JPH04246871A - ジョセフソン集積回路の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導量子干渉デバイ
ス（ｓｑｕｉｄ）を含むジョセフソン集積回路に関し、
より詳細には、化学的／機械的な研磨を用いてジョセフ
ソン集積回路を製造する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】「ジョセフソン集積回路のための平坦化
技術」と題するＮａｇａｓａｗａの報告（ＩＥＥＥ　　
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ　　Ｌｅｔｔｅｒ
Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．８、１９８８年８月）には、平坦化
技術を用いて平らな面を提供し絶縁層及び金属化層を形
成するジョセフソン集積回路の製造が開示されている。 Ｎａｇａｓａｗａ他は、接合平坦化プロセスのためのフ
ローチャートを示している。ＮＧ／ＡｌｘＮｂ／ＡｌＯ
ｘ／Ｎｂから成る接合領域をリアクティブイオンエッチ
ング（ＲＩＥ）によりＮｂの下部配線層上に画定した後
に、その厚みが３層型の領域よりも大きなＳｉＯ２絶縁
層が高周波マグネトロンスパッタリングにより堆積させ
られる。分子量２０００のポリスチレン溶液がＳｉＯ２
絶縁層の周囲で回転される。ポリスチレンフィルムの表
面は窒素中で１８０°Ｃで３０分間焼くことにより平坦
化される。ポリスチレンフィルム及びＳｉＯ２の両方共
に、接合の頂面が現れるまで、同一のエッチング速度で
ＲＩＥによりエッチングされる（エッチバック）。次に
Ｎｂの上部配線層を平坦化された表面に形成する。

【０００３】「薄いアルミニウム層を用いた高品質で耐
火性のジョセフソントンネル接合」と題するＧｕｒｖｉ
ｒｔｃｈ他の報告（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４
２（５），１；１９８３年３月）には、選択的なニオブ
陽極酸化プロセスを用いて又は選択的なニオブエッチン
グプロセスにより処理されたジョセフソントンネル接合
が開示されている。エッチングは、ニオブ層をプラズマ
エッチング又はリアクティブイオンエッチングにより行
うことができる。その結果生じたジョセフソン接合は平
坦化されていない。

【０００４】「ジョセフソントンネル接合を製造するた
めの選択的なニオブ陽極酸化プロセス」と題するＫｒｏ
ｇｅｒの報告（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３９（
３），２８０；１９８１年８月）には、耐火性の超伝導
トンネル接合を製造するためのプロセスが開示されてい
る。基板全体を覆うトンネル接合を形成する３層型のサ
ンドイッチが最初に形成される。最終的にはジョセフソ
ンデバイスとなるこれらの領域はホトレジストにより被
覆される。ホトレジストはジョセフソンデバイスの上部
電極の陽極酸化を阻止する。陽極酸化は、マスキングさ
れていない上部の超伝導体の総ての厚みが同一の基板上
に形成された多くのジョセフソンデバイスの上部電極を
絶縁する酸化物に転換されるまで続行される。

【０００５】「薄いアルミニウム層を有するＮｂジョセ
フソン接合の調整及び特性」と題したＧｕｒｖｉｒｔｃ
ｈ他の報告（ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎ
　　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ　　Ｍａｇ−１９，Ｎ
ｏ．３；１９８３年５月）には、Ｎｂ／Ａｌ−酸化物−
Ｎｂ及びＮｂ／Ａｌ−酸化物−Ａｌ／Ｎｂのタイプのジ
ョセフソントンネル接合が開示されている。トンネルバ
リアは本来熱酸化により形成された。ここの接合はプラ
ズマエッチング技術と組合わされた写真製版を用いて画
定された。プラズマエッチング又はリアクティブイオン
エッチング（化学的な乾燥活性プロセス）を用いること
により、非常に便利なバリアストップとして酸化アルミ
ニウムを利用することができる。このプロセス全体は選
択的なニオブエッチングプロセス（ＳＮＥＰ）と呼ばれ
る。 ２０−４０Ｖに露呈される層の液体陽極処理を用いてエ
ッチングされた面に絶縁層が形成され、これにより約４
００乃至９００ÅのＮｂの陽極酸化物が生成する。次に
、対向電極の頂面を保護するホトレジストパッドが除去
され、対向電極がイオンミリング又は高周波スパッタリ
ングエッチングにより清浄にされる。

【０００６】半導体産業においては化学的／機械的な研
磨（ＣＭＰ）を用いて主としてシリコンから成るウエー
ハの表面を調整していた。この研磨は、研磨材及び選択
した化学物質を含むスラリを用いており、このスラリは
、ウエーハがテーブル上のパッドの上方のチャック又は
キルトにある時に、このウエーハの表面に機械的及び化
学的に作用する。化学的／機械的な研磨に関する１つの
報告が、Ｂｏｎｏｒａにより「スライス、エッチング及
び研磨するシリコンウエーハ処理技術」と題して行われ
ている（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ，１９７７−Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｐ
ｅｎｎｉｎｇｔｏｎ，Ｎ．Ｊ．−１５４頁）。

【０００７】従来技術においては、研磨は、水と酸化ア
ルミニウムから成るスラリを用いて光学レンズを処理す
るために広く用いられていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ジョセ
フソン集積回路を形成するための装置及び方法が提供さ
れ、該方法は、例えばニオブ等の超伝導材料の第１の層
を基板の上面に堆積させる段階と、例えば白金等の絶縁
材料の第２の層を堆積させその後該第２の層を酸化して
上記第１の層の上に酸化アルミニウムを形成する段階と
、例えばニオブ等の半導体材料の第３の層を上記第２の
層の上に堆積させて３層型のジョセフソン接合を形成す
る段階と、上記第３及び第２の層を通して上記第１の層
の選択した領域までエッチングして隔置された３層型の
領域を形成し、これら各々の３層型の領域を上記上面に
平行な選択した断面積とすると共に上記隔置された３層
型の領域の間の第１の層に薄くなった領域を設ける段階
と、上記第１の層の薄くなった領域を選択的にエッチン
グして３層型の領域の選択した第１の層を相互接続する
と共に例えばスパイラルインダクタ等の誘導材料を形成
する導体を形成する段階と、例えば３層型の領域、導体
及び基板上にスパッタリングされる石英とすることので
きる絶縁材料の第４の層を堆積させる段階と、絶縁材料
製の上記第４の層の表面を研磨して略平坦な表面を提供
する段階と、第３及び第４の層を研磨して３層型の領域
の総ての第３の層を露出させ、３層型の領域の第３の層
及び第４の層の略共面関係の面を提供し、これにより、
上記３層型の領域、導体、基板及び第４の層の厚みにお
ける変動すなわち不均一性の効果を取り除く段階とを備
えている。これらの研磨の段階は、水、シリコン等の研
磨材、及びｐＨ調整を行う追加の薬剤から成るスラリを
用いる化学的／機械的な研磨により実行される。

【０００９】本発明は更にジョセフソン集積回路を提供
し、このジョセフソン集積回路は、他方のベース電極に
相互接続されたベース電極と、選択的なベース電極に接
続された誘導エレメントと、ジョセフソン接合及びこの
ジョセフソン接合の対向電極からかつこの周囲に延在し
上記対向電極と共面関係の上面を提供する誘電体の層と
、上記誘電材料の共面関係の面上で自己整合されて選択
された対向電極に対する接触をもたらす金属化層とを備
える。ジョセフソン集積回路はまた誘電体層の上方に形
成される追加の相互接続層を含むことができ、更に上記
誘電体層又は該誘電体層の上方に設けられた追加の絶縁
層の上に形成された抵抗性のエレメントを含むこともで
きる。

【００１０】

【実施例】図面、特に図１を参照すると、基板１０が示
されており、この基板は、例えば１２．７乃至２０．３
２ｃｍ（５乃至８インチ）の直径を有する、例えばシリ
コンとすることができる。絶縁層１１が基板上に設けら
れており、この絶縁層は、例えば熱的に形成された酸化
ケイ素とすることができる。基板１０及び絶縁層１１を
研磨して平坦な面にすることができる。半導体材料の第
１の層１２は絶縁層１１上に堆積される。第１の層１２
は、例えばニオブとすることができ、スパッタリングで
堆積させることができる。第１の層１２は、例えば２０
００Åの厚さとすることができる。絶縁層１１は、例え
ば６０００Åの厚さとすることができる。絶縁材料１４
の第２の層は第１の層１２の上に形成されている。絶縁
層１４は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３とする
ことができ、この酸化アルミニウムは、ベース電極すな
わちニオブとすることができる第１の層１２の頂部にス
パッタリング堆積された薄いアルミニウム層上に、低圧
及び周囲温度で熱的に成長させることができる。絶縁層
１４は、例えば２０Åの厚みとすることができる。例え
ばニオブとすることができる超伝導材料の第３の層１６
が絶縁層１４の上に堆積される。第３の層１６は、例え
ば絶縁層１４上にスパッタリングされて１５００Åの厚
みを有することができるニオブとすることができる。第
１の層１２、第２の層１４及び第３の層１６は３層型の
ジョセフソン接合を形成するが、このジョセフソン接合
は非常に大きな面積を有すると共に例えば基板１０全体
を覆うことができる。第１の層１２はベース電極を形成
し、第２の層１４は接合のバリア層を形成し、また第３
の層１６は対向電極を形成する。

【００１１】図２を参照すると、ホトレジスト材料が堆
積されていて第３の層１６上にマスク１８、１９および
２０を形成するようにパターニングされている。図２に
おいては、図１の装置に対応する機能には同一の符号を
付してある。

【００１２】図３を参照すると、第３の層１６及び第２
の層１４の選定した領域及び第１の層１２がエッチング
されて隔置された３層型の領域２２−２４を形成してお
り、これら各々の領域は上面２５に平行な選択された断
面積を有している。３層型の領域２２−２４の断面は、
例えば円形、矩形、方形とすることができ、また他のい
かなる形状及び面積を有することができる。層１６は、
３層型の領域２２−２４の間でかつこれらの周囲に、薄
くなった領域２７−３０を有している。

【００１３】３層型の領域２２−２４はリアクティブイ
オンエッチング（ＲＩＥ）によって形成することができ
る。光放出端点を用いて第１の端点を決定し、例えば５
００Åとすることができる第２の層１４を越えてある割
合をエッチングする。従って、第１の層１２は、約１５
００Å厚さの薄くなった領域２７−３０を有することが
できる。

【００１４】図３においては、図２の装置に対応する機
能に同一の符号を付してある。

【００１５】図４を参照すると、マスク１８−２０が除
去すなわち剥離されている。図４においては、図３の装
置に対応する機能には同一の符号を付してある。

【００１６】図５を参照すると、レジスト３２が堆積さ
れていて３層型の領域２２−２４を覆うようにパターニ
ングされている。また、レジスト３３−３６が堆積され
ていて第１の層１２を覆うようにパターニングされてい
る。

【００１７】図５に示す実施例は、リアクティブイオン
エッチングを用いて、又は絶縁材料の下側の層１１に対
してかなり良好な選択性を生ずる塩素基材のエッチング
液を用いてエッチングすることができる。リアクティブ
イオンエッチングを用いる場合には、光放射端点を用い
て、層１２を越えてどの程度除去するかのエッチングプ
ロセスの終点を決定する。図６に示すように、薄くなっ
た領域２７および３０は選択的にエッチングされている
。薄くなった領域２８および２９は、３層型の領域２２
−２４のベース電極である層１２を相互接続するために
残されている。薄くなった領域２７は、例えばスパイラ
ルインダクタの断面とすることができるコネクタ３８−
４１を形成するようにパターニングされている。図６に
はレジスト３２’−３６’が示されており、これらレジ
ストは、効果すなわちリアクティブイオンエッチングの
ために、図５に示すレジスト３２’−３６’よりも僅か
に薄いことを注記しておく。

【００１８】図７を参照すると、レジスト３２’−３６
’が剥離すなわち除去されている。図５乃至図７におい
ては、図４の装置に対応する機能には同一の符号を付し
てある。

【００１９】リアクティブイオンエッチングの後のレジ
スト３２’−３６’の剥離は、７５°ＣのＮＭＰ等の溶
液中でレジストを超音波撹拌することにより実行される
。３層型の領域２２−２４を形成するためのリアクティ
ブイオンエッチングは、当業界においては周知のＣＦ４
を用いることにより、又は当業界においては周知のリア
クティブイオンエッチングの変形法を用いて行うことが
できる。３層型の領域２２−２４の接合領域１４は、図
１乃至図４に示すように石版印刷、レジストの堆積およ
びパターニング及びリアクティブイオンエッチングの段
階により完全に決定されることを注記しておく。ベース
電極すなわち層１２横方向の特徴サイズが、最悪の場合
に接合の幅すなわち第２の層１４よりも大きい場合には
、接合領域は、図１乃至図４に示すように第１のマスキ
ング段階及びリアクティブイオンエッチング段階により
完全に決定される。図３に示すように第１のリアクティ
ブイオンエッチング段階の後に陽極処理が行われ、これ
により約１００Åの酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）を形成す
るが、この酸化ニオブは、図８に示すように酸化ニオブ
とその後に堆積された誘電体の２重誘電体の構造を提供
する。

【００２０】図８を参照すると、例えば酸化ケイ素等の
誘電体材料の第４の層４４が、基板層１１、コンダクタ
３８−４１、３層型の領域２２−２４の上に堆積されて
いる。第４の層４４はスパッタリングにより堆積させる
ことができる。第４の層４４を不均一な表面に堆積させ
た場合には、スパッタリング等の円滑化処理を行っても
、その不均一性が第４の層４４の上面４５に現れる。 第４の層４４を真空蒸着により堆積させる場合には、上
面４５の不均一性がより強く現れて下側の表面の形状に
緊密に従うことになる。上面４５のピーク４６−４８は
３層型の領域２２−２４に対応する。

【００２１】図９を参照すると、上面４５が研磨されて
平坦な面を形成している。研磨はプラナリゼーション（
平坦化）を行うための化学機械的な研磨（ＣＭＰ）によ
り行われる。本発明者は、このプロセスが接合における
トンネルバリアの法則の漏洩電流レベルにより証明され
る極めて良好な状態の約２０Å厚さの埋没層１４と、接
合の列における均一な電流レベルと、超伝導量子干渉デ
バイスにおける極めて低いｌ／ｆ（ｆは周波数）ノイズ
とを与えることを認識した。化学的／機械的な研磨プロ
セスは１２．７ｃｍ（５インチ）のウエーハに対して行
ったがより大きなウエーハサイズにスケールを拡大する
ことができる。

【００２２】図９においては、第４の層５２が化学的／
機械的に研磨されてその上面５０が平坦化されている。 第４の層５２は引き続き化学的／機械的な研磨により処
理され、以前には３層型の領域２２−２４であった３層
型の領域５６−５８と共面の上面５５を有している第４
の層５４が形成されている。第４の層５２を研磨すると
、第３の層１６が露呈されて露呈された領域を有してい
る層１６の上面も平行して研磨される。層５２の研磨は
、総ての３層型の領域２２−２４が層１６を露出させて
研磨し、これにより第４の層５４の誘電体材料の上面及
び３層型の領域を５６−５８の上面である共面の上面５
６を形成するまで継続して行われる。本発明者は、好ま
しくは化学的／機械的な研磨である研磨の後に残った構
造が、３層型の領域５６−５８と完全に共面関係にあり
かつこれら領域に隣接する上面５６を残し、これら３層
型の領域５６−５８の縁部には割れ目及びクラックが何
等存在しないことを観察した。第３の層１６が最初に１
５００Åの厚みを有しているので、化学的／機械的な研
磨は３層型の領域５６−５８の層１４のトンネルバリア
に極めて接近する。図１０に示す層５２及び最終的には
層５４を継続して形成する図８に示す研磨層４４は、３
層型の領域２２−２４、コンダクタ３８−４１、基板お
よび酸化物層１０および１１、及び誘電体材料の第４の
層４４のそれぞれの厚みの変動の効果を除去、補償ある
いはキャンセルする。

【００２３】図１１を参照すると、レジスト６０を堆積
させて開口６２を形成するようにパターニングすること
ができる。図１２を参照すると、抵抗性の材料６４を堆
積させることにより抵抗器を開口６２に形成することが
できる。レジスト６０の上の抵抗性の材料は、このレジ
スト６０を剥離または溶解させることにより除去するこ
とができ、これにより、図１３に示すように上面５５上
に抵抗性の材料６４が残る。

【００２４】図１４を参照すると、レジスト６６を堆積
させて上面５５上にパターニングすることができる。ま
た、レジスト６８を堆積させて抵抗性の材料６４上にパ
ターニングすることができる。図１５を参照すると、導
電性の材料７９が上面５５、レジスト６６、６８及び部
分的に露出した抵抗性の材料の上に堆積されて上面５５
の上に相互接続７０の第１の層を形成している。レジス
ト６６および６８はその後溶解されてその上に堆積され
ている導電性の材料７０を除去し、これにより上面５５
上に所望の金属被覆（メタライゼーション）パターンを
残して図１６に示すようにジョセフソンデバイス、３層
型の領域５６−５８及び抵抗性の材料６４を相互接続し
ている。

【００２５】抵抗器及び図１１乃至図１６の段階に示す
最終的な配線レベルは、蒸着及び剥離により製造される
。抵抗器６４及び配線レベル７０に対する厳密な順序は
重要ではないことを注記しておく。これらのレベルは、
プロセス及び／又は設備の必要性に合わせて行うことが
できる。また、これらレベルの一方又は両方（即ち抵抗
性の材料６４及び導電性の材料７０）は蒸着及びエッチ
ングにより形成することが可能である。使用するプロセ
スにおいては２００°Ｃを越してはならない。

【００２６】図１乃至図１６に示す平坦化プロセスはス
ケールに幅があり、電子ビーム石版印刷を用いてこれら
の特徴を決定し、０．２５マイクロメータあるいはそれ
以下のレベルまでのスケールを許容すべきである。また
、例えばディジタル回路用のジョセフソンプロセスにお
けるようにそれ以上の配線レベルが望ましいかあるいは
必要とするならば、図８乃至図１６に示す段階の順序を
用いることができる。図８乃至図１６は、誘電体材料の
蒸着、ポラナリゼーションを行うための研磨、及び多く
の層を形成するために何回も繰り返される金属蒸着及び
剥離の段階を示している。

【００２７】図１６においては、これまでの図面に示さ
れた装置に対応する機能には同一の符号を付してある。

【００２８】抵抗器を形成するための図１１乃至図１３
に示すプロセスの段階はその順序を変えることができ、
また図１６の後に挿入することができる。抵抗性の材料
６４は、チタン、パラジウム及び金の合金又はモリブデ
ンとすることができる。パラジウム及び金の合金は、温
度が１ミリ°Ｋよりも低くなっても抵抗性を維持すると
いう利点を有する。また、パラジウム−金合金は、ある
種のガスすなわちＣＦ４の中では、チタンの場合はエッ
チングされてしまうリアクティブイオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）の間にエッチングされない。従って、図１３乃至
図１６の代わりに、層７０の堆積を行い、抵抗性の材料
６４及び選択したガスが抵抗性の材料６４のエッチング
を生じない場合には、次にリアクティブイオンエッチン
グを行って所望のパターンを形成することができる。層
７０は、ニオブ、鉛、又はイオンミリング（イオンエッ
チング）することのできる高張力材料とすることができ
る。

【００２９】例えば石英をスパッタリングすることによ
り誘電体材料を堆積させて追加の配線レベルを図１６に
示す構造に付加し、これにより非晶質の二酸化ケイ素の
層を形成することができる。接触開口を誘電体層にエッ
チングし、ニオブとすることができる低配線レベルの導
電性材料７０を露出させることができる。選定するエッ
チングプロセスは、ニオブをエッチングせずに誘電体材
料７０をエッチングするものでなければならない。ニオ
ブを堆積させて誘電体材料の孔を充填することができ、
また次の配線レベルまで電気的な接触を拡張することが
できる。ニオブを研磨し、低い配線レベルから伸びると
共に誘電体材料の上面と共面関係にあるスタッド構造を
形成することができる。次にニオブ又は他のある導電性
材料を堆積させて他の配線層を形成することができる。 また、接触開口を形成した後に導電性材料を堆積させて
次の配線レベルを形成するパターンを行うことができる
。

【００３０】多かれ少なかれ下層のトポロジに共形の関
係となる良好な被覆を得るために、石英をスパッタリン
グにより図８に示す３層の厚みの２倍の厚みまで堆積さ
せる。３層の厚みは一般に３，２００乃至３，５００Å
であり、二酸化ケイ素の厚みは一般に６，５００乃至７
，０００Åである。

【００３１】ＲＩＥの間に３層型の領域、すなわちジョ
セフソン接合、の温度を低下させるために、ＲＩＥプロ
セスを間欠的に行ってその温度を１００°Ｃよりも低く
維持する。ＲＩＥの深さは光学的なスペクトロメータで
光の放出を観察することにより制御でき、そのスペクト
ロメータは、ある周波数における放射により、材料のあ
る層が通過した時点を放射の変化により指示する。

【００３２】導電性の材料７０はまた鉛をスパッタリン
グすることにより堆積させることができる窒化ニオブと
することができ、その鉛のスパッタリングは、スパッタ
リング又はレーザアブレーション（レーザによる剥離）
によって堆積させることができる高張力材料に対して蒸
発により堆積させることができる。導電層７０のパター
ニングは、当業界においては周知の剥離、ＲＩＥ又はイ
オンミリングにより行うことができる。誘電体材料４４
は、石英、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、ケイ素ホウ
素窒化物、窒化ホウ素、陽極処理アルミニウム、陽極処
理ニオブ、ポリイミド、テトラフルオロエチレン、ポリ
スチレン及び処理の際の温度で安定した機械的な特性を
有する他の高分子材料とすることができる。これらの材
料は、化学蒸着（ＣＶＤ）又はスパッタリングにより堆
積させることができる。

【００３３】図１７を参照すると、直列に接続された２
つのジョセフソン接合デバイスの電流−電圧特性のグラ
フが示されている。ジョセフソン接合デバイスは５×５
マイクロメートルの方形であり、２５平方マイクロメー
トルの面積を有している。図１７において、横座標は電
圧をミリボルトで示し、また縦座標は電流をマイクロア
ンペアで示している。ジョセフソン接合デバイスは、図
１乃至図１６のプロセスの段階により形成したＮｂ−Ａ
ｌＯｘ−Ｎｂの３層型である。図１７において、曲線７
０−７８および８０は、液体ヘリウムに浸漬させること
により４．２°Ｋに維持した状態のデバイスについて、
オッシロスコープで描いたものである。曲線７１−７４
は非常に弱いかあるいはオッシロスコープに全く現れな
かったものである。接合は、８０ｍＶに等しいかあるい
はこれよりも大きなＶｍにより証明された優れた特性を
有する。Ｖｍは、ジョセフソンデバイスの臨界電流と２
ｍＶにおけるデバイスの抵抗との積として定義される。 図１７において、臨界電流は、点７９に対する曲線７８
又は点７９に対する曲線８０により示されるように、約
２２０マイクロアンペアである。

【００３４】図１８を参照すると、直列に接続された２
つのデバイスのデータから得た一方のジョセフソン接合
デバイスの平均電流−電圧特性のグラフが示されている
。図１８において、接続された各々のデバイスは２５平
方マイクロメートルの面積を有していた。すなわち、５
×５マイクロメートルの方形である。接合の面において
ジョセフソン臨界電流を抑制するに十分な大きさの電場
をデバイスに与えた。臨界電流Ｉ０は０．２０８ｍＡで
あった。温度は４．２°Ｋであった。臨界電流密度Ｊ０
は８３３Ａ／ｃｍ２であった。Ｖｍを計算すると８９．
９ｍＶであった。２ｍＶにおける抵抗Ｒ０を計算すると
９．６オームであった（Ｉ０にＲｎを掛けると２ｍＶに
なる）。曲線８２は、１つのジョセフソン接合デバイス
の平均の電流／電圧特性を示している。

【００３５】図１９及び図２０を参照すると、電流の目
盛りをそれぞれ１０倍および１００倍に拡大した図１８
の一部が曲線８４および８６でそれぞれ示されている。

【００３６】図２１を参照すると、直列に接続された１
００個のジョセフソン接合デバイスの電流／電圧特性の
グラフが曲線８８によって示されている。図２２は、図
２１のグラフの一部をその電流目盛りを１０倍に拡大し
て曲線９０で示す図である。図２１及び図２２において
は、ジョセフソン接合デバイスはサブミクロン級であっ
て約０．５平方マイクロメートルの面積を有していた。 接合の形状は０．７×０．７マイクロメートルの方形で
あった。

【００３７】図１８乃至図２２において、縦座標は電流
を示し、一方横座標は電圧を示している。デバイスは４
．２°Ｋの液体ヘリウムに浸漬された。

【００３８】図１乃至図１６に示すプロセスの段階を用
いて、実用の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）、
勾配計（グラジオメータ）、及び他のジョセフソンデバ
イスを製造した。このプロセスにより製造されたＳＱＵ
ＩＤの測定した固有エネルギ感度は２０ｈであって、ｌ
／ｆノイズに転移する白色ノイズを示した。ｆは約１０
ヘルツ程度の数ヘルツの周波数における周波数である。

【００３９】他の報告されている２０−３０ｍＶ及び６
０ｍＶのＶｍ値から、８０ｍＶの値までのＶｍの改善は
、接合の品質によるものであると考えられ、その接合の
品質はまた図１乃至図１６に示すプロセスにおいて用い
た条件が厳密でないことによるものである。例えば、第
４の層を平坦化するための化学的／機械的研磨及び第３
の層を第４の層と共面関係にするための研磨の間の低い
温度及び可能性のある応力の解放が挙げられる。図１乃
至図１６に示すプロセスは、Ｎｂ／ＮｂＯｘ／Ｐｂ合金
及びＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ、更には、スパッタリング
又はレーザアブレーションにより堆積させることができ
るＹ２Ｏ３ＬａＡｌＯ３及びＰｒＢａＣｕＯ等の適宜な
バリア材料を有する高張力材料にも適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】離間したジョセフソン接合を形成するプロセス
の段階を示す図である。

【図２】離間したジョセフソン接合を形成するプロセス
の段階を示す図である。

【図３】離間したジョセフソン接合を形成するプロセス
の段階を示す図である。

【図４】離間したジョセフソン接合を形成するプロセス
の段階を示す図である。

【図５】相互接続及びインダクタを形成するプロセスの
段階を示す図である。

【図６】相互接続及びインダクタを形成するプロセスの
段階を示す図である。

【図７】相互接続及びインダクタを形成するプロセスの
段階を示す図である。

【図８】頂面をプレーナリングするプロセスの段階を示
す図である。

【図９】頂面をプレーナリングするプロセスの段階を示
す図である。

【図１０】頂面をプレーナリングするプロセスの段階を
示す図である。

【図１１】抵抗エレメントを形成するプロセスの段階を
示す図である。

【図１２】抵抗エレメントを形成するプロセスの段階を
示す図である。

【図１３】抵抗エレメントを形成するプロセスの段階を
示す図である。

【図１４】プレーナリングされた頂面に自己整合した相
互接続を形成するプロセスの段階を示す図である。

【図１５】プレーナリングされた頂面に自己整合した相
互接続を形成するプロセスの段階を示す図である。

【図１６】プレーナリングされた頂面に自己整合した相
互接続を形成するプロセスの段階を示す図である。

【図１７】直列に接続された２つのジョセフソン接合デ
バイスの電流−電圧特性を示すグラフである。

【図１８】直列に接続された２つのデバイスから得たデ
ータから１つのジョセフソン接合デバイスの平均電流−
電圧特性を示すグラフである。

【図１９】図１８のグラフの一部をその電流の目盛りを
１０倍に拡大して示すグラフである。

【図２０】図１８のグラフの一部をその電流の目盛りを
１００倍に拡大して示すグラフである。

【図２１】直列に接続された１００のジョセフソン接合
の電流−電圧特性を示すグラフである。

【図２２】図２２のグラフの一部をその電流の目盛りを
１０倍に拡大して示すグラフである。

【符号の説明】

１０　　基板　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　１１　　絶縁層１２　　第１の層　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　１４　　第２の層１６
　　第３の層　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　２２−２４　　３層型の領域

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ジョセフソン集積回路を形成するため
   の方法であって、基板の上面の上に超伝導材料の第１の
   層を堆積させる第１の段階と、前記第１の層の上に絶縁
   材料の第２の層を堆積させる第２の段階と、前記第２の
   層の上に超伝導材料の第３の層を堆積させて３層型のジ
   ョセフソン接合を形成する第３の段階と、前記第３及び
   第２の層を通って前記第１の層の選択した領域までエッ
   チングして隔置された３層型の領域を形成し、これら３
   層型の領域の各々に前記上面に平行な選択した断面積を
   持たせると共に、前記隔置された３層型の領域の間の前
   記第１の層に薄くなった領域を形成する第４の段階と、
   前記第１の層の前記薄くなった領域を選択的にエッチン
   グして前記３層型の領域の選択した第１の層を相互接続
   するための導体を形成する第５の段階と、前記３層型の
   領域、前記導体及び前記基板の上方に絶縁材料の第４の
   層を堆積させる第６の段階と、絶縁材料製の前記第４の
   層の上面を研磨して略平坦な面をもたらす第７の段階と
   、前記第３及び第４の層を過度に研磨し、前記３層型の
   領域の前記第３の層の総てを露出させて前記３層型の領
   域の前記第３の層及び前記第４の層の略共面関係の平面
   を提供し、これにより高品質のジョセフソン接合を形成
   すると共に対向電極に対する相互接続を同一平面の表面
   上に形成する第８の段階とを備えて成る方法。
2. 【請求項２】　　請求項１の方法において、前記６の段
   階が、前記第４の層を前記３層型の領域の厚みよりも大
   きな厚みまで堆積させる段階を含むことを特徴とする方
   法。
3. 【請求項３】　　請求項１の方法において、前記第５の
   段階が、スパイラルインダクタを形成するようにパター
   ニングする段階を含むことを特徴とする方法。
4. 【請求項４】　　請求項１の方法において、前記第６の
   段階が、多かれ少なかれ共形の被覆を形成する段階を含
   むことを特徴とする方法。
5. 【請求項５】　　請求項１の方法において、前記第６の
   段階が、略共形の被覆を形成する段階を含むことを特徴
   とする方法。
6. 【請求項６】　　請求項１の方法において、前記第６の
   段階が、スパッタリングにより略共形の被覆を形成する
   段階を含むことを特徴とする方法。
7. 【請求項７】　　請求項１の方法において、前記第７の
   段階が、化学的／機械的に研磨する段階を含むことを特
   徴とする方法。
8. 【請求項８】　　請求項７の方法において、前記化学的
   ／機械的に研磨する段階が、水、研磨材及びエッチング
   液を含むスラリを導入する段階を含むことを特徴とする
   方法。
9. 【請求項９】　　請求項８の方法において、前記スラリ
   を導入する段階が、水、シリコンを含む研磨材及びＫＯ
   Ｈを含むエッチング液を導入する段階を含むことを特徴
   とする方法。
10. 【請求項１０】　　請求項１の方法において、前記第８
    の段階が、化学的／機械的に過剰に研磨する段階を含む
    ことを特徴とする方法。
11. 【請求項１１】　　請求項１０の方法において、前記化
    学的／機械的に研磨する段階が、水、研磨材及びエッチ
    ング液を含むスラリを導入する段階を含むことを特徴と
    する方法。
12. 【請求項１２】　　請求項１１の方法において、前記ス
    ラリを導入する段階が、水、研磨材及び、ＫＯＨを含む
    エッチング液を導入する段階を含むことを特徴とする方
    法。
13. 【請求項１３】　　請求項１の方法において、前記第１
    の段階が、低Ｔｃ超伝導体を堆積させる段階を含むこと
    を特徴とする方法。
14. 【請求項１４】　　請求項１の方法において、前記第２
    の段階が、金属を堆積させる段階と、該金属を陽極処理
    する段階とを含むことを特徴とする方法。
15. 【請求項１５】　　ジョセフソン集積回路であって、第
    １のジョセフソン接合を形成する基板上の第１の３層型
    の領域と、該第１の３層型の領域を包囲しかつ該領域の
    側部に隣接すると共にその上面及び前記第１の３層型の
    領域の上部の対向電極の上面上で同一平面の関係になっ
    ている誘電材料の層とを備えて成るジョセフソン集積回
    路。
16. 【請求項１６】　　請求項１５のジョセフソン集積回路
    において、前記同一平面の上方に設けられると共に前記
    第１及び第２の３層型の領域の前記上部の対向電極に接
    続された配線相互接続レベルを更に含むことを特徴とす
    るジョセフソン集積回路。
17. 【請求項１７】　　請求項１５のジョセフソン集積回路
    において、前記第１の３層型の領域が、３，０００Åよ
    りも小さな厚みを有する下部のベース電極を含むことを
    特徴とするジョセフソン集積回路。
18. 【請求項１８】　　請求項１５のジョセフソン集積回路
    において、前記第１の３層型の領域が、３，０００Åよ
    りも小さな厚みを有する下部の対向電極を含むことを特
    徴とするジョセフソン集積回路。
19. 【請求項１９】　　ジョセフソン接合デバイスであって
    、第１のジョセフソン接合を形成する基板上の第１の３
    層型の領域と、該第１の３層型の領域を包囲しかつ該領
    域の側部に隣接すると共にその上面及び前記第１の３層
    型の領域の上部の対向電極の上面上で同一平面の関係に
    なっている誘電材料の層とを備えて成るジョセフソン接
    合デバイス。
20. 【請求項２０】　　請求項１９のジョセフソン接合デバ
    イスにおいて、前記同一平面の上方に設けられると共に
    前記第１の３層型の領域の前記上部の対向電極に接続さ
    れた配線相互接続レベルを更に含むことを特徴とするジ
    ョセフソン接合デバイス。
21. 【請求項２１】　　請求項１９のジョセフソン接合デバ
    イスにおいて、前記第１の３層型の領域が、３，０００
    Åよりも小さな厚みを有する下部のベース電極を含むこ
    とを特徴とするジョセフソン接合デバイス。
22. 【請求項２２】　　請求項１９のジョセフソン接合デバ
    イスにおいて、前記第１の３層型の領域が、３，０００
    Åよりも小さな厚みを有する下部の対向電極を含むこと
    を特徴とするジョセフソン接合デバイス。