DE3128982C2

DE3128982C2 - Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson-Tunnelelementes

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Publication number: DE3128982C2
Application number: DE3128982A
Authority: DE
Inventors: Gabriel M. Dipl.-Ing. Daalmans; H. Eckhardt Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen Hoenig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-07-22
Filing date: 1981-07-22
Publication date: 1985-12-12
Also published as: DE3128982A1

Abstract

Mit dem Verfahren soll mindestens ein Josephson-Tunnel element herzustellen sein, das auf einem Substrat abgeschiedene supraleitende Schichten einer Basiselektrode und einer Gegenelektrode sowie eine Schicht einer Tunnelbarriere zwischen den Elektrodenschichten enthält. Bei dem Verfahren werden in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Schichten der Elektroden mit Hilfe einer Maskentechnik durch schräges Aufdampfen aufgebracht und wird zwischendurch die Schicht der Tunnelbarriere ausgebildet. Gemäß der Erfindung wird auf dem Substrat (4) eine Lochmaske (12) mit vorbestimmter Dicke (1) mit einer dem zu erzeugenden Tunnelelement angepaßten Lochstruktur (18) angeordnet. Vorteilhaft wird für die Schicht (24) der Gegenelektrode ein Material vorgesehen, das bei seinem Aufbringen auf die Schicht (22) der Tunnelbarriere mit deren Material praktisch nicht reagiert. Als Material für die Schicht (24) der Gegenelektrode kann insbesondere eine Molybdän-Rhenium-Legierung vorgesehen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her-

stellung mindestens eines Josephson-Tunnelelementes, insbesondere für Logik- und Speicherschaltungen, das eine auf einem Substrat abgeschiedene supraleitende Schicht einer Basiselektrode, eine Schicht einer Gegenelektrode aus einem supraleitenden Material mit einer sehr geringen Spannungsrelaxation und mit einer mindestens so hohen Sprungtemperatur wie die von Niob sowie eine Schicht einer Tunnelbarriere zwischen den beiden Schichten der Elektroden enthält, bei welchem Verfahren zunächst auf dem Substrat eine Lochmaske mit einer dem zu erzeugenden Tunnelelement angepaßten Lochstruktur angeordnet wird, bei welchem sodann bei ununterbrochenen Unterdruckverhältnissen und kontrollierter Zusammensetzung der Restgasatmosphäre die Schichten der Elektroden mit Hilfe der Lochmas- ke durch schräges Aufdampfen aufgebracht werden und bei welchem zwischendurch die Schichten der Tunnelbarriere ausgebildet wird. Ein derartiges Verfahren ist aus dem JP-Patent Abstract 55-1 46 987 bekannt Von Josephson-Tunnelelementen, die man insbeson dere für hochintegrierte Logik- und Speicherschaltun gen in beispielsweise 1- bis 2-Mikrometer-Technik vorsehen möchte, wird gefordert, daß ihre Kennlinien gegenüber Abkühl- und Aufwärmzyklen zwischen Raumtemperatur und Supraleitungstemperatur weitgehend stabil sind und daß ihre Leckströme bei Spannungen kleiner als die der Summe der Energielücken der das Element bildenden supraleitenden Schichten entsprechenden Spannung möglichst klein sind. Aus der Veröffentlichung H.D. Hahlbohm, H. Lübbig (Hrgb.), »SQUID '80 - Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications«, Berlin 1980, Seiten 399 bis 415 ist ein Verfahren zur Herstellung von Josephson-Tunnelelementen bekannt, welche die gefor-

derte Stabilität gegenüber den erwähnten thermischen Zyklen aufweisen. Dieses auch als Schwebemaskenverfahren bezeichnete Verfahren umfaßt im wesentlichen zwei Verfahrensschritte. Danach erfolgt zunächst die sogenannte Lithographie, d.h. die Herstellung einer Schattenmaske, und dann das eigentliche Aufdampfen der supraleitenden Schichten. Die Schwebemaske ist Ober einen einige zehntel (im hohen Sockel fest mit einem Substrat verbunden, das hauptsächlich aus Silizium besteht Sie ist so unterhöhlt, daß freitragende, den geometrischen Formen der Schichten des herzustellenden Josephson-Tunnelelementes angepaßte Brücken ausgebildet sind. Mit Hilfe dieser Maskenstruktur werden dann in einer Hochvakuumanlage die Schichten des Tunneielementes aufgebracht bzw. ausgebildet Dazu werden zwei als Basis- und Gegenelektrode dienende Schichten aus supraleitendem Material unter verschiedenen Winkeln auf die Schwebemaske aufgedampft, und zwar so, daß sich die beiden Schichten unter der Brücke in vorbestimmter Weise überJappen. Als Material der Elektrodenschichten ist Niob vorgesehen, das zum einen eine verhältnismäßig hohe Sprungtemperatur hat und zum anderen eine sehr geringe Spannungsrelaxation (vgL z. B. DE-AS 21 63 250) aufweist Zwischen den Aufdampfprozessen wird die erforderliche Tunnelbarriere durch Oxidation der freien Oberfläche der als Basiselektrode dienenden ersten Niob-Schicht erzeugt, wobei die Tunnelcharakteristik in starkem Maße von der Oxidationsart und den Bedingungen beim Herstellen der Tunnelbarriere beeinflußt werden (vgl. z. B. »IBM J. ResJDevelop.«, Band 24, 1980, Seiten 212 bis 222). Auf diese Weise entsteht in der Überlappungszone der beiden Niob-Metallschichten das Tunnelelement ohne daß man die Vakuumbedingungen bei dessen Herstellung unterbrechen muß.

Neben Niob als Elektrodenmaterial können auch andere supraleitende Materialien mit hoher Sprungtemperatur für entsprechende Josephson-Tunnelelemente vorgesehen werden (vgl. z. B. DE-OS 30 18 510).

Es zeigt sich jedoch, daß die Leckströme von nach diesem bekannten Schwebemaskenverfahren hergestellten Josephson-Tunnelelementen noch verhältnismäßig hoch sind. Ferner ist die Herstellung hochintegrierter Logikschaltungen mittels dieses Verfahrens erschwert da die Stabilität der hierfür vorzusehenden Schwebemasken wegen ihrer Unterhöhiungen begrenzt ist. Dies bedingt eine entsprechende Begrenzung der Integrationsdichte an Josephson-Tunnelelementen. Außerdem ist bei dem bekannten Verfahren die Oxidation der Basiselektrodenschichten zur Ausbildung der Tunnelbarrieren unter den Brücken der Maske verhältnismäßig schwierig auszuführen.

Im Gegensatz zu diesem bekannten Schwebemaskenverfahren ist bei dem aus dem eingangs genannten JP-Patent Abstract zu entnehmenden Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes eine Lochmasken-Lithographie vorgesehen. Diese Lithographie unterscheidet sich von der bekannten Schwebemasken-Lithographie im wesentlichen dadurch, daß ein Loch die Funktion der schwebenden Maskenteile übernimmt

Dementsprechend wird auf einem Substrat eine Lochmaske mit einer dem zu erzeugenden Tunnelelement angepaßten Lochstruktur angeordnet und werden sodann bei ununterbrochenen Unterdruckverhältnissen und kontrollierter Zusammensetzung der Restgasatmosphäre die Schichten der Elektroden aufgedampft, wobei zwischendurch die Schicht der Tunnelbarriere ausgebildet wird. Als Material für die Gegenelektrode wird ein supraleitendes Material mit sehr geringer Spannungsrelaxation und hoher Sprungtemperatur gewählt Mit der Verwendung einer solchen Lochmaske und des besonderen Materials für die Gegenelektrode läßt sich die Sauberkeit bei der Herstellung der Schichten des Josephson-Tunnelelementes erhöhen. Das heißt die Löcher der Maske lassen sich besser reinigen als die unter Brücken einer Schwebemaske liegenden Oberflächenteile. Außerdem erfährt die Schicht der Tunnelbarriere

ίο keine wesentliche Veränderung bei den ständig unter Hochvakuumbedingungen durchzuführenden Verfahrensschritten; insbesondere tritt keine Interdiffusion mit der sie abdeckenden Schicht der Gegenelektrode auf. Derartige Veränderungen der Tunnelbarrierenschicht werden als eine Ursache für die Erhöhung der Leckströme angesehen. Da außerdem die Tunnelbarrieren nicht unter Brücken wie bei dem bekannten Schwebemaskenverfahren, sondern direkt in den Löchern ausgebildet werden, ist ihre Herstellung entsprechend einfach. Die bei diesem Verfahren angewandte Maskentechnik ist jedoch als quasi »makroskopisch« anzusehen. Denn die dabei eingesetzten Maskenbleche weisen notwendigerweise verhältnismäßig grobe Abmessungen in allen Dimensionen auf. Es lassen sich deshalb Ausbeulungen der aufzulegenden Maskenbleche nicht vermeiden, so daß die Reproduzierbarkeit von Flächenmaßen entsprechend beeinträchtigt ist Darüber hinaus ist das bekannte Verfahren zur Herstellung von Schaltungen mit entsprechenden Josephson-Tunnelelementen wie z. B. für SQUIDs oder Logikinterferometer nicht geeignet da die Zuleitungskontakte dieser bekannten Elemente normalleitend auszuführen sind

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das bekannte Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß mit ihm gut reproduzierbare Josephson-Tunnelelemente zu erhalten sind. Außerdem sollen mit dem Verfahren auch hochintegrierte Logikschaltungen mit Josephson-Tunnelelementen auf verhältnismäßig einfache Weise zu erstellen sein, wobei die Tunnelelemente jeweils verhältnismäßig kleine Leckströme aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst

Zwar ist auch aus dem JP-Patent Abstract 56-46 582 ein Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnen aus Niobfilmen für Josephson-Tunnelelemente zu entnehmen, bei dem eine Dünnfilm-Lochmaske aus einer auf einem Substrat abzuscheidenden Sockelschicht und einer darauf aufzubringenden Deckschicht aufgebaut wird. Jedoch kann mit dieser Maske lediglich eine einzige Leiterbahn ausgebildet werden, da mittels einer bezüglich des Substrates senkrechten Aufdampftechnik Abmessungen der Leiterbahn erzeugt werden, die exakt der Lochstruktur der Maske entsprechen. Eine derartige Technik ist aber nur für die Anschlußleiter von Josephson-Tunnelelementen, jedoch nicht ohne weiteres für die Herstellung dieser Elemente selbst geeignet Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von NbaSn-Leiterbahnen mittels einer Lochmaske, die eine Sockel- und eine Deckschicht aus hitzebeständigen Materialien wie z. B. Kupfer bzw. Niob aufweist, ist in der Veröffentlichung »Appl. Phys. Lett« 33 (12), 15. Dez. 1978, Seite 1034 und 1035, beschrieben.

Die mit dem Verfahren nach der Erfindung verbundenen Vorteile sind nun insbesondere darin zu sehen, daß mit einer einzigen in Dünnfilm-Technik direkt auf einem Substrat zu erstellenden Lochmaske bei Wahl

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vorbestimmter Aufdampfwinkel auf verhältnismäßig strat 4 aufgebrachten Lochmaske 12 eine Länge L und einfache Weise eine große Anzahl von Tunnelelemen- eine Breite B haben. Die Dicke der Lochmaske 12 ist mit ten pro Flächeneinheit herzustellen, d. h. eine hohe Inte- a bezeichnet Bei einem Aufdampfwinkel * ergibt sich grationsdichte zu erreichen ist, weil die Abstände zwi- dann eine Fläche der Überlappungszone des Josephsonschen benachbarten Löchern der Maske sehr klein ge- 5 Tunnelelementes mit seinen beiden Elektroden 2 und 3

halten werden können. Das Verfahren eignet sich des- zu F - B ■ X - B ■ (L—2a cot «). Dabei ist die Länge

halb besonders zur Herstellung hochintegrierter Logik- L größer 2a · cot λ.

schaltungen. Dabei läßt sich eine gute Reproduzierbar- Als Beispiel soll der zur Herstellung von einer keit gewährleisten und können gute Kennlinien der 1,5 μΐη · 1,5 μΐη großen Überlappungszone eines Jo-

Tunnelelemente erhalten werden. io sephson-Tunnelelementes mit etwa 1 μπι langen Elek-

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach troden erforderliche Raumbedarf bei dem bekannten, in

der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. den Fig. 1 und 2 angedeuteten Verfahren mit dem

Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Er- Raumbedarf bei dem in den F i g. 3 und 4 angedeuteten Findung und deren Ausbildungen gemäß den Unteran- Verfahren nach der Erfindung verglichen werden. Unter Sprüchen wird auf die schematische Zeichnung Bezug 15 Zuhilfenahme der genannten Formeln läßt sich dann genommen, in deren Fig. 1, 2 bzw. 3, 4 die bekannte nachweisen, daß bei Anwendung einer bekannten Schwebemasken-Technik bzw. die bei dem Verfahren 1,5 μην Lithographie zur Erzeugung einer Schwebemasnach der Erfindung angewandte, an sich ebenfalls be- ke etwa dreimal so viel Platz benötigt wird wie bei kannte Lochmasken-Technik gegenübergestellt sind. In Verwendung einer Lochmaske gemäß dem Verfahren F i g. 5 sind die wesentlichsten Schritte des Verfahrens 20 nach der Erfindung. Hieraus ist ersichtlich, daß die Pakmit den Merkmalen der Erfindung in einem Querschnitt kungsdichte der Locher und deshalb auch die der Tundurch ein Josephson-Tunnelelement mit Lochmaske an- nelelemente sehr hoch gewählt sein kann, d.h., das gedeutet, die in Fig.6 als Schrägansicht veranschau- Lochmasken-Verfahren ist insbesondere zur Herstellicht ist In den F i g. 7 und 8 ist ein weiteres Ausfüh- lung von hochintegrierten Logikschaltungen geeignet rungsbeispiel einer derartigen Lochmaske in Schrägan- 25 Die Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes sieht bzw. als teilweise Querschnitt dargestellt F i g. 9 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umfaßt im wezeigt als Schrägansicht die Herstellung der supraleiten- sentlichen zwei Verfahrensschritte, nämlich zunächst den Elektrodenschichten eines Josephson-Tunnelele- den Aufbau einer Lochmaske und daran anschließend mentes, während aus den F i g. 10 und 11 eine besondere die Ausbildung des Tunnelelementes. Beide Verfahrens-Ausführungsform einer Lochmaske bzw. deren räumli- 30 schritte sind in dem in F i g. 5 dargestellten Querschnitt ehe Anordnung bei dem Verfahren nach der Erfindung schematisch angedeutet Gemäß dem ersten Verfahhervorgeht Die Fi g. 12 bis 14 zeigen als Aufsicht Ein- rensschritt wird die Lochmaske 12 auf dem Substrat 4 zelheiten bei der Verwendung des erfindungsgemäßen erstellt Das Substrat enthält einen scheiben- oder plat-Verfahrens bei der Herstellung eines Interferometers. tenförmigen Trägerkörper 13, beispielsweise aus Silizi-

Zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes 35 um, auf dem eine als Grundebene 14 für eine Logikwerden gemäß der bekannten, in F i g. 1 als Querschnitt schaltung dienende Schicht aus supraleitendem Materiangedeuteten Schwebemasken-Technik durch schräges al, wie z. B. aus Niob, mit einer Dicke von wenigen Aufdampfen zwei sich einander überlappende, supralei- 100 nm aufgedampft ist Diese Grundebene 14 wird ihtende Metallschichten als Basis- bzw. Gegenelektrode 2 rerseits mit einer Isolierschicht 15 von wenigen 100 nm bzw. 3 auf einem im allgemeinen aus mehreren Schich- 40 Dicke bedeckt Diese beispielsweise aus Si, SiO oder ten aufgebauten Substrat 4 aufgebracht, wobei außer- S1O2 bestehende Schicht kann zweckmäßig in einem dem zumindest in der Überlappungszone dieser beiden Niedrigtemperaturverfahren abgeschieden werden, bei Elektroden eine in der Figur nicht ausgeführte, als Tun- dem die darunterliegende Niobschicht der Grundebene nelbarriere dienende Schicht ausgebildet wird. Die geo- 14 nicht angegriffen wird. Die Isolierschicht isoliert das metrischen Formen der Elektroden werden durch öff- 45 aufzubringende Schaltelement von der supraleitenden nungen 5 und 6 und eine dazwischen ausgebildete Brük- Grundebene 14 und dient zum Transport schneller ke 7 einer sich in einem Abstand a'über dem Substrat 4 Schaltsignale in Gestalt des Dielektrikums von Streifenbefindenden Schwebemaske 8 unter Berücksichtigung leitern, die aus der Grundebene und supraleitenden Vereines Aufdampfwinkels α¹ festgelegt Diese in Fig.2 bindungsleitungen des Josephson-Elementes gebildet auch als Aufsicht angedeutete Schwebemaske 8 wird 50 werden. Durch die Auswahl eines geeigneten Materials von einem auf dem Substrat 4 angeordneten Sockel 9 der Isolierschicht kann diese auch als Tiefenbegrenzung getragen, der im Bereich des zu erstellenden Josephson- für eine nachfolgende Plasmaätzlithographie bei der Tunnelelementes, beispielsweise durch Unterätzen, eine Herstellung der Lochmaske 12 verwendet werden. Die-Aussparung aufweist Die seitliche Begrenzung dieser se Maske wird dadurch gebildet, daß man zunächst eine Aussparung ist mit 10 bezeichnet Bei einer Länge L' 55 Sockelschicht 16 aus Polysilizium auf der Isolierschicht und Breite B' der Brücke 7 kann dann bei dem Auf- 15 des Substrats 4 mit einer Dicke von etwa 1 bis 3 μΐη dampfwinkei oi bezüglich der Ebene der zu bedamp- aufbringt Das Polysilizium kann mittels der fenden Substratoberfläche unter der Brücke 7 ein GV£>.-Technik bei etwa 700K abgeschieden werden. Josephson-Tunnelelement mit einer Fläche Daran anschließend kann gegebenenfalls eine Implanta-F'= B' · X' = B' - (2a' cot oi—L') seiner Überlap- 60 tion von Phosphor oder Bor und ein Tempern bei etwa pungszone ausgebildet werden. Die Länge U ist dabei 1100 K vorgenommen werden, um eine feinkörnige Pokleiner als 2a' - cot oi. lysiliziumschicht von geringer Oberflächenrauhigkeit zu

In den F i g. 3 und 4 ist entsprechend den F ig. 1 und 2 erzeugen. Auf die so erstellte Sockelschicht 16 wird

eine Lochmasken-Technik angedeutet wie sie bei dem dann noch eine Deckschicht 17 aus Aluminium mit einer

Verfahren nach der Erfindung Anwendung findet Dabei 65 Dicke zwischen 0,1 und 0,2 μπι aufgebracht Anschlie-

sind in den Fig. 1 bis 4 entsprechende Teile mit den ßend wird in bekannter Weise diese Deckschicht 17 mit

gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß dem Quer- einem Fotolack bedeckt, der durch eine Maske kontakt-

schnitt der Fig.3 soll ein Loch 11 einer auf dem Sub- belichtet wird, die auf dem Lack unmittelbar aufge-

bracht wird und eine den geometrischen Formen des herzustellenden Josephson-Tunnelelementes angepaßte Lochstruktur hat Nach dem Entwickeln der belichteten Teile des Fotolacks wird eine Lochstruktur 18 in der Lackschicht von gleicher Geometrie wie die Lochstruktur der Maske erhalten. In den Lacklöchern wird dann die Deckschicht 17 aus Aluminium durch Plasmaätzen entfernt, so daß sich eine Lochstruktur mit der Länge L ergibt Die verbleibenden Lackschichten können danach in einem Trockenätzprozeß oder in einem Lösungsmittel ebenfalls entfernt werden. Anschließend wird das Material der Sockelschicht im Loch der Deckschicht 17 mittels eines Trockenätzprozesses weggeätzt Dabei wird vorteilhaft das in der F i g. 5 dargestellte Unterätzprofil erzeugt d. h. die Länge der Lochstruktur in der Sockelschicht 16 ist größer als die Länge L des Loches in der Deckschicht 17. Durch dieses Unterätzen der unmittelbar an das Substrat angrenzenden Sockelschicht läßt sich eine definierte Begrenzung der aufzubringenden Schichten des Tunnelelementes erreichen. Außerdem wird ein späteres Entfernen der Lochmaske von dem Substrat erleichtert Das Unterätzen kann man z. B. dadurch ermöglichen, daß man eine Sockelschicht mit erhöhter Ätzrate unmittelbar am Substrat benutzt Eine Erhöhung der Ätzrate läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß für den Sockel ein anderes Material als für die auf ihm aufgebrachte Deckschicht verwendet wird oder daß er gegenüber dem Material dieser Deckschicht unterschiedlich dotiert ist

Die so auf dem Substrat 4 erhaltene Lochmaske 12 mit der Lochstruktur 18 und einer Dicke a wird dann in einer Ultrahochvakuumanlage auf einen drehbaren, kühl- und aulheizbaren Halter montiert. Dieser Halter läßt sich so drehen, daß die Aufdampfrichtung des Materials für eine als Basiselektrode dienende Schicht, für die insbesondere Niob gewählt wird, mit der Ebene der zu bedampfenden Oberfläche des Substrates einen Winkel λ bildet Als weiterer Verfahrensschritt wird dann bei einem Druck unter 1,3 - 10~⁷ Pa, wie in der Fig.5 durch gepfeilte Linien 19 angedeutet ist, auf das Substrat 4 eine Schicht 20 aus dem Material der Basiselektrode mit einer Dicke von etwa 100 nm aufgedampft, wobei das Substrat auf einer Temperatur zwischen etwa 70 K und 1000 K gehalten wird. Zur anschließenden Ausbildung einer Tunnelbarrierenschicht durch Oxidation der Oberfläche der Schicht 20 der Basiselektrode durch Beschüß mit Sauerstoffionen wird der Halter bis zu einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und etwa 70 K abgekühlt Er wird dabei so ausgerichtet, daß die Substratoberfläche mit einer Ionenkanone einen Winkel β mit α < β ^ 180—α bildet Als in der Figur nicht dargestellten Ionenkanone wird zweckmäßig eine ionenquelle gewählt, die eine hohe Strahlstromdichte und Homogenität des Strahls gewährleistet Die Energie der erzeugten Ionen oder Atome soll dabei zwischen etwa 100 eV und 1500 eV einstellbar sein. Hierzu können in Abänderung der bekannten Ausführungsformen von lonenquellen Beschleunigungsblenden für einen reduzierten Durchsatz verwendet werden, um einen größeren Druckgradienten zwischen Plasma und Aufdampfraum zu ermöglichen. Die Art der in der Figur durch gepfeilte Linien 21 dargestellten Teilchenstrahlen ist definiert durch das gewählte Gas oder Gasgemisch im Entladungsraum der Ionenquelle. Die Ionenkanone wird differenziell gepumpt Durch einen Sauerstoffionenstrahl, dem wahlweise Argonionen beigemischt sein können, wird dann die aufgedampfte Niobschicht 20 der Basiselektrode bei einem 13 · 10-⁴ Pa nicht überschreitenden Druck an ihrer Oberfläche oxidiert, so daß sich auf ihr eine dünne, als Tunnelbarriere wirkende Oxidschicht 22 ausbildet. Der Druck bei der Oxidation wird durch geeignetes differenzielles Pumpen der Ionenquel-Ie eingestellt Nach Abschluß der Oxidation wird der Systemdruck in weniger als 20 see wieder auf einen Druck von höchsten 1,3 ■ 10~⁷ Pa abgesenkt und dann der Halter mit dem Substrat so gedreht, daß die Bedampfungsrichtung für das Material der Gegenelektrode mit der Bedampfungsebene einen Winkel 180—λ bildet. Bei dem genannten Druck von höchstens 1,3 · 10~⁷ Pa wird dann, wie in der F i g. 5 durch gepfeilte Linien 23 angedeutet ist eine als Gegenelektrode dienende Schicht 24 mit einer Schichtdicke aufgedampft die größer ist als die der als Basiselektrode dienenden Schicht 20.

Als Material der Gegenelektrodenschicht 24 wird ein supraleitendes Material gewählt, das zum einen eine Sprungtemperatur hat, die mindestens so hoch wie die des Materials der Schicht 20 der Basiselektrode ist. Außerdem soll dieses Material mit dem Material der Schicht 22 der Tunnelbarriere bei seinem Aufbringen praktisch nicht reagieren. Darüber hinaus werden vorteilhaft als Materialien für die beiden Elektroden Materialien gewählt, die nur eine sehr geringe Spannungsrelaxation zeigen (vgl. DE-AS 21 63 250). Unter diesen Bedingungen lassen sich dann Veränderungen der Tunnelbarrierenschicht 22, die mit einer Erhöhung der Leckströme und einer Veränderung des kritischen Stromes des herzustellenden Tunnelelementes verbunden sind, weitgehend vermeiden.

Schließlich wird das so erstellte Josephson-Tunnelelement mit einer Länge X seiner Überlappungszone, die L—2a · cot λ beträgt noch mit einer Isolierschicht 25,

z. B. aus Siliziumoxid, versehen. Hierzu kann entweder das bedampfte Substrat aus dem Vakuumraum der Bedampfungsanlage ausgebaut werden, oder aber der Halter wird in der Anlage so gedreht daß der Bedampfungsstrahl bezüglich der zu bedampfenden Substratebene unter einem Winkel von etwa 90° verläuft

Gegebenenfalls kann zuletzt noch die nicht mehr erforderliche Lochmaske 12 wieder entfernt werden. Wenn die Sockelschicht der Maske aus Silizium besteht läßt sich hierfür ein naßchemisches Verfahren einsetzen.

Falls erforderlich, können auf das so erstellte Josephson-Tunnelelement noch weitere Schichten, z. B. zur Ausbildung von Steuerleitungen, aufgebracht werden. Auf eine Darstellung dieser Schichten wurde in F i g. 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet

In F i g. 6 ist in Schrägansicht von oben die Lochmaske 12 nach Fi g. 5 mit der Deckschicht 17 aus Aluminium, und der unierätzten Scckelschich: 15 aus Pclysiüzi· um veranschaulicht Als Boden ist die noch nicht mit den supraleitenden Schichten des Josephson-Tunnelelemen- tes bedampfte Isolierschicht 15 aus S1O2 des Substrates ersichtlich.

Eine weitere, für das Verfahren nach der Erfindung verwendbare Lochmaske geht aus der in F i g. 7 darge stellten Schrägansicht bzw. dem in Fi g. 8 nur teilweise ausgeführten Querschnitt hervor. Diese Lochmaske 27 mit der Länge L und der Breite B umfaßt eine im Gegensatz zu der Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 verhältnismäßig dünne Sockelschicht 28 aus Aluminium, die eine dickere Deckschicht 29 aus Polysilizium trägt Wie auch bei der Lochmaske gemäß den Fig. 5 und 6 vorgesehen ist, hat bei der Lochmaske 27 ein Loch 30 der Sockelschicht 28 eine größere Ausdehnung als ein Loch 31 der auf ihm aufgebrachten Deckschicht 29. Das

Loch 30 kann beispielsweise durch Unterätzen der Deckschicht vergrößert sein. Durch dieses Unterätzen der unmittelbar an das Substrat angrenzenden Sockelschicht 28 kann die Unterätztiefe beschränkt und die Stabilität der Lochmaske weitergehend verbessert werden.

Bei dem Verfahrein nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn für das Material der Schicht der Gegenelektrode außer Niob eine Molybdän-Rhenium-Legierung verwendet wird, bei der Spannungsrelaxationsprozesse mindestens so stark behindert sind wie in Niob-Schichten, da es sich um eine Legierung handelt, die zudem noch eine höhere Schmelztemperatur aufweist als Niob (vgl. DE-AS 21 63 250).

In F i g. 9 ist die Herstellung einer entsprechenden, als Gegenelektrode dienenden Schicht aus dem 2-Stoff-System Molybdän-Rhenium näher veranschaulicht, wobei mit F i g. 5 übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Legierung der Gegenelektrodenschicht 24 wird dabei durch ratengeregeltes Aufdampfen aus getrennten, durch das jeweilige Material gekennzeichneten Quellen 33 und 34 unmittelbar auf den Schichten 20, 22 der Basiselektrode bzw. der Tunnelbarriere ausgebildet Hierbei müssen seitliche Randzonen 35 und 36 aus jeweils nur einer Komponente der Legierung am Rande der Deckschicht 24 durch besondere Formgebung einer zu verwendenden Lochmaske 37 außerhalb der Überlappungszone 38 der Schicht 20 der Basiselektrode und der Schicht 24 der Gegenelektrode liegen. Zu diesem Zweck können die Verdampfungsquellen 33 und 34 des 2-Stoff-Systems auf einer durch eine gestrichelte Linie 40 angedeuteten Geraden parallel zu einer Drehachse 41 der auf dem Substrat aufgebrachten Lochmaske angeordnet werden. Außerdem müssen die Abmessungen der Lochmaske 37 quer zur Lochrichtung der Länge L ungleichmäßig sein, wobei die Lochabmessungen senkrecht zur Lochrichtung der Länge L entweder stetig oder, wie in der Figur als Alternative dargestellt, abgestuft zunehmen. In der Figur ist ferner noch die Aufdampfungsquelle 42 für das Niob-Material der Basiselektrodenschicht angedeutet

Zu dem gleichen Zweck, nämlich der Vermeidung, daß Randzonen aus jeweils nur einer Komponente der Legierung der Schicht der Gegenelektrode in den Überlappungsbereich mit der Schicht der Basiselektrode zu liegen kommen, kann gemäß der Darstellung nach F i g. 10 die Lochmaske auch mit einem kreuzförmigen Loch 43 ausgeführt sein. Die Maske soll sich dabei in der y-z-Ebene eines rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystems erstrecken. Gemäß F i g. 11 sind dann die Verdampfungsquellen 33 und 34 des 2-Stoff-Systems gemäß F i g. S ir. der vor. den Einheitsvektoren S und $ aufgespannten Ebene anzuordnen. Der Winkel y zwischen der durch eine gepfeilte linie b angedeuteten Aufdampfrichtung und der 7-z-Ebene der Lochmaske muß dabei so auf die Lochtiefe der Maske abgestimmt sein, daß nur der in y-Richtung liegende Arm des kreuzförmigen Loches 43 bedampft wird. Durch Drehen um 90" um die ΛΓ-Achse können dann zwei orthogonale Schichten erzeugt werden, die sich einander als Basis- und Gegenelektrode auf dem Kreuzungspunkt überlappen.

Bei den Darstellungen gemäß den Fig.3 bis 11 zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß mit diesem Verfahren in einem ununterbrochenen Vakuumprozeß die Elektrodenschichten und die Tunnelbarrierenschicht nur eines einzigen Josephson-Tunnelelementes hergestellt werden sollen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch in vorteilhafter Weise ebenso möglich, auch eine Vielzahl von solchen Elementen gleichzeitig zu erstellen. So läßt sich mit der in F i g. 10 dargestellten Lochmas ke mit kreuzförmigem Loch 43 ein Interferometer mit zwei Josephson-Tunnelelementen herstellen. Hierzu dampft man zunächst eine Basiselektrodenschich* in der beschriebenen Weise unter einem vorbestimmten, ersten Aufdampfwinkel auf und oxidiert gegebenenfalls

ίο diese Schicht, um eine Tunnelbarriere zu erhalten. Anschließend wird jedoch statt des Aufdampfens der Gcgenelektrodenschicht unter einem vorbestimmten, zweiten Aufdampfwinkel eine Schicht aus einem isolierenden Material unter iiLbem Winkel aufgebracht.

Dann erst wird die Gegenelektrodenschicht aufgedampft, wobei dieselbe Aufdampfrichtung gewählt wird wie für die Basiselektrodenschicht Es entstehen so zwei Josephson-Tunnelelemente an den gegenüberliegenden Enden eines der beiden sich rechtwinklig durchsetzen den Schlitze des kreuzförmigen Loches 43 der Maske. Hierbei lassen sich zugleich auch die Anschlußleitungen an den beiden Josephson-Tunnelelementen mit ausbilden. Bei dem beschriebenen Verfahren ist es prinzipiell möglich, die Oxidation der Basiselektrode zu der Tun nelbarriere sowohl vor dem Aufbringen der zusätzli chen Isolierschicht als auch danach vorzunehmen.

In den Fig. 12 bis 14 ist als Aufsicht eine weitere Ausbildungsmöglichkeit eines Interferometers angedeutet Dieses Interferometer weist drei Josephson- Tunnelelemente auf, die gleichzeitig mit dem Verfahren nach der Erfindung erstellt werden. Dementsprechend wird zunächst auf einem Substrat eine in Fig. 12 teilweise ausgeführte Lochmaske 45 mit einer Lochstruktur aus drei parallelen, streifenförmigen Löchern 46,47 und 48 sowie mit zwei diese Löcher senkrecht kreuzenden, streifenförmigen Löchern 49 und 50 ausgebildet Anschließend wird das Material der Basiselektroden, beispielsweise Niob, unter einem solchen Winkel aufgedampft daß sich, wie aus F i g. 13 hervorgeht lediglich in den Löchern 49 und 50 das Material abscheidet Es entstehen so streifenförmige Schichten 52 und 53 auf dem Substrat Nach Ausbildung der Tunnelbarrierenschichten durch Oxidation der Schichten 52 und 53 und nach Drehung der Lochmaske um 90° wird gemäß F i g. 14 im wesentlichen nur in den Löchern 46 bis 48 das Material der Gegenelektroden, beispielsweise Molybdän-Rhenium, aufgedampft so daß dort streifenförmige Schichten 55 bis 57 entstehen. Dabei ergeben sich in mit 59 und 61 gekennzeichneten Überlappungszonen der Schichten

so 52 und 53 mit den Schichten 55 bis 57 drei einzelne Josephson-Tunnelelemente und gleichzeitig die Struktur eines Interferometers.

Anstelle der vorstehend beschriebenen Herstellung vollständiger Interferometerkreise kann man mit die sem Verfahren in einem Arbeitsgang auch Schaltele mente der sogenannten direktgekoppelten Logik fertigen. Bei diesen Elementen treten Widerstandsbahnen an die Stelle von supraleitenden Verbindungsleitungen zwischen Josephson-Tunnelelementen.

Bei den Ausführungsbeispielen des Verfahrens nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß die Schichten der Tunnelbarrieren durch eine bestimmte Oxidation der freien Oberflächen der Basiselektrodenschichten erzeugt wurden. Bei diesem Verfahren ist es jedoch ebensogut möglich, als Tunnelbarrieren Schichten aus anderen Materialien wie z. B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid zu verwenden. Diese Schichten werden in einem besonderen Aufdampf-

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schritt auf den Basiselektrodenschichten abgeschieden. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung ist es, daß mit ihm außer der Herstellung einzelner Josephson-Tunnelelemente oder Interferometer bei einer geeigneten Strukturierung einer Lochmaske auch 5 die Josephson-Elemente oder Interferometer ganzer Logikschaltungen oder Teile solcher Schaltungen ohne Unterbrechung der Vakuumbedingungen gleichzeitig entsprechend den beschriebenen Verfahrensschritten erstellt werden können. 10

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

15

20

25

ü 3°

35

40

45

5°

60

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson-Tunnelelementes, insbesondere für Logik- und Speicherschaltungen, das eine auf einem Substrat abgeschiedene supraleitende Schicht einer Basiselektrode, eine Schicht einer Gegenelektrode aus einem supraleitenden Material mit einer sehr geringen Spannungsrelaxation und mit einer mindestens so hohen Sprungtemperatur wie die von Niob sowie eine Schicht einer Tunnelbarriere zwischen den beiden Schichten der Elektroden enthält, bei welchem Verfahren zunächst auf dem Substrat eine Lochmaske mit einer dem zu erzeugenden Tunnelelement angepaßten Lochstruktur angeordnet wird, bei welchem sodann bei ununterbrochenen Unterdruckverhähnissen und kontrollierter Zusammensetzung der Restgasatmosphäre die Schichten der Elektroden mit Hilfe der Lochmaske durch schräges Aufdampfen aufgebracht werden und bei welchem zwischendurch die Schicht der Tunnelbarriere ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (12; 27; 37) als Dünnfilm-Struktur vorbestimmter Dicke (a) aus einer auf dem Substrat (4) abzuscheidenden Sockelschicht (16; 28) und einer darauf aufzubringenden Deckschicht (17; 29) aufgebaut wird und daß anschließend die Schichten (20, 24) der Elektroden des Josephson-Elementes unter vorbestimmten Winkeln (λ, 180—λ) aufgedampft werden, wobei eine Überlappungszone dieser Schichten (20,24) durch die Dicke (a) der Lochmaske (12; 27; 37), die Abmessungen (L) der Lochstruktur (18; 30, 31; 43) sowie die Aufdampfwinkel (λ, 180—λ) festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Sockelschicht (16) Polysilizium und für die Deckschicht (17) der Lochmaske (12) Aluminium verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Sockelschicht (28) Aluminium und für die Deckschicht (29) der Lochmaske (27) Polysilizium vorgesehen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Lochmaske (12, 27; 37) Löcher (18; 30, 31; 43) ausgebildet werden, deren Ausdehnung in der Sockelschicht (16,28) gegenüber der Ausdehnung in der Deckschicht (17; 29) stufenförmig vergrößert ist

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (18; 30,31 ; 43) in der Lochmaske (12; 27; 37) durch eine Fotolack-Maskentechnik und anschließende Ätztechnik ausgebildet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (12; 27; 37) nach Ausbildung der Schichten (20, 22, 24) des Tunnelelementes wieder entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Schicht (24) der Gegenelektrode eine Molybdän-Rhenium-Legierung vorgesehen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Komponenten der Legierung ratengeregelt aufgedampft werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) der Tunnelbarriere durch Oxidation von Teilen der Oberflächenschicht der Basiselektrode (20) erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidation durch Beschüß mit Sau- erstoffionen durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß den Sauerstoffionen Argon-Ionen beigemischt werden.

12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von mindestens zwei Josephson-Tunnelelementen eines Interferometers mit der Maßgabe, daß vor dem Aufbringen der Schicht für die Gegenelektroden die Schicht der Basiselektroden oder die Schicht der Tunnelbarrieren bis auf die Bereiche der auszubildenden Tunnel elemente mit einer Isolationsschicht abgedeckt werden.

13. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis Π zur Herstellung von mindestens zwei Josephson-Tunnelelementen eines Interferometers mit der Maßgabe, daß eine Lochmaske (45) mit mehreren sich kreuzenden, streifenförmigen Löchern (46 bis 48; 49, 50) vorgesehen wird und daß zwischen den Aufdampfschritten für die Schichten (52,53 und 55 bis 57) der Elektroden die Lochmaske (45) bezüglich einer Aufdampfungsquelle so verdreht wird, daß in den Kreuzungsbereichen (59 bis 61) der Löcher (46 bis 48; 49,50) die Tunnelelemente entstehen.