JPS6396973A - 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／トンネルバリア膜／基部電極からな
るジョセフソン接合素子の製造方法において、ジョセフ
ソン接合領域を除いて対向電極形成用の超伝導金属膜を
エツチング除去し、更に露出した基部電極用の超伝導金
属膜を陽極酸化して酸化膜を形成することによりジョセ
フソン接合素子領域の面積を画定し、該対向電極にコン
タクトするため、ドライエツチングにより居間絶縁膜に
開口部を設けるときには、該陽極酸化膜をエツチングの
ストッパとして用いることによりジョセフソン接合素子
の面積よりも広い面積の窓開けを可能とする。これによ
り微細構造のジョセフソン接合素子を再現性よく、容易
に製造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子の電極材料は、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、Ｎ
ｂ　Ｎ）に変わり、これにより素子の安定性が飛躍的に
向上している。特にＮｂ／ＡｌＯｘ／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。しかし回路の集植度を上げるためには、１４ｍ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〕

第３ｒＡは従来例に係るジョセフソン接合素子の構造を
示す断面図である。この接合素子の製造方法を説明する
と、まずＳｉ基板ｌ上に、膜厚２００〜３００ａｍの基
部電極２用の第１の超伝導金属膜（Ｎｂ膜）、極めて薄
いトンネルバリア膜（Ａｌｌ−ＡＩＯｘ　ｖ）３　、膜
厚２００ｎｍの対向電極４用の第２の超伝導金属膜（Ｎ
ｂ膜）４が同一真空層内で連続成膜された後に、それぞ
れの電極パターンがＨＩＥ加工等により形成される。

次いで層間絶縁膜としての５１０２膜やＳｉｎ膜を成膜
した後に、コンタクトホール６をＲＩＥ加工等により形
成する。最後に配線層７としてのＮｂ膜を成膜した後に
パターン形成する。

ところでこの製造方法によれば、コンタクトホール６は
対向電極のパターン内に設ける必要がある。もしコンタ
クトホールの形成位置が対向電極パターンより外側には
みだすと、配［７と基部電極２とが電気的に短絡して正
常な接合素子特性が得られなくなる。このため露光時の
位置合せ余裕を含め、コンタクトホール６の大きさは接
合領域（すなわち対向電極の債城）よりもある程度小さ
くする必要がある。ところがコンタクトホール６を再現
性良く適正に形成するためには、一定の大きさく例えば
Ｉｇｍ）以上の寸法が要求されるので、寸法がｉｐ、ｍ
程度の接合素子を形成することは極めて困難である。

そこで第４図（ａ）〜（Ｃ）に示すような接合構造のジ
ョセフソン接合素子の製造方法が提案されている（Ｍａ
ｒｏｈａｇｈｉ　ｅｔａｌ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅ
ｔｔ、Ｖｏｌ。

４８、Ｎｏ、３．Ｐ２Ｓ５〜Ｐ２５８，１９８８）　、
以下、コノ接合素子の製造方法を説明する。

（＆）まず基板８上に基部電極９用のＮｂＷＪ、トンネ
ルバリア膜１０用のＡＡｌｌ−Ａｌ０ｘ、対向電極１１
用のＮｂ［を同一真空層内で連続成膜した後、レジス）
１ｇ！１２をマスクとしてＲＩＥ加工により対向電極１
１をパターン形成し、更にＡ「スパッタリングによりＡ
ｎ−ＡＩＯｘを除去する１次いで露出したＮｂ１ｌ（基
部層Ｊ１９の表面および対向電極１１の側面）を陽極酸
化する。このときの印加電圧は１０〜２０Ｖで、形成さ
れる陽極酸化膜は２０〜４０ｎｍである。

（ｂ）次にエツチングスト−／パ１４として膜厚２０〜
４０ｎｍのＡ立設を蒸着により形成し、アセトンによっ
てレジスト！！１１２を除去することによりパターン形
成する。

（Ｃ）次いでスパッタ又はＣＶＤ法等により層間絶縁膜
１５としてのＳ、０２膜を形成し、　ＣＨＦｚ反応ガス
を用いてＲＩＥ加工によりコンタクトホール１６を形成
する。このときＡｎ＠はエツチングストッパとして働く
ので、コンタクトホール径が接合領域より大きくても、
陽極酸化＠１３が露出することはない０次に配置Ｒ１７
としてＮｂをスパッタ法で成膜した後、パターン形成す
る。

このように、この製造方法によればジョセフソン接合の
寸法を、コンタクトホールの大きさに制限されることな
く、極めて小さくすることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、その方法には次のような問題点がある。

（１）第４図（＆）に示す対向電極１１をＲＩＥ加工に
より形成するとき、サイドエツチングにより側面が削ら
れて実質的に接合面積が減少する。

特に接合寸法がＩｇｍ程度になると、サイドエツチング
量のバラツキや再現性が接合面積に大きく影！する。

（２）エツチングストッパ１４としてのＡｎ膜は２０〜
４０ｎｍの膜厚で蒸着により形成されるが、ウェハー内
に多数個の接合をつくる場合、リフトオフによりレジス
ト膜１２上のＡｌｎをすべて完全に除去することが困難
である。それはレジストｌ１ｌｉ１２をマスクとしてＲ
２Ｈ法により対向電極やトンネルバリア膜をエツチング
するときのプラズマにより該レジスト膜１２がダメージ
を受けたり、あるいはレジスト膜自体もエツチングされ
て膜減りが生じているからである。もしＡｎ膜の不必要
な部分が完全に除去されないで、例えばＡ旦膜のパリが
生ずるとき、他の配線膜の断線や配線間のショートを招
く原因となる。

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、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によって形成されるジョセフ
ソン接合素子の構造断面図である０図において１８はＳ
＋大基板あり、その上に基部電極２４、トンネルバリア
Ｉｇ１２５および薄く形成された対向電極２７からなる
ジョセフソン接合が形成されている。また２６は陽極酸
化膜、２８は層間絶縁膜であり、配線［３０は該層間絶
縁ＩＩ！２２８に形成されたコンタクトホール２９を介
して対向電極２７にコンタクトしている。

〔作用〕

本発明では対向電極２７の膜厚を薄く形成しているので
１例えばＲＩＥ加工によって該対向電極をパターニング
するときパターンの寸法ずれが少なく、このため微細な
寸法の対向電極を高精度に作成することができる。

また基部電極２４を陽極酸化することによって形成され
た陽極酸化膜２６は、層間絶縁ｒｇ２Ｂのコンタクトホ
ール２９を形成する際のエツチングストッパとしての役
割を果たす、これによりコンタクトホール２９の寸法の
大きさに依存しない極めて微細な構造のジョセフソン接
合素子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いて説明する
。

（１）Ｓｔ基板１８上にＮｂ膜１９．Ａ見−ＡｎＯｘｎ
Ｏｘ膜上０Ｎｂ膜２１を同一真空層内で順次、連続成膜
する。このときＮｂ膜はｄＣ又はｒｆマグネトロンスパ
ッタで成膜し、Ｎｂ１ｌｉ１９は２００〜３００ｎｍと
厚く、一方Ｎｂ１１２１は３０−１００ｍｍと薄く形成
する。またＡｎはｄＣ又はｒｆスパッタ法により３〜１
０ｎｍで成膜し、その後、酸素を導入してＡ文表面にＡ
ｌＯｘを形成する。

なお５１基板１８とＮｂ１ｌＪ１９との間に、熱酸化膜
、超伝導接地面膜、絶縁膜又住抵抗等が形成されていて
もよい（第２図（ａ））。

（２）次いでレジスト膜２２をパターニングした後、該
レジスト膜２２をマスクとしてＮｂ１ｌｉＪ２１および
、その下のＡ立−Ａ！ｌＯ！１ＦＪ２０をＲＩＥ加工に
よりエツチング除去する（第２図（ｂ））、このときの
反応ガスは、それぞれＣＦａ＋５％０２．Ａｒを用いる
。

（３）次にレジストＩｔ！Ｊ２２をマスクとして露出し
たＮｂ膜１９の陽極酸化を行ない、　Ｎｂ２Ｏ５膜２３
を形成する（第２図（Ｃ））、このときの１［解液とし
てエチレングリコールとホウ酸アンモニウムの混合液を
用いる。ｍ極酸化されるＮｂ１ｌの膜厚は印加電圧によ
って決定される。すなわちｌｖでは０．９ｎｍのＮｂ！
ｌが消費される（但し、このとき２．３ｎｍのＮｂ２Ｏ
５％が形成される。）０本実施例では、３０〜８０Ｖの
電圧で陽極酸化を行なう、なおこのとき対向電極の側面
も同時に酸化される。

（４）次いで不図示の別のレジスＨＦＪをマスクとして
ＲＩＥ加工によりＮｂ２Ｏ５膜２３およびＮｂ膜１９を
エツチングして、基部電極２４．トンネルバリア膜２５
．陽極酸化膜２６．対向′１！極２７を形成する（ｆｒ
’、２図（ｄ））、このときの反応ガスは、ツレぞしｃ
　ＨＦ３　、　ＣＦａ　＋　５％０２　）Ｆｒ−用いる
。

（５）次に層間絶縁１ｇ１２８として膜厚４００〜５０
０ｎｍのＳ、０２膜をスパッタ法、ＣＶＤ法等で形成す
る（第２図（ｅ））。

（６）次いで不図示のレジストｓをマスクとしてＲＩＥ
加工よりコンタクトホール２９を形成する０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、５ｌｚｌＰ２　、　Ｎｂ２
Ｏ５膜　、　Ｎ　ｂ　ｍ　ニ対シソｈツレ３０　。

１５．５ｎｍ／分である。コノためＮｂ２Ｏ５膜からな
る陽極酸化膜２６はエツチングスト−／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（第２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２７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３０を形
成した後にパターン加工する（第２図（ｇ））。

このように本発明の実施例によればＮｂ膜２１を薄く形
成しているので、該ＮｂＫ！２１をＲＩＥ加工するとき
の加工精度が向上し、これにより極めて微小面積の対向
電極を精度良く、容易に形成することができる。また陽
極酸化により形成されたＮｂ２Ｏ５Ｉ模２３をコンタク
トホール２９を形成するときのエツチングストッパとし
て利用できるので、コンタクトホール径に依存しない極
めて微細構造のジョセフソン接合素子を、ウェハ上に均
一に、かつ再現性良く形成することができる。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば対向電極形成用の
超伝導金属膜の厚さを薄くするので、該超伝導金属膜の
パターニングの精度が向上する。

このため極めて微小面積の対向電極を精度良く形成する
ことができる。

また基部電極を陽極酸化することにより形成した酸化膜
を居間絶縁膜のコンタクトホール形成時のエツチングス
トッパとして利用することができるので、コンタクトホ
ール径に依存しない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できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法によって作成されるジョセフ
ソン接合素子の断面図、 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
製造方法を説明する断面図、 第３図は従来例の製造方法を説明する断面図。 第４図は別の従来例の製造方法を説明する断面図である
。 （符号の説明） ｔ、ａ、ｉａ・・・Ｓｔ基板、 ２．９．２４・・・基部電極、 ３．１０．２５・・・トンネルバリア膜、４．１１．２
７・・・対向電極。 ５．１５．２８・・・層間絶縁膜、 ６．１６．２９・・・コンタクトホール。 ７．１７．３０・・・配線膜、 １２．２２・・・レジスト膜、 １３．２８・・・陽極酸化膜。 １４・・・エツチングストッパ、 １９．２１・・・Ｎｂ膜、 ２０　・−・Ａ　Ｉ　−Ａ　Ｉ　Ｏｘ　ＩＥ！、２３・
・・Ｎｂ２Ｏ５膜。 代理人　弁理士　井桁　貞−ゝ１ （Ｃ） 、≧ト、８却ｉυ月／−１１ビラ出ヒイγす＄ジしｖｆ
Ｊ、ｇ３第２図（２め１） ＋ｄ） （ｅ） ｆｔ 」（撰５ｐ月め１ミづセム苓り６愛、ν４区第２図（ぞ
／１２） 本完明ＬｙＮ椀砲孫）１名も朗図 第２図（ｆの３） （Ｃ） 別め捉ヌ舎島説朗因 第　４　＠

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薄膜の第
   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、 形成すべきジョセフソン接合領域を除き、トンネルバリ
   ア膜および前記第２の超伝導金属膜をパターニングする
   工程と、 前記露出した第１の超伝導膜を陽極酸化する工程と、 全面に絶縁膜を形成する工程と、 前記陽極酸化膜をエッチングストッパとして前記絶縁膜
   をドライエッチングし、前記ジョセフソン接合領域上に
   開口部を形成する工程と、 前記開口部を介して前記第２の超伝導金属膜にコンタク
   トする第３の超伝導金属膜を形成する工程とを有するこ
   とを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。