JPS61241988A - ジヨセフソン集積回路の製造方法 - Google Patents

ジヨセフソン集積回路の製造方法

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JPS61241988A
JPS61241988A JP60082515A JP8251585A JPS61241988A JP S61241988 A JPS61241988 A JP S61241988A JP 60082515 A JP60082515 A JP 60082515A JP 8251585 A JP8251585 A JP 8251585A JP S61241988 A JPS61241988 A JP S61241988A
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josephson
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Shinichi Morohashi
信一 諸橋
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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〕 本発明は接合部の形成と抵抗体の形成を同時に行うジョ
セフソン集積回路の製造方法に関する。
従来集積回路としてはシリコン(Si)半導体を用いた
ものが一般的であり、大量の情報を高速に処理する方法
として単位素子の小形化と大容量化が推進されtCより
しSlへ、またLSIよりVLSIへと開発が進み、■
チップに数10にビットを越す素子の集積が可能になっ
ている。
然し、一方では微細化による素子の発熱が問題となり、
各種の冷却方法が実用化されている。
すなわち従来のフィンを用いる冷却法から強制空冷へ、
また水冷から液体窒素などを使用する液冷へと開発が進
められている。
ここで最近開発されたジョセフソン素子は強い非線形を
示す能動素子であり、1ops以下の超高速スイッチ動
作をし、その際の発熱も10−18J程度と小さく、且
つスイッチング後も1μ讐以下の低消費電力特性をもち
、高集積化も可能である。
この性能は現在のSt素子に較べて速度にして約2桁、
また消費電力で3〜4桁優れていることから電算機用素
子として注目されている。
〔従来の技術〕
トンネル接合形ジョセフソン素子は厚さが100Å以下
の極めて薄い絶縁体を二つの超伝導体で挟んだもので、
両部伝導体の超伝導電子対の波動関数の重なりによって
弱い超伝導状態が発生する現象を利用している。
すなわち零電圧で直流ジョセフソン効果によって超伝導
電流が流れるが、電流を増してゆき最大ジョセフソン電
流■0を越えると零電圧状態に留まることができず電圧
状態に遷移し、以後電流は電圧に比例して増加する。
また電圧状態から電流を減らしてゆくと電流が零となる
付近にまで減少して始めて電圧が零に戻る履歴特性を示
す。
このようにトンネル接合形ジョセフソン素子には明確に
区別できる零電圧状態と電圧状態の二つの安定状態があ
り、電算機素子として用いる場合は二つの状態を0と1
の二値に対応して使用されている。
さて、ジョセフソン素子をスイッチング動作させる方法
として電流制御型があり薄膜抵抗素子と組合せて集積回
路が構成されている。
第3図は従来の集積回路の作りかたを示すもので、ジョ
セフソン素子1と薄膜抵抗素子2とが別個に形成されて
いる。
すなわち熱酸化により二酸化硅素(SiOz )の絶縁
層を備えたSi基板3の上にニオブ(Nb)からなる下
部電極4とこの上に酸化アルミニウム(A120コ)か
らなる接合酸化膜、5を形成し、この上に酸化硅素(S
in)などからなる絶縁層6で絶縁した後、接合酸化膜
5の部分を窓開けする。
一方、薄膜抵抗素子2は絶縁層を備えたSi基板3の上
に予めモリブデン(Mo)などからなる薄膜抵抗パター
ン7を形成しておき、ジョセフソン素子1の下部電極4
を形成する工程時に同時に端子電極8を形成しておく、
そしてNbからなるジョセフソン素子lの上部電極9を
形成する際に同時に薄膜抵抗素子2とをつなぐ配線パタ
ーンの形成を行っている。
このようにジョセフソン素子1と薄膜抵抗素子2とは別
個に形成されて配線パターンにより回路接続する製造方
法がとられている。
またジョセフソン素子自体も各種の方法により製造が行
われている。
第4図〜第6図は従来の方法を説明するものである。
すなわち、第4図の方法は熱酸化などの方法で絶縁した
Si基板3の上に同図(A)に示すようにニオブ(Nb
)層10.アモルファアスSi層11.Nb層12と順
次層形成し、写真食刻技術(ホトリソグラフィ)を用い
て同図(B)に示すようにジョセフソン素子のベース電
極パターンを形成した後、レジストI3を上部Nb12
の上にパターン形成し、ドライエツチングによりアモル
ファスSi層11までエツチングし、次に陽極酸化によ
って接合部14以外を酸化する方法でジョセフソン素子
の形成をおこなっている。(L、N、Sm1th  他
、 IEEE Trans Mag 。
Mag−19,1983,p787) また第5図の方法は絶縁層を備えたSi基板3の上に順
次Nb層15.熱酸化により表面に酸化膜を備えたアル
ミニウム(AI)層16. Nb層17の順で同図(A
)に示すように成膜し、次にベース電極の加工を行った
後、上部Nb1J i7のジョセフソン素子形成領域に
レジスト18をパターン形成グして後、リアクティブイ
オンエツチング(略称RIE)を行って接合部を形成し
、その後に第4図の場合と同様に陽極酸化を行って表面
に絶縁Jii19を形成している。
(M、Gurvi tch他、 IEEE Trans
 Mag、 Mag−191983+p791) また第6図の方法は同図(A)に示すように第5図と同
様に三層からなる膜形成を行った後、RTEによって下
部電極20のパターン形成を行い、次に接合部形成領域
上のNb層上にレジストパターンを形成し、RTEによ
り下部電極20の中程までエツチングを行った後、同図
(B)に示すようにSiO膜21を形成し、レジスト2
1を除去することによりジョセフソン素子を形成してい
る。(A、5hoji  他へpply  Phys 
  Lett   41. 1097. 1982)然
し、これらの方法によってジョセフソン素子を作る場合
、トンネル接合を形成する酸化膜が均一にできにく\、
また酸化膜は約20人程度と薄いため陽極酸化の工程で
破壊し易いと云う問題があり、また第6図の形成法をと
る場合にRIE、で下部電極を削る際の終点検出がで、
きず、信頌性の良く加工することが難しいと云う問題も
あり、改良が必要である。
また薄膜抵抗素子2と回路接続して集積回路を形成する
場合、配線との間に接触抵抗をもち正確な抵抗値を得る
ことが難しいと云う問題があり、改善が必要であった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
以上記したように従来のジョセフソン素子形成法は再現
性および信顛性の点で問題があり、また薄膜抵抗素子と
別個に形成しているために回路接続に際して接触抵抗を
生じ、精度の高い集積回路の形成が困難であった。
c問題点を解決するための手段〕 上記の問題は基板上に複数個のジョセフソン素子と薄膜
抵抗素子とを組合せて構成される集積回路において、抵
抗体金属を被覆した基板上にジョセフソン素子の下部電
極を形成する金属と接合膜を形成する金属とを順次積層
して形成し、エツチング速度の差を利用してジョセフソ
ン素子の接合膜、下部電極および抵抗素子を一体化して
パターンニングし、次に該基板上に絶縁層を被覆し、ジ
ョセフソン素子の上部電極位置を窓開けした後、該窓開
は部を通して接合金属を酸化して酸化物に変え、次に抵
抗素子の端子電極位置の絶縁層を窓開けした後、該窓開
は部を含む基板上にジョセフソン素子の上部電極を形成
する金属の蒸着を行って、上部電極を含む導体パターン
を形成することを特徴とするジョセフソン集積回路の製
造方法により解決することができる。
〔作用〕
本発明は絶縁処理されたSi基板上に薄膜抵抗形成金属
、ジョセフソン素子の下部電極金属、接合部形成金属と
順次に成膜した後、エツチング速度−の違いを利用して
ジョセフソン素子のパターンと抵抗体のパターンとを同
時に形成する方法をとることにより従来の欠点を無くし
、また再現性の優れた集積回路の形成を行うものである
〔実施例〕
第1図は本発明を実施した集積回路のジョセフソン素子
30と薄膜抵抗素子31との部分の断面図、また第2図
(A)〜(D)はこの製造工程を示す断面図である。
まず熱酸化により二酸化硅素(SiOz )の絶縁層を
表面に備えたSt基板32の上に第2図(A)に示すよ
うにA11W33. Nb層34. AI層35と順次
連続して形成する。
この形成法はスパッタ、蒸着など任意の方法でよいが本
実施例の場合はRFマグネトロン・スパッタ法を用い、
AIは8mTorrのアルゴン(Ar)圧で入力電力2
00 W、堆積速度として毎分約60人の条件で、また
Nbは15flTorrのアルゴン(Ar)圧で入力電
力600 W、堆積速度として毎分約800人の条件で
成膜し、AI層33は200〜300 人の厚さに、ま
たNb層34は2500人の厚さに、またへ1層35は
100〜200人の厚さに形成した。
次に写真食刻技術により同図(B)に示すようにジョセ
フソン素子は下部電極36まで、また薄膜抵抗素子は端
子電極37までRIEを行う。
ここでAIのエツチング条件はAr圧25重量Torr
+ 15sccn+、 50人/分で、またNbのエツ
チング条件はフレオン(CF a )圧100 +nT
orr、 15secm、 1500人/分で行った。
この場合Nbをエツチングする条件ではA1は殆どエツ
チングされず、またA1をエツチングする条件ではNb
は殆どエツチングされない。
次に同図(C−1)に示すように写真食刻技術を用いて
AI層35をRIE処理して接合部のみ残すと共に同時
にAI層33をエツチングして抵抗パターン38を形成
し、また端子電極37の上にあるA1層35を除去する
同図(C−2)はこのようにして生じた平面図を示して
いる。
次に同図(D)に示すように蒸着、スパッタ。
化学気相成長法(略称CVD法)などの方法でSL0或
いはSi02層を全面に形成する。
ここで蒸着法を用いる場合はSiO層が形成され、スパ
ッタ或いはCVD法を用いる場合はSi02層が成膜さ
れる。
この実施例ではCVD法によりSi02層を成膜した。
次にジョセフソン素子形成部の窓開けを行うが、このR
IB条件は三弗化メタン(CHF3 )のガス圧20鰭
Torr、入力電力100 W、エツチング速度300
人/分である。
次にArのスパッタによって穴開は部の接合領域40を
クリーニングする。
この理由はAI層35が空気に触れて汚染されているこ
とと共に約50人の不動態酸化被膜を生じているからで
、この不動態被膜を除いて清浄をA1面を露出させる。
このクリ−リング条件はAr圧が15n+Torr、入
力電力300 W、スパッタ時間3〜5分で行った。
このクリーニング処理後、直ちに02ガスを導入してA
I膜を酸化膜に変える。
ここで、ジョセフソン素子で所望の電流密度は02ガス
圧を制御して酸化膜厚を調整することにより行う。
この実施例の場合、酸化膜厚は約10人に調整した。
次に薄膜抵抗素子の端子電極37の上のSi02層39
を窓開けした後、Nbをスパッタ法で厚さ約5000人
に成膜し、写真食刻技術でパターン形成を行うことによ
り第1図に示すような集積回路が形成される。
なお、上記の実施例においては超伝導材料としてNbを
用いたが、この代わりに窒化ニオブ(NbN)を用いて
も良い結果を得ることができる。
その理由はNbNは導電性であって転移温度が高く、ま
た酸化しにくい安定した材料であることによる。
そのためにNbを超伝導材料として使用した場合と異な
り上記の実施例においては第2図(A)に示すようにS
i基板上にAl−Nb−Alの三層構造の成膜を行った
がNbNを用いる場合はAI−NbNの二層構造で足り
、このNbN層に02ガス導入による放電酸化によって
接合層を作ることができる。
なお、これ以外は上記実施例と同様にして集積回路をつ
くることができる。
また抵抗素子形成金属として本実施例においてはAIを
用いたがチタン(Ti)を用いても同様な結果を得るこ
とができる。
〔発明の効果〕
以上記したように本発明はジョセフソン素子と薄膜抵抗
素−子とを一体化して形成するために接触抵抗の影響を
無くすることができ、またジョセフソン接合部において
下部電極と接合材料とを連続的に成膜し、エツチング速
度の差を利用してパターン形成を行うので、従来のよう
にRIE処理の終点検出の困難さからくる接合作成の不
確実性を解消することができ、収率の向上が可能となる
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実施した集積回路の断面図、第2図(
A)〜(D)は本発明の工程を示す断面図、但し同図(
C−2)は(C−1)の平面図、第3図は従来の集積回
路の断面図、 第4図〜第6図の(A)、(B)図はそれぞれ従来のジ
ョセフソン素子製造方法を説明する断面図、 である。 図において、 1.30はジョセフソン素子、 2.31は薄膜抵抗素子、 3,32はSi基板、4、
20.36は下部電極、  5は接合酸化膜、7.38
は抵抗パターン、  8.37は端子電極、9は上部電
極、      10.15.17.34はNb層、1
3、18.!2はレジスト、  14は接合部、16は
酸化物層をもつAt、 33.35は41層、38は抵
抗パターン、   39はSi02層、40は接合領域
、 である。 特許出願人 工業技術院長 等々力 達ブV 第 2 図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 基板上に複数個のジョセフソン素子と薄膜抵抗素子とを
    組合せて構成される集積回路において、抵抗体金属を被
    覆した基板上にジョセフソン素子の下部電極を形成する
    金属と接合膜を形成する金属とを順次積層して形成し、
    エッチング速度の差を利用してジョセフソン素子の接合
    膜、下部電極および抵抗素子を一体化してパターンニン
    グし、次に該基板上に絶縁層を被覆し、ジョセフソン素
    子の上部電極位置を窓開けした後、該窓開け部を通して
    接合金属を酸化して酸化物に変え、次に抵抗素子の端子
    電極位置の絶縁層を窓開けした後、該窓開け部を含む基
    板上にジョセフソン素子の上部電極を形成する金属の蒸
    着を行って、上部電極を含む導体パターンを形成するこ
    とを特徴とするジョセフソン集積回路の製造方法。
JP60082515A 1985-04-19 1985-04-19 ジヨセフソン集積回路の製造方法 Granted JPS61241988A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63234575A (ja) * 1987-03-24 1988-09-29 Agency Of Ind Science & Technol 超電導回路のパタ−ン形成方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63234575A (ja) * 1987-03-24 1988-09-29 Agency Of Ind Science & Technol 超電導回路のパタ−ン形成方法

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