JPS5898926A - ジヨセフソン干渉装置 - 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】 本発明は、接合に共通のベース電極、少なくとも接合領
域でそれを覆うトンネル障壁層、その上に付着された対
向電極、及び下側のベース電極から絶縁層で分離された
、対向電極を接続する干渉装置ブリッジより成る埋め込
み接合ジョセフソン干渉装置に関する。

ジョセフソン干渉装置は当分野において周知である。デ
ータ処理の技術分野においてそれらの応用が、特にメモ
リ・セルのみならず多様なレイアウト及び機能の論理回
路のためにも提案されている。下記の刊行物は技術の現
況を表わすものである。

米国特許第５９３６８０９号明細書。

Ｉ　　ＢＭ　　　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　　Ｄｉｓｃｌｏ
ｓｕｒｅＢｕｌｌｅｔｉｎ、Ｖｏｔ、２２、Ｎｏ、７、
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ７９、ｐｐ−２９７０−７５、−Ｃｏ
ｍｐａｃｔ　　ＢｒｉｄｇｅＪｏｓｅｐｈａｏｎ　Ｉｎ
ｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒスＩ　　ＢＭ　　　Ｔｅｃｈ
ｎｉｃａｌ　　ＤｉｓｃｌｏｓｕｒｓＢｕｌｌｅｔｉｎ
ｌＶｏｗ、２０、Ｎｏ、　１０、Ｍａｒｃｈ７８、ｐｐ
、　４１９７−９８、”　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｅｌｅｍ
ｅｎｔｆｏｒ　　Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ　　Ｒｅａｄ−Ｏ
ｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ’、Ｉ　　ＢＭ　　　Ｔｅｃｈｎ
ｉｃａｌ　　Ｄｉ＠ｃｌｏｓｕｒｅＢｕｌｌｅｔｉｎ、
Ｖｏｔ、２２、Ｎｏ、５．０ｃｔｏｂｅｒ７９、ｐｐ、
２１３９−４２、＠Ｎｅｗ　　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍ＠
ｔ＠ｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”。

ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ　　Ｍａｇ
ｎｅｔｉｃａ。

Ｖｑｔ、ＭＡＧ−１５、Ｎｏ、１、Ｊａｎｕａｒｙ　　
７７、ｐｐ、　５２−５５、″　Ｓｉｎｇｌｅ　　Ｆｌ
ｕｘ−ＱｕａｎｔｕｍＭｅｍｏｒｙ　　Ｃｅ１ｌｓ”、
ａｎｄＩ　　ＢＭ　　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ｒ
ｅ５ｅａｒｃｈ　　ａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、Ｖ
ｏｔ、２４、Ｎｏ、２、Ｍａｒｃｈ１９８０、ｐｐ、１
３．１−１ｊ２、’　Ｄｅｓｉｇｎ　　ｏｆ２．５　　
Ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ　　Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ　　Ｃｕ
ｒｒｅｎｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ　　Ｌｏｇｉｃ　″。

これらの刊行物に開示された干渉装置は、２個又は３個
以上のジョセフソン接合から構成きれている。これらの
干渉装置は平坦なジョセフソン接合を用いており、それ
らの接合は基板上にペース電極として働く超伝導材料の
金属膜の第１の層を付着し、その後酸化によってトンネ
ル障壁を形成し、第２の超伝導金属層の対向電極を付着
する事によって形成される。接合が共通ベース電極を有
し、対向電極がブリッジを経て接続され、そのブリッジ
が絶縁層によって共通ペース電極から分離され念干渉装
置は１、ブリッジ干渉装置と呼ばれる。

そのゲートあるいはしきい値特性は、良好な歩留りケ生
じるマージン及び動作窓を提供する。この特性を左右す
る本質的々パラメータの１っけ干渉装置構造体のＬＩ　
　積である。但しＬは干渉装置ループ・インダクタンス
、■　は接合の一最大電流密度及び接合面積に比例する
最大ジョセフソン接合電流である。

ＬＩ　　積を改善即ち増加させる友めに過去において種
々の方策が取らハて来た。Ｌはブリッジをベース電極か
ら分離している絶縁層の厚さを増加させるか又はデバイ
スの長さを増加させる事によって増加させられる。最初
の方法を用いて達成される改善は、厚い層の上にさらに
層が付着されなけねばならない時に非常に厚い層は問題
を生じるという点で、ブレーナ技術によって制限を受け
る。

第２の方法は自動的に構造を大きくする。即ち干渉装置
に必要な面積の望ましくない増加をまねく。

一方最大ジョセフソン電流Ｉ　け電流密度Ｊｍａｘを増
加させる事によって増加させられる。これはある限界内
では可能であるが、約５ＫＡ／１Ｍ？　以上では問題で
ある。というのは干渉装置のスイッチング特性に影響が
生じる≠・らである。こねは、蓄積される２進数値「１
」及び「ｏ」が各々干渉装置中に捕獲された磁束量子の
有無によって表現される単一磁束、量子（ＳＦＱ）メモ
リ・セルにおける応用で特に重要である。高い電流密度
は干渉装置のしきい値特性の「臨界点」をより高くする
。

臨界点は、渦しきい値開線上の点であって、それより上
で曲線を横切ると電圧状態へのスイッチングを生じ、一
方それより下で曲線を横切ると渦モードの変化即ち磁束
量子の捕獲又は解放のいずれかが生じるような点である
。従ってメモリの応用に関して、信頼性のあるスイッチ
ング動作及び充分に大きな動作マージンのために低い臨
界点は本質点々要請である。

本発明の主な目的は、小さな面積しか必要とせず従って
より高い実装密度を可能にする干渉装置を提供する事で
ある。他の目的は、デバイスに必要な面積を増加させる
事なく、より高い干渉装置インダクタンスが得られるレ
イアウト全可能にし、それによって干渉装置のスイッチ
ング特性を改善する干渉装置構造体を提供する事である
。さらに他の目的は、周知且つ制御可能なプロセス・ス
テップを用いて製造可能な、改善された特性を有する干
渉装置構造体を提供する事である。

これらの目的は、接合が干渉装置ブリッジの下側に便宜
するように対向電極と干渉装置ブリッジとの間に絶縁層
が存在する事を特徴とする干渉装置によって満たされる
。

ここで開示される干渉装置構造体は、デバイス面積を増
加させる事々くより高いインダクタンスを提供し、従っ
てこれまで知られている干渉装置構造体を用いて達成可
能であるよりも高い実装置ｆ’を可能にする。これはス
イッチング速度及び動作マージン等の基本的な干渉装置
の本質的な特性に悪影響を与える事なく達成される。さ
らにそれは、容易に制御可能な１つだけのステップに関
係する製造プロセスにおいて製造できる。

具体的な実施例を説明する図面を参照しながら、以下本
発明を実施する種々の方法を詳細に説明する。

第１図は従来技術の状態を代表する２接合干渉装置の概
略図である。簡単のために電極及び絶縁体等の主要な機
能要素だけを示した。デバイスを被覆する絶縁体及び干
渉装置構造体の上に配置され得る制御線は省略した。

基板１１ｄおそらく絶縁層（図示せず）で覆われている
。この基板１上に、２個のジョセフソン接合３Ａ及び３
Ｂに関する共通ベース電極を形成する超伝導材料の薄い
金属層２が付着される。それらの接合はペース電極芦化
物層４Ａ及び４Ｂ、並びに金属超伝導対向電極５Ａ及び
５Ｂによって形成される。層４Ａ及び４Ｂは、通常ベー
ス電極材料の酸化物から成るが、ジョセフソン・トンネ
ル電流を支持する事ができ、トンネル障壁層と呼ばれる
。２つの対向電極はベース電極層２から絶縁層７によっ
て分離された超電導ブリッジ６を経て接続される。干渉
装置インダクタンスしは層７の（２つの電極の間の）長
さｔ及び厚さｄによって基本的に決定される。性能の要
請は、しばしば干渉装置のＬＩ　　積の最小値を定める
。最大電流密度Ｊ　　及び接合寸法によって定まる所定
の■。

ａｘ に関して、第１図に示される干渉装置構造によって覆わ
れる面積ハ１．長さｔに比例するインダクタンスＬの必
要な値に大きく依存する。

第２図は本発明の干渉装置の概略図である。この新規な
構造体は、パラメータＬ及び■　に影響を与える事なく
干渉装置に必要な面積のかなりの減少を可能にする。

□共通ペース電極・１・２が再び基板１１上に配置され
る。２つのジョセフソン接合１３Ａ及び１３Ｂは、この
ベース電極１２．２つのトンネル障壁層１４Ａ及び１４
Ｂ１並びに対向電極１５Ａ及び１５Ｂによって形成され
る。対向電極はブリッジ１６を経て接続され、ブリッジ
はベース電極１２及び電極１５Ａ及び１５Ｂの上面から
絶縁体１７によって分離される。

この構造が基づいている基本的概念は、ジョセフソン接
合を干渉装置ブリッジの下に「埋め込む」事である。こ
の接合の対向電極は接合間のインダクタンス・ループの
一部分になる。第２図の干渉装置のインダクタンスＬけ
絶縁層１７の長さ及び平均の厚さによって基本的に決定
される。第１図及び第２図に示された２つの構造の比較
かられかる様に、インダクタンスしは両方の干渉装置に
関して殆んど同じである。もし同一の接合が用いられる
ならば、■　の値は同じである。従ってＬＩ　　積は両
方０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　０の構造で同じである。第２図の
構造の長さ、従って必要なデバイス面積が減少するので
、本発明の干渉装置はより高い実装密度全可能にする。

表１は、本発明の典型的な実施例である第３歯に示され
た干渉装置全製造するために必要なプロセス・ステップ
を掲げている。その構造は基本的には第２図のものに対
応する。蒸着、エツチング、洗浄又はパターン形成に用
いられる全てのプロセスは周知であり、通常に利用可能
な装置を川伝て実行できる。従ってそれらについてはこ
こで詳しく説明しない。

出発点は絶縁層２１で覆われた平坦な基板２０である（
第５図）。最初のプロセス・ステップで２５００Ｘの厚
さのＮｂ層２２が絶縁層２１上に蒸着される。

層２２は干渉装置の共通ペース電極を形成する。周知の
フォトレジスト技術及びプフズヤ／エツチングを適用す
る事によって所望のパターンが得られる。層２２上に５
００ＸのＳｉ０層を蒸着する事によって絶縁層２５が形
成される。これはフォトレジスト工程及びその後のリフ
ト・オフ工程によってパターン形成され、ベース電極２
２のへりを分離する２つの外側部分及び後で形成される
障壁層２４を分離するのに役立つ中央部分を生じる。３
つの絶縁部分２３は干渉装置の２つのジョセフソン接合
の接合領域を定める。このステップに続いて、次の即ち
４番目のステップのためにベース電極２２の表面を適当
に整えるために通常のｒｆクリーニング処理が行なわれ
る。次にｒｆ酸化プロセスによって、絶縁体２３で覆わ
れていないベース電極の部分にＮｂ酸化物（Ｎ　ｂ　２
０　ｓ　）の２０〜３０Ｘの厚さの層がトンネル障壁と
して形成される。５番目のステップではｐｂ金合金とえ
ばＰｂＩｎＡｕの１ｏ　ｏ　ＯＸの層が蒸着され、フォ
トレジスト・ステンシルによってそのパターンが決定さ
れる。リフトオフ・プロセスの後、生°じたバタ；ツは
絶縁体２５の中央部の上に窓を残す。次に２０００Ｘの
ＳｉＯ絶縁層２６が付着され、第３図に示すように成形
さね、る。層２５の窓を通じてこの層は絶縁体２３の中
央部に直接に接続される。次に対向電極２５の非被覆面
は、清浄な表面を与えｐｂ合金層２７と良好な電気的接
触を可能にするためにｒｆクリーニング処理が行々われ
る。次に３０００＾の厚さのｐｂ合金層２７が全構造上
に蒸着される。層２７は２つの接合の対向電極２５を接
続する干渉装置ブリッジを形成する。

（以下余白） 表 さらにここでは詳しく説明しない通常のプロセス・ステ
ップが、干渉装置の封入又はシールド、分離に必要であ
る。ジョセフソン接合に影響を与えるために制御電流が
用いられる応用例においては付加的な導電層が必要であ
る。それらの層は適当々パターニングの後、制御線とし
て機能する。

２．５μｍ線幅技術を適用する時、第５図の干渉装置の
平面寸法は次のように選ぶ事ができる。

−長さく紙面内の）　　　　約２０μｍ−深さく紙面に
垂直な）　　　１２．５ｒｐｍ−接合寸法　　　　　　
　　６．２５×１２．５μｍ−絶縁体２６の長さ　　　
　１５μｍ 表■は同様に本発明の典型的な例である第４図に示した
干渉装置を製造するのに必要なプロセス・ステップを掲
げる。この構造はリングラフィに、電子ビーム又はＸ線
全用いるもののような正確な位置合せ装置を必要とする
。それらの装置は例えば接合′領域の充分に正確なパタ
ーン画定を可能にし、それによって第５図の構造におい
て接合を正確に画定するのに用いられた絶縁層２３の必
要性をなくしている。

出発点は絶縁層６１で覆われた平坦な基板３０である（
第４図）。最初のプロセス・ステップで２５００Ｘの厚
さのＮ４３２が絶縁層３１上に蒸着される。層３２は干
渉装置の共通ペース電極を形成する。所望のパターンは
フォトレジスト技術及びその後のプラズマ・エツチング
によって得られる。レジストがベース電極層の上にまだ
残っている間に、へり３３はｒｆ酸化あるいはプラズマ
酸化プロセスで分離される。このＮ　ｂ　２０　ｓ酸化
物の厚さは数百又のオーダー例えば４００Ｘである。

このステップに続いて通常のｒｆクリーニング処理が行
なわｊる。次にｒｆ酸化によってトンネル障壁層３４が
得られる。この時に２０〜３０Ｘの厚さのＮｂ酸化物（
Ｎｂ２０．）層が形成されめ。

５番目のステップでＦｉ３０００Ｘのｐｂ金合金えばＰ
ｂＩｎＡｕ　の層３５が蒸着される。これは対向電極を
形成する。所望のパターン、即ち接合領域の画定は、２
つの対向電極間の距離を正確に制御するために電子ビー
ムによるレジスト・ステンシル及びリフトオフ処理によ
って得られる。その後４０００Ｘの厚さのＳｉＯ絶縁層
３６が蒸着される。これは層３５の窓を通して接近可能
なペース電極部分及び対向電極の上面の内側の部分を覆
うようにパターン形成される。ｒｆクリーニング操作の
、後、干渉装置ブリッジを形成する５０００Ｘのｐｂ金
合金例えばＰｂＩｎＡｕ　）層が付着される。

これは絶縁層６６を覆い、対向電極３５の上面の外側の
部分と接触する。ブリッジ３７、対向電極３５及びベー
ス電極３２は干渉装置のインダクタンス・ループを形成
する。

（以下余白） 表Ｉ及び第３図に関連して既に注意したように、構造を
完成するにはさらに他のプロセス・ステップが必要であ
るが、それらは本発明の干渉装置及び既知の干渉装置の
両者に共通の特徴に関するので詳細には説明しない。

例えば２．５μｍの線幅技術を適用する時、第４図の干
渉装置の平面的寸法は下記の通りに選ぶ事ができる。

−長さく紙面内の）　　　約１５μｍ −深さく紙面に垂直な）　１０μｍ −接合寸法　　　　　　　１０Ｘ６．２５μｍ−絶縁層
５６の長さ　　　１０μｍ 表■に本発明を用いて達成可能な干渉装置面積の減少を
示す。その数値は２．５　Ｘ　２．５μｍのリソグラフ
ィツク矩形を有する２、５μｍ最小線幅技術の場合に適
用される。

異なった絶縁層厚さく２０００Ｋ及び４０００Ｘ）全部
する既知の干渉装置設計（第１図に示すような）の面積
の要求が、ここに示した（第３図及び第４図の）構造の
面積の要求と比較されている。比較された４つの干渉装
置は同一のＬＩ　　積及び本質的に同じ性能特性を有す
るので、達成可能な面積の減少は実質的な利点に相当す
る。

表■ 第１図（従来）　　　２ｏｏｏｚ　　　７７　　　　４
８０第１図（従来）　　　４０００Ｘ　　　５４　　　
　　ｓ４゜第６図　　　　２０００Ｘ　　　５２　　　
３２５第４図　　　　４０００Ｘ　　　３４　　　２１
０第５図は本発明の概念を用いた非対称３接合干渉装置
の概略図である。中央の接合（４０Ｂ）の面積は外側２
つの接合（４０Ａ、４０Ｃ）の面積の２倍の大きさであ
る。

簡単のために基板は省略した。ベース電極４１は６つ全
部の接合に共通である。６つの障壁層４２Ａ、４２Ｂ及
び４２Ｃは絶縁層４３Ａ及び４３Ｂによって互いに分離
され境界を画定されている。

対向電極４４Ａ、４４Ｂ及び４４Ｃはブリッジ４５を経
て接続される。絶縁層４６ＡＢ及び４６ＢＣは、ブリッ
ジ及び各対向電極及びベース電極部分と共に、２つの干
渉装置ループのインダクタンスを決定する。ここでも本
発明の概念が用いられている。即ちジョセフソン接合が
干渉装置ブリッジの下に配置され、それによって接合の
対向電極が接合間のインダクタンス・ループの一部にな
る。

他の従来技術の干渉装置のように、前述のデバイスは多
様な応用に適している。例えばそれはＨｌＢｅｈａの論
文”　Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　２−　Ｊｏｓｅｐｈｓｏ
ｎ　−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅ
ｒ　ａｓ　ａ　Ｌｏｇｉｃ　Ｇａｔｅ　”（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　　Ｍａｒｃｈ　３１
．７７、Ｖｏｌ、　１３、Ｎｏ、　７、ｐｐ、２１８〜
２２０）に示されているような論理回路に用いられる基
本的スイッチング素子として用いる事ができる。論理回
路における応用に関する６接合干渉装置は、Ｈ６Ｂｅｈ
ａ　　及びＨ，Ｊｆｃｋｅｌ　　の論文”　Ｈｔｇｈ　
Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ３−　Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ　Ｊｕｎ
ｃｔｉｏｎ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　−ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＬ
ｏｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　　”　（Ｄｉｇｅｓｔ　ｏ
ｆ　Ｉ　Ｅ　Ｅ　ＥＩｎｔｅｒｍａｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　　１　９８１、Ｇｒｅｎｏｂｌｅ。

Ｍａｙ　１２〜１５．８１、Ｔ）１）、４０〜４）に示
されている。

本発明の干渉装置構造体はメモリに用いるのに特に適し
ている。メモリにおいて干渉装置は基本的記憶素子を形
成し得る。そのようなジョセフソン・メモリ・セルの例
はＨ，Ｂｅｈａの論文”　Ｔｗｏ　−Ｊｏｓｅｐｈｓｏ
ｎ　−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅ
ｒＭｅｍｏｒｙ　Ｃｅ１ｌ　ｆｏｒ　Ｎ、　Ｄ、　Ｒ，
Ｏ，ｎ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｓ
ｅｐｔｅｍｂｅｒ　２９．７７、Ｖｏｌ、１３、Ｎｏ、
　２０、ｐｐ、５９６〜５９８　）に示されている。

本発明の概念は例として少数の実施例を用いて説明され
たが、同じ設計原理は例えば６つ以上の接合を持つか又
は複雑な電流供給システムを持つ干渉装置にも適用可能
である。また本発明は異なった制御方式にも適用できる
。即ち制御電流が干渉装置に磁気的に結合するよう々方
式又は直接注入される方式にも適用できる。また干渉装
置は対称でも非対称でも良い。また明らかに本発明の概
念から逸脱する事なく干渉装置を製作するのに異にった
材料、寸法又は製造プロセスを用いても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２接合干渉装置の断面図、第２図は本発
明の実施例の２接合干渉装置の断面図、 第５図は本発明の他の実施例の２接合干渉装置の断面図
、 第４図は本発明の他の実施例の２接合干渉装置の断面図
、 第５図は本発明の他の実施例の３接合干渉装置　。 の断面図である。 １２．２２．３２・・・・ベース電極、１４Ａ１１４Ｂ
、２４．３４・・・・　トンネル障壁層、１５Ａ１１５
Ｂ、２５．５５・・・・対向電極、１６．２７．６７・
・・・ブリッジ、１７．２６．２３．３６・・・・絶縁
層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 接合に共通なベース電極、少なくとも接合領域で上記ベ
   ース電極を覆うトンネル障壁層、上記トンネル障壁層上
   の対向電極、上記対向電極を接続する干渉装置ブリッジ
   、及び上記ブリッジを上記ベース電極から分離する絶縁
   層を含むジョセフソン干渉装置であって、上記絶縁層が
   上記対向電極と上記干渉装置ブリッジとの間に伸び出し
   ている事を特徴とするジョセフソン干渉装置。