JPS61263180A - 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、論理回路や記憶装置を構成するスイッチング
素子等に用いられる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、微細な接合の作製に適したジョ
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） 従来、ジョセフソン接合素子の製造方法として、柘植久
尚らによって提案された方法がある。

（特開５８−２０９１７６　Ｆジョセフソン接合素子の
製造方法」）第３図（ａ）〜（ｄ）は従来のジョセフソ
ン接合素子の製造方法を説明するための、工程順に示し
た断面図である。まず、第３図（ａ）に示すように、絶
縁体基板３１上に第１の超伝導体電極３２．トンネル障
壁層３３゜第２の超伝導体電極３４の三層膜からなる接
合構成層を所望のパターンに形成する。次に、第３図（
ｂ）に示すように、第２の超伝導体層３４上のジョセフ
ソン接合部となる領域に通常のホトレジスト工程でホト
レジストからなるエツチングマスク３５を形成した後、
第３図（ｃ）に示すように反応性スパッタエツチング法
あるいはイオンビームエツチング法によって少なくとも
第２の超伝導体層３４のエツチングマスクｉ５から露出
した領域を完全にエツチング除去することで接合領域を
規定する。第３図（ｅ）ではトンネル障壁層までエツチ
ング除去しているが、少なくとも第２の超伝導体層を除
去すれば接合領域は規定で−きる。次に、第３図（ｄ）
に示すように、エツチング加工り３５を用いたリフトオ
フ法によって絶縁体層３６を形成し、さらに第４の超伝
導体層よりなる配線３７を形成することでジョセフソン
接合素子を得る。

ジョセフソン接合素子を用いた集積回路の製造において
は、多数のジョセフソン接合の臨界電流を設計値どおり
にかつ一様に形成することが最も要求されており、その
ためにはジョセフソン接合領域を設計値どおりの寸法に
規定する技術が重要である。従って、前述した製造方法
においては、接合規定のためのエツチングマスク３５を
設計値どおりに形成することが重要となる。前述した製
造方法においては、ホトレジストからなるエツチングマ
スク３５は、第３図（ａ）に示した所望のパターンを有
する接合構成層を形成した基板上に例えばポジ型のホト
レジスト層を塗布、乾燥し、接合部となる領域以外のホ
トレジスト層を露光し現像することで得られる。ここで
接合領域は、接合構成層上にあり、エツチングマスク３
５は第２の超伝導体層３４の上に形成されることになる
。ところが、第２の超伝導体層３４としては鉛合金等が
用いられ、−酸化硅素（Ｓｉｎ）や二酸化硅素（ＳｉＯ
２）からなる基板３１の表面に較べてホトレジストを露
光する光の反射率が高く、さらに段差のために基板３１
上のホトレジスト層の膜厚は第２の超伝導体層上のホト
レジスト層の膜厚に較べて厚く形成されることになる。

従って第２の超伝導体層３４上のホトレジスト層が適正
露光になるような条件で露光すれば基板３１上のホトレ
ジストが不足露光となってエツチングマスク３５のパタ
ーン形成に適正な条件で現像すれば基板３１上゛にレジ
ストの一部が残ることがある。このレジスト残りによっ
て絶縁体層３６に剥離や突起などの欠陥が生じることが
あり、接合素子の歩留りや信頼性を低下させるという欠
点があった。

また、基板３１上のホトレジスト層を確実に現像によっ
て除去できる条件で露光・現像すれば第２の超伝導体層
３４上のホトレジスト層が過露光・過現像となりエツチ
ングマスク３５が設計値よりも小さくなり、エツチング
マスクのコーナ一部の形状の変化もおきる。このような
、エツチングマスクの設計値からのずれは接合寸法が微
細になるほど影響が大きくなり、ジョセフソン集積回路
の微細化大集積化の妨げとなるという欠点があった。

（発明の目的） 本発明は、このような従来の欠点を取り除いたジョセフ
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、基板上に第１の超伝導体層、この第１
の超伝導体層上にトンネル障壁層、このトンネル障壁層
上に第２の超伝導体層を連続形成する工程と、前記第１
の超伝導体層、前記トンネル障壁層および前記第２の超
伝導体層からなる接合構成層を所望のパターンにエツチ
ング加工する工程と、前記接合構成層をエツチング除去
した領域の基板上に前記第２の超伝導体層と同じ材料か
らなる第３の超伝導体層を形成する工程と、前記第２の
超伝導体層上のジョセフソン接合となる領域にエツチン
グマスクを形成する工程と、少なくとも前記エツチング
マスクから露出した領域の前記第２の超伝導体“層およ
び第３の超伝導体層を完全にエツチング除去する工程と
を含むことを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方
法が得られ、さらに、基板上に第１の超伝導体層、この
第１の超伝導体層上にトンネル障壁層、このトンネル障
壁層上に第２の超伝導体層を連続形成する工程と、前記
第１の超伝導体層、前記トンネル障壁層および前記第２
の超伝導体層よりなる接合構成層を所望のパターンにエ
ツチング加工する工程と、前記接合構成層をエツチング
除去した領域の基板上に絶縁体層を形成し、前′　　配
給縁体層上に第２の超伝導体層と同じ材料からなる第３
の超伝導体層を形成する工程と、前記第２の超伝導体層
上のジョセフソン接合となる領域に、エツチングマスク
を形成する工程と、少くとも前記エツチングマスクから
露出した領域の前記第２の超伝導体層および第３の超伝
導体層を完全にエツチング除去する工程とを含むことを
特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法が得られる
。

（第１の発明の構成の詳細な説明） 以下、第１の発明の詳細を実施例を示す図面に従って説
明する。第１図（ａ）〜（Ｏは第１の発明の一実施例を
工程順に示した図である。

まず、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上に連続形成した第１
の超伝導体層１２．トンネル障壁層１３．第２の超伝導
体層１４の三層膜よりなる接合構成層上に第１のエツチ
ングマスク１５を形成し、前記接合構成層を所望の電極
パターンにエツチング加工する。続いて第１図（ｂ）に
示すように第２の超伝導体層１４と同じ材料からなる第
３の超伝導体層１６を第２の超伝導体層１４と同等の厚
さに形成する。次に第１図（ｃ）に示すように、第１の
エツチングマスク１５を有機溶剤中で溶解除去すること
によって第１のエツチングマスク１５上の第３の超伝導
体層１６をリフトオフ除去し、前記接合構成層をエツチ
ング除去した領域の基板１１の上のみに選択的に第３の
超伝導体層１６を残す。

次に第１図（ｄ）に示すように、通常のホトレジスト工
程でホトレジストからなる第２のエツチングマスク１７
を形成する。このとき、従来の製造方法の工程と異なっ
て、ホトレジスト層を形成する基板表面は全面にわたっ
て第２の超伝導体層１４、または第・−１゛ト・、ンネ
ル陣壁層１３の膜厚の和だけに抑えられる。

−こ□の二つの効果によって全面にわたって適正な露、
□１ 設計寸法どおりのエツチングマスク１７が得られる。続
いて、第１図（ｅ）に示すように第２のエツチングマス
ク１７をマスクとして少なくとも第２の超伝導体１４の
露出領域および第３の超伝導体層１６を完全にエツチン
グ除去することで接合領域を規定する。

このとき、第３の超伝導体層１６は第２の超伝導体層１
４と同じ材料で形成されているため同時にエツチングす
ることができ、さらに膜厚も同等の厚さであるため、第
２の超伝導体層１４をエツチング除去するために必要な
エツチング時間あるいはそれよりわずかに長いエツチン
グ時間で第３の超伝導体層１６を完全に除去することが
できる。従って、別のエツチング工程を追加したり長時
間のエツチングを加える必要がないのでサイドエツチン
グや側壁への再付着のような接合領域規定の悪影響は問
題になってこない。さらに基板１１の表面がエラチンて
絶縁体層１８を形成し、さらに第４の超伝導体層よりな
る配線１９を形成することでジョセフソン接合素子を得
る。このようにして製造されたジョセフソン接合素子で
は接合の寸法形状が設計どおりに規定できるため接合の
臨界電流値も設計どおりとなり、さらに、露光不足や現
像不足によるレジスト残りもなくなるためこのレジスト
残りが原因となって絶縁体層１８に生じた欠陥も完全に
防止することができるため、接合素子の歩留りや信頼性
もパ−゛、大幅に向上する。

（第１の発明の実施例） １゛ｉ以下に、第１の発明の一実施例について説明す・
−一゛′−る。

まず、第１図（ａ）に示すように、表面を熱酸化５ｉ０
２で被覆したシリコン（Ｓｉ）基板１１上に、第１の超
伝導体層１２としてニオブ（Ｎｂ）膜２００ＯＡをスパ
ッタ法あるいは蒸着法によって形成し、続いてトンネル
障壁層１３として酸化ニオブ（Ｎｂ２０５）膜数１ＯＡ
を第１の超伝導体層１２であるＮｂ膜の表面を熱酸化す
ることで形成する。続いて、第２の超伝導体層１４とし
て鉛合金膜（例えばインジウム１２重量パーセント、金
４重１のエツチングマスク１５を通常のホトレジスト工
程で形成し、第２の超伝導体層１４である鉛合金膜の第
１のエツチングマスク１５からの露出部をアルゴン（Ａ
ｒ）のイオンビームエツチング法で完全にエツチング除
去し、引続いてトンネル障壁層１３である導体層１６で
ある第２の超伝導体層１４と同じ組成の鉛合金１５００
人を蒸着法で形成し、続いて、第１図（ｃ）に示すよう
に、第１のエツチングマスク１５を有機溶剤中で溶解除
去する。このとき、第１のエツチングマスク１５の上に
形成された鉛合金膜も除去され、接合構成層をエツチン
グ除去した基板１１上のみに第３の超伝導体層１６が残
る。次に、第１図（ｄ）に示すように第２のエツチング
マスク１７を通常のホトレジスト工程で形成する。この
とき、ホトレジスト層を形成した基板表面は全面にわた
って鉛合金で覆われており、さらに段差も従来の製造方
法によれば約３５００人あるが本発明の製造方法によれ
ば約２００ＯＡに減少している。従って、全面にわたっ
て適正な露光現像条件で第２のエツチングマスク１７を
形成できるために不要なレジスト残りのない状態で第２
のエツチングマスク１７を設計どおりの寸法にできる。

次に、第１図（ｅ）に示すように第２のエツチングマス
ク１７を用いて１．緒イオンビームエツチング法で鉛合
金膜の露出領域を完全にエツチング除去することで接合
領域を規定する。このとき、第２のることが可能となり
、特に微細な寸法のジョセフソン接合素子を用いた集積
回路の特性向上および歩留り向上に顕著な効果が得られ
る。しかも、工程は超伝導体層形成工程が一工程増える
だけである。続いて、第１図（ｆ）に示すように、厚さ
約３０００人のＳｉＯ膜よりなる絶縁体層１８を蒸着法
とエツチングマスク１７を用いたリフトオフ法で形成し
、さらに第４の超伝導体層である厚さ約６０００人の鉛
合金膜よりなる配線１９を蒸着法とエツチング法または
リフトオフ法で形成することでジョセフソン接合素子を
得る。

このようにして製造された接合素子では、露光不足ある
いは現像不足によるレジスト残りを生じることなくエツ
チングマスク１７を設計どおりに規定できるため、絶縁
体層１８であるＳｉＯ膜に剥離や突起のような欠陥を生
じることがなく、かつ臨界電流も設計値どおりにするこ
とができる。このため接合素子の歩留りや信頼性の大幅
な向上が得られる。

（第１の発明の効果） 以上説明したように、第１の発明によれば、接合領域規
定のための第２のエツチングマスクを露光現像するとき
の下地は全領域にわたって同じ超伝導体であるため反射
率が均一になる。さらに接合構成層の領域と接合構成層
をエツチング除去した領域との段差も減少する。そのた
め、第２のエラチンに、その上に形成する絶縁体層に欠
陥が生じるこ・　　ともない。

（第２の発明の構成の詳細な説明） １以下、第２の発明の詳細を実施例を示す図面に２、−
・従って説明する。第２図（ａ）〜（０は、第２の発明
の一実施例を工程順に示した図である。

まず、第２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２１上に連続形成した第１
の超伝導体層２２．トンネル障壁層２３．第２の超伝導
体層２４の三層膜よりなる接合構成層上に第１のエツチ
ングマスク２５を形成し、前記接合構成層を所望の電極
パターンにエツチング加工する。続いて第２図（ｂ）に
示すように第２の絶縁体層２６を第１の超伝導体層２２
と同等の厚さに形成し、続いて第２の超伝導体層２４と
同じ材料からなる第３の超伝導体層２７を第２の超伝導
体層２４と同等の厚さに形成する。

次に第２図（ｃ）に示すように、第１のエツチングマス
ク２５を有機溶剤中で溶解除去することで第１のエツチ
ングマスク２５上の第２の絶縁体層２６と第３の超伝導
体層２７をリフトオフ除去して、前記接合構成層をエツ
チング除去した領域の基板１１の上のみに第と異なって
、ホトレジスト層を形成する基板表面は全面にわたって
第２の超伝導体層２４または第２の超伝導体層２４と同
じ材料からなる第３の超伝導体層２７によって覆われて
いるため露光時の基板からの反射は均一になっている。

さらに、接合構成層の領域とそれ以外の領域との境界で
の段差は、前述したように第１の超伝導体層２２と同等
の膜厚を有する第２の絶縁体層２６および第２の超伝導
体層２４と同等の膜厚を有する第３の超伝導体層２７を
接合構成層をエツチング除去した領域の全域に形成した
こと　・によって、はとんど解消されている。一般にト
ンネル障壁層２３の膜厚は数１０人程度にすぎず問題と
ならない。従って、第２のエツチングマスク２８を形成
するためのホトレジスト層はほぼ平面の上に形成される
ため膜厚も均ニなものとなる。この二つの効果によって
全面にわたって適正な露光現像条件で第２のエツチング
マスク２８を形成することができるため部分的なレジス
ト残りを生じることなく、設計寸法どおりのエツチング
マスク２８が得られる。続いて、第２図（ｅ）に示すよ
うに第２のエラチン料で形成されているため同時にエツ
チングするこなエツチング時間あるいはそれよりわずか
に長いエツチング時間で第３の超伝導体層２７を完全に
除去することができる。従って、別のエツチング工程を
追加したり長時間のエツチングを加える必要がないので
サイドエツチングや側壁への再付着のような接合領域規
定への悪影響は問題になってこない。

１また、本発明では、前述したように接合構成層をエツ
チング除去した領域に第１の超伝導体層２２と同等の膜
厚を有する第２の絶縁体層２６および第２の超伝導体層
２４と同等の膜厚を有する第３の超伝導体層２７からな
る二層膜を形成することで段差を解消している。この段
差解消を前記接合構成層と同等の膜厚を有する第３の超
伝導体層２７一層のみで行う場合には、第３の超伝導体
層２７を完全に除去するために長時間のエツチングを加
える必要があるため除去に長時間の追加エツチングは不
要であり、さらに第２の絶縁体層２６は電気的短絡を生
じることがないため除去する必要がないだけでなく、残
しておけば第２図（ｅ）に示すように第１の超伝導体層
２２の示す。

続いて、第２図（Ｄに示すように、第２図（ｅ）の第２
のエツチングマスク２８を用いたリフトオフ法によって
第１の絶縁体層２９を形成し、さらに第４の超伝導体層
よりなる配線３０を形成することでジョセフソン接合素
子を得る。

このようにして製造されたジョセフソン接合素子では接
合の寸法形状が設計どおりに規定できるため接合の臨界
電流値も設計どおりとなり、さらにレジスト残りが原因
となって第１の絶縁体層２９に生じた欠陥も完全に防止
することができるため接合素子の歩留りや信頼性も大幅
に向上する。本発明は第１の超伝導体層２２の膜厚が厚
いときに特に効果が大きい。

（第２の発明の実施例） 以下に、第２の発明の一実施例について説明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、表面を熱酸化８ｉ０
２で被覆したシリコン（Ｓｉ）基板２１上に、第１の超
伝導体層２２としてニオブ（Ｎｂ）膜３０００Ａをスパ
ッタ法で形成する。続いて、第２の超伝導体層２４とし
て鉛゛′合金膜（例えばインジウム１２重量パーセント
、金４重量パーセント含有）１５００人を蒸着法によっ
て形成する。次に、第２の超伝導体層２４の上にホトレ
ジスト工程申 よりなる第１のエツチングマスク２５を通常のホトレジ
スト工程で形成し、第２の超伝導体層１４である鉛合金
膜の第１のエツチングマスク２５からの露出部をアルゴ
ン（Ａｒ）のイオンビームエツチング法で完全にエツチ
ング除去し、引続いてトンネル障壁層２３であるＮｂ２
Ｏ５膜および第１の超伝導体層２２であるＮｂ膜を４フ
ツ化炭素（ＣＦ４）をエツチングガスとして用いた反応
性スパッタエツチング法で完全にエツチング除去する。

次に、第２図（ｂ）に示すように、第２の絶縁体層２６
であるＳｉＯを約１００人蒸着し、続いて第３の超伝導
体層２７である第２の超伝導体層２４と同じ組成の鉛合
金約１５００人を蒸着法で形成し、続いて、第２図（Ｃ
）に示すように、第１のエツチングマスク２５を有機溶
剤中で溶解除去する。このとき、第１のエツチングマス
ク２５の上に形成された第２の絶縁体層２６および鉛合
金膜２７も除去され、接合構成層をエツチング除去した
基板１１上のみに第２の絶縁体層前記鉛合金膜で覆われ
ており、さらに段差も従来め製造方法によれば約４５０
０人あるが本発明の製造方゛法によれば数１０Ａ以下に
減少している。従って、レジスト層の下地の反射率もレ
ジスト層の膜厚も均一なものとなり、全面にわたって適
正な露光現像条件で第２のエツチングマスク２８を形成
できる。次に、第２図（ｅ）に示すように、第２のエツ
チングマスク２８を用いて、鉛合金膜２４および２７の
露出領域をＡｒイオンビームエツチング法で完全にエツ
チング除去することで接合領域を規定する。このとき、
第２の超伝導体層２４と第３の超伝導体層２７は同じ材
料で、かつ、同じ膜厚をもつため同じエツチング条件で
同時に完全に除去できる。続いて、第２図（ｆ）に示す
ように、厚さ約４０００人のＳｉＯ膜よりなる第１の絶
縁体層２９を蒸着法とエツチングマスク２８を用いたり
フトオフ法で形成し、さらに第４の超伝導体層である厚
さ約６００ＯＡの鉛合金膜よりなる配線１９を蒸着法と
エツチング法またはリフトオフ法で形成することでジョ
セフソン接合素子を得る。

おりに形成する露光現像条件によって不要なレジスト残
りを生じることがない。そのため、第１の絶縁体層２９
であるＳｉＯ膜にレジスト残りが原因となった欠陥が生
じることがなくなる。従って、設計どおりの臨界電流を
有する接合素子の歩留りゃ信頼性が大幅に向上する。さ
らに第２の絶縁体層２６によって接合素子の段差解消も
行うことができる。

なお、本実施例では第１の超伝導体層２２にはＮｂ。

トンネル障壁層２３にはＮｂ２Ｏ５，第２の超伝導体層
２４および第３の超伝導体層２７には鉛合金を用いたが
この組合せに限るものではない。

（第２の発明の効果） 以上説明したように、水弟２の発明によれば、接合構成
層の領域と接合構成層をエツチング除去した領域との表
面の段差はほとんど解消されているため第２のエツチン
グマスクを形成するためのホトレジスト層の厚さは全域
にわたって均一になっている。またホトレジスト層の下
地も全域にわたって同一の材料で覆われているため下地
の反射率も均一になっている。そのため、第２のエツチ
ングマスクが設計どおりの寸法形状となるような条件で
露光現像したときに露光不足あるいは現像不足による不
要なレジスト残りが生じなくなるので、レジスト残りが
原因で生じた第１の絶縁体層の欠陥もなくなる。

従って、設計値どおりの寸法形状を有する接合素子を歩
留りよく製造することが可能となり、特に微細な寸法の
ジョセフソン接合素子を用いた集積回路の特性向上およ
び歩留り向上に顕著な効果が得られる。

本発明は第１の超伝導体層の膜厚が厚い場合に特に効果
が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は第１の発明のジョセフソン接合
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、第２図（ａ）〜（０は第２の発明のジョセフ
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、第３図（ａ）〜（ｄ）は従来のジョ
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、図において、１１．２１．３
１は基板、１２．２２．３２は第１の超伝導体層、１３
．２３．３３はトンネル障壁層、１４．２４．３４は第
２の超伝導体層、１５．２５．３５．１７．２８はエツ
チングマスタ、１６．２７は第３の超伝導体層、１８．
２６．２９は絶縁体層、１９．３０は配線である。 工譚二技術院長 箒　　１　　図 半　　２　　　図 （Ｃン 箒　　２　　　起

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に第１の超伝導体層、この第１の超伝導体
   層上にトンネル障壁層、このトンネル障壁層上に第２の
   超伝導体層を連続形成する工程と、前記第１の超伝導体
   層、前記トンネル障壁層および前記第２の超伝導体層か
   らなる接合構成層を所望のパターンにエッチング加工す
   る工程と、前記接合構成層をエッチング除去した領域の
   基板上に前記第２の超伝導体層と同じ材料からなる第３
   の超伝導体層を形成する工程と、前記第２の超伝導体層
   上のジョセフソン接合となる領域にエッチングマスクを
   形成する工程と、少なくとも前記エッチングマスクから
   露出した領域の前記第２の超伝導体層および第３の超伝
   導体層を完全にエッチング除去する工程とを含むことを
   特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。
2. （２）基板上に第１の超伝導体層、この第１の超伝導体
   層上にトンネル障壁層、このトンネル障壁層上に第２の
   超伝導体層を連続形成する工程と、前記第１の超伝導体
   層、前記トンネル障壁層および前記第２の超伝導体層よ
   りなる接合構成層を所望のパターンにエッチング加工す
   る工程と、前記接合構成層をエッチング除去した領域の
   基板上に絶縁体層を形成し、前記絶縁体層上に第２の超
   伝導体層と同じ材料からなる第３の超伝導体層を形成す
   る工程と、前記第２の超伝導体層上のジョセフソン接合
   となる領域にエッチングマスクを形成する工程と、少く
   とも前記エッチングマスクから露出した領域の前記第２
   の超伝導体層および第３の超伝導体層を完全にエッチン
   グ除去する工程とを含むことを特徴とするジョセフソン
   接合素子の製造方法。