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超電導配線の接続構造 - 株式会社日立製作所
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発明の名称 超電導配線の接続構造
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−37365
公開日 平成6年(1994)2月10日
出願番号 特願平4−191887
出願日 平成4年(1992)7月20日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 山田 宏治 / 小南 信也 / ▲高▼橋 幸子
要約 目的


構成
Nb/AlOx/Nbの12,13,14の三層膜をスパツタ形成し、第1の超電導配線と接合を含むインダクタを同時にパターン加工し、第1の超電導配線の接続部分をドライエッチングにより上部電極膜14とAlOx層13を完全に除去し、下部電極12の表面を露出させステップ状の断面形状とする。ついで、接続部分の表面クリーニング処理を行った後に、全面にNb膜17をスパッタ形成する。最後にドライエッチングにより第2の超電導配線17と接続配線電極17′を同時にパターン加工して完了する。
特許請求の範囲
【請求項1】基板上における超電導デバイスの相互間を繋ぐ、下部電極,トンネル障壁層および上部電極の三層膜から成る超電導配線において、前記超電導配線の接続部は下部電極の一層からなることを特徴とする超電導配線の接続構造。
【請求項2】請求項1において、前記超電導配線はNb/AlOx/Nb,NbN/AlOx/NbNおよびNbN/Nb25/NbNの三層膜である超電導配線の接続構造。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は極低温において動作する超電導デバイスの超電導配線の接続に係り、特に、高集積化と高電流密度化に適した構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の超電導デバイスは、特開昭58−176983号公報に記載されているように、Nb/AlOx/Nb膜から成る下部電極,トンネル障壁層,上部電極を連続的に形成し、その後に所望のレジストパターンをマスクとしてドライエッチング法によりジョセフソン接合および配線パターンを形成する方法が用いられてきた。この方法によればパターンの形成工程が途中に介在することがないのでリーク電流の少ない高品質のジョセフソン接合が再現性よく形成できるという特徴があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超電導デバイスでは超電導配線の接続構造に問題があり、回路動作に必要な十分の超電導臨界電流Icを得ることができなかった。
【0004】図3は従来の超電導デバイスにおける超電導配線の接続構造の形成工程を示したものである。まず、図3(a)において、基板21上に、Nb膜より成る下部電極22,トンネル障壁層となるAlOx層23,Nb膜からなる上部電極24のNb/AlOx/Nbの三層膜をスパッタ法により被着する。ついで、図3(b)において、超電導配線と接合部分を含むインダクタのレジストパターンを、上部電極24上に形成した後ドライエッチングによりレジストパターン以外の上部電極24,AlOx層23,下部電極22、をエッチングにより除去する。エッチング後マスクに用いた不要レジストパターンを酸素プラズマ灰化とアセトンの併用によって除去し第1の超電導配線AおよびA′と接合部分を含むインダクタパターンBとを形成する。ついで、図3(c)において、上部電極24からなる接合パターン上のレジストをリフトオフマスクにしてエッチングされた上部電極24と基板21上の露出部分を絶縁膜25によって全面に被着して埋め戻す。
【0005】この際、超電導配線AおよびA′はレジストで被覆しておきエッチングをせずに三層膜のままで残す。ついで、アセトンによりリフトオフを行って下部電極22,基板21の露出部分および上部電極24から成る接合パターンの側壁を絶縁膜25で保護する。ついで、図3(d)において上部電極24とNb/AlOx/Nbの三層膜から成る第1の超電導配線AおよびA′の表面をArスパッタクリーニングを行った後にNb膜をスパッタ法により形成する。ついで、図3(e)において第1の超電導配線AおよびA′と接続をする第2の超電導配線26およびジョセフソン接合の面積を規定する上部電極24に接続する配線電極26′のパターン加工を同時に行ない完了する。ここで、第2の超電導配線26と配線電極26′は同層のNb膜により形成する。
【0006】なお、図3(f)は完了した図3(e)の平面図を示したものである(×印は接続部を示す)。
【0007】前述のようにNb/AlOx/Nbの三層膜は真空を破ることなくインラインにより高品質な膜が再現性良く形成できる大きな特徴を持っている。このために超電導デバイスではジョセフソン接合を含むインダクタと共に超電導配線にも三層膜を用いている。
【0008】ところで、従来の超電導配線の接続構造で問題となるのは図3(e)および(f)に示したように三層膜はトンネル障壁層であるAlOx23が下部電極22と上部電極24との間に介在しサンドイッチ構造となっている点にある。このため回路設計の際に超電導配線の接続部ではジョセフソン接合部に流れる超電導臨界電流Icよりも多く流れるように配線を太くし接続面積を大きくする必要があった。すなわち、実際の回路設計では動作時における電流レベルのマージンを考慮し接続面積をジョセフソン接合の面積に比べて少なくとも2〜3倍以上に見積って設計をする必要がある。
【0009】以上のように従来の超電導配線の接続構造では前述のような問題点のあることから接続面積の縮小化と同時に配線ピッチを詰めることが難しく超電導デバイスの高集積化が実現できなかった。
【0010】本発明の目的はNb/AlOx/Nbの三層膜を第1の超電導配線として用いる際に接続部における超電導臨界電流Icの増大を図る超電導配線の接続構造を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するために本発明の超電導配線の接続構造では、まず、基板上における超電導デバイスの相互間を繋ぐ、第1の超電導配線には下部電極/トンネル障壁層/上部電極(Nb/AlOx/Nb)の三層膜を、また、第2,第3の超電導配線にはNb膜を用いることを特徴とする。
【0012】すなわち、第2,第3の超電導配線を接続する前に、前記第1の超電導配線の接続部にスルホールのレジストパターンを設け、ドライエッチングによって上部電極のNb膜,トンネル障壁層のAlOxの二層膜を完全にエッチング除去して下部電極のNb膜面を露出させる。ついで、接続する下部電極のNb膜表面の酸化膜をArスパッタクリーニングによって完全に除去した後、引き続いて、全面にNb膜をスパッタ法により被着形成する。ついで、所望とする第2,第3の超電導配線をパターン加工によって、下部電極の接続部であるNb膜上に、配線が交差もしくは配線が対向して接続するように形成する。この際、上層の第2,第3の超電導配線の端部は接続部を完全に覆うように形成するのが条件である。これによりNb/Nb接合からなる超電導配線の接続構造が達成できる。
【0013】また、第3の超電導配線を設ける際に第1の超電導配線との間に第2の超電導配線を挾み、サンドイッチ構造として形成すると信頼性が向上する。
【0014】
【作用】すなわち、前述の手段の超電導配線の接続構造における最大のポイントは、三層膜から成る第1の超電導配線の接続部をドライエッチングによって断面形状をステップ状もしくは凹状にパターン加工し下部電極のNb膜層だけにすることにある。つまり、ステップ部は配線の端部であり、また、凹部は配線の中間で接続をとる設計構造になる。したがって、超電導デバイスの相互間を繋ぐ超電導配線の接続部はNb/Nb接合の超電導接続が実現可能となる。さらに、第1の超電導配線のステップの端部はパターンエッジにNb膜が露出しているために接続面積が設計値よりも実効的に大きく作用する。また、接合部ではステップにより段差部が緩和されるために上層の第2,第3の超電導配線の段切れが防止でき信頼性が向上する。このために、上層における超電導配線のNb膜厚を薄くすることが可能となる。したがって、Nb膜の内部応力も緩和されるためジョセフソン接合への影響も低減し再現性の良い特性が得られるように作用する。
【0015】また、前述の手段で述べたように第3の超電導配線を形成する際に、第2の超電導配線を挾んで接続するのはArスパッタクリーニングとオーバエッチングの双方による下部電極Nb膜の膜べりを防止するためのストッパとしての作用をするものであり本発明では必要不可欠のものである。
【0016】以上のように、本発明ではNb/Nb接合の超電導接続が実現できるので接続面積と配線ピッチを共に縮小化することが可能と成るために超電導デバイスの高集積化が図れる。
【0017】
【実施例】図1は本発明の超電導デバイスにおける超電導配線の接続構造の形成工程を示したものである。まず、図1(a)において、基板11上に、Nb膜より成る下部電極12,トンネル障壁層となるAlOx層13,Nb膜から成る上部電極14のNb/AlOx/Nbの三層膜をスパッタ法により被着する、ついで、図1(b)において、超電導配線と接合部分を含むインダクタのレジストパターンを、上部電極14上に形成した後、ドライエッチングによりレジストパターン以外の上部電極14,AlOx層13,下部電極12をエッチングにより除去する。エッチング後、マスクに用いた不要レジストパターンを酸素プラズマ灰化とアセトンの併用によって除去し第1の超電導配線AおよびA′と接合部分を含むインダクタパターンBを形成する。
【0018】ついで、図1(c)において、上部電極14からなる接合パターン上のレジストをリフトオフマスクにしてエッチングされた上部電極14と基板11上の露出部分を絶縁膜15によって全面に被着して埋め戻す。この際、第1の超電導配線AおよびA′はレジストで被覆をしておきエッチングをしないで三層膜のままで残す。
【0019】ついで、アセトンによりリフトオフを行って下部電極12,基板11の露出部分および上部電極14から成る接合パターンの側壁を絶縁膜15で保護する。
【0020】ついで、図1(d)において、第1の超電導配線AおよびA′の接続部分だけが露出するようにレジストパターン16を形成する。ついで、ドライエッチングにより上部電極14とAlOx13を完全に除去した後、さらに、下部電極12の表面を掘り下げる。
【0021】ついで、図1(e)において、酸素によるプラズマ灰化とアセトンの併用により不要レジストを除去して第1の超電導配線AおよびA′の接続部分にステップ状の断面形状が形成される(点線丸印内に示す)。
【0022】ついで、図1(f)において、上部電極14とNb/AlOx/Nbの三層膜から成る第1の超電導配線AおよびA′の接続部であるステップ部の下部電極12の表面をArスパッタクリーニングを行った後にNb膜をスパッタ法により形成する。
【0023】ついで、図2(a)において第1の超電導配線AおよびA′のステップ部に接続する第2の超電導配線17およびジョセフソン接合の面積を規定する上部電極14と接続する配線電極17′のパターン加工を同時に行ない完了する。ここで、第1の超電導配線17と配線電極17′は同層のNb膜で形成する。なお、図2(b)は完了した図2(a)の平面図を示したものである(×印は接続部を示す)。
【0024】さらに、図4を用いて以下に、本発明により形成した線幅1.7μm の制御線から成るNb系の超電導デバイスについて詳細に説明する。
【0025】基板には、直径50mmφ,厚さ450μmの<100>のSi基板31を用いる。このSi基板31上にはグランドプレーン32となる膜厚280nm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0.6Pa,堆積速度3nm/秒とする。ついで、層間絶縁膜33としてSiOを膜厚360nm被着する。
【0026】ついで、下部電極34となる膜厚160nmのNb膜をグランドプレーン32と同じ条件により被着する。ついで、同一スパッタ装置内でSi基板31をAlのターゲットの真下に移動してAlを膜厚6nm被着する。Al膜の堆積速度は0.4nm/秒とする。Al堆積後、スパッタ装置内にO2ガスを100Pa導入して、室温(24〜26℃)中で10分間の自然酸化を行ってAlの表面酸化膜であるAlOx層(本実施例ではX=2)35を形成する。再び、スパッタ装置内を真空排気した後、Si基板31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上部電極36となる膜厚80nmのNb膜を被着する。三層膜をインラインで連続形成した後、Si基板31をスパッタ装置内から取り出す。
【0027】ついで、配線と接合部を含むインダクタ用のレジストパターンを次の条件で形成する。AZ1370SFレジスト(米国ヘキスト社商品名)を膜厚0.7μmスピン塗布した後、プリベークを90℃で20分間の処理を行う。ついで、光強度15mW/cm2 の紫外光により2秒間のパターン露光を密着法で行った後、AZデベロッパー(米国ヘキスト社商品名):水=1:1の組成比で液温24℃中で60秒間の現像を行い水洗120秒後、スピン乾燥をしてレジストパターンを形成する。ついで、このSi基板31上の三層膜をパタ−ン加工を行うために、真空装置に挿入し減圧した後、上部電極36をCF4(フロン14)ガスによる反応性イオンエッチングにより、CF4 ガス圧力26Pa,電力100Wの条件でレジストパターン以外のNb膜のエッチングを5分間行う。Alの表面酸化膜AlOx35が露出した時点でArによるイオンエッチングに切り替えてArガス圧力2mPa,加速電圧600eV,イオン電流密度0.5mA/cm2の条件で、AlOx層のエッチングを5分間行う。ついで、下部電極34を前述した上部電極36と同じ条件でNb膜のエッチングを10分間行う。エッチング終了後、真空装置内より取り出してからアセトンでリフトオフを行って配線と接合部を含むインダクタパターンを形成する。
【0028】ついで、上部電極36上に接合面積を規定するレジストパターンを形成する。すなわち、AZ1370SFレジストを膜厚1.3μm スピン塗布した後、プリベークを90℃で20分間の処理を行う。ついで、1.5μm 角のマスクパターンを光強度15mW/cm2 で5秒間のパターン転写を密着法により行う。ついで、現像をAZデベロッパー:水=1:1の組成比で液温24℃中で60秒間行い、水洗120秒後、スピン乾燥をして接合面積が1.5μm 角から成るレジストパターンを形成する。この際、配線部分は全てレジストで覆って置きパターン加工時においてエッチングされないようにする。
【0029】再び、真空装置内に挿入し、前述した配線および接合部を含むインダクタパターンと同一条件により上部電極36のNb膜をエッチング除去する。この時点でAlの酸化膜AlOx層35はトンネル障壁層として上部電極36によって接合面積が規定される。この後、真空装置内より取り出してからO2ガスによるスパッタエッチングでレジストパターン表面の硬化処理を次の条件で行う。O2 ガス圧力0.8Pa,高周波電力300W、処理時間は3分間である。
【0030】ついで、真空蒸着法によりSiを絶縁膜に用いてエッチング部分の埋戻しを行う。すなわち、反応性イオンエッチング後の上部電極36上のレジストパターンをリフトオフマスクとして、膜厚360nmの絶縁膜37を全面に被着した後に、真空装置内から取り出した。ついで、アセトンによりリフトオフを行ってエッチング部分の埋戻しと上部電極36の側壁を保護膜として絶縁膜37により埋戻して形成した。
【0031】ついで、三層膜から成る第1の超電導配線の接続部分だけが露出するようにスルホール状のレジストパターンを形成する。スルホールのパターン寸法は1.2μm角である。形成条件はAZ1370SFレジストを膜厚0.7μm スピン塗布した後、プリベークを90℃で20分間の処理を行う。ついで、光強度15mW/cm2 の紫外光により2秒間のパターン露光を密着法で行った後、AZデベロッパー:水=1:1の組成比で液温24℃中で60秒間の現像を行い、水洗120秒後、スピン乾燥をしてレジストパターンを形成する。この後、120℃で20分間の処理を行う。再び、真空装置内に挿入して減圧した後、三層膜のパターン加工と同一のドライエッチング法により上部電極34とAlOx35を完全に除去した後、さらに、下部電極34の表面を掘り下げて接続部分の断面形状をステップ状に形成した。真空装置内より取りだした後、O2 ガスによるプラズマ灰化とアセトンの併用により不要レジストを除去した。この時点で第1の超電導配線の接続部の端部では断面形状がステップ状に形成された。
【0032】ついで、第2の超電導配線と上部電極36上の接続を超電導接続をとるために第1の超電導配線の接続部分と上部電極36上の表面をArガスによるスパッタエッチングでクリーニング処理を行う。ついで、第2の超電導配線と上部電極36と接続をとる接続配線用のNb膜を膜厚360nm被着する。Nb膜の被着条件は前述のグランドプレーン32,下部電極34,上部電極36と同様にDCマグネトロンスパッタ法によって被着する。スパッタ装置内より取り出した後、前述した配線および接合部を含むインダクタパターンと同一条件でレジストパターンを形成する。ついで、再び、真空装置内に挿入して減圧した後、前述した接合パターンと同一条件でCF4 ガスによる反応性イオンエッチングでレジストパターン以外のNb膜をエッチング除去する。その後、真空装置内から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して第1の超電導配線と接続する第2の超電導配線38および上部電極36と接続する配線電極38′を同層のNb膜により形成する。
【0033】ついで、図4(b)において層間絶縁膜39をSiOを用いて膜厚600nm被着し形成する。なお、この層間絶縁膜39の形成はAZ1370SFJレジストをマスクにしたリフトオフ法を用いる。ついで、最後に制御線電極40となるNb膜を前述と同じ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、前述した条件で線幅1.7μm の制御線電極レジストパターンを形成した後、CF4 ガスによる反応性イオンエッチングを行いレジストパターン以外のNb膜をエッチングして制御線電極40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。
【0034】以上の工程を経てNb系の超電導デバイスの形成が完了する。
【0035】なお、本実施例においては主として接続部の構造に超電導配線の交差接続と対向接続を用いたが、本発明はこれに限られることなく配線の端部同士がL型のステップ状から成る接続構造でも同様の効果が得られる。
【0036】また、本実施例では超電導材料にNb膜を用いたが、本発明はこれに限ることなく、NbN,MoNを用いた場合でも同様の効果が得られる。
【0037】
【発明の効果】本発明によれば、第1の超電導配線に接続する第2,第3の超電導配線間における接続部での超電導臨界電流Icが大幅に向上した。たとえば、従来、接続部では0.3mA/1μm 角しか超電導臨界電流Icが得られなかったものが、本発明の適用により8mA/1μm角の超電導臨界電流Icが再現性良く得られるようになった。これにより、超電導配線の接続面積も約1/4以下に縮小化でき、また、配線ピッチも約1/2程度に縮小化することが可能となり、信頼性の高い高集積化の超電導デバイスが実現できるようになった。




 

 


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