JPS62172774A - ジヨセフソン集積回路の製造方法 - 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】 〔概要〕 ジョセフソン集積回路の製造において、ベース電極の接
合部以外の領域に陽極酸化膜と工・７チングストツパ膜
を形成し、ベース電極のオーバエッチを防止すると共に
、ベース電極上部の絶縁膜に穴開けするとき、接合部の
大きさより大きい接合穴を開けることにより、Ａｒ”イ
オンによるクリーニング時、ベース電極接合部が接合穴
部よりのバックスキャツタ−で汚染するのを防ぐ。

〔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わり、特
にベース電極加工後の接合穴形成方法の改良に関する。

ジョセフソン集積回路はスイッチング速度が極めて速く
、又集積度をあげる上で大きな障害となる発熱が殆どな
いので、次世代ＶＬＳＩとして大きい期待がもたれてい
る。

しかしまた、技術的に解決すべき問題点も多く残ってい
る。電極形成法についても、種々の問題点があり効果的
な且つ前便な方法は未だ満足なものがない状況である。

ジョセフソン集積回路としてＮｂ系を中心とする硬い材
料をベース電極、カウンター電極とし、トンネルバリア
としてはＡｌ０Ｋの薄膜を用い、これらを連続して同一
真空装置中で形成するものは汚れが少なく、特性的には
安定したものが得られるが、カウンター電極のみを選択
的にエツチングしベース電極はそのまま残す異方性エツ
チングが極めて微妙で、加工が難しいと云う欠点を有し
ている。

ベース電極はＮｂ、カウンター電極はｐｂ系材料とした
セミハードのジョセフソン集積回路はＮｂのベース電極
を形成後、絶縁膜を被覆し接合部の穴開けをするときベ
ース電極の表面が汚染し特性を填なう問題を有している
。

〔従来の技術〕 第２図（ａ）〜（ｅ）は従来例（１）におけるＢｅ１ｌ
Ｌａｂ、で開発された５ＮＩＥＰ法と呼ばれるＮｂ／Ａ
　Ｉ−＾ｌＯＸ／Ｎｂ接合型ジョセフソン集積回路の電
極形成工程を説明するための断面模式図である。

この方法はベース電極、トンネルバリア、カウンター電
極までを同一真空装置内で真空を破ることなく形成出来
る汚れの少ない方法である。

第２図（ａ）において、■はＳｉ基板で、この上にＮｂ
のベース電極２の被覆、更にその上にＡＩを被着し、後
０□ガスを導入し表面を熱酸化しＡＩＯ，として９なる
トンネルバリアの被膜を形成する。更にトンネルバリア
９上にＮｂのカウンター電極１０の被膜を形成する。

第２図（ｂ）において、レジストを被覆しパターニング
して、これをマスクにしてＲＩＥ（反応性イオンエツチ
ング）でカウンター電極１０、トンネルバリア９、ベー
ス電極２の３層のパターニングを行う。

第２図（ｃ）において、レジスト４を被覆、パターニン
グして、これをマスクとしてＲＩＥでカウンター電極１
０をパターニングする。

第２図（ｄ）において、陽極酸化を行い、Ｎｂの表面に
Ｎｂ２Ｏ５膜の薄い層を形成する。即ちベース電極２と
カウンター電極１０の露出表面に陽極酸化膜３を形成す
る。

第２図（ｅ）において、Ｎｂよりなる配線Ｎ１１をカウ
ンター電極１０と陽極酸化膜３、Ｓｉ基板１上に形成す
る。

これら工程のなかで、第２図（ｃ）における、カウンタ
ー電極１０のみをＲＩＥでエツチングしてベース電極２
はそのまま残すことが非常に困難である。

本来ＡＩはＲＩＩＥのＣＦ、ガスでは化学エツチングさ
れないが八ｌの厚さが極めて薄いためＡＩはイオン衝撃
で侵食されて了い、ストッパの役目を果たし得なくなり
、エツチングが下部のベース電極２まで及ぶ可能性があ
る。従って、このエツチングはオーバ気味のエツチング
となり、ベース電極２を多少とも減らすエツチングとな
る。

第３図（ａ）　、（ｂ）は従来例（２）におけるセミハ
ード系ジョセフソン集積回路の電極形成工程を説明する
ための断面模式図である。

これは前記のジョセフソン集積回路のカウンター電極を
Ｎｂの替わりに例えばＰｂＡｕ等としたものである。

これら図において、第２図（ａ）〜（ｅ）と同じ名称の
ものは同じ符号で示す。（以下同様）第３図（ａ）にお
いて、ｌはＳｉ基板でこの上にＮｂのベース電極２を形
成、その上にレジスト４のパターニングを行い、次いで
ＳｉＯの絶縁膜７ａを被着し、リフトオフにより鞄縁ｌ
模７ａに接合部６の六開けをする。

第３図（ｂ）において、ベース電極２の露出表面をＡｒ
＋イオンでクリーニングを行いＮｂの低級酸化物を除去
した後、ＡＩ薄膜被着、熱酸化して表面をＡＩＯつとし
トンネルバリア９を形成する。ついでＰｂＡｕのカウン
ター電極１０ａを形成する。

この方法においては、ベース電極２とカウンター電極１
０ａの堆積と加工が別々に行われるので、加工上の寸法
精度的な問題は少ないが、Ａｒ”イオンによるベース電
極２の露出表面のクリーニング工程において、Ａｒ＋イ
オンによるバックスキャツタで接合部穴周辺のＳｉＯ膜
中のＳｉがベース電極２の露出部上に付着し、このＳｉ
が特性上特に有害であるため、改善が望まれている。

（発明が解決しようとする問題点〕 従来例（１）における電極形成方法では、接合部におい
て汚れが少なく特性的には良好なものが得られるが、加
工が微妙で難しい点があり、又従来例（２）における電
極形成方法では、寸法精度的には比較的安定した方法で
あるが接合部形成時のクリーニングでベース電極表面が
汚染され、それが特性を損う問題を有している。

従って特性的に問題となる周辺から入る汚れの少ない、
又加工精度の安定した電極形成方法を提供しようとする
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点の解決は、Ｓｉ基板の上にＮｂ系の超電導材
料よりなるベース電極の被膜を形成し、ベース電極の表
面の接合部を形成する領域以外に陽極酸化膜を形成する
工程と、前記陽極酸化膜の上にエツチングストッパ膜を
形成し、次いでベース電極のパターニングを行う工程と
、更にその上に絶縁膜を被着し、この絶縁膜に接合部を
中心にした、接合部よりも大きい接合穴を開口する工程
と、接合部にトンネルバリアの薄膜を形成し、後このト
ンネルバリアの上部およびエソチンゲスｔ−ソバ膜の露
出面上と、絶縁膜の一部の上部にカウンター電極を形成
する工程とを存してなる本発明によるジョセフソン集積
回路の製造方法により達成される。

〔作用〕

Ｓｉ基板上に形成したＮｂのベース電極の上に接合部領
域を残して他の領域に陽極酸化膜とエツチングストッパ
膜を形成し、その後表面全体を５ｉｎ２の絶縁膜を被着
し、これに接合部よりも大きい接合穴を形成する。即ち
５ｉＯｚ膜の接合穴の縁端部を接合部より離すことによ
り、Ａｒ”イオンによるバックスキャツタでＳｉ原子が
Ｎｂのベース電極の接合部表面に付着するのを低減する
。

同時にエツチングストッパ膜を設けているので、ベース
電極までエツチングされることなく、安定した接合穴開
けを行うことが出来る。

〔実施例〕

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明におけるＮｂ／＾１−Ａ
ＩＯ，／Ｎｂ型ジョセフソン集積回路の電極形成工程を
説明するための断面模式図である。

第１図（ａ）において、ＩＩ′！、Ｓｉ基板で、この上
に約２００ｎｍ厚さのＮｂのベース電極２の被膜をＥＢ
法またはスパッタリング法で形成し、この上に通常のフ
ォトレジスト工程により１０μｍ幅の接合部６の領域の
みをカバーするパターンのレジスト４を形成する。次い
でベース電極２の表面に接合部６以外の領域に約３０ｎ
ｍ厚の陽極酸化膜（Ｎｂ２０Ｓ）　　３を形成スる。陽
極酸化はアンモニウムペンタボレートとエチレングリコ
ールの液中で行う。

第１図（ｂ）において、レジスト４はそのままで、＾ｌ
のエツチングストッパ膜５を約１５ｎｍ、蒸着法又はス
パッタリング法で被−着する。

第１図（ｃ）において、レジスト４を除去した後、再び
レジストを塗布しパターニングしてベース電極加工を行
う。加工はＲＩＩＥによって行う。

１？ＩＢの条件は、Ａｔにたいしては、ガスはＡｒ、印
加電力は６５Ｗ、圧力は３．３ｒ’ａであり、又Ｎｂに
対しては、ガスはＣＦ４＋５χ０□、印加電力は５０Ｉ
ｌｉ、圧力は６．６Ｐａである。

第１図（ｄ）において、５ｉｎ２またはＳｉＯの絶縁膜
７をＣＶＤ法またはスパンクリング法で約４００ｎｍ厚
さ被覆し、次いでフォトレジストパターニングとＲ［ｌ
Ｅにより幅２０μｍの接合穴８の開口を形成する。

１？ＩＥの条件はガスはＣＨＦ３　＋１５χ０□、印加
電力は１００獣圧力は３．３Ｐａ　、　２０ｎｍ／ｍｉ
ｎのエツチング速度である。

第１図（ｅ）において、レジスト、を除去後、Ｎｂベー
ス電極２の接合部表面に生じているＮｂの低級酸化物Ｎ
ｂＱ　、ＮｂＯ□を除去するクリーニングをＡｒ”イオ
ンエツチングにより行う。次いでＡＩを約３ｎｍ厚さに
被着後、酸素ガスを導入し熱酸化して表面をＡｌ０Ｘに
変化させトンネルバリア９を形成する。

次いで、Ｎｂを４００〜５００ｎｍ被着し、パターニン
グしてカウンター電極１０を形成する。

以上の工程により形成したジョセフソン集積回路は、第
１図（ｄ）において示すように、絶縁膜７をｌ？ＩＥ法
による異方性ドライエツチングで接合穴８の開口すると
き、ベース電極２の上の絶縁膜たる陽極酸化膜（Ｎｂｚ
Ｏｓ）　　３上にＡＩのエツチングストッパ膜５を有し
ており、このＡｌ膜は厚さも１５ｎｍあり、ＣＩＩＦ：
＋　＋１５χ０□ガスではエツチングされず、エツチン
グストッパ膜の役目を充分果たしている。

〔発明の効果〕

電極形成法において、ベース電極の被膜形成後接合部以
外の領域を陽極酸化し、続いてエツチングストッパ膜を
付けることにより絶縁膜被膜に行う接合穴開口を接合部
大きさより大きく出来、接合部クリーニング時のＡｒ＋
イオンによるバックスキャツタで起こるベース電極表面
の汚染を少なく出来る。又エツチングストッパ膜が有効
に作用するため、接合穴開口は容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明における電極形成工程を
説明するための断面模式図、 第２図（ａ）〜（ｅ）は従来例（１）における電極形成
工程を説明するための断面模式図、 第３図（ａ）　、（ｂ）は従来例（２）における電極形
成工程を説明するための断面模式図である。 図において、 １はＳｉ基板、 ２はベース電極、 ３は陽極酸化膜、 ４はレジスト、 ５はエツチングストッパ膜、 ６は接合部、 ７は絶縁膜、 ８は接合穴、 第２）図 λ２凪

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｓｉ基板（１）の上にＮｂ系の超電導材料よりなるベー
   ス電極（２）の被膜を形成し、ベース電極（２）の表面
   の接合部（６）を形成する領域以外に陽極酸化膜（３）
   を形成する工程と、 前記陽極酸化膜（３）の上にエッチングストッパ膜（５
   ）を形成し、次いでベース電極（２）のパターニングを
   行う工程と、 更にその上に絶縁膜（７）を被着し、この絶縁膜（７）
   に接合部（６）を中心にした、接合部（６）よりも大き
   い接合穴（８）を開口する工程と、 接合部（６）にトンネルバリア（９）の薄膜を形成し、
   後このトンネルバリア（９）の上部およびエッチングス
   トッパ膜（５）の露出面上と、絶縁膜（７）の一部の上
   部にカウンター電極（１０）を形成する工程と を有し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。