JPH0379093A - ジョセフソン集積回路 - 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】 【産業上の利用分野】

本発明はジョセフソン集積回路の構成に係り。 特に回路の高集積化、高速化に好適な超電導集積回路の
構成に関する。

【従来の技術】

従来、ジョセフソン接合を用いた集積回路の構成につい
ては、アイ・ビー・エム、ジャーナルオブ　リサーチ　
アンド　ディベロップメントラ第２４巻（１９８０年）
第１３０頁から第１４２頁（Ｉ　Ｂ　Ｍ　　Ｊｏｕｒｎ
ａｌ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐ
ｍｅｎｔ、　Ｖｏｌ、２４　（１９８０）　ｐｐ、　１
３０−１４２）において論じられている。第２図はその
集積回路に用いられている基本回路の一例である超電導
量子干渉回路の構成例である。第２図（ａ）は超電導量
子干渉回路の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）中の線Ｂ
−Ｂ’　に沿った断面斜視図である。また第３図は超電
導量子干渉回路の等価回路図を示す、第２図において１
は基板、２は超電導接地面層、３は接地面に設けられた
開口部、４は下部電極、５はトンネル障壁層、６は上部
電極、７は上部電極接続層、８は制御線、９はジョセフ
ソン接合である。第３図においてｘ印はジョセフソン接
合であり、Ｉ、、Ｉ、およびＩ、は各接合の最大ジョセ
フソン電流を示す＊　Ｌｍｚｅ　Ｌ＋ｎ＊Ｌ　３ｚｔ　
Ｌｓｌｔ　Ｌｓｓ＊　Ｌ３４Ｉ　ＬＡ！およびＬ８．は
上記超電導接地面層２と下部電極４および上部電極６ま
たは上部電極接続層７によって構成される超電導閉ルー
プのインダクタンス要素、Ｌｃｌ、　ＬＣＩは上記制御
線８の自己インダクタンス要素であり、上記超電導閉ル
ープと磁気的に結合し、　Ｍｏ、　Ｍ。 はその相互インダクタンスを示す。上記インダクタンス
要素Ｌ　ｓ　Ｌ〜Ｌｓ６は制御線８と直交するインダク
タンス成分を示し、　ＬＣｔ＋　ＬＣｚとは磁気的に結
合しない要素である。さらにＲａは回路に給電する電流
の分流比を決定する分流抵抗、Ｒａは上記超電導閉ルー
プのインダクタンスとジョセフソン接合の接合容量によ
って構成される並列共振回路に並列に挿入されるダンピ
ング抵抗であり。 Ｌ−はダンピング抵抗のインダクタンス成分である。 集積回路を作製するにあたっては、各素子の相互干渉を
抑制することが極めて重要である。特に上記量子干渉計
回路では信号を磁気的結合によって入力しており、その
際少なくとも１量子磁束φ。（λ２．０７　Ｘ　１０−
”Ｗ　ｂ　）の磁束を上記回路に設けられた超電導ルー
プにおいて発生させる必要がある。このため第２図に示
すような下部電極４によって構成された超電導インダク
タおよびこれと磁気的に結合する制御線８との相己イン
ダクタンスを増すことが回路を集積化する上で重要であ
る６反面、上記のようにジョセフソン集積回路では各回
路が電流で駆動されかつ磁界に対する感度は極めて高い
ため、各回路の相互干渉を抑止する工夫が必要である０
以上述べたようにジョセフソン集積回路では、駆動電流
による磁界を局在化させ上記自己インダクタンスおよび
相互インダクタンスの増大を図ると同時に、各回路間の
磁気的分離を良くする必要がある。上記超電導接地面２
および接地面に設けらた開口部３はこれらの条件を満た
すために極めて重要な働きをする。すなわち下部電極４
の真下に超電導接地面２を配置することによって下部電
極４を流れる電流によって発生する磁界を下部電極４と
超電導接地面２とではさまれた空間に局在化させること
ができる。さらに下部電極４真下の超電導接地面に開口
部３を設けることによって磁界の局在化を一段と高める
ことができる。この効果は制御線８と下部電極４との磁
気的結合を増大させることにも同様に有効である。また
通常ジョセフソン集積回路の動作は厳重な磁気シールド
を行い、地磁気などの外乱を抑制した環境下で行われる
が、このような環境下にあってもなお残留する磁界をシ
ールドするためにも上記超電導接地面２は有効である。

【発明が解決しようとする課題】

上記ジョセフソン集積回路装置では、ジョセフソン接合
の上部電極側から超電導接地面へ超電導接続されるので
、この接続部分の超電導電極は制御線とは磁気的に結合
しない寄生インダクタンスを形成し、さらに下部電極と
制御線の間に介在して磁気遮蔽層として作用するので下
部電極の一部は制御線と磁気的に結合せず、この部分は
寄生インダクタンス化する。このような寄生インダクタ
ンスは上記超電導インダクタと制御線との磁気的結合度
を低下させるため、回路の高集積化、高速化の障害にな
っていた。また上記従来技術ではジョセフソン接合の上
部電極側を超電導接地面へ接地する必要があるため、こ
のための超電導接続を行う領域を集積回路チップ上に設
ける必要があり高集積化の障害になっていた。 本発明の目的は、従来からのジョセフソン集積回路の機
能を損なうことなく上記寄生インダクタンス成分を低減
し、かつジョセフソン接合の上部電極側を接地する必要
のない回路構成方法を提供することにより、回路の高集
積化、高速化を図ることにある。 （課題を解決するための手段］ 上記目的は、超電接地面の機能を合わせ有する下部電極
と、超電導、インダクタンスとして用いられる、あるい
は超電導インダクタと接続された上部電極を用いてなる
トンネル型ジョセフソン接合によってジョセフソン集積
回路を構成することにより達成される。

【作用】

本発明におけるジョセフソン集積回路では、下部電極が
超電導接地面層としての機能を合わせ持つ、ユな上部電
極もしくは上部電極に接続する超電導電極が超電導イン
ダクタとして機能する。これによってジョセフソン接合
の上部電極側を接地する必要がなくなるので、この接地
電極による寄生インダクタンス成分を除去することがで
きる。 またこれによって下部電極の一部が磁気的に遮蔽される
こともなくなるので、この部分が寄生インダクタンス化
することも防止できる。さらに上部電極側を超電導接地
面へ接地するための接続領域を必要としなくなるので、
個々の回路についてそのチップ専有面積を縮小化するこ
とが可能となる。 ここで下部電極は超電導接地面として働くばかりでな〈
従来からの素子分離機能および磁界の局在化機能も合わ
せ持つことができる。また上部電極あるいは上部電極接
続層は超電導インダクタとして機能し、従来下部電極と
超電導接地面によって決定されていたインダクタンスと
等価なインダクタンスが実現される０以上のことから本
発明によって従来からのジョセフソン集積回路の機能が
損なわれることはない。 土声施例】 以下９本発明の一実施例を図面により説明する。 第１図は本発明に従って第２図に対応する回路パターン
の構成を行った超電導量子干渉回路の一例を示す図であ
る。第１図（ａ）は超電導量子干渉回路の平面図、同図
（ｂ）は同図（ａ）中の線Ａ−Ａ’　に沿った断面斜視
図を示す、第１図において、第２図との対応部分には同
一符号を付して示しているので詳細説明は省略する。 第１図に示すように、基板１上に直ちにジョセフソン接
合が形成される。なお基板１の材料としては通常シリコ
ンが用いられ、その表面を酸化するかもしくは二酸化ケ
イ素もしくは二酸化ケイ素などの絶縁膜で覆うことによ
って基板の絶縁を行う。ジョセフソン接合の形成は通常
真空容器内において、下部電極、トンネル障ａ層、上部
電極の順に行われる。従来この形成工程は下部電極形成
後にリフトオフ法などを用いて下部電極上に開口部を設
けこの部分にトンネル障壁層を形成し、続いて上部電極
を形成する手順で行われていた。最−Ｌ；（’）工程は
真空容器内において下部電極、トンネル障壁層、上部電
極を一度も真空を破ることなく連続形成した後に、ドラ
イエツチング加工法などを用いて接合を切り出して形成
する手順で行われるようになって来ている。本発明は上
記いずれの接合形成手段においても実施可能である。第
１図は後者の接合形成手段を用いた一実施例である。 以下第１図に従って回路の作製手順を示す６本発明では
ジョセフソン接合の下部電極４が超電導接地面としての
機能を合わせ持つから、先ず、上記基板１上に下部電極
４．トンネル障壁層５．上部電極６を形成するための３
１！Ｆ積層薄膜を連続形成する。ここで下部電極４およ
び上部電極６の形成材料としてはニオブ、窒化ニオブ、
トンネル障壁層としてはニオブ酸化物、アルミ酸化物、
シリコンもしくはシリコン酸化物、マグネシウム酸化物
などを通常用いる。なお下部電極４の膜厚としては上記
の磁界局在化効果を得るためにその磁界侵入長よりも厚
くする。通常十分な磁界局在化効果を得るために上記膜
厚をその磁界侵入長の少なくとも２倍以上に選ぶことが
好ましい。 次に３Ｎ連続形成した積層膜をドライエツチング加工法
などを用いて下部電極４．下部電極４の開口部３．パッ
ドなどのパターンに加工する。続いて同様な加工方法に
より上部電極を所望の接合寸法・形状に加工する。この
際エツチング用ガス種、ガスの流量および圧力などの上
部電極の加工条件をトンネル障壁層に対して十分大きな
選択比が得られるように選んでおけば、オーバエツチン
グにより下部電極４の膜厚が過度に薄くなることを防止
できる６例えば上部電極６およびトンネル障壁層５を形
成する材料として各々ニオブ、アルミ酸化物を用いた場
合５．ｒ、ッチングガスにフレオン１４（ＣＦ、）など
を用いた反応性イオンエツチング加工法により上部電極
６のパターン形成を行うと、アルミ酸化物はほとんどエ
ツチングされないので上記目的の達成には好適である。 この場合、第２図に示すように接合部を除いた部分は下
部電極４およびトンネル障壁層５の２層構造となる。上
記手順により上部電極接続層した後、絶縁；Ｐを用いて
下部電極４の＃＠縁を行う。この際、上部電極６直上に
絶縁膜開口部を設けて上部電極接続層７と超電導接続す
る。この絶縁膜開口部を形成する方法としては上部電極
加工後にその加工用レジストマスクパターンを除去せず
に連続して上記絶縁膜を被着し、続いてレジストマスク
パターンを除去すれば上部電極に自己整合する絶縁膜開
口部を設けることができる。この方法は特に接合寸法の
微少な場合に有効である。この他の開口部形成方法とし
ては上部電極直上をレジストパターンでマスクした後に
＃４Ａ＃膜を被着させるいわゆるリフトオフ法、もしく
は上部電極直上も一旦絶縁膜で覆った後、この部分にド
ライエツチング加工法などを用いて開口部を設ける方法
などを用いることも可能である０次にこの絶縁膜開口部
に露出した上部電極６の表面の汚染層もしくは酸化層な
どをスパッタエツチング処理法などを用いて除去した後
に上部電極接続層７を形成する。上部電極接続層のパタ
ーン形成はリフトオフ法、ドライエツチング法のいずれ
を用いても行うことができる。 このパターン形成によって回路構成に必要なインダクタ
が提供される。以上述べた回路の作製手順ではジョセフ
ソン接合を下部電極４．トンネル障壁層５および上部電
極６の３暦連続形成によって作製する場合について述べ
た。これに対して絶縁膜開口部にジョセフソン接合を作
製する場合は。 下部電極４の形成、接合形成用開口部を設けた下部電極
絶縁膜の形成、トンネル障壁層５の形成。 上部電極６の形成の順に行えば良い、この方法では先に
述べた接合作製方法とは異なり上部電極接続層７は省略
することができる。以上述べた２通りの方法のいずれか
を用いてジョセフソン接合および超電導インダクタの形
成を行った後に、眉間絶縁膜を介して制御線８を形成す
ることによって第１図に示した回路は完成する。本実施
例によって作製された超電導量子干渉回路は第２図に示
した回路と同一の機能を提供することが可能である。 本実施例の超電導量子干渉回路では、ジョセフソン接合
の下部電極４が超電導接地面としての機能を合わせ有す
るので、第２図に示した従来の回路構成方法のようにジ
ョフソン接合の上部電極側に接地電極を設ける必要がな
い、このため第３図の等価回路図に示した寄生インダク
タンス成分Ｌ　ｓ＊　ｔ　Ｌ　１．およびＬｓ６を低減
させることが可能である。またジョセフソン接合の上部
電極６または上部電極接続層７が超電導インダクタンス
として機能するので、従来の構成方法のように超電導イ
ンダクタの一部が接地電極によって磁気的に遮蔽される
ことはなくなる。このため第３図に示した寄生インダク
タンス成分Ｌ　、ｓ、　Ｌ、ｓおよびり、５を除去する
ことができる。以上のごとく寄生インダ・クタンス成分
を除去できるため回路のチップ専有面積を縮小化して同
等のインダクタンス値を実現することができる。また従
来構成方法のように超電導接地面層２への接続領域も必
要としないため回路の高集積化を可能にする効果がある
。さらに上述のごとき寄生インダクタンスは回路のスイ
ッチング速度を遅くするという問題があるので、本発明
の上述の構成は回路の高速化を促進する効果も有する。 さらに本発明の上述の構成では従来の回路構成方法で必
要であった少なくとも下部電極４と下部電極絶縁層の２
層は必要でなくなるので、回路の構成を簡単化するのに
効果がある。またジョセフソン集積回路は超電導薄膜、
ＪＷ間絶縁膜などを多層に積層化して構成されるので従
来下部電極および下部電極Ｎ１１層パターン端部の段差
構造、により電気的導通不良あるいは絶縁不良の起きる
こともなくなるので集積回路の信頼性を高める効果もあ
る。さらに上記の薄膜層パターン形成に必要なマスク合
わせ余裕も必要なくなるので１回路の集積度を高めるの
に効果がある。 次に本実施例に示した量子干渉回路の構成にあたっては
、回路に設けられた超電導インダクタとジョセフソン接
合の容量によって起きる共振現象を抑制するためにダン
ピング抵抗を挿入することが多い、この場合、ダンピン
グ抵抗はジョセフソン接合のできるだけ近くに配置する
ことが望まし〈従来は接合の直下に配置されていた０本
発明においてダンピング抵抗を配置する方法としては、
超電導接地面絶縁層形成後にジョセフソン接合の真近に
配置するか、上部電極接続層形成後にジョセフソン接合
の直上にあたる位置に配置するかのいずれかの方法を取
れば良い。この際、従来の回路構成方法に比べてその寄
生インダクタンス成分を低減できるので、ダンピング抵
抗を効果的に働らかせるという効果がある。以上超電導
量子干渉計回路を例にとって本発明の実施例を示したが
、本発明は他のジョセフソン集積回路、例えば電流注入
型の回路などについても同様に実施することが可能であ
り同等の効果を得ることができる。 【発明の効果１ 本発明によれば、ジョセフソン接合の上部電極側を接地
する必要がなく、この接地電極によって生じていた寄生
インダクタンス成分を除去することができる。同様に下
部電極の一部が磁気的に遮蔽されることもなくなるので
、その一部が寄生インダクタンス化することも防止でき
る。また上記接地電極を超電導接地面層に接続する領域
を取り除くことも可能である。したがってジョセフソン
集積回路の集積度を高めることができるという効果があ
る。さらに回路のスイッチング速度を遅くする要因とな
る上述のごとき寄生インダクタンスを低減できるので回
路の高速化を促進する効果も有する。 更に回路動作余裕度を狭める要因となっていた回路の共
振現象を抑制するようにダンピング抵抗を効果的に設け
ることができるので、回路動作余裕度を高めることによ
って高集積化を可能にするという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超電導量子干渉回路を示す
図であって同図（、）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ
）中のＡ−Ａ’線断面斜視図、第２図は従来の回路構成
方法による超電導量子干渉回路を示す図であって同図（
ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）中のＢ−Ｂ’線
断面斜視図、第３図は超電導量子干渉回路の等価回路図
である。 １・・・基板、２・・・超電導接地面、３・・・接地面
開口部、４・・・下部電極、５・・・トンネル障壁層、
６・・・上部電極、７・・・上部電極接続層、８・・・
制御線、９・・・ジョセフソン接合。 第７図 （α） ！・・１極　　　　　〃・ ３・・ｊＲＥ積潤０却　　≦。 ダ　・・　トン粘し１壁１　？−・ ７１．上ｊ１電神符層 ２−・−力ｔフソン棲令 下仰電抽 二音ｐｃ池 制イク櫓 僑 ２ 図 （山２ タ シ゛タゼ７ン〉す餘イン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ジョセフソン接合、超電導インダクタおよび抵抗体
   を含んでなるジョセフソン集積回路であって、上記ジョ
   セフソン接合は上部電極と下部電極との間にトンネル障
   壁層をはさんで構成され、上記下部電極は超電導接地面
   の機能を併せ有してなり、上記インダクタは上記上部電
   極自身によって提供されるかもしくは別途形成されて上
   記上部電極に接続されてなることを特徴とするジョセフ
   ソン集積回路。