JPS60210887A - ジヨセフソン接合素子の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はジョセフソン接合素子の製造方法に関し、さら
に詳しくはトンネル障壁層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。

（従来技術とその問題点） ジョセフソン接合素子で構成される論理回路や記憶回路
には、接合特性が優れ、この特性の各素子間でのばらつ
きが小さく、シかも熱サイクルによる特性劣化の小さい
素子が要求される。優れた接合特性と高信頼性という両
方の集積化条件を満たす素子として、第１の超伝導体電
極にニオブ（Ｎｂ）ｔた社Ｎｂ化合物を、第２の超伝導
体電極に鉛（ｐｂ）またはｐｂ金合金用いたものが注目
されている。しかしながら、ｐｂ系系材上化学的に不安
定であるため、従来このパターニング方法はリフトオフ
法に限られていた。

従来例として、アール・エフ・プルーム（Ｒ，Ｆ。

Ｂｒｏｏｍ　）等によって１９８０年１０月に発表され
たアイ・イー・イー・イー・トランズアクシ日ンズ・オ
ン−エレクトロン・デバイシーズ（ＩＥＥＥＴｒａｎｓ
ａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｇｌｓｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃ
ｅｓ　）の第ａｐ−２７巻第１０号１９９８〜２００８
頁の論文などがある。この方法を第１図（ａ）〜（ｆ）
を用いて工程順に説明する。第１図（ａ）に示すように
、絶縁体基板あるいは表面に絶縁体層を有する基板１１
上に、蒸着法やスパッタ法によ、９Ｎｂでなる第１の超
伝導体電極１２を形成する。第１の超伝導体電極のパタ
ーニングは通常のホトレジスト工程を用いた工、チング
法やリフトオフ法で行なう。次に第五図（ｂ）に示すよ
うに第１の超伝導体電極１２上のトンネル障壁部となる
部分にアンダーカット形状のレジストマスク１３ｔ−形
成し、第１図（ｅ）に示すように基板表面に蒸着法など
の指向性の良い成膜法で一酸化ケイ素（ＳｔＯ）　、二
酸化ケイ素（ＳｉＯｌ）等でなる絶縁体層１４を被着し
、引続きリフトオンすると第１図（ｄ）に示すような開
口部をもつトンネル障壁部が形成される。アンダーカッ
ト形状のレジストマスク１３は通常のホトレジスト工程
に加え、露光前または露光後にりＵロベンゼンやプロモ
ベンゼンナどの有機溶剤に浸すことによって得られる。

次に、第１図（、）に示すように熱酸化法あるいはプラ
ズマ酸化法でトンネル障壁部に数１ＯＡ厚さのトンネル
障壁層１５を形成する。この後、第１図（ｆ）に示すよ
うに、蒸着法およびリフトオフ法で第２の超伝導体電極
１６ｔ−形成する。この方法は、トンネル障壁部の形成
にアンダーカット形状のレジストマスク１３を必要とす
るが、マスクの形状はレジストのプリベーク条件や有機
溶剤の液温、ディ、プ時間などの影響を受けやすい。特
に、トンネル障壁部の有効面積を規定するレジストマス
ク１３下部の寸法を精度よく得ることは非常に難しい。

また、トンネル障壁部のスバ、タクリーニングやプラズ
マ酸化時に、絶縁体層１４からのスバ、り物によｊ５）
ンネル障壁部が汚染されるという欠点もあった。

（発明の目的） 本発明は、このような従来の欠点を取）除いたジ四セ７
ソン接合素子の製造方法を提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば、基板上１ＣＮｂまたはＮｂ化合物でな
る第１の超伝導体電極と前記第１の超伝導体電極の一表
面上のトンネル障壁層、および前記トンネル障壁層を介
して前記第１の超伝導体電極と対向するｐｂまたはｐｂ
金合金なる第２の超伝導体電極を有するジ璽セフンン接
合素子の製造方法において、基板上に第１の超伝導体電
極゛、前記第１の超伝導体電極上にトンネル障壁層、前
記トンネル障壁層上に第２の超伝導体電極を連続形成す
る工程、前記第２の超伝導体電極上のトンネル障壁部と
なる場所に工、チングマスクを形成した後。

イオンエツチング法によシ前記第２の超伝導体電極を完
全にエツチングする工程、絶縁体層を被着。

リフトオフすることによって前記第２の超伝導体電極の
被エツチング部を埋める工程、前記＃ｇ２の超伝導体電
極と接触するように第３の超伝導体電極を形成する工程
を具備することを特徴とするジ璽セフソン接合素子の製
造方法が得られる。

（構成の詳細な説明） 以下本発明の基本プロセスについて図面を用いて説明す
る。

第２図（ａ）Ｋ示すように、絶縁体基板あるいは表面に
絶縁体層を有する基板２１上に、　ＮｂまたはＮｂ化合
物でなる第１の超伝導体電極２２．トンネル障壁層２３
　、　Ｐｂｔたはｐｂ金合金なる第２の超伝導体電極２
４０３層膜を形成する。第１の超伝導体電極２２および
第２の超伝導体電極２４は蒸着法またはスバ、り法で被
着する。トンネル障壁層２３は第１の超伝導体電極２２
表面を熱やプラズマによシ酸化するか絶縁体膜などを被
着して形成する。

上記３層膜２２．２３．２４のパターニングは通常のレ
ジスト工程を用いた工、チング法やリフトオフ法で行な
う。次に、第２図（ｂ）に示すように第２の超伝導体電
極２４上のトンネル障壁部となる場所にレジストマスク
２５を形成した後、第２図＜ｅ＞に示すようにイオンエ
ツチング法で第２の超伝導体電極２４を完全にエツチン
グする。ここで、レジストマスク２５の膜厚は、エツチ
ング後レジストマスク２５の側壁に再封屑物を生じない
ように最適化しておく。次に、第２図（ｄ）に示すよう
に基板全面に蒸着法やイオンビームデポジション法など
の指向性の良い成膜法によりＳｉｎ、　５ｉＯ１等でな
る絶縁体層２６を被着し、レジストマスク２５′ｔ−リ
フトオンして第２図（ｅ）のようなパターンを形成する
。この後、第２図（ｆ）に示すように、Ｍｌの超伝導体
電極２２、第２の超伝導体電極２４の場合と同様な成膜
法および加工法により第３の超伝導体電極２７を形成す
る。仁の方法では、トンネル障壁部の形成に再現性の良
い矩形レジストマスクが利用できること、イオンエツチ
ング法によシレジストマスク２５から第２の超伝導体電
極２４への高精度のパターン転写が可能であることから
、従来のリフトオフ法を用いた方法に比ベトンネル障壁
部の寸法を制御し易い、また、スパッタクリーニングや
プラス１酸化によりトンネル障壁層を形成する際、トン
ネル障壁層が周囲の絶縁体層のスパッタによシ汚染され
るという欠点もない。

（実施例） 次に本発明の一実施例を示す。

表面が熱酸化５ｉ０２で被覆されたシリコン（Ｓｔ）基
板上に、電子ビーム蒸着法により基板温度３００℃でＮ
ｂ膜２０００Ａｔ−被着する。引続き、同一装置内で２
％の酸素（０２）を含むアルゴン（Ａｒ）−０゜混合ガ
ス金相いて、全圧力ｌＸｌ０　Ｔｏｒｒ　＋カソード電
圧−１７０ｖでＮｂ膜表面１に１０分間プラズマ酸化し
％２０〜３０Ａの酸化ニオブ（ＮｂｌＯ＋＋）膜を形成
する。仁の後、連続して室温でｐｂ膜２０００Ａを蒸着
する。この風上にポジ屋ホトレジスト（シラプレー社製
ＡＺ１３５０Ｊ）’！ｃ−用いた通常のホトレジスト工
程でレジストマスクを形成した後、平行平板屋のスパッ
タエツチング装置を用いて、Ａｒ。

フロン１３（ＣＦ、）でそれぞれＰｂ　、　Ｎｂ／Ｎｂ
、Ｏ，を連続工、チングして第１の超伝導体電極パター
ンを形成する。次に、上記３層膜上のトンネル障壁部と
なる場θｉＫ直径１．５μｍ、膜厚２０００Ａのレジス
トマスクをバターニングした後、Ａｒｊｉエツチングガ
スとするイオンエツチング法でＰｂ膜を完全に除去し、
第２の超伝導体電極パターンを形成する。

エツチング条件は、　Ａｒ圧力２　Ｘ　１０　Ｔｏｒｒ
　＊加速電圧５ｏｏｖ、を流密度０．９ｍＡ／ａｌｌで
ある。次に、基板上に２０００Ｈの５ｉｃｋ蒸着し、レ
ジストマスクをアセトン中の超音波洗浄でリフトオフす
る。

基板表面’（（Ａｒでスパッタクリーニングした後、第
２の超伝導体電極パターン形成と同様な方法でａｏｏｏ
ＸのＰｂ膜でなる第３の超伝導体電極を形成する。第２
の超伝導体電極の〕（ターニングの際、ＡＺ１３５０Ｊ
に対するｐｂの工、テング運度比は１３〜１４と非常に
大きく、しかも異方性エツチングが可能なため、レジス
トマスクに対するトンネル障壁部のパターン寸法変化は
ほとんど生じない。また、ｐｂは第１の超伝導体電極で
あるＮｂ　、下地絶縁層８　ｉｏｌに対してもそれぞれ
１３〜１４，７〜８と大きなエツチング速度比をもつた
め、ｐｂの選択エツチングが可能である。

本実施例では、第１の超伝導体電極としてＮｂを、第２
および第３の超伝導体電極としてｐｂを用いた場合につ
いて説明したが、それぞれＮｂ化合物、Ｐｂ合金でも同
様な結果が得られる。ただし、第３の超伝導体電極には
ＮｂあるいはＮｂ化合物を用いることもできる。また、
トンネル障壁層には第１の超伝導体電極表面の酸化層以
外に、被着によシ形成した絶縁体層を、トンネル障壁層
を酸化する場合には金属層、半導体層も適用できる。本
実施例では、トンネル障壁部を形成するためのマスクと
してＡＺ１３５０Ｊを使用したが、他の有機レジスト。

無機レジストなども用いることができる。イオンエツチ
ング法では、Ｐｂは電子ビームレジストに対しても非常
に大きなエツチング速度比をもつため、１μ程度の微細
パターンの加工にはこの電子ビームレジストが有効であ
る。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、トンネル障壁部の
形成に異方性９選択性の優れたイオンエ、チング法が適
用できることから、オーバーエ。

チングが無視でき、寸法摺度の良いトンネル障壁ｓｌに
有するジ言セフソン接合索子を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（＆）〜（ｆ）は従来のジ冒セフソン接合素子の
製造方法を工程順に説明するだめの断面図、第２図（ａ
）〜（ｆ）は本発明のジ四セフソン接合素子の製造方法
を説明するための主要工程における素子の断面図である
。 図において、１１．２１は基板、１２．２２は第１の超
伝導体電極、１３．２５はレジストマスク。 １４．２６は絶縁体層、１５．２３はトンネル障壁層。 １６．２４は第２の超伝導体電極、２７は第３の超伝導
体電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上１ｃＮｂまたはＮｂ化合物でなる第１の超伝導体
   電極と前記＠Ｘの超伝導体電極の一表面上のトンネル障
   壁層、および前記トンネル障壁層を介して前記第１Ｏ超
   伝導体電極と対向するＰｂまたはｐｂ金合金なる第２の
   超伝導体電極を有するジョセフソン接合素子の製造方法
   において、基板上に第１の超伝導体電極、前記第１の超
   伝導体電極上にトンネル障壁層、前記トンネル障壁層上
   に第２の超伝導体電極を連続形成する工程、前記第２の
   超伝導体電極上のトンネル隊壁部となる場所にエツチン
   グマスクを形成した後、イオンエツチング法によシ前記
   第２の超伝導体電極を完全にエツチングする工程、絶縁
   体層を被着、リフトオフすることによって前記第２の超
   伝導体電極の被エツチング部を埋める工程、前記第２の
   超伝導体電極と接触するように第３の超伝導体電極を形
   成する工程を具備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。