JPS62213180A - 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
素子等に用い帆たるジョセフソン接合素子の製造方法に
関する。

〔従来の技術〕

従来、接合の微細化に適し九ジ冒セフソン接合素子の一
例として、アール・エフ・プルーム（Ｒ，Ｂ’、　１３
ｒｏＯｍ　）らによって１９８０年７月に発表されたア
プライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　
ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）の第３７巻第２号２
３７〜２３９頁の論文に８己載された接合素子がある。

第３図は、この従来のジョセフソン接合素子の斜視図で
ある。第３−に示すような構造の接合素子は例えば次の
ような製造方法で作製される。

最初に、基板３１の全面に第１の超伝導体＠全成膜し続
いてその表面に陽極酸化法等によって絶縁体層を形成す
る。次に、通常のホトレジスト工程と反応性イオンエッ
チフグ法によって前記絶縁体層および前記第１の超伝導
体層をエツチング加工することによって第３図に示した
第１の超伝導体電極３２および絶縁体層３３を形成する
。次に第２の超伝導体電極３５のリフトオフパターニン
グ用のホトレジストを通常のホトレジスト工程で形成し
、続いて第１の超伝導体電極３２の側面露出部にトンネ
ル障壁層３４を形成した後、第２の超伝導体層を直着、
リフトオフすることで第２の超伝導体電極３５を形成す
る。以上の工程で第３図に示したジョセフソン接合素子
が得られる。

このような構造においてはジ璽セフンン接合の面積は第
１の超伝導体電極３２の側面の幅りと第２の超伝導体電
極３５の＠ｔで決定される。このとき、ｈは第１の超伝
導体電極３２の膜厚と９１１面の角度で決定されるため
、数１１００ｒＬ以下の微小長になっても高Ｆ１ｆｌＹ
の寸法制御ができるという利点があり、接合の微細化に
適している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した従来のジョセフソン接合素子の作製においては
、第２の超伝導体電極３５はホトレジストを用い九り７
トオフ法によってパターニングされている。ところが接
合領域はホトレジストパターン寸法ｆ＃度が低下する段
差部の側面にあるため第２の超伝導体電極の幅ｔの精度
が低くなるという欠点があった。特に、Ｌが微小に力る
に従ってこの寸法精度や寸法均一性の悪さが顕著になる
。

この場合はリフトオフ法について述べたが第２の超伝導
体電極３５をホトレジストをマスクとしたエツチング法
で形成する場合も全く同じである。

接合面積の高精度規定はジョセフソン接合素子の臨界電
流の制御に最も重要なものの一つである。

従来の接合素子の製造方法では接合微細化のためにｔを
微小化すると、ｔの精度の悪さに起因する臨界電流の設
置ｉ値からのずれや均一性の悪さが無視できなくなり、
荷に多数の微細接合素子を用いた集積回路の製造には重
大な欠点となっていた。

本発明は、このような従来の欠点を取除き、臨界ｔａを
設計どおり均一に制御できる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。

〔問題点を解決する九めの手段〕

第１の発明のジョセフソン接合素子の製造方法は、基板
上に第１の超伝導体電極を形成する工程と、前記基板上
の前記第１の超伝導体電極の形成されていない領域に第
１の超伝導体電極と向じ膜厚の第１の絶縁体層を形成す
る工程と、垂直な側面を有する第２の絶縁体層をその端
部が第１の超伝導体電極と交差するように前記第１の超
伝導体電極および第１の絶縁体層上に形成する工程と。

少くとも前記第１の超伝導体電極の露出表面にトンネル
障壁ＮＩを形成する工程と、前記基板全面に第２の超伝
導体層全形成する工程と、前記基板全面に異方性エツチ
ングを施すことによって前ＥＷＪ２の絶蒜体層の側面に
付着した部分以外の前記第２の超伝導体＃を除去１°る
工程とを含んで構成される。

第２の発明のジョセフソン接合素子の製造方法は基叡上
に第１の超伝導体電極を形成する工程と。

前記基板上の前記第１の超伏４体′ＩＩＬ極の形成され
ていない領域に第１の超伝導体電極と同じ膜厚の第１の
絶縁体層を形成する工程と、垂直な側面を有する第２の
絶縁体層をその端部が第１の超伝導体電極と交差するよ
うに前記第１、の超伝導体電極および第１の絶縁体層上
に形成する工程と、少くとも前記第１の超伝導体電極の
露出表面にトンネル障壁層を形成する工程と、前記基板
全面に第２の超伝導体層と第３の絶縁体層を順次形成す
る工程と、前記基板全面に異方性エツチングを施するこ
とによって前記第２の絶縁体層による段差部側面に付着
した部分以外の第３の絶縁体ＮＩを除去する工程と、残
された前記第３の絶縁体層をマスクとして前記第２の絶
縁体層の側面に付着した部分と前記第３の絶縁体層で覆
われた部分以外の第２の超伝導体ｍｔ除去する工程とを
含んで構成される。

〔作用〕

次に、第１の発明の作用を実施例を説明する図面に従っ
て説明する。

第１図（ａ）〜（ｄ）は第１の発明の一実施例を説明す
る為の工程順に示したテップの断面図である。また、第
１ｍａ’）ｍ１図（ｄ）の平面図である。

まず、第１１’Ｎ（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上に第１の超伝導
体電極１２を形成し１次に第１の超伝導体Ｎ！１１２の
上面のみが露出するように第１の超伝導体層１２と同一
膜厚の第１の絶縁体層１３を形成する。

次に第１図（ｂ）に示すように垂直な側面を有する第２
の絶縁体ｍ１ｌ−形成する。次に、第１図（ｅ）に示す
ように、少くとも第１の超伝導体層１２上のジョセフソ
ン接合を形成する領域にトンネル障壁層１５を形成し、
続ｖ１て全面に第２の超伝導体層１６を形成する。

次に第１■（ｄ）に示すように、全面に異方性エツチン
グを施すことによって第２の超伝導体）１１６の第２の
絶＊Ｉ４虐１４の側面に付着した部分を残して５１４２
の超伝導体１麹１６を除去することができる。続いて、
第２の超伝導体ｌ１１６の不豐な部分を除去することに
よって１本発明の製造方法によるジョセフソン接合素子
が得られる。

第１図（ｄつは第１南（ｄ）に示し次接合素子を上から
ｙ、た平面図である。第１図（ｄｌ、　　（ｄりに示す
ように、暢ｔの第１の超伝導体電極１２と幅りの第２の
超伝導体層１６が交差して、トンネル障壁層１５を介し
て接し、ｔｘｈの接合領域１７が規定される。

第２の超伝導体層１６の輻りは、第２の絶縁体層１４の
側面が垂直に形成され、かつ第１図ｔｄ）の工程での第
２の超伝導体Ｎ１１６のニップフグ法として充分に異方
性でかつ被エツチング物の再付着の影響のないものを選
べばｈｉｊ第２の絶縁体層１４の側面に被着された第２
の超伝導体層１６の膜厚で決められる。従って従来例と
四様に充分に微小な第２の超伝導体層の幅を高ａ度で制
御できる。

また、本第１の発明の接合素子では従来例と異り゛て慶
合Ｉｌｔ＆ｔを決める第１の超伝導体を極１２は平坦な
基板上に形成できるため、そのバターニングのためのホ
トレジストの寸法摺度も格段に向上する。特にｔが微小
になるほど本絹１の発明の効果は顕著になる。

次に、第２の発明の作用を実施例を説明する図面に従っ
て説明する。

第２図（ＪＬ）〜（ｅ）は第２の発明の一実施例を説明
する為の工程順に示したチップの断面図である。また８
Ｊ２図（ｅりは第２図（ｅ）の平面図である。

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＃を有する基板１１上に第１の超伝導体電
極１２を形成し、ｖｃに第１の超伝導体層１２の上面の
みが露出するように第１の超伝導体１ｉ＃１２と同一膜
厚の第１の絶縁体層１３を形成する。

次に、第２図（ｂｌに示すように垂直な側面を有する第
２の絶縁体＃１４を形成する。次に第２図（ｃｌに示す
ように、少くとも第１の超伝導体層１２上のジョセフソ
ン接合を形成する領域にトンネル障壁層１５を形成し、
続いて全面に第２の超伝導体層１６を形成し、さらに全
面に第３の絶縁体層２０を形成する。

次に第２図（ｄ）に示すように、全面に異方性エツチン
グを施すことによって、第２の超伝導体ｒ傾１６によっ
て覆われた第２の絶縁体層１４の側面に付着した部分以
外の第３の絶縁体１ｔ＋２０を除去する。

乾いてｗ、２図（ｅｌに示すように、側面に残した第３
の絶縁体層２０をマスクにして、８ｇ２の超伝導１体／
１１６のマスクの下の部分と第２の絶縁体層１４のｆｌ
ｌｌ１面に付層した部分を除いた他の部分を完全にエツ
チング除去する。続いて第３の絶縁体層２０の不要な部
分および第２の超伝導体ｔ６１６の不要な部分全選択的
にエツチング除去することで不発明の製造方法によるジ
ョセフソン接置素子が得られる。

落２図（ｅりは第２因（ｅ）に示した接合素子を上から
見九平面図でおる。第２図（ｅ）（ｅりに示すように、
幅ｔの第１の超伝導体電極１２と幅りの第２の超伝導体
層１６が反差してトンネル障壁層１５を介して接し、ｔ
Ｘｈの接合領域２７が規定される。

８ｇ２の超伝導体１−１６の幅りは、第２の絶縁体層１
４の側面が垂直に形成され、かつ第２図（ｄ）の工程で
の＠３の絶縁体層２０お工び第２の超伝導体層１６のエ
ツチングが充分に異方性であれば幅りは第２の絶縁体１
１１４の側面に被層された８ｇ２の超伝導体層１６と第
３の絶縁体１ｉ１２０の膜厚の和で決められるので従来
例と同様に充分に微小な第２の超伝導体層の幅を高精度
で箭ｊ御できる。

さらに本絹２の発明は、ｈが微小寸法のなかでは比較的
大きい寸法の場合に有効である。第３０Ｍ１２社本１１
２０全形ルせずに第２の超伝導体層１６のみで接合領域
を規定する場合、ｈを比較的大きくしようとすると第２
の超伝導体＃１６の膜厚もノ４くなるためエツチング時
間も長くなり、異方性の強いエツチング条件を採用して
も等方性の要素１によってｈｇ）ｒＪｉｌ、少ｔさける
ことが困難となる。ところが本絹２の発明によれば、Ｗ
Ｊ３の絶縁体層２０の膜厚は薄くてすむためエツチング
時間が短く幅の減少も小さい。さらに、このＡ１ｆ２０
　’にマスクとしての第２の超低４体層１６のエツチン
グにおいて、第３の絶縁体層２０に対するエツチング速
度比の大きい条件を選ぶことでマスク幅の減少を防げる
ので寸法制御は容易になる。さらに第２の超１伝導体鴎
１６のエツチング条件において異方性が不充分な場合に
特に第２の発明の効果は大きい。

従って、第２の超伝導体２６の材料およびエツチング条
件の選択の幅も広くなる。

また１本＠２の発明の接合素子では従来例と異って接合
幅ｔを決める第１の超伝導体電極１２は平坦な基板上に
形成できるため、そのパターニングのためのホトレジス
トの寸法積度も格段に向上する。゛特にｔが微小に１”
Ｊるほど本Ｉ！２の発明の効果は罐１著になる。

〔実施例〕

次に第１の発明の一実施例を説明する。

まず、第１図ｔ８）に示すように１表面を熱酸化二酸化
硅素（ＳｉＯ□）で被櫟したシリコン（Ｓｔ）からなる
基＆１１上に、ニオブ（Ｎｂ）あるいはＮｂ化合物の厚
さ２００ｎｍの薄膜全真空装漸法あるいはスパッタ法に
よって形成し、通常のホトレジスト工程とＣＦ、をエツ
チングガスとして用いた反応性イオンエツチング法（Ｒ
ＩＥ）でパターニングして第１の超伝導体電極１２を形
成する。このとき、接合を形成する領域の第１の超伝導
体電極の幅は。

所壁の接合幅ｔになるようにパターニングする。

続いて、アルミナ（九６０３）膜をｚｏｏｎｍ＆着し。

第１の超伝導体電極のパターニングに用いたホトレジス
ト工程用いたリフトオフ法でパターニングすることで第
１の超伝導体電極１２を形成していない基板１１０表面
に第１の絶縁体ｊ！１１３’？形成する。

次に第１図（ｂ）に示すように、基板全面に厚さ５００
ｎｍのＳｔＯ，膜をスパッタ法あるいはＣＶＤ法等で成
膜し、接合形成予定領域に接するように通常のホトレジ
スト工程とＣＦ４をエツチングガスとして用いたＲＩＥ
法によって異方性の強い条件でＳｉＯ２膜をエツチング
して垂直な側面をもつ第２の絶縁体層１４を形成する。

次に第１図（ｅ）に示すように５８Ｉ４１の超伝導体１
２の表面を熱酸化法あるいはプラズマ酸化法で酸化し厚
さ数ｎｍのトンネル障壁層１９ヲ形成し、続いて第２の
超伝導体層１６として厚さ２００ｎｍのＮｂ膜またはＮ
ｂ化合物膜を蒸着法、スパッタ法等の段差被梼のよい成
膜法で第２の絶縁体層１４の側面にも付層するように形
成する。

次に、第１図（ｄ）に示すように水素（Ｈ２）ガスを含
んだＣＦ、にエツチングガスとして用いたＲＩＥ法のよ
うな異方性の強いエツチング法で全面にエツチングを施
すことで第２の絶縁体層１４の側面に付着した第２の超
伝導体層１６の膜厚をほとんど変えずにそれ以外の第２
の超伝導体Ｎ１６をエツチング除去する。続いて、第２
の超伝導体層１６の不要部分を通常のホトエツチング法
等で除去することで微小寸法の接合素子が得られる。

この実施例によればｔを１μｍとすれば第１図（ｄりに
示すよりに約０．２μｍ（ｈ）ｘ１μｍ（４の微小接合
領域１７が得られる。ご仁で第１の超伝導体しｑ− 電極１は平坦な基板上に形成できるので従来例より格段
にｔの寸法精度が向上し、またｈは第２の絶縁体／１１
４の側面に被着せしめた第２の超伝導体ｆｆ１１６０膜
厚によってきめられるため微小寸法であるにもかかわら
ず高精度“の制御が可能となる。

なお、この実施例では第２の超伝導体Ｎ１１６としてＮ
ｂ膜又はＮｂ化合物膜こツチング方法としてＨ，ガスを
含んだＣＦ４をエツチングガスとして用いたＲＩＥ法を
選んだが、サイドエッチや被エツチング材料の再付着等
によるｈの変動の小さい超伝導材料とエツチング法の他
の組合せが可能である。

次に第２の発明の一実施例を説明する。

まず、第２図（ａｌに示すように１表面を熱酸化二酸化
硅素（８１０，）で被覆したシリコン（ＳＬ　）からな
る基板１１上に、ニオブ（Ｎｂ）あるいはＮｂ化合物の
厚さ２００ｎｍの薄膜を真空蒸着法あるいはスパッタ法
によって形成し１通常のホトレジスト工程とＣＦ、ｔエ
ツチングガスとして用いた反応性イオンエツチング法（
ＲＩＥ）でパターニングして第１の超伝導体電極１２を
形成する。このとき。

接合を形成する領域の第１の超伝導体電極の暢は。

所望の接合＃ｉ！ｔになるようにパターニングする。

絖いて、アルミナＣＡｔ、Ｏ，）膜ｆｔ２００ｎｍ蒸着
し。

第１の超伝導体電極１２のパターニングに用いたホトレ
ジストを用いたリフトオフ、法でパターニングすること
で第１の超伝導体電極１２を形成していない基板１１０
表面に第１の絶縁体＃１３を形成する。

次に第２図ｔｂ）に示すように、基板全面に厚さ５００
ｎｍのｓｉｏ、膜をスパッタ法あるいはＣＶＤ法等で成
膜し、接合形成予定領域に接するように通常のホトレジ
スト工程とＣＦ、をエツチングガスとして用い次ＲＩ　
Ｅ法によって異方性の強い条件でＳｉｎ、膜をエツチン
グして垂直な側面をもつ第２の絶縁体Ｆ−１４を形成す
る。

次に第２図（Ｃ）に示すように、第１の超伝導体１２の
表面を熱酸化法あるいはプラズマ酸化法で酸化し厚さ数
ｎｍのトンネル障壁／１１５を形成し、続いて第２の超
伝導体／１１６として厚さ２００　ｎｍのＮｂ膜または
Ｎｂ化合物膜を蒸看法、スパッタ法等の段差被覆のよい
成膜法で第２の絶縁体層１４の側面にも付着するように
形成する。絖いて、スパッタ法にエフで第３の絶縁体ｒ
ｆ１２０である厚さ２００ｎｍのＳｉｎ、　膜１ｆｇ成
ｆる。

次に、第２図（ｄ）に示すように、Ｈ，ガスを含んだＣ
Ｆ、をエツチングカスとして用いたＲＩＥ法のような異
方性の強いエツチング法で全面にエツチングを施すこと
で第２の絶縁体／１１４の段差部に付清し次第３の絶縁
体層２ｏの膜厚をほとんど変えずにそれ以外の第３の絶
縁体４２０をエツチング除去できる。

次に第２図（ｅ）に示すように第３の絶縁体層２゜をマ
スクにして第２の超伝導体＃１６のマスクの下の部分と
第２の絶縁体層１４の側面に付着した部分を除いた他の
部分を完全にエツチング除去する。このエツチングには
微量の酸素（０オ）ガスを含むＣＦ、をエツチングガス
とするＲＩＥ法によって行り。続いて、第３の絶縁体４
２０の不要部分と第２の超伝導体／１ｉ１６の不要部分
を除去することで微小寸法の接合が得られる。

この実施例によればｔを１μｍとすれば第２図（０勺に
示すように約０．４μｍ（ｈ）ｘ１μｍ＜４の微小接合
領域２７が得られる。ここで、第１の超伝導体電極１２
は平坦な基板上に形成できるので従来例より格段にｔの
寸法精度が向上し、またｈｆ′ｉ第２の絶縁体層１４の
側面に被層した第２の超伝導体層１６の膜厚と第３の絶
縁体層２ｏの膜厚によってきめられるため微小６寸法で
あるにもかがわらず高精度の制御が可能となる。さらに
、この実施例によれは第３の絶縁体層２０であるＳ１０
．膜のエツチングには異方性の強いＣＦ、　＋Ｈ倉ガス
を用いたＲＩＥ法を採用し、第２の超伝導体層１６であ
るＮｂ膜あるいはＮｂ化合物膜のエツチングにはＳ；Ｏ
＊に対してエツチング速度を大きくとれるＣＦ４＋Ｏ。

ガスを用いたＲＩＥ法を採用することができ、さらに０
．４μｍのｈを得るためにＮｂ又はＮｂ化合物膜とｓ’
＋ｏ＊＠の膜厚はそれぞれ２００ｎｍですむことから寸
法りの制御精度は一段とよくなる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のジ曹セフノン接合素子の
製造方法によればジ冒セフソン接合領域の幅ｔの規定を
平担な基板上で行えるため寸法精度が格段に向上する。

また幅りは第２の絶縁体層側面の第２の超伝導体層の膜
厚又は第２の超伝導体層と第３の絶縁体層の膜厚の和で
規定されるため高精度の微小寸法規定が行える。従って
、微細接合を有する接合素子の臨界を流を設計どお＃）
Ｋ均一に制御することができるようＫなシ、特に多数の
微細接合素子によって構成される集積回路の＆Ｉ造にき
わめて有効となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は第１の発明の一実施例の製造方
法ｗｂ明するための主要工程におけるテップの断面図、
第１図（ｄりは第１図（ｄ）の平面図、婬２図（ａ）〜
（ｅ）は第２の発明の一実施例を説明するための主１１
・・・・・・基板、１２・・・・・・第１の超伝導体電
極。 １３・・・・・・第１の絶縁体層、１４・・・・・・第
２の絶縁体層、１５・・・・・・トンネル障壁層、１６
・・・・・・第２の超伝導体／＠、１７・・・・・・接
合領域、２０・・・・・・第３の絶縁体層、２７・・・
・・・接合憤域、３１・旧・・基板、３２・・・・・・
第１の超伝導体電極、３３・・・・・・絶縁体層。 ３４・・・・・・ト／ネル障壁層、３５・・・・・・第
２の超伝導体電極。 代理人　弁理士　　内　原　　晋 牛２回 賓 茅３剖 手続補正書く方式） ％式％ １、事件の表示　昭和６１年特許願第５６１６７号２、
発明の名称　ジョセフソン接合素子の製造方法３、補正
をする者 事件との関係　　　　　　　出　願　人東京都港区芝五
丁目３３番１号 （４２３）　　日本電気株式会社 代表者　関本忠弘 ４、代理人 〒１０８東京都港区芝五丁目３７番８号住友三田ビル （連絡先　日本電気株式会社　特許部）５、補正の対象 ５．１明細書の発明の詳細な説明の捕及び図面の簡単な
説明の欄 ５．２図面 ６、補正の内容 ６．１明細書 （＋）明細書の７頁２０行、８頁２０行、９頁１行。 １５頁１１行及び２０頁６行のｒ（ｄ’）＋を’（ｅａ
ｌと訂正する。 （２）明細書の１０頁４行、１１頁１１行、１１頁１２
行、１８頁１４行及び２０頁８行のｒ（ｅ’）＋を［（
「）Ｊと訂正する。 ６．２図面 図面の［第１図（ｄ’）」及び［第２図（ｅ’）＋を別
紙未配の通り「第１図（ｅ）＋及び「第２図（ｒ）ｊと
訂正する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に第１の超伝導体電極を形成する工程と、
   前記基板上の前記第１の超伝導体電極の形成されていな
   い領域に第１の超伝導体電極と同じ膜厚の第１の絶縁体
   層を形成する工程と、垂直な側面を有する第２の絶縁体
   層をその端部が第１の超伝導体電極と交差するように前
   記第１の超伝導体電極および第１の絶縁体層上に形成す
   る工程と、少くとも前記第１の超伝導体電極の露出表面
   にトンネル障壁層を形成する工程と前記基板全面に第２
   の超伝導体層を形成する工程と、前記基板全面に異方性
   エッチングを施すことによって前記第２の絶縁体層の側
   面に付着した部分以外の前記第２の超伝導体層を除去す
   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の超伝導体電極を形成する工程と、
   前記基板上の前記第１の超伝導体電極の形成されていな
   い領域に第１の超伝導体電極と同じ膜厚の第１の絶縁体
   層を形成する工程と、垂直な側面を有する第２の絶縁体
   層をその端部が第１の超伝導体電極と交差するように前
   記第１の超伝導体電極および第１の絶縁体層上に形成す
   る工程と、少くとも前記第１の超伝導体電極の露出表面
   にトンネル障壁層を形成する工程と、前記基板全面に第
   ２の超伝導体層と第３の絶縁体層を順次形成する工程と
   、前記基板全面に異方性エッチングを施すことによって
   前記第２の絶縁体層による段差部側面に付着した部分以
   外の第３の絶縁体層を除去する工程と、残された前記第
   ３の絶縁体層をマスクとして前記第２の絶縁体層の側面
   に付着した部分と前記第３の絶縁体層で覆われた部分以
   外の第２の超伝導体層を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。