JPH0381313B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はジヨセフソン接合素子の製造方法に関
する。

酸化膜等の薄いトンネル障壁膜を、一対の下部
電極及び上部電極によつて挟んで構成したジヨセ
フソン接合素子は、低消費電力、超高速動作が可
能な電子素子として注目されている。従来、電極
としては鉛（Pb）合金膜が使用されてきたが、
近年、機械的に強く、耐湿性、耐触性にすぐれた
ニオブ（Nb）又はニオブ化合物膜等のニオブ系
材料を電極とするジヨセフソン接合素子の研究が
注目されている。

Nb又はNb化合物膜は、一般に、作成中に500
℃以上の高基板温度を用いなければ、良好な超伝
導性が得られないので、従来、このNb又はNb化
合物膜を電極とするジヨセフソン接合素子は、そ
うした500℃以上の基板温度を用いて製造されて
いる。しかし、上部電極は酸素原子等を含むトン
ネル障壁膜上に形成されるため、上部電極作成時
に高温状態とした場合、トンネル障壁膜中の酸素
原子等が熱的に活性化され、下部電極中及び作成
中の上部電極中に拡散してしまい、下部電極及び
上部電極の超伝導性を劣化させ、ひいては作成し
た素子の電気的特性を劣化してしまうという問題
が指摘されていた。また、高基板温度の使用は、
量産化をはかる上で、種々の問題が多い。

本発明は、上記の点に鑑み、Nb又はNb化合物
膜を電極とするジヨセフソン接合素子を作成する
上で、少くとも上部電極作成時には高基板温度と
しないでも良い方法の提供を目的としてなされた
ものである。この目的に従う方法として、本発明
はレーザ乃至電子ビーム等のエネルギビームによ
る熱処理を採用し、上部電極作成時における既述
した従来の問題点を解消するとともに、量産化に
適した製造法を実現するものである。

本発明を実施例に基いて概説する。

() 下部電極の作成 第１Ａ図に示すように、まず、シリコン基板
等の適当な基板５上に、下部電極１として、反
応性高周波スパツタ法により、窒化Nb膜
（NbN膜）を形成した。ただし、この電極材料
はNb又は他のNb化合物でもよく、作成法も材
料に応じて、蒸着法、気相反応法等でもよい。
第２図は、本発明者等が使用した既存の製造装
置の概略を示しているが、この装置６は、真空
室７内に設けられた一対の電極８，９を切換
え、極性変換して用いることのできるもので、
電極９は基板ホルダとしても働らいている。下
部電極１の作成時には、ホルダ型電極９を接地
し、上側電極８をNbのターゲツト電極として
用いてスパツタする。

具体的には真空室７内に約10％の窒素をアル
ゴンに混入したガスを導入し、全圧５ｍTorr、
室温で反応性スパツタリングを行い、基板５上
に下部電極としてのNbN膜１を厚味約2000Å
に亘つて形成した。

() 下部電極の熱処理 室温において作成したNbN膜は一般に、超
伝導性は十分良好ではないが、レーザビームに
よる熱的処理によつて、均一かつ良好な超伝導
性を得ることができる。ただし、レーザビーム
の代わりに、電子ビームを用いてもよい。第３
図に本発明者等が用いた既存のレーザアニール
装置を示す。この装置１０は、レーザ装置１
１、ビーム掃引装置１２、試料室１３によつて
構成される。試料室１３を１気圧の窒素ガスで
満たし、レンズによつて集光したレーザビーム
LBを、試料室１３上部のガラス窓１４を通し
て、試料室１３中に置かれた下部電極１の表面
に照射し、掃引を行つた（第１図Ｂ）。

レーザ装置１１としては、YAGレーザを使
用し、レーザの光量、パルス周期、電極表面に
おけるスポツトサイズ、掃引の経路及び速度
は、電極上の全ての場所が約100ナノ秒間、500
℃以上の温度になるように各々の条件を選択し
た。掃引に要する時間は、電極面積に比例する
が、通常の場合には、数分から数十分で足りる
ことが実証され、従来法の基板加熱に要する時
間（数時間）に比較して、大きく作業時間を短
縮し得た。なお試料室中のガスはアルゴンその
他の不活性ガスを用いてもよい。

() トンネル障壁膜の作成 第１図Ｃに示すトンネル障壁膜３は、放電酸
化法を用いて、下部電極１の表面を酸化して形
成した。具体的には、第２図示の装置６の真空
室に、酸素をアルゴンに数％〜数十％混合した
ガス中において、全圧20ｍTorr、放電時のバ
イアス電圧−100V、酸化時間１〜２分で行つ
た。

ただし、酸化の方法は熱酸化方でもよい。ま
た、このトンネル障壁膜３は、アモルフアス・
シリコン等の他の材料を用いて、形成してもよ
い。

() 上部電極の作成 第１図Ｄに示す上部電極２は、下部電極１と
同様に、反応性高周波スパツタ法を用いて、ト
ンネル障壁膜３の上に、室温において作成し
た。前述したように、従来法では、500℃以上
に基板を加熱するので、トンネル障壁膜３中の
酸素原子が下部電極１及び上部電極２中に拡散
してしまうのであるが、本発明では、室温にお
いて、上部電極２を作成するので、その虞れは
ない。具体的には、第２図示の装置６を用い
て、厚み200〜1000ÅのNbN膜をトンネル障壁
膜３上に堆積して上部電極２とした。

() 上部電極の熱処理 第１図Ｅに示すように、下部電極１の熱処理
と同様にして、上部電極２の熱処理を行つた。

本発明で使用するレーザ又は電子ビームによ
る熱的処理の最大の特徴は、加熱により温度が
上昇してから、再び冷却されるまでの時間が極
めて短いところにある。実施例では、前述した
ように、約100ナノ秒程度であるが、さらに、
最適条件を選択することにより、より、短縮化
することも可能である。このような非常に短い
時間内では、トンネル障壁膜３中の酸素原子は
電極中に拡散することができず、従来法では不
可能であつた、トンネル障壁膜３中からの酸素
原子の拡散の伴わない、上部電極２の500℃以
上での、高温熱処理が可能となつた。

なお、上部電極２の熱処理は、下部電極１の
熱処理を兼ねてもよい。つまり、下部電極１の
熱処理工程を省略することも可能である。

() 上部電極の補強 熱処理を行つた上部電極２の厚みは、熱処理
の効果がトンネル障壁膜３に接する部分まで及
ぶように、比較的薄く、200〜1000Åとしたが、
配線における段差による断線の危険性を防止す
るために、第１図Ｆに示すように、熱処理を行
つた上部電極２上に、補強電極４を作成すると
良い。具体的には、下部電極１、上部電極２の
作成と同様に、室温において、厚さ3000Å〜
4000ÅのNbN膜を上部電極２上に堆積して、
補強電極４とした。

以上、実施例に見られる通り、従来の基板加熱
による電極作成法を用いた、ニオブ系材料を電極
とするジヨセフソン接合素子製造方法において、
問題とされた、上部電極作成時における、トンネ
ル障壁膜から電極への酸素原子等の拡散が、本発
明の製造方法の開示によつて、解消されることは
明らかである。また、本発明の製造工程におけ
る、レーザ又は電子ビーム等、エネルギビームに
よる熱処理に要する時間は、従来の基板加熱に要
する時間に比べて、非常に短く、製造時間の短縮
がなされ、量産性の高いNb又はNb化合物を電極
とするジヨセフソン接合素子製造ができる。

実施例で示した、素子の製造は、第４図に示す
ような、第２図示装置６の真空室７と第３図示装
置１０の試料室１３を試料の移動が可能な連結装
置１６で結合した装置１５を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の素子の各製造素工程の説明
図、第２図は窒化Nb（NbN）電極を作製した高
周波スパツタ装置の概略構成図、第３図はNbN
電極の熱処理を行つたレーザアニール装置の概略
構成図、第４図は第２，３図示の装置を結合した
装置の概略構成図を示す。 図中、１は下部電極、２は上部電極、３はトン
ネル障壁膜、４は補強電極、５は基板、を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ニオブ系材料製の超伝導膜を電極とするジヨ
   セフソン接合素子の製造方法であつて； 上記ニオブ系材料製の電極を室温で被着した
   後、該電極の表面にエネルギビームを照射し、加
   熱処理することにより、該ニオブ系材料製の電極
   の超伝導性を改善すること； を特徴とするジヨセフソン接合素子の製造方法。