JPS6257274B2 - - Google Patents
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- JPS6257274B2 JPS6257274B2 JP56128439A JP12843981A JPS6257274B2 JP S6257274 B2 JPS6257274 B2 JP S6257274B2 JP 56128439 A JP56128439 A JP 56128439A JP 12843981 A JP12843981 A JP 12843981A JP S6257274 B2 JPS6257274 B2 JP S6257274B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
- H10N60/0912—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
本発明は安定したトンネルバリア層を有するト
ンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法に関す
る。 トンネル形ジヨセフソン接合素子は基本的に基
板（Siやサフアイヤ等）上に下地電極（超伝導
体）がありその上に電気的に絶縁性のトンネルバ
リア層があり、更にその上に上部電極（超伝導
体）のある構造をしている。このトンネルバリア
層は20〜50Åと非常に薄い絶縁膜であり、素子特
性を大きく左右する。たとえばトンネルバリア層
の膜厚が１割変動するとトンネルバリア層を流れ
るジヨセフソン電流は１桁変動する。またトンネ
ルバリアの物質や品質が素子特性に大きな影響を
及ぼす。このため良質のバリア層を制御性よく形
成する方法を開発することは素子の信頼性、歩留
りの向上の点からも重要であり、トンネルバリア
層の形成は素子作製工程の中で最も重要な製造工
程となる。一般にトンネル形ジヨセフソン接合素
子の製造工程は下地電極薄膜形成（Pbあるい
はPb合金，Nb，NbN，A15型化合物）パター
ン形成トンネルバリア層形成上部電極形成に
大別できる。のトンネルバリア層の形成には形
成法により二通りの方法がある。一つはパターン
形成後の下地電極を直接酸化（プラズマ酸化、自
然酸化）して所定のバリア層を形成する方法であ
り、他は下地電極上に下地電極とは異つたAlやSi
等を蒸着あるいはCVD等により形成（数10Åの
厚さ）し、それを酸化してトンネルバリア層とす
る方法である。前者はトンネルバリア層の厚さを
制御しやすいが下地電極の種類によつて定まつた
バリア物質しか得られないことになる。一方後者
は下地電極とは異種のAlやSi等を下地電極上に形
成し酸化することによつて誘電率の小さなAl2O3
やSiO2バリアを形成する方法であるがAlやSiの
極薄膜の膜厚制御が容易でない。このようにバリ
ア層の形成法の双方に一長一短がある。バリア層
の膜厚の制御性に重点を置いた場合下地電極を直
接酸化してバリア層を形成するがNbやNb化合物
においてはバリア物質の品質が問題となる。問題
点に次のようなものが存在する。１つはNbを酸
化した場合主に生成されるのはNb2O5であるがそ
の他金属性のNb―Ｏ化合物が形成されやすくバ
リア物質として品質が悪い。たとえNb2O5で完全
なバリアを形成したとしても誘電率が大きく（ε
＝30〜60）素子が作製されたとしても高速スイツ
チングができない欠点を持つ。２番目の問題点は
Nbが非常に酸化されやすく、高Tc（約15K以
上）を示す化合物薄膜を酸化した場合、酸化物バ
リアはほとんどNb系酸化物でありこのバリアは
１番目の問題点を含みNb化合物を酸化しても必
ずしも良好なバリア層を形成できない。そこで
Nbよりも酸化性の強い元素を含む高Tc化合物を
下地電極に用いればよいが要求に応えられるよう
な高Tc化合物は存在しない。Nbに近い酸化性の
元素としてはAlが存在するのみである。Nb3Alは
15K以上の高臨界温度を示す優れた材料であるが
Nbの方がわずかに酸化物の生成エネルギーが小
さくこのためバリア層中のほとんどがNb2O5，
Nb―Ｏとなり高品質のバリアが実現できない欠
点を有していた。 また通常下地電極の直接酸化の前に工程中に自
然酸化された汚染皮膜の除去を行うがArのみに
よるスパツタでは安定放電をさせると周囲からの
バツクスパツタによる汚染が無視できずさらに
Nb―Al薄膜に対してはNbとAlのスパツタレート
の差により表面にNb―rich層（Nb含有量の多い
層）が形成されNb2O5，Nb―Ｏを中心としたバ
リアが形成されてしまうという欠点を有してい
た。 Nb―Al化合物薄膜の直接酸化ではNb系酸化物
バリアが形成されるが本発明ではこれら品質の悪
い酸化物バリアを避けるためトンネルバリア層形
成前にNb―Al超伝導薄膜をHe，Ne，Arの２種
以上の混合ガスにCF4を加えた混合ガスを用いて
0.1〜0.005Torrのガス圧でスパツタエツチするこ
とにより、これらのガスによるNb，Alのスパツ
タ速度の差を利用することによつて表面層数10Å
にわたりAl―rich層を形成しその後直接酸化によ
り低誘電率でかつ品質の良好なAl2O3バリアを形
成することを特徴としその目的は信頼性の高い高
速スイツチング可能なトンネル形ジヨセフソン接
合素子を提供することにある。 フオトエツチング工程を用いてトンネル形ジヨ
セフソン接合素子を作製する場合下地電極のパタ
ーニング時にはNb―Al表面がレジスト、酸、ア
ルカリにより汚染され、あるいは大気中の酸素を
吸着することによつて下地電極表面は酸化皮膜で
被れている。このためトンネルバリア層を形成す
る前にArガス中でスパツタクリーニング処理を
行う。この処理はPbやNb接合素子において従来
より行われているが、この方法をNb―Al化合物
薄膜に適用した場合必ずしも優れたバリアを形成
できない。NbとAlをArガス中でスパツタした場
合のスパツタ収量（atoms／ion）は600Vで２倍
程度異なりAlの方がNbよりもスパツタされやす
くスパツタ後の表面は薄膜形成時の組成よりも
Nb―richとなつてしまう。このためArスパツタ
クリーニング後酸化すると品質の悪い多量のNb
系酸化物を含むバリア層が形成されることにな
る。しかも0.01torr以上でのrf放電では周辺から
のバツクスパツタにより逆に下地電極表面を汚染
するので0.005torr以下でのrf放電が望ましいが長
時間の安定放電は難しい。以上Arによるスパツ
タクリーニングはNb―Al薄膜に関する限りトン
ネルバリア層形成の目的からは悪影響を及ぼす。
そこでNb―Al薄膜において品質のよいAl2O3バリ
アを形成するためには酸化前に清浄なAl―richの
表面層を生じさせることが必要である。この清浄
なAl―richの表面層を形成するためにはHe，Ne
等のスパツタ収量の小さなガスを用いてバツクス
パツタを防止しつつ安定放電を確保しNbに対し
てスパツタ速度の大きくAlを全くエツチしない
CF4さらにArを適量加えた混合ガスでスパツタ
すればよいことになる。表１はHe，Ne，Arの１
次イオンエネルギ300eVに対するAl，Nbのスパ
ツタ収量である。この表から明らかなように
He，NeはArよりスパツタ収量が小さくガス圧を
上げて放電を安定化させてもスパツタ速度の制御
性は何ら劣化しない。またバツクスパツタを軽減
化でき清浄な表面を得るのに役立つ。表２はCF4
ガスに対する50W印加時のNbとAlのスパツタ速
度である。この表から明らかなようにCF4ガスに
おいてはAlはほとんどスパツタされずNbは著し
くスパツタされる。このCF4ガスの作用によつて
Nb―Al薄膜の表面層は数10ÅにわたりAl―rich
の層となる。このAl―richの表面層を持つ薄膜を
酸化すると低誘電率（ε＝11）のAl2O3を主成分
とした品質のよいトンネルバリア層が形成される
ことになる。
ンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法に関す
る。 トンネル形ジヨセフソン接合素子は基本的に基
板（Siやサフアイヤ等）上に下地電極（超伝導
体）がありその上に電気的に絶縁性のトンネルバ
リア層があり、更にその上に上部電極（超伝導
体）のある構造をしている。このトンネルバリア
層は20〜50Åと非常に薄い絶縁膜であり、素子特
性を大きく左右する。たとえばトンネルバリア層
の膜厚が１割変動するとトンネルバリア層を流れ
るジヨセフソン電流は１桁変動する。またトンネ
ルバリアの物質や品質が素子特性に大きな影響を
及ぼす。このため良質のバリア層を制御性よく形
成する方法を開発することは素子の信頼性、歩留
りの向上の点からも重要であり、トンネルバリア
層の形成は素子作製工程の中で最も重要な製造工
程となる。一般にトンネル形ジヨセフソン接合素
子の製造工程は下地電極薄膜形成（Pbあるい
はPb合金，Nb，NbN，A15型化合物）パター
ン形成トンネルバリア層形成上部電極形成に
大別できる。のトンネルバリア層の形成には形
成法により二通りの方法がある。一つはパターン
形成後の下地電極を直接酸化（プラズマ酸化、自
然酸化）して所定のバリア層を形成する方法であ
り、他は下地電極上に下地電極とは異つたAlやSi
等を蒸着あるいはCVD等により形成（数10Åの
厚さ）し、それを酸化してトンネルバリア層とす
る方法である。前者はトンネルバリア層の厚さを
制御しやすいが下地電極の種類によつて定まつた
バリア物質しか得られないことになる。一方後者
は下地電極とは異種のAlやSi等を下地電極上に形
成し酸化することによつて誘電率の小さなAl2O3
やSiO2バリアを形成する方法であるがAlやSiの
極薄膜の膜厚制御が容易でない。このようにバリ
ア層の形成法の双方に一長一短がある。バリア層
の膜厚の制御性に重点を置いた場合下地電極を直
接酸化してバリア層を形成するがNbやNb化合物
においてはバリア物質の品質が問題となる。問題
点に次のようなものが存在する。１つはNbを酸
化した場合主に生成されるのはNb2O5であるがそ
の他金属性のNb―Ｏ化合物が形成されやすくバ
リア物質として品質が悪い。たとえNb2O5で完全
なバリアを形成したとしても誘電率が大きく（ε
＝30〜60）素子が作製されたとしても高速スイツ
チングができない欠点を持つ。２番目の問題点は
Nbが非常に酸化されやすく、高Tc（約15K以
上）を示す化合物薄膜を酸化した場合、酸化物バ
リアはほとんどNb系酸化物でありこのバリアは
１番目の問題点を含みNb化合物を酸化しても必
ずしも良好なバリア層を形成できない。そこで
Nbよりも酸化性の強い元素を含む高Tc化合物を
下地電極に用いればよいが要求に応えられるよう
な高Tc化合物は存在しない。Nbに近い酸化性の
元素としてはAlが存在するのみである。Nb3Alは
15K以上の高臨界温度を示す優れた材料であるが
Nbの方がわずかに酸化物の生成エネルギーが小
さくこのためバリア層中のほとんどがNb2O5，
Nb―Ｏとなり高品質のバリアが実現できない欠
点を有していた。 また通常下地電極の直接酸化の前に工程中に自
然酸化された汚染皮膜の除去を行うがArのみに
よるスパツタでは安定放電をさせると周囲からの
バツクスパツタによる汚染が無視できずさらに
Nb―Al薄膜に対してはNbとAlのスパツタレート
の差により表面にNb―rich層（Nb含有量の多い
層）が形成されNb2O5，Nb―Ｏを中心としたバ
リアが形成されてしまうという欠点を有してい
た。 Nb―Al化合物薄膜の直接酸化ではNb系酸化物
バリアが形成されるが本発明ではこれら品質の悪
い酸化物バリアを避けるためトンネルバリア層形
成前にNb―Al超伝導薄膜をHe，Ne，Arの２種
以上の混合ガスにCF4を加えた混合ガスを用いて
0.1〜0.005Torrのガス圧でスパツタエツチするこ
とにより、これらのガスによるNb，Alのスパツ
タ速度の差を利用することによつて表面層数10Å
にわたりAl―rich層を形成しその後直接酸化によ
り低誘電率でかつ品質の良好なAl2O3バリアを形
成することを特徴としその目的は信頼性の高い高
速スイツチング可能なトンネル形ジヨセフソン接
合素子を提供することにある。 フオトエツチング工程を用いてトンネル形ジヨ
セフソン接合素子を作製する場合下地電極のパタ
ーニング時にはNb―Al表面がレジスト、酸、ア
ルカリにより汚染され、あるいは大気中の酸素を
吸着することによつて下地電極表面は酸化皮膜で
被れている。このためトンネルバリア層を形成す
る前にArガス中でスパツタクリーニング処理を
行う。この処理はPbやNb接合素子において従来
より行われているが、この方法をNb―Al化合物
薄膜に適用した場合必ずしも優れたバリアを形成
できない。NbとAlをArガス中でスパツタした場
合のスパツタ収量（atoms／ion）は600Vで２倍
程度異なりAlの方がNbよりもスパツタされやす
くスパツタ後の表面は薄膜形成時の組成よりも
Nb―richとなつてしまう。このためArスパツタ
クリーニング後酸化すると品質の悪い多量のNb
系酸化物を含むバリア層が形成されることにな
る。しかも0.01torr以上でのrf放電では周辺から
のバツクスパツタにより逆に下地電極表面を汚染
するので0.005torr以下でのrf放電が望ましいが長
時間の安定放電は難しい。以上Arによるスパツ
タクリーニングはNb―Al薄膜に関する限りトン
ネルバリア層形成の目的からは悪影響を及ぼす。
そこでNb―Al薄膜において品質のよいAl2O3バリ
アを形成するためには酸化前に清浄なAl―richの
表面層を生じさせることが必要である。この清浄
なAl―richの表面層を形成するためにはHe，Ne
等のスパツタ収量の小さなガスを用いてバツクス
パツタを防止しつつ安定放電を確保しNbに対し
てスパツタ速度の大きくAlを全くエツチしない
CF4さらにArを適量加えた混合ガスでスパツタ
すればよいことになる。表１はHe，Ne，Arの１
次イオンエネルギ300eVに対するAl，Nbのスパ
ツタ収量である。この表から明らかなように
He，NeはArよりスパツタ収量が小さくガス圧を
上げて放電を安定化させてもスパツタ速度の制御
性は何ら劣化しない。またバツクスパツタを軽減
化でき清浄な表面を得るのに役立つ。表２はCF4
ガスに対する50W印加時のNbとAlのスパツタ速
度である。この表から明らかなようにCF4ガスに
おいてはAlはほとんどスパツタされずNbは著し
くスパツタされる。このCF4ガスの作用によつて
Nb―Al薄膜の表面層は数10ÅにわたりAl―rich
の層となる。このAl―richの表面層を持つ薄膜を
酸化すると低誘電率（ε＝11）のAl2O3を主成分
とした品質のよいトンネルバリア層が形成される
ことになる。
【表】
【表】
以下に本発明の実施例について述べる。
実施例 １
Nb―25.1at％Al合金ターゲツト（100mmφ）を
用いてdcマグネトロンスパツタ法により熱酸化
膜を表面に有するSi基板（SiO2膜厚8000Å）上に
670℃の基板温度で10-1TorrのArガス中でスパツ
タして3500Åの下地電極薄膜を形成した。この薄
膜の超伝導臨界温度はTc＝16.5Kを示した。この
薄膜基板をレジストコート、露光，現像およびエ
ツチングから成るフオトエツチング処理してパタ
ーン幅20μｍの下地電極をSi基板上に形成した。
次にこれらの薄膜を有する基板を用いてトンネル
型の素子を作製した。すなわちパターンニングし
た下地電極を有する基板をArガス中
（10-2Torr）でスパツタ（Ｖpp＝600V，30分）し
て下地電極の表面をクリーニングしたのちAr―
４％O2ガス中でプラズマ酸化（Ｖpp＝400V，５
分）し、その後Pbの上部電極を形成して素子を
作製した。得られた素子のＶ―Ｉ特性は図―１に
示す様に主にブリツジ形の特性を示した。一方残
りの薄膜被覆基板をArガス中（10-2Torr）でス
パツタ（Ｖpp＝600V，10分）した後He―20％Ne
―50％CF4（10-2Torr）でスパツタ（Ｖpp＝
600V，２分）を行つた。その後Ar―２％O2ガス
中（10-2Torr）でプラズマ酸化（Ｖpp＝400V，
５分）し次いでPbの上部電極を形成して素子を
作製した。得られた素子のＶ―Ｉ特性は図―２に
示すトンネル形の特性を示した。この時のギヤツ
プ電圧は3.8mVであつた。 実施例 ２ 実施例１で下地電極をパターン形成した４枚の
Nb―Al薄膜被覆基板をHe―20％Ne―Ar―CF4ガ
スのAr，CF4の混合比を変化させてスパツタ
（10-2Torr，Ｖpp＝600V，10分）しその後Ar―４
％O2ガス中（10-2Torr）でプラズマ酸化（Ｖpp
＝400V，５分）を行い、Pbの上部電極を形成し
て素子を作製した。これら４種類の素子はいずれ
もトンネル形のＶ―Ｉ特性を示した。各条件で得
られた素子の特性を表―３に示す。
用いてdcマグネトロンスパツタ法により熱酸化
膜を表面に有するSi基板（SiO2膜厚8000Å）上に
670℃の基板温度で10-1TorrのArガス中でスパツ
タして3500Åの下地電極薄膜を形成した。この薄
膜の超伝導臨界温度はTc＝16.5Kを示した。この
薄膜基板をレジストコート、露光，現像およびエ
ツチングから成るフオトエツチング処理してパタ
ーン幅20μｍの下地電極をSi基板上に形成した。
次にこれらの薄膜を有する基板を用いてトンネル
型の素子を作製した。すなわちパターンニングし
た下地電極を有する基板をArガス中
（10-2Torr）でスパツタ（Ｖpp＝600V，30分）し
て下地電極の表面をクリーニングしたのちAr―
４％O2ガス中でプラズマ酸化（Ｖpp＝400V，５
分）し、その後Pbの上部電極を形成して素子を
作製した。得られた素子のＶ―Ｉ特性は図―１に
示す様に主にブリツジ形の特性を示した。一方残
りの薄膜被覆基板をArガス中（10-2Torr）でス
パツタ（Ｖpp＝600V，10分）した後He―20％Ne
―50％CF4（10-2Torr）でスパツタ（Ｖpp＝
600V，２分）を行つた。その後Ar―２％O2ガス
中（10-2Torr）でプラズマ酸化（Ｖpp＝400V，
５分）し次いでPbの上部電極を形成して素子を
作製した。得られた素子のＶ―Ｉ特性は図―２に
示すトンネル形の特性を示した。この時のギヤツ
プ電圧は3.8mVであつた。 実施例 ２ 実施例１で下地電極をパターン形成した４枚の
Nb―Al薄膜被覆基板をHe―20％Ne―Ar―CF4ガ
スのAr，CF4の混合比を変化させてスパツタ
（10-2Torr，Ｖpp＝600V，10分）しその後Ar―４
％O2ガス中（10-2Torr）でプラズマ酸化（Ｖpp
＝400V，５分）を行い、Pbの上部電極を形成し
て素子を作製した。これら４種類の素子はいずれ
もトンネル形のＶ―Ｉ特性を示した。各条件で得
られた素子の特性を表―３に示す。
【表】
実施例 ３
実施例１で下地電極をパターン形成した４枚の
Nb―Al薄膜被覆基板をHe―20％Ne―30％Ar―
20％CF4混合ガスのガス圧を変化させてスパツタ
（Ｖpp＝600V，10分）しその後Ar―４％O2ガス
中（10-2Torr）でプラズマ酸化（Ｖpp＝400V，
５分）を行いPbの上部電極を形成して素子を作
製した。これら４種類の素子はいずれもトンネル
形のＶ―Ｉ特性を示した。各条件で得られた素子
の特性を表―４に示す。
Nb―Al薄膜被覆基板をHe―20％Ne―30％Ar―
20％CF4混合ガスのガス圧を変化させてスパツタ
（Ｖpp＝600V，10分）しその後Ar―４％O2ガス
中（10-2Torr）でプラズマ酸化（Ｖpp＝400V，
５分）を行いPbの上部電極を形成して素子を作
製した。これら４種類の素子はいずれもトンネル
形のＶ―Ｉ特性を示した。各条件で得られた素子
の特性を表―４に示す。
【表】
作製した素子はいずれもトンネル形の特性を示
した。 以上説明したように本発明によればNb―Al超
伝導薄膜から成る下地電極をHe，Ne，Arのうち
少なくとも２種とCF2との混合ガス中で0.1〜
0.005Torrのガス圧でスパツタした場合、安定し
たrf放電を可能にしながらバツクスパツタによる
下地表面の汚染を防止できしかもCF4によるAlと
Nbのスパツタレートの差によつて薄膜表面にAl
―rich層が形成できる。この表面を酸化すれば誘
電率の低いAl2O3トンネルバリア層を形成するこ
とができ、安定した高速スイツチング素子を歩留
りよく製造できる利点がある。
した。 以上説明したように本発明によればNb―Al超
伝導薄膜から成る下地電極をHe，Ne，Arのうち
少なくとも２種とCF2との混合ガス中で0.1〜
0.005Torrのガス圧でスパツタした場合、安定し
たrf放電を可能にしながらバツクスパツタによる
下地表面の汚染を防止できしかもCF4によるAlと
Nbのスパツタレートの差によつて薄膜表面にAl
―rich層が形成できる。この表面を酸化すれば誘
電率の低いAl2O3トンネルバリア層を形成するこ
とができ、安定した高速スイツチング素子を歩留
りよく製造できる利点がある。
第１図は比較例のブリツジ形ジヨセフソン接合
素子のＶ―Ｉ特性を示すグラフ、そして第２図は
本発明のトンネル形ジヨセフソン接合素子のＶ―
Ｉ特性を示すグラフである。
素子のＶ―Ｉ特性を示すグラフ、そして第２図は
本発明のトンネル形ジヨセフソン接合素子のＶ―
Ｉ特性を示すグラフである。
Claims (1)
- １ 下地電極にNb―Al超伝導薄膜を用いたトン
ネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法におい
て、上記下地電極をHe，Ne，Arから選らばれた
二種以上のガスとCF4ガスとから成る混合ガス中
において0.1〜0.005Torrのガス圧でスパツタエツ
チングし、その後酸化してトンネルバリア層を形
成することを特徴とするトンネル形ジヨセフソン
接合素子の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56128439A JPS5830178A (ja) | 1981-08-17 | 1981-08-17 | トンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
| CA000405292A CA1168762A (en) | 1981-06-22 | 1982-06-16 | Method of fabrication for josephson tunnel junction |
| US06/390,116 US4412902A (en) | 1981-06-22 | 1982-06-18 | Method of fabrication of Josephson tunnel junction |
| FR8211126A FR2508237B1 (fr) | 1981-06-22 | 1982-06-22 | Procede pour la fabrication d'une jonction de josephson, notamment d'une jonction tunnel de josephson |
| NL8202511A NL190858C (nl) | 1981-06-22 | 1982-06-22 | Werkwijze voor het vervaardigen van een Josephson-tunnelovergang. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56128439A JPS5830178A (ja) | 1981-08-17 | 1981-08-17 | トンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5830178A JPS5830178A (ja) | 1983-02-22 |
| JPS6257274B2 true JPS6257274B2 (ja) | 1987-11-30 |
Family
ID=14984757
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56128439A Granted JPS5830178A (ja) | 1981-06-22 | 1981-08-17 | トンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5830178A (ja) |
-
1981
- 1981-08-17 JP JP56128439A patent/JPS5830178A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5830178A (ja) | 1983-02-22 |
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