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JPH0513394B2 - - Google Patents
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JPH0513394B2 - - Google Patents

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JPH0513394B2
JPH0513394B2 JP60255092A JP25509285A JPH0513394B2 JP H0513394 B2 JPH0513394 B2 JP H0513394B2 JP 60255092 A JP60255092 A JP 60255092A JP 25509285 A JP25509285 A JP 25509285A JP H0513394 B2 JPH0513394 B2 JP H0513394B2
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JP
Japan
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josephson
substrate
electrode
pattern
forming
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Takeshi Imamura
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • H10N60/0912Manufacture or treatment of Josephson-effect devices

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 反応性イオンエツチングを用いてジヨセフソン
接合素子からなる回路を形成する際に素子の汚染
を防ぐために回路の外側にダミー電極を形成する
方法。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] A method of forming a dummy electrode outside the circuit in order to prevent contamination of the device when forming a circuit consisting of Josephson junction devices using reactive ion etching.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は反応性イオンエツチングでジヨセフソ
ン接合素子を形成する際に素子を汚染より防ぐ製
造方法に関する。
The present invention relates to a manufacturing method that prevents contamination of Josephson junction devices during the formation of Josephson junction devices by reactive ion etching.

ジヨセフソン接合素子(以下略してジヨセフソ
ン素子)は超伝導現象を利用した素子であり、消
費電力が1ゲート当たり1μW程度と半導体素子
に較べて3〜4桁も少なく、またスイツチング時
間は10ps程度であり、トランジスタに較べて一桁
以上も短いのを利用して高速電算機への利用が進
められている。
Josephson junction devices (hereinafter referred to as Josephson devices) are devices that utilize superconductivity, and their power consumption is approximately 1 μW per gate, which is three to four orders of magnitude lower than that of semiconductor devices, and the switching time is approximately 10 ps. , which are more than an order of magnitude shorter than transistors, are being used in high-speed computers.

そして具体的にジヨセフソン素子を用いて各種
のデバイスが実用化されている。
Various devices have been put into practical use using Josephson elements.

例えば超伝導量子干渉素子がこれであり、2個
或いは3個のジヨセフソン接合をインダクタンス
ブリツジによつてり並列接続した構成をとる。
An example of this is a superconducting quantum interference device, which has a configuration in which two or three Josephson junctions are connected in parallel via an inductance bridge.

ここで、これらのデバイスはシリコン(Si)等
の半導体基板(ウエハ)上に形成されているが、
各種の半導体デバイスと同様に数多くのデバイス
が同時にパターン形成されて製造されている。
Here, these devices are formed on a semiconductor substrate (wafer) such as silicon (Si),
As with various semiconductor devices, a large number of devices are simultaneously patterned and manufactured.

本発明は写真食刻法(ホトリソグラフイ)によ
りジヨセフソン素子をパターン形成する際の汚染
防止法に関するものである。
The present invention relates to a method for preventing contamination when patterning Josephson elements by photolithography.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

ジヨセフソン素子は第4図に示すようにSiなど
の基板1の上にニオブ(Nb)や窒化ニオブ(Nb
N)などの超伝導金属からなる基部電極2があ
り、この上に接合部を窓開けした二酸化硅素
(SiO2)等からなる層間絶縁層3があり、接合部
を含む領域にはアルミニウム(Al)などの薄膜
を酸化して生じたトンネル酸化膜4があり、この
上にNbやNb Nなどの超導電金属からなる対向
電極5を設けてジヨセフソン素子が形成されてい
る。
As shown in Figure 4, the Josephson element is made of niobium (Nb) or niobium nitride (Nb) on a substrate 1 such as Si.
There is a base electrode 2 made of a superconducting metal such as N), on which there is an interlayer insulating layer 3 made of silicon dioxide (SiO 2 ) with a window open at the junction, and a region containing the junction is made of aluminum (Al). There is a tunnel oxide film 4 produced by oxidizing a thin film such as ), on which a counter electrode 5 made of a superconducting metal such as Nb or NbN is provided to form a Josephson element.

このような構成をとるジヨセフソン素子におい
て特性の良否は厚さが数10Å以下のトンネル酸化
膜4により決まり、これは均質でまた汚染されて
いないことが必要条件である。
In a Josephson device having such a configuration, the quality of the characteristics is determined by the tunnel oxide film 4 having a thickness of several tens of angstroms or less, which must be homogeneous and free from contamination.

然し、現実にはパターン形成工程中に汚染され
易く、高品質のトンネル酸化膜を形成することは
容易ではない。
However, in reality, it is difficult to form a high-quality tunnel oxide film because it is easily contaminated during the patterning process.

ここでパターン形成は反応性イオンエツチング
(Reactive Ion Etching以下略してRIE)法で行
われているが、汚染はパターン形成する際に生じ
ている。
Here, pattern formation is performed by a reactive ion etching (RIE) method, but contamination occurs during pattern formation.

以下ジヨセフソン素子の各製造工程を説明する
と次のようになる。
Each manufacturing process of the Josephson device will be explained below.

基板電極: 基板1の上にスパツタ法によりNb金属を約
3000Åの厚さに成膜し、レジストをスピンコート
した後に多数の基部電極パターンを投影露光した
のち現像してレジストパターンを形成する。
Substrate electrode: Approximately Nb metal is applied on substrate 1 by sputtering method.
A film is formed to a thickness of 3000 Å, a resist is spin-coated, a large number of base electrode patterns are projected and exposed, and then developed to form a resist pattern.

次にこれをRIEして多数の基板電極2が形成さ
れる。
Next, this is subjected to RIE to form a large number of substrate electrodes 2.

ここで処理条件を挙げると例えばエツチング雰
囲気は四弗化炭素(CF4)+30容量%の酸素(O2
であり、圧力は80mTorr、電力は0.1W/cm2であ
る。
For example, the etching atmosphere is carbon tetrafluoride (CF 4 ) + 30% by volume oxygen (O 2 ).
The pressure is 80 mTorr and the power is 0.1 W/cm 2 .

層間絶縁層: 基板電極2が形成されている基板の全域に互つ
てスパツタ法によりSiO2を約4000Åの厚さに成
膜し、レジストパターンニングして接合形成部の
SiO2層のみをRIE法により除去する。
Interlayer insulating layer: SiO 2 is deposited to a thickness of approximately 4000 Å over the entire area of the substrate where the substrate electrode 2 is formed by sputtering, and resist patterning is performed to form a bonding area.
Only the SiO 2 layer is removed by RIE method.

この場合の処理条件は例えば三弗化メタン
(CHF3)+10%O2、15mTorr、0.2W/cm2である。
The processing conditions in this case are, for example, trifluoromethane (CHF 3 )+10% O 2 , 15 mTorr, and 0.2 W/cm 2 .

トンネル酸化膜: 基板電極2を含め基板表面をアルゴン(Ar)
ガスを用いてスパツタクリーリングした後、Al
をスパツタして約30ÅのAl薄膜を作り、チヤン
バ内にO2を導入して0.01〜1Torrとし、15〜120
分間放置してトンネル酸化膜を形成する。
Tunnel oxide film: Argon (Ar) is applied to the substrate surface including substrate electrode 2.
After sputter cleaning using gas, Al
sputter to make an Al thin film of about 30 Å, and introduce O 2 into the chamber to give a pressure of 0.01 to 1 Torr.
Leave for a minute to form a tunnel oxide film.

対向電極: トンネル酸化膜形成後そのままの状態でNbを
約5000Åの厚さにスパツタして成膜し、レジスト
パターニング後に対向電極を残してRIEを行つて
除去する。
Counter electrode: After forming the tunnel oxide film, sputter Nb to a thickness of about 5000 Å and remove it by RIE, leaving the counter electrode after resist patterning.

エツチング条件は例えばCF4+5%O2、50m
Torr、0.1W/cm2である。
Etching conditions are, for example, CF 4 + 5% O 2 , 50 m
Torr, 0.1W/ cm2 .

このようにパターン形成はRIE法を用いて行わ
れているが、RIEにおいてはスパツタエツチング
も並行して生じでおり、ガスプラズマ中の正イオ
ンがカソード上に置かれた試料に衝撃し、未反応
物或いは不完全反応物が周辺に飛散して汚染を生
じることがある。
In this way, pattern formation is performed using the RIE method, but in RIE, sputter etching also occurs in parallel, and positive ions in the gas plasma bombard the sample placed on the cathode, causing Reactants or incomplete reactants may scatter to the surrounding area and cause contamination.

この汚染は層間絶縁層3形成後の接合窓形成の
ようにエツチング面積が僅かの場合は微量で問題
とはならないが、基板電極2や対向電極5の形成
工程のように大面積に互つてRIEが行われる場合
には飛散する反応物の再付着により顕著な汚染が
生じて問題となる。
This contamination is a small amount and does not pose a problem when the etching area is small, such as when forming a bonding window after forming the interlayer insulating layer 3. When this is carried out, significant contamination occurs due to re-deposition of the scattered reactants, which poses a problem.

具体的にはNbからなる基部電極2をRIEによ
り形成する場合、基板電極パターン上のレジスト
層の上およびエツチングされて残つた基板電極2
の肩の部分にはガス化しないで残つたレジスト反
応物、Nb或いは蒸気圧の低いNbの弗化物や酸化
物などの再付着物が析出しており、これらはアセ
トンなどの溶剤によるレジスト除去処理でも取り
除くことができず表面に残存していることがあ
る。
Specifically, when forming the base electrode 2 made of Nb by RIE, the substrate electrode 2 remaining on the resist layer on the substrate electrode pattern and after etching is
Resist reactants that have not been gasified and re-deposits such as Nb or Nb fluorides and oxides with low vapor pressure are precipitated on the shoulders of the resist, and these can be removed by resist removal treatment using a solvent such as acetone. However, it may remain on the surface and cannot be removed.

かかる場合、この上にトンネル酸化膜4が形成
されると接合特性はリーク電流の多い劣悪なもの
となつてしまう。
In such a case, if the tunnel oxide film 4 is formed thereon, the junction characteristics will be poor with a large amount of leakage current.

そのために汚染のないパターン形成法が要望さ
れている。
Therefore, there is a need for a pattern forming method that does not cause contamination.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

以上説明したようにジヨセフソン素子のパター
ン形成はRIEにより行われているが、スパツタエ
ツチングによりパターン形成する際に生ずる付着
物により形成されたパターン面が汚染され、その
ためリーク電流の多い接合を生ずることが問題で
ある。
As explained above, pattern formation of Josephson elements is performed by RIE, but the pattern surface formed by the deposits generated during pattern formation by sputter etching is contaminated, resulting in junctions with high leakage current. is the problem.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記の問題は基板上に超伝導グランドプレーン
を設ける工程と、該基板のジヨセフソンゲート形
成予定領域を囲むような位置の該超伝導グランド
プレーンを開穴することによりモートを設ける工
程と、ジヨセフソン素子形成用の電極パターンを
設けると共に、該モート部分の総て、または一部
を覆うようにダミー電極を形成する工程とを有す
ることを特徴とするジヨセフソン接合素子の製造
方法。をとることにより解決することができる。
The above problem is solved by the process of providing a superconducting ground plane on the substrate, the process of providing a moat by opening a hole in the superconducting ground plane at a position surrounding the area where the Josephson gate is to be formed, and A method for manufacturing a Josephson junction element, comprising the steps of providing an electrode pattern for element formation and forming a dummy electrode so as to cover all or part of the moat portion. This can be solved by taking .

〔作用〕[Effect]

写真食刻技術を用いてパターン形成を行う場
合、ドライエツチング法により高精度のパターン
を得るにはエツチングに方向性をもつRIE法が最
も適している。
When forming a pattern using photoetching technology, the RIE method, which has directional etching, is most suitable for obtaining a highly accurate pattern using the dry etching method.

然し、スパツタエツチングによる反応生成物の
微量の付着は避けられず、これによる汚染はジヨ
セフソン接合の形成においては許されない。
However, the deposition of minute amounts of reaction products due to sputter etching is unavoidable, and contamination caused by this is not allowed in the formation of Josephson junctions.

発明者はかかるスパツタエツチングによる汚染
はパターン配置にも関係することを見いだした。
The inventors have discovered that such sputter etching contamination is also related to pattern placement.

すなわち汚染は広い基板面積の中央部に単独に
素子を形成する場合に顕著であり、また基板上に
マトリツクス状に多数の素子を形成する場合は外
周部の素子に汚染が現れる。
That is, contamination is noticeable when a single element is formed in the center of a large substrate area, and when a large number of elements are formed in a matrix on a substrate, contamination appears on the elements at the outer periphery.

第3図はこの状態を示すもので、例えばSiから
なる基板1の上に超伝導金属としてNbを層形成
し、これをRIEして基部電極2をマトリツクス状
に形成する場合に発明者は図に示すように外周部
の基部電極2の肩に掛かる部分に特に汚染物質6
が付着する傾向があるを見い出した。
FIG. 3 shows this state. For example, when forming a layer of Nb as a superconducting metal on a substrate 1 made of Si and performing RIE to form a base electrode 2 in a matrix shape, the inventor As shown in Fig. 2, contaminants 6 are particularly concentrated on the shoulder part of the base electrode 2 on the outer periphery.
It was found that there is a tendency for the particles to adhere to each other.

そこで本発明はこのようなスパツタ反応物の付
着性を利用するもので、多数のジヨセフソン素子
を作る場合にこの周辺にダミー電極を設け、この
ダミー電極に汚染物質を付着させ、接合を形成す
る電極には付着させないようにするものである。
Therefore, the present invention utilizes the adhesion of such sputtering reactants, and when making a large number of Josephson devices, a dummy electrode is provided around the sputtering reactant, and contaminants are attached to the dummy electrode to form an electrode that forms a bond. This is to prevent it from adhering to the surface.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の実施法を示すものであつて多
数配列しているジヨセフソン素子形成用の電極パ
ターン7の外周部にダミー電極パターン8を設け
るものである。
FIG. 1 shows a method of implementing the present invention, in which a dummy electrode pattern 8 is provided on the outer periphery of a large number of electrode patterns 7 for forming Josephson elements.

ここでダミーパターンは素子形成工程の総てに
互つて形成する必要はなく、物質の付着が望まし
くない電極を形成するRIE工程だけに形成すれば
よい。
Here, the dummy patterns do not need to be formed in all of the element forming steps, but may be formed only in the RIE step in which electrodes are formed where adhesion of substances is undesirable.

第2図は本発明の実施法の一例を示す断面図で
あつて、ジヨセフソン素子9の形成においてNb
などの超伝導金属からなる基部電極2の表面特に
トンネル酸化膜4を形成する領域が汚染されてい
ないことが必要条件であることから、この実施例
においては基部電極2をパターン形成する際にの
み周辺部にダミー電極パターン8を形成した。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the method of implementing the present invention, in which Nb
Since it is a necessary condition that the surface of the base electrode 2 made of a superconducting metal such as A dummy electrode pattern 8 was formed around the periphery.

このような方法をとることにより従来は外周部
の素子にリーク不良が発生していたが、本発明の
実施によりパターン形成位置に拘わらず均一な接
合特性が得られるようになつた。
Conventionally, by adopting such a method, leakage defects occurred in elements on the outer periphery, but by implementing the present invention, uniform bonding characteristics can be obtained regardless of the pattern formation position.

次に本発明を実施する場合、外周部に設けるダ
ミーパターン位置だけスペース的に不経済のよう
に思われる。
Next, when implementing the present invention, it seems that the position of the dummy pattern provided on the outer periphery is uneconomical in terms of space.

かかる場合ジヨセフソン論理回路では磁気トラ
ツプを防ぐために基板上に超伝導グランドプレー
ンを設け、この上に論理回路を形成すると共にモ
ートと呼ばれる穴をゲートを囲むような位置でグ
ランドプレーンに設けることが行われている。
In such cases, in Josephson logic circuits, a superconducting ground plane is provided on the substrate to prevent magnetic traps, the logic circuit is formed on top of this, and holes called moats are provided in the ground plane at positions surrounding the gate. ing.

磁束トラツプとは、回路を極低温まで冷却する
際に、磁界があるとその磁界を超伝導膜の中に取
り込んでしまう現象である。トラツプされた磁界
は磁束量子1個分を単位として量子化されてお
り、それが接合の近傍に発生すると磁界電流を変
化させてしまう。モートは、このような悪影響の
ある磁束トラツプが接合近くに発生しないように
するために、積極的に磁束トラツプを生じる溝を
ジヨセフソンゲートを囲む位置に形成したもので
ある。
Magnetic flux trap is a phenomenon in which when a circuit is cooled to an extremely low temperature, if a magnetic field is present, the magnetic field is taken into the superconducting film. The trapped magnetic field is quantized in units of magnetic flux quanta, and when it occurs near the junction, it changes the magnetic field current. In the moat, in order to prevent such an adverse magnetic flux trap from occurring near the junction, a groove that actively causes a magnetic flux trap is formed at a position surrounding the Josephson gate.

このモート部分はゲート周辺を囲むように配置
されているので、本発明に係るダミーパターンは
このモート部分の総て、またはこの一部を覆うよ
うに生成すれば経済的である。
Since this moat portion is arranged so as to surround the periphery of the gate, it is economical to generate the dummy pattern according to the present invention so as to cover all or part of this moat portion.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上記したように本発明の実施によりジヨセフ
ソン素子形成に当たつて接合不良が減少し、収率
の向上が可能となる。
As described above, by carrying out the present invention, it is possible to reduce bonding defects during the formation of Josephson devices and improve yield.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に係るダミーパターンの配置例
の平面図、第2図は本発明の実施法を示す断面
図、第3図はパターンの汚染状態を説明する断面
図、第4図はジヨセフソン接合素子の断面構造
図、である。 図において、1は基板、2は基部電極、3は層
間絶縁層、4はトンネル酸化膜、5は対向電極、
6は汚染物質、7は電極パターン、8はダミー電
極パターン、9はジヨセフソン素子、である。
FIG. 1 is a plan view of an example of the arrangement of dummy patterns according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the method of implementing the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view explaining the contamination state of the pattern, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional structural diagram of a bonding element. In the figure, 1 is a substrate, 2 is a base electrode, 3 is an interlayer insulating layer, 4 is a tunnel oxide film, 5 is a counter electrode,
6 is a contaminant, 7 is an electrode pattern, 8 is a dummy electrode pattern, and 9 is a Josephson element.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 基板上に超伝導グランドプレーンを設ける工
程と、 該基板のジヨセフソンゲート形成予定領域を囲
むような位置の該超伝導グランドプレーンを開穴
することによりモートを設ける工程と、 ジヨセフソン素子形成用の電極パターンを設け
ると共に、該モート部分の総て、または一部を覆
うようにダミー電極を形成する工程とを有するこ
とを特徴とするジヨセフソン接合素子の製造方
法。
[Claims] 1. A step of providing a superconducting ground plane on a substrate, and a step of providing a moat by opening a hole in the superconducting ground plane at a position surrounding a region of the substrate where a Josephson gate is to be formed. A method for manufacturing a Josephson junction element, comprising the steps of: providing an electrode pattern for forming a Josephson element, and forming a dummy electrode so as to cover all or a part of the moat portion.
JP60255092A 1985-11-15 1985-11-15 Manufacture of josephson junction element Granted JPS62115882A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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