JPS63289880A - ジョ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】 〔概要〕 トンネルバリヤを形成するための材料として、従来のＡ
ｔに代わって、タンタル（Ｔａ）等の、常温の大気中で
比較的酸化され難い材料を用いる。下部電極の上に形成
されたＴａＪｉの表面を、接合を形成する領域に包含す
る開口を有するレジストパターンによりマスクし、露出
部分のＴａ層を酸化し、所望の厚さのトンネルバリヤと
しての、Ｔａ酸化膜を形成する。厚さが異なるトンネル
バリヤごとに、レジストパターンニングと酸化を行う。

酸化方法としては、１００℃程度の熱酸化、酸素プラズ
マを用いる高周波酸化、酸素イオン注入等を用いる。

〔産業上の利用分野〕

本発明はジョセフソン接合に係り、とくに、ジョセフソ
ン接合素子を用いた集積回路の実用化に不可欠な技術と
されている、同一基板上に電流密度の異なるジョセフソ
ン接合を作製する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来技術の代表例として、電極材料にニオブ（Ｎｂ）　
、ｌ−ンネルバリャ材料に酸化アルミ　（ＡｌＯｘ）を
用いて構成されるＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ構造のジョセフ
ソン接合の作製方法について述べる。

第３図（ａ）ないしくｅ）は、上記従来の構造を有する
ジョセフソン接合の作製工程における断面図である。第
３図（ａ）に示すように、例えば、シリコン（Ｓｉ）　
Ｍ板３１の上に、下部電極を形成するための第一のＮｂ
層３２、トンネルバリヤを形成するためのＡｌＯｘｌＯ
ｘ層上３電極を形成するための第二のＮｂ層３４とを、
真空を破ることなく、順次積層する。ここで、ＡｌＯｘ
ｌＯｘ層上３ｂ層３２の上に生成されたＡｌ膜を、低圧
酸素中で熱酸化（室温）シ′ζ形成される。ＮＩＪＪ３
２と３４およびＡ１０ｘＪＥｉ３３を形成するためのＡ
ｔ膜は、スパッタリングあるいは蒸着等の周知の技術を
用いて形成すればよい。

ところで、ジョセフソン接合を流れる電流の密度は、ト
ンネルバリヤを形成しているＡｌＯｘｌＯｘ層上３によ
り決定される。回路上必要とされる電流密度を得るため
には、１０人程度と薄いＡ１０ｘＪｉを形成しなければ
ならない。しかしながら、Ａ１膜はきわめて酸化されや
すく、室温の大気に数秒曝したときに形成されるＡｌＯ
ｘ層でさえも、そのｊソさが過大である。このために、
Ｎｂ層３２の上に生成されたＡｌ膜は、成膜後、真空槽
内に低圧の酸素ガスを導入し、室温で酸化する。このと
きに生成される酸化膜の厚さは、酸素ガスの圧力と酸化
時間とで制御される。酸化処理が終了後、ただちに、そ
の表面を、上部電極を形成するためのＮｂ層３４で覆っ
てしまう。

つぎに、第３図（ｂ）に示すように、第二のＮｂＮ３４
の上における、接合を形成する領域に対応する表面を、
レジスト膜３５でマスクしたのち、露出しているＮｂ層
３４を、例えば、四弗化炭素と酸素の混合ガス（ＣＦ４
　＋　５％０２）を用いる反応性イオンエツチング（Ｒ
ＩＢ　）により、選択的に除去する。

この場合、ＡｌＯｘｌＯｘ層上３Ｆ４ガスと反応しない
ため、上記のＲＩＨにおけるエッチングストンパとして
も働く。なお、上記ＲＩ　Ｅにおけるエツチングガスお
よび印加電ツノの例は、それぞれ、７Ｐａおよび５０Ｗ
である。このようにして、接合面積に等しい面積の上部
電極３４１が形成される。

引続き、Ｎｂ層３２を、第３図（Ｃ）に示すような形状
の下部電極３２１に加工する。すなわち、上部電極３４
１とその周囲の所定領域における、下部型ＭＡ３２１に
対応する表面を、レジストにより選択的にマスクし、露
出しているＡ１０ｘＪｉ３３、および、その下のＮｂ層
３２を、例えば、アルゴン（Ａｒ）イオンを用いる、ス
パッタリングモートのエツチングにより、選択的に除去
する。下部電極３２１の加工終了後、レジストを除去し
、シリコン基板３１の全面に、例えば、酸化シリコン（
Ｓｉ０２）から成る絶縁層３６を形成する。絶縁Ｎ３６
の形成は、例えば、公知の高周波スパッタリング法を用
いて行えばよい。

こののち、第３図（ｄ）に示すように、絶縁層３６に、
絶縁層３６の上に形成される配線層（図示省略）と上部
電極３４１とを接続するためのコンタクト孔３７を、通
常のフォトリソグラフ技術を用いて、形成する。引続き
、基板３１の全面に、配線層形成用のＮｂ層を堆積し、
通常のフォトリソグラフ技術を用いて、配線パターンを
形成する。第３図（ｅ）において、符号３８は、上部電
極３４１に接続された配線層である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上から容易に推測されるように、第３図（ｂ）に示す
接合面積を決定するための工程がとくに重要である。し
示しながら、Ｎｂ層３４（第３図（ａ）参照）の層厚の
バラツキおよびＮｂ層３４を選択的に除去するためのＲ
ＩＨにおける条件の変動等によリ、接合形成領域以外の
場所において、Ｎｂ１３４が完全に除去されずに残り、
所定の接合面積が得られないとか、あるいは、ＡＩＱＪ
Ｊ３３がもともと均一に成膜されていないために、Ｎｂ
Ｊｉ３４の選択的除去におけるエツチングストッパとし
ての働きが不完全で、下部電極３２１となるべきＮｂ層
３２の部分までが、エツチングされてしまうという不都
合が生じる。

これらの結果、基板３１の上に形成された多数のジョセ
フソン接合の特性のバラツキが大きく、所定の品質の集
積回路チップが歩留りよく得られないという問題があっ
た。

上記の従来技術において、とくに重要な問題点は、前述
したように、トンネルバリヤを形成するためのＡＩ膜が
酸化されやすいために、Ｎｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ構造を、
真空を破ることなしに、真空槽内で継続して形成しなけ
ればならない点である。このために、一つの基板上に、
異なった厚さの、したがって、電流密度が異なる、複数
のトンネルバリヤを形成することが不可能であった。こ
の問題の解決が、ジョセフソン接合を用いる集積回路の
実現における、重要な課題の一つであった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記従来のジョセフソン接合における問題点は、基板上
に、下部電極を形成するための、ニオブ（Ｎｂ）または
Ｎｂ系材料から成る層を形成する工程と、このＮｂまた
はＮｂ系材料層上に、タンタル（Ｔａ）層を形成する工
程と、 このＴａ層上に、所定の接合が形成される領域およびそ
の近傍を包含する開口を有するレジストマスクを形成す
る工程と、 この開口部分における前記Ｔａ層の表面層を、所定の厚
さだけ、酸化する工程とから成ることを特徴とする、本
発明のジョセフソン接合の作製方法と、それによって作
製されたジョセフソン接合とにより、解決される。

〔作用〕

下部電極上に、Ｔａのような、室温の大気中で比較的酸
化され難い物質の層を設け、レジストマスクを用いて、
この層の表面の接合形成領域を選択的に酸化することに
より、任意の接合形成領域に任意の厚さのトンネルバリ
ヤを形成する。

〔実施例〕

第１図（ａ）ないしくｇ）は本発明の一実施例を示し、
ジョセフソン接合の作製工程における断面図である。第
１図（ａ）に示すように、例えば、シリコンウェハのよ
うな基板１１の上に、例えば、Ｎｂ層１２とＴａ層上３
を順次形成する。Ｎｂ層１２とＴａ層上３の厚さは、そ
れぞれ２００ｎｍおよび３ｎｍ程度である。

これらの成膜には、スパッタリング法のような通常の薄
膜技術が用いればよい。ＤＣマグネトロンスパッタリン
グ法を用いる場合の条件の例は、アルゴンガス圧１．３
Ｐａ　、印加電力および堆積速度は、Ｎｂ層１２に対し
て、それぞれ、？’、５　Ｗ／ＣＩＡおよび２００　ｎ
ｎ＋／ｍｉｎ　％　Ｔａ層上３に対して、それぞれ、０
．７５Ｗ／　ｃｒＡおよび７ｎｍ／ｍｉｎである。なお
、Ｔａ層上３は、必ずしも、Ｎｂ層１２の形成後に真空
を破らずに引き続いて成膜するという必要はない。

Ｔａ層上３を成膜後、真空層から取り出した基板１１０
表面に、通常のフォトリソグラフ技術を用いて、第１図
（ｂ）に示すように、レジストマスク１４を形成する。

レジストマスク１４は、Ｔａ層上３の表面の所定の範囲
を露出する開口１４１を有する。この開口１４１は、第
一の接合（図示省略）を形成しようとする領域とその近
傍を包含する。開口１４１から露出しているＴａ層上３
の表面を選択的に酸化し、この上に酸化タンタル（Ｔａ
２０５　）膜１５が形成される。

酸化方法としては、例えば、１００℃程度の酸化性雰囲
気中での熱酸化、あるいは、酸素プラズマ中での高周波
酸化等を適宜用いればよい０Ｍ化膜の厚さは、熱酸化の
場合には、温度および雰囲気の酸素圧で、また、高周波
酸化の場合には、印加電力および酸素圧で制御する。

つぎに、上記のレジストマスク１４を除去したのち、第
１図（ｃ）に示すように、別のレジストマスク１６を形
成する。レジストマスク１６は、ＴａＪｊｉ１３の表面
の所定の範囲を露出する開口１６１を有する。

この開口１６１は、第二の接合（図示省略）を形成しよ
うとする領域とその近傍を包含する。開口１４１の場合
と同様の方法を用いて、開口１６１から露出しているＴ
ａ層１３の表面を選択的に酸化し、第二のＴａ２０５膜
１７を形成する。Ｔａ２０５膜１７の厚さは、一般に、
Ｔａ２０５　ＬａＩ３の厚さと異なる。

第三以下の接合におけるトンネルバリヤとして、Ｔａ２
０５膜１５あるいは１７と異なった厚さのＴａ２０５が
必要な場合には、第１図（ｃ）と同様の工程を、必要な
回数だけ反復し、Ｔａ層１３の所定の位置に、所定の厚
さのＴａ２０５膜を形成すればよい。

レジストマスク１６を除去したのち、第１図（ｄ）に示
すように、基板１１の全面に、上部電極を形成するため
の、例えば、厚さ２００ｎｍ程度のＮｂ層１８を形成す
る。Ｎｂ層１８の成膜方法は下部電極形成用のＮｂ層１
２の場合と同様である。

引続き、Ｎｂ層１８の表面の、第一および第二の接合に
対応する領域を、レジスト（図示省略）でマスクし、露
出しているＮｂｌ苫１８を、例えば、ＣＦ４　＋５％０
２から成る混合ガスを用いるＲＩＨにより、選択的に除
去する。このＲＩＥにおいてＴａ２０５膜１５および１
７が現れたとき、エツチングガスをアルゴン（＾ｒ）に
切り替工、スパッタリングモードのエツチングにより、
Ｔａ２０５　Ｍ、１５および１７と残存しているＴａ層
１３を除去する。このようにして、第１図（ｅ）に示す
ように、それぞれ、上部電極１８１および１８２によっ
て接合面積が決定される、第一および第二の接合が形成
される。

つぎに、上部電極１８１および１８２とその近傍のＮｂ
Ｊｉ１２を、レジスト（図示省略）により選択的にマス
クし、露出部分のＮｂ層１２を、下地の基板１１の表面
が現れるまで、選択的に除去する。この場合の除去方法
は、前記Ｎｂ層１８の除去方法を踏襲すればよい。以上
のようにして、第１図（ｆ）に示すように、基板１１の
上に、上部電極１８１および１８２に対応する下部電極
１２１および１２２が、それぞれ形成される。

引続き、第１図（ｇ）に示すように、基板１１の上に絶
縁層１９が形成され、この絶縁層に、それぞれ、上部電
極１８１および１８２に達するコンタクト孔１９１およ
び１９２が形成される。さらに、この絶縁層１９の上に
、コンタクト孔１９１および１９２を通じて、それぞれ
上部電極１８１および１８２に接続された配線層２０１
および２０２が形成される。

以上のようにして、基板１１の上に、所定の接合面積と
所定の厚さのトンネルバリヤを有する複数のジョセフソ
ン接合が形成される。

第２図（ａ）ないしくｄ）は、本発明の別の実施例を示
し、ジョセフソン接合の作製工程における断面図である
。第１図の実施例におけると同様にして、シリコンウェ
ハのような基板２１の上に、Ｎｂ層２２およびＴａ層２
３が形成される。本実施例においては、第２図（ａ）に
示すように、Ｔａ５２３の全面が酸化され、Ｔａ２０５
膜２４が形成される。この場合の酸化方法は、前実施例
におけるＴａ２０５膜１５および１７の形成の場合と同
様である。なお、Ｔａ２０５膜２４の厚さは、トンネル
バリヤの最小の厚さに制御される。

Ｔａ２０５膜２４の上に、通常のフォトリソグラフ技術
を用いて、第２図（ｂ）に示すように、Ｔａ２０５膜２
４の所定の範囲を露出する開口２５１を有するレジスト
マスク２５を形成する。この間口２５１は、後述する第
二の接合（図示省略）を形成しようとする領域とその近
傍を包含する。開口２５１から、ここに露出しているＴ
ａ２０５膜２４の下に存在するＴａ層２３の酸化を進め
、Ｔａ２０５膜２４より厚さの大きいＴａ２０５膜２６
を形成する。この場合の酸化方法としては、前実施例に
おけると同様の熱酸化、あるいは、酸素プラズマ中での
高周波酸化等を適宜用いればよく、酸化膜の厚さの制御
についても、前実施例と同様でよい。

つぎに、レジストマスク２５を除去し、第２図（Ｃ）に
示すように、Ｔａ２０５膜２４および２６の全面に、上
部電極を形成するためのＮｂ層２７を形成する。引続き
、Ｎｂ１２７の上の、Ｔａ２０５膜２４および２６をト
ンネルバリヤとする所定の接合を形成する領域に対応す
る表面を、レジストによりマスクし、露出部分のＮｂ層
２７を、例えば、ＲＩＨにより、選択的に除去する。こ
の場合のＲＩＥの条件は、前実施例におけるＮｂ層１８
の加工と同様である。このようにして、第２図（ｄ）に
示すように、上部電極２７１および２７２が形成される
。

以後、前実施例と同様に、下部電極を形成するためのＮ
ｂ層２２の加工、上部電極２７１および２７２の上に絶
縁層およびコンタクト孔の形成、上部電極２７１および
２７２のそれぞれへの接続用の配線層の形成が行われる
。

以上のようにして、上部電極２７１で決定される接合面
積を有し、Ｔａ２０５膜２４をトンネルバリヤとする第
一の接合と、上部電極２７２で決定される接合面積を有
し、Ｔａ２０５膜２６をトンネルバリヤとする第二の接
合とが、基板２１の上に形成される。

なお、第三以下の接合におけるトンネルバリヤとして、
Ｔａ２０５膜２４あるいは２６と異なった厚さのＴａ２
０５が必要な場合には、第２図（ｂ）と同様のの工程を
、必要な回数だけ反復し、Ｔａ層２３の所定の位置に、
所定の厚さのＴａ２０５膜を形成すればよい。

上記実施例において、上部電極および下部電極はＮｂＪ
ｉに限定されることはなく、その一方または双方が、他
の比較的高融点の超伝導材料、例えば、窒化ニオブ（Ｎ
ｂＮ）　、から形成されてもよい。また、トンネルバリ
ヤ形成のための導電材料はＴａに限定されることはなく
、その他の、大気中で酸化され難い物質、例えば、パラ
ジウム（Ｐａ）等、から形成されてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、トンネルバリヤを形成する材料として
、大気中で酸化され難いＴａを用いることにより、接続
面積決定のための酸化を、Ｔａ層を成膜後、大気中に取
り出して行うことができ、同一基板内で、場所により、
Ｔａの酸化の程度を変えるさとができるようになった。

その結果、本発明によれば、同一基板上に、電流密度の
異なる複数の接合を形成することを可能とする効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）ないしくｇ）は本発明の一実施例を示し、
ジョセフソン接合の作製工程における断面図、 第２図（ａ）ないしくｄ）は、本発明の別の実施例を示
し、ジョセフソン接合の作製工程における断面図、 第３図（ａ）ないしくｅ）は、従来の構造を有するジョ
セフソン接°合の作製工程における断面図である。 図において、 １１と２１と３１は基板、 １２と２２と３２と１８と２７と３４はＮｂＪｉ　。 １３と２３はＴａ層、 １４と１６と２５と３５はレジスト膜、１５と１７と２
４と２６はＴａ２０５膜、１９と３６は絶縁層、 ３３はＡ１０ｘｌ’ｉｊｉ。 ３７と１９１および１９２はコンタクト孔、１２１　と
１２２と３２１は下部電極、１４１と１６１　と２５１
は開口、 １８１　と１８２と２７１　と２７２と３４１は上部電
極、２０１および２０２は配線層 である。 特許出願人　工業技術院長　飯塚　幸三珂（携〉日月　
の笑々邑イダＪ ）ぢ　ｌ　バＤＣｉａｇ 半金日月の実施４汐・」 芳　１図（む２〕 木登日月の別の失地４ダ」 第２　仄 （１′岨釆、のちパヨ［゛７′〕・Ｔ片合篇　３　Ｒ（
そのす

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に、下部電極を形成するための、ニオブ（
   Ｎｂ）またはＮｂ系材料から成る層を形成する工程と、 該ＮｂまたはＮｂ系材料層上に、タンタル（Ｔａ）層を
   形成する工程と、 該Ｔａ層上に、所定の接合が形成される領域と該領域の
   近傍を包含する開口を有するレジストマスクを形成する
   工程と、 該開口部分における該Ｔａ層の表面層を、所定の厚さだ
   け、不動態化する工程とから成る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）該Ｔａ層の、該接合形成領域に対応する部分の表
   面層を、所定の厚さ酸化することによって、不動態化す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジョセ
   フソン接合素子の製造方法。
3. （３）該Ｔａ層の全表面を一括して不動態化する工程を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジョ
   セフソン接合素子の製造方法。
4. （４）該Ｔａ層の全表面を、所定の厚さ酸化することに
   よって、不動態化することを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載のジョセフソン接合素子の製造方法。