JPH0444438B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は超電導トンネル接合（ジヨセフソン接
合）を用いたスイツチングデバイスに係り、特
に、デバイス全体の層数を低減し、微細化に適
し、かつ製造プロセスの信頼性を向上せしめるの
に好適な超電導スイツチングデバイスの構造に関
する。

〔従来技術〕

従来の超電導スイツチングデバイスは、
Gheewalaの論文（“Design of 2.5−Micrometer
Josephson Current Injection Logic（CIL）”、T.
R.Gheewala、IBM、J.Res.Develop.Vol.24，No.
２、130（1980年））に示される構造のものが広く
採用されている。このデバイスの断面構造を第１
図に示した。このような構造のデバイスにおいて
は、超電導量子干渉計（SQUID）を制御する制
御線９は例えばSiOからなる絶縁膜８を介して超
電導干渉計の上部に配置される。デバイスにおい
て線幅を最も狭くしないといけないのは制御線膜
である。しかしながら、制御線膜は接合上部に配
されるので、最も高低差の激しい段差部を通過し
なければならない。このことは、制御線膜の段差
部における破断が生じる確立が高いことを意味す
る。あるいは、これを避けるためには制御線膜の
膜厚を厚くする必要がある。膜厚を厚くすれば、
実現し得る線幅の最小値が大きくなる。

従来のデバイス構造においては、トンネル接合
上に層間絶縁膜を介して制御線膜が設けられてい
るために基板の厚み方向の膜数が多いということ
もあいまつて、パターンや配線、素子特性に欠陥
を生じる確立が非常に高いという問題点をも有し
ていた。

なお、第１図において、１は単結晶シリコンウ
エハ、２は磁気遮蔽膜、３は陽極酸化膜、４は
SiOからなる層間絶縁膜、５はトンネル接合下部
電極膜、６はSiOからなる層間絶縁膜、７は上部
電極膜、１０はトンネル接合障壁層、１１はシリ
コン熱酸化層である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、超電導スイツチングデバイス
中で最も細い線幅を有するところの制御線膜が断
線などの欠陥を生じることなく形成され、かつ全
体の層数が低減される超電導スイツチング装置を
提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明の超電導ス
イツチング装置は、(1)サンドイツチ型超電導トン
ネル接合の下部電極膜と同一レベルの層に制御線
膜が形成された構造を有するものである。更に、
本発明の超電導スイツチング装置は、上記(1)に加
えて、(2)制御線膜、および下部電極膜のいずれも
平坦で段差のない基板上に形成されるのが好まし
く、また、(3)制御線膜および下部電極膜は下地と
して他の超電導膜や絶縁膜などが形成されていな
い基板結晶（好ましくは単結晶）そのものの上に
形成されるのが好ましく、また、(4)制御線膜およ
び超電導トンネル接合の下部電極膜はNbあるい
はNbを成分として含む超電導体とするのが好ま
しい。上記(1)、(2)、(3)、(4)のすべてを満足するの
が最も好ましいことはいうまでもない。

上記構成(1)についてやや詳細に説明する。制御
線膜をトンネル接合素子の上部電極膜、あるいは
下部電極膜と層のレベルを共通にすれば、超電導
膜１枚と層間絶縁膜１枚が省略でき、合計２層低
減できることは明らかである。制御線膜のレベル
をトンネル接合の上部電極膜のレベルと共通にし
た場合、下部電極膜の端部で制御線膜に段差が生
じる。制御線膜のレベルをトンネル接合の下部電
極膜のレベルと共通にした場合、少なくとも、ト
ンネル接合素子そのものによつて段差が生じると
いう問題はない。

制御線膜を下部電極膜と共通のレベルの層にし
た場合、制御線膜によつて有効に磁界を生じ、ジ
ヨセフソン接合、あるいは量子干渉計をスイツチ
ングさせることができるかどうかの問題がある。
二接合量子干渉計の場合を第２図に示した。第２
図は従来構造の量子干渉計であつて、矩形の下部
電極５の上に接合部障壁層１０が形成される。こ
の上にコの字型の上部電極膜７が形成される。上
部電極膜７と下部電極膜５の形状は入替つていて
も差支えない。さらに第２図のように、層間絶縁
膜を介して制御線膜９が配される。量子干渉計に
対する制御は、制御線膜９に電流を通じ、これに
よつて生じる磁界を、制御線と量子干渉計ループ
間の相互インダクタンスを通して、量子干渉計が
感じることによりなされる。量子干渉計に加える
べき磁束量は、よく知られているように一磁束量
子である。

本発明における量子干渉計の構造を第３図に示
した。第３図において、制御線膜２９はトンネル
接合の下部電極膜２５と同一のマスクを用い、同
一の超電導膜層を用いて形成される。この上に層
間絶縁膜２６を介して上部電極膜が形成される。
このようにして、従来型の量子干渉計と同様に、
制御線膜に電流を通じることにより、量子干渉計
ループ内に磁束を生じることができる。本発明に
おいては、構造的な制限上、制御線を下部電極の
位置まで引伸ばすことができない。しかしなが
ら、従来法の制御膜配線において、下部電極部分
で磁束の生じる方向は下部電極矩形形状の長手方
向なので、この部分における相互インダクタンス
の寄与は無視できる。したがつて、本発明におけ
る量子干渉計構造において、発生信号の制御信号
に対する利得が従来法と比較して劣るということ
はない。

本発明デバイス構造の上述の(2)の特徴に関して
は制御線膜の段差をなくするという点から言つて
当然のことであり、段差の解消は上述の(1)の特徴
の構造をとることとあいまつて実現される。

本発明デバイス構造の上述の(3)の特徴に関して
は、NbあるいはNb系超電導膜の付着強度の点か
ら考えて、清浄な結晶面上に形成するのが好まし
い。

本発明デバイス構造の上述の(4)の特徴に関して
は、Nbの臨界温度が9Kであり、Nb₃Sn、
Nb₃Al、Nb₃Ga、Nb₃Ge、Nb₃Si、NbN、NbC
などNbを成分として含む超電導材料が液体ヘリ
ウム温度で使用するに十分な超電導特性を有して
いることから、必要不可欠の条件である。さら
に、たとえば従来制御線膜に用いられているPb
合金膜の結晶粒径が約1μｍであるのに対し、Nb
の結晶粒度は約500Åである。したがつて、Nbあ
るいはNb系材料は1μｍあるいはそれ以下の微細
加工に耐え得る材料である。さらに好ましいこと
には、NbあるいはNb系材料は融点が高く（2500
℃）、化学的に安定なので、Nb膜層の上部に他の
超電導層や絶縁膜層を積重ねても、これらの膜形
成あるいはパターンニングに対して十分耐え得
る。

制御線膜の厚さは、従来型構造においては、
8000Åあるいはこれ以上必要であつた。これは制
御線膜が上層部にあるために、下層の膜端部を通
るときに段差ができる。この段差部で制御線膜が
切断されないためである。しかるに本発明になる
構造においては、制御線膜が最下層になるので、
Nb膜の磁場侵入深さを考慮して膜厚2000Åで十
分である。Nb膜の品質によつては1000Å近い厚
みにすることができる。制御線膜の厚さの上限は
特にないが、不必要に厚くするのは製造コストの
上昇を招くのみであるから、通常、その上限は
3000Å〜4000Å程度とするのが無難である。ま
た、上述のように、制御線膜は下部電極層と同一
レベルに形成され、通常、同じ超電導材料を用い
るので、実用的には両者の厚さは同一とすること
になる。

なお、本発明の超電導スイツチング装置のその
他の点については、従来技術を適用してよい。ま
た、配線層その他の周知の必要な構成について
は、特に上記せざるものも含まれるものとする。

〔発明の実施例〕

本発明を以下の実施例にもとづいて説明する。

実施例 １ 本実施例は本発明にもとづいた二接合量子干渉
計に関する。

本実施例においては、（100）面が膜面と平行な
単結晶シリコン板２１を用いた。製造せんとする
二接合量子干渉計は第３図において示したもので
ある。第４図にこの二接合量子干渉計の横断面図
を示した。用意した単結晶シリコン基板２１を
HF＋6NH₄F液によつて、軽くエツチングし、表
面酸化物を除去した。このシリコン基板２１を直
流マグネトロンスパツタ装置に挿入して、基板全
面にNb膜の膜形成を行なつた。Nb膜の形成条件
は、膜堆積速度20Å／sec、Ar圧４×10^-3Torr、
Nb膜圧1500Åとした。同様の条件で別に作製し
たNb膜の臨界温度は9Kを示した。全面にNb膜
形成を行なつたシリコンウエハに、量子干渉計の
下部電極膜および制御線膜の成形に用いるレジス
トパターンの形成を行なつた。これをイオンエツ
チング装置に装着し、Arイオンビームによるエ
ツチングによつてNb膜のパターン形成を行ない、
超電導トンネル接合の下部電極膜２５と制御線膜
２９を形成した。次にレジストを用いて層間絶縁
膜２６のためのリフトオフパターンを形成した。
次に、真空蒸着装置においてSiOを2000Åの厚さ
で膜形成した。SiO膜はチムニ型ルツボを用いて
抵抗加熱によつて容易に真空蒸着で形成できる。
このとき、リフトオフにより超電導トンネル接合
用の開口部も同時に形成された。次にレジストを
用いてトンネル接合の上部電極２７用のリフトオ
フパタ−を形成した。シリコン基板を水冷され、
かつ高周波を印加可能な電極に装填した。パター
ン形成したシリコンウエハをArの高周波プラズ
マにさらして、Nb膜表面のエツチングによる清
浄化を行なつた。このときエツチングされた深さ
は100〜200Åである。このようにして、純粋な
Nb膜表面を露出させた後に、純酸素を真空装置
中に導入してNb膜の表面酸化層を形成し、トン
ネル接合障壁層３０とした。さらに、真空蒸着装
置において、Inを10重量％含んだPb−In合金を
逐次蒸着法によつて膜厚3000Å形成し、上部電極
とした。アセトン中にシリコン基板を浸漬、リフ
トオフすることにより、Pb−In合金のパターン
を形成した。さらに量子干渉計全面をおおうよう
にSiOの層間絶縁膜２４を形成し、さらにこの上
に磁気遮蔽のためのPb−In超電導膜２２を形成
した。

なお全面をおおつたSiO膜を形成する前に、表
面に露出したNb膜およびPb−In膜の表面を酸化
し、量子干渉計を構成する超電導膜と磁気遮蔽膜
との間の電気的絶縁を完全なものとした。

さらに必要に応じて上記磁気遮蔽層２２の上
に、これと同一パターンのSiO膜を約1μｍの厚さ
に被着し、保護膜とした。一般に保護膜の厚さ
は、電極層等による段差部で欠陥を生じないで十
分に遮蔽層を被覆できる程度以上であればよい。
なお、第４図は保護膜の表示を省略してある。

以上のようにして製作した量子干渉計の閾値曲
線は従来型の量子干渉型のそれと同様であり、デ
イジタル回路のスイツチング要素として有用なこ
とが確認された。

実施例 ２ 本実施例は本発明にもとづいた三接合量子干渉
計に関する。

本実施例において製作した三接合量子干渉計の
一例を第５図に示した。この三接合量子干渉計を
上から見た構造はGheewalaら（前記引用文献）
のものとほとんど変わらないが、基板面に垂直方
向の配置および構造が全く異なる。矩形形状の下
部電極膜２５および制御線膜２９を基板直上に形
成する。次に接合開口部を有する層間絶縁膜を介
して、図に示すごとき形状の上部電極膜２７を形
成する。なお制御線膜２９は下部電極２５と接触
せず、かつ量子干渉計との相互インダクタンスを
そこなわないように配置されている。上部電極膜
２７の上部、トンネル接合上に量子干渉計の共鳴
を減少させるためのダンピング抵抗３２を配置す
る。この上に層間絶縁膜および磁気遮蔽用超電導
膜を配することは実施例１と同様である。

次にこの三接合量子干渉計の製作方法について
述べる。基板表面の処理、下部電極膜２５および
制御線膜２９、接合障壁層３０、層間絶縁膜およ
び上部電極膜２７の形成は実施例１と同様の方法
で行なつた。ダンピング抵抗３２はAuIn₂膜を用
いて、真空中の抵抗加熱法による膜形成、リフト
オフ法によるパターン形成を行なつた。さらに量
子干渉計全面をおおうようにSiOの層間絶縁膜を
4000Åの厚みで形成し、さらにこの上に磁気遮蔽
のためのPb−In超電導膜を5000Åの厚みで形成
した。

以上のようにして製作した三接合量子干渉計の
閾値曲線は従来型の三接合量子干渉計のそれと同
様であり、利得の点で不利な特性は示さなかつ
た。したがつて、この量子干渉型はデイジタル回
路のスイツチング要素として有効なことが明確と
なつた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、すでに述べたように、制御線
を独立としたレベルの層として設けないので、層
間絶縁膜とあわせて、従来法と比較して２層、パ
ターンニング用マスク数および膜数を低減するこ
とができる。さらにGheewala（文献名、前出）
の構造と比較すれば、Gheewalaの構造において
は磁気遮蔽膜とスイツチング素子および配線との
接続を取る超電導膜が製造工程上必要であつた
が、本発明においてはそのような特別な層は必要
としない。主要な配線はすべてジヨセフソン接合
の下部電極膜および制御膜線と共通なレベルの第
一層のNbあるいはNb系膜を用いて行なえる。配
線間の接続はジヨセフソン接合の上部電極膜と共
通のレベルの超電導層を用いて行なえる。さらに
抵抗膜の寸法を絶縁膜によつて決める必要がある
場合は、上部電極膜と下部電極膜の間の層間絶縁
膜を用いることができる。すなわち、従来型構造
においては抵抗膜は下部電極膜の下層に形成され
た。抵抗膜の長さを決定するために、抵抗膜上に
所定の長さを有する層間絶縁膜を形成する必要が
あつた。本発明においては下部電極膜形成後抵抗
膜を形成するので、抵抗膜寸法決定用の層間絶縁
膜と、上部電極と下部電極間の層間絶縁膜を共用
することができる。この点でもさらにマスク数お
よび膜数を一枚低減できる。さらにマスク数とし
て省略できる点は保護膜である。磁気遮蔽用超電
導膜から直接外部にリード線を引出さないように
パターン形状にしておけば、磁気遮蔽膜形成後そ
のまま同じレジストパターンを用いて、保護用絶
縁膜を形成することができる。さらに本構造にお
いては、ジヨセフソン接合の上部電極膜形成後、
表面に露出している超電導膜を酸素雰囲気中の高
周波放電によつて表面酸化させ、この上に磁気遮
蔽膜との電気的絶縁を保つ層間絶縁膜が形成され
るので、磁気遮蔽膜と下層の超電導膜との電気的
絶縁は完璧である。しかも磁気遮蔽膜陽極酸化用
のマスクパターンおよび陽極酸化工程が省略でき
る。以上合計すれば、本発明になるスイツチング
デバイス構造においては、従来法と比較して最大
６層のマスク、５層の膜を低減できる。すなわ
ち、低減できる膜層は、制御線膜とこれに付随す
る層間絶縁膜、抵抗膜寸法を決める層間絶縁膜、
磁気遮蔽膜との接続をとる超電導膜、および陽極
酸化膜であり、最低７層のマスク、７層あるいは
８層の膜でもつて、デバイス構造を完結すること
が可能である。すなわち必要な膜層は下部電極お
よび制御線膜、抵抗膜、２枚の層間絶縁膜、上部
電極膜、磁気遮蔽膜、保護膜およびパツド（図面
上の表示は省略）である。さらに最も複雑で微細
なパターンを含む下部電極および制御線膜層が平
坦な基板面上に形成されるので、パターンの微細
化と、高精度化、高信頼化がはかれることは明ら
かである。幅1μｍのNb配線膜、あるいは制御線
膜をマスクに対して忠実に加工、形成するのは特
に困難なことではない。この微細パターン形成の
容易化は、Nb配線膜厚を磁場侵入深さ（700〜
800Å）によつて制限される値（1200〜1300Å）
にまで低減できることにより倍加される。

なぜなら、超電導体の表面から、厚み方向の距
離をｘ、磁場侵入深さをλとすると、超電導体中
に侵入する磁場の強さはexp（−ｘ／λ）に比例す る。したがつて、Nb膜厚として、磁場侵入深さ
の２倍近い値があれば十分である。

単結晶基板上にNb系膜を形成することの効果
は２点ある。たとえば単結晶Si基板上にスパツタ
形成されたNb膜の付着強度は、Siの熱酸化膜、
あるいはSiO膜上に形成されたNb膜より付着強
度が強い。このことは作製されたデバイスの信頼
性を高める上で重要な点である。さらに重要な点
は、超電導トンネル接合の臨界ジヨセフソン電流
値の均一性の問題に関連している。トンネル接合
の障壁層は通常下部電極膜の表面酸化層が用いら
れる。表面酸化層の厚みは結晶方向に依存するこ
とはよく知られた事実である。たとえばSiの
（100）面より（111）面の方が低温における初期
酸化速度が速い。したがつて従来法のように多結
晶で、結晶方位が任意の方向に向いた下部電極を
用いた場合、酸化膜厚の場所的な変動は避けられ
ない。このことが、臨界ジヨセフソン電流の不均
一性をもたらす。本発明において単結晶基板上に
形成された結晶方位のそろつた下部電極膜は均一
な厚みに酸化され、均一な臨界ジヨセフソン電流
をもつた超電導トンネル接合列を与える。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来構造の超電導スイツチングデバイ
スの断面図、第２図は従来構造の二接合量子干渉
計の上面図、第３図は本発明の一実施例における
二接合量子干渉計の上面図、第４図は本発明の一
実施例における二接合量子干渉計の断面図、第５
図は本発明の他の実施例における三接合量子干渉
計の上面図である。 １，２１……単結晶シリコンウエハ、２，２２
……磁気遮蔽膜、３……陽極酸化膜、４，２４…
…SiO層間絶縁膜、５，２５……トンネル接合下
部電極膜、６，２６……SiO層間絶縁膜、７，２
７……上部電極膜、８……SiO層間絶縁膜、９，
２９……制御線膜、１０，３０……トンネル接合
障壁層、１１……シリコン熱酸化層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ サンドイツチ型超電導トンネル接合の下部電
   極層と同一のレベルに制御線膜が設けられてなる
   ことを特徴とする超電導スイツチング装置。 ２ 前記制御線膜ならびに前記下部電極層が基板
   の表面上に直接被着されてなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の超電導スイツチング
   装置。 ３ 前記基板の表面が単結晶からなることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の超電導スイツ
   チング装置。 ４ 前記サンドイツチ型超電導トンネル接合は下
   部電極層と、前記下部電極層上に設けられ、かつ
   開口部を有する下部絶縁膜層と、前記開口部の前
   記下部電極層上に設けられたトンネル障壁層と、
   前記トンネル障壁層上に設けられた上部電極層か
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第３項のいずれかに記載の超電導スイツチン
   グ装置。 ５ 前記上部電極上に、上部絶縁膜層を介して形
   成された、磁気遮蔽用Pb−In超電導伝導膜を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   の超電導スイツチング装置。 ６ 前記下部電極層ならびに前記制御線膜がNb
   もしくはNbを含む超電導材料からなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のい
   ずれかに記載の超電導スイツチング装置。