JPS58209181A - 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】 本発明はンヨセフソ／接合素子の製Ｉ貨方法に関し、さ
らに詳しくはトンネル接合型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。

ジョセフソン接合素子を用いて論理回Ｗ・やｄ〔惚回路
を槽底する堝合には、トンネル接合の唱昇電流すｉ＾わ
ぢ零電圧状態で流れる最大電流の名夾子間におけるにら
つきｔ小ざくするか解消することが必要である、臨界′
を流はトン洋ル接合酢のｔｈＩ株、トンネル接合部の膜
厚および物理的性簀によって変化するが、力率素子の微
小化、尚臂ｒｔｔｒ−化か山んで特にトンネル接合部の
面積の狛度を向上させる技術が１喪となっている。

従来、ジョセフソン接合素子の製造方法として以下に述
べる２つの方法が用いられている。ま１゜第１の力ｆ：
を第１図（、ｊ〜（ｆｌを用いて工桂順に枳明するう第
１図（ａ）に示すように、絶縁体基板あるいは表面に絶
縁体ｔ―を骨する基板１１上に、蒸潰法子スパッタ法に
より二オフ（Ｎｂ）、鉛（Ｐｂ’）等でなる門ｌの超伝
導体１槌１２τ形取する。第１の超（伝導体′ｆＩＬ使
１２のバターニングは通常のホトレジスト工程を用いた
工、チング法やリフトオフ法で何なう。次に第１図（ｂ
）にボすように第１の超伝導体１槌１２上のトンネル接
合部となる部分にアンダーカット形状のレジストマスク
１３を形成し、第１図（ｃ）に不すように基板光間に蒸
着法などの指向性の艮い成膜法で一酸化ケイ＃（ＳｉＯ
）、二酸化ケイ素（Ｓ　ｉｏ□）等でなな絶縁体層１４
を板層し、引続きリフトオフすると第１１Ｑ（ｄ）にボ
丁ような開口？！：５つトンネル接合部か形成さγしる
。７ノターカツト形法のレジストマスク１３は通常のホ
トレジスト工程に加え、露光前まだは露光体ＶＬりｃＪ
＋：＋ベンセンやフロモベンゼンなどの有機溶剤に浸ス
ことによって得られる、次に、第１図（ｅｌに示すよう
に熱酸化法あるいはフラスマ酸化法でトンネル接合部ｖ
ｃ数１０人の厚さのトンオ・ル接合ｒ＠１１５を形成す
る。この後、第１図（ｆ）に不すように第１の超伝導体
電極１２の場合と同様、蒸着法やスパッタ法でＮｂ　、
　Ｉ’ｂ等でなる第２の超伝導体ｉ［使１６を形成する
。この方法ではトンネル接合部の形ｈｙにアンダー力、
ト形状のレジストマスク１３ケ必要とするが、この形状
はレジストのプリベーク条件や有機溶剤の液温、ディッ
プ時間などの影瞥を受けやすい。特に、実際のトン不ル
シ合篩の面積を規定するレジストマスク下部の寸法を積
度よく得ることは非常に難しい。また、トンネル蝋合蓼
）は周囲の納縁坏ｊ曽１４よりも低い位置にあるため、
トンネル接合部のプラズマクリーニングやプラズマ酸化
時ｔＣスパッタちれた絶縁体層１４の村智により汚染さ
れるという欠点かあった。従来の第２の方法を第２図（
、）〜（ｆ）ｔ−用いて読物する。第２１．ｇ（ａ）Ｋ
不すように、第１図（ａ）と同様な方法で基板２１上に
第１の超伝導体電極２２を形成する。その後、第２図（
ｂ）にボすように基板全Ｉｔ！ｒｃ蒸セ法ぺ一スバ、り
法で８　ｉｏ　、　Ｓ　ｉＯ，等でなる絶鍼体層２３°
。

を被着する。次に、第２図（ｃ）にボすようにＰＮｋ体
層２３上にトンネル接合＠Ｘを形成するためのＰＰ１ｃ
＋を有す、乙しンストマスク２４を形成した仮、アルゴ
ン（Ａｒ）などの不泊件ガスで用いた１オンエ。

千ング法やフロン２３　（ｅＨＦ、　）、フロン１４（
ＣＦ、１などの工、ナンクカスによる反応性スパッタエ
ッチング１大で絶縁体層２３１加工し、第２因（ｄ）に
ボすようなトンネル接合部を形成１する。次に第２図（
ｅｌ　ＶＣ８”＝すよ５１１ｔＬ　、　１４１　［／（
ｅ）と＋＝＋ｈなあ法でトンネル接合部！／Ｌｉ１０λ
のトンネル接合層２５を形成し、その彼、第１の超伝導
体％之２２の場合と同様なＩＩ倹材料３よひ欣腓法て第
２図（ｆ）に円くすようｔ第２の超伝導体を櫨２６を形
成する。この方法では、トンネル嵌合部の絶縁体層２３
をイオンエッナ／り法や反応性スバッタエッナンク法で
４去するため、トンネル接合部貨−おけ／ｂ電銅表面μ
イオン慣陽を受けるうさらシこ、反応εスバ、タエッナ
ング法の場合には、電侠表面ｅ、Ｌ反応住すエッナング
ガスによってｒ５染される。ヂた、この方法でも第１の
方法と同様、トンネル接合：＄７よブラスマクリーニン
ク＋プラズマ酸化ＩＩ　ｆｃ　＋ｆ色伏ｔ＝贋２３の付
着により汚染されるという欠点があった。

本発明の目的は、このような従来の入点を取り除いたン
ッセフソン接合紮子の製造方法を提供丁々ことにある。

不発明によれば基板上に第１の超伝導体”ｍ　榛と前−
じ第１の超伏尋体ＩＬ便の一衣面上のトンネル接合層、
２よひ前記トンネル接合ｒ−を介しでＦｉｌｌ　ａｅｅ
ｌの超伝導体１槌と対向する第２の超伏廊俸′亀榴ｋｍ
するンヨーセフソン艦付素子の製造方法ｅこおいて、基
板上に第１ｃＱ超（ム導体嵐徳【形崩し、該第ｌの超伏
尋俸寛便上のトンネル接合部となる：狽柩にレンストマ
スクｔ−形成した慎、ｔｐＩｇし第１の超伝導体１槌を
少なくとも口／トンの侵入深場とｉｏ＋　シ膜厚が残る
ように工、チングする工程、１転き前記＠ｌの超伝導体
１槌の算出表面に第１０絶嫌俸層を形成する工程、仄に
第２の絶縁体層を検層、リフトオフすることによって前
記第１の超伝導体ｔａの勢工、ナンク？■）を理める工
程、次１こ前記トンネル接合部に前記トンネル接合層を
形成する」橙、次ｅこ前記トンネル接合鳩と接触するよ
うに削記第２の超伝導体電極を形成する工程を具備する
ことを特徴とするノヨセフソン接合素子の製造方法が１
１！−られる。

Ｑｔ　′Ｔ一本発明の基本プロ１スについて図面を用い
て欧明する。

第３図（、）にボアように、絶縁体基板あるいは表面に
絶縁体層を有する基板３１上に、蒸着法やスパッタ法に
よりＮｂ、Ｐｂ等でなる第１の超伝導体を極３２を形成
する。第１の超伝導体電極３２のパターニングｔよ通常
のホトレジスト工程１を朗いた工、チンク法やリフトオ
フ法で行なう。次に、第３図（ｂ）にネジよう？Ｌ第ｌ
の超伝導体電極３２上のトンネル皮合部となる部分にし
／ストマスク３３を形成した後、１Ｊ１１，３図（ｃ）
にホすように反応性スバツタエ、ナング＋°イオンエ、
チ／りγよどの異方性工、ナング法で第１の超伝導体を
使３２をロンドンの侵入深ち以−Ｅの膜厚が残るように
加工する。

次ｒ（第３図ｆｄｔに不ずよ５　Ｉｔ、第１の超伝導体
′を陰３２の蒸出表面に第１の絶縁体層３４を形成した
恢、第３図ｆｃ）に不丁よ５に基板全面に蒸着法やイオ
ンビームスパッタ法などの指向性の良い成膜法によりＳ
ｉＯ、Ｓｉｎ、等でなる＃２の絶縁体層３５を仮着する
。第１の絶縁体層３４はトンネル接合部周辺における第
２の絶縁体ｌ−３５の不完全な埋込み部分を被覆すると
ともに、第２の絶縁体層３５の電気絶縁性を価化するだ
めのものである。

次に、レジストマスク３３をリフトオフした恢、トンネ
ル接合部を熱酸化またはプラズマ醸化し、第３図（ｆ）
にホすような数１ＯＡのトンネル接合層３６を形成する
。この恢、第３区（ｇ）に小すように、第１の超伝導体
電極３２の場合と同様に蒸盾法＆スバ、り法で第２の超
伝導体電極３７を彫敢する。

この方法では、トンネル接合部の形成に再現性の艮い矩
形レジストマスクが利用できること、エツチング方法お
よびエツチング条件のｆ＆適化ＶＬ：よりし／ストマス
ク３３から第１の超伝導体電極３２への向精度のパター
ン転写か一６３能であることＩＪ＞ら、従来のリフトオ
フ法を用いた方法（第１図）に比ベトン不ル余合部の寸
法を別御し易い。また、トンネル接合部はレジストマス
ク３３との接触部で規定されるため従来のエツチングを
用いた方法で第２１！ｔｌ　）よりも、１精度のトンネ
ル接合部が得られる。しかも、トンネル接合部はエツチ
ング雰囲気にさらされないため、イオン損傷の問題や反
応性エツチングガスによる汚染の問題がない。さらに、
トンネル接合部と同図の第２の絶縁体層３５處 を平〆化して、ブラメマクリーニングやプラズマ酸化時
に第２の絶縁体層３５のスパッタによって生じるトンネ
ル接合部の汚染を減少できる。

次に本発明の一実施例を示す。

表面が熱酸化５１０２で被覆されたシリコン（Ｓ＋）基
板上に、画周波スパッタ法により基板温度３００℃でＮ
ｂ膜４０００Ａ　　を被着する。この繰上にボン型ホト
レンスト（シワプレー社製ＡＺ１３５０Ｊ　＞を用いた
通常のホトレジスト工程でレジストマスクを形成し、フ
レオン１２　（ＣＣＩ、Ｆ２）？ｒエツチングガスとす
る反応性スバ、クエッチンク法でＮｂ膜を加工して第１
の超伝導体１１検を形成する。次に、第１の超伝導体ｔ
ｒ１１１上のトンネル接合部となる部分にｉ′ｉ！径２
μｍ、膜ｌ早１６５μｍのレジストマスクを形成した後
、ＣＣ１２Ｆｔを用いた戊応性ヌバツタエ、ナング法で
第１の超伝導体電極を２０００　Ａ工。

チングする。　ＡＺ１３５０Ｊ　Ｋ対するＮｂ膜のエツ
チング速崖比は５〜６で、しかも異方性エツチングが可
能なため、レジストマスクに対するパターン寸法変化ｖ
５はとんど無視できる程ｉである。第１の超伝導体電極
の伝エッナンク部の夕λ存暎厚は２００ＯＡであり、へ
ｂ膜に閣して一般に知られているロンドンの９入床ｊ約
１００ＯＡよりも見分厚い。次に、第１の超伝導体を便
の露出光間ＶＣ−ＩＦ’Ｊ１’００Ａの＃岸を有する熱
酸化層を形成した懐、この基板上Ｋｍ子ヒーム蒸着Ｌ　
ｒｃ　Ｌす８ｉ０　ｆ（２０００Ａ傍層し、レジストマ
スクをアセトン中の超−波すし浄でリフトオフする。次
に、りｇロベ／ゼ／処理を用いて基板上にアンターカッ
ト形状のレジストマスクを形成する。この基板をＡ「　
プラズマでクリーニングした後、純＃に素０．にょるプ
ラズマ酸化法で２０〜３０Ａのトンネル接合層を形成す
る。

引続き真空忙保持したまま鉛−ヒスマス合金（Ｐｂ超伝
導体富、４を形成する。

本笹施ゆ１では、第１の超伝導体′ｔ［、使、第２の超
伝導体部やと１てそれぞれＮｂ、ｐ＋、−Ｂｉを用いた
場合について説明し、だが、Ｎｂ、Ｎｂ化合物−Ｎｂ合
金、Ｐｂ、Ｐｂ合金などの任意の組合せが可能である。

これらの！　、１４材料の加工法としてイオンエッチン
ク法はどの材料にも適用できるが１反応性スバツタエ、
チング法を用いる場合には適切な工、干ンクカスの選取
が必蚤である。また、本夾施ヅ１ではトンネル接合部を
形成するだめのレンストマスクとしてＡＺ１３５０Ｊを
１ζ用したか、他の仔徹しンスト、煕機レノスト、さら
にはこれらのレンストの転写により形成したよりエツチ
ング朗性のある金属マスクｔども出いることができる。

第２の超伝導体を徊はりフトオフ法により形成したか。

当然ゴッチンク法により形成することもできる。

以上説明したように本発明によれは、トンネル接合部以
外の肯へ分を異方性エツチングすることによってトンネ
ル接合部をｔ０定するだめ、筒粕匿でしかもｙヮ十ング
ＩＩＬよるｉカ′傷のないトンネル接亀部を１＠ること
ができる〜さらに、従来の構造と異なりトンネル接合部
近傍ρ・平面化できるため、プラズマクリ　ニング七ノ
プラズマ酸化吋に周囲の絶Ｈ体層りスパッタによって生
じるトンネル接合部のン５染を著しくｈ少できる。

路１面のシ準な説明 第１図（ａｌ〜（ｆ＋、第２図ｔａ）〜（ｆ）は従来の
７ヨセフソン接合糸子の装造方法を工程順に説明するた
めの素子断面図、第３図（ａｔ〜（ｇ）　９１本発明の
ジョセフソン接合素子の光通方法を説明するための系子
助面図である。

図において、１１，２１．３１は蒸散、１２゜２２．３
２は第１の超伝導体ＩＩＬ、１１１！！、１３，２４゜
３３はレンストマスク、１４．２３は絶縁体ノー、１５
．２５．３５はトンネル接合層、１６，２６゜３７は第
２の超伏禮体重喚、３４は第１の杷縁体層、３５は第２
の？Ｐ−，縁俸層である。

１大弁理士内／ｆ　　海 毘ｌ閏 （ｌＬｔ　） （し） 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に第１の超伝導体電値と前記第１の超伝導体１Ｌ
   債の一表面上のトンネル接合層、および前記トンネル接
   合層を介して前記第ｌの超伝導体電値と対向する第２の
   超伏４坏亀使を有するンヨセフソン接合素子の＃！遣方
   法にεいて基板上に第１の組伝轡体′ｌＩＬ便を形成し
   、該第１の超伝導体電極上のトンネル接合部となる重職
   にレンストマスクを形成し＆俊、前記第１の超伝導体！
   襖を少なくともロンドンの侵入深さと同じ膜厚が残るよ
   うにエツチングする工程、引続き前記第１の超伝導体電
   値の真出表１に第１の絶縁体層を形成する工程、次ＶＣ
   第２の絶縁体層を被着、リフトオフすることによって前
   記第１の超伝導体１１Ｌ便の被エツチング部を埋める工
   程１次に前記トンネル接合部に前記トンネル接合層を形
   成する工程、次に前記トンネル接合層と接触するように
   前記第２のト這て導体１゜横を形成する工程を具備する
   ことを特徴とするン、セフソン接合素子の製造方法。