JPS61144892A

JPS61144892A - シヨセフソン集積回路の製造方法

Info

Publication number: JPS61144892A
Application number: JP59268076A
Authority: JP
Inventors: Hikosuke Shibayama; 芝山　彦右
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1984-12-18
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1986-07-02

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集積回路の製造方法に係り、特に
その信頼性・再現性を高めるための改善された製造方法
に関する。

ジョセフソン接合部上はスイッチング部上、記憶部上と
して、次代のコンピュータ用に注目されいるが、このよ
うなジョセフソン接合部上を含む集積回路、即ちジョセ
フソン集積回路は、出来るだけ信頼性が高くて、且つ、
再現性良く作成されなければならない。

しかし、ニオブ（Ｎｂ）などの超伝導材料は、その表面
が極めて活性なために、良好な動作特性を再現性良く形
成することは非常に難しい問題で、その形成方法につい
て、各国で鋭意検討されておリ、早急に安定な形成方法
の確立が要望されている。

［従来の技術］第２図はジョセフソン接合部上の構造断面を示し、基板
１上に膜厚２０〜３０人のトンネル障壁膜２（トンネル
バリヤ）を挟んで、Ｎｂなどの超伝導膜で形成された下
部電極３と上部電極４とが設けられ、そのトンネル障壁
膜２以外の部分は厚い絶縁１ｊ１５によって絶縁され、
更に、その上に、同じ超伝導膜配線６が上部電極４に接
続された構造となっている。

このように形成して、極低温下で動作させると、トンネ
ル絶縁膜を介した対向電極（ジッセフソン接合）の電流
−電圧特性に、超伝導状態が保たれる零電圧状態と、抵
抗状態となる電圧状態の二つの安定状態が生じて、“０
”、“１”の二値に対応した動作が行なわれるが、この
ようなジョセフソン接合部上を作成する場合、例えば、
Ｎｂ膜を超導電材料膜に用いると、その表面が活性なた
めに、部上形成工程中に雰囲気で汚染されて、良好な動
作特性を得ることが難しくなる。

そのため、下部電極、トンネル障壁膜、上部電極の三層
を、同一装置内で連続して被着し、それらの界面が汚染
されないような形成方法が採られている。　　　。

［発明が解決しようとする問題点］かようにして、連続被着によって、部上を形成する手法
がいくつか提案されており、例えば、Ｈ０Ｋｒｏｇｅｔ
氏の提案した形成方法がある（特開昭５７−１０９３８
８号参照）。

その形成工程順断面図を第３図（ａｌ〜（０）に示して
おり、まず、第３図（ａ）に示すように、基板１）上に
Ｎｂ膜からなる下部電極１３とトンネル障壁膜１２とＮ
ｂ膜からなる上部電極１４とを連続形成する。連続形成
はスパッタ法によって、例えば、Ｎｂ１ｌｌ１３を被着
し、次に、シリコンをスパッタ法で形成する。その一部
を酸素中での放電によって、二酸化シリコン（Ｓｉ０２
）膜からなるトンネル障壁Ｎ＊１２を形成し、再び高真
空にしてＮｂ１ｌｉ１４を被着する方法が用いられる。

次いで、第３図（ｂ）に示すように、レジストｙ！（図
示せず）をマスクにして接合部を保護し、周囲のＮｂ１
ｌ１３．１４を陽極酸化して、絶縁膜１５に変成する。

しかる後、同図（Ｃ）に示すように、絶縁膜１７を被着
して、次にこれに窓あけして、上部電極１４にＮｂ膜配
線１６を接続する。

しかし、この方法は、陽極酸化して高誘電率のＮｂ２Ｏ
５を絶縁膜に用いるため、容量が大きくなって高速スイ
ッチング動作を悪くする問題がある。

更に、ＮｂｖＡ配線１６を接続するために、フォトプロ
セスにて絶縁膜１７に窓あけする必要があり、そのパタ
ーンニング誤差を考えると、接合面積が十分に大きくな
って、微細化し難い欠点がある。

一方、Ｍ、Ｇｕｒｖｉｔｃｈ氏らは、トンネル障壁層と
してアルミニウム（Ａ１）−酸化アルミニウム（Ａ１２
０ａ）あるいは、八Ｉ　　Ａ１２０ｓ　　Ａｌを用い、
５ＮＥＰ　（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｎｉｏｂｉｕｍ　Ｅ
ｔｃｈｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）と呼ばれる部上構造を
形成して、非常に良好な動作特性を得ている（Ａｐｐｌ
、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、４２　Ｐ、４７２（１９８３）
）。

しかし、この方式は上記第３図に図示した構造の変形で
、接合面積の微細化が難しく、且つ、段差が大きくなっ
て製造歩留の維持・向上が難しいと考えられる。

また、東海林彰氏らは、Ｎｂ膜からなる下部電極とトン
ネル障壁膜とＮｂ膜からなる上部電極とを連続形成した
後、第４図（ａ）〜（ｄ）に示す形成方法で、ジョセフ
ソン接合部上を作成する方法を提案している（特開昭５
８−１７６９８３号参照）。

即ち、まず、第４図（ａｌに示すように、レジストＩＩ
Ｉ！２０をマスクにして接合部とその周囲部分を保護し
、他部分の上部電極２４．トンネル障壁膜２２．下部電
極２３をドライエツチングして除去する。更に、第４図
（ｂｌに示すように、他のレジスト膜２０’を形成して
接合部を保護し、上部電極２４とトンネル障壁膜２２と
をエツチングする。

・次いで、第４図（Ｃ）に示すように、レジストｌｌ！
ｉ２０　’を残存させたまま、その上から一酸化シリコ
ン（Ｓｉｎ）膜２５を蒸着する。次いで、第４図（ｄ）
に示すように、レジスト膜２０′を溶解除去して、その
上の５ｉＯＰＡをリフトオフによって除去する。

ここに、ＳｉＯ膜を用いる理由は、ＳｉＯ膜が低温で蒸
着できるためで、又、ＳｉＯ膜は誘電率が小さいため、
高速動作が損なわれない利点がある。且つ、この方法は
微細化し易い長所をもっている。

しかし、トンネル障壁膜２２がエツチング除去された時
点で、エツチングを直ちに中止するコントロールエッチ
を行なう必要があり、エツチング除去する上部電極も下
部電極と同材料であるから、そのエツチング中止時点の
制御が困難で、エツチングが過度になったり、不足した
りして、製造歩留が低下し易い、且つ、このような形成
方法は過度に基板２１がエツチングされ、段差が大きく
なって、その点からも歩留に悪い影響を与えている。

本発明はこのような問題点に鑑み、第４図に例示した方
式によって、エツチングの制御性を高め、再現性・信頼
性を向上させるようにしたジョセフソン集積回路の製造
方法を提案するものである。

［問題点を解決するための手段］その問題は、予め、基板上に、超伝導材料膜よりなる下
部電極を島状に形成した後、該下部電極上に第２の下部
電極とトンネル障壁膜と上部電極とを連続形成する工程
、次いで、ジョセフソン接合部以外の前記第２の下部電
極とトンネル障壁膜および上部電極部分を除去する工程
、次いで、該除去部分に、該除去部分と同等の膜厚の絶
縁膜を被着する工程が含まれるジョセフソン集積回路の
製造方法によって解決される。

例えば、予め、基板上に、ニオブ膜よりなる下部電極を
島状に形成した後、該下部電極上に第２の下部電極とな
るニオブ膜とトンネル障壁膜とニオブ膜よりなる上部電
極とを連続形成する工程、次いで、レジスト膜をマスク
にして、ジョセフソン接合部以外の部分をエツチング除
去する工程、次いで、該レジス）Ｉｌｌの上から、該除
去部分と同等の膜厚の絶縁膜を被着し、次に、該レジス
ト膜をリフトオフして、前記ジョセフソン接合部上の絶
縁膜を除去する工程が含まれるジョセフソン集積回路の
製造方法を用いる。

［作用］即ち、本発明は、予め、基板上に島状の下部電極を形成
しておき、その上に被着させた第２の下部電極とトンネ
ル障壁膜と上部電極とをエツチング除去する形成方法で
ある。

そうすれば、基板の露出によってエツチング終止点が明
瞭になり、エツチングの過不足が解消して、歩留が改善
される。

［実施例］以下９図面を参照して実施例によって詳細に説明する。

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明にかかる形成方法の工程
順断面図を示している。まず、第１図（ａ）に示すよう
に、基板３１上に膜厚２０００人のＮｂ膜よりなる下部
電極３３をスパッタ法で被着する。基板３１には、例え
ば５ｉＯＰＡや５ｔｏ２膜をコートしたシリコン基板を
用いる。

次いで、第１回申）に示すように、レジストｌｌｌ３０
からなるマスクを被覆して、接合部とその周囲部分を保
護し、他部分の下部電極３３をドライエツチングして除
去し、島状の下部電極３３を形成する。

ドライエツチングはフレオン（ＣＦ４）に５ｚ酸素を混
合したガスを用い、ガス圧０．０５　Ｔｏｒｒ、電力５
０Ｗ程度で行なう。

次いで、第１図（Ｃ）に示すように、レジスト膜３０を
除去した後、島状の下部電極３３を含む上面に、第２の
下部電極３３１とトンネル障壁１）１ｉ３２とＮｂｙ！
よりなる上部電極３４とを連続的に同一チャンバ内で被
着する。更に詳しく説明すれば、高真空チャンバ内に基
板を載置した後、下部電極の表面に生成された酸化膜、
または汚染物を除去する目的で、アルゴンによって表面
をスパッタして清浄化する。

次いで、直ちに膜厚１０００Å以下のＮｂ膜をスパッタ
法で被着する。これは下部電極の一部３３１となるが、
条件によっては被着しなくても良い。次いで、トンネル
障壁Ｉ臭３２として、ＦＡ厚３０人のＡｌ１臭をスパッ
タし、次に、アルゴンと酸素の混合ガスを導入して、ガ
ス圧０．２　Ｔｏｒｒで６０分間室温酸化し、Ａｌ−Ａ
ｌ２Ｏ３膜を形成する。その後、再び高真空にして膜厚
３０００人のＮｂ膜からなる上部電極３４をスパッタす
る。これは、従来の連続形成と同じである。

次いで、第１図＋ｄ）に示すように、再度レジスト膜３
０１を形成して、この場合には接合部のみをマスクし、
それ以外の露出部の上部電極３４とトンネル障壁ｙ！３
２と下部電極の一部３３′をエツチング除去する。エツ
チングは、フレオン（ＣＦ４　）に５％酸素を混合した
ガスによるドライエツチングを行い、ガス圧２５ｍＴｏ
ｒｒ、電力５０Ｗ程度にする。

ここに、本発明では、第４図に説明した従来の形成方法
と異なっており、予め下部電極３３を島状としているた
めに、エツチング終点では基板の表面材料（Ｓｔ　ＯＩ
Ｉ’ＪｐＳｔ　Ｏ２ｙ！など）が現れて、その干渉色が
観察でき、終点の検出が明瞭になる。従って、過度のエ
ツチング（オーバーエツチング）が解消して、形成方法
の再現性・部上の信頼性が向上する。

次いで、第１図（ｅｌに示すように、レジスト膜３０′
をそのまま残存させておいて、その上から膜厚３０００
〜４０００人のＳｉＯ膜３５を蒸着する。最後に、第１
図（ｆ）に示すように、レジスト膜３０１を溶解除去し
、その上のＳｉＯ膜をリフトオフによって除去して上部
電極３４を露出させ、その上面にＮｂ膜からなる配線層
３６を形成して接続する。

［発明の効果］以上の実施例による説明から明白なように、本発明によ
ればジョセフソン集積回路の製造方法において、接合部
加工の制御性が飛躍的に改善されて、製造歩留の向上に
大きく役立つものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明にかかる形成方法の工程
順断面図、第２図はジョセフソン接合部上の構造断面図、第３図（
ａ）〜（Ｃ）および第４図ｉ８）〜（ｄ）は従来の形成
方法の工程順断面図である。図において、１、１）．２１．３１は基板、２、１２．２２．３２はトンネル障壁膜、３、１３．２
３．３３はＮｂ膜からなる下部電極、４、１４．２４．
３４はＮｂ膜からなる上部電極、５、１５．１７．２５
．３５は絶縁膜、６．１６．朝辱３６はＮｂ膜からなる
配線層、２０、２０　’　、　３０．３０　’はレジス
ト膜マスクを示している。７爛明第１図第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）予め、基板上に、超伝導材料膜よりなる下部電極
を島状に形成した後、該下部電極上に第２の下部電極と
トンネル障壁膜と上部電極とを連続形成する工程、次い
で、ジョセフソン接合部以外の前記第２の下部電極とト
ンネル障壁膜および上部電極部分を除去する工程、次い
で、該除去部分に、該除去部分と同等の膜厚の絶縁膜を
被着する工程が含まれてなることを特徴とするジョセフ
ソン集積回路の製造方法。
（２）予め、基板上に、ニオブ膜よりなる下部電極を島
状に形成した後、該下部電極上に第２の下部電極となる
ニオブ膜とトンネル障壁膜とニオブ膜よりなる上部電極
とを連続形成する工程、次いで、レジスト膜をマスクに
して、ジョセフソン接合部以外の部分をエッチング除去
する工程、次いで、該レジスト膜の上から、該除去部分
と同等の膜厚の絶縁膜を被着し、次に、該レジスト膜を
リフトオフして、前記ジョセフソン接合部上の絶縁膜を
除去する工程が含まれてなることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のジョセフソン集積回路の製造方法。