JPH055386B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ジヨセフソン接合素子の形成方法に
係り、特に、下部電極Nb膜の内部応力を緩和す
るのに好適な構造に関する。

〔従来の技術〕

従来の下部電極のNb膜は内部応力を緩和する
ために２回に分割し形成していた。すなわち、特
開昭61−271877号公報に記載の様にNb膜からな
る下部電極の一部を、まず、平坦な絶縁性基板上
に凸構造の段差を備けて、その上に下部電極の
Nb膜、トンネル障壁層のAlO_x膜、上部電極の
Nb膜を連続形成し、その後に、反応性イオンエ
ツチングにより段差の真上に接合部を形成してい
た。したがつて、この方法はパターンを形成する
ためのホト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ること、また下部電極を２
回に分けて形成する方法を用いているために内部
応力による接合特性への影響が小さいという特徴
がある。しかし、Nb膜のパターン加工を２回行
なうために、最初に形成したNbパターンの段差
上において、その表面がホトレジスト等によつて
汚染される。このために、次の三層膜を形成する
工程の前に、超電導コンタクトを確実にとるため
に、Arによるスパツタクリーニングを必らず行
なう必要があつた。ところが再現性に対してはバ
ラツキが大きく、また、素子構成上においては構
造上に問題があつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術においては、ジヨセフソン接合素
子の下部電極のNb膜の形成は、内部応力の緩和
を図るために２度に分けて行なつていた。すなわ
ち、平坦な絶縁膜SiO上に１回目の下部電極の
Nb膜を150nｍスパツタ形成した後、次いで、こ
の上にレジストパターンを形成しCF₄ガスを用い
た反応性イオンエツチングにより凸状の段差を持
つNbパターンを形成する。次いで、Nb／
AlO_x／Nb三層膜との超電導コンタクトを取るた
めに、凸状のNb膜表面をArによるスパツタクリ
ーニングによりホトレジストの汚染物を除去した
後、その上に２回目の下部電極Nb膜50nｍ、トン
ネル障壁層のAlO_x膜5nｍ、上部電極Nb膜100nｍ
をインラインにより連続スパツタ形成する。次い
で、再び、上部電極上にレジストパターンを形成
しCF₄ガスを用いた反応性イオンエツチングによ
り三層膜と１回目に形成した凸状の段差を持つ下
部電極の一部も含めて一括パターン加工を行な
う。

すなわち、ジヨセフソン接合を形成する下部電
極は、１回目に凸状段差として形成した膜厚
150nｍのNb膜と、２回目のインラインにより形
成された膜厚50nｍのNb膜との合計膜厚200nｍ
によつて構成される。

以上の様に、ジヨセフソン接合を構成する三層
膜はインラインにより連続スパツタ形成を行なう
ためにホト工程が途中に介在しない利点がある。
しかし、１回目の下部電極のNb膜で凸状段差を
パターン加工する際、ホト工程が１度介在する欠
点がある。したがつて、Nb段差上の汚染物を完
全に除去をしないと超電導コンタクトを確実に取
ることができない。また、同時にArによるスパ
ツタクリーニングによつて完全にNbの酸化物を
除去しないと同様な問題が生ずる。さらに、スパ
ツタダメージによつてNbの表面状態が種々異な
るために、次の三層膜形成時において結晶の配向
性に影響を及ぼすことが考えられる。このため
に、接合特性のバラツキや再現性に問題があつて
回路の動作マージンがきわめて狭く支障をきたし
ていた。

したがつて、これらの問題を解消するために下
部電極の内部応力緩和のための新しい構造のジヨ
セフソン接合素子の形成方法が強く要望されてい
た。

本発明の目的は、下部電極Nb膜の内部応力を
充分に緩和できる様な構造を持つジヨセフソン接
合素子の形成方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、予じめ、基板に深い溝を形成する
ことにより、達成される。この溝は、スクライブ
ラインに対応した位置に形成するものであり、特
に素子構成上においては問題とならず、三層膜は
絶縁膜を介した後の清浄面にインラインにより連
続形成する。

〔作用〕

三層膜はスクライブラインの溝の所で切断され
て連続膜と成らずに下部電極Nb膜の内部応力が
解放できる。その後に、通常のパターン加工によ
つて形成すれば、超電導コンタクトを取るための
Arによるスパツタクリーニングの工程も省略出
来て、再現性の良い接合特性の素子が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説
明する。

第１図ａは、本発明のSi基板にスクライブライ
ンの位置に対応して形成した溝を示す平面図であ
る。まず、直径50mmφのSi基板１１上にAZ1470
レジスト（米国ヘキスト社商品名）を膜厚2μｍ
をスピン塗布した後に、90℃、20分間のプリベー
クを行つた。次いでスクライブラインピツチ５
mm、パターン幅200μｍから成るホトマスクを用
いて密着露光法により20秒間のパターン転写を行
なつた。次いで、AZデベロツパー：水＝１：１
の組成で液温24℃中で60秒間の現像処理を行ない
水洗120秒後にスピン乾燥をしてレジストパター
ンを形成した。次いで、CF₄ガスを用いて反応性
イオンエツチングにより深さ1.2μｍと成る様にエ
ツチング時間を設定してパターン加工を行つた。
レジストをアセトンにより除去後、溝１２を形成
した。第１図ｂは、前記第１図ａのＡ−A′線で
切断した箇所の断面図を示したものである。Si基
板１１の表面に形成された溝１２は、急峻なほど
効果があることは言うまでもないが、この上に絶
縁膜を介して下部電極Nb膜、トンネル障壁層の
AlO_x膜、上部電極Nb膜の三層膜をインラインで
連続スパツタ形成した際に、連続膜と成らない様
にすることがポイントである。したがつて、溝１
２のテーパ角度は85度以上とすることが望しい。

第２図は、本発明の基板上に三層膜をスパツタ
形成した時の断面図であり、第１図ｂの点線丸印
内の拡大部を示す。Si基板２１に前述した条件で
溝を形成した後、次いで、層間絶縁膜SiO２２を
膜厚600nｍ形成した。次いで、インラインによ
り、まず、下部電極２４のNb膜を膜厚200nｍス
パツタ形成した後、次いで、トンネル障壁層25の
AlO_x膜を5nｍスパツタ形成した。次いで上部電
極２６のNb膜を膜厚100nｍスパツタ形成し大き
なジヨセフソン接合をウエーハ全面に形成した。
この結果、図から明らかな様に溝２３の段差上下
で三層膜は連続膜と成らず分離しているのがわか
る。その後にCF₄ガスを用いて反応性イオンエツ
チングでパターン加工を行えば、下部電極の内部
応力の影響を受けることなく良好な接合パターン
が得られる。また、本発明では下部電極を１回で
形成するためにホトレジスト等による汚染の心配
がまつたく無いので超電導コンタクト等の問題を
考える必要が無い。さらに、内部応力緩和のため
のスクライブライン内設けた溝は、素子構成上に
おいて設計の余裕度を広げる上でも効果が大き
い。したがつて、本発明により従来の問題点をほ
ぼ解決することが可能となつた。

本発明により形成したインライン型Nb／
AlO_x／Nb系ジヨセフソン接合素子の断面図を第
３図に示す。

基板には、直径50mmφの厚さ400μｍ、＜100＞
のSi基板３１を用いた。まず、このSi基板３１上
にAZ1470レジスト（米国ヘキスト社製商品名）
を膜厚2μｍをスピン塗布により形成した。次い
で90℃、20分間のプリベーク後、スクライブライ
ンピツチ2.5mm、溝のパターン幅180μｍから成る
フオトマスクを用いて密着露光により20秒間のパ
ターン転写を行つた。次いで、AZデベロツパ
ー：水＝１：１の組成比で液温24℃で60秒間の現
像処理を行ない水洗120秒後、スピン乾燥をして
レジストパターンを形成した。次いで、このSi基
板３１をパターン加工をするために、真空装置内
に挿入し、減圧した後、CF₄ガスによる反応性イ
オンエツチングにより、CF₄圧力26Pa、電力
100Wの条件でレジストパターンをマスクにして
スクライブライン中のSiを深さ1.2μｍに成る様に
エツチング除去した。次いで、真空装置内から取
り出してからアセトンによりリフトオフを行なつ
てスクライブラインに対応した位置に幅180μｍ、
深さ1.2μｍの溝を形成した。なお、図中ではこの
部分の溝は省略してある。次いで、Si基板３１上
を絶縁するために、再び、真空装置内に挿入し、
減圧した後、層間絶縁膜としてSiO３２を300nｍ
被着した。真空装置内から取り出した後、層間絶
縁膜SiO３２の被着面には触れない様にして、こ
の上にNb／AlO_x／Nb三層膜をインラインで連
続形成するためにスパツタ装置内に挿入し減圧し
た。次いで、下部電極３３と成る膜厚200nｍの
Nb膜をDCマグネトロンスパツタ法により被着し
た。被着条件は、Ar圧力0.6Pa、堆積速度3nｍ／
秒とした。次いで、同一スパツタ装置内でSi基板
３１をAlのターゲツト真下に移動してAlを膜厚
5nｍ被着した。Alの堆積速度は0.2nｍ／秒とし
た。Al膜形成後スパツタ装置内にO₂ガスを
100Pa導入し室温（24〜26℃）中で40分間の自然
酸化を行つてAlの表面酸化膜であるAlO_x層３４
を形成した（本実施例ではｘ＝２）。再び、スパ
ツタ装置内を真空排気した後、Si基板３１をNb
のターゲツト真下に移動し、DCマグネトロンス
パツタ法によりNb膜を100nｍ被着した。三層膜
をインラインで連続形成した後、Si基板３１をス
パツタ装置内から取出した。次いで、先ず、下部
電極３３を含むレジストパターンを上部電極３５
上に次の条件で形成した。AZ1350レジストを膜
厚0.8μｍをスピン塗布により形成した。次いで、
90℃、20分間のプリベーク後、密着露光により８
秒間のパターン転写を行なつた。次いで、AZデ
ベロツパー：水＝１：１の組成で液温24℃中で60
秒間の現像処理を行ない、水洗120秒後、スピン
乾燥をしてレジストパターンを転写した。次い
で、このSi基板３１をエツチング加工をするため
に、真空装置内に挿入し、減圧した後、まず、上
部電極３５のNb膜をCF₄ガスによる反応性イオ
ンエツチングにより、CF₄圧力26Pa、電極100W
の条件でレジストパターン以外のNb膜部分を除
去した。Alの表面酸化膜AlO_x３４が露出した時
点でArによるイオンビームエツチングに切り替
えてAr圧力２×10^-2Pa、加速電圧60eV、イオン
電流密度0.5ｍＡ／cm²の条件下で約５分間のイオ
ンエツチングを行つた後、引続いて、下部電極３
３の配線部分のエツチングを前述した上部電極３
５と同条件で行なつた。真空装置内から取り出し
た後、アセトンによりパターン上のレジストを除
去した。次いで、接合面積を規定するレジストパ
ターンを次の条件で上部電極３５上に形成した。
AZ1470レジストを膜厚1.2μｍをスピン塗布によ
り形成した。次いで、90℃、20分間のプリベーク
後、密着露光により12秒間のパターン転写を行な
つた。接合面積は1.8×1.8μm²である。再び、真
空装置に挿入し、前述した上部電極３５、下部電
極３３の配線パターンと同じ条件でCF₄ガスによ
り上部電極３５のNb膜をレジストパターン以外
の部分をCF₄ガスによる反応性イオンエツチング
で除去した。この後、真空装置内により取り出し
てレジストパターンをリフトオフマスクとして、
再び、絶縁膜蒸着装置へ挿入し減圧した後、下部
電極３３が完全にSi絶縁膜３６によつて被覆でき
るだけの膜厚を被着した。その後、再び、真空装
置内より取り出しアセトンによりリフトオフを行
ない下部電極３３、上部電極３５で面積規定され
た接合部上の一部へSi絶縁膜３６が埋戻されて層
間絶縁膜となつた。次いで、上部電極３５の表面
をAr中の高周波放電によりスパツタクリーニン
グ処理を行なつた後、上部電極接続用のNb膜を
膜厚300nｍ被着して配線電極膜を形成した。Nb
膜の被着条件は、前述の下部電極３３、上部電極
３５と同条件でマグネトロンスパツタ法により被
着した。真空装置内より取り出した後、前述した
条件によりレジストパターンを形成した。次い
で、再び、スパツタ装置内に挿入し減圧してか
ら、CF₄ガスにより反応性イオンエツチングでレ
ジストパターン以外のNb膜をエツチング除去し、
上部電極３５に接続する配線電極３７を形成し
た。

なお、本実施例では絶縁膜としてSiO、Siを用
いたがSiO₂、Al₂O₃、MgO、Ge、MgF等を用い
ても同様の効果が得られる。また、超電導膜とし
ては、Nbを用いたが本発明はこれに限られるこ
となく、NbN、MoN、TaN、TiN等を用いて
も同様の効果が得られる。

例えば、256個直列に接続した1.8×1.8μm²のジ
ヨセフソン接合の超電導臨界電流（Ic）のバラツ
キは±５〜６％であり、また、リーク割合RJ／
Rnnは15〜20と従来の５〜８に比べて約半分以下
に小さく形成出来る様になつた。このため、回路
の動作マージンも大幅に向上することが実現可能
となつた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ジヨセフソン接合素子の下部
電極に用いるNb膜の内部応力はスパツタ時にお
いて充分に緩和されパターン加工を行つた際にも
トンネル障壁層に悪影響を及ぼすことなく接合特
性の劣化も見られず再現性の良い素子が得られる
ことが可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による溝を形成したSi基板の平
面図及び断面図、第２図は本発明の基板上に三層
膜を被着した時の断面図、第３図は本発明法を用
いて作製したジヨセフソン接合素子の断面図であ
る。 １１，２１，３１……Si基板、１２……溝、２
２，３２……絶縁膜、２４，３３……下部電極、
２５，３４……トンネル障壁層、２６，３５……
上部電極、３７……配線電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上にNb膜からなる下部電極と、 AlO_x膜からなるトンネル障壁層と、Nb膜から
   なる上部電極とにより構成される三層膜を連続形
   成する工程において、上記基板の表面にはあらか
   じめ、所望とするチツプのスクライブラインエリ
   アに対応する位置に幅50〜200μｍ、深さ0.2〜
   2.0μｍの凹状の溝を設けることを特徴とするジヨ
   セフソン接合素子の形成方法。