JPS6258676B2 - - Google Patents
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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
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
〔発明の技術分野〕
本発明はトンネル形ジヨセフソン素子の作製方
法、特にそのトンネルバリア層を形成する方法に
関するものである。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 トンネル形ジヨセフソン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性能に大きく影
響する。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素子の製造工
程は下地電極薄膜形成（Pb、あるいはPb合
金、NbN、A15型化合物）パターン形成トン
ネルバリア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法には二通りの方
法がある。一つは下地電極表面上に下地電極とは
異なつた物質を数10Å形成しそれを酸化してトン
ネルバリア層とする方法であり、他はパターン形
成後の下地電極を直接酸化（プラズマ酸化又は自
然酸化）して、所定のバリア層を形成する方法で
ある。前者は下地電極とは異種のAlやSi等を蒸着
やCVD等の方法により形成し、その後酸化して
Al2O3やSiO2バリアを形成する方法であるが、Al
やSi等の異種物質の極薄膜を制御性良く形成する
ことは容易でない。一方、後者の方法では比較的
トンネルバリア層の制御は容易であると考えられ
るが、化合物素子においていまだ良好な素子特性
が得られていない。フオトプロセスを用いてジヨ
セフソン素子の集積化を行う場合、トンネルバリ
ア層の制御性は重要であり、下地電極を直接酸化
してトンネルバリアを形成する方が有利と考えら
れる。この直接酸化法ではすでに述べたように化
合物超伝導体を下地電極に用いた場合、従来の方
法ではいまだ良好なトンネル特性が得られていな
い。直接酸化法による従来の方法ではトンネルバ
リアを形成する前に下地電極表面の汚染皮膜の除
去を行う。この除去はArやN2によるガスイオン
により行われていた。このスパツタは物理的作用
によるエツチングでありスパツタ収量が本質的に
小さい。100〜200Åの汚染量の除去を行うために
は放電電圧を数100V以上にする必要があつた。
このため、清浄な表面が得られても表面に欠陥
（damage）が導入され素子特性を大きく劣化させ
る原因となつていた。特に、化合物薄膜の場合、
結晶性のみだれは超電導特性を著しく劣化させる
ため、わずかなダメージでもトンネル特性に大き
な影響を与え、従来法ではトンネル特性は得られ
ていず、信頼性や制御性迄の検討段階に至つてい
ない。Ｖ―Si、Nb―Ge、Nb―Ge―Al、Nb―
Sn、Nb―Sn―Bi、Nb―Ga、Nb―Ｎ、Nb―Ｃ―
Ｎ超伝導薄膜を下地電極としそれを直接酸化法に
よつて形成したトンネルバリアを利用した素子に
おいてはいまだ十分なトンネル特性が得られてい
ない状況にある。 〔発明の目的〕 本発明の目的は下地電極の表面を多くの欠陥を
導入することなくスパツタクリーニングすること
ができ、これによつて信頼性の高い良好な素子特
性を有するトンネル形ジヨセフソン素子を作成で
きる方法を提供することである。 〔発明の概要〕 上記目的はＶ―Si、Nb―Ge、Nb―Ge―Al、
Nb―Sn、Nb―Sn―Bi、Nb―Ga、Nb―Ｎ、又は
Nb―Ｃ―Ｎから成る超伝導薄膜を下地電極とし
て用い、これをCF4、C2F6、C3F8又はC4F10を含
有する単一ガス中あるいはCF4、C2F6、C3F8お
よびC4F6から選らばれた少なくとも２種以上を
含有する混合ガス中あるいは上記単一ガス又は混
合ガスにO2を添加したガス中においてスパツタ
クリーニングを実施した後、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
ヨセフソン素子の作製方法によつて達成される。
上記方法において、O2の添加量は30％以下であ
り、スパツタクリーニングは0.5〜0.005Torrのガ
ス圧下で実施されることが望ましい。なお、以下
の説明において上記単一ガスあるいは上記混合ガ
スを（CF）ガスと略称し、また上記単一ガスあ
るいは上記混合ガスにO2を添加したガスを
（CF）*ガスと略称する。 フオトプロセスによつて素子を作製する場合、
パターニングされた下地電極超伝導薄膜の表面は
レジスト、酸、アルカリあるいは酸化皮膜等によ
つて汚染されている。このため、下地電極を直接
酸化してトンネルバリア層（native oxide）にす
る場合、酸化前に汚染皮膜を除去するスパツタク
リーニングが行われる。このクリーニング後、酸
化が行われる。このバリア層形成前のスパツタク
リーニングはPbやNb系素子において従来より不
活性ガスのArやN2ガスにより行われている。こ
の不活性ガスによるスパツタ作用は物理的エッチ
ングであり下地電極表面に欠陥を発生させる。
NbやNb化合物、Ｖ化合物ではその超電導特性は
結晶性に著しく敏感であるためにこのような従来
のスパツタクリーニング法で作製した素子では特
性の良好なものは得られていない。例えばNb系
化合物の中で高い臨界温度Tcを示すNb―Ge、
Nb―Ge―Al等では非晶質Si極薄膜の異種物質の
酸化により作製したトンネルバリア層のみによつ
てトンネル特性が得られている。 Nb系化合物薄膜又はＶ―Si薄膜を下地電極と
して従来のArスパツタクリーニングを行い、そ
の後プラズマ酸化によつてトンネルバリアを形成
したジヨセフソン素子には２つの特徴がみられ
る。一つは、リークの大きなトンネル形の特性を
持つ素子が得られること他はほとんど同一条件で
作製したとしてもトンネルバリアの抵抗値が異な
ることであり、前者は素子性能が悪いことを意味
し、後者はバリアの制御性に問題があることを示
すものである。大きなリークを生ずる原因はバリ
ア層に接する下地電極表面の超伝導特性が劣化し
ていることでありこれはバリア層形成前のスパツ
タクリーニングによつて欠陥が導入されたことに
起因するものである。トンネルバリアの抵抗値の
変動原因は下地電極表面を不活性ガスによりスパ
ツタした清浄な表面が酸化のためのガス交換中に
自然酸化し、これが酸化膜の初期値となるため、
酸化時間のみでは制御できないためである。自然
酸化法でバリアを形成するとき、この初期酸化膜
の正確な評価が不可欠である。この初期酸化膜は
ガス導入の際の酸素濃度や放置時間により異なり
正確な評価が難しい。一方、Ar＋O2混合ガスに
よるプラズマ酸化法では放電により酸化が進行す
る現象と、Arイオンによるスパツタによつて酸
化皮膜が取り除かれる現象が同時に生じ、ある材
質に対しては酸素濃度、ガス圧、放電電圧を選べ
ばトンネル特性に必要な適切な酸化膜厚を容易に
実現できる。Pb合金超伝導体においてはこの方
法により信頼性の高いバリアが形成されている。
このようなある一定の酸化膜厚で放電がつりあつ
ているプラズマ酸化においては初期酸化膜の存在
は無視できることになる。ところがNb系化合物
超電導体又はＶ―Si超電導体においてはスパツタ
速度よりわずかに酸化速度が大きい。このため
200V前後の低電圧では徐々に酸化膜厚が増加す
る。Nb系化合物又はＶ―Si化合物におけるこの
わずかな酸化皮膜の増加は放電時間で制御できる
もののやはり初期酸化膜の評価が必要となり、自
然酸化法と同様の問題点が残る。放電電圧を高め
ればスパツタ効率は大きくなり酸化膜の生成とス
パツタがつりあう条件を見いだすことが可能であ
り、初期酸化膜の存在は無視できるものの、清浄
表面には欠陥が導入されるため、この方法は有益
でない。そこで、Nb系化合物薄膜又はＶ―Si薄
膜において、トンネル特性の良好な素子を再現性
よく実現できるためにはNb系化合物薄膜又はＶ
―Si薄膜に対し無欠陥に近いエツチングを達成す
ることと清浄平面を実現後、酸化迄に清浄平面を
保護し、トンネルバリア層形成のための酸化によ
つて保護膜を除去できればよい。上記の要求を満
す方法として従来行われていたArあるいはN2ガ
スによるスパツタクリーニングをAr＋（CF）*ガ
スに代えた。（CF）*ガスはArガスと異なり放電
により、Ｆラジカル（Ｆ*）とＣに分解し、この
ＦラジカルがNbやGe又はＶやSiと化学反応を生
じ揮発性のNbF5やGeF4又はVF5やSiF4になりエ
ツチングされる。この化学反応のために低電圧で
も大きなエツチング速度を有しかつ欠陥の少ない
清浄面が得られる。さらに分解して発生したＣは
表面に付着し清浄表面を保護する。このＣでそれ
ぞれ被覆されたNb系化合物薄膜およびＶ―Si薄
膜をAr＋O2にガス交換したのちプラズマ酸化す
ると数10ÅのＣは放電後数10秒でCO又はCO2ガ
スとなり速やかにV3Si表面から脱離し、その後か
らトンネルバリアとしての酸化膜が生成し所定の
膜厚が得られる。（CF）ガスは上記のような低電
圧で無欠陥に近い清浄面が短時間で得られ、さら
に、分解によつて生じたＣで清浄面を被覆し酸化
に対し保護する役目をもつ。Ｃの堆積量は
（CF）ガスの濃度と放電電圧及び放電時間に依存
するため、適切な条件を知る必要があるが、一般
的にAr＋（CF）ガスのみではＣの堆積量は多く
なる。そこで、（CF）ガスにO2ガスを加えたも
ので放電させると付着したＣとO2が化学反応を
生じ２〜30Åの厚さの範囲内で一定の膜厚に制御
することが可能である。すなわちO2ガスの効果
は制御性の向上に有益である。また（CF）ガス
濃度は第１図に示すように１〜20％が有効であ
る。しかしそれ以外においてもArガススパツタ
よりも良好な素子特性を示した。なお第１図にお
いて、データーは15mTorr・200Vの条件で測定
された。 〔発明の実施例〕 実施例 １ Ｖ―24.8at％Si合金ターゲツト（100mφ）を用
いて直流マグネトロンスパツタ法により熱酸化膜
のあるSi基板（SiO2膜厚8000Å）上に600℃の基
板温度で45mTorr（4.5×10-2Torr）のArガス中
でスパツタして3500Åの下地電極薄膜を得た。こ
の薄膜の超伝導臨界温度はTc＝15.4Kであつた。
この下地電極をパターニング（パターン巾：20μ
ｍ）のためレジストコート、露光、現象、エツチ
ング（沸硝酸―乳酸液）を行つた。次に、再度レ
ジストコートし、露光、現像により上部電極形成
用のステンシルを形成した。この工程において、
接合部分の下地電極が露出した状態になつてい
る。次に、これらの一部のパターニングした薄膜
基板を従来の一般的な方法によりバリア層を形成
し、参照用素子を作製した。すなわち、酸化前に
Arガス中（15mTorr）でスパツタ（ＶCSB＝
600V、40分）して表面クリーニングしたのちAr
―４％O2ガス中（20mTorr）でプラズマ酸化
（ＶCSB＝200V、５分）し、その後、Pbの上部電
極を形成し参照用素子を作製した。ＶCSBにおい
て、CSBはCathode Self Biasを意味する。得ら
れた素子のＶ―Ｉ特性は第２図に示すように準粒
子トンネリングの特性を示した。一方、他のパタ
ーニングした薄膜基板をAr―５％CF4ガス中
（15mTorr）でスパツタ（ＶCSB＝200V、20分）
し、次いでAr―４％O2（20mTorr）でプラズマ
酸化（ＶCSB＝100V、５分）し、その後、Pbの上
部電極を形成し素子を作製した。得られた素子の
Ｖ―Ｉ特性は第３図に示す完全なトンネル形の特
性を示した。 実施例 ２ 実施例１でパターニングした下地電極の接合部
分が露出したＶ―Si薄膜基板５枚をAr―７％
C2F6、Ar―７％C3F8、Ar―７％C4F10、Ar―5.6
％C2F6−1.4％CF4、Ar―3.5％C2F6−3.5％CF4
のそれぞれのガス中（15mTorr）でスパツタ（Ｖ
CSB＝200V、20分）し、次いでAr―４％O2
（20mTorr）でプラズマ酸化（ＶCSB＝100V、６
分）し、その後Pbの上部電極を形成し素子を作
製した。得られた素子のＶ―Ｉ特性はいずれも完
全なトンネル形の特性を示した。ギヤツプ電圧は
4mVであつた。Ｃ―Ｆガスの種類によつてトン
ネル特性はほとんど変らなかつた。 実施例 ３ 実施例１でパターニングした下地電極の接合部
分が露出したＶ―Si薄膜基板７枚中６枚をそれぞ
れ１、0.5、0.1、0.01、0.005、0.001TorrのAr―
５％CF4ガス中でＶCSB＝200V、20分スパツタク
リーニングし、次いでAr―４％O2（20mTorr）
でプラズマ酸化（ＶCSB＝100V、６分）し、その
後Pb上部電極を蒸着し素子を作製した。素子特
性を測定したところ0.5〜0.005Torrでスパツタク
リーニングした素子はいずれもリークの少ないト
ンネル形の特性を示したが、1Torrと0.001Torr
でスパツタクリーニングした素子ではリークの大
きな準粒子トンネリング特性かブリツジ型の特性
を示した。残る１枚を0.01TorrのAr―５％CF4で
10分スパツタクリーニングしたのち、10-2Torr
のAr―20％O2ガス中で３時間自然酸化し次いで
Pbの上部電極を形成して素子を作製した。この
素子の特性はプラズマ酸化と同様のリークの少な
いトンネル特性を示した。 実施例 ４ 実施例１で作製したＶ―Si薄膜２枚をそれぞれ
Ar―５％CF4ガス（15mTorr、200V）とAr―５
％CF4−３％O2ガスでスパツタ（15mTorr、
200V）しＣの付着量をエリプソメータで測定し
た。第４図に示すようにAr―５％CF4ガスでス
パツタした場合放電時間30分までほとんど直線的
に放電時間ともにＣの堆積量が増加するが、Ar
―５％CF4―３％O2ガスの場合にはＣの堆積量は
放物線的に増加し約20Åに達するとそれ以上放電
時間を増加させてもＣの堆積は進まない。パター
ニングしたＶ―Si薄膜をこのAr―５％CF4―３％
O2ガスでクリーニングして作製した素子のジヨ
セフソン電流の変動はAr―５％CF4でクリーニ
ングして作製した素子のものに比べ著しく小さ
く、（Ｃ−Ｆ）ガスへのO2の混入はトンネルバリ
アの制御に極めて有効であることが判つた。 なお、Ar―５％CF4ガスとAr―５％CF4―３
％O2ガスで処理して作製した各々10個の素子の
ジヨセフソン電流ＩJは下記表に示される。
法、特にそのトンネルバリア層を形成する方法に
関するものである。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 トンネル形ジヨセフソン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性能に大きく影
響する。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素子の製造工
程は下地電極薄膜形成（Pb、あるいはPb合
金、NbN、A15型化合物）パターン形成トン
ネルバリア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法には二通りの方
法がある。一つは下地電極表面上に下地電極とは
異なつた物質を数10Å形成しそれを酸化してトン
ネルバリア層とする方法であり、他はパターン形
成後の下地電極を直接酸化（プラズマ酸化又は自
然酸化）して、所定のバリア層を形成する方法で
ある。前者は下地電極とは異種のAlやSi等を蒸着
やCVD等の方法により形成し、その後酸化して
Al2O3やSiO2バリアを形成する方法であるが、Al
やSi等の異種物質の極薄膜を制御性良く形成する
ことは容易でない。一方、後者の方法では比較的
トンネルバリア層の制御は容易であると考えられ
るが、化合物素子においていまだ良好な素子特性
が得られていない。フオトプロセスを用いてジヨ
セフソン素子の集積化を行う場合、トンネルバリ
ア層の制御性は重要であり、下地電極を直接酸化
してトンネルバリアを形成する方が有利と考えら
れる。この直接酸化法ではすでに述べたように化
合物超伝導体を下地電極に用いた場合、従来の方
法ではいまだ良好なトンネル特性が得られていな
い。直接酸化法による従来の方法ではトンネルバ
リアを形成する前に下地電極表面の汚染皮膜の除
去を行う。この除去はArやN2によるガスイオン
により行われていた。このスパツタは物理的作用
によるエツチングでありスパツタ収量が本質的に
小さい。100〜200Åの汚染量の除去を行うために
は放電電圧を数100V以上にする必要があつた。
このため、清浄な表面が得られても表面に欠陥
（damage）が導入され素子特性を大きく劣化させ
る原因となつていた。特に、化合物薄膜の場合、
結晶性のみだれは超電導特性を著しく劣化させる
ため、わずかなダメージでもトンネル特性に大き
な影響を与え、従来法ではトンネル特性は得られ
ていず、信頼性や制御性迄の検討段階に至つてい
ない。Ｖ―Si、Nb―Ge、Nb―Ge―Al、Nb―
Sn、Nb―Sn―Bi、Nb―Ga、Nb―Ｎ、Nb―Ｃ―
Ｎ超伝導薄膜を下地電極としそれを直接酸化法に
よつて形成したトンネルバリアを利用した素子に
おいてはいまだ十分なトンネル特性が得られてい
ない状況にある。 〔発明の目的〕 本発明の目的は下地電極の表面を多くの欠陥を
導入することなくスパツタクリーニングすること
ができ、これによつて信頼性の高い良好な素子特
性を有するトンネル形ジヨセフソン素子を作成で
きる方法を提供することである。 〔発明の概要〕 上記目的はＶ―Si、Nb―Ge、Nb―Ge―Al、
Nb―Sn、Nb―Sn―Bi、Nb―Ga、Nb―Ｎ、又は
Nb―Ｃ―Ｎから成る超伝導薄膜を下地電極とし
て用い、これをCF4、C2F6、C3F8又はC4F10を含
有する単一ガス中あるいはCF4、C2F6、C3F8お
よびC4F6から選らばれた少なくとも２種以上を
含有する混合ガス中あるいは上記単一ガス又は混
合ガスにO2を添加したガス中においてスパツタ
クリーニングを実施した後、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
ヨセフソン素子の作製方法によつて達成される。
上記方法において、O2の添加量は30％以下であ
り、スパツタクリーニングは0.5〜0.005Torrのガ
ス圧下で実施されることが望ましい。なお、以下
の説明において上記単一ガスあるいは上記混合ガ
スを（CF）ガスと略称し、また上記単一ガスあ
るいは上記混合ガスにO2を添加したガスを
（CF）*ガスと略称する。 フオトプロセスによつて素子を作製する場合、
パターニングされた下地電極超伝導薄膜の表面は
レジスト、酸、アルカリあるいは酸化皮膜等によ
つて汚染されている。このため、下地電極を直接
酸化してトンネルバリア層（native oxide）にす
る場合、酸化前に汚染皮膜を除去するスパツタク
リーニングが行われる。このクリーニング後、酸
化が行われる。このバリア層形成前のスパツタク
リーニングはPbやNb系素子において従来より不
活性ガスのArやN2ガスにより行われている。こ
の不活性ガスによるスパツタ作用は物理的エッチ
ングであり下地電極表面に欠陥を発生させる。
NbやNb化合物、Ｖ化合物ではその超電導特性は
結晶性に著しく敏感であるためにこのような従来
のスパツタクリーニング法で作製した素子では特
性の良好なものは得られていない。例えばNb系
化合物の中で高い臨界温度Tcを示すNb―Ge、
Nb―Ge―Al等では非晶質Si極薄膜の異種物質の
酸化により作製したトンネルバリア層のみによつ
てトンネル特性が得られている。 Nb系化合物薄膜又はＶ―Si薄膜を下地電極と
して従来のArスパツタクリーニングを行い、そ
の後プラズマ酸化によつてトンネルバリアを形成
したジヨセフソン素子には２つの特徴がみられ
る。一つは、リークの大きなトンネル形の特性を
持つ素子が得られること他はほとんど同一条件で
作製したとしてもトンネルバリアの抵抗値が異な
ることであり、前者は素子性能が悪いことを意味
し、後者はバリアの制御性に問題があることを示
すものである。大きなリークを生ずる原因はバリ
ア層に接する下地電極表面の超伝導特性が劣化し
ていることでありこれはバリア層形成前のスパツ
タクリーニングによつて欠陥が導入されたことに
起因するものである。トンネルバリアの抵抗値の
変動原因は下地電極表面を不活性ガスによりスパ
ツタした清浄な表面が酸化のためのガス交換中に
自然酸化し、これが酸化膜の初期値となるため、
酸化時間のみでは制御できないためである。自然
酸化法でバリアを形成するとき、この初期酸化膜
の正確な評価が不可欠である。この初期酸化膜は
ガス導入の際の酸素濃度や放置時間により異なり
正確な評価が難しい。一方、Ar＋O2混合ガスに
よるプラズマ酸化法では放電により酸化が進行す
る現象と、Arイオンによるスパツタによつて酸
化皮膜が取り除かれる現象が同時に生じ、ある材
質に対しては酸素濃度、ガス圧、放電電圧を選べ
ばトンネル特性に必要な適切な酸化膜厚を容易に
実現できる。Pb合金超伝導体においてはこの方
法により信頼性の高いバリアが形成されている。
このようなある一定の酸化膜厚で放電がつりあつ
ているプラズマ酸化においては初期酸化膜の存在
は無視できることになる。ところがNb系化合物
超電導体又はＶ―Si超電導体においてはスパツタ
速度よりわずかに酸化速度が大きい。このため
200V前後の低電圧では徐々に酸化膜厚が増加す
る。Nb系化合物又はＶ―Si化合物におけるこの
わずかな酸化皮膜の増加は放電時間で制御できる
もののやはり初期酸化膜の評価が必要となり、自
然酸化法と同様の問題点が残る。放電電圧を高め
ればスパツタ効率は大きくなり酸化膜の生成とス
パツタがつりあう条件を見いだすことが可能であ
り、初期酸化膜の存在は無視できるものの、清浄
表面には欠陥が導入されるため、この方法は有益
でない。そこで、Nb系化合物薄膜又はＶ―Si薄
膜において、トンネル特性の良好な素子を再現性
よく実現できるためにはNb系化合物薄膜又はＶ
―Si薄膜に対し無欠陥に近いエツチングを達成す
ることと清浄平面を実現後、酸化迄に清浄平面を
保護し、トンネルバリア層形成のための酸化によ
つて保護膜を除去できればよい。上記の要求を満
す方法として従来行われていたArあるいはN2ガ
スによるスパツタクリーニングをAr＋（CF）*ガ
スに代えた。（CF）*ガスはArガスと異なり放電
により、Ｆラジカル（Ｆ*）とＣに分解し、この
ＦラジカルがNbやGe又はＶやSiと化学反応を生
じ揮発性のNbF5やGeF4又はVF5やSiF4になりエ
ツチングされる。この化学反応のために低電圧で
も大きなエツチング速度を有しかつ欠陥の少ない
清浄面が得られる。さらに分解して発生したＣは
表面に付着し清浄表面を保護する。このＣでそれ
ぞれ被覆されたNb系化合物薄膜およびＶ―Si薄
膜をAr＋O2にガス交換したのちプラズマ酸化す
ると数10ÅのＣは放電後数10秒でCO又はCO2ガ
スとなり速やかにV3Si表面から脱離し、その後か
らトンネルバリアとしての酸化膜が生成し所定の
膜厚が得られる。（CF）ガスは上記のような低電
圧で無欠陥に近い清浄面が短時間で得られ、さら
に、分解によつて生じたＣで清浄面を被覆し酸化
に対し保護する役目をもつ。Ｃの堆積量は
（CF）ガスの濃度と放電電圧及び放電時間に依存
するため、適切な条件を知る必要があるが、一般
的にAr＋（CF）ガスのみではＣの堆積量は多く
なる。そこで、（CF）ガスにO2ガスを加えたも
ので放電させると付着したＣとO2が化学反応を
生じ２〜30Åの厚さの範囲内で一定の膜厚に制御
することが可能である。すなわちO2ガスの効果
は制御性の向上に有益である。また（CF）ガス
濃度は第１図に示すように１〜20％が有効であ
る。しかしそれ以外においてもArガススパツタ
よりも良好な素子特性を示した。なお第１図にお
いて、データーは15mTorr・200Vの条件で測定
された。 〔発明の実施例〕 実施例 １ Ｖ―24.8at％Si合金ターゲツト（100mφ）を用
いて直流マグネトロンスパツタ法により熱酸化膜
のあるSi基板（SiO2膜厚8000Å）上に600℃の基
板温度で45mTorr（4.5×10-2Torr）のArガス中
でスパツタして3500Åの下地電極薄膜を得た。こ
の薄膜の超伝導臨界温度はTc＝15.4Kであつた。
この下地電極をパターニング（パターン巾：20μ
ｍ）のためレジストコート、露光、現象、エツチ
ング（沸硝酸―乳酸液）を行つた。次に、再度レ
ジストコートし、露光、現像により上部電極形成
用のステンシルを形成した。この工程において、
接合部分の下地電極が露出した状態になつてい
る。次に、これらの一部のパターニングした薄膜
基板を従来の一般的な方法によりバリア層を形成
し、参照用素子を作製した。すなわち、酸化前に
Arガス中（15mTorr）でスパツタ（ＶCSB＝
600V、40分）して表面クリーニングしたのちAr
―４％O2ガス中（20mTorr）でプラズマ酸化
（ＶCSB＝200V、５分）し、その後、Pbの上部電
極を形成し参照用素子を作製した。ＶCSBにおい
て、CSBはCathode Self Biasを意味する。得ら
れた素子のＶ―Ｉ特性は第２図に示すように準粒
子トンネリングの特性を示した。一方、他のパタ
ーニングした薄膜基板をAr―５％CF4ガス中
（15mTorr）でスパツタ（ＶCSB＝200V、20分）
し、次いでAr―４％O2（20mTorr）でプラズマ
酸化（ＶCSB＝100V、５分）し、その後、Pbの上
部電極を形成し素子を作製した。得られた素子の
Ｖ―Ｉ特性は第３図に示す完全なトンネル形の特
性を示した。 実施例 ２ 実施例１でパターニングした下地電極の接合部
分が露出したＶ―Si薄膜基板５枚をAr―７％
C2F6、Ar―７％C3F8、Ar―７％C4F10、Ar―5.6
％C2F6−1.4％CF4、Ar―3.5％C2F6−3.5％CF4
のそれぞれのガス中（15mTorr）でスパツタ（Ｖ
CSB＝200V、20分）し、次いでAr―４％O2
（20mTorr）でプラズマ酸化（ＶCSB＝100V、６
分）し、その後Pbの上部電極を形成し素子を作
製した。得られた素子のＶ―Ｉ特性はいずれも完
全なトンネル形の特性を示した。ギヤツプ電圧は
4mVであつた。Ｃ―Ｆガスの種類によつてトン
ネル特性はほとんど変らなかつた。 実施例 ３ 実施例１でパターニングした下地電極の接合部
分が露出したＶ―Si薄膜基板７枚中６枚をそれぞ
れ１、0.5、0.1、0.01、0.005、0.001TorrのAr―
５％CF4ガス中でＶCSB＝200V、20分スパツタク
リーニングし、次いでAr―４％O2（20mTorr）
でプラズマ酸化（ＶCSB＝100V、６分）し、その
後Pb上部電極を蒸着し素子を作製した。素子特
性を測定したところ0.5〜0.005Torrでスパツタク
リーニングした素子はいずれもリークの少ないト
ンネル形の特性を示したが、1Torrと0.001Torr
でスパツタクリーニングした素子ではリークの大
きな準粒子トンネリング特性かブリツジ型の特性
を示した。残る１枚を0.01TorrのAr―５％CF4で
10分スパツタクリーニングしたのち、10-2Torr
のAr―20％O2ガス中で３時間自然酸化し次いで
Pbの上部電極を形成して素子を作製した。この
素子の特性はプラズマ酸化と同様のリークの少な
いトンネル特性を示した。 実施例 ４ 実施例１で作製したＶ―Si薄膜２枚をそれぞれ
Ar―５％CF4ガス（15mTorr、200V）とAr―５
％CF4−３％O2ガスでスパツタ（15mTorr、
200V）しＣの付着量をエリプソメータで測定し
た。第４図に示すようにAr―５％CF4ガスでス
パツタした場合放電時間30分までほとんど直線的
に放電時間ともにＣの堆積量が増加するが、Ar
―５％CF4―３％O2ガスの場合にはＣの堆積量は
放物線的に増加し約20Åに達するとそれ以上放電
時間を増加させてもＣの堆積は進まない。パター
ニングしたＶ―Si薄膜をこのAr―５％CF4―３％
O2ガスでクリーニングして作製した素子のジヨ
セフソン電流の変動はAr―５％CF4でクリーニ
ングして作製した素子のものに比べ著しく小さ
く、（Ｃ−Ｆ）ガスへのO2の混入はトンネルバリ
アの制御に極めて有効であることが判つた。 なお、Ar―５％CF4ガスとAr―５％CF4―３
％O2ガスで処理して作製した各々10個の素子の
ジヨセフソン電流ＩJは下記表に示される。
以上説明したようにＶ―Si超電導薄膜又はNb
―Ge、Nb―Ge―Al、Nb―Sn、Nb―Sn―Bi、Nb
―Ga、Nb―Ｎ、Nb―Ｃ―Ｎの超伝導薄膜をAr＋
（CF）*ガス中でスパツタした場合（CF）*ガス
の化学的エツチング作用によつて上記化合物薄膜
の汚染層は低電圧放電で速やかに除去され、欠陥
のほとんどない清浄表面が実現でき、その表面上
にＣ（炭素）が被覆されているためトンネルバリ
ア層形成のための酸化ガスの流入によつて清浄表
面が酸化することなくプラズマ酸化によつて所定
のバリア層を形成できるのであるから、上記本発
明の方法で素子を作製した場合、リークの少ない
トンネル形のジヨセフソン素子が制御性よく作製
できる利点がある。 本発明は上述した実施例に限らず、例えばAr
の代わりにN2等を用いてスパツタクリーニング
を行なつても同様の効果を奏することができるの
はいうまでもない。
―Ge、Nb―Ge―Al、Nb―Sn、Nb―Sn―Bi、Nb
―Ga、Nb―Ｎ、Nb―Ｃ―Ｎの超伝導薄膜をAr＋
（CF）*ガス中でスパツタした場合（CF）*ガス
の化学的エツチング作用によつて上記化合物薄膜
の汚染層は低電圧放電で速やかに除去され、欠陥
のほとんどない清浄表面が実現でき、その表面上
にＣ（炭素）が被覆されているためトンネルバリ
ア層形成のための酸化ガスの流入によつて清浄表
面が酸化することなくプラズマ酸化によつて所定
のバリア層を形成できるのであるから、上記本発
明の方法で素子を作製した場合、リークの少ない
トンネル形のジヨセフソン素子が制御性よく作製
できる利点がある。 本発明は上述した実施例に限らず、例えばAr
の代わりにN2等を用いてスパツタクリーニング
を行なつても同様の効果を奏することができるの
はいうまでもない。
第１図および第４図はそれぞれカーボン膜厚と
RF放電時間との関係を示すグラフ、そして第２
図は準粒子トンネリング特性を示すグラフ、第３
図はトンネル形ジヨセフソン素子の特性を示すグ
ラフ、第５図はAr―５％CF4ガスにO2を混入し
た場合、O2濃度に対するカーボン付着量とエツ
チング深さの変化を示すグラフである。
RF放電時間との関係を示すグラフ、そして第２
図は準粒子トンネリング特性を示すグラフ、第３
図はトンネル形ジヨセフソン素子の特性を示すグ
ラフ、第５図はAr―５％CF4ガスにO2を混入し
た場合、O2濃度に対するカーボン付着量とエツ
チング深さの変化を示すグラフである。
Claims (1)
- １ Ｖ―Si、Nb―Ge、Nb―Ge―Al、Nb―Sn、
Nb―Sn―Bi、Nb―Ga、Nb―Ｎ、又はNb―Ｃ―
Ｎから成る超伝導薄膜を下地電極として用い、こ
れをCF4、C2F6、C3F8又はC4F10を含有する単一
ガス中あるいはCF4、C2F6、C3F8およびC4F6か
ら選らばれた少なくとも２種以上を含有する混合
ガス中あるいは上記単一ガス又は混合ガスにO2
を添加したガス中においてスパツタクリーニング
を実施した後、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素
子の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57037792A JPS58154280A (ja) | 1982-03-10 | 1982-03-10 | トンネル形ジヨセフソン素子の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57037792A JPS58154280A (ja) | 1982-03-10 | 1982-03-10 | トンネル形ジヨセフソン素子の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58154280A JPS58154280A (ja) | 1983-09-13 |
| JPS6258676B2 true JPS6258676B2 (ja) | 1987-12-07 |
Family
ID=12507341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57037792A Granted JPS58154280A (ja) | 1982-03-10 | 1982-03-10 | トンネル形ジヨセフソン素子の作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58154280A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04101917U (ja) * | 1991-02-04 | 1992-09-02 | 日本電信電話株式会社 | 磁気カード |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0311675A (ja) * | 1989-06-08 | 1991-01-18 | Agency Of Ind Science & Technol | ジョセフソン接合素子の製造方法 |
-
1982
- 1982-03-10 JP JP57037792A patent/JPS58154280A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04101917U (ja) * | 1991-02-04 | 1992-09-02 | 日本電信電話株式会社 | 磁気カード |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58154280A (ja) | 1983-09-13 |
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