JPH0523510B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超伝導集積回路等に用いるトンネル型
ジヨセフソン接合の形成方法に関する。

（従来の技術） フオトレジストマスクを用いたドライエツチン
グで微細パターンを形成する場合、フオトレジス
トマスクを薄くするとパターンの解像度は高くな
るが、エツチング耐性が低くなるという欠点を有
していた。このため、微細なエツチングパターン
を精度よく得るために、第２図に示す、エツチン
グ耐性のある金属マスクを用いたエツチング方法
が用いられていた。

以下第２図を用いて従来の技術の説明を行う。
被エツチング金属２２上に比較的薄いマスク金属
２３を成膜する。マスク金属２３上にフオトレジ
ストを塗布し、露光、現像を行うことによつてレ
ジストパターン２４を形成する（第２図ａ）。レ
ジストパターン２４をエツチングマスクとしてマ
スク金属２３のエツチングを行いその後レジスト
パターン２４を除去することによつて第２図ｂに
示す金属マスクパターン２５を得る。被エツチン
グ金属２２に対して金属マスク２５のエツチング
レートが小さいエツチング方法を用いて、第２図
ｃに示すように被エツチング金属のエツチングを
行う。エツチング終了後、金属マスク２５を除去
し、第２図ｄに示すエツチングパターンを得る。

（発明が解決しようとする問題点） 超伝導集積回路等のジヨセフソン接合を用いた
回路では、超伝導の特徴を生かすために層間の接
続を超伝導コンタクトで行うことが極めて重要で
ある。超伝導コンタクトとは、抵抗の発生しな
い、つまり超伝導電流が流れるコンタクト方法で
ある。金属マスク２５は通常常伝導電流であり、
かつ膜厚が数百nmあるため、第２図ｃ上に直接
上部配線を形成したのでは、被エツチング金属２
２と金属マスク２５上に形成される上部配線とを
超伝導コンタクトで接続することは困難である。
そこで金属マスク２５を除去する必要がある。通
常は、被エツチング金属２２より金属マスク２５
の方がエツチングレートが大きいエツチング条件
でエツチングを行い金属マスク２５を除去する
が、このとき基板２１や被エツチング金属２２表
面が損傷を受ける。

特にニオブまたはニオブ化合物を電極材料に用
いたジヨセフソン接合のエツチングの場合、金属
膜の加工に通常用いる反応性イオンエツチングに
おいて一般に用いられるフツ素系ガス、塩素系ガ
スどちらにもニオブがエツチングされやすいた
め、前記金属マスク２５を除去する際に電極膜が
大きな損傷を受けるという欠点を有していた。

本発明は上記従来例の欠点を克服し、電極膜が
損傷を受けることがなくかつ良好な超伝導コンタ
クトが得られる、金属マスクを用いた高解像度の
ジヨセフソン接合の製造方法を提供することを特
徴としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、超伝導体からなる下部電極と
上部電極がトンネル障壁層を介して結合したトン
ネル型ジヨセフソン接合の製造方法において、基
板全面に前記下部電極、前記トンネル障壁層、前
記上部電極からなる接合構成層を成膜する工程、
前記接合構成層表面が酸化されていない状態で前
記接合構成層上に金属膜を成膜する工程、前記金
属膜を加工し接合領域以外の部分を除去する工
程、前記金属膜をマスクとして前記接合領域以外
の少くとも前記上部電極をエツチング除去する工
程、前記金属膜表面上の酸化物等の汚染物を除去
した後、超伝導体からなる上部配線を少くとも前
記接合領域を含む領域に形成する工程とを含み、
前記上部配線形成後の前記金属膜の膜厚が、近接
効果によつて生じる前記金属膜のコヒーレンス長
以下であることを特徴とするジヨセフソン接合の
製造方法が得られる。

（作用） ジヨセフソン接合の電極材料に対しエツチング
耐性の高い金属をエツチングマスクとして接合領
域を加工すれば、寸法精度の良いジヨセフソン接
合が得られる。しかし前述したように金属マスク
を除去する際に電極膜が損傷を受けるという問題
点があつた。本発明においては上記金属マスクを
除去することなしに、表面の酸化物等の汚染物を
除去しただけで、上部配線をその上に形成してい
るため、前記金属マスク除去に伴う電極膜損傷等
の問題が生じない。

常伝導金属が超伝導金属に接している場合、近
接効果によつて常伝導金属のコヒーレンス長ξ_N程
度の範囲にわたつて、常伝導金属中に超伝導の波
動関数のしみ出しが生じる。本発明の方法を適用
するとジヨセフソン接合上に常伝導金属を二つの
超伝導体ではさんだSNS接合が形成されるが、
常伝導金属の膜厚がξ_N以下であれば一定の臨界電
流密度J_Cまで、電圧を発生することなしに超伝導
電流が流れる。

前記ξ_Nは温度や金属中の電子のフエルミ速度、
金属の純度、結晶状態等によつて異なるが、液体
ヘリウム温度（4.2K）で一般に数10nmから
100nmの程度である。

前記J_Cと常伝導金属の膜厚Ｌの間にはJ_c∝_exp
（−Ｌ／ξ_N）の関係式が成立するが、常伝導金属
の常伝導抵抗が非常に小さいためその比例係数は
非常に大きい。実際に、1985年発行のジヤーナ
ル・オブ・アプライド・フイジツクス（Journal
of Applied Physics）第57巻、第2103頁にある
ように、15nmのアルミニウム表面を酸素圧力
1.3Pa，10分間の熱酸化を施したSNIS接合（Ｉは
Insulator：絶縁膜）においても４×10⁴Ａ／cm²の
J_Cが得られていることから、絶縁膜のないSNS接
合においてはJ_Cはさらに桁違いに大きいと考えら
れる。超伝導集積回路等に用いられるジヨセフソ
ン接合のJ_Cが〜10⁴Ａ／cm²程度であることを考え
ると、ジヨセフソン接合の上にSNS接合が存在
しても、その常伝導金属の膜厚がコヒーレンス長
ξ_N以下であれば、ジヨセフソン接合の動作に影響
を及ぼすことはない。

（実施例） 第１図は本発明の実施例を説明するための図で
ある。以下第１図を用いて本発明の実施例の説明
を行う。

表面を熱酸化したシリコン基板１１上にニオブ
を厚さ300nmスパツタで成膜し下部電極１２とす
る。下部電極１２上にアルミニウムを6nmスパツ
タで成膜し、表面を40Pa，10分間の酸化条件で
熱酸化を行いトンネル障壁層１３を形成する。次
に上部電極１４としてニオブを300nmスパツタで
成膜する。続いて、真空を破ることなしにマスク
金属１５としてアルミニウムを40nmスパツタで
成膜する。下部電極１２成膜からマスク金属１５
成膜までは同一真空中で行われるため途中で膜表
面が酸化物等で汚染されることはない。

真空室外に取り出し、ポジ型レジストAZ−
1350J（商品名）を500nmスピン塗布した後、露
光、現像を行い、第１図ａに示す接合領域を規定
するレジストパターン１６を形成する。このレジ
ストパターン１６をマスクにして、アルゴンスパ
ツタエツチングを行い、レジストパターン１６に
覆われていないマスク金属１５を除去する。アル
ゴンガス圧2.0Pa、エツチング電力0.16w／cm²の
エツチング条件でアルゴンスパツタエツチングを
行つた場合、ニオブ、アルミニウム、AZ1350Jの
エツチングレートはそれぞれ2.0nm／分、
2.5nm／分、19nm／分である。レジストパター
ン１６領域以外のマスク金属１５を完全に除去す
るためにオーバーエツチング時間も含めて20分間
のアルゴンスパツタエツチングを行うと、
AZ1350Jは380nmエツチングされるが、このエツ
チングは非常に異方的なエツチングであるため、
横方向へのエツチング等によるレジストの細りが
おこらず、レジストパターン１６の形状は正確に
マスク金属１５に転写される。またエツチングマ
スク材１５が、40nmと上部電極１４の300nmよ
りずつと薄いため、レジストパターン１６もずつ
と薄くてすみ、フオトレジストの解像度が向上す
る。

前記アルゴンスパツタエツチング終了後、基板
をアセトンに浸し超音波洗浄することによつて残
りのレジストパターン１６を除去する（第１図
ｂ）。

四フツ化炭素（CF₄）ガス圧5Pa、エツチング
電力0.16w／cm²のエツチング条件で反応性イオン
エツチングを行い接合領域以外の上部電極１４を
除去する。上記条件の反応性イオンエツチングに
おいては、上部電極１４の材料であるニオブは
100nm／分のエツチングレートでエツチングさ
れ、オーバーエツチング時間も含めて５分間のエ
ツチングで上部電極１４は完全に除去される。一
方上記条件の反応性イオンエツチングではマスク
金属１５の材料であるアルミニウムのエツチング
レートは、2nm／分である。従つてアルミニウム
は、上記５分間のエツチングの間に10nmしかエ
ツチングされないため、接合領域を規定する前記
上部電極１４エツチング終了後、接合領域上には
厚さ30nmのマスク金属１５が残る（第１図ｃ）。

二酸化シリコン（SiO₂）をスパツタで400nm
成膜後、有機塗布膜を全面に塗布し表面を平坦に
する。エツチバツク法を用いて前記有機塗布膜と
SiO₂膜をマスク金属１５の表面が現れるまでエ
ツチングし、厚さ330nmのSiO₂からなる層間絶
縁膜１７を形成する（第１図ｄ）。

前記条件のアルゴンスパツタエツチングを５分
間行い、接合領域上のマスク金属１５を10nmエ
ツチングし、表面にできたアルミニウム酸化物や
アルミニウムフツ化物等の汚染物を除去する。こ
のときのSiO₂のエツチングレートは3nm／分で
あるので層間絶縁膜１７は15nmしかエツチング
されず、ジヨセフソン接合の動作を妨げることは
ない。ニオブを40nmスパツタで成膜し、フオト
レジストマスクを用いたCF₄による反応性イオン
エツチングで加工することにより上部配線１８を
形成する（第１図ｅ）。

以上述べた本実施例によるジヨセフソン接合の
加工方法においては、CF₄ガスによる反応性イオ
ンエツチングによつてほとんどエツチングされな
いアルミニウムをマスク金属１５として用いてい
るため、接合領域を規定する上部電極１４のエツ
チングの際に、エツチングマスクがレジストマス
クを用いた場合のように細くなることがなく、高
いパターン転写精度を有する接合が得られる。ま
た超伝導体であるニオブからなる上部電極１４と
上部配線１８にはさまれたマスク金属１５は液体
ヘリウム温度（4.2K）で常伝導であるがその膜
厚が20nmと十分薄いため、（作用）の項で示した
近接効果により、十分大きな超伝導電流が流れる
ため、良好な超伝導コンタクトが得られる。この
ようにマスク金属１５の膜厚が十分薄ければ、除
去する必要がなく、従来問題であつたマスク金属
１５を除去する際の電極膜の損傷がおこらず接合
形成プロセスの信頼性が向上する。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によるジヨセフソン
接合の製造方法は、金属マスクを用いたジヨセフ
ソン接合の高精度な加工が可能な上に、金属マス
クを除去することなしに良好な超伝導コンタクト
が得られ、従来金属マスク除去の際に生じていた
電極膜の損傷等がおこらず、ジヨセフソン接合形
成プロセスの信頼性が向上するという利点を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｅは、本発明の実施例を説明するた
めの断面図、第２図ａ〜ｄは従来の技術を説明す
るための断面図である。 図において、１１……基板、１２……下部電
極、１３……トンネル障壁層、１４……上部電
極、１５……マスク金属、１６……レジストパタ
ーン、１７……層間絶縁膜、１８……上部配線、
２１……基板、２２……被エツチング金属、２３
……マスク金属、２４……レジストパターン、２
５……金属マスク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超伝導体からなる下部電極と上部電極がトン
   ネル障壁層を介して結合したトンネル型ジヨセフ
   ソン接合の製造方法において、基板全面に前記下
   部電極、前記トンネル障壁層、前記上部電極から
   なる接合構成層を成膜する工程、前記接合構成層
   表面が酸化されていない状態で前記接合構成層上
   に金属膜を成膜する工程、前記金属膜を加工し接
   合領域以外の部分を除去する工程、前記金属膜を
   マスクとして前記接合領域以外の少くとも前記上
   部電極をエツチング除去する工程、前記金属膜表
   面上の汚染物を除去した後、超伝導体からなる上
   部配線を少くとも前記接合領域を含む領域に形成
   する工程とを含み、前記上部配線形成後の前記金
   属膜の膜厚が、近接効果によつて生じる前記金属
   膜のコヒーレンス長以下であることを特徴とする
   ジヨセフソン接合の製造方法。