JPS6386582A - 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】 〔概要〕 本発明は対向電極となるべき領域を除いて超伝導金属膜
を陽極酸化することにより該対向電極の領域を画定する
ジョセフソン接合素子の製造方法において、複数の異な
るパターンのマスクを用いて複数回、陽極酸化を行うも
のであり、かつ該複数のパターンを部分的に重ね合わせ
ることにより対向電極の領域を画定することを特徴とす
る。これにより極めて微細構造のジョセフソン接合素子
を再現性良く、容易に形成することが可能となる。

〔産業上の利用分野〕

本発明はジョセフソン接合素子の製造方法に関するもの
であり、更に詳しく言えば微細構造のジョセフソン接合
素子の製造方法に関するものである。

最近、ジョセフソン接合素ｆ−の電極材料は、従来の鉛
合金から高融点金属であるＮｂやＮｂ化合物（例えば、
Ｎｂ　Ｎ）に変わり、これにより素ｆ−の安定性が飛躍
的に向」−シている。特にＮｂ／ＡｕＯｘ／Ｎｂ接合は
電気的特性も良好で、集積回路への応用が盛んに研究さ
れている。しかし回路の集積度をＬげるためには、Ｉｇ
ｍ径程度の微細な接合を作成することが必要となる。

〔従来の技術〕

従来よりＮｂ／Ｓｉ／Ｎｂのジョセフソン接合素子の製
造方法において、レジスト膜等をマスクとして対向電極
用のＮｂ膜を陽極酸化することにより、対向電極の寸法
、従って接合領域の寸法を決定する方法が提案されてい
る。（０開昭５７−１０９３８８）、なおこの方法はＮ
ｂ　／Ａ交／Ｎｂのジョセフソン接合素子を製造する場
合にも適用可能である。

第３図（ａ）〜（Ｃ）はその陽極酸化工程を説明する断
面図である。まず８１基板１上に基部電極用Ｎｂ膜２、
トンネルバリア膜用Ａ交−Ａ４０ｘ膜３．対向電極用Ｎ
ｂ膜４を連続的に成膜し、レジスト膜５をマスクとして
Ｎｂ膜４を陽極酸化してＮｂ；＋０５の酸化膜６を形成
する。これにより対向電極７の１法、すなわち接合領域
の寸法が定まる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところでＮｂ膜４が陽極酸化されと、Ｎｂ２Ｏ５又はそ
れに近い組成の酸化物になるので、Ｎｂ２Ｏ５膜の体積
は元のＮｂ膜の体積の約２．５倍になる。このため第４
図（ａ）に示すように、陽極酸化時にレジスト膜５の端
が持ち上がってしまう。特に接合寸法が小さくなり、例
えば１７ｚｍロ程度になると、レジストパターンの形成
精度の悪化に加え、レジスト膜の持ち上がりによる次の
ような影響が顕著になる。

（１）レジスト膜の端が持ち上がるとき、接合領域９の
寸法Ｂはレジストパターン８の寸法Ａよりもかなり減少
する。この影響は寸法が小さいほど大きくなり、また特
に正方形パターンの角の部分で大きい。

（２）対向電極７の陽極酸化されていない部分の寸法Ｃ
も小さくなる。この部分は後の工程で形成されるＮｂ配
線とコンタクトする領域１０であ゛るから、極端に小さ
くなるとＮｂ配線と対向電極７との十分な電気的接続は
保証されないことになる。

（３）またレジスト膜５の密着が悪い場合（パターンが
小さくなるほど密着性が悪くなる。）、レジスト膜が剥
離して対向電極７も陽極酸化され、ジョセフソン接合が
できなくなる。

本発明はかかる従来の問題点に鑑みて創作されたもので
あり、極めて微細構造のジョセフソン接合素子を再現性
良く、かつ容易に形成することを可能とする製造方法の
提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の製造方法の原理を説明する図である。

Ｄ、Ｅはそれぞれ１回目、２回目の陽極酸化用のマスク
パターン、またＦ、Ｇはそれぞれ１回目、２回目の陽極
酸化工程で酸化されない領域を表わす、すなわち、最終
的に酸化されないＦ、Ｇの共通部分が対向電極の領域（
ジョセフソン接合領域）となる。

〔作用〕

本発明の製造方法は、接合領域を画定する陽極酸化工程
を複数の異なるパターンのマスクを用し〜で複数回行な
う。すなわち接合領域（陽極酸化されない領域）は異な
るパターンの重なり合った共通部分により定められる。

このようにして、各パターン自体は比較的大きくても微
細な接合領域を形成することができる。

〔実施例〕

次に図を参照しながら本発明の実施例につｌ／）で説明
する。第２図は本発明の実施例に係るジョセフソン接合
素子の製造工程を示す断面図（左方）と上面図（右方）
である。

（１）Ｓ＋基板ｌｌ上にＮｂ膜１２．Ａｉ−Ａ立Ｏｘ膜
１３およびＮｂ膜１４を同一真空層内で順次、連ａ＃ｉ
、膜する。このときＮｂ膜（±ｄＣ又ζ±ｒｆマグネト
ロンスパッタで成膜し、Ｎｂ膜１２は２００〜３００　
ｎ　ｍ　、　Ｎ　ｂ膜１４４±３０〜１１００ｎの膜厚
である。またＡＪＩＩ±ｄｃ又ｔ±ｒｆスパッタ法によ
り３〜１０ｎｍで成膜し、その後、酸素を導入してＡ文
表面にＡ見Ｏ！を形成する。

なおＳｔ基板１１とＮｂ膜１２との間に、熱酸化膜、超
伝導接地面膜、絶縁膜又は抵抗等が形成されていてもよ
い（同図（ａ））。

（２）次にパターンＤのレジスト膜１５をマスクとして
、少なくともＮｂ膜１４の全膜厚について陽極酸化を行
なう（同図（ｂ）　）、レジストパターンの形状は任意
であるが、図で示すように、長方形の場合に本発明の効
果が顕著である０例えば所望の接合形状が正方形である
場合、その正方形の辺の長さく例えば１．５ｐｍ）を−
辺とし、他の一辺はレジストのバターニングが容易な長
さく例えば１０１０１Ｌであるような長方形を用いる。

なおレジストパターンはＤのような長方形であっても、
レジストパターン端では陽極酸化がレジストを持ち−Ｌ
げて進むので、実際に酸化されないで残る接合部はＦで
示すように、Ｄよりやや小さめになる。特にレジストパ
ターンの角の部分では、この傾向が顕著である。

（３）次いでレジスト膜１５を除去した後に、別のレジ
ス）１１９１７をマスクとして、再びＮｂ膜１４の陽極
酸化を行なう（同図（ｅ））、今回のマスクパターンと
しては、例えば前回のパターンＤを９０膜回転させたも
の（パターンＥ）を用いる。２回目の陽極酸化工程では
、１回目の陽極酸化工程でマスクされていたために酸化
されなかった部分で、今回はマスクされていない部分の
みが新たに酸化される。２回目の酸化でもレジストパタ
ーンよりもやや小さい形状の酸化されない部分（Ｇ）が
残る。レジスト除去後は同図（ｄ）のに面図に示すよう
に、正方形の部分だけが酸化されずに残り、対向電極１
８となる。

このようにして２つの異なったレジストパターンＤ、Ｆ
を用いて２回の陽極酸化を行なうことにより、従来の単
一の正方形レジストパターンを用いた場合に比べて正方
形の角の部分に丸みがなく、従ってより正確の正方形の
パターンを形成することができる。特に微細なパターン
（例えば１．５Ｊｉ、ｍ口）の場合、単一レジストでは
丸いパターンになってしまうのに対して、本実施例方法
によれば、はぼ正確に１．５ｇｍ口の対向電極パターン
を作成することができる。

更にパターン形状が微細化するに伴ってレジスト膜のは
がれが生じ易くなるが、実施例ではこのような不都合も
解消される。

なお陽極酸化はエチレングリコール＋ホウ酸アンモニウ
ム混合液中で行なう、酸化膜厚は印加電圧で決定される
。ＩＶあたり０．９ｎｍの膜厚のＮｂが消費され、２．
３ｎｍのＮｂ２Ｏ５膜が形成される。実施例ではＮｂＩ
Ｉの全膜厚にわたって酸化するので、印加電圧は３５〜
１２０Ｖである。

なおＮｂ膜１４だけでなくその下のＡｉ−ＡＪＩＯｘ［
１３やＮｂＷＪ１２の一部が酸化されてもよい。

（４）次いで不図示の別のレジスト膜をマスクとしてＲ
ＩＥ法により陽極酸化膜１６．Ａ見−Ａ立Ｏｘ膜１３お
よびＮｂ膜１２をエツチングしてパターニングを行なう
（同図（ｄ））。このときの反応ガスは、それぞれＣＨ
Ｆ３．Ａｒ。

ＣＦ４＋５％０２を用いる。

（５）次に層間絶縁膜として膜厚４００〜５００　ｎ　
ｍ＋７）Ｓ＋Ｏｚ膜１９全１９ッタ法、ＣＶＤ法等で形
成する（同図（ｅ））。

（６）次いで不図示のレジスト膜をマスクとしてＲＩＥ
加工よりコンタクトホール２ｏを形成する。反応ガスと
してはＣＨＦ３を用いるが、ガス圧が１５ｍＴｏｒｒの
とき、エツチングレートは、Ｓ＋０２．　Ｎｂ２Ｏ５、
Ｎｂに対しそれぞれ３０，１５゜５ｎｍ／分である。こ
のためＮｂ２０５膜からなる陽極酸化膜１６はエツチン
グストッパとして働くので、接合領域よりも広いコンタ
クトホールを形成することができる（同図（ｆ））。

（７）次にＡｒ中でスパッタクリーニングすることによ
り対向電極１８の表面の薄い酸化膜を除去した後に、膜
厚５００〜８００ｎｍのＮｂ膜からなる配線膜２１を形
成した後にパターン加丁する（同図（ｇ））。

このように本発明の実施例によれば２つの異なったレジ
ストパターンを用いて２回陽極酸化することにより、微
細パターンの対向電極を容易に、かつ正確に形成するこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば複数の異なったパ
ターンのレジストを用いて複数回、陽極酸化を行なうこ
とにより、極めて微細な対向電極、すなわちジョセフソ
ン接合素子の接合領域を再現性良く、容易に作成するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のジョセフソン接合素子の製造方法の原
理を説明する図、 第２図は本発明の実施例に係るジョセフソン接合素子の
製造工程を説明する図、 第３図は従来例の製造方法を説明する図、第４図は従来
例の問題点を説明する図である。 （符号の説明） １．１１・・・Ｓｉ基板、 ２．４，１２．１４・・・Ｎｂ膜、 ３．１３・・・Ａ又−Ａ文Ｏ！膜、 ５．１５．１７・・・レジスト膜、 ６．１６・・・陽極酸化膜、 ７．１８・・・対向電極、 ８・・・レジストパターン、 ９・・・接合領域、 １０・・・コンタクト領域、 １９・・・５ｉ０２膜、 ２０・・・コンタクトホール、 ２１・・・Ｎｂ配線膜。 ゛、ユニー　′ （α） 不老朗ハＶ克嘗Ｊ図 第２図（での１） ／５ＬＯ２膜１９ 木潮呼のヅに拗１］図 第　２　図　はの２） 不旬明の電党務ＩＪ図 第２図しの３） ｔｌ−） 字配　１辷　７折りのま濱九　１月　〔８（ｃＬ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の超伝導金属膜、トンネルバリア膜および第２の超
   伝導金属膜を順次、基板上に重ねて成膜する工程と、 前記第２の超伝導金属膜のうち対向電極となるべき領域
   を残して該第２の超伝導金属膜の全膜厚について陽極酸
   化する工程とを有するジョセフソン接合素子の製造方法
   において、 前記対向電極となるべき領域は、複数の異なるパターン
   のマスクを用いて複数回の陽極酸化を行い、該パターン
   を部分的に重ね合わせることにより画定されるものであ
   ることを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。