JPH0334236B2 - - Google Patents
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- JPH0334236B2 JPH0334236B2 JP61024966A JP2496686A JPH0334236B2 JP H0334236 B2 JPH0334236 B2 JP H0334236B2 JP 61024966 A JP61024966 A JP 61024966A JP 2496686 A JP2496686 A JP 2496686A JP H0334236 B2 JPH0334236 B2 JP H0334236B2
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- JP
- Japan
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- superconducting
- electrode
- integrated circuit
- metal film
- film
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、超電導集積回路用端子電極に係り、
特にジヨセフソン接合素子を搭載した超電導集積
回路の外部接続に用いる超電導突起電極用下地金
属膜に関するものである。
特にジヨセフソン接合素子を搭載した超電導集積
回路の外部接続に用いる超電導突起電極用下地金
属膜に関するものである。
トンネル型ジヨセフソン接合素子は、２つの超
電導薄膜の間に厚さ数ｎｍの極めて薄い絶縁膜を
挾んだサンドイツチ構造で、極低温（〜4K）に
おける超電導トンネル現象を応用したスイツチン
グ素子である。この素子は、従来の半導体素子に
比べ、スイツチング速度は約１桁早く、消費電力
は約３桁小さいという特長があり、将来の超高速
計算機用の論理演算素子、記憶素子として期待さ
れている。これらの素子を構成するための超電導
薄膜には、主にPb合金、Nb、NbNなどが用いら
れている。また極薄のトンネル障壁層にはPb及
びInの酸化物あるいはNbの酸化物が用いられて
いる。ところでこれらのジヨセフソン接合素子を
超高速計算機用の素子として用いるためには、そ
れらをLSIレベルに集積化したチツプを多数用い
て実装し、モジユール化した論理演算回路、記憶
回路を開発する必要がある。LSIチツプをモジユ
ール基板に実装する場合、留意すべきことは、 (1) 超電導LSIチツプと他の超電導LSIチツプを
配線を介して接続する場合、それの配線、接続
用電極（入、出力信号の取出し電極）は、全て
超電導金属で構成する必要のあること。
電導薄膜の間に厚さ数ｎｍの極めて薄い絶縁膜を
挾んだサンドイツチ構造で、極低温（〜4K）に
おける超電導トンネル現象を応用したスイツチン
グ素子である。この素子は、従来の半導体素子に
比べ、スイツチング速度は約１桁早く、消費電力
は約３桁小さいという特長があり、将来の超高速
計算機用の論理演算素子、記憶素子として期待さ
れている。これらの素子を構成するための超電導
薄膜には、主にPb合金、Nb、NbNなどが用いら
れている。また極薄のトンネル障壁層にはPb及
びInの酸化物あるいはNbの酸化物が用いられて
いる。ところでこれらのジヨセフソン接合素子を
超高速計算機用の素子として用いるためには、そ
れらをLSIレベルに集積化したチツプを多数用い
て実装し、モジユール化した論理演算回路、記憶
回路を開発する必要がある。LSIチツプをモジユ
ール基板に実装する場合、留意すべきことは、 (1) 超電導LSIチツプと他の超電導LSIチツプを
配線を介して接続する場合、それの配線、接続
用電極（入、出力信号の取出し電極）は、全て
超電導金属で構成する必要のあること。
(2) 超電導LSIチツプの端子電極上に形成する接
続用突起電極（バンプ）は十分な接着強度を有
すること。
続用突起電極（バンプ）は十分な接着強度を有
すること。
(3) LSIチツプの実装基板へのボンデイングは薄
膜のトンネル障壁層の劣化防止のため極力低温
で行う必要がある。その際LSIチツプとモジユ
ール基板とのボンデイング強度は、300〜4Kの
熱サイクルに十分耐えるだけの強度を有するこ
と。
膜のトンネル障壁層の劣化防止のため極力低温
で行う必要がある。その際LSIチツプとモジユ
ール基板とのボンデイング強度は、300〜4Kの
熱サイクルに十分耐えるだけの強度を有するこ
と。
などである。
従来、LSIチツプと外部電極との接続はAl電極
−Al細線による超音波ワイヤボンデイング、Au
電極−Au細線、Al電極−Au細線による熱圧着ワ
イヤボンデイング、Au電極−Snメツキリードあ
るいは半田電極−半田電極によるリフローボンデ
イングなどが使用されている。これらの方法のう
ち、超電導LSIの組立に適用が可能な方法は、半
田電極によるリフローボンデイングである。これ
は半田電極自身が超電導特性を示すこと、またチ
ツプ実装による配線長は他の方法に比べ短くで
き、高密度実装に適しているなどによる。半田電
極を用いたリフローボンデイング方式を超電導
LSIチツプの実装基板への搭載法として採用した
場合次のような問題が生ずる。すなわち前述の突
起電極を超電導LSIの端子部に形成する場合、機
械的に十分な大きさの接着強度が得られ、かつ電
気的には超電導接続が要求される。一般に突起電
極と超電導LSIの端子部の間に接続用金属膜（突
起電極下地金属膜）を設けている。そのような金
属膜はAu／Pd膜（上層Au、下層Pd）が用いら
れている。（シイー・ワイ・テイング他、ジヤー
ナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイアテ
イ：ソリツド−ステート・サイエンス・アンド・
テクノロジー 第129巻、第４号（1982）〔C.Y.
Ting et al J.Electrochem.Soc.：Solid−State
Science and Technology Vol.129、No.４
（1982）〕。Au膜は突起電極と下地のPd膜、Pd膜
は超電導LSIチツプに設けた端子電極（一般に
Nb膜を用いる）との接着及び突起電極材がLSI
チツプの端子電極内部に拡散するのを防止する役
割を各々担つている。超電導LSIに使用している
Pb／Au二層膜の厚さは夫々100nｍである。この
二層膜は極低温（〜4K）では超電導特性を示さ
ないため、わずかな抵抗（コンタクト抵抗）を示
し、ジユール熱による発熱が生ずる。このため極
低温冷媒である液体ヘリウムが気化して発泡し、
超電導LSIの冷却効率を低下させる原因になる。
またそのようなコンタクト抵抗があるため、高速
で伝送される信号の波形に歪みが生じ、超電導の
高速伝搬特性が低下するなど問題になる。このよ
うな問題を改善するには、突起電極用下地膜に超
電導特性を示す接続用金属膜を使用する必要があ
る。
−Al細線による超音波ワイヤボンデイング、Au
電極−Au細線、Al電極−Au細線による熱圧着ワ
イヤボンデイング、Au電極−Snメツキリードあ
るいは半田電極−半田電極によるリフローボンデ
イングなどが使用されている。これらの方法のう
ち、超電導LSIの組立に適用が可能な方法は、半
田電極によるリフローボンデイングである。これ
は半田電極自身が超電導特性を示すこと、またチ
ツプ実装による配線長は他の方法に比べ短くで
き、高密度実装に適しているなどによる。半田電
極を用いたリフローボンデイング方式を超電導
LSIチツプの実装基板への搭載法として採用した
場合次のような問題が生ずる。すなわち前述の突
起電極を超電導LSIの端子部に形成する場合、機
械的に十分な大きさの接着強度が得られ、かつ電
気的には超電導接続が要求される。一般に突起電
極と超電導LSIの端子部の間に接続用金属膜（突
起電極下地金属膜）を設けている。そのような金
属膜はAu／Pd膜（上層Au、下層Pd）が用いら
れている。（シイー・ワイ・テイング他、ジヤー
ナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイアテ
イ：ソリツド−ステート・サイエンス・アンド・
テクノロジー 第129巻、第４号（1982）〔C.Y.
Ting et al J.Electrochem.Soc.：Solid−State
Science and Technology Vol.129、No.４
（1982）〕。Au膜は突起電極と下地のPd膜、Pd膜
は超電導LSIチツプに設けた端子電極（一般に
Nb膜を用いる）との接着及び突起電極材がLSI
チツプの端子電極内部に拡散するのを防止する役
割を各々担つている。超電導LSIに使用している
Pb／Au二層膜の厚さは夫々100nｍである。この
二層膜は極低温（〜4K）では超電導特性を示さ
ないため、わずかな抵抗（コンタクト抵抗）を示
し、ジユール熱による発熱が生ずる。このため極
低温冷媒である液体ヘリウムが気化して発泡し、
超電導LSIの冷却効率を低下させる原因になる。
またそのようなコンタクト抵抗があるため、高速
で伝送される信号の波形に歪みが生じ、超電導の
高速伝搬特性が低下するなど問題になる。このよ
うな問題を改善するには、突起電極用下地膜に超
電導特性を示す接続用金属膜を使用する必要があ
る。
本発明は、前述の問題点を解消するためになさ
れたもので、その目的は機械的に十分な大きさの
接着強度が得られ、コンタクト抵抗の生じない突
起電極下地金属膜を提供することにある。
れたもので、その目的は機械的に十分な大きさの
接着強度が得られ、コンタクト抵抗の生じない突
起電極下地金属膜を提供することにある。
本発明は、超電導集積回路から延在された端子
電極面に、突起電極接着用の下地金属膜を端子電
極面に対して部分的に、例えば島状に散在させて
形成し、超電導電極面と下地金属膜を混在させ、
超電導電極面と突起電極の接続界面では、超電導
コンタクトを、一方下地金属膜は超電導電極と突
起電極の間の接着強度維持を、各々同時に達成さ
せようとするものである。以上述べた方法によ
り、超電導集積回路の端子電極と、接続用の突起
電極の間の超電導臨界電流は、少くとも600ｍＡ
以上、突起電極の接着強度は剪断強度で少くとも
50ｇ以上が得られることが判明した。
電極面に、突起電極接着用の下地金属膜を端子電
極面に対して部分的に、例えば島状に散在させて
形成し、超電導電極面と下地金属膜を混在させ、
超電導電極面と突起電極の接続界面では、超電導
コンタクトを、一方下地金属膜は超電導電極と突
起電極の間の接着強度維持を、各々同時に達成さ
せようとするものである。以上述べた方法によ
り、超電導集積回路の端子電極と、接続用の突起
電極の間の超電導臨界電流は、少くとも600ｍＡ
以上、突起電極の接着強度は剪断強度で少くとも
50ｇ以上が得られることが判明した。
なお前記突起電極を形成する超電導集積回路の
端子部に形成する下地金属膜は、前述のような島
状に点在させる方法のほか、格子縞状に形成する
方法もあり、接着界面の超電導臨界電流、接着強
度共に十分初期の目的を達成できることを確認し
た。
端子部に形成する下地金属膜は、前述のような島
状に点在させる方法のほか、格子縞状に形成する
方法もあり、接着界面の超電導臨界電流、接着強
度共に十分初期の目的を達成できることを確認し
た。
以下、本発明の実施例を第１図〜第４図により
詳細に説明する。
詳細に説明する。
実施例 １
あらかじめ清浄化処理したシリコン単結晶基板
１上に熱酸化により厚さ約600nｍのSiO2層２を
形成する。再び基板を清浄化処理したのち、真空
装置内に入れ、５×10-8Torr以下の高真空中で
Nbを約300nｍの厚さに蒸着する。なお、Nb膜は
前述の真空蒸着法のほかにスパツタ法によつても
良い。つぎにフオトエツチング法によりNbを所
望のパターンに加工し、グランドプレーン３を形
成する。化学エツチング法では、一般にHF−
HNO3混合液が、また物理エツチング法では、
Ar、CF4などの反応性イオンエツチング法を用い
る。このグランドプレーンは、超電導LSIの能動
素子部に形成したジヨセフソン接合のための外部
磁気の遮へいの効果、及び制御線から発生する磁
束のミラー効果のほか、LSI内のアース端子、な
らに突起電極用の端子４の役割を担う。つぎに前
述のNb膜上の、アース端子部及び突起電極形成
領域を除いたそれ以外のNb膜上に第１層間絶縁
膜５を形成する。つぎにMoNx膜からなる抵抗
６を、さらにNb／NbN二層膜からなる配線接続
層７及び下部電極膜８を形成する。つぎにSiO膜
からなる第２層間絶縁膜９を形成する。その際下
部電極の一部に開口部を設けNbN面を露出させ
る。つぎにプラズマ酸化法により開口部のNbN
下部電極表面にトンネル障壁層１０の形成し、引
続いてPb合金からなる上部電極１１を形成する。
さらにSiO膜からなる第３層間絶縁膜１２を、つ
づいて制御線１３及び第４層間絶縁膜１４を形成
する。つぎに突起電極用の端子４のNb表面の所
望の領域に、リフトオフ用のレジストパターンを
島状に散在させ形成する。ついでTi２１を100n
ｍ、Pd２２を200nｍ、更にAu２３を300nｍ堆積
させたうえリフトオフを行い、突起電極用端子部
４上の所望の部分にTi−Pd−Au膜１５を形成す
る（第２図および第３図参照）。その後、前記突
起電極用端子部４を露出させて突起電極形成用レ
ジストテンシルパターンを形成する。つぎにTi
−Pd−Au膜が形成されていないNb表面の清浄
化のため10-3Torrに減圧されたAr雰囲気中でrf
スパツタエツチングを行つた。rf放電電圧は
250Vp−ｐ、放電時間は30分間である。その後引
続いて突起電極の材料であるPb、Sn、Biを順次
蒸着する。蒸着は10-7Torr以下の真空中で行い、
直径は150μｍφ、蒸着膜厚は30μｍとした。つい
でリフトオフを行い不用部分の蒸着膜を除去した
のち、基板１を５％の水素ガスを含む窒素ガス雰
囲気中で200℃に加熱し、前記突起電極材をリフ
ローさせ、表面張力を利用して半球状の突起１６
とした。なお、球状の突起電極の直径はおよそ
100μｍである。
１上に熱酸化により厚さ約600nｍのSiO2層２を
形成する。再び基板を清浄化処理したのち、真空
装置内に入れ、５×10-8Torr以下の高真空中で
Nbを約300nｍの厚さに蒸着する。なお、Nb膜は
前述の真空蒸着法のほかにスパツタ法によつても
良い。つぎにフオトエツチング法によりNbを所
望のパターンに加工し、グランドプレーン３を形
成する。化学エツチング法では、一般にHF−
HNO3混合液が、また物理エツチング法では、
Ar、CF4などの反応性イオンエツチング法を用い
る。このグランドプレーンは、超電導LSIの能動
素子部に形成したジヨセフソン接合のための外部
磁気の遮へいの効果、及び制御線から発生する磁
束のミラー効果のほか、LSI内のアース端子、な
らに突起電極用の端子４の役割を担う。つぎに前
述のNb膜上の、アース端子部及び突起電極形成
領域を除いたそれ以外のNb膜上に第１層間絶縁
膜５を形成する。つぎにMoNx膜からなる抵抗
６を、さらにNb／NbN二層膜からなる配線接続
層７及び下部電極膜８を形成する。つぎにSiO膜
からなる第２層間絶縁膜９を形成する。その際下
部電極の一部に開口部を設けNbN面を露出させ
る。つぎにプラズマ酸化法により開口部のNbN
下部電極表面にトンネル障壁層１０の形成し、引
続いてPb合金からなる上部電極１１を形成する。
さらにSiO膜からなる第３層間絶縁膜１２を、つ
づいて制御線１３及び第４層間絶縁膜１４を形成
する。つぎに突起電極用の端子４のNb表面の所
望の領域に、リフトオフ用のレジストパターンを
島状に散在させ形成する。ついでTi２１を100n
ｍ、Pd２２を200nｍ、更にAu２３を300nｍ堆積
させたうえリフトオフを行い、突起電極用端子部
４上の所望の部分にTi−Pd−Au膜１５を形成す
る（第２図および第３図参照）。その後、前記突
起電極用端子部４を露出させて突起電極形成用レ
ジストテンシルパターンを形成する。つぎにTi
−Pd−Au膜が形成されていないNb表面の清浄
化のため10-3Torrに減圧されたAr雰囲気中でrf
スパツタエツチングを行つた。rf放電電圧は
250Vp−ｐ、放電時間は30分間である。その後引
続いて突起電極の材料であるPb、Sn、Biを順次
蒸着する。蒸着は10-7Torr以下の真空中で行い、
直径は150μｍφ、蒸着膜厚は30μｍとした。つい
でリフトオフを行い不用部分の蒸着膜を除去した
のち、基板１を５％の水素ガスを含む窒素ガス雰
囲気中で200℃に加熱し、前記突起電極材をリフ
ローさせ、表面張力を利用して半球状の突起１６
とした。なお、球状の突起電極の直径はおよそ
100μｍである。
以上述べた方法により作製した突起電極下地金
属膜を用いた場合の超電導集積回路の電極端子と
の接続は、4.2Kの極低温下で超電導状態を示し
た。100μｍ□内の端子部に40μm2および30μm2の
下地金属膜を各々５個及び４個形成した場合、得
られた超電導臨界電流は700ｍＡであり、また突
起電極１個当りの剪断強度は60ｇが得られた。
属膜を用いた場合の超電導集積回路の電極端子と
の接続は、4.2Kの極低温下で超電導状態を示し
た。100μｍ□内の端子部に40μm2および30μm2の
下地金属膜を各々５個及び４個形成した場合、得
られた超電導臨界電流は700ｍＡであり、また突
起電極１個当りの剪断強度は60ｇが得られた。
尚、本実施例では下地金属膜を島状に散在させ
て形成したが、第４図に示すように、下地金属膜
を格子縞状に形成した場合でも同様の効果が得ら
れることを確認している。
て形成したが、第４図に示すように、下地金属膜
を格子縞状に形成した場合でも同様の効果が得ら
れることを確認している。
また、本実施例では下地金属膜材料としてTi
−Pd−Auについて示したが、Ti−Pd−Ag、Cr
−Cu−Au、Cr−Cu−Ag、などを用いても同じ
効果が得られることを確認している。
−Pd−Auについて示したが、Ti−Pd−Ag、Cr
−Cu−Au、Cr−Cu−Ag、などを用いても同じ
効果が得られることを確認している。
以上説明したごとく、本発明によれば、超電導
LSIの外部接続用突起電極金属が安定に形成で
き、コンタクト抵抗ゼロの超電導特性を示し、し
かも接着強度の大きな電極構造が再現良く作製で
きるようになつた。
LSIの外部接続用突起電極金属が安定に形成で
き、コンタクト抵抗ゼロの超電導特性を示し、し
かも接着強度の大きな電極構造が再現良く作製で
きるようになつた。
第１図は、本発明に係る超電導LSIの外部接続
用突起電極部の断面図、第２図は改良された突起
電極下地金属膜の構造を示す断面図、第３図およ
び第４図は、突起電極下地金属膜の構造を示す平
面図である。 １……基板、２……絶縁層（SiO2層）、３……
グランドプレーン、４……超電導LSIの端子電
極、５……第１層間絶縁膜、６……抵抗、７……
配線層、８……下部電極、９……第２層間絶縁
膜、１０……トンネル障壁層、１１……上部電
極、１２……第３層間絶縁膜、１３……制御線、
１４……第４層間絶縁膜、１５，１５′……突起
電極下地金属膜、２１……Ti膜、２２……Pd膜、
２３……Au膜。
用突起電極部の断面図、第２図は改良された突起
電極下地金属膜の構造を示す断面図、第３図およ
び第４図は、突起電極下地金属膜の構造を示す平
面図である。 １……基板、２……絶縁層（SiO2層）、３……
グランドプレーン、４……超電導LSIの端子電
極、５……第１層間絶縁膜、６……抵抗、７……
配線層、８……下部電極、９……第２層間絶縁
膜、１０……トンネル障壁層、１１……上部電
極、１２……第３層間絶縁膜、１３……制御線、
１４……第４層間絶縁膜、１５，１５′……突起
電極下地金属膜、２１……Ti膜、２２……Pd膜、
２３……Au膜。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ２つの超電導薄膜の間に極薄のトンネル障壁
層を挾んだサンドイツチ構造を主要素子とし、こ
の素子に超電導性の突起電極を接続してなる超電
導集積回路において、上記突起電極と超電導集積
回路の端子電極の間に突起電極接着用の下地金属
膜を上記端子電極面に対して部分的に形成し、上
記突起電極と上記端子電極とが部分的に直接接続
していることを特徴とする超電導集積回路。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の超電導集積回
路において、前記下地金属膜を、前記端子電極面
に島状に散在させて形成した超電導集積回路。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の超電導集積回
路において、前記下地金属膜を、前記端子電極面
に格子状に散在させて形成した超電導集積回路。 ４ 特許請求の範囲第２項若しくは第３項に記載
の超電導集積回路において、前記下地金属膜は前
記端子電極を露出させるために設けた絶縁開口部
に延在させ、この絶縁開口部を包囲して形成させ
た超電導集積回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61024966A JPS62183573A (ja) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | 超電導集積回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61024966A JPS62183573A (ja) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | 超電導集積回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62183573A JPS62183573A (ja) | 1987-08-11 |
| JPH0334236B2 true JPH0334236B2 (ja) | 1991-05-21 |
Family
ID=12152711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61024966A Granted JPS62183573A (ja) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | 超電導集積回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62183573A (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS616882A (ja) * | 1984-06-21 | 1986-01-13 | Agency Of Ind Science & Technol | 超電導集積回路の端子電極とその製造方法 |
-
1986
- 1986-02-08 JP JP61024966A patent/JPS62183573A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62183573A (ja) | 1987-08-11 |
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