JPH0634417B2 - ジヨセフソン接合素子の製造方法 - Google Patents
ジヨセフソン接合素子の製造方法Info
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- JPH0634417B2 JPH0634417B2 JP61222405A JP22240586A JPH0634417B2 JP H0634417 B2 JPH0634417 B2 JP H0634417B2 JP 61222405 A JP61222405 A JP 61222405A JP 22240586 A JP22240586 A JP 22240586A JP H0634417 B2 JPH0634417 B2 JP H0634417B2
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- josephson junction
- manufacturing
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は対向電極／トンネルバリア膜／基部電極からな
るジョセフソン接合素子の製造方法において、ジョセフ
ソン接合領域を除いて対向電極形成用の超伝導金属膜を
陽極酸化して酸化膜を形成することによりジョセフソン
接合素子領域の面積を画定し、該対向電極にコンタクト
するため、ドライエッチングにより層間絶縁膜に開口部
を設けるときには、該陽極酸化膜をエッチングのストッ
パとして用いることによりジョセフソン接合領域の面積
よりも広い面積の窓開けを可能とする。これにより微細
構造のジョセフソン接合素子を再現性よく、容易に製造
することが可能となる。
るジョセフソン接合素子の製造方法において、ジョセフ
ソン接合領域を除いて対向電極形成用の超伝導金属膜を
陽極酸化して酸化膜を形成することによりジョセフソン
接合素子領域の面積を画定し、該対向電極にコンタクト
するため、ドライエッチングにより層間絶縁膜に開口部
を設けるときには、該陽極酸化膜をエッチングのストッ
パとして用いることによりジョセフソン接合領域の面積
よりも広い面積の窓開けを可能とする。これにより微細
構造のジョセフソン接合素子を再現性よく、容易に製造
することが可能となる。
本発明はジョセフソン接合素子の製造方法に関するもの
であり、更に詳しく言えば微細構造のジョセフソン接合
素子の製造方法に関するものである。
であり、更に詳しく言えば微細構造のジョセフソン接合
素子の製造方法に関するものである。
最近、ジョセフソン接合素子の電極材料は、従来の鉛合
金から高融点金属であるＮb やＮb 化合物（例えば、Ｎ
b Ｎ）に変わり、これにより素子の安定性が飛躍的に向
上している。特にＮb ／ＡｌＯx ／Ｎb 接合は電気的特
性も良好で、集積回路への応用が盛んに研究されてい
る。しかし回路の集積度を上げるためには、１μｍ径程
度の微細な接合を作成することが必要となる。
金から高融点金属であるＮb やＮb 化合物（例えば、Ｎ
b Ｎ）に変わり、これにより素子の安定性が飛躍的に向
上している。特にＮb ／ＡｌＯx ／Ｎb 接合は電気的特
性も良好で、集積回路への応用が盛んに研究されてい
る。しかし回路の集積度を上げるためには、１μｍ径程
度の微細な接合を作成することが必要となる。
第３図は従来例に係るジョセフソン接合素子の構造を示
す断面図である。この接合素子の製造方法を説明する
と、まずSi基板１上に、膜厚２００〜３００ｎｍの基部
電極２用の第１の超伝導金属膜（Ｎb 膜），極めて薄い
トンネルバリア膜（Ａｌ−ＡｌＯx 膜）３，膜厚２００
ｎｍの対向電極４用の第２の超伝導金属膜（Ｎb 膜）４
が同一真空層内で連続成膜された後に、それぞれの電極
パターンがＲＩＥ加工等により形成される。次いで層間
絶縁膜としてのSiO2膜やSiO 膜を成膜した後に、コンタ
クトホール６をＲＩＥ加工等により形成する。最後に配
線層７としてのＮb 膜を成膜した後にパターン形成す
る。
す断面図である。この接合素子の製造方法を説明する
と、まずSi基板１上に、膜厚２００〜３００ｎｍの基部
電極２用の第１の超伝導金属膜（Ｎb 膜），極めて薄い
トンネルバリア膜（Ａｌ−ＡｌＯx 膜）３，膜厚２００
ｎｍの対向電極４用の第２の超伝導金属膜（Ｎb 膜）４
が同一真空層内で連続成膜された後に、それぞれの電極
パターンがＲＩＥ加工等により形成される。次いで層間
絶縁膜としてのSiO2膜やSiO 膜を成膜した後に、コンタ
クトホール６をＲＩＥ加工等により形成する。最後に配
線層７としてのＮb 膜を成膜した後にパターン形成す
る。
ところでこの製造方法によれば、コンタクトホール６は
対向電極のパターン内に設ける必要がある。もしコンタ
クトホールの形成位置が対向電極パターンより外側には
みだすと、配線７と基部電極２とが電気的に短絡して正
常な接合素子特性が得られなくなる。このため露光時の
位置合せ余裕を含め、コンタクトホール６の大きさは接
合領域（すなわち対向電極の領域）よりもある程度小さ
くする必要がある。ところがコンタクトホール６を再現
性よく適正に形成するためには一定の大きさ（例えば１
μｍ）以上の寸法が要求されるので、寸法が１μｍ程度
の接合素子を形成することは極めて困難である。
対向電極のパターン内に設ける必要がある。もしコンタ
クトホールの形成位置が対向電極パターンより外側には
みだすと、配線７と基部電極２とが電気的に短絡して正
常な接合素子特性が得られなくなる。このため露光時の
位置合せ余裕を含め、コンタクトホール６の大きさは接
合領域（すなわち対向電極の領域）よりもある程度小さ
くする必要がある。ところがコンタクトホール６を再現
性よく適正に形成するためには一定の大きさ（例えば１
μｍ）以上の寸法が要求されるので、寸法が１μｍ程度
の接合素子を形成することは極めて困難である。
そこで第４図（ａ）〜（ｃ）に示すような接合構造のジ
ョセフソン接合素子が提案されている（Morohashi et a
l,Appl.Phys.Lett.Vol.48,No.3,P254 〜 P256,1986）。
以下、この接合素子の製造方法を説明する。
ョセフソン接合素子が提案されている（Morohashi et a
l,Appl.Phys.Lett.Vol.48,No.3,P254 〜 P256,1986）。
以下、この接合素子の製造方法を説明する。
（ａ）まず基板８上に基部電極９用のＮb 膜，トンネル
バリア膜１０用のＡｌ−ＡｌＯx 膜，対向電極１１用の
Ｎb 膜を同一真空層内で連続成膜した後、レジスト膜１
２をマスクとしてＲＩＥ加工により対向電極１１をパタ
ーン形成し、更にＡr スパッタリングによりＡｌ−Ａｌ
Ｏx を除去する。次いで露出したＮb 膜（基部電極９）
を陽極酸化する。このときの印加電圧は１０〜２０Ｖ
で、形成される陽極酸化膜は２０〜４０ｎｍである。
バリア膜１０用のＡｌ−ＡｌＯx 膜，対向電極１１用の
Ｎb 膜を同一真空層内で連続成膜した後、レジスト膜１
２をマスクとしてＲＩＥ加工により対向電極１１をパタ
ーン形成し、更にＡr スパッタリングによりＡｌ−Ａｌ
Ｏx を除去する。次いで露出したＮb 膜（基部電極９）
を陽極酸化する。このときの印加電圧は１０〜２０Ｖ
で、形成される陽極酸化膜は２０〜４０ｎｍである。
（ｂ）次にエッチングストッパ１４として膜厚２０〜４
０ｎｍのＡｌ膜を蒸着により形成し、アセトンによって
レジスト膜１２を除去することによりパターン形成す
る。
０ｎｍのＡｌ膜を蒸着により形成し、アセトンによって
レジスト膜１２を除去することによりパターン形成す
る。
（ｃ）次いでスパッタ又はＣＶＤ法等により層間絶縁膜
１５としてのSiO2膜を形成し、CHF3反応ガスを用いてＲ
ＩＥ加工によりコンタクトホール１６を形成する。この
ときＡｌ膜はエッチングストッパとして働くので、コン
タクトホール径が接合領域より大きくても、陽極酸化膜
１３が露出することはない。次に配線層１７としてＮb
をスパッタ法で成膜した後、パターン形成する。
１５としてのSiO2膜を形成し、CHF3反応ガスを用いてＲ
ＩＥ加工によりコンタクトホール１６を形成する。この
ときＡｌ膜はエッチングストッパとして働くので、コン
タクトホール径が接合領域より大きくても、陽極酸化膜
１３が露出することはない。次に配線層１７としてＮb
をスパッタ法で成膜した後、パターン形成する。
このように、この製造方法によればジョセフソン接合の
寸法を、コンタクトホールの大きさに制限されることの
なく、極めて小さくすることができる。
寸法を、コンタクトホールの大きさに制限されることの
なく、極めて小さくすることができる。
しかし、その方法には次のような問題点がある。
(1) 第４図（ａ）に示す対向電極１１をＲＩＥ加工によ
り形成するとき、サイドエッチングにより側面が削られ
て実質的に接合面積が減少する。特に接合寸法が１μｍ
程度になると、サイドエッチング量のバラツキや再現性
が接合面積に大きく影響する。
り形成するとき、サイドエッチングにより側面が削られ
て実質的に接合面積が減少する。特に接合寸法が１μｍ
程度になると、サイドエッチング量のバラツキや再現性
が接合面積に大きく影響する。
(2) エッチングストッパ１４としてのＡｌ膜は２０〜４
０ｎｍの膜厚で蒸着により形成されるが、ウェハー内に
多数個の接合をつくる場合、リフトオフによりレジスト
膜１２上のＡｌ膜をすべて完全に除去することが困難で
ある。それはレジスト膜１２をマスクとしてＲＩＥ法に
より対向電極やトンネルバリア膜をエッチングするとき
のプラズマにより該レジスト膜１２がダメージを受けた
り、あるいはレジスト膜自体もエッチングされて膜減り
が生じているからである。Ａｌ膜がリフトオフで完全に
除去されない場合や、Ａｌ膜のバリが生ずる場合には、
他の配線膜の断線や配線間のショートを招く原因とな
る。
０ｎｍの膜厚で蒸着により形成されるが、ウェハー内に
多数個の接合をつくる場合、リフトオフによりレジスト
膜１２上のＡｌ膜をすべて完全に除去することが困難で
ある。それはレジスト膜１２をマスクとしてＲＩＥ法に
より対向電極やトンネルバリア膜をエッチングするとき
のプラズマにより該レジスト膜１２がダメージを受けた
り、あるいはレジスト膜自体もエッチングされて膜減り
が生じているからである。Ａｌ膜がリフトオフで完全に
除去されない場合や、Ａｌ膜のバリが生ずる場合には、
他の配線膜の断線や配線間のショートを招く原因とな
る。
本発明はかかる従来の問題点に鑑みて創作されたもので
あり、微細構造のジョセフソン接合素子を再現性良く、
かつ容易に形成することを可能とする製造方法の提供を
目的とする。
あり、微細構造のジョセフソン接合素子を再現性良く、
かつ容易に形成することを可能とする製造方法の提供を
目的とする。
第１図は本発明の製造方法によって形成されるジョセフ
ソン接合素子の構造断面図である。図において１８はSi
基板であり、その上に基部電極２４，トンネルバリア膜
２５および対向電極２７からなるジョセフソン接合が形
成されている。また２６は陽極酸化膜，２８は層間絶縁
膜であり、配線膜３０は該層間絶縁膜２８に形成された
コンタクトホール２９を介して対向電極２７にコンタク
トしている。
ソン接合素子の構造断面図である。図において１８はSi
基板であり、その上に基部電極２４，トンネルバリア膜
２５および対向電極２７からなるジョセフソン接合が形
成されている。また２６は陽極酸化膜，２８は層間絶縁
膜であり、配線膜３０は該層間絶縁膜２８に形成された
コンタクトホール２９を介して対向電極２７にコンタク
トしている。
対向電極２７の寸法は、該対向電極材料の超伝導金属を
陽極酸化する工程により一義的に決定される。
陽極酸化する工程により一義的に決定される。
また陽極酸化工程で形成された陽極酸化膜２６は層間絶
縁膜２８のコンタクトホール２９を形成する際のエッチ
ングストッパとしての役割を果たす。これによりコンタ
クトホール２９の寸法の大きさに依存しない極めて微細
な構造のジョセフソン接合素子を形成することができ
る。
縁膜２８のコンタクトホール２９を形成する際のエッチ
ングストッパとしての役割を果たす。これによりコンタ
クトホール２９の寸法の大きさに依存しない極めて微細
な構造のジョセフソン接合素子を形成することができ
る。
〔実施例〕 次に図を参照しながら本発明の実施例について説明す
る。第２図は本発明の実施例に係るジョセフソン接合素
子の製造方法を説明する断面図である。
る。第２図は本発明の実施例に係るジョセフソン接合素
子の製造方法を説明する断面図である。
(1) まずSi基板１８上にＮb 膜１９，Ａｌ−ＡｌＯx 膜
２０およびＮb 膜２１を同一真空層内で順次、連続成膜
する。このときＮb 膜はｄｃ又はｒｆマグネトロンスパ
ッタで成膜し、Ｎb 膜１９は２００〜３００ｎｍ，Ｎb
膜２１は３０〜１００ｎｍの膜厚である。またＡｌはｄ
ｃ又はｒｆスパッタ法により３〜１０ｎｍで成膜し、そ
の後、酸素を導入してＡｌ表面にＡｌＯx を形成する。
２０およびＮb 膜２１を同一真空層内で順次、連続成膜
する。このときＮb 膜はｄｃ又はｒｆマグネトロンスパ
ッタで成膜し、Ｎb 膜１９は２００〜３００ｎｍ，Ｎb
膜２１は３０〜１００ｎｍの膜厚である。またＡｌはｄ
ｃ又はｒｆスパッタ法により３〜１０ｎｍで成膜し、そ
の後、酸素を導入してＡｌ表面にＡｌＯx を形成する。
なおSi基板１８とＮb 膜１９との間に、熱酸化膜，超伝
導接地面積，絶縁膜又は抵抗等が形成されていてもよい
（第２図（ａ））。
導接地面積，絶縁膜又は抵抗等が形成されていてもよい
（第２図（ａ））。
(2) 次いでレジスト膜２２をパターニングした後、該レ
ジスト膜２２をマスクとしてＮb 膜２１の陽極酸化を行
いNb2O５膜２３を形成する（第２図（ｂ））。このとき
の電界液としてエチレングリコールとホウ酸アンモニウ
ムの混合液を用いる。陽極酸化されるＮb 膜の膜厚は印
加電圧によって決定される。すなわち１ｖでは０．９ｎ
ｍのＮb 膜が消費される（但し、このとき２．３ｎｍの
Nb2O５膜が形成される。）ので、３０〜１００ｎｍのＮ
b 膜２１をすべて陽極酸化するためめには印加電圧は３
５〜１２０Ｖ必要である。なおＮb 膜２１だけではな
く、その下のＡｌ−ＡｌＯx 膜２０やＮb 膜１９の一部
が陽極酸化されてもよい。
ジスト膜２２をマスクとしてＮb 膜２１の陽極酸化を行
いNb2O５膜２３を形成する（第２図（ｂ））。このとき
の電界液としてエチレングリコールとホウ酸アンモニウ
ムの混合液を用いる。陽極酸化されるＮb 膜の膜厚は印
加電圧によって決定される。すなわち１ｖでは０．９ｎ
ｍのＮb 膜が消費される（但し、このとき２．３ｎｍの
Nb2O５膜が形成される。）ので、３０〜１００ｎｍのＮ
b 膜２１をすべて陽極酸化するためめには印加電圧は３
５〜１２０Ｖ必要である。なおＮb 膜２１だけではな
く、その下のＡｌ−ＡｌＯx 膜２０やＮb 膜１９の一部
が陽極酸化されてもよい。
(3) 次いで不図示の別のレジスト膜をマスクとしてＲＩ
Ｅ加工によりNb2O５膜２３，Ａｌ−ＡｌＯx 膜２０，お
よびＮb 膜１９をエッチングして、基部電極２４，トン
ネルバリア膜２５，陽極酸化膜２６，対向電極２７を形
成する（第２図（ｃ））。このときの反応ガスは、それ
ぞれNb2O５膜にはCHF３，Ａｌ−ＡｌＯx 膜にはＡｒ，
Ｎb 膜にはCF４＋５％Ｏ２を用いる。
Ｅ加工によりNb2O５膜２３，Ａｌ−ＡｌＯx 膜２０，お
よびＮb 膜１９をエッチングして、基部電極２４，トン
ネルバリア膜２５，陽極酸化膜２６，対向電極２７を形
成する（第２図（ｃ））。このときの反応ガスは、それ
ぞれNb2O５膜にはCHF３，Ａｌ−ＡｌＯx 膜にはＡｒ，
Ｎb 膜にはCF４＋５％Ｏ２を用いる。
(4) 次に層間絶縁膜２８として膜厚４００〜５００ｎｍ
のSiO2膜をスパッタ法，ＣＶＤ法等で形成する（第２図
（ｄ））。
のSiO2膜をスパッタ法，ＣＶＤ法等で形成する（第２図
（ｄ））。
(5) 次いで不図示のレジスト膜をマスクとしてＲＩＥ加
工よりコンタクトホール２９を形成する。反応ガスとし
てはCHF3を用いるが、ガス圧が１５ｍTorrのとき、エッ
チングレートは、SiO２膜，Nb2O５膜，Ｎb 膜に対しそ
れぞれ３０，１５，５ｎｍ／分である。このためNb2O５
膜からなる陽極酸化膜２６はエッチングストッパとして
働くので、接合領域よりも広いコンタクトホールを形成
することができる（第２図（ｅ））。
工よりコンタクトホール２９を形成する。反応ガスとし
てはCHF3を用いるが、ガス圧が１５ｍTorrのとき、エッ
チングレートは、SiO２膜，Nb2O５膜，Ｎb 膜に対しそ
れぞれ３０，１５，５ｎｍ／分である。このためNb2O５
膜からなる陽極酸化膜２６はエッチングストッパとして
働くので、接合領域よりも広いコンタクトホールを形成
することができる（第２図（ｅ））。
(6) 次にＡｒ中でスパッタクリーニングすることにより
対向電極２７の表面の薄い酸化膜を除去した後に、膜厚
５００〜８００ｎｍのＮb 膜からなる配線膜３０を形成
した後にパターン加工する（第２図（ｆ））。
対向電極２７の表面の薄い酸化膜を除去した後に、膜厚
５００〜８００ｎｍのＮb 膜からなる配線膜３０を形成
した後にパターン加工する（第２図（ｆ））。
このように本発明の実施例によればＮb 膜２１を陽極酸
化することにより一義的に接合領域を決定できるので、
接合寸法の精度が向上する。また陽極酸化により形成さ
れたNb2O５膜２３をコンタクトホール２９を形成すると
きのエッチングストッパとして利用できるので、コンタ
クトホール径に依存しない極めて微細構造のジョセフソ
ン接合素子を、ウエハ上に均一に、かつ再現性良く形成
することができる。
化することにより一義的に接合領域を決定できるので、
接合寸法の精度が向上する。また陽極酸化により形成さ
れたNb2O５膜２３をコンタクトホール２９を形成すると
きのエッチングストッパとして利用できるので、コンタ
クトホール径に依存しない極めて微細構造のジョセフソ
ン接合素子を、ウエハ上に均一に、かつ再現性良く形成
することができる。
以上説明したように、本発明によればＲＩＥ加工するこ
となく、陽極酸化工程のみで対向電極の領域、すなわち
接合領域を決定することができるので、接合領域の寸法
の精度は向上する。また該陽極酸化膜をコンタクトホー
ル形成時のエッチングストッパとして利用することがで
きるので、コンタクトホール径に依存しない極めて微細
構造のジョセフソン接合素子を、再現性良く容易に形成
することができる。
となく、陽極酸化工程のみで対向電極の領域、すなわち
接合領域を決定することができるので、接合領域の寸法
の精度は向上する。また該陽極酸化膜をコンタクトホー
ル形成時のエッチングストッパとして利用することがで
きるので、コンタクトホール径に依存しない極めて微細
構造のジョセフソン接合素子を、再現性良く容易に形成
することができる。
第１図は本発明の製造方法によって作成されるジョセフ
ソン接合素子の断面図、 第２図は本発明の実施例に係るジョセフソン接合素子の
製造方法を説明する断面図、 第３図は従来例の製造方法を説明する断面図、第４図は
別の従来例の製造方法を説明する断面図である。 （符号の説明） １，８，１８……Ｓｉ基板、 ２，９，２４……基部電極、 ３，１０，２５……トンネルバリア膜、 ４，１１，２７……対向電極、 ５，１５，２８……層間絶縁膜、 ６，１６，２９……コンタクトホール、 ７，１７，３０……配線膜、 １２，２２……レジスト膜、 １３，２６……陽極酸化膜、 １４……エッチングストッパ、 １９，２１……Ｎb 膜、 ２０……Ａｌ−ＡｌＯx 膜、 ２３……Nb2O５膜。
ソン接合素子の断面図、 第２図は本発明の実施例に係るジョセフソン接合素子の
製造方法を説明する断面図、 第３図は従来例の製造方法を説明する断面図、第４図は
別の従来例の製造方法を説明する断面図である。 （符号の説明） １，８，１８……Ｓｉ基板、 ２，９，２４……基部電極、 ３，１０，２５……トンネルバリア膜、 ４，１１，２７……対向電極、 ５，１５，２８……層間絶縁膜、 ６，１６，２９……コンタクトホール、 ７，１７，３０……配線膜、 １２，２２……レジスト膜、 １３，２６……陽極酸化膜、 １４……エッチングストッパ、 １９，２１……Ｎb 膜、 ２０……Ａｌ−ＡｌＯx 膜、 ２３……Nb2O５膜。
Claims (1)
- 【請求項１】第１の超伝導金属膜，トンネルバリア膜お
よび第２の超伝導金属膜を順次、基板上に重ねて成膜す
る工程と、 形成すべきジョセフソン接合領域を除き、少なくとも前
記第２の超伝導金属膜を陽極酸化して酸化膜にする工程
と、 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
ングストッパとして前記ジョセフソン接合領域上に開口
部を形成する工程と、 前記開口部を介して第３の超伝導金属膜にコンタクトす
る第３の超伝導金属膜を形成する工程とを有することを
特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61222405A JPH0634417B2 (ja) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61222405A JPH0634417B2 (ja) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6377175A JPS6377175A (ja) | 1988-04-07 |
| JPH0634417B2 true JPH0634417B2 (ja) | 1994-05-02 |
Family
ID=16781861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61222405A Expired - Lifetime JPH0634417B2 (ja) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0634417B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5055158A (en) * | 1990-09-25 | 1991-10-08 | International Business Machines Corporation | Planarization of Josephson integrated circuit |
-
1986
- 1986-09-19 JP JP61222405A patent/JPH0634417B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6377175A (ja) | 1988-04-07 |
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