ように、たとえば、上部電極上の端部と角部に僅かなテ
ラス部分を形成させるものである。これにより、絶縁膜
を被着して埋戻した際に、上部電極の外周部分に絶縁膜
を被着形成させることができ、またこの外周の絶縁膜が
Arスパッタクリーニングの際に保護膜の役を果して上
部電極の端面を完全に保護し、接続配線でマイクロショ
ートを引き起こすような可能性をなくす作用するもので
ある。
In addition, in the pattern forming process including the bonding pattern and the bonding portion described above, the step of receding the cross-sectional shape of the remaining resist pattern after shaping after etching and removing the portion to be etched other than the resist pattern may be performed as described above, for example. , slight terrace portions are formed at the ends and corners of the upper electrode. As a result, when the insulating film is deposited and backfilled, the insulating film can be deposited on the outer periphery of the upper electrode, and the insulating film on the outer periphery can also serve as a protective film during Ar sputter cleaning. This completely protects the end face of the upper electrode and eliminates the possibility of micro-shorts occurring in the connection wiring.

また、同様に接合部分を含むインダクタパターンの埋戻
しに際しては平坦化が可能となり配線および上部電極接
続配線の信頼性の向上も作用する。
Furthermore, when backfilling the inductor pattern including the bonding portion, it is possible to flatten the inductor pattern, thereby improving the reliability of the wiring and the upper electrode connection wiring.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明におけるジョセフソン接合素子の形成工
程を示したものである。
FIG. 1 shows the steps for forming a Josephson junction element according to the present invention.

まず、第1図(a)に示すように基板には、直径50■
φ、厚さ450μmの<100>のSi基板11(実際
にはNbグランドプレーン膜厚200nm上にSiO膜
が300nm施しであるが第1図(a)〜(j)におい
ては省略しである)上に下部電極12となる膜厚160
nmのNb膜をDCマグネトロンスパッタ法に被着する
。被着条件はAr圧力0.27Pa 、堆積速度3nm
/秒で行った。
First, as shown in Figure 1(a), the substrate has a diameter of 50cm.
φ, <100> Si substrate 11 with a thickness of 450 μm (Actually, a 300 nm SiO film is applied on a 200 nm thick Nb ground plane, but this is omitted in FIGS. 1(a) to (j)) A film thickness of 160 to form the lower electrode 12 on top.
A Nb film of 1.0 nm thick is deposited by DC magnetron sputtering. The deposition conditions were Ar pressure 0.27 Pa and deposition rate 3 nm.
/ seconds.

次いで、同一スパッタ装置内でSi基板11をJulの
ターゲットの真下に移動してA川を膜厚6nm被着する
。AQ膜の堆積速度は0.4nm/秒で行った。AQ堆
積後、スパッタ装置内に0□ガスを100Pa導入して
、室温(24〜26℃)中で40分間の自然酸化を行っ
てAQの表面酸化膜がトンネル障壁層となるAQOx層
(本実施例ではx=2)13を形成する。
Next, in the same sputtering apparatus, the Si substrate 11 is moved directly below the target of Jul, and the A river is deposited to a thickness of 6 nm. The deposition rate of the AQ film was 0.4 nm/sec. After AQ deposition, 0□ gas at 100 Pa is introduced into the sputtering equipment, and natural oxidation is performed for 40 minutes at room temperature (24 to 26°C) to form an AQOx layer in which the surface oxide film of AQ becomes a tunnel barrier layer (in this implementation). In the example, x=2)13 is formed.

再び、スパッタ装置内を真空装置を真空排気した後、S
i基板11をNbターゲットの真下に移動し、DCマグ
ネトロンスパッタ法により上部電極14となる膜厚80
nmのNb膜を被着する。
After evacuating the sputtering equipment again, the S
The i-substrate 11 is moved directly below the Nb target, and a film thickness of 80 mm is formed to become the upper electrode 14 by DC magnetron sputtering.
Deposit a nm Nb film.

被着条件はAr圧力0.8 P a 堆積速度3nm/
秒で行った。三層膜を連続形成した後、Si基板11を
スパッタ装置内から取り出す。
The deposition conditions were Ar pressure 0.8 Pa, deposition rate 3 nm/
It was done in seconds. After successively forming the three-layer film, the Si substrate 11 is taken out from the sputtering apparatus.

次いで、接合面積を規定するためのレジスト膜15を上
部電極14上に次の条件で形成する。
Next, a resist film 15 for defining the bonding area is formed on the upper electrode 14 under the following conditions.

AZ1470レジスト(米国ヘキスト社商品名)を膜厚
0.8μmスピン塗布した後、プリベークを90℃で2
0分間の処理を行う6 次いで、第1図(b)に示すように接合面積が2μm角
のフォトマスクを用いて、光強度16m W / aj
の紫外光により2.5 秒間のパターン露光を密着法で
行った後、AZデベロッパー(米国ヘキスト社商品名)
:水=1=1の組成比で液温24℃中で現像を60秒間
行い、水洗120秒後。
After spin-coating AZ1470 resist (trade name of Hoechst, USA) to a thickness of 0.8 μm, prebaking was performed at 90°C for 2
6. Next, as shown in FIG. 1(b), using a photomask with a bonding area of 2 μm square, a light intensity of 16 mW/aj was applied.
After pattern exposure for 2.5 seconds with ultraviolet light using the contact method, AZ Developer (trade name of Hoechst, Inc., USA)
:Development was carried out for 60 seconds at a liquid temperature of 24° C. with a composition ratio of water=1=1, and after washing with water for 120 seconds.

スピン乾燥をして接合面積が2μm角から成るレジスト
パターン16を形成する。
Spin drying is performed to form a resist pattern 16 having a bonding area of 2 μm square.

次いで、第1図(c)に示すように、真空装置内に挿入
し減圧した後上部電極14をCF4ガスによる反応性イ
オンエツチングによりAnOX層13が露出するまで接
合部以外の上部電極14をエツチング除去する。この時
のエツチング条件はCF4ガス圧力26Pa、電力10
0Wの条件で5分間行う。
Next, as shown in FIG. 1(c), after the upper electrode 14 is inserted into a vacuum device and the pressure is reduced, the upper electrode 14 is etched except for the joint portion by reactive ion etching using CF4 gas until the AnOX layer 13 is exposed. Remove. The etching conditions at this time were CF4 gas pressure of 26 Pa and electric power of 10
This is done for 5 minutes under 0W conditions.

次いで、第1図(d)に示すように真空装置内から取り
出した後、上部電極14上のレジストパターンに対して
08ガスによるスパッタエツチングで表面の硬化処理を
次の条件で行う、02ガス圧力0.8Pa 、高周波電
力300W、処理時間は3分1次いで、プラズマ灰化処
理を02ガス圧力65Pa、高周波電力300W、処理
時間5分行う。この結果、レジストの後退寸法は接合パ
ターン端部から約200nm、レジスト表面は1100
n減少してテラス部分(点線丸印内)が上部電極14上
に形成される。一方、処理後のレジストパターンの断面
寸法は上部幅に対して下部幅が約200nm小さくなっ
て形成される。
Next, as shown in FIG. 1(d), after being taken out of the vacuum apparatus, the resist pattern on the upper electrode 14 is subjected to surface hardening treatment by sputter etching with 08 gas under the following conditions: 02 gas pressure. 0.8 Pa, high frequency power of 300 W, processing time is 13 minutes. Next, plasma ashing treatment is performed at 0.2 gas pressure of 65 Pa, high frequency power of 300 W, and processing time of 5 minutes. As a result, the receding dimension of the resist is approximately 200 nm from the edge of the bonding pattern, and the resist surface is approximately 1100 nm.
n decreases, and a terrace portion (inside the dotted circle) is formed on the upper electrode 14. On the other hand, the cross-sectional dimensions of the resist pattern after processing are formed such that the lower width is smaller than the upper width by about 200 nm.

次いで、第1図(e)に示すように真空蒸着法によりS
iを絶縁膜に用いてエツチング部分の埋戻しを行う。す
なわち、反応性イオンエツチング後の上部電極14上の
レジストパターン16をリフトオフタスクとして、膜厚
1300nmの絶縁膜17を全面に被着する。この際、
上部電極14の膜厚に対して、約1.5倍の絶縁膜を被
着する。
Next, as shown in FIG. 1(e), S is deposited by vacuum evaporation method.
The etched portion is backfilled using i as an insulating film. That is, using the resist pattern 16 on the upper electrode 14 after reactive ion etching as a lift-off task, an insulating film 17 with a thickness of 1300 nm is deposited over the entire surface. On this occasion,
An insulating film approximately 1.5 times as thick as the upper electrode 14 is deposited.

この時1図からも明らかなように、上部電極14のレジ
ストパターン16を除去して形成したテラス部分にも絶
縁膜17が被着されているのが分かる。
At this time, as is clear from FIG. 1, it can be seen that the insulating film 17 is also deposited on the terrace portion formed by removing the resist pattern 16 of the upper electrode 14.

次いで、第1図(f)に示すようにアセトンによりリフ
トオフを行う、上述の工程により、埋戻し用の絶縁膜1
7が、エツチング部分と上部電極14上の一部に保護膜
として形成される。この時点でAQの酸化膜AΩ○X層
はトンネル障壁層として上部電極14によって接合面積
が規定される。
Next, as shown in FIG. 1(f), the insulating film 1 for backfilling is
7 is formed as a protective film on the etched portion and a portion of the upper electrode 14. At this point, the junction area of the AQ oxide film AΩ○X layer is defined by the upper electrode 14 as a tunnel barrier layer.

次イで、第1図(g)において、接合部分を含むインダ
クタ形成用のレジストパターンを次の条件で形成する。
Next, in FIG. 1(g), a resist pattern for forming an inductor including a bonding portion is formed under the following conditions.

AZ1350J レジスト(米国ヘキスト社商品名)を
膜厚1.2μmスピン塗布した後、プリベークを90℃
で20分間の処理を行う。次いで、光強度16mW/a
#の紫外光により6秒間のパターン露光を密着法で行っ
た後、先述したAZデベロッパー:水=1=1の組成比
で液晶24℃中で60秒間の現像を行い、水洗120秒
後、スピン乾燥して接合部分を含むインダクタ形成用の
レジストパターン18を形成する。
After spin-coating AZ1350J resist (trade name of Hoechst, USA) to a thickness of 1.2 μm, prebaking was performed at 90°C.
Process for 20 minutes. Then, light intensity 16mW/a
# After pattern exposure for 6 seconds with UV light using the contact method, development was performed for 60 seconds in a liquid crystal at 24°C with the composition ratio of AZ developer:water = 1 = 1, washed with water for 120 seconds, and then spun. After drying, a resist pattern 18 for forming an inductor including a bonding portion is formed.

次いで、第1図(h)において、絶縁膜17゜AQOx
層13層上3下部電極12をエツチング加工を行うため
に、真空装置内に挿入し減圧した後、CF、ガスによる
反応性イオンエツチングにより、レジストパターン18
以外のSi絶縁膜17の除去を5分間行う、形成条件は
前述の接合パターンと同一条件で行なう、AQの表面酸
化膜A Q Ox層13が露出した時点でArによるイ
オンエツチングに切り替えてArガス圧力2mPa、加
速電圧600eV、イオン電流密度0.5mA/dの条
件でレジストパターン18以外のA Q Ox層13の
エツチングを3分間行う6次いで、下部電極12を前述
した上部電極14、およびSi絶縁膜と同じ条件でNb
膜のエツチングを10分間行う。
Next, in FIG. 1(h), the insulating film 17°AQOx
In order to perform etching on the upper and lower electrodes 12 of the layer 13, the resist pattern 18 is inserted into a vacuum device and the pressure is reduced, and then the resist pattern 18 is etched by reactive ion etching using CF and gas.
The remaining Si insulating film 17 is removed for 5 minutes.The formation conditions are the same as those for the bonding pattern described above.When the AQ surface oxide film AQ Ox layer 13 is exposed, switch to ion etching with Ar and use Ar gas. The AQ Ox layer 13 other than the resist pattern 18 is etched for 3 minutes under the conditions of a pressure of 2 mPa, an accelerating voltage of 600 eV, and an ion current density of 0.5 mA/d6.Next, the lower electrode 12 is etched with the above-mentioned upper electrode 14 and the Si insulator. Nb under the same conditions as the membrane
Etch the membrane for 10 minutes.

エツチング終了後、真空装置内より取り出してSi絶縁
膜17上のレジストパターン18に対して前述した接合
面積規定用のレジストパターンと同一条件でO,ガスを
用いたスパッタエッチとプラズマ灰化の併用により、レ
ジストパターン18の側壁を整形後退させてテラスを形
成する。
After the etching is completed, the resist pattern 18 on the Si insulating film 17 is removed from the vacuum apparatus and subjected to a combination of sputter etching using O gas and plasma ashing under the same conditions as the resist pattern for defining the bonding area described above. , the side walls of the resist pattern 18 are recessed to form terraces.

次いで、真空蒸着法によりSiを絶縁膜に用いてエツチ
ング部分の埋戻しを行う、膜厚は280nmのSi絶縁
膜19を全面に被着する。
Next, a Si insulating film 19 having a thickness of 280 nm is deposited over the entire surface by vacuum evaporation to backfill the etched portion using Si as an insulating film.

次いで、第1図(i)においてアセトンによりリフトオ
フを行う。埋戻し用の絶縁膜19が図示のようにエツチ
ング部分と最初に埋戻した絶縁膜17上の一部に保護と
して形成されている。
Next, lift-off is performed with acetone in FIG. 1(i). As shown in the figure, an insulating film 19 for backfilling is formed on the etched portion and a portion of the first backfilling insulating film 17 for protection.

次いで、第1図(j)において、上部電極14上の接続
を行うために表面をArガスによるスパッタエツチング
でクリーニング処理を行う0次いで、配線と接続配線用
のNb膜20を300nmの膜厚で被着する。Nb膜の
被着条件は前述の下部電極12.上部電極14と同様に
DCマグネトロンスパッタ法によって被着する。スパッ
タ装置内から取り出した後、接合部分を含むインダクタ
パターンと同一条件で配線と接続配線用のレジストパタ
ーン(図示部)を形成する。ついで、再び、真空装置内
に挿入して減圧した後、前述した接合パターンおよびイ
ンダクタパターンと同一条件でCF、ガスによる反応性
イオンエツチングでレジストパターン以外のNb膜20
をエツチング除去する。エツチング終了後、真空装置内
から取り比してからアセトンによりパターン上のレジス
トを除去して配!20および上部型pi14と接続する
配線電極20’ を形成する。
Next, in FIG. 1(j), in order to make a connection on the upper electrode 14, the surface is cleaned by sputter etching with Ar gas.Next, a Nb film 20 for wiring and connection wiring is formed with a thickness of 300 nm. to adhere to. The conditions for depositing the Nb film are as described above for lower electrode 12. Like the upper electrode 14, it is deposited by DC magnetron sputtering. After taking it out from the sputtering apparatus, a resist pattern (shown in the figure) for wiring and connection wiring is formed under the same conditions as the inductor pattern including the bonding part. Next, the Nb film 20 other than the resist pattern is etched by reactive ion etching using CF and gas under the same conditions as the bonding pattern and inductor pattern described above.
Remove by etching. After etching is completed, remove the resist from inside the vacuum equipment, remove the resist on the pattern with acetone, and place it! 20 and a wiring electrode 20' connected to the upper mold pi 14.

以上の工程を終てNb/AMOx/Nb 系ジョセフソ
ン接合素子の形成が完了する。
After completing the above steps, the formation of the Nb/AMOx/Nb Josephson junction element is completed.

なお1本実施例においては超電導にNbを用いたが、本
発明はこれに限られることなく、NbN。
Note that although Nb was used for the superconductor in this embodiment, the present invention is not limited to this, and NbN may be used.

pb金合金を用いた場合でも同様の効果が得られる。Similar effects can be obtained even when a pb gold alloy is used.

C発明の効果〕 本発明の接合用レジストパターンと従来法で形成したレ
ジストパターンとを、仕上り面積で比較すると、設計値
2μm角の場合、従来法では±20%のばらつきがあっ
たが、本発明では±5%以下に抑えることが可能となっ
た0寸法槽度に換算すると±600nmを制御すること
が可能となった。
C Effects of the invention] Comparing the finished area of the bonding resist pattern of the present invention and the resist pattern formed by the conventional method, in the case of the designed value of 2 μm square, there was a variation of ±20% in the conventional method, but this In the present invention, it has become possible to control ±600 nm in terms of zero-dimensional cell density, which has become possible to suppress it to ±5% or less.

また、レジストの膜厚を従来に比べて40%程度薄くす
ることが可能となり、露光、i像条件のマージンも2倍
程度に広くなり、1μmμm下の微小寸法のレジストパ
ターンの形成も可能となる。
In addition, the resist film thickness can be reduced by about 40% compared to conventional methods, and the margins for exposure and i-image conditions are about twice as wide, making it possible to form resist patterns with minute dimensions of 1 μm μm or less. .

さらに、従来問題となっていた下部電極と上部電極接続
配線間で生ずるマイクロショートあるいは上層の配線パ
ターンの断線も平坦化することにより防止でき、信頼性
の極めて高いNb/ A Q Ox/Nb系ジョセフソ
ン接合素子が再現性良く形成できる。
In addition, micro-shorts that occur between the lower electrode and upper electrode connection wiring, which were problems in the past, or disconnections in the upper layer wiring pattern can be prevented by flattening the Nb/A Q Ox/Nb series Josephson, which has extremely high reliability. Son junction elements can be formed with good reproducibility.

例えば、1000個直列に接続した1、5μm角のジョ
セフソン接合の超電導臨界電流(I c)の分布幅に設
計値に対して±4%以内であった。このため信頼性も大
幅に向上し微小接合から構成されるジョセフソン集積回
路の動作マージンも拡大できる。
For example, the distribution width of the superconducting critical current (I c) of 1,5 μm square Josephson junctions connected in series was within ±4% of the design value. This greatly improves reliability and expands the operating margin of Josephson integrated circuits made of microjunctions.

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

第1図は本発明のジョセフソン接合素子の製造工程を示
す断面図、第2図は従来法のジョセフソン接合素子の製
造工程を示す断面図である。 11.21・・・基板、12.22・−・下部電極、1
3゜26・・・AQoX層、14.24・1部電極、1
5゜25.27・・・レジスト膜、16,18,26゜
28・・・レジストパターン、17,19,29・・・
絶縁膜、20・・・配線、20’ 、30・・・接続配
線電極、A部・・・接合部分を含むインダクタパターン
、B部・・・配線。 ■ 図 ■ 図 図
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the Josephson junction element of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the Josephson junction element of the conventional method. 11.21...Substrate, 12.22...Lower electrode, 1
3゜26...AQoX layer, 14.24・1 part electrode, 1
5゜25.27...Resist film, 16,18,26゜28...Resist pattern, 17,19,29...
Insulating film, 20... Wiring, 20', 30... Connection wiring electrode, A part... Inductor pattern including a joint part, B part... Wiring. ■ Diagram■ Diagram

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、下記の工程より成ることを特徴とするジョセフソン
接合素子のパターン形成方法。 (1)基板上に下部電極、トンネル障壁層および上部電
極の三層膜を連続的に形成する工程。 (2)上記上部電極膜上に接合面積を規定するレジスト
パターンを形成し、該上部電極膜をパターン加工した後
、エッチング部分を絶縁膜により埋戻しをする工程。 (3)上記上部電極接合パターンおよび絶縁膜上に接合
部分を含むインダクタ用レジストパターンを形成し、該
絶縁膜、トンネル障壁層および下部電極膜をパターン加
工した後、エッチング部分を絶縁膜により埋戻しをする
工程。 (4)上記上部電極接合パターンおよび絶縁膜上に超電
導膜を形成し、該超電導膜上に配線および上部電極絶縁
配線用のレジストパターンを形成し、パターン加工を行
う工程。 2、上記、下部電極、トンネル障壁層および上部の三層
膜はNb/AlO_x/Nb、Nb/AlO_x/Nb
N、NbN/Nb_2O_5/NbNのうちの一者なる
三層膜構造から成ることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載のジョセフソン接合素子のパターン形成方法。 3、上記、絶縁膜の埋戻しにはエッチング後のレジスト
パターンを酸素プラズマ灰化処理により整形後退した後
、リフトオフマスクとして用いることを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載のジョセフソン接合素子のパター
ン形成方法。 4、上記、超電導膜はNb、NbN、Pb合金の群から
選ばれた少なくとも一者であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載のジョセフソン接合素子のパターン
形成方法。
[Claims] 1. A method for forming a pattern of a Josephson junction element, characterized by comprising the following steps. (1) Step of continuously forming a three-layer film of a lower electrode, a tunnel barrier layer, and an upper electrode on a substrate. (2) A step of forming a resist pattern defining a bonding area on the upper electrode film, patterning the upper electrode film, and then backfilling the etched portion with an insulating film. (3) After forming an inductor resist pattern including a bonding portion on the upper electrode bonding pattern and the insulating film, and patterning the insulating film, tunnel barrier layer, and lower electrode film, the etched portion is backfilled with the insulating film. The process of doing. (4) A step of forming a superconducting film on the upper electrode bonding pattern and the insulating film, forming a resist pattern for wiring and upper electrode insulating wiring on the superconducting film, and performing pattern processing. 2. Above, the lower electrode, tunnel barrier layer and upper three-layer film are Nb/AlO_x/Nb, Nb/AlO_x/Nb
A method for forming a pattern of a Josephson junction element according to claim 1, characterized in that the patterning method comprises a three-layer film structure of one of N, NbN/Nb_2O_5/NbN. 3. The Josephson junction element according to claim 1, wherein the insulating film is backfilled by using the etched resist pattern as a lift-off mask after shaping and retreating it by oxygen plasma ashing treatment. pattern formation method. 4. The method for forming a pattern of a Josephson junction element according to claim 1, wherein the superconducting film is at least one selected from the group consisting of Nb, NbN, and Pb alloys.
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