JPS58192390A - トンネル形ジヨセフソン接合素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はトンネル形ジ曹セ７ソン接合素子の作製方法、
特に安定したトンネルバリア１−を形成する方法に関す
るものでおる。

トンネル形ジ璽セ７ソン接合素子は基本的に基板（８１
ヤｔフアイア等）上に下地電極（超伝導体）があシその
上に電気的に絶縁性のトンネルバリフ層があシ更にその
上に上部電極（超伝導体）のある構造をしている。この
トンネルバリア層は２０〜５０Ｘと非常に薄い絶縁膜で
めシ素子特性を大きく左右する。例えばトンネルバリア
層の膜厚が１割変動するとトンネルノ４１）ア層を流れ
るジ冒セフソンを流は１ｍ変動する。

またトンネルバリアの物質や品質が素子特性に大きな影
響を及ばず。このため良質のバリア層を制御性よく形成
する方法を開発することは素子の信頼性２歩＊ｂの向上
の点からも１賛であｐ、トンネルバリア層の形成は素子
作製工程の中で最も重要な作製工程となる。一般にトン
ネル形ジーセフノン素子の作製工程は■下地電極超伝導
薄膜形成■この薄膜のパターン形成■ト。

ンネルパリア層形成■対向電極形成に大別できる。■の
トンネルバリア層の形成には２通１゜方法が番る。−り
は・母ターン形成後の下地電極を直接酸化（自然酸化、
ｆラズマ故化）して所定のバリア層を形成する方法であ
シ、他は下地電極上に異種物質（ｈｔ　、　ｓｓ　、　
Ｂｌ　、Ｔ・等）を蒸着あるいはＣＶＤ尋によシ数１ｏ
１厚の極薄膜に形成し、バリアとするかあるいはそれを
酸化してトンネルバリア層とする方法である。前者はト
ンネルバリア層の厚さを制御し易いが下地電極の１！１
類によって定まったバリア物質しか得られないととＫな
る。一方後者は下地電極とは真槙のムＬ２０．　？　８
１０２．　Ｂｉ　、　ＴＩ等の誘電率の小さな・肴リア
を形成する方法であるが極薄膜の膜厚制御が容易でない
、このようにバリア層の形成法の双方に一長一短が参る
。バリア層の制御性に重点を置いた場合、下地電極を直
接酸化してバリア層を形成するが、Ｎｂにこの方法を適
用した場合の問題点に次のようなものが存在する。

１９目の問題点はトンネルバリア層形成前のスパッタク
リー二ンダをムｒガスによね行うとスノ脅ッＩ収量が小
さいため放′ＩｔｖＬ圧を高くする必貴があるが、エネ
ルギーの高いムｒイオンＯ伽突によシ下地電極表面が〆
メージを受けその後の鹸化においてＮｉ＋２０．以外の
金属性のＮｂ　−０化合物が形成され易いことである。

２査目の向一点はＮｂが非常に酸化され易くｆ′：ｐズ
マ酸化のためＡｒ　−０２混合ガスをＯ，ＯＩ　Ｔｏｒ
ｒ　＠Ｌ導入し丸だけでも放電前に４又の酸化展が成長
するため放電時間のみ−によるトンネルバリア層の膜厚
１ｆＩｌｌ＃は制御性に欠けることである。以上のよう
にムｒでのス／４．タクリー二ングを行った場合表面は
クリー二ンダされるもののＮｂ表面には欠陥が　　ｒ導
入されその後直接酸化を行り九場合酸化編の制御性が悪
いという欠点を有していた。

本発明の目的は高品質のトンネルバリア層を再堝性よく
形成することのできるトンネル形ジ■セフノン接合素子
の作成方法を提供することである。

本発明の一つＣ１１様によればＮｂ超伝導薄膜から成る
下地電極をＣＦ４．　Ｃ２Ｆ４．　Ｃ，Ｆ、およびＣ４
Ｆ、。から成る群から選らばれ九少なくとも１種のフル
オロカーがンガス、又は上記フルオロカーーンガスとム
ｒとの混合ガス、又は上記フルオロカー−ンｆスと１５
嘩未滴の０２との混合ガス、又は上記フルオロカーがン
ガスと上記０２とＡｒとの混合ガス中においてｎｒｘ／
ｅ、タリングｊ−九俵、直接酸化して酸化愉バリアを形
成することを特徴とするトンネル形ジ璽セフソン接合素
子の作成方法が提供される。

本発明の他の態様によればＮｂ超伝導薄膜から成る下地
電極をＣＦ４．　Ｃ２Ｆ、　、　Ｃ３Ｆ８およびＣ４Ｆ
、。かう成る鮮から選らばれた少なくとも１橿のフルオ
ロカーＩンガスと１５〜３０−００、との混合ガス、又
は上記フルオロカーＩンガスと上記０２とＡｒとの混合
ガス中においてＲＦスｉ４ツタリングして、酸化物バリ
アを形成することを特徴とするトンネル形ジｌセフソン
素子の作成方法が提供される。

■の自己ノ寺イアス（ＶＣｉｌｍｌ）で実施される。な
お。

以下の説明において（ｃｙ　）ガスはＣＦ４．　Ｃ２に
’４゜Ｃ，Ｆ８およびＣ４Ｆ、。から成る群から芝らば
れた少なくとも１種のフルオロカーＩンガスを意味する
。

フォトエツチング工程を用いてトンネル形ジ璽セフンン
素子を作製する場合、一般て下地電極のノ譬ターニング
時にはＮｂ　＆　象ｊがレジスト、誠。

アルカリによシ汚染されあるいは大気中のａＩ！素を吸
着することによって下地電極表面Ｖｉ酸化皮膜で被れて
いる。このため従来よシトンネルパリア層を形成する前
にムｒガス中でスバツタエ。

テング処理を行いその後Ａｒ　−Ｏｉ混合ガス中でのＲ
Ｆプラズマ酸化により嫉化切バリアを形成する方法が採
用されている。この方法はＩＪｂ　、　Ｎｂ　素子にお
いて行われているがＮｂ　７７、子では必ずしも漬れた
バリアを形成できない。Ａｒ、ｆｆスによるスパッタエ
ツチングはムｒイオンが衝突することによって表面から
粒子を叩き出す物理的作用を利用しているがＮｂに対し
てはス・櫂、タ収１カニ小さいため下地電極表面付近の
１００Ｘ程度の汚染層を比較的短時間（５６０分）で除
去するには自己バイアスを４００Ｖ＠度に上げる必要が
あυ表面のダメージのためその後の酸化においてＮｂ２
Ｏ５以外の金属的なＮｂ　−０化合物も形成されバリア
品質が低下する。また自己バイアスを２００Ｖ程度に下
げてスパッタエツチングを行うと表面のダメージは避け
られるが汚染層の除去に長時間（２８時間）を要し素子
化プロセスの迅速さを欠くことになる。またＮｂの清浄
表面は弗常に酸化され易くスノ譬ツタエ、チング後Ａｒ
　−０□混合ガスを導入した際ＲＦ放電を開始するＵＫ
数Ｘの酸化層が成長しこれが酸化層厚の初期値となるた
め放電時間のみによる制御では所定の鹸化膜厚を得るこ
とＬできない０以上ムｒガスによるスパッタエツチング
処理はＲＦ　７゜ラズマ酸化の前処理としてはＮｂ素子
に関する限シ制御性を損うという欠点を有していた。そ
とでＮｂ薄膜において高品質なＮｂ２Ｏ，バリアを再机
性よく形成し、しかもプロセスの能率化を図るためには
エツチングの迅速さを保ちつつスバ。

り時の電圧を下げて表面のダメージを避け、工、チング
終了後は直ちにＮｂの清浄表面を昇華性の保護膜で被っ
てガス交換時の劣化を防止することが必要である。これ
らの条件を満足するのにフルオロカーがンガスの化学的
作用を利用すればよい・フルオロカー？ンｆスプラズマ
はＮｂを７ツ化して取シ去るのみでなく表面の酸化物中
の酸素をＣＯ２ガスとして取シ去る。さらに酸素の不足
状態では昇華性のカーノン又はポリ！−を表面に堆積さ
せる。本発明において放電安定化のため例えばＡｒを用
いエッチレートの向上　　　　　ヒ（１・ とカーメンの堆積量を制御するため所定量の０２を（Ｃ
Ｆ）ガスに混合させた混合ガス中でのＲＦスノ臂、タエ
、チングを行えば低電圧でＮｂ表ｔｈｊＫ〆メ一ノを与
えることなく迅速に汚染皮膜の除去ができるのみでなく
Ｎｂの清浄表面をｌＯ数Ｘの昇ｊｉｉ性のアモルファス
状のカーーン又はＣ−Ｆポリマー（テフロン）が保−す
ることになｐ。

カーメン膜厚が制御できる・したがってその後のＡｒ＋
０２中での直接酸化（ｆラズマ酸化）においてまずカー
ノンをＣＯ□として取シ去りた後Ｎｂ２Ｏ，のみのバリ
アを放電時間によって膜厚制御することができる。下記
表１はムｒとＣＦ４によるＮｂ　Ｃ）エッチレートを示
す。

表１（ムｒ、ＣＦ４．ｆメによるＮｂの工Ｖチレート１
（）ｍＴｏｒｒ　ｖＣａｌ　：自己バイアス）この表か
ら明らかなようにＡｒはＣＦ４よシエッチング速度が著
しく小さく　Ａｒガス圧を上げて放電を安定化させても
エツチング速度の制４８性社何ら変化しない。Ａｒ十（
ＣＦ）＋０２混合ガスでＮｂをス／４ツタするとカーメ
ン又は−リマーの堆積量が２０〜３Ｑｌの範囲であれば
離脱するカーノン又は／ｙママ−新たに堆積するカーメ
ン又はポリ、−の量がバランスしてＮｂ９面を保表しつ
つエツチングは進行する。その彼低電圧でグラズマ酸化
等の直接酸化法によるバリア形成を行えばカーメン又は
？リマーを取）去った猿Ｎｂ２ｏ。

のみの高品質のａ４リアが形成されることになる。

あるいはＡｒ＋（ＣＦ）＋０２混合ガスの０２ａ度が上
記の条件を満足すゐ量以上であればＮｂ表面にカーノン
又はポリ！−の堆積は起睡す既存の酸化膜をエツチング
しつつ新たに酸化が進行することになるｍ　Ａｒ　十（
ＣＦ）ガス＋０２の混合ガスにおいて０２の濃度及び自
己バイアスを選ぶことにょシエッチングと酸化をバラン
スさせることか可能であシ初期の汚染酸化Ｊ［！厚と無
関係にＮｂ２ｏ５の尿の定常膜厚が１！現できこの場合
には１回のＲＦス・！ツタリング処理でバリア層の形成
が可能に々る。

第ｌ凶はＡｒ　士（ＣＦ）　十〇□ガスの０２一度を変
化させた時のＮｂ表面に付ン一するカーボン又はポリマ
ー（テフロン）層厚を示している・第２図はムｒ　十（
ＣＦ）ガス中で自己バイアスを変化させた時のＮｔＪ表
面に付着するカーボン又はポリマー（テア０ン）Ｍ厚を
示している。所定証の（ＣＦ）ガスと自己バイアス並び
をζ全ガス圧を選べばカーボン又は−リマ−（テフロン
）ｍｏＩｉ［ｎｔ２０〜３０１に制御できその後の酸化
で所定のバリアが形成で龜る。あるいは酸素濃度を選べ
ば第３図に示すように１回のＲＦスバ、タリング処理で
散化膿を形成することが可能である。

実施例１ ９９．９９−のＮｂタプレ、トを用いて電子ビーム蒸着
法によシ熱酸化膜のある８１基板（５ＳＯ２膜厚１ｏｏ
ｏｌ）上に４００℃の基板温度で２　Ｘ　Ｉ　Ｑ−’　
Ｔｏｒｒの真空中で２０００１の下地電極用Ｎｂ＠−を
形成した。この薄膜の超伝導臨界温度は９．２Ｋを示し
た。これらの薄膜基板をレジストコート、＊光、現像、
エッチングシノヤターン＠２００μｍの下地電極を形成
した・次にこれらの薄膜基板を用いてトンネル形の素子
を作製し九〇／ｆターニングした２一枚の下地基板上に
膜厚２５００　Ｘ　ｆ）　８１０スｆ　：ｙ　シル（Ｗ
合ＩＩＩ］積２０Ｘ２０μｍ２）をリフトオフ法によシ
形成した後１枚はＡｒガスでスノヤ、夕（１５ｍＴｏｒ
ｒ＊ＶｃＳＢ＝４５０Ｖ。

２０分）した後人ｒ　＋５　％　０２ガス中でｆラズｉ
酸化（３Ｑ　ｍ　Ｔ＠ｒｒ、ＶＣ，１＝　Ｉ　Ｑ　ＯＶ
　、　２分）し水冷基板で上部電極用Ｎｂを電子げ−ム
蒸着法にょシ形成（４０００１）Ｌ［光・現像・エッチ
ングによシバターニングし九Ｇ得られた素子特性はブリ
、ジ形の特性であった。一方性の１枚はＡｒ　＋　５１
Ｇ　ＣＦ４＋２１　Ｃ２Ｆ６．ガスでスノー、り（１５
ｍＴｅｒｒ　＋　Ｖ（１Ｂ＝２００　Ｖ　）　２０分）
したｆｃＡｒ＋５１０□ガス中でプラズマ酸化（３０ｍ
　Ｔｏｒｒ’　ｅ　Ｖ（１Ｂ　；１０　Ｑ　Ｖ　、　２
分）しそのｉＮｂの上部電極を形成して素子を作製し九
・　　　「得られた素子の特性は第４図に示すようなト
ンネル形の特性であった〇 実施例２ 実施例１で下地電極ＳｔＯのスデンンルヲ形ｔした４枚
の基板をＡｒ　＋　（ＣＦ）混合ガス（２ＱｔｎＴｏｒ
ｒ）Ｏ（ＣＦ）　＃Ｊｉを変化サセテｘ　ノ量ｙ　ｐ　
（ｖ（１ｌｌ＝　２００Ｖ１２０分）した彼Ａｒ　＋３
　％　０２ガス中でプラズマ酸化（３０ｍＴｏｒｒ＋ｖ
ｃｓｉ＋＝１００Ｖ＊２分）しその後Ｎｂの上部電極を
形成して素子を作製した。これら４種類の素子の％性を
表２に示す。

（ＣＦ）　、ｆｆス績度が高いとカーゼン又はポリマー
の堆積量が増大し七の後のプラズマ酸化においてもカー
ーン又はポリマーの除去が不十分で酸化が進行しない部
分がありシ冒−トシたものと考えられる。

実施例３ 実施例１で下地電極８１０のステンシルを形成した４枚
の基板をＡｒ　＋　（Ｃｊ’）　＋０２混合ガス（（Ｃ
Ｆ）ガス組成ＣＦ４：　Ｃ２Ｆ６＠　ｃ、ｐ８：　ｃ４
ｒ、。＝　３　：　１　：　０　：０）の０２１！１１
度を変化させてス／４．夕（３０ｍＴｏｒｒ。

ｖｃ、、＝２２０Ｖｔ２０分）した後Ａｒ＋　５１０２
ガス中でプラズマ酸化（４９ｍ　ＴＯｒｒ＋ｖＣ＃ｌ＝
　ｔｓｏｖ。

２分）しその後、Ｎｂの上部電極を形成して素子を作製
した０表３に各素子の特性を示す。

０２＃／４度が＾いとＡｒ　＋（ＣＦ）　十〇□ガスで
スノヤツタした時点で酸化膜が成長しておシその後のプ
ラズマ酸化によシ所定の膜厚以上の酸化層が形成される
九め準粒子トンネリングのみの特性が得られ丸ものと考
えられる。

実施例４ 実施例１で下地電極ＢｉＯのステンシルを形成した４枚
の基板をムｒ　十（ＣＦ）　＋　ｏ、ガス（ガス組成ｈ
ｒ　＋１０１１０Ｆ４＋２　’Ｉｋ　ｏ、）のガス圧を
変化させてスノ譬、夕（ＶＣ，、＝２００Ｖ、２０分）
した後Ａｒ　＋　５饅０２混合ガス中でプラズマ酸化（
３０ｒｎ　Ｔｏｒｒ、　ｖｃａｌｌ　＝１００　Ｖ　＋
　２分）しその後Ｎｂの上部電極を形成して素子を作製
した。各素子の特性を表４に示す・ ガス圧が高い場合には工、テングが進行しすぎるためま
たバックスキャタリング作用による表面の汚染の丸めプ
リ、ジ彫Ｏ特性が得られたものと考えられる・ 実施例５ 実施例１で下地電極ａｔＯのステンシルを形成した４枚
の基板をムｒ　＋　（ＣＦ）　＋　０２ガス（ガス組成
Ａｔ　＋　５　％　Ｃ，Ｆ、　＋　３１０２）中で自己
／青イアス（ＶＣａｍ　）を変化させてス／譬ツタ（３
Ｑ　ｍＴ・ｒｒ。

２０分）した後Ａｒ　＋　４　％　０２ガス中でプラズ
マ酸化（４０ｍＴｏｒｒ、ＶＣ，、＝８ＱＶ、３分）し
その後Ｎｂの上部電極を形成して素子を作製した。

各素子の特性を表５に示す。

自己バイアスが高い場合にはイオンの衝突による表面の
ダメージの丸めトンネル形の特性は得られなかった。

実施例６ 実施例１て下地電極８１０のステンシルを形成した４枚
の基板をムｒ　＋（ＣＦ）　＋０２ガス（ガス組成Ａｒ
　＋３１　ＣＦ４＋　３％　０３Ｆ８＋　０２）の０２
Ｉ１１度を変化させてスバ、り（４０ｍ　Ｔｏｒｒ＋　
ｖｃｓＢ　＝１ｓ　ｏ　ｖ　ａ２０分）することにょル
トンネルパリアを形成した後Ｎｂの上部電極を形成して
素子を作製した。

各素子の特性を表６に示す、酸ｓＳ度が低い場合にはト
ンネルバリアはカーが７又はポリマーであシＩｌ素濃度
が必要量よシわずかに低い場合には酸化が進行せずショ
ートしてお゛シ酸累濃度が高い場合にはトンネルバリア
が厚く準粒子トンネリングの特性を示している。

訝８　　（Ａｒ＋（ＣＦ）＋Ｏ□ガスの０２濃度を変化
させることによシトンネルパリアを形成した素子の特性
）！ 本発明は以上説明したようにＮｂ膜ｌ吐（ＣＦ）　十ｏ
２混合ガス（但し０２濃度１５％未＃）又はＡｒ　＋（
ＣＦ）ガス又はＡｒ　＋　（ＣＦ）÷０□混合がス中に
おいてＲＦスノダツタすれば短時間でＮｂの表面にダメ
ージを与えずに表面に汚染層を除去し清浄表面を２０〜
３０Ｘのカーダン又はポリマーで保護することができる
ためガス交換時の表面の劣化を防止することができる。

そのａｈ接酸化法１でよシバリアを形成すればフォト工
程を通したことによるＮｂ表面の劣化に関係なく良質の
ジョセフソン接合を作製できる利点がある。

あるいは（ＣＦ）　＋　０２混合ガス又はＡ　ｒ　＋　
（ＣＦ　）＋０２混合ガスの０□濃度を所定（即ち１５
〜３０チ）に選ぶことにより１回のヌ・母ツタ処理によ
り処塊的の表面の汚染層の厚さく関係なく所定の酸化績
厚を持つ九トンネルバリア屡の形成も可能でありこの場
合には工程数を減らすことができる利点がある書

【図面の簡単な説明】

第１図はムｒ　＋　（ＣＦ）　十〇□混合ガスの０２濃
度を変化させてスパッタした時のＭ表面上のカーダン又
は４リマーの堆積膜厚を示すグラフ。 第２図はムｒ　＋（ＣＦ）混合ガス中で自己バイアスを
変化させてスバ、りした時のＮｂ表面上のカーｌン又＃
ｉ／１７マーの堆積膜厚を示すグラフ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　Ｎｂ超伝導薄膜から成る下地電極なｃｒ４゜
   ＣＦ、ＣＦ　　および０４Ｆ、。から成る群から過ら２
   ６　　　　ｓ　＄ ばれた少なくとも１種のフルオロカーーンガス、又は上
   ｌＩｅフルオロカーＩンガスとムｒとの混合ガス、又は
   上記フルオロカーがンｆスと１５慢未滴の０２との混合
   ガス、又は上記フルオロカーがンガスと上記０□とムｒ
   との混合ガス中においてＲＦス／母、タリンダした後、
   直接酸化して酸化物・譬リアを形成することを特徴とす
   るトンネル形ジｌセフソン接合素子の作成方法。
2. （２）　　Ｎｂ超伝導薄膜から成る下地電極をＣＦ４゜
   Ｃ２Ｆ４．　Ｃ，Ｆ、およびＣ４Ｆ、。から成る群から
   遇らばれ九少なくとも１′ｓのフルオロカーーンガスと
   １５〜３０−の０２との混合ガス、又は上記フルオロカ
   ー−ンガスと上記０□とムｒとの混合ガス中においてＲ
   Ｆスパッタリングして、酸化物バリアを形成することを
   ％黴とするトンネル形ゾｌセ７ンン素子の作成方法。