JPH01168080A - ジョセフソン接合素子の作製方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、極低温において動作するＮｂ系ジョセフソン
接合素子の作製方法に係り、特に下部電極、トンネル障
壁層、上部電極の三層膜加工後における絶縁膜の埋戻し
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来のＮ　ｂ　／　Ａ　Ｑ　Ｏｘ　／　Ｎ　ｂ膜から成
るジョセフソン接合素子の作製方法は、特開昭５８−１
７６９８３号公報に記載されている様に下部電極、トン
ネル障壁層、上部電極を連結的に形成し、しかる後にド
ライエツチング法によって所望の接合および配線パター
ンを形成するという方法がとられていた、しかし、従来
の三層膜のエツチングは、上部電極のＮｂ膜をＣＦ４ガ
スによる反応性イオンエツチングでパターン加工し、次
いでトンネル障壁層のＡ　Ｑ　Ｏｘ　ｔｔ　Ａ　ｒイオ
ンビームを用いたイオンエツチングで加工し、再び下部
電極をＣＦ４ガスによる反応性イオンエツチングでパタ
ーン加工していた。この結果、下部電極のパターンエツ
ジにはＡＱＯｘがマスクとなってアンダーカットが形成
されていた。さらに、接合寸法を規定する際のＣＦ４ガ
スの反応性イオンエツチングによって下地の絶縁膜がオ
ーバエツチングによって深く塚られ、また、下部電極の
パターンエツジのアンダーカット部分はより進行してい
た。このために、接合パターン加工後の絶縁膜の埋戻し
では充分に下部電極のパターンエツジが被覆されず下部
電極と上部電極接続配線間でしばしば短絡するという問
題が発生し回路動作に支障を来たすという問題があった
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第３図は従来のジョセフソン接合素子の作製工程を示し
たものである。すなわち、第３図（ａ）において、基板
３１上にＮｂ膜より成る下部電極３２、トンネル障壁層
となるＡΩ０ｘ３３、Ｎｂ膜よりなる上部電極３４のＮ
　ｂ　／　Ａ　ｆｌ　Ｏｘ　／　Ｎ　ｂの三層膜をスパ
ッタ法で被着する。第３図（ｂ）においてＡ２１３５０
Ｊレジスト（米国ヘキスト社製商品名）を用いて上部電
極３４上に接合部分と配線を含むレジストパターン３５
を形成する。

第５（ｃ）において、まず、上部電極３４をＡＱＯｘ３
３が露出するまでＣＦ、ガスを用いた反応性イオンエツ
チングで加工し１次いで、トンネル障壁層のＡＭｏ、３
３をＡｒイオンビームを用いたイオンエツチングで加工
し、下部電極３２が露出した時点で再びＣＦ４ガスを用
いた反応性イオンエツチングにより下部電極３２のＮｂ
膜が完全に除去されるまで加工を行なう。この際、図中
点線丸印ＣＪ、Ｃ２内に示す様にＡＱＯｘ３３が下部電
極３２のマスクとなってオーバハング状に形成される。

第３図（ｄ）ｉ；ｊレジストを除去した後の断面図であ
る。下部電極３２のパターンエツジ面はＡΩ○Ｘ３３層
を境界としてアンダーカット状に仕上っている。第３゛
図（、）において前述と同様のＡＺ１３５０Ｊレジスト
を用いて接合面積規定用のレジストパターン３６を形成
する。

第３図（ｆ）において再びＣＦ４ガスを用いた反応性イ
オンエツチングにより上部電極３４をＡ　Ｑ　Ｏｘ　３
３面が露出するまで加工して接合部以外の上部電極３４
をエツチング除去する。この際、図中点線丸印Ｃ３，Ｃ
４内で示す様に基板３１の表面および下部電極３２のパ
ターンエツジ面はエツチング直前から露出しているため
にオーバエツチングを避けることが出来ない。第３図（
ｇ）において、上記電極３４のＮｂパターン上のレジス
ト３６をリフトオフマスクとして下部電極３２のパター
ンエツジ面が完全に被覆する様に絶縁膜５ｉ３７を用い
てエツチング部分の埋戻しを行なう。第３図（ｈ）にお
いて、アセトンで不要レジストとその上絶縁膜Ｓｉをリ
フトオフにより、エツチング部分の埋戻しを行なう、し
かし、図中点線丸印Ｃ５，Ｃ６内で示す様にＡ　Ｑ　Ｏ
ｘ　３３がエツチングマスクとなるために下部電極３２
のパターンエツジはさらにアンダーカットが進行する。

このために埋戻し用絶縁膜５ｉ３７では充分に被覆する
ことが困難である。一方被覆性を改善するために絶縁膜
５ｉ３７を厚くした場合、リフトオフが困難となりパリ
が残存する等の問題が生ずる。

この様に、第４図に示す様にＮ　ｂ　／　Ａ　Ｑ　Ｏｘ
　／Ｎｂ三層膜パターンのエツジカバーが不完全である
ために次の様な問題がしばしば発生していた。

すなわち、上部電極４４と配線電極４８の接続を行なう
際、Ｎｂパターン上の酸化膜を完全除去をしないと接続
が不充分で接触抵抗を持ち回路動作に支障を来たす。こ
のために、Ａｒスパッタクリーニングで酸化膜を完全に
除去する必要がある。

また、下部電極４２のパターンエツジの絶縁膜５ｉ４７
による被覆性が不完全であるとＡｒ粒子がその部分を破
壊して下部電極４２の一部が露出する。このために図中
、点線丸印Ｃ７，Ｃ８内に示した様に上部電極接続用の
配線電極膜４８を被着した際に下部電極４２との間で局
部的に短絡が生じて信頼性の高いジョセフソン接合素子
を作製することが出来ずプロセス上の問題となっていた
。

したがって、埋戻し絶縁膜４７はＡｒスパッタクリーニ
ングにも充分に耐え得る様な構造が強く要望されていた
。

本発明の目的は、層間絶縁膜を介して下部電極と上部電
極との接続配線電極間で短絡が生じ得ない構造のジョセ
フソン接合素子の作製方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、上記目的を実現するために三層膜の
パターン加工に用いるレジストパターンに過度のオーバ
ハングを持たせてマスクとする。

また、三層膜のパターン加工は全てＡｒイオンビームに
よるイオンエツチングで行なう。さらに、エツチング部
分には三層膜上のレジストパターンをリフトオフマスク
として絶縁膜を２回に分けて埋戻しを行なう。

〔作用〕

１回目は蒸着法でＳｉを三層膜と同じ高さとなる様に埋
戻をして平坦化にし、２回目はストッパ材としてスパッ
タ法でＡＱ２０３を２〜２０ｎｍを上乗せをし形成する
。この方法によって三層膜のパターンエツジと上部電極
上の一部は完全に二層絶縁膜で被覆することが可能とな
り層間絶縁膜を介して下部電極と上部電極の接続配線電
極間との短絡の問題が解決できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

第１図は本発明のジョセフソン接合素子の作製工程を示
したものである。第１図（、）において、基板１１上に
Ｎｂ膜より成る下部電極１２と、トンネル障壁層となる
ＡｆｉＯｘｌ　３と、Ｎｂ膜よりなる上部電極１４とか
らなるＮ　ｂ　／　Ａ　Ｑ　Ｏｘ　／Ｎｂの三層膜をス
パッタ法で連続被着した後に、ポジ型、ＡＺ１３５０Ｊ
レジスト（米国ヘキスト社製商品名）を上部電極Ｉ４上
に接合部分と配線を含むオーバハングの断面形状から成
るレジストパターン１５を形成する。パターン露光後ク
ロルベンゼン液に一定時間浸漬した後に現像処理を行安
うことによって、図中点線丸印ＡＩ、Ａ２内に示す様な
レジストパターン１５のオーバーハング形成する。第１
図（ｂ）において上部電極１４゜トンネル障壁層Ａ　Ｒ
ＯＸ　１３　＝下部電極１２の順にＡｒイオンビームを
用いたイオンエツチングで連続加工を行なう。この際、
レジストパターン１５の側壁には、予じめ、過度のオー
バハングを形成しているために、エツチングによって弾
き出されたＮｂやＡＱの粒子はレジストパターン１５の
側壁底部には再付着しない。図中点線丸印Ａ３゜Ａ４内
に示す様にオーバハング部分のみに再付着物１６が形成
される。第１図（ｃ）において、上部電極１４上のレジ
ストパターン１５をリフトオフマスクにしてエツチング
部分を真空蒸着法により絶縁膜５ｉ１７を三層膜と同じ
高さになる様に埋戻しを行なう。さらに、この絶縁膜Ｓ
ｔ　１７の上にスパッタ法によりストッパ材絶縁膜ＡＱ
２０３１８を膜厚１０ｎｍ被着する。絶縁膜ＡＱ２０３
１８はスパッタ法で形成するために図中点線丸印Ａ５．
Ａ６内に示す様にレジストの側壁底部、すなわち、アン
ダカット部分にまで割り込み、上部電極１４上の一部が
被覆されているのが分かる０次いで、第１ｒｊ！Ｉ（ｄ
）においてアセトンにより上部電極１４上の不要レジス
トとその上の絶縁膜５ｉ１７およびストッパ材絶縁膜Ａ
ｆｉ２０ａ１８を除去して平坦化する。図中点線丸印Ａ
７．Ａ８内の三層膜のエツチング部分には絶縁膜Ｓｉ　
１７で平坦化され、また、上部電極１４の一部にはスト
ッパ材の絶縁膜ＡＱ、０３１８によって被覆されている
のがわかる。次いで、第１図（８）においてＡＺレジス
トを用いて上部電極１４上に接合面積を規定するレジス
トパターン１９を形成する。次いで、第１図（ｆ）にお
いて上部電極１４をＡ　Ｑ　Ｏｘ　１３が露出するまで
ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエツチングでパターン
加工を行なう。次いで、第１図（ｇ）において上部電極
１４上のレジストパターンをリフトオフマスクにして上
部電極、１４の膜厚よりも２〜３１ｐＪ増しに絶縁膜Ｓ
ｉ２０を用いてエツチング部分の埋戻しを行なう。

次いで、第１図（ｈ）においてアセトンで上部電極１３
上の不要レジスト１９とその上の絶縁膜Ｓｉ２０をリフ
トオフによりエツチング部分の埋戻しを行なう。図中点
線丸印Ａ９．ＡＩＯ内で示す様に三層膜のパターンエツ
ジは絶縁膜５ｉ１７とストッパ材絶縁膜１８の二層膜に
より平坦化されているためにオーバエツチングは、まっ
たく見られず接合パターン加工後の埋戻し絶縁膜Ｓｉ２
０の被覆性の良好なのが良くわかる。

第２図に示す様にＮｂ／Ａｌ２０ｘ／Ｎｂ三層膜パター
ンのエツジカバーが充分であると上部電極２４との接続
配線電極３０′を行う際、Ｎｂパターン上のＡｒスパッ
タクリーニングも充分に行なうことが可能となり接続不
良という問題が皆無となる。

図中点線丸印Ａｌｌ、ＡＩ２内には、その様子を示して
たが三層膜のパターンエツジは絶縁膜ＳｔとＡＱ２０３
膜の二層膜によって完全に平坦化され保護されている。

したがって、上部電極２４との接続配線電極３０′の段
差も従来に比べて解消されておりプロセス上の余裕度も
広くなる。

これにより従来問題となっていた下部電極２２と接続配
線電極３０′間の短絡も皆無になったが、これは、三層
膜のパターン加工に用いるレジストパターンに過度のオ
ーバハング形状を持たせた事と埋戻し用の絶縁膜Ｓｉ＋
ＡＲ２０３の二層膜による平坦化が可能となったからで
ある。

本発明により形成した線幅２μｍの制御線から成るＮｂ
系ジョセフソン接合素子の断面図を第５図に示す。

基板には、直径５０ｍｍφの厚さ３５０μｍ（１００＞
のＳｉ基板５１を用いる。このＳｉ基板５１には、６０
０ｎｍのＳｉＯ２から成る熱酸化膜５２が形成されてい
る。次にＳｉ基板５１と熱酸化膜５２上にグランドプレ
ーン５３と成る膜厚２００　ｎｍのＮｂ膜をＤＣマグネ
トロンスパッタ法により被着する。被着条件は、Ａｒ圧
力０．６　Ｐ　ａ　、堆積速度３ｎｍ／秒とする０次に
、層間絶縁膜５４としてＳｉＯを膜厚３００ｎｍ被着す
る１次に、下部電極５５となる膜厚２００ｎｍのＮｂ膜
をグランドプレーン５３と同一条件で被着する。次に、
同一スパッタ装置内でＳｉ基板５１をＡｆｉのターゲッ
トの真下に移動してＡ１１Ｉを膜厚５ｎｍ被着する。Ａ
Ｑ膜形成後、スパッタ装置内に０２ガスを１００Ｐａ導
入し、室温（２４〜２６℃）中で４０分間の自然酸化を
行ってＡＱの表面酸化膜であるＡｎＯｘｎＯｘ層形６す
る（本実施例ではｘ＝２）。再び、スパッタ装置内を真
空排気した後、Ｓｉ基板５１をＮｂのターゲットの真下
に移動し、ＤＣマグネトロンスパッタ法によりＮｂ膜を
１１００ｎ被着する。三層膜を連続形成した後、Ｓｉ基
板５１をスパッタ装置内から取出した後、まず、トンネ
ル接合と配線部分を含むオーバハング形状のレジストパ
ターンを次の条件で形成する。ＡＺ１３５０Ｊレジスト
を１．５μｍをスピン塗布した後、プリベークを７０℃
、３０分間の処理を行なう。次いで、光強度１５　ｍＷ
／ｃ＋ｗ　２の紫外光により３０秒間のパターン露光を
行なう。次いでＡＺデベロッパー：水＝１：１の組成比
で液温２４℃中で１８０秒間の現像処理を行った後、ス
ピン乾燥をしてオーバハング形状のレジストパターンを
形成する。この条件で形成したレジストパターンの断面
形状は、オーバハングの厚みが１μｍ、オーバハングの
くい込み量は０．８μｍで仕上る。

次いで、このＳｉ基板５１をエツチング加工をするため
に、真空装置内に挿入し、減圧した後、Ａｒによるイオ
ンビームエツチングにより、Ａｒ圧力２Ｘ１０−２Ｐａ
、加速電圧６００ｅＶ、イオン電流密度０．５ｍＡ／Ｃ
ｍ”の条件下で約１８分間のイオンエツチングを行なう
。真空装置内より取り出した後、絶縁膜Ｓｔで埋戻しを
行なうために、再び、制尉蒸着装置へ挿入し減圧した後
、三層膜と同じ高さの３００ｎｍの膜厚に成る様に絶縁
膜５ｉ５８を被着する。その後、再び、真空装置内より
取り出した後、ストッパ材の絶縁膜Ａ　Ｑ　２０３を絶
縁膜５ｉ５８および上部電極５７の一部に上乗せをする
ために、再び、Ａｌ２２０３スパツタ装置内に挿入し減
圧した後、前述したトンネル障壁層のＡｎと同条件で絶
縁膜ＡＱ２０３５９を膜厚１０ｎｍ被着する。その後、
再び、スパッタ装置内より取り出しアセトンによりリフ
トオフを行って平坦化する。この時点において上部電極
５７の上部周辺部分にはストッパ材の絶縁膜ＡＱ２０３
５９が保護膜として被覆されている。

次いで、接合面積を規定するレジストパターンを上部電
極５７上に次の条件で形成する。

ＡＺ１４７０レジスト（米国ヘキスト社裏商品名）を１
．２μｍをスピン塗布したと、プリベーク９０℃、２０
分間の処理を行なう。次に、光強度１５ｍＷ／ａｍ２の
紫外光により５秒間のパターン露光を行った後、ＡＺデ
ベロッパー：水＝１＝１の組成比で液温２４℃中で６０
秒間の現像処理を行った後、スピン乾燥をしてレジスト
パターンを乾燥する。接合面積は１．７μｍｏである。

次いで、このＳｔ基板５１をエツチング加工をするため
に、真空装置内に挿入し、減圧した後、ＣＦ４ガスによ
る反応性イオンエツチングにより、ＣＦ４ガス圧力２６
Ｐａ、電力１００Ｗの条件下でレジストパターン以外の
Ｎｂ膜部分を除去して、トンネル障壁層Ａ　Ｑ　Ｏｘ　
５６が露出した時点でエツチングを終了する。この後、
上部電極５７上のレジストパターンをリフトオフマスク
にし、膜厚１２０ｎｍの埋戻し絶縁膜５ｉ６０を被着し
た後。

真空装置内から取り出しからアセトンによりリフトオフ
を行ってエツチング部分の埋戻しを行なう。

この時点でＡΩの酸化膜（ＡＩ２０ｘ５６）はトンネル
障壁層としての接合面積が規定される６次いで、上部電
極５７の表面をＡｒスパッタエツチングによりクリーニ
ング処理を行なう。この時の条件は、Ａｒ圧力０．８Ｐ
ａ、高周波電カフ０Ｗ。

処理時間３０分で行なう１次いで、Ｎｂ膜を膜厚３００
ｎｍ被着する。Ｎｂ膜のスパッタ条件は。

前述のグランドプレーン５３．下部電極５５．上部電極
５７と同様にＤＣマグネトロンスパッタ法によって被着
する。再び、スパッタ装置内から取り出した後、前述し
た同じ条件によりレジストパターンを形成する。次いで
、真空装置内に挿入し減圧してから、前述した同じ条件
でＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエツチングを行ない
レジストパターン以外のＮｂ膜をエツチング除去し、上
部電極５７に接続する配線電極６１を形成する。その後
、真空装置内より取り出してからアセトンによりパター
ン上のレジストを除去する１次いで。

層間絶縁膜６２をＳｉＯを用いて膜厚４５０ｎｍ被着し
形成する。なお、この層間絶縁膜６２の形成は、ＡＺ１
３５０Ｊレジストをマスクとしたりフトオフ法を用いる
。次いて、制御線電極６３となるＮｂ膜を前述のスパッ
タ条件で膜厚６００ｎｍ被着する。再び、スパッタ装置
内より取り出して、前述した条件でレジストパターンを
形成した後、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエツチン
グを行ないレジストパターン以外のＮｂ膜をエツチング
して制御線電極６３を形成する。その後、真空装置内よ
り取り出してからアセトンによりパターン上のレジスト
を除去する６以上の工程を経てＮｂ系ジョセフソン接合
素子の作製が完了する。

なお、本実施例においては超電導膜としてはＮｂを用い
たが、本発明はこれに限られることなくＮｂＮ、ＭｏＮ
、ＴａＮ、ＴｉＮ、Ｐｂ合金等を用いても同様の効果が
得られる。また、絶縁膜としてはＳｉを用いたがＳ　ｉ
　Ｏｖ　Ｓ　ｘ　Ｏ２＋ＡＱ２０３ｗ　Ｇｅ、Ｇｅｍ、
ＭｇＯ，ＭｇＦ。

ＳｎＯ２等を用いても同様の効果が得られる。

例えば、２５６個直列に接続した１、７μｍ０のジョセ
フソン接合の超電導臨界電流（１ｃ）の変動幅は±６〜
７％以内であった。このため１回路の動作マージンも大
幅に向上することが可能となった。

また、本発明を用いて１．５μｍ０の十字形接合を形成
し、２５６個直列に接続した超電導臨界電流（Ｉ　ｃ）
のバラツキ幅は±４〜５％以内であり電極間での短絡は
まったく見られず再現性も良い効果が得られた。

〔発明の効果〕

本発明により、従来問題となっていた下部電極と上部電
極配線電極間で生じ易すがった短絡が絶縁膜Ｓｉによる
平坦化とストッパ材ＡＱ２０３膜の二層膜により皆無と
なり信頼性の高いＮｂ系ジヨセフソン接合素子が再現性
良く形成出来る様になる。

【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作製工程を示
す図、第２図は本発明の方法を用いた接続配線を示す断
面図、第３図は従来のジョセフソン接合素子の作製工程
を示す図、第４図は従来方法の埋戻し法を用いた接続配
線を示す断面図、第５図は本発明で作製したＮｂ系ジョ
セフソン接合素子の断面図である。 １１．２１，３１．４１・・・基板、５１・・・Ｓｔ基
板、１２，２２，３２，４２，５５・・・下部電極。 １３．２３，３３，４３，５６・・・トンネル障壁層、
１４．２４，３４，４４．５７・・・上部電極、１５．
１９，３５，３６・・・レジストパターン、１６・・・
再付着物、 １７．２７，３７，４７．５８・・・絶縁膜Ｓｉ、１８
．２８，５９・・：Ａトツパ材ＡＱ２ｏ３．２０．３０
，３７，４７，６０・・・絶縁膜Ｓｔ、３０’　、４８
．６１・・・配線電極、５２・・・熱酸化膜、５３・・
・グランドプレーン、５４．６２・・・層間絶縁膜、６
３・・・制御線電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｎｂ膜からなる下部電極と、ＡｌＯ＿ｘ膜からなる
   トンネル障壁層と、Ｎｂ膜からなる上部電極とで構成さ
   れる三層膜構造の薄膜を連続形成する工程、 上記薄膜上に接合および配線を含むオーバハングの断面
   形状からなるレジストパターンを形成する工程、 上記薄膜をドライエッチングによりパターン加工をする
   工程、 上記薄膜上に残存したレジストをマスクにしてエッチン
   グ部分をＳｉＯもしくはＳｉＯ＿２の絶縁膜で埋戻をし
   て平坦化とする工程、 上記絶縁膜上に膜厚２〜２０ｎｍのエッチングストッパ
   材としての絶縁膜を形成する工程、溶媒によるリフトオ
   フにより上記三層膜のパターンエッジを完全に被覆する
   工程を有することを特徴とするジョセフソン接合素子の
   作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記エッチングス
   トッパ材の絶縁膜は、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＭｇＯ、ＭｇＦ
   、ＴｉＯ＿ｘ等の中から選ばれる少なくとも１種類を用
   いることを特徴とするジョセフソン接合素子の作製方法
   。