JPH0637365A - 超電導配線の接続構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】Ｎｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂの１２，１３，１４の三
層膜をスパツタ形成し、第１の超電導配線と接合を含む
インダクタを同時にパターン加工し、第１の超電導配線
の接続部分をドライエッチングにより上部電極膜１４と
ＡｌＯｘ層１３を完全に除去し、下部電極１２の表面を
露出させステップ状の断面形状とする。ついで、接続部
分の表面クリーニング処理を行った後に、全面にＮｂ膜
１７をスパッタ形成する。最後にドライエッチングによ
り第２の超電導配線１７と接続配線電極１７′を同時に
パターン加工して完了する。 【効果】本発明の適用により８ｍＡ／１μｍ角の超電導
臨界電流が再現性良く得られ、これにより接続面積と配
線ピッチの縮小化が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極低温において動作する
超電導デバイスの超電導配線の接続に係り、特に、高集
積化と高電流密度化に適した構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超電導デバイスは、特開昭58−17
6983号公報に記載されているように、Ｎｂ／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、その後に所望のレジストパターンをマ
スクとしてドライエッチング法によりジョセフソン接合
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
ことがないのでリーク電流の少ない高品質のジョセフソ
ン接合が再現性よく形成できるという特徴があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超電導
デバイスでは超電導配線の接続構造に問題があり、回路
動作に必要な十分の超電導臨界電流Ｉｃを得ることがで
きなかった。

【０００４】図３は従来の超電導デバイスにおける超電
導配線の接続構造の形成工程を示したものである。ま
ず、図３（ａ）において、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ＡｌＯｘ層２
３，Ｎｂ膜からなる上部電極２４のＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎ
ｂの三層膜をスパッタ法により被着する。ついで、図３
（ｂ）において、超電導配線と接合部分を含むインダク
タのレジストパターンを、上部電極２４上に形成した後
ドライエッチングによりレジストパターン以外の上部電
極２４，ＡｌＯｘ層２３，下部電極２２、をエッチング
により除去する。エッチング後マスクに用いた不要レジ
ストパターンを酸素プラズマ灰化とアセトンの併用によ
って除去し第１の超電導配線ＡおよびＡ′と接合部分を
含むインダクタパターンＢとを形成する。ついで、図３
（ｃ）において、上部電極２４からなる接合パターン上
のレジストをリフトオフマスクにしてエッチングされた
上部電極２４と基板２１上の露出部分を絶縁膜２５によ
って全面に被着して埋め戻す。

【０００５】この際、超電導配線ＡおよびＡ′はレジス
トで被覆しておきエッチングをせずに三層膜のままで残
す。ついで、アセトンによりリフトオフを行って下部電
極２２，基板２１の露出部分および上部電極２４から成
る接合パターンの側壁を絶縁膜２５で保護する。つい
で、図３（ｄ）において上部電極２４とＮｂ／ＡlＯx／
Ｎｂの三層膜から成る第１の超電導配線ＡおよびＡ′の
表面をＡｒスパッタクリーニングを行った後にＮｂ膜を
スパッタ法により形成する。ついで、図３(ｅ)において
第１の超電導配線ＡおよびＡ′と接続をする第２の超電
導配線２６およびジョセフソン接合の面積を規定する上
部電極２４に接続する配線電極２６′のパターン加工を
同時に行ない完了する。ここで、第２の超電導配線２６
と配線電極２６′は同層のＮｂ膜により形成する。

【０００６】なお、図３（ｆ）は完了した図３（ｅ）の
平面図を示したものである（×印は接続部を示す）。

【０００７】前述のようにＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂの三層
膜は真空を破ることなくインラインにより高品質な膜が
再現性良く形成できる大きな特徴を持っている。このた
めに超電導デバイスではジョセフソン接合を含むインダ
クタと共に超電導配線にも三層膜を用いている。

【０００８】ところで、従来の超電導配線の接続構造で
問題となるのは図３（ｅ）および（ｆ）に示したように
三層膜はトンネル障壁層であるＡｌＯｘ２３が下部電極
２２と上部電極２４との間に介在しサンドイッチ構造と
なっている点にある。このため回路設計の際に超電導配
線の接続部ではジョセフソン接合部に流れる超電導臨界
電流Ｉｃよりも多く流れるように配線を太くし接続面積
を大きくする必要があった。すなわち、実際の回路設計
では動作時における電流レベルのマージンを考慮し接続
面積をジョセフソン接合の面積に比べて少なくとも２〜
３倍以上に見積って設計をする必要がある。

【０００９】以上のように従来の超電導配線の接続構造
では前述のような問題点のあることから接続面積の縮小
化と同時に配線ピッチを詰めることが難しく超電導デバ
イスの高集積化が実現できなかった。

【００１０】本発明の目的はＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂの三
層膜を第１の超電導配線として用いる際に接続部におけ
る超電導臨界電流Ｉｃの増大を図る超電導配線の接続構
造を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明の超電導配線の接続構造では、まず、基板上に
おける超電導デバイスの相互間を繋ぐ、第１の超電導配
線には下部電極／トンネル障壁層／上部電極（Ｎｂ／Ａ
ｌＯｘ／Ｎｂ）の三層膜を、また、第２，第３の超電導
配線にはＮｂ膜を用いることを特徴とする。

【００１２】すなわち、第２，第３の超電導配線を接続
する前に、前記第１の超電導配線の接続部にスルホール
のレジストパターンを設け、ドライエッチングによって
上部電極のＮｂ膜，トンネル障壁層のＡｌＯｘの二層膜
を完全にエッチング除去して下部電極のＮｂ膜面を露出
させる。ついで、接続する下部電極のＮｂ膜表面の酸化
膜をＡｒスパッタクリーニングによって完全に除去した
後、引き続いて、全面にＮｂ膜をスパッタ法により被着
形成する。ついで、所望とする第２，第３の超電導配線
をパターン加工によって、下部電極の接続部であるＮｂ
膜上に、配線が交差もしくは配線が対向して接続するよ
うに形成する。この際、上層の第２，第３の超電導配線
の端部は接続部を完全に覆うように形成するのが条件で
ある。これによりＮｂ／Ｎｂ接合からなる超電導配線の
接続構造が達成できる。

【００１３】また、第３の超電導配線を設ける際に第１
の超電導配線との間に第２の超電導配線を挾み、サンド
イッチ構造として形成すると信頼性が向上する。

【００１４】

【作用】すなわち、前述の手段の超電導配線の接続構造
における最大のポイントは、三層膜から成る第１の超電
導配線の接続部をドライエッチングによって断面形状を
ステップ状もしくは凹状にパターン加工し下部電極のＮ
ｂ膜層だけにすることにある。つまり、ステップ部は配
線の端部であり、また、凹部は配線の中間で接続をとる
設計構造になる。したがって、超電導デバイスの相互間
を繋ぐ超電導配線の接続部はＮｂ／Ｎｂ接合の超電導接
続が実現可能となる。さらに、第１の超電導配線のステ
ップの端部はパターンエッジにＮｂ膜が露出しているた
めに接続面積が設計値よりも実効的に大きく作用する。
また、接合部ではステップにより段差部が緩和されるた
めに上層の第２，第３の超電導配線の段切れが防止でき
信頼性が向上する。このために、上層における超電導配
線のＮｂ膜厚を薄くすることが可能となる。したがっ
て、Ｎｂ膜の内部応力も緩和されるためジョセフソン接
合への影響も低減し再現性の良い特性が得られるように
作用する。

【００１５】また、前述の手段で述べたように第３の超
電導配線を形成する際に、第２の超電導配線を挾んで接
続するのはＡｒスパッタクリーニングとオーバエッチン
グの双方による下部電極Ｎｂ膜の膜べりを防止するため
のストッパとしての作用をするものであり本発明では必
要不可欠のものである。

【００１６】以上のように、本発明ではＮｂ／Ｎｂ接合
の超電導接続が実現できるので接続面積と配線ピッチを
共に縮小化することが可能と成るために超電導デバイス
の高集積化が図れる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の超電導デバイスにおける超電
導配線の接続構造の形成工程を示したものである。ま
ず、図１（ａ）において、基板１１上に、Ｎｂ膜より成
る下部電極１２，トンネル障壁層となるＡｌＯｘ層１
３，Ｎｂ膜から成る上部電極１４のＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎ
ｂの三層膜をスパッタ法により被着する、ついで、図１
（ｂ）において、超電導配線と接合部分を含むインダク
タのレジストパターンを、上部電極１４上に形成した
後、ドライエッチングによりレジストパターン以外の上
部電極１４，ＡｌＯｘ層１３，下部電極１２をエッチン
グにより除去する。エッチング後、マスクに用いた不要
レジストパターンを酸素プラズマ灰化とアセトンの併用
によって除去し第１の超電導配線ＡおよびＡ′と接合部
分を含むインダクタパターンＢを形成する。

【００１８】ついで、図１（ｃ）において、上部電極１
４からなる接合パターン上のレジストをリフトオフマス
クにしてエッチングされた上部電極１４と基板１１上の
露出部分を絶縁膜１５によって全面に被着して埋め戻
す。この際、第１の超電導配線ＡおよびＡ′はレジスト
で被覆をしておきエッチングをしないで三層膜のままで
残す。

【００１９】ついで、アセトンによりリフトオフを行っ
て下部電極１２，基板１１の露出部分および上部電極１
４から成る接合パターンの側壁を絶縁膜１５で保護す
る。

【００２０】ついで、図１（ｄ）において、第１の超電
導配線ＡおよびＡ′の接続部分だけが露出するようにレ
ジストパターン１６を形成する。ついで、ドライエッチ
ングにより上部電極１４とＡｌＯｘ１３を完全に除去し
た後、さらに、下部電極１２の表面を掘り下げる。

【００２１】ついで、図１（ｅ）において、酸素による
プラズマ灰化とアセトンの併用により不要レジストを除
去して第１の超電導配線ＡおよびＡ′の接続部分にステ
ップ状の断面形状が形成される（点線丸印内に示す）。

【００２２】ついで、図１（ｆ）において、上部電極１
４とＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂの三層膜から成る第１の超電
導配線ＡおよびＡ′の接続部であるステップ部の下部電
極１２の表面をＡｒスパッタクリーニングを行った後に
Ｎｂ膜をスパッタ法により形成する。

【００２３】ついで、図２（ａ）において第１の超電導
配線ＡおよびＡ′のステップ部に接続する第２の超電導
配線１７およびジョセフソン接合の面積を規定する上部
電極１４と接続する配線電極１７′のパターン加工を同
時に行ない完了する。ここで、第１の超電導配線１７と
配線電極１７′は同層のＮｂ膜で形成する。なお、図２
（ｂ）は完了した図２（ａ）の平面図を示したものであ
る（×印は接続部を示す）。

【００２４】さらに、図４を用いて以下に、本発明によ
り形成した線幅１.７μｍ の制御線から成るＮｂ系の超
電導デバイスについて詳細に説明する。

【００２５】基板には、直径５０mmφ，厚さ４５０μｍ
の＜１００＞のＳｉ基板３１を用いる。このＳｉ基板３
１上にはグランドプレーン３２となる膜厚２８０ｎｍの
Ｎｂ膜をＤＣマグネトロンスパッタ法により被着する。
被着条件はＡｒ圧力０.６Ｐａ，堆積速度３ｎｍ／秒と
する。ついで、層間絶縁膜３３としてＳｉＯを膜厚３６
０ｎｍ被着する。

【００２６】ついで、下部電極３４となる膜厚１６０ｎ
ｍのＮｂ膜をグランドプレーン３２と同じ条件により被
着する。ついで、同一スパッタ装置内でＳｉ基板３１を
Ａｌのターゲットの真下に移動してＡｌを膜厚６ｎｍ被
着する。Ａｌ膜の堆積速度は０.４ｎｍ／秒とする。Ａ
ｌ堆積後、スパッタ装置内にＯ₂ガスを１００Ｐａ導入
して、室温（２４〜２６℃）中で１０分間の自然酸化を
行ってＡｌの表面酸化膜であるＡｌＯｘ層（本実施例で
はＸ＝２）３５を形成する。再び、スパッタ装置内を真
空排気した後、Ｓｉ基板３１をＮｂのターゲットの真下
に移動し、ＤＣマグネトロンスパッタ法により上部電極
３６となる膜厚８０ｎｍのＮｂ膜を被着する。三層膜を
インラインで連続形成した後、Ｓｉ基板３１をスパッタ
装置内から取り出す。

【００２７】ついで、配線と接合部を含むインダクタ用
のレジストパターンを次の条件で形成する。ＡＺ１３７
０ＳＦレジスト（米国ヘキスト社商品名）を膜厚０.７
μｍ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。ついで、光強度１５ｍＷ／cm² の紫外光
により２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６０秒間の現像を行い水洗１２
０秒後、スピン乾燥をしてレジストパターンを形成す
る。ついで、このＳｉ基板３１上の三層膜をパタ−ン加
工を行うために、真空装置に挿入し減圧した後、上部電
極３６をＣＦ₄(フロン１４）ガスによる反応性イオンエ
ッチングにより、ＣＦ₄ ガス圧力２６Ｐａ，電力１００
Ｗの条件でレジストパターン以外のＮｂ膜のエッチング
を５分間行う。Ａｌの表面酸化膜ＡｌＯｘ３５が露出し
た時点でＡｒによるイオンエッ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／cm²の条件で、ＡｌＯｘ層のエッチングを
５分間行う。ついで、下部電極３４を前述した上部電極
３６と同じ条件でＮｂ膜のエッチングを１０分間行う。
エッチング終了後、真空装置内より取り出してからアセ
トンでリフトオフを行って配線と接合部を含むインダク
タパターンを形成する。

【００２８】ついで、上部電極３６上に接合面積を規定
するレジストパターンを形成する。すなわち、ＡＺ１３
７０ＳＦレジストを膜厚１.３μｍ 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。ついで、
１.５μｍ 角のマスクパターンを光強度１５ｍＷ／cm²
で５秒間のパターン転写を密着法により行う。ついで、
現像をＡＺデベロッパー：水＝１：１の組成比で液温２
４℃中で６０秒間行い、水洗１２０秒後、スピン乾燥を
して接合面積が１.５μｍ 角から成るレジストパターン
を形成する。この際、配線部分は全てレジストで覆って
置きパターン加工時においてエッチングされないように
する。

【００２９】再び、真空装置内に挿入し、前述した配線
および接合部を含むインダクタパターンと同一条件によ
り上部電極３６のＮｂ膜をエッチング除去する。この時
点でＡｌの酸化膜ＡｌＯｘ層３５はトンネル障壁層とし
て上部電極３６によって接合面積が規定される。この
後、真空装置内より取り出してからＯ₂ガスによるスパ
ッタエッチングでレジストパターン表面の硬化処理を次
の条件で行う。Ｏ₂ ガス圧力０.８Ｐａ，高周波電力３
００Ｗ、処理時間は３分間である。

【００３０】ついで、真空蒸着法によりＳｉを絶縁膜に
用いてエッチング部分の埋戻しを行う。すなわち、反応
性イオンエッチング後の上部電極３６上のレジストパタ
ーンをリフトオフマスクとして、膜厚３６０ｎｍの絶縁
膜３７を全面に被着した後に、真空装置内から取り出し
た。ついで、アセトンによりリフトオフを行ってエッチ
ング部分の埋戻しと上部電極３６の側壁を保護膜として
絶縁膜３７により埋戻して形成した。

【００３１】ついで、三層膜から成る第１の超電導配線
の接続部分だけが露出するようにスルホール状のレジス
トパターンを形成する。スルホールのパターン寸法は
１.２μｍ角である。形成条件はＡＺ１３７０ＳＦレジ
ストを膜厚０.７μｍ 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。ついで、光強度１５ｍ
Ｗ／cm² の紫外光により２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：水＝１：１の組成比で
液温２４℃中で６０秒間の現像を行い、水洗１２０秒
後、スピン乾燥をしてレジストパターンを形成する。こ
の後、１２０℃で２０分間の処理を行う。再び、真空装
置内に挿入して減圧した後、三層膜のパターン加工と同
一のドライエッチング法により上部電極３４とＡｌＯｘ
３５を完全に除去した後、さらに、下部電極３４の表面
を掘り下げて接続部分の断面形状をステップ状に形成し
た。真空装置内より取りだした後、Ｏ₂ ガスによるプラ
ズマ灰化とアセトンの併用により不要レジストを除去し
た。この時点で第１の超電導配線の接続部の端部では断
面形状がステップ状に形成された。

【００３２】ついで、第２の超電導配線と上部電極３６
上の接続を超電導接続をとるために第１の超電導配線の
接続部分と上部電極３６上の表面をＡｒガスによるスパ
ッタエッチングでクリーニング処理を行う。ついで、第
２の超電導配線と上部電極３６と接続をとる接続配線用
のＮｂ膜を膜厚３６０ｎｍ被着する。Ｎｂ膜の被着条件
は前述のグランドプレーン３２，下部電極３４，上部電
極３６と同様にＤＣマグネトロンスパッタ法によって被
着する。スパッタ装置内より取り出した後、前述した配
線および接合部を含むインダクタパターンと同一条件で
レジストパターンを形成する。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と同一
条件でＣＦ₄ ガスによる反応性イオンエッチングでレジ
ストパターン以外のＮｂ膜をエッチング除去する。その
後、真空装置内から取り出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第１の超電導配線と接続す
る第２の超電導配線３８および上部電極３６と接続する
配線電極３８′を同層のＮｂ膜により形成する。

【００３３】ついで、図４（ｂ）において層間絶縁膜３
９をＳｉＯを用いて膜厚６００ｎｍ被着し形成する。な
お、この層間絶縁膜３９の形成はＡＺ１３７０ＳＦＪレ
ジストをマスクにしたリフトオフ法を用いる。ついで、
最後に制御線電極４０となるＮｂ膜を前述と同じスパッ
タ条件で膜厚６００ｎｍ被着する。再び、スパッタ装置
内より取り出して、前述した条件で線幅１.７μｍ の制
御線電極レジストパターンを形成した後、ＣＦ₄ ガスに
よる反応性イオンエッチングを行いレジストパターン以
外のＮｂ膜をエッチングして制御線電極４０を形成す
る。その後、真空装置内より取り出してからアセトンに
よりパターン上のレジストを除去する。

【００３４】以上の工程を経てＮｂ系の超電導デバイス
の形成が完了する。

【００３５】なお、本実施例においては主として接続部
の構造に超電導配線の交差接続と対向接続を用いたが、
本発明はこれに限られることなく配線の端部同士がＬ型
のステップ状から成る接続構造でも同様の効果が得られ
る。

【００３６】また、本実施例では超電導材料にＮｂ膜を
用いたが、本発明はこれに限ることなく、ＮｂＮ，Ｍｏ
Ｎを用いた場合でも同様の効果が得られる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、第１の超電導配線に接
続する第２，第３の超電導配線間における接続部での超
電導臨界電流Ｉｃが大幅に向上した。たとえば、従来、
接続部では０.３ｍＡ／１μｍ 角しか超電導臨界電流Ｉ
ｃが得られなかったものが、本発明の適用により８ｍＡ
／１μｍ角の超電導臨界電流Ｉｃが再現性良く得られる
ようになった。これにより、超電導配線の接続面積も約
１／４以下に縮小化でき、また、配線ピッチも約１／２
程度に縮小化することが可能となり、信頼性の高い高集
積化の超電導デバイスが実現できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導配線の接続構造の形成工程断面
図。

【図２】本発明の超電導配線の接続構造の形成工程の断
面図と平面図。

【図３】従来法の超電導配線の接続構造の形成工程の断
面図と平面図

【図４】本発明で形成したＮｂ系超電導デバイスの断面
図。

【符号の説明】

１１…基板、１２…下部電極、１３…ＡｌＯｘ層、１４
…上部電極、１５…絶縁膜、１６…レジストパターン、
１７…接続配線電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上における超電導デバイスの相互間を
   繋ぐ、下部電極，トンネル障壁層および上部電極の三層
   膜から成る超電導配線において、前記超電導配線の接続
   部は下部電極の一層からなることを特徴とする超電導配
   線の接続構造。
2. 【請求項２】請求項１において、前記超電導配線はＮｂ
   ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ，ＮｂＮ／ＡlＯx／ＮｂＮおよびＮｂ
   Ｎ／Ｎｂ₂Ｏ₅／ＮｂＮの三層膜である超電導配線の接続
   構造。