JPS63209184A - 超電導トンネル接合装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は極低温において動作する、超電導材料を用いて
構成される超電導トンネル接合装置に係り、特に計算機
回路等において重要となる、素子特性の均一化を得るの
に有利な超電導トンネル接合装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のＮｂ系トンネル接合装置に関して、たとえば下部
電極および上部電極をＮｂとし、障壁層をＡＩ２酸化物
とするトンネル接合においては、下部電極膜としてとく
に結晶方位を特定しない多結晶Ｎｂ膜が用いられて来た
。この接合構造の例はたとえば、エム・ガーヴイッチら
、アイ・イー・イー・イー、トランザクション　オン　
マグネティックス、エム　ニー　ジー　１９　（１９８
３年）７９１頁から７９４頁（Ｍ　、Ｇ　ｕｒｖｉｔｃ
ｈ他。

ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓ、Ｍａｇ、ＭＡＧ−１９゜（１
９８３）Ｐ、７９１−７９４）において詳細に論じられ
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術におけるトンネル接合構造の場合、ＡＱＱ
化物を障壁層として用いることにより、高品質のトンネ
ル接合が得られている。しかしながら、上記従来技術を
含めて従来のトンネル接合を大規模に集積化し、計算機
回路等に応用しようとする場合、回路上の各トンネル接
合、あるいは回路を形成するウェハ上に分布するトンネ
ル接合の特性の均一性に関して問題があった。

そこで本発明の目的はＮｂを下部電極とする超電導トン
ネル接合装置において、トンネル特性を均一になし得る
トンネル接合構造を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては上記目的を達成するために、下部電極
膜として用いるＮｂ膜に関して結晶方位の揃った単結晶
あるいは結晶方位の揃った多結晶とする。すなわちトン
ネル接合を構成するＮｂより成る下部電極、ＡＱＱ化物
あるいはＭｇ酸化物より成るトンネル障壁層およびＮｂ
より成る上部電極膜を連続的に形成するに際して、下部
電極Ｎｂ腹膜成膜時基板温度を３００℃以上となすこと
、あるいはＮｂの原子間隔の一致する下地材を用いるこ
とにより、結晶方位の揃ったＮｂ膜とする。トンネル障
壁層は結晶方位の揃ったＮｂ膜上にＡＱあるいはＭｇの
薄層を形成し、表面層を酸化させた層を用いる。トンネ
ル接合装置を形成するためには、上部電極、トンネル障
壁層、下部電極よりなる三層膜形成後、配線膜あるいは
接合部として必要な部分を残してエツチング除去する工
程、接合部のエツチング除去した部分を絶縁膜によって
埋戻す工程あるいは上部電極につながる配線膜を形成す
る工程および構造等をさらに含む。

〔作用〕

一般にトンネル接合の特性、とくに個々の接合に流し得
る超電導臨界電流が不揃いになる原因として二個の要因
が存在する。第一は接合面積の不揃いであり、第二はト
ンネル障壁層厚みの不均一である。本発明は第二のトン
ネル障壁層厚みの均一化に関するものである。トンネル
障壁層として用いるＡＱあるいはＭｇの酸化物の厚みは
下地すなわち、ＡＱあるいはＭｇの結晶方位に著しく依
存する。金属ＡＱあるいはＭｇの結晶方位自体はこれら
金属膜の下地材であるＮｂの結晶方位に依存する。した
がって下部電極Ｎｂ膜の結晶方位を揃えることがトンネ
ル障壁層である酸化膜厚を均一化するための必須条件と
なる。

酸化膜厚が下地の結晶方位に依存することはＳｉ単結晶
等に対する低温酸化においてとくに顕著であり、同一酸
化条件下においては（１００）面上の酸化膜厚の方が（
１１１）面上の酸化膜厚より厚くなる。このような酸化
速度の結晶方位依存性はＡＱやＭｇなどの酸化工程にお
いてもあてはまる。

〔実施例〕

以下本発明を実施例を通じて、作製工程および構造の説
明を行う。

〈実施例１〉 第１図および第２図に示すごとく、（０００１）面方位
を有するＡＱ２０３Ｑ結晶よりなる基板１上に、Ｎｂ下
部電極膜２となる膜厚２００　ｎｍのＮｂ膜をマグネト
ロンスパッタ法によって形成した。形成時の条件は、Ａ
ｒ圧力０．２６　Ｐ　ａで堆積速度３ｎｍ／ｓとし、と
くに基板温度を７００℃とした。この条件下で形成した
Ｎｂ膜は（１１０）面が基板面と平行な結晶配向を示し
。

一様に揃っていた。

つぎに、基板温度を５０℃以下に冷却後、同一真空装置
中で基板ｌをＡＱジターットの真下に移動して、ＡＱを
５ｎｍ形成した。ＡＱの膜厚は１〜１０ｎｍが好ましい
。ＡＱ膜膜形形成後真空装置中に酸素ガスを１００Ｐａ
導入し、室温中で数分間放置することにより、ＡＱの表
面酸化層からなるＡＱＱ化物トンネル障壁層４を形成し
た。なお同一条件下で形成したＡＭ膜は結晶の（１１１
）面が下地Ｎｂ膜面と平行であり、一様に揃っているこ
とがＸ線回折等によって確かめられた。

ＡＭの表面酸化層形成後、再び基板をＮｂターゲットの
真下に移動し、マグネトロンスパッタ法により、Ｎｂ上
部電極５となるＮｂ膜を１１００ｎの厚さに形成した６ 上記膜形成後、基板を真空装置より取出し、接合部分８
および下部電極膜による配線部分を含むレジストパター
ンを形成し、Ａｒによるイオンエツチング法、あるいは
ＣＦ　４による反応性イオンエツチング法により、レジ
ストパターン以外の部分を除去した。つぎに接合部分８
を含み、矩形状のレジストパターンを形成した。ＣＦ　
ａを用いた反応性イオンエツチングにより、レジストパ
ターン以外の上部電極Ｎｂ膜部分を除去した。エッチン
グ工程終了後、レジスト膜を残した状態で、上部電極の
側面を酸化後、膜厚１１００ｎの厚さにＳｉＯ絶縁膜６
を形成し、エツチングにより露出した下部電極Ｎｂ膜表
面を覆った。

つぎに、レジスト膜除去後、接合部分を含み、１回目の
レジストパターンと交差する位置に、２回目の矩形状レ
ジストパターンを形成した。

ＣＦ４を用いた反応性イオンエツチングにより、レジス
トパターン以外のＮｂ膜部分を除去したにのエツチング
工程において、除去されるのは、１回目の矩形パターン
部分のうち、接合部８以外の部分である。エツチング工
程終了後、レジスト膜を残した状態で、膜厚３００ｎｍ
の厚さに５ｉＯＪ＠縁膜７を形成し、レジスト膜を除去
した。

つぎにＮｂ上部電極膜５表面をＡｒガス中の高周波放電
によってクリーニングしたあと、Ｎｂ配線膜９を４００
ｎｍの厚さに堆積した。Ｎｂ膜の堆積は前記Ｎｂ上部電
極膜５の場合と同じくマグネトロンスパッタ法により行
った。さらに、レジストパターン形成後、ＣＦｇによる
反応性イオンエツチングによってレジストパターン以外
のＮｂ配線膜部分を除去することにより、上部電極につ
ながる配線層を形成した。

以上の工程を経て形成された。上記構造のトンネル接合
の寸法は１．５μｍ角とした。８０個直列に接続した１
、５μｍ角のトンネル接合に対する臨界電流の分布幅は
±８％であった。さらに。

これらトンネル接合列の面積分布幅は±６％であった。

したがって、臨界電流特性の分布に対する面積分布以外
の要因は±２％であり、僅かである。

このことは酸化膜厚の不均一性が臨界電流の分布におよ
ぼす影響が無視できる程度のものとなったことを示して
いる。以上で述べたトンネル障壁層となるＡＱ酸化膜の
膜厚の一様性、および臨界電流特性の均一性は上記記載
に従って作製したジョセフソン接合が、本発明が利用さ
れる分野である計算機用スイッチング回路に利用するに
充分な特性を有することを意味している。

〈実施例２〉 サファイアの（１１０２）面上に実施例１と同様の条件
でＮｂ膜を形成して下部電極膜とし、Ｍｇの酸化物をト
ンネルＦ［層とするトンネル接合の作製を行った。サフ
ァイアの（１１０２）面上に形成したＮｂ膜は（１００
）面が基板面と平行であり、一様に揃っていた。さらに
Ｎｂ膜上に形成したＭｇ膜は結晶のＣ軸が基板面と垂直
であり、一様に揃っていた。作製したトンネル接合は、
実施例１のジョセフソン接合と同等の臨界電流分布を示
し、臨界電流の分布に寄与する酸化膜の不均一性は無視
できる程度のものとなった。

〔発明の効果〕

以上実施例において具体的に述べたごとく、本発明によ
れば、下部電極をＮｂ、　トンネル障壁層をＡＱ酸化物
、あるいはＭｇ酸化物とするトンネル接合において、°
トンネル障壁層が均一であり。

特性の揃ったトンネル接合が得られるという効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるトンネル接合の上面図
、第２図は第１図のＩＶ−ＩＶ断面図である。 、　１・・・・・・基板、２・・・・！−Ｎｂ下部電極
膜、３・・・・・・ＡΩ膜、４・・・・・・Ａμ酸化物
トンネル障壁層、５・・・・・・Ｎｂ上部電極膜、６・
・・・・・Ｓｉ○絶縁膜、７・・・・・・ＳｉＯ絶縁膜
、８・・・・・・接合部、９・・・・・・Ｎｂ配線膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定基板上に形成され、結晶方位の揃ったＮｂ薄膜
   と、前記Ｎｂ薄膜上に形成され、結晶方位の揃った金属
   薄膜と、前記金属薄膜上に形成された酸化膜と、前記酸
   化膜上に形成された超電導薄膜とを少なくとも有し、前
   記酸化膜は前記金属薄膜の表面酸化層であることを特徴
   とする超電導トンネル接合装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の超電導トンネル接合装
   置において、前記金属薄膜はＡｌ、Ｍｇから選ばれた１
   つの材料よりなることを特徴とする超電導トンネル接合
   装置。 ３、特許請求の範囲第１項ないし第２項記載の超電導ト
   ンネル接合装置において、前記超電導薄膜は、Ｎｂ薄膜
   であることを特徴とする超電導トンネル接合装置。