DE69020127T2 - Josephson-integrierte Schaltung mit einem Widerstandselement. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf integrierte Josephson-Schaltungen, und im besonderen auf eine integrierte Josephson-Schaltung, die ein Widerstandselement enthält.
• Bei der Entwicklung von superschnellen integrierten Schaltungen, bei denen Josephson-Übergänge verwendet werden, werden intensive Anstrengungen unternommen. Typischerweise ist der Josephson-Übergang durch einen AlOx-Tunnelsperrfilm gebildet, der zwischen einem Paar von supraleitenden Niobschichten angeordnet ist. Solch eine integrierte Josephson- Schaltung enthält im allgemeinen Widerstandselemente, und für das Widerstandsmaterial, das das Widerstandselement bildet, wird gewöhnlich Molybdän oder Zirkonium verwendet. Besonders Zirkonium wird für das Widerstandselement bevorzugt, da es eine Ätzrate aufweist, die wesentlich kleiner als jene von Niob ist, das für das supraleitende Zwischenverbindungsmuster verwendet wird. Die Herstellung des Widerstandselements, die den Schritt des Musterns der Metallschicht aus Widerstandsmaterial durch Ätzen enthält, wird dadurch wesentlich vereinfacht.
• Fig. 1A - 1D zeigen ein herkömmliches Verfahren zum Vorsehen des Zirkonium-Widerstandselements, wie es in der Zusammenfassung Nummer 27a-Q-5 des Herbsttreffens der Japanischen Gesellschaft für Angewandte Physik, das im September 1989 stattfand, beschrieben ist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1A wird zuerst eine Zirkoniumschicht 11, die als Widerstandsstreifen dient, auf einem Siliziumsubstrat durch Sputtern oder ein ähnliches Verfahren abgeschieden und anschließend gemustert, um einen Zirkoniumstreifen mit einem gewünschten Widerstandswert zu bilden. Bei diesem Musterungsverfahren wird das Substrat 10 aus der Abscheidungsvorrichtung entfernt und zu einer Ätzvorrichtung befördert. Während dieser Beförderung wird die Oberfläche der Zirkoniumschicht 11 unvermeidlich der Luft ausgesetzt, und da wird auf der Oberfläche der Zirkoniumschicht 11 ein Zirkoniumoxidfilm 11a gebildet. Im allgemeinen weist das Oxid von Zirkonium bei Raumtemperatur eine Halbleitercharakteristik auf, verhält sich aber bei extrem niedrigen Temperaturen, wie bei 4,2 K, welches die Temperatur ist, die zum Betreiben der Josephson-Anordnungen verwendet wird, wie ein Isolator. Mit anderen Worten, die Oberfläche der Zirkoniumschicht 11 wird vollständig mit dem isolierenden Zirkoniumoxidfilm bedeckt. Die Dicke dieses Zirkoniumoxidfilms 11a kann etwa 2 - 3 nm betragen, während die Dicke des Zirkoniumstreifens 11 in Abhängigkeit von dem gewünschten Widerstandswert des Widerstandselements etwa 100 nm betragen kann. Nach der Beförderung zu der Ätzvorrichtung wird die Zirkoniumschicht 11 durch ein reaktives Ionenätzverfahren (RIE) und dergleichen unter Verwendung eines Kohlenstofftetrachlorid- (CCl&sub4;)-Ätzgases zu einem zirkoniumstreifen gemustert, wie in FIG. 1A gezeigt. Es sei angemerkt, daß das RIE-Verfahren unter Verwendung von CCl&sub4; auf Zirkonium und Niob im wesentlichen mit derselben Ätzrate wirkt.
• Auf diesem Zirkoniumstreifen 11 wird eine supraleitende Niobzwischenverbindung abgeschieden. Da dieser Oxidfilm 11a die elektrische Verbindung mit dem Zirkoniumstreifen 11 verhindert, wird die Struktur von FIG. 1A zuerst einem Sputterätzverfahren unterzogen, bei dem die Zirkoniumoxidschicht 11a durch einen Beschuß mit Argonionen entfernt wird, wie in FIG. 1B gezeigt. Dieses Sputterätzverfahren wird fortgesetzt, bis im wesentlichen die gesamte Oxidschicht 11a beseitigt ist.
• Nach dem Entfernen der Oxidschicht 11a wird eine Niobschicht 12 abgeschieden, um den Zirkoniumstreifen 11 darunter zu vergraben, wie in FIG. 1C gezeigt, und die Niobschicht 12 wird zu einem ersten Leitersegment 12a und einem zweiten Leitersegment 12b gemustert, die voneinander getrennt sind, wie in FIG. 1D gezeigt, wobei der Zirkoniumstreifen 11 zwischen dem Leitersegment 12a und dem Leitersegment 12b liegt. Diese Musterung wird durch ein RIE- Verfahren unter Verwendung von Kohlenstofftetrafluorid (CF&sub4;) als Ätzgas erreicht. Dadurch sind sowohl das erste als auch das zweite Leiterelement 12a und 12b mit dem Zirkoniumstreifen 11 elektrisch verbunden. Da das RIE-Verfahren auf Niob selektiv wirkt, bleibt der Zirkoniumstreifen 11 im wesentlichen intakt, selbst wenn die Niobschicht 12 gemustert wird.
• Bei dem obigen Verfahren wird sofort klar, daß das Verfahren bei dem Schritt von FIG. 1b zum Entfernen des Oxidfilms 11a mit einem Problem behaftet ist. Da der Beschuß mit Argonionen keinen Unterschied bezüglich dessen macht, ob der Gegenstand der Oxidfilm 11a oder der Zirkoniumstreifen 11 ist, besteht eine große Gefahr, daß der Zirkoniumstreifen 11 selbst dem Sputterätzverfahren ausgesetzt wird, nachdem der Oxidfilm 11a entfernt ist. Wenn dies passiert, wird der Widerstandswert des Widerstandselements unvermeidlich von dem berechneten Widerstandswert abweichen. Zur Zeit ist es extrem schwierig, das Sputterätzverfahren exakt zu dem Zeitpunkt zu stoppen, wenn die obere Oberfläche des Zirkoniumstreifens 11 exponiert ist. Ferner ist die obige herkömmliche Struktur von FIG. 1d mit dem Problem der zeitabhängigen Veränderung des Widerstandswertes des Widerstandselements behaftet, wie später unter Bezugnahme auf den Effekt der vorliegenden Erfindung beschrieben wird.
• Wenn andererseits für den Widerstandsstreifen 11 anstelle des Zirkoniums Molybdän verwendet wird, tritt bei dem Schritt von FIG. 1d zum Mustern der supraleitenden Niobschicht ein Problem auf, da Molybdän eine Ätzrate hat, die mit der Ätzrate des Niob im wesentlichen identisch ist. Somit würde das Musterungsverfahren von FIG. 1d den Molybdänwiderstandsstreifen 11 vollkommen entfernen. Um dies zu vermeiden, muß ein Teil der Oberfläche des Streifens 11, der dem Teil entspricht, der in der Struktur von FIG. 1D exponiert ist, durch ein Material, wie Siliziumoxid, geschützt werden, das gegenüber dem Ätzverfahren immun ist. Das Vorsehen von solch einer Schutzzone erfordert jedoch ein komplexes Abscheidungs- und Musterungsverfahren zwischen dem Schritt von FIG. 1B und dem Schritt von FIG. 1C und ist nicht wünschenswert. Eine Josephson-Schaltung, bei der Mo- Widerstände verwendet werden, ist zum Beispiel in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 24, Nr. 5 (Oktober 1989), Seiten 1363-1371 gezeigt, obwohl das Herstellungsverfahren nicht im einzelnen beschrieben ist.
• Demzufolge ist es innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung im allgemeinen wünschenswert, eine neuartige und nützliche integrierte Josephson-Schaltung vorzusehen, bei der die obigen Probleme beseitigt oder wenigstens reduziert sind, im besonderen, eine integrierte Josephson-Schaltung vorzusehen, in der ein Widerstandselement aus Zirkonium enthalten ist, das einen Widerstand hat, der seinem berechneten Widerstandswert nahekommt, und bei der die Veränderung des Widerstandswertes des Zirkoniumelements mit der Zeit im wesentlichen eliminiert ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine integrierte Josephson-Schaltung vorgesehen, mit: einem Substrat, das eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und mit einer Josephson-Anordnung auf der oberen Hauptoberfläche gebildet ist; einem Widerstandsstreifen aus Zirkonium, der eine untere Hauptoberfläche und eine obere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist; einer ersten schwer schmelzenden Metallschicht, die eine untere Hauptoberfläche und eine obere Hauptoberfläche hat und auf einer ersten Zone der oberen Hauptoberfläche des Widerstandsstreifens vorgesehen ist; einer zweiten schwer schmelzenden Metallschicht, die eine untere Hauptoberfläche und eine obere Hauptoberfläche hat und auf einer zweiten Zone der oberen Hauptoberfläche des Widerstandsstreifens vorgesehen ist, die von der genannten ersten Zone getrennt ist; einem ersten Supraleiterzwischenverbindungsmuster, das auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, um die obere Hauptoberfläche der ersten schwer schmelzenden Metallschicht zu bedecken; und einem zweiten Supraleiterzwischenverbindungsmuster, das von dem ersten Supraleiterzwischenverbindungsmuster getrennt ist und auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, um die obere Hauptoberfläche der zweiten schwer schmelzenden Metallschicht zu bedecken; welche Zwischenverbindungsmuster aus einem Material sind, das sich von jenem der schwer schmelzenden Metallschichten unterscheidet.
• Das schwer schmelzende Metall, das für die ersten und zweiten schwer schmelzenden Metallschichten verwendet wird, kann Niob, Molybdän, Titan, Vanadium, Tantal, Wolfram, Platin und Palladium umfassen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß die Veränderung des Widerstandes des Zirkoniumwiderstandsstreifens mit der Zeit gegenüber der Konstruktion nach dem Stand der Technik beträchtlich verbessert wird.
• Aus einem anderen Aspekt befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem Verfahren zum Herstellen einer integrierten Josephson-Schaltung, die ein Widerstandselement enthält, mit den Schritten: Abscheiden einer Zirkoniumschicht auf einem Substrat der integrierten Josephson- Schaltung; Abscheiden einer schwer schmelzenden Metallschicht auf der Zirkoniumschicht, ohne die Zirkoniumschicht der Luft auszusetzen; Mustern der Zirkoniumschicht und der schwer schmelzenden Metallschicht, um einen Widerstandsstreifen zu bilden; Entfernen einer Oxidschicht, die auf der genannten schwer schmelzenden Metallschicht während des Musterungsschrittes gebildet wurde; Abscheiden einer Supraleiterschicht, die im wesentlichen aus Niob besteht, auf dem genannten Substrat, um den Widerstandsstreifen unter ihr zu vergraben; und Mustern der Supraleiterschicht, um ein supraleitendes Zwischenverbindungsmuster zu bilden, das mit dem Widerstandsstreifen verbunden ist, welches Mustern der Supraleiterschicht durch ein Ätzverfahren erreicht wird, das vorzugsweise die supraleitende Schicht und die schwer schmelzende Metallschicht entfernt, während die Zirkoniumschicht, die den Widerstandsstreifen bildet, im wesentlichen ungeätzt belassen wird.
• Mit der vorliegenden Erfindung wird die Gefahr, daß die Zirkoniumschicht in dem Widerstandsstreifen beim Schritt des Entfernens der Oxidschicht entfernt wird, durch das Vorsehen der schwer schmelzenden Metallschicht, die die Zirkoniumschicht schützt, im wesentlichen beseitigt, und die unerwünschte Veränderung der Dicke der Zirkoniumschicht, die als Widerstandsstreifen dient, wird eliminiert. Dadurch wird eine ungewollte Veränderung des Widerstandswertes des Widerstandsstreifens eliminiert. Da das schwer schmelzende Metall, das für die schwer schmelzende Metallschicht verwendet wird, eine Ätzrate hat, die im wesentlichen größer als jene von Zirkonium ist, beeinträchtigt das Ätzen, das zur Zeit des Musterns der Supraleiterschicht angewendet wird, die Dicke des Zirkoniumwiderstandsstreifens nicht. Andere Aufgaben und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden eingehenden Beschreibung zusammen mit den bei liegenden Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• FIG. 1A - 1D sind Diagramme, die den Herstellungsschritt eines herkömmlichen Widerstandselements zur Verwendung in einer integrierten Josephson-Schaltung zeigen;
• FIG. 2A - 2D sind Diagramme, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
• FIG. 3 ist ein Diagramm, das die Struktur einer integrierten Josephson-Schaltung zeigt, bei der das Widerstandselement der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
• FIG. 4A - 4J sind Diagramme, die den Herstellungsschritt der integrierten Schaltung von FIG. 3 zeigen.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
• FIG. 2A - 2D zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines Zirkoniumwiderstandselements zur Verwendung in einer integrierten Josephson- Schaltung.
• Unter Bezugnahme auf FIG. 2A wird ein isolierendes Substrat 21 aus Siliziumoxid und dergleichen in einer Abscheidungskammer einer Sputtervorrichtung (nicht gezeigt) untergebracht, und eine Zirkoniumschicht 22 wird auf dem Substrat 21 durch Sputtern mit einer vorbestimmten Dicke, wie 100 nm, abgeschieden. Dabei wird die Abscheidungskammer wie gewöhnlich evakuiert, und die Steuerung der Dicke der Zirkoniumschicht 22 wird mit hoher Präzision erreicht. Ferner wird eine schwer schmelzende Metallschicht 23 auf der Zirkoniumschicht 22 durch Sputtern unmittelbar nach der Abscheidung der Schicht 22 mit einer Dicke von etwa 10 nm abgeschieden, wobei dieselbe Sputtervorrichtung verwendet wird und ohne das Vakuum der Abscheidungskammer in der Vorrichtung zu unterbrechen. Dies kann leicht erfolgen, indem eine Stufe, die das Substrat 21 in der Abscheidungskammer hält, von einer ersten Position, die einem Zirkoniumtarget gegenüberliegt, zu einer zweiten Position, die einem Target des schwer schmelzenden Metalls gegenüberliegt, rotiert wird. Die schwer schmelzende Metallschicht 23 wird vorzugsweise aus einem schwer schmelzenden Metall hergestellt, das eine Ätzrate aufweist, wenn es einem Ätzverfahren ausgesetzt wird, die wesentlich größer als die Ätzrate des Zirkoniums unter derselben Ätzbedingung ist. Das schwer schmelzende Metall umfaßt Niob, Molybdän, Titan, Tantal, Wolfram, Vanadium, Palladium, Platin und dergleichen. Dadurch wird ein selektives Entfernen der schwer schmelzenden Metallschicht bezüglich der Zirkoniumschicht möglich, wie in der Beschreibung später erläutert wird. Ferner wird die Verwendung von anderen Metallen außer Niob besonders bevorzugt, da der Widerstandswert des erhaltenen Widerstandselements gegenüber einer Veränderung des Widerstandes mit der Zeit stabil ist, wie später beschrieben wird. Dies schließt jedoch Niob von dem in Frage kommenden Material für das schwer schmelzende Metall, das für die Schicht 23 verwendet wird, keineswegs aus.
• Nach der Abscheidung der schwer schmelzenden Metallschicht 23 wird das Vakuum der Abscheidungskammer unterbrochen und das Substrat 21 aus der Sputtervorrichtung herausgenommen. Dieses Substrat 21 wird dann einem fotolithografischen Musterungsverfahren unterzogen, bei dem ein Kohlenstofftetrachlorid-(CCl&sub4;)-Ätzgas verwendet wird, und dadurch werden die Zirkoniumschicht 22 und die schwer schmelzende Metallschicht 23 beide gemustert, um einen Widerstandsstreifen 200 zu bilden, der in FIG. 2A gezeigt ist. Es sei angemerkt, daß sowohl die Zirkoniumschicht 22 als auch die schwer schmelzende Metallschicht 23 im wesentlichen dieselbe Ätzrate gegenüber dem CCl&sub4;-Ätzgas haben. Es versteht sich, daß die Oberfläche der schwer schmelzenden Metallschicht 23 während dieses Verfahrens der Luft ausgesetzt wird. Dadurch wird ein Oxidfilm 24 aus dem schwer schmelzenden Metall gebildet, das die Schicht 23 bildet, wie in FIG. 2A gezeigt.
• Das so mit dem Widerstandsstreifen 200 gebildete Substrat 21 wird dann einem Sputterätzverfahren ausgesetzt, bei dem der Oxidfilm 24 durch den Beschuß mit Argonionen entfernt wird, wie in FIG. 28 gezeigt. Bei einem typischen Beispiel wird eine Vorspannung von 200 Volt zum Herstellen des Argonplasmas angewendet. Zur Entfernung des Oxidfilms 24 genügen einige Minuten des Sputterätzens.
• Nachdem die Oxidschicht 24 entfernt ist, wird eine Supraleiterschicht 25 aus Niob oder einer Nioblegierung auf dem Substrat 21, das den Widerstandsstreifen 200 enthält, mit einer Dicke abgeschieden, die ausreicht, um den Widerstandsstreifen unter ihr zu vergraben. Dadurch wird die in FIG. 2C gezeigte Struktur erhalten.
• Als nächstes wird die Struktur von FIG. 2C einem anderen fotolithografischen Musterungsverfahren unterzogen, bei dem die Niobschicht 25 einem RIE-Verfahren unter Verwendung des CF&sub4;-Ätzgases ausgesetzt wird, um den Widerstandsstreifen 200 zu exponieren, wie in FIG. 2D gezeigt, außer seinen beiden Enden. Dadurch wird die Niob-Supraleiterschicht 25 zu einem ersten Muster 25a und einem zweiten Muster 25b gemustert, die voneinander getrennt sind und beide Enden des Widerstandsstreifens 200 bedecken. Ferner wird auch die schwer schmelzende Metallschicht 23, die eine Ätzrate hat, die im wesentlichen mit der Ätzräte von Niob identisch oder größer als diese ist, wenn sie dem CF&sub4; ausgesetzt wird, gleichzeitig zu Schichten 23a und 23b gemustert, wobei die Schichten 23a und 23b an beiden Enden des Widerstandsstreifens 200 entsprechend da verbleiben, wo die ersten und zweiten Supraleitermuster 25a bzw. 25b abdecken. Andererseits bleibt die Zirkoniumschicht 22, die eine Ätzrate hat, die wesentlich kleiner als jene des Niob gegenüber dem CF&sub4;-Gas ist, im wesentlichen intakt. Dadurch wird durch den Zirkoniumstreifen 22 über die schwer schmelzenden Metallschichten 23a und 23b ein Stromweg gebildet, der sich von dem Muster 25a zu dem Muster 25b erstreckt.
• Es sei angemerkt, daß bei dem obigen RIE-Verfahren von FIG. 2D das Ätzen durch die Differenz der Ätzrate zwischen Zirkonium und anderen schwer schmelzenden Metallen automatisch stoppt, wenn die Zirkoniumschicht 22 als Resultat des Entfernens der Niobschicht 25 und der schwer schmelzenden Metallschicht 23 exponiert ist. Mit anderen Worten, die Dicke der Zirkoniumschicht 22 in dem Widerstandsstreifen 200 ist im wesentlichen identisch mit der Anfangsdicke der Zirkoniumschicht 22 vor dem Mustern, und deshalb sieht der Widerstandsstreifen 200 einen exakten, berechneten Widerstandswert in der integrierten Josephson-Schaltung vor.
• Es sei angemerkt, daß bei dem obigen Herstellungsverfahren die Zirkoniumschicht 22 in der Struktur von FIG. 2D eine Dicke hat, die im wesentlichen mit der ursprünglichen, wie der abgeschiedenen Dicke von FIG. 2A identisch ist, selbst wenn das Sputterätzverfahren von FIG. 28 angewendet wird. Während des Schrittes von FIG. 28 wird die Zirkoniumschicht 22 vor dem Sputterätzen durch die schwer schmelzende Metallschicht 23 geschützt, und somit verändert sich die Dicke der Schicht 22 nicht, solange die Schicht 23 auf der Schicht 22 bleibt. Diese schwer schmelzende Metallschicht 23 wird anschließend bei dem RIE-Verfahren von FIG. 2D gegenüber der Zirkoniumschicht 22 selektiv entfernt. Wie schon erwähnt, ändert sich die Dicke der Zirkoniumschicht auf Grund der reduzierten Ätzrate von Zirkonium gegenüber dem CF&sub4;-Gas nicht wesentlich.
• In der somit gebildeten Struktur von FIG. 2D bilden die supraleitenden Muster 25a und 25b einen zuverlässigen elektrischen Kontakt mit der oberen Hauptoberfläche der schwer schmelzenden Metallschichten 23a und 23b, von denen die Oxidfilme durch das Sputterätzverfahren von FIG. 28 entfernt wurden. Andererseits ist die Seitenwand des Widerstandsstreifens 200 selbst nach dem Schritt von FIG. 28 auf Grund des reduzierten Wirkungsgrades beim Sputterätzen noch mit Oxidfilm bedeckt, und es wird kein zuverlässiger elektrischer Kontakt zwischen den supraleitenden Mustern 25a, 25b und dem Widerstandsstreifen 200 in der seitlichen Richtung erreicht. Dies ist der Grund dafür, daß die supraleitenden Muster 25a und 25b vorgesehen sind, um die obere Hauptoberfläche des Widerstandsstreifens über die schwer schmelzenden Metallschichten 23a und 23b zu bedecken.
• Als nächstes werden die Strukur und das Herstellungsverfahren einer integrierten Josephson-Schaltung beschrieben, bei der der Widerstandsstreifen der obigen Ausführungsform gebildet wird.
• Unter Bezugnahme auf FIG. 3, die einen Teil der integrierten Josephson-Schaltung zeigt, ist die integrierte Schaltung auf einem Siliziumsubstrat 30 gebildet, und eine Grundebene 31 aus Niob ist auf dem Siliziumsubstrat 30 mit einer Dicke von 200 - 300 nm gebildet. Auf der Grundebene 31 ist eine dielektrische Schicht 32 aus Siliziumoxid mit einer Dicke von 200 - 300 nm vorgesehen, und auf der Siliziumoxidschicht 32 ist ein Zirkoniumwiderstandsstreifen 33 mit einer Dicke von etwa 100 nm gebildet. Diese Dicke des Zirkoniumstreifens 33 kann in Abhängigkeit von dem gewünschten Widerstandswert wie erforderlich verändert werden.
• Auf der Niobgrundebene 31 ist eine Anzahl von unteren Elektroden 35a, 35b und 35c, die alle aus Niob sind, mit einer Dicke von etwa 200 nm gebildet, bei denen die Elektroden 35a und 35b über dazwischenliegende Niobschichten 34 mit dem Zirkoniumstreifen 33 elektrisch verbunden sind. Es versteht sich, daß die dielektrische Siliziumoxidschicht 32 hier dem Substrat 21 entspricht, der Zirkoniumstreifen 33 der Zirkoniumschicht 22 entspricht, die Niobschichten 34 den schwer schmelzenden Metallschichten 23a und 23b entsprechen und die Elektroden 35a und 35b den Supraleitermustern 25a bzw. 25b von FIG. 2D entsprechen.
• In der Struktur von FIG. 3 kontaktiert die Niobelektrode 35a elektrisch die Grundebene 31 über ein Kontaktloch 32', das in der dielektrischen Schicht 32 gebildet ist. Ferner ist auf der unteren Niobelektrode 35b eine Tunnelsperrschicht 36 aus AlQx mit einer Dicke von etwa 6 nm gebildet, und die Tunnelsperrschicht 36 bildet zusammen mit der unteren Elektrode 35b und einer anderen, oberen Elektrode 37 aus Niob, die auf der Tunnelsperrschicht 36 mit einer Dicke von 200 nm gebildet ist, einen Josephson-Übergang.
• Ferner ist eine zweite dielektrische Schicht 38 aus Siliziumoxid mit einer Dicke von 400 - 600 nm vorgesehen, um den Zirkoniumwiderstandsstreifen 33, die unteren Niobelektroden 35a, 35b und 35c und die obere Niobelektrode 37 zu bedecken. Diese zweite dielektrische Schicht 38 ist mit Kontaktlöchern versehen, die einen Teil der oberen Elektrode 37 und einen Teil der unteren Elektrode 35c exponieren, und auf der zweiten dielektrischen Schicht 38 ist zum Kontakt mit der Elektrode 37 und der Elektrode 35c durch diese Kontaktlöcher ein anderes supraleitendes Niobzwischenverbindungsmuster 39 vorgesehen.
• In dieser integrierten Josephson-Schaltung ist das Widerstandselement mit einem genau gesteuerten Widerstandswert gebildet, indem die Struktur und das Verfahren von FIG. 2A - 2D verwendet wird, und dadurch wird die Veränderung der Betriebscharakteristik in der erhaltenen integrierten Schaltung minimiert.
• Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen der integrierten Josephson-Schaltung von FIG. 3 unter Bezugnahme auf FIG. 4A - 4J beschrieben.
• Unter Bezugnahme auf FIG. 4A wird die NiobGrundebene 31 auf dem Siliziumsubstrat 30 durch ein Sputterverfahren mit der Dicke von 200 - 300 nm vorgesehen. Diese Grundebene 31 wird im wesentlichen durch ein fotolithografisches Musterungsverfahren unter Verwendung von CF&sub4; gemustert, um einen Graben 31' zum Entfernen des restlichen Magnetflusses von der Grundebene 31 zu bilden.
• Als nächstes wird die dielektrische Siliziumoxidschicht 32 auf der Grundebene 31 durch ein Sputterverfahren mit der Dicke von 200 - 300 nm vorgesehen, wie in FIG. 48 gezeigt.
• Ferner wird die Zirkoniumwiderstandsschicht 33 auf der Siliziumoxidschicht 32 durch ein Sputterverfahren mit der Dicke von etwa 100 nm vorgesehen. Nachdem die Zirkoniumschicht 33 gebildet ist, wird die Niobschicht 34 anschließend in derselben Abscheidungskammer der Sputtervorrichtung mit der Dicke von 10 - 20 nm abgeschieden, ohne das Vakuum zu unterbrechen. Nach der Abscheidung der Niobschicht 34 wird das Substrat 30 aus der Abscheidungskammer der Sputtervorrichtung herausgenommen und einem fotolithografischen Musterungsverfahren unterzogen, bei dem der Zirkoniumstreifen 33 und die Niobschicht 34 gleichzeitig durch ein RIE- Verfahren unter Verwendung des CCl&sub4;-Ätzgases gemustert werden, um einen Widerstandsstreifen zu bilden, der in FIG. 4C gezeigt ist. Es sei angemerkt, daß die Niobschicht 34 während dieses Musterungsverfahrens der Luft ausgesetzt ist und auf der exponierten Oberfläche der Schicht 34 unvermeidlich eine Oxidschicht 34' gebildet wird.
• Als nächstes wird auf die dielektrische Schicht 32 ein anderes fotolithografisches Musterungsverfahren angewendet, bei dem die Schicht 32 einem RIE-Ätzverfahren unter Verwendung von CHF&sub3; als Ätzgas unterzogen wird. Dadurch wird in der dielektrischen Schicht 32 ein Kontaktloch 32' gebildet, wie in FIG. 4D gezeigt.
• Als nächstes wird die Struktur von FIG. 4D wieder in der Reaktionskammer der Sputtervorrichtung angeordnet und darin einem Sputterätzverfahren unterzogen, wie in FIG. 4E gezeigt, bei dem der Oxidfilm 34' auf der Niobschicht 34 durch den Beschuß mit Argonionen entfernt wird. Nach der Entfernung des Oxidfilms 34' wird der Josephson-Übergang, der die AlOx-Tunnelsperrschicht umfaßt, die zwischen einem Paar von Niobschichten angeordnet ist, in derselben Sputtervorrichtung gebildet. Genauer gesagt, die untere Niobelektrode 35, die AlOx-Tunnelsperrschicht 36 und die obere Niobelektrode 37 werden in der Abscheidungskammer konsekutiv abgeschieden, wobei die Dicke der Schichten 35 und 37 auf etwa 200 nm festgelegt ist, während die Dicke der Schicht 36 auf etwa 6 nm festgelegt ist. Dadurch wird die in FIG. 4F gezeigte Struktur erhalten.
• Ferner wird die Struktur von FIG. 4F einem fotolithografischen Musterungsverfahren unterzogen, bei dem die obere Elektrode 37 durch ein RIE-Verfahren unter Verwendung von CF&sub4; als Ätzgas entfernt wird, außer einem Teil von ihr, der den Josephson-Übergang bildet, und anschließend wird die Tunnelsperrschicht 36 entfernt, außer einem Teil von ihr, der unter dem Teil der Elektrode 37 angeordnet ist, der ungeätzt bleibt. Dadurch wird eine Struktur erhalten, die in FIG. 4G gezeigt ist.
• Als nächstes wird die untere Elektrode 35 dem fotolithografischen Musterungsverfahren unter Verwendung des RIE-Verfahrens und des CF&sub4;-Ätzgases unterzogen, um die Elektroden 35a, 35b und 35c zu bilden, wie in FIG. 4H gezeigt. Ferner wird die dielektrische Siliziumoxidschicht 38 auf der Struktur von FIG. 4H durch ein Sputterverfahren mit der Dicke von 300 - 400 nm abgeschieden. Die Schicht 38 wird anschließend dem fotolithografischen Mustern unterzogen, bei dem ein Kontaktloch 38' in der Schicht 38 durch ein RIE-Verfahren unter Verwendung des CHF&sub3;-Ätzgases gebildet wird. Dadurch wird eine Struktur erhalten, die in FIG. 4I gezeigt ist.
• Als nächstes wird eine Niobschicht, die die Supraleiter-Niobzwischenverbindungsschicht 39 bildet, auf der Struktur von FIG. 4I durch ein Sputterverfahren mit der Dicke von 400 - 600 nm vorgesehen. Diese Schicht wird anschließend durch das RIE-Verfahren unter Verwendung des CF&sub4;-Ätzgases gemustert, und die gemusterte Zwischenverbindung 39 wird erhalten, wie in FIG. 4J gezeigt.
• Mit den obigen Schritten ist die integrierte Josephson- Schaltung von FIG. 3 vollendet. In dieser Anordnung tritt das Problem des ungewollten Ätzens der Zirkoniumschicht bei dem Schritt von FIG. 4E nicht auf, da die Niobschicht 34 den Zirkoniumstreifen 33 schützt. Dadurch wird das Problem der Veränderung des Widerstandswertes des Widerstandselements auf Grund des nichtsteuerbaren Ätzens, mit dem die herkömmliche integrierte Josephson-Schaltung behaftet ist, durch die Konstruktion der vorliegenden Erfindung erfolgreich beseitigt.
• Bezüglich des Ätzverfahrens von FIG. 4H wären fünf Minuten des Ätzens zum Mustern der Niobelektrode 35 ausreichend. Experimentell wurde herausgefunden, daß die Ätzrate von zirkonium durch das RIE-Verfahren, die unter Verwendung des CF&sub4;-Ätzgases erreicht wurde, etwa 0,7 nm/min beträgt. Dies bedeutet, daß das Ätzen des Zirkoniumstreifens 33 durch das obige RIE-Verfahren, das für 2 Minuten fortgesetzt wird, eine Verringerung der Dicke der Zirkoniumschicht von nur 1,4 nm verursachen würde. Wenn das Widerstandselement berechnet ist, um einen Schichtwiderstand von 5 Ω/ zu haben, beträgt die Dicke des Zirkoniumstreifens 33, die benötigt wird, um diesen Schichtwiderstand zu erreichen, etwa 100 nm. In diesem Fall wird eingeschätzt, daß die Erhöhung des Schichtwiderstandes über den berechneten Wert hinaus zum Beispiel nur etwa 1,7 % beträgt, selbst wenn der Effekt der Schichtdicke, die den Schichtwiderstand mit der Leistung von -1,2 ändert, berücksichtigt wird. Da es üblich ist, den Widerstand mit der Toleranz von 10 % zu berechnen, hat solch eine Abweichung keinen ernsthaften Einfluß auf die Operation der integrierten Josephson-Schaltung.
• In der obigen ersten Ausführungsform wurde herausgefunden, daß es Fälle gibt, bei denen sich der Widerstand des Widerstandselements mit der Zeit ändert, wenn für die schwer schmelzende Metallschicht 23 oder 34 Niob verwendet wird. Wenn die integrierte Schaltung von FIG. 3 zum Beispiel vier Monate lang in Raumtemperatur verbleibt, wurde herausgefunden, daß der Wert des Widerstandes um -0,52 % bis sogar -58 % abnimmt. Dieses Problem wird erfolgreich beseitigt, wenn andere Metalle, wie Titan, Vanadium, Tantal, Wolfram, Platin oder Palladium, für die schwer schmelzende Metallschicht 23 oder 34 verwendet werden. Ein ähnlicher Effekt wird erreicht, wenn irgendeines von Molybdän, Vanadium, Tantal und Wolfram für die schwer schmelzende Metallschicht verwendet wird. Ferner kann die Verwendung von Edelmetallen, wie Palladium oder Platin, möglich sein, obwohl diese Metalle eine zusätzliche Ätzbehandlung erfordern.

Claims (9)

1. Eine integrierte Josephson-Schaltung mit: einem Substrat (21; 30 - 32), das eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und mit einer Josephson- Anordnung (36) auf der oberen Hauptoberfläche gebildet ist; einem Widerstandsstreifen (22; 33) aus Zirkonium, der eine untere Hauptoberfläche und eine obere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist; einer ersten schwer schmelzenden Metallschicht (23a, 34), die eine untere Hauptoberfläche und eine obere Hauptoberfläche hat und auf einer ersten Zone der oberen Hauptoberfläche des Widerstandsstreifens vorgesehen ist; einer zweiten schwer schmelzenden Metallschicht (23b; 34), die eine untere Hauptoberfläche und eine obere Hauptoberfläche hat und auf einer zweiten Zone der oberen Hauptoberfläche des Widerstandsstreifens vorgesehen ist, die von der genannten ersten Zone getrennt ist; einem ersten Supraleiterzwischenverbindungsmuster (25a; 35a), das auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, um die obere Hauptoberfläche der ersten schwer schmelzenden Metallschicht zu bedecken; und einem zweiten Supraleiterzwischenverbindungsmuster (25b; 35b), das von dem ersten Supraleiterzwischenverbindungsmuster getrennt ist und auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, um die obere Hauptoberfläche der zweiten schwer schmelzenden Metallschicht zu bedecken; welche Zwischenverbindungsmuster (25a, b; 35a, b) aus einem Material sind, das sich von jenem der schwer schmelzenden Metallschichten (23a, b; 34) unterscheidet.

2. Eine integrierte Josephson-Schaltung nach Anspruch 1, bei der die ersten und zweiten schwer schmelzenden Metallschichten (23a, 23b; 34) aus einem schwer schmelzenden Metall sind, das eine Ätzrate aufweist, die wesentlich größer als jene von Zirkonium bei Anwendung eines geeigneten Ätzverfahrens ist.

3. Eine integrierte Josephson-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die ersten und zweiten schwer schmelzenden Metallschichten (23a, 23b; 34) aus Titan, Vanadium, Tantal, Wolfram, Molybdän oder Niob sind.

4. Ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Josephson-Schaltung, die ein Widerstandselement enthält, mit den Schritten: Abscheiden einer Zirkoniumschicht (22; 33) auf einem Substrat (21; 30 - 32) der integrierten Josephson- Schaltung; Abscheiden einer schwer schmelzenden Metallschicht (23; 34) auf der Zirkoniumschicht, ohne die Zirkoniumschicht der Luft auszusetzen; Mustern der Zirkoniumschicht und der schwer schmelzenden Metallschicht, um einen Widerstandsstreifen (200) zu bilden; Entfernen einer Oxidschicht (24a; 34'), die auf der genannten schwer schmelzenden Metallschicht während des Musterungsschrittes gebildet wurde; Abscheiden einer Supraleiterschicht (25; 35), die im wesentlichen aus Niob besteht, auf dem genannten Substrat, um den Widerstandsstreifen unter ihr zu vergraben; und Mustern der Supraleiterschicht, um ein supraleitendes Zwischenverbindungsmuster (25a, 25b; 35a, 35b) zu bilden, das mit dem Widerstandsstreifen verbunden ist, welches Mustern der Supraleiterschicht durch ein Ätzverfahren erreicht wird, das vorzugsweise die supraleitende Schicht (25; 35) und die schwer schmelzende Metallschicht (23; 34) entfernt, während die Zirkoniumschicht (22; 33), die den Widerstandsstreifen bildet, im wesentlichen ungeätzt belassen wird.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Ätzverfahren, das bei dem Schritt des Musterns der Supraleiterschicht (25, 35) verwendet wird, ein reaktives Ionenätzverfahren unter Verwendung eines Kohlenstofftetrafluoridätzgases umfaßt.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das schwer schmelzende Metall (23a, 23b; 34), das die schwer schmelzende Metallschicht bildet, aus Titan, Vanadium, Tantal, Wolfram, Molybdän oder Niob ist.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, bei dem der Schritt des Musterns der Zirkoniumschicht (22; 33) und der schwer schmelzenden Metallschicht (23; 34), um den Widerstandsstreifen zu bilden, ein reaktives Ionenätzverfahren unter Verwendung eines Kohlenstofftetrafluoridätzgases umfaßt.

8. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem der Schritt des Entfernens der Oxidschicht (24, 34') ein Sputterätzverfahren umfaßt.

9. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Supraleiterschicht (25; 35) aus Niob oder einer Nioblegierung ist.