JPS63169083A - トンネル型ジヨセフソン接合 - 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、超伝導集積回路等に用いるトンネル型ジョセ
フソン接合の構造に関する。

（従来の技術） ニオブを電極材料として用いたトンネル型ジョセフソン
接合においては、第３図に示すように下部電極２２上に
ニオブとぬれ性が良く、しかも酸化物の誘電率がニオブ
酸化物の誘電率より低いアルミニウム等の金属層２３を
成膜し、この金属層２３表面を酸化してトンネル障壁層
２４とする、アーティフィシャルバリア接合が用いられ
ている。このアーティフィシャルバリア接合においては
、下部電極膜２２中の内部応力によって、膜のはがれや
微小接合での特性劣化が生じる。このため第１８回固−
’を 庄素子材料コンファレンス予稿集（Ｅｘｔｅｎｄｅｄに
、スパッタ時のガス圧力を調節することによって、電極
膜にはできるだけ内部応力の小さい膜を用いていた。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の技術の項で述べたアーティフィシャルバリア接合
に熱処理を施した場合、電子通信学会技術報告５ＣＥ８
６−２７．１９８６年にあるように第３図の金属府２３
が下部電極２２中に拡散することによって接合特性の劣
化が生じる。前記拡散は、比較的低温で生じることから
下部電極の結晶粒界にそっておこる粒界拡散である。

一方スイン・ソリッド・フィルムス（Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌ
ｉｄＦｉｌｍｓ）第６４巻、第１０３頁、１９７９年に
あるように、スパッタで成膜したニオブ膜はスパッタ時
のガス圧力が高くなるにつれて柱状構造が顕著となる。

内部応力が最小値を示すニオブ膜では、はっきりとした
柱状構造を有する。このため従来の技術の項で述べた内
部応力の小さなニオブ膜を電極として用いたアーティフ
ィシャルバリア接合に対して熱処理を施した場合、柱状
構造を有する下部電極２２の各柱間の隙間を通して金属
府２３が容易に粒界拡散するため、接合の耐熱性が低い
という欠点を有していた。また前記内部応力の小さいニ
オブ膜は柱状構造のため表面形状が粗くなるという欠点
も有していた。逆に熱耐性の高い緻密な膜は、内部応力
が大きく接合特性に悪影響を与えていた。

本発明は従来例の上記欠点を克服し、電極膜の内部応力
の影響が小さく、しかも熱処理に対する耐性が高い高品
質のアーティフィシャルバリア接合を提供することを目
的としている。

（問題点を改善するための手段） 本発明によれば、超伝導体からなる下部電極と上部電極
がトンネル障壁層を介して結合したトンネル型ジョセフ
ソン接合において、前記下部電極が、内部応力が接合特
性に影響を与えない程度に小さい第１の超伝導層と、前
記第１の超伝導層と前記トンネル障壁層の間に位置し、
前記第１の超伝導層より薄く、しかも前記第１の超伝導
層より緻密な構造を有する第２の超伝導層とからなるこ
とを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合が得られる
。

（作用） 本発明によるアーティフィシャルバリア接合のｐ造にお
いては、下部電極を２層とし、たとえば下側を内部応力
の小さい膜（第１の超伝導層）とし、上側を単位ｌ断面
積あたりの内部応力は大きいが、より緻密な膜（第２の
超伝導層）としている。しかも上側の緻密な膜は下側の
内部応力の小さい膜よりずっと薄くする。膜中の内部応
力は膜厚に比例するため、第２の超伝導層の単位断面積
あたりの内部応力が大きくしてもその膜厚が薄ければ、
下部電極全体としての内部応力は小さく保たれる。この
ため内部応力が小さく、しかもトンネル障壁層を形成す
る金属と接触する部分は粒界拡散のおこりにくい緻密な
構造を持つ下部電極を用いることで、内部応力の影響を
受けずしかも熱処理に対する耐性の高いアーティフィシ
ャルバリア接合が得られる。

面積の小さい接合では大きい接合に比べて内部応力が接
合特性に及ぼす影響が大きい。従ってその接合の面積を
考慮して第１、第２の超伝導層の膜厚その他のパラメー
タを決めればよい。

また接合が複数個形成されている集積回路では最も面積
の小さい接合に合わせてパラメータを決めるとよい。

なお、以上述べた内部応力や構造が異なる膜において、
超伝導転移温度Ｔｃは広い範囲にわたって一定に保たれ
ているため、膜質を変えることで接合特性が劣化するこ
とはない。

（実施例１） 本実施例においては、第１の発明の実施例につき説明を
行う。第１図は本発明によるアーティフィシャルバリア
接合を示したもので、基板１１上に、第１の超伝導層１
２として、単位断面積あたりの内部応力１．ＯＸ　１０
９ｄｙｎ／ｃｍ２のニオブ膜が膜厚２７０ｎｍある。こ
の第１の超伝導層１２は、柱状構造を有する膜である。

第１の超伝導層１２上には、第２の超伝導層１３として
単位［断面積あたりの内部応力６゜０×１０９ｄｙｎ／
ｃｍ２のニオブ膜が膜厚３０ｎｍある。この第２の超伝
導層１３は柱状構造を有しないより緻密な膜である。こ
れら第１、第２の超伝導層１２．１３が接合の下部電極
となる。この下部電極の長さ１ｃｍあたりの内部応力は
、 １、ＯＸ　１０９Ｘ２７０Ｘ　１０−７＋６．ＯＸ　１
０９Ｘ３０Ｘ　１Ｏ−７＝　４．５　Ｘ　１０４ｄｙｎ となり、下部電極３００ｎｍを全部第２の超伝導層で形
成した場合の内部応力１８Ｘ１０４ｄｙｎに比べ約４分
の１に低減される。

第１図に示す接合には、前記第２の超伝導層１３上から
なる上部電極１６がある。

第１図に示す構造を有する接合に熱処理を施した場合、
金属層１４と接して、第１の超伝導層１２より緻密な構
造を有する第２の超伝導層１３があるため、金属層１４
の下部電極中への波数は、第２の超伝導層１３がない場
合に比べて起こりにくくなり、結果として接合の耐熱性
が向上する。

次に、第１図に示す構造を示すジョセフソン接合の形成
方法について説明する。第２図は、スパッタによるニオ
ブ成膜時のアルゴンガス圧とニオブ膜の格子間距離の関
係を示したものである。第２図において、格子間距離は
スパッタ時のアルゴンガス１五カーに昇とともに小さく
なっている。格子間距ｇＩがバルクの値３．３０７Ａよ
り大きい膜は圧縮応力が、小さい膜は引張り応力が膜中
に存在することを示している。

第１図に示す様に、表面を熱酸化したシリコン基板１１
上に、第１の超伝導層１２として、アルゴンガス圧２５
ｍＴｏｒｒの条件でニオブを厚さ２７０ｎｍスパッタで
層１３を厚さ３０ｎｍスパッタで成膜する。アルゴンガ
ス圧５ｍＴｏｒｒで成膜したニオブ１漠は、第２図から
、格子間距離３．３３６人の圧縮応力の強い膜であるが
、膜の構造は２５ｍＴｏｒｒのアルゴンガス圧でスパッ
タした膜が柱状構造を有しているのに対して注状構造を
示さずより緻密な膜である。以上述べた第１、第２の超
伏Ｆ、ＪｉＮ１２，１３がこの接合の下部電極となる。

アルゴンガス圧５ｍＴｏｒｒのまま、第２の超伝導層上
にアルミニウムを６ｎｍスパッタで成膜し、金属層１４
とする。酸素圧力３００ｍＴｏｒｒ、１０分間の熱酸化
を行い、金属層１４表面を酸化し、アルミニウム酸化物
からなるトンネル障壁Ｒ１５を形成する。アルゴンガス
圧２５ｍＴｏｒｒの条件でトンネル障壁府１５上に上部
電極１６としてニオブを２５０ｎｍ成膜する。

以上述べたように、本実施例の構造を用いれば、熱処理
に対する耐性が高く、しかも電極膜中の内部応力が小さ
く、はがれや微小接合での特性劣化の生じないアーティ
フィシャルバリア接合が通常のスパッタ装置を用いて容
易に得られろ。

−また、以上述べた効果の外に、アルゴンガス圧パを有
する膜より、表面の凹凸が少ない、より平坦な膜である
ため、より高品質な接合が得られるという効果も有する
。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によるトンネル型ジョセフソ
ン接合を用いれば、熱処理に対する耐性が高く、しかも
電極膜の内部応力による接合時（’ＩＥ　％化の少ない
、高品質のトンネル型ジョセフソン接合が得られるとい
う効果を有する。

図面の筒ｉｊＬな説明 第１図は、本発明によるトンネル型ジョセフソン接合を
説明するための接合の断面図、第２図はニオブスパッタ
時のアルゴンガス圧とニオブ膜の格子間距離の関係を示
した特性図、第３図は従来例を説明するための接合の１
折面図。

図において、 １１・・・基板１．１２・・・第１の超伝導層、１３・
・・第２の超伝導層、１４・・・金属層、１５・・・ト
ンネル障壁居、１６・・・上部電極、２１・・・基板、
２２・・・下部電極、２３・・・金属層、２４．）ンネ
ル障壁層、２５・・・」二部電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超伝導体からなる下部電極と上部電極がトンネル障壁層
   を介して結合したトンネル型ジョセフソン接合において
   、前記下部電極が、内部応力が接合特性に影響を与えな
   い程度に小さい第１の超伝導層と、前記第１の超伝導層
   と前記トンネル障壁層の間に位置し、前記第１の超伝導
   層より薄く、しかも前記第１の超伝導層より緻密な構造
   を有する第２の超伝導層とからなることを特徴とするト
   ンネル型ジョセフソン接合。