JPH0455546B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超伝導集積回路に用いるトンネル型ジ
ヨセフソン接合の形成方法に関する。

（従来の技術） 下部電極と上部電極がトンネル障壁層を介して
結合した接合構成層をエツチングすることによつ
てジヨセフソン接合領域を規定するタイプのジヨ
セフソン接合の形成方法においては、前記ジヨセ
フソン接合領域規定後絶縁膜を用いて接合周辺部
を埋めこみ、かつ接合表面を露出させる必要があ
る。この接合の埋めこみと接合表面の露出を行う
ための方法として、平坦化の技術として従来から
知られているエツチバツク法がある。第５図ａ〜
ｅにエツチバツク法によるジヨセフソン接合の形
成方法を示す。以下第５図を用いて従来の技術の
説明を行う。

基部１１上に下部配線１２を形成し、第一の絶
縁膜１３を用いて埋め込み表面を平坦にする。ス
パツタクリーニングを行い下部配線１２表面を清
浄にした後、その上に下部電極１４、トンネル障
壁層１５、上部電極１６からなる接合構成層を成
膜する（第５図ａ）。エツチングマスクを用いて
接合構成層を選択的にエツチングし、ジヨセフソ
ン接合領域を規定する（第５図ｂ）。第２の絶縁
膜１７を前記エツチングによる段差以上の厚さに
成膜後、塗布膜１８を用いて表面を平坦にする
（第５図ｃ）。第２の絶縁膜１７と塗布膜１８を等
しいエツチングレートでエツチングしジヨセフソ
ン接合の上部電極１６表面を露出させる（第５図
ｄ）。スパツタクリーニングを行い上部電極１６
表面を清浄にした後、上部配線１９を形成する
（第５図ｅ）。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の技術で述べたエツチバツク法による接合
の埋め込みでは、第５図ｄに示したように、接合
の上部電極１６と上部配線１９との電気的導通を
行うために、上部電極１６の表面を第２の絶縁膜
１７から露出されなければならない。実際のエツ
チバツク工程においては、第５図ｂに示されたエ
ツチング段差の基板上でのばらつき、エツチング
レートの基板上でのばらつき、第２の絶縁膜１７
と塗布膜１８とのエツチングレートのずれ、エツ
チングの終点検出の精度の問題等から、基板全面
にわたつて確実に上部電極１６表面を露出させる
ためには、ある程度のエツチング深さのマージン
が必要である。

一方、超伝導集積回路のインダクタンスは、層
間絶縁膜の膜厚にほぼ比例する。そのため層間絶
縁膜の膜厚の制御は製造プロセスにおける重要な
課題となる。なかでもジヨセフソン接合の埋め込
みに用いる絶縁膜の膜厚は、超伝導集積回路を構
成するゲートのひとつである量子干渉計のインダ
クタンスにほぼ比例し、量子干渉計の特性や動作
マージンに直接影響を与えるため特に正確に制御
する必要がある。

従来のエツチバツク法を用いたジヨセフソン接
合の形成においては、前述したようにエツチング
深さのマージンが必要なために、接合を埋め込む
第２の絶縁膜１７の膜厚の制御が困難であつた。
このため、超伝導集積回路のインダクタンスが設
計値どおりに制御できず動作マーシンが低下する
欠点を有していた。

本発明は従来技術の上記欠点を克服し、層間絶
縁膜の膜厚すなわちインダクタンスの制御性の良
いジヨセフソン接合の形成方法を提供することを
目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明を用いれば、トンネル型ジヨセフソン接
合の形成方法において、超伝導膜からなる下部電
極と上部電極がトンネル障壁層を介して接合した
接合構成層に対してエツングを行い接合領域を規
定する工程と、前記エツチングにより生じる段差
以下の膜厚の絶縁膜を成膜する工程と、塗布膜を
用いて表面を平坦にする工程と、前記絶縁膜と前
記塗布膜をほぼ等しいエツチングレートでエツチ
ングし前記接合領域の表面を露出させかつ前記塗
布膜の一部を残す工程と、前記塗布膜を除去する
工程とを含むことを特徴とするジヨセフソン接合
の形成方法および、トンネル型ジヨセフソン接合
の形成方法において、超伝導膜からなる下部電極
と上部電極がトンネル障壁層を介して接合した接
合構成層に対してエツチングを行い接合領域を規
定する工程と、前記エツチングにより生じる段差
以下の膜厚の絶縁膜を成膜する工程と、塗布膜を
用いて表面を平坦にする工程と、前記絶縁膜と前
記塗布膜をほぼ等しいエツチングレートでエツチ
ングし前記接合領域の表面を露出させかつ前記塗
布膜の一部を残す工程と、前記接合領域の前記上
部電極を前記塗布膜より大きなエツチングレート
でエツチングし前記上部電極表面と前記絶縁膜表
面の位置をそろえかつ前記塗布膜の一部を残す工
程と、前記塗布膜を除去する工程とを含むことを
特徴とするジヨセフソン接合の形成方法が得られ
る。

（作用） 本発明においては、接合構成層のエツチングに
よつて生じる段差以下の膜厚の絶縁膜を用いて接
合の埋め込みを行つている。このため従来例で述
べたエツチバツク法を用いて、絶縁膜と塗布膜を
等しいエツチングレートでエツチングし、接合の
上部電極表面が露出した時点では、接合部以外の
絶縁膜は塗布膜で覆われている。接合の上部電極
の露出を確実に行うために、多少のオーバーエツ
チングを行つても、塗布膜が残つている間は絶縁
膜はエツチングされない。この塗布膜を除去する
ことによつて、インダクタンスに寄与する層間絶
縁膜の厚さは成膜した絶縁膜の厚さとなる。この
ように本発明を用いれば、接合構成層のエツチン
グによつて生じる段差と絶縁膜の膜厚との差がエ
ツチングのマージンとなり、接合の上部電極表面
の露出が層間絶縁膜の膜厚を変えることなしに確
実に行える。

また本発明の第２の発明を用いれば、前記本発
明によるエツチバツクによつて絶縁膜上に突出し
た接合部を塗布膜より高いエツチングレートでエ
ツチングすることにより、層間絶縁膜の膜厚を変
えることなしに表面をより平坦にすることができ
る。

（実施例） （実施例 １） 第１図ａ〜ｆは第１の発明によるジヨセフソン
接合の形成工程を示したものである。以下、第１
図を用いて第１の発明の実施例の説明を行う。

熱酸化したシリコン基板１１上に厚さ200nmの
ニオブNbを用いて下部配線１２を形成する。厚
さ200nmの二酸化シリコンSiO₂を第１の絶縁膜
１３として形成し、下部配線１２を埋め込む。そ
の上に下部電極１４としてニオブを200nmスパツ
タで成膜する。アルミニウムを10nmスパツタで
成膜後、酸素圧力40Pa、10分間の熱酸化を行い
アルミニウム酸化膜からなるトンネル障壁層１５
を形成する。最後に上部電極１６としてニオブを
200nmスパツタで成膜し、下部電極１４、トンネ
ル障壁層１５、上部電極１６から成る接合構成層
を形成する（第１図ａ）。なお、上述した接合構
成層の形成は同一真空中で行われる。次にポジ型
フオトレジストAZ1350J（商品名）を用いてエツ
チングマスクを形成する。四フツ化炭素ガスを用
いた反応性イオンエツチングで接合構成層を加工
し接合領域を規定する（第１図ｂ）。反応性イオ
ンエツチングは、平行平板型エツチング装置を用
いて行い、エツチング条件は四フツ化炭素ガス圧
力5.0Pa、流量30sccm、電力密度0.16W／cm²であ
る。なお、アルミニウムは四フツ化炭素ガスを用
いた反応性イオンエツチングでは、エツチングレ
ートが著しく低いため、アルミニウム部分だけ
2.0Paのアルゴンガスを用いたイオンミリングで
エツチングする。第２の絶縁膜１７として二酸化
シリコンを300nmスパツタで成膜する。その上に
塗布膜１８としてフオトレジストAZ1450J（商品
名）をスピナーを用いて6000rpmの回転数で塗布
する。その後180℃、60分間のベーキングを行い、
フオトレジストをリフローさせ、表面を平坦にす
る。（第１図ｃ）。第３図は四フツ化炭素ガスを用
いた反応性イオンエツチングにおける四フツ化炭
素ガス圧と二酸化シリコン、AZ1450J、ニオブの
エツチングレートの関係を示したものである。な
お電極はテフロン、四フツ化炭素流量は
30SCCM、電力密度は0.16W／cm²である。第３図
から、四フツ化炭素ガス圧7Paのときに二酸化シ
リコンとAZ1450Jのエツチングレートは30nm／
分と等しくなることがわかる。この四フツ化炭素
ガス圧7Paの条件でエツチングを行うと、二酸化
シリコンとAZ1450Jのエツチングレートが等しい
ため、表面を平坦に保つたままエツチングでき
る。この条件でエツチバツクを行い、接合の上部
電極１６の表面を露出させる。さらに基板全面に
わたつてこの上部電極１６表面の露出を確実に行
うために２分間のオーバーエツチングを行う。２
分間のエツチングでは、塗布膜１８は60nmしか
エツチングされないため、接合部以外の第２の絶
縁膜１７はまだ50nm程度の塗布膜１８に覆われ
ている（第１図ｄ）。基板を有機溶剤（例えばア
セトン）に浸し、超音波洗浄することによつて
AZ1450Jを除去する（第１図ｅ）。アルゴンガス
を用いたスパツタクリーニングを行い、接合の上
部電極１６上のニオブ酸化物や汚染物を除去した
後、真空を破らずにニオブを300nmスパツタで成
膜する。その後、フオトレジストを用いたパター
ニングを行い、下部電極１４、上部電極１６と同
じエツチング条件で反応性イオンエツチングを行
い、上部配線１９を形成する（第１図ｆ）。

本実施例においては、第１図ｃに示すように、
接合領域を規定するためのエツチングによつて生
じた段差より第２の絶縁膜１７の膜厚の方が
100nm薄い。このため第１図ｄに示したエツチバ
ツクの工程において、第２の絶縁膜１７と塗布膜
１８を同じエツチングレートでエツチングした場
合、接合の上部電極１６表面が露出した時点で
は、接合部以外の第２の絶縁膜１７は塗布膜１８
に覆われている。この塗布膜１８を第１図ｅに示
すように除去することで、第２の絶縁膜１７の膜
厚は成膜した時点の厚さが保たれる。以上のこと
から、接合の上部電極１６と第２の絶縁膜１７と
の段差100nmがエツチングのマージンとなり、第
２の絶縁膜の厚さを成膜した300nmに保ちつつ、
接合の上部電極１６表面の露出が十分行える。こ
のため本実施例を用いれば、第２の絶縁膜１７の
膜厚すなわち従来例の問題点で述べた層間絶縁膜
の膜厚の制御性が向上し、従つて超伝導集積回路
のインダクタンスの制御性が向上する。また接合
の上部電極１６表面露出のための十分なエツチン
グマージン（100nm）があるため、製造プロセス
が容易になり歩留りが向上する。

（実施例 ２） 第２図は第２の発明によるジヨセフソン接合の
形成工程を示したものである。以下、第２図を用
いて第２の発明の実施例の説明を行う。

熱酸化したシリコン基板１１上に厚さ200nmの
ニオブを用いて下部配線１２を形成する。厚さ
200nmの二酸化シリコンを第１の絶縁膜１３とし
て形成し、下部配線１２を埋め込む。その上に下
部電極１４としてニオブを200nmスパツタで成膜
する。アルミニウムを10nmスパツタで成膜後、
酸素圧力40Pa、10分間の熱酸化を行いトンネル
障壁層１５を形成する。最後に上部電極１６とし
てニオブを200nmスパツタで成膜し、下部電極１
４、トンネル障壁層１５、上部電極１６から成る
接合構成層を形成する（第２図ａ）。なお、上述
した接合構成層の形成は同一真空中で行われる。
次にポジ型フオトレジストAZ1350J（商品名）を
用いてエツチングマスクを形成する。四フツ化炭
素ガスを用いた反応性イオンエツチングで接合構
成層を加工し接合領域を規定する（第２図ｂ）。
反応性イオンエツチングは、平行平板型エツチン
グ装置を用いて行い、エツチング条件は四フツ化
炭素ガス圧力5.0Pa、流量30sccm、電力密度
0.16W／cm²である。なお、アルミニウムは四フツ
化炭素ガスを用いた反応性イオンエツチングで
は、エツチングレートが著しく低いため、アルミ
ニウム部分だけアルゴンガスを用いたイオンミリ
ングでエツチングする。第２の絶縁膜１７として
二酸化シリコンを300nmスパツタで成膜する。そ
の上に塗布膜１８としてフオトレジストAZ1450J
をスピナーを用いて6000rpmの回転数で塗布す
る。その後、180℃、60分間のベーキングを行い、
フオトレジストをリフローさせ、表面を平坦にす
る（第２図ｃ）。第３図は四フツ化炭素ガスを用
いた反応性イオンエツチングにおける四フツ化炭
素ガス圧と二酸化シリコン、AZ1450J、ニオブの
エツチングレートの関係を示したものである。な
お電極はテフロン、四フツ化炭素流量は
30SCCM、電力密度は0.16W／cm²である。第３図
から四フツ化炭素ガス圧7Paのときに二酸化シリ
コンとAZ1450Jのエツチングレートは30nm／分
と等しくなることがわかる。この四フツ化炭素ガ
ス圧7Paの条件でエツチングを行うと、二酸化シ
リコンとAZ1450Jのエツチングレートが等しいた
め、表面を平坦に保つたままエツチングできる。
この条件でエツチバツクを行い、接合の上部電極
１６の表面を露出される。さらに基板全面にわた
つてこの上部電極１６表面の露出を確実に行うた
めに２分間のオーバーエツチングを行う。２分間
のエツチングでは、塗布膜１８は60nmしかエツ
チングされないため、接合部以外の第２の絶縁膜
１７はまだ50nm程度の塗布膜１８に覆われてい
る（第２図ｄ）。

エツチング電極を石英に換え四フツ化炭素
50SCCM、20Pa、電力密度0.16W／cm²の条件で１
分30秒間の反応性イオンエツングを行う。第４図
は四フツ化炭素ガスを用いた反応性イオンエツチ
ングにおける四フツ化炭素ガス圧と二酸化シリコ
ン、AZ1450J、ニオブのエツチングレートの関係
を示したものである。なお電極は石英、四フツ化
炭素流量は30SCCM、電力密度は0.16W／cm²であ
る。第４図に示すように、このエツチングにより
ニオブが80nmエツチングされ接合の上部電極１
６表面と第２の絶縁膜１７表面の高さが等しくな
る。（上記条件による反応性イオンエツチングに
おいてはニオブ表面の薄い酸化物を除去するため
に、第４図のエツチングレートから求められるエ
ツチング時間の他に、１分間のエツチングが必要
である）。この１分30秒間のエツチングによつて、
エツチングされる塗布膜１８は30nmであるため、
エツチング後も接合部以外の第２の絶縁膜１７は
20nm程度の塗布膜１８に覆われている（第２図
ｅ）。基板を有機溶剤（例えばアセトン）に浸し、
超音波清浄することによつて塗布膜１８を除去す
る。アルゴンガスを用いたスパツタクリーニング
を行い、接合の上部電極上のニオブ酸化物や汚染
物を除去した後、真空を破らずにニオブを300nm
スパツタで成膜する。その後、フオトレジストを
用いたパターニングを行い、下部電極１４、上部
電極１６と同じエツチング条件で反応性イオンエ
ツチングを行い、上部配線１９を形成する（第２
図ｆ）。

本実施例においては、第１の実施例で述べた効
果の他に（第２図ｅ）に示すエツチングを行うこ
とにより、表面がより平坦になるため、その上に
堆積される超伝導膜や絶縁膜をより薄くでき、イ
ンダクタンスが低減される、また段差がより低く
なるためプロセスがさらに容易になる効果があ
る。

（発明の効果） 本発明の第１の発明を用いれば、ジヨセフソン
接合を埋めこむ層間絶縁膜の膜厚の制御性が向上
し、超伝導集積回路のインダクタンスの制御性が
向上する。またエツチバツク法を用いた接合の上
部電極の露出も確実に行うことができる。さらに
エツチバツクにおけるエツチング時間のマージン
が大きく取れるため、プロセスがより容易になり
歩留りが向上する等の利点を有する。

また本発明の第２の発明を用いれば、第１の発
明で述べた効果の他に、表面の平坦性が向上し、
ジヨセフソン接合より上に堆積される超伝導膜や
絶縁膜をより薄くでき、インダクタンスが低減さ
れ、超伝導集積回路の動作スピードが向上する。
さらに段差による、段切れやシヨートが減少する
ためプロセスがより容易になる等の利点を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｆは第１の発明の実施例（実施例
１）を説明するためのプロセス図である。第２図
ａ〜ｆは第２の発明の実施例（実施例２）を説明
するためのプロセス図である。第３図はテフロン
基板を用いた反応性イオンエツチングにおける、
四フツ化炭素ガス圧とニオブ、二酸化シリコン、
フオトレジスト（AZ1450J）のエツチングレート
との関係を示した特性図である。第４図は石英基
板を用いた反応性イオンエツチングにおける、四
フツ化炭素ガス圧とニオブ、二酸化シリコン、フ
オトレジスト（AZ1450J）のエツチングレートと
の関係を示した特性図である。第５図ａ〜ｅは従
来例を説明するためのプロセス図である。 図において、１１……基板、１２……下部電
極、１３……第１の絶縁膜、１４……下部電極、
１５……トンネル障壁層、１６……上部電極、１
７……第２の絶縁膜、１８……塗布膜、１９……
上部配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ トンネル型ジヨセフソン接合の形成方法にお
   いて、超伝導膜からなる下部電極と上部電極がト
   ンネル障壁層を介して接合した接合構成層に対し
   てエツングを行い接合領域を規定する工程と、前
   記エツチングにより生じる段差以下の膜厚の絶縁
   膜を成膜する工程と、塗布膜を用いて表面を平坦
   にする工程と、前記絶縁膜と前記塗布膜をほぼ等
   しいエツチングレートでエツチングし前記接合領
   域の表面を露出させかつ前記塗布膜の一部を残す
   工程と、前記塗布膜を除去する工程とを含むこと
   を特徴とするジヨセフソン接合の形成方法。 ２ トンネル型ジヨセフソン接合の形成方法にお
   いて、超伝導膜からなる下部電極と上部電極がト
   ンネル障壁層を介して接合した接合構成層に対し
   てエツチングを行い接合領域を規定する工程と、
   前記エツチングにより生じる段差以下の膜厚の絶
   縁膜を成膜する工程と、塗布膜を用いて表面を平
   坦にする工程と、前記絶縁膜と前記塗布膜をほぼ
   等しいエツチングレートでエツチングし前記接合
   領域の表面を露出させかつ前記塗布膜の一部を残
   す工程と、前記接合領域の前記上部電極を前記塗
   布膜より大きなエツチングレートでエツチングし
   前記上部電極表面と前記絶縁膜表面の位置をそろ
   えかつ前記塗布膜の一部を残す工程と、前記塗布
   膜を除去する工程とを含むことを特徴とするジヨ
   セフソン接合の形成方法。