JPS6345871A - 超伝導素子及びその製造方法 - 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、極低温で動作する対向電極型の超伝導弱結合
素子およびその製造方法に係り、特に素子特性及びその
均一性の向上に有効で、大規模な集積回路の作製に好適
な超伝導素子およびその製造方法に関する。

［従来の技術］ 対向電極型の超伝導弱結合素子は、従来、アイイー・イ
ー・イー、トランザクション　オン　エレクトロンデバ
イセズ、イー　デー２８．１１巻（１９８１年）第１３
９４頁から１３９７頁（工Ｅ　Ｅ　Ｅ　、　Ｔｒａｎｓ
、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄａｖｉｅｓ、　Ｅ　Ｄ　−２
８、ｐ、Ｐ、１３９４−１３９７　（１９８１）　）に
論じられている様に金属あるいは半導体表面上に０．１
〜０．５μｍと極めて接近させて設けた幅が１０〜１０
０μｍの超伝導電極によって構成できることが知られて
いる（第１の従来技術）。

また、常電導体の凸部分を利用してその両側に超伝導体
を設けた構造の素子は特開昭５７−１５３４８１号公報
に開示されている。この公報においては常電導体の凸部
に隣接した凹部にこれと同じ形状の超伝導体より成る電
極を該凸部に接するように設けていた（第２の従来技術
）。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記第１の従来技術においては、超伝導電極の対向部分
の加工精度が、対向部分の両端で低下し、該超電導電極
相互の距離は、対向部の中央に比べて、その両端で大き
くなる傾向にあった。

ところで、この超伝導弱結合における超伝導臨界電流工
。は、電極の幅をＷ、常電導体中の超伝導コヒーレンス
長さをξ１、対向部分の再起伝導電極間の距離をｄとす
ると、次の比例関係が成り立っている。

Ｉ　ＣＣＣＷ　ｅｘｐ（−ｄ　／ξｎ）従って距離ｄが
場所的に変化すると、それはＩＣのばらつきの原因とな
る。ｄの値は、対向部の中央で比較的良く制御できるの
に対し、端部では制作上の微かな条件の差によるばらさ
きが生じ易い。

同様の現象は、常電導体に凸部を設け、その両側に超電
導体を設けた方式の素子においても、該凸部の加工の際
に生じる。

従って、上記第１の従来技術においては、対向部の端部
においける距ｉ！ｌｄのばらつきに起因する素子特性の
不均一性については何ら配慮がなされておらず、素子を
集積化して回路を作製する際の障害となっていた。

本発明の第１の目的は、第１の従来技術の問題点を解決
して、素子特性とその均一性の向上に好適な超伝導素子
の材料と構造を提供することにある。

上記第２の従来技術においては“、超伝導素子の特性の
一様性、あるいはその製造上の再現性については特別の
配慮がされておらず、該凸部分の幅が製造上の条件の微
かな変化によってばらつくと、素子特性が各素子の間で
大きく変動してしまうという問題があった。該凸部の幅
は、該凸部の始点付近と終点付近では、パターンのコー
ナーが直角でなくまるみを帯びるなどの理由により、加
工精度が低下する。この超伝導弱結合素子の局所的な超
伝導臨界電流工。は、該凸部の幅をｄ、該凸部を構成す
る常伝導体中における超伝導コヒーレンズ長さをξ。と
すると次の比例関係にある、ｒ　ＣＣＤ　ｅｘｐ（−ｄ
　／ξｎ）。

従ってｄの変動は重要な素子特性である超伝導臨界電流
のばらつきを引き起こす。従って該凸部の始点と終点付
近でｌｉｄに変動があると、集積回路中にある各超伝導
素子の特性がばらついて、回路の動作を著しく不安定な
ものとするばかりでなく素子の製造上の歩留りも低下し
てしまうという問題があった。

本発明の第２の目的は、第２の従来技術の持つ問題点を
解決し、集積回路の製造に適した、素子特性の一様性が
高く、従って製造上の歩留りも高くすることのできる超
伝導素子の構造と製造方法とを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記第１の目的は、距離ｄにばらつきが生じ易い超電導
電極の対向部の端部には、超伝導弱結合が形成されない
様に、材料及び構造を選ぶことによって達成される。す
なわち該端部に絶縁層を設けるかあるいは高抵抗層を設
けるか、あるいはその両方を設けることによって達成さ
れるのである。

また、上記第２の目的は、素子の特性のばらつきの原因
となっている該凸部の幅の変動が大きい該凸部の始点と
終点付近で、超伝導弱結合が形成されないようにすれば
達成することができる。より具体的には、該凸部の始点
と終点の付近では、超伝導体が該常伝導体の凸部と接し
ないように超伝導体を設けるか、あるいは、始点と終点
の付近の超伝導体を、超伝導体のみ、あるいは該凸部の
一部分とともに除去することを含んだ製造方法を用いる
ことによって達成される。

［作用コ 第１の目的について、より具体的には、超伝導電極の対
向部の端部において、該超伝導電極と常伝導体との間に
絶縁層を設ければ、絶縁層を設けた部分では明らかに該
超伝導電極間には電気的な導通が無いから、超伝導弱結
合素子としての特性は、距離ｄが均一な該超伝導電極の
対向部の中央部分のみで決まり、従って特性が均一でば
らつきの、少ない超低４素子を得ることができる。

また本発明の第１の目的は、該絶縁層を設けることだけ
でなく、これに替えて、該端部において、常伝導体中の
超伝導コヒーレンズ長さξＮが、該中央部よりも十分小
さくなっているようにすることによっても達成できる。

この場合には該端部での素子のＩＣに対する寄与は十分
小さくなっており、距離ｄのばらつきは、素子特性にほ
とんど反映されなくなるからである。そのためには該端
部において、常伝導体の電気伝導度を小さく選ぶか。

あるいは磁性薄膜を常伝導体上あるいは超伝導電極上に
設けても良い、同様の効果は、該端部において、超伝導
電極中、および常伝導体中に磁性不純物を導入しても実
現できる。

常伝導体が半導体である場合には、該端部において、半
導体中の不純物濃度を該中央部と比べて低くすることに
より、本発明の目的を達成することができることは言う
までもない。

上記第２の目的にもとづ〈発明によれば、該凸部の幅ｄ
の加工精度が低下する該凸部の始点及び終点の近くでは
、該凸部を介した２つの超伝導電極の間の超伝導弱結合
は形成されず、従ってこの部分の該凸部の幅ｄの変動や
コーナーの形状は素子特性には反映されることがない。

この構造を実現するためには、該凸部に隣接した凹部内
に設けた超伝導体のうち、該凸部に始点と終点に近い部
分をエツチング等によって除去すれば良い。この際には
、少なくとも超伝導体は除去される必要があるが、該凸
部の始点と終点に近い部分の該凸部の一部分もしくは全
部が除去されることは本発明の目的を達するための何ら
障害とはならないことは言うまでもない。

［実施例コ 以下、第１の発明を実施例を用いて、詳細に説明する。

本発明の第１の実施例を第１図および第２図により説明
する。リンを８Ｘ１０　　　ｃｍの濃度に含んだ５Ｌ（
１００）単結晶基板より成る常電導体１の表面を純酸素
中で温度９５０℃の条件で酸化し、厚さ約１１００ｎの
熱酸化膜を形成する。この５ｉ０２より成る熱酸化膜を
ホトレジストとＣＦ４ガスによる反応性プラズマエツチ
ングによって加工し、絶縁層２とした。続いて、常電導
体１の表面を純Ａｒイオンによるスパッタリングによっ
て清浄化したのち、純Ａｒガスを用いたＤＣマグネトロ
ンスパッタリングによって、厚さ約１５Ｏｎ＋ｓのＮｂ
を堆積し、電子線描画によって形成された電子線レジス
トのパターンをマスクとしてＣＦ４ガスによる反応性プ
ラズマエツチングによってこのＮｂ薄膜を加工し、超伝
導電極３とした。超伝導電極３の幅は２５μｍ、２つの
超伝導電極３の対向部分の距離は０．１５μｍとした。

以上によって本発明の超伝導素子は完成した。

第２図はこの超伝導弱結合部分の断面を示している。超
伝導電極３相互の距離は、この図面の左右の端と中央部
では０．０１μｍ程度差があったが、絶縁層２が存在す
るために、左右の端部では超伝導電極３が常伝導体１に
直接接触せず、従ってこの部分には超伝導弱結合は形成
されない。

実際にこの素子を液体ヘリウム中に浸漬して動作させた
ところ、素子特性のばらつきが小さく、大規模な集積回
路まで確実に動作させることができた。本実施例におい
ては、常伝導体１として半導体を用いたが、これに替え
て金属を用いても良いことは言うまでもない。

次に第３図と第４図を用いて本発明の第２の実施例を説
明する。ホウ素を不純物として６×１０　　　ｃｍ　　
含んだ５Ｌ（１００）単結晶基板より成る常伝導体１の
表面を６４０　Ｔｏｒｒの水蒸気と純酸素を用いて１０
００℃で３０分間酸化し０．２μｍの５ｉ０２膜を形成
し、ホトレジストをマスクとしてＣＦ４ガスによるドラ
イエツチングによってこの５ｉ０２膜に開孔部を設ける
。続いてリンをイオン打込法によって、ＳｉＯ□膜の開
孔部を通して打込んだのち、Ｎ２ガス中で９００℃の熱
処理を施してイオンの活性化を行う、そののち、フッ酸
とフッ化アンモニウム混合液により５ｉ０２膜を除去す
る。こうしてイオン打込部４が完成する。イオン打込部
の寸法は幅と長さがそれぞれ１５μｍ深さが０．２μｍ
であり、平均の不純物濃度は５Ｘ１０　　　ａｍ　　で
ある。最後にＡｒガスを用いたＤＣマグネトロンスパッ
タ法によりＮｂを厚さ約１５０ｎｍに堆積させたのち、
電子線描画によって形成した電子線レジストのパターン
をマスクとして、ＣＦ４ガスによる反応性イオンエツチ
ングによって加工し、超伝導電極３とした。超伝導電極
３の幅は２５μｍであり、対向部分における超伝導電極
相互の距離は０．１５μｍである。以上によって本発明
の超伝導素子が完成した０本実施例においては、超伝導
電極の端部から約５μｍの範囲は、不純物濃度が６×１
０　　　Ｘ１０ｃｍ−と低いＳｉ半導体と接しているが
、液体ヘリウム温度をはじめ極低温においては、この部
分のＳｉ半導体中ではキャリアが凍結し、その抵抗率は
極めて高くなる。従ってここでの超伝導コヒーレンス長
さは対向部の中央部分に比べて５分の１以下と小さく、
従って該端部には高抵抗層を設けたと同じ効果を得るこ
とができ、端部での加工寸法のばらつきは、素子特性に
は反映されず、均一性の優れた超伝導弱結合素子が実現
できる０本実施例においては不純物濃度の差を利用して
高抵抗層を実現したが、端部において、超伝導体と半導
体の間に生じるショットキ障壁による抵抗を高くしても
本発明の目的を達することができることは言うまでもな
い。

続いて本発明の第３の実施例を第５図と第６図を用いて
説明する。不純物としてホウ素を５×１０　　　ｃ＋ａ
　　の濃度に含んだ５Ｌ（１００）単結晶基板より成る
常伝導体１の表面に収束イオンビ−ムを照射することに
よりリンを５×１０ｃｍ　　の濃度に含んだイオン打込
み部６を形成する。続いてＮ２中で９５０℃、１０分間
の熱処理を施したあとで、電子線描画によって形成した
電子線レジストのパターンをマスクとしてＣＦ４ガスに
よる反応性イオンエツチングにより突起部５を形成し、
該電子線レジストを除去せずに、電子ビーム蒸着法を用
いてＮｂを厚さ約１１００ｎに堆積したのちに、有機溶
媒によって電子線レジストを除去して、超伝導電極３を
形成した。以上によって本発明の超伝導素子は完成した
。

本実施例においては、突起部５の幅が、超伝導電極３の
対向部における距離を決めるが、この型の素子において
その突起部５の加工精度の端部における低下による素子
特性の不均一性を改善することにも本発明の目的である
。この場合にもイオン打込部４は、突起部５の中央部分
にのみ設けられており、従って超伝導電極３の対向部の
端部は超伝導弱結合を形成しない。

以上の３つの実施例においては、常電導体としてＳｉ半
導体を用いたが、これに替えて、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　＊Ｇ
ｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ等を用いても良いこと
は言うまでもない。また絶縁層としては、５ｉｏ２のほ
かにｓｉｏ、Ｓｉ３Ｎ４．ＡＱ２０３等を用いても本発
明の目的を達することができる。

本発明の第４の実施例を第７図を用いて説明す度に含ん
だ５ｉ（１００）単結晶基板より成る常電導体１０１の
表面に、電子線描画によって電子線レジストのパターン
を形成し、これをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反
応性イオンエツチング法により常電導体１０１を加工し
、第８図に示した形状の凸部１０２と凹部１０６と形成
する。

続いて、該電子線レジストのパターンを除去せずに、電
子ビーム加熱蒸着法によってＮｂを厚さ約１５０ｎｍま
で堆積させた１次に有機溶媒を用いて電子線レジストを
溶かせば、第９図に示した様に凹部１０６全体にＮｂ薄
膜を形成することができる。この状態では凸部１０２の
全体にわたって超伝導弱結合が形成されており、従って
凸部１０２の始点１０３と終点１０４の部分の加工精度
が素子特性に影響を及ぼしている。そこでホトレジスト
のパターンをマスクとしてＣＦ４ガスのプラズマエツチ
ングにより、凸部１０２の始点１０３と終点１０４の付
近のＮｂを除去する加工を施す。

該凸部の幅は０．１５μｍ、始点と終点の間の距離は２
５μｍ、超伝導電極１０５の加工後の幅は２０μｍとし
た０以上により本発明の超伝導素子を得ることができた
。本実施例においては、常伝導体１０１としてＳＬ半導
体を用いたが、これに替えてＧｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ
、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等を用いても良い、また超伝導電極
１０５の材料としてはＮｂを用いたがこれに替えてｐｂ
、ｐｂ金合金ＮｂＮ、あるいはＮｂＭｏ、Ｖ、ＴａとＳ
ｎ、　Ｓｉ。

Ａ　ｎ　＠　Ｇ　ａ、等の金属間化合物を用いても良い
ことは言うまでも無い。

次に第１０図を用いて本発明の第５の実施例について説
明する。常伝導体１０１の表面に第８図に示した様に凸
部１０２と凹部１０６を形成し。

この凹部１０６の中に超伝導電極１０５を形成する工程
に関しては、第４の実施例と全く同じである。

第４の実施例においては、ＣＦ、ガスと反応性イオンエ
ツチングによって、始点１０３と終点１０４の付近の超
伝導電極の一部のみを除去し、凸部１０２はそのまま大
部分が残されていた。しかし該凸部１０′２を始点１０
３と終点１０４の近くで残すことは１本発明の目的を達
成する観点からは、必ずしも必要ではない、すなわち、
超伝導電極１０５を加工する際に、始点１０３と終点１
０４の近くの凸部１０２も除去されることも可能であり
、これによっても本発明の目的を達することができる。

すなわち、超伝導電極１０５の幅方向の膜端部が、初め
に凸部１０２を加工したときの凸部１０２の始点１０２
及び終点１０４と接触しておらず、従ってこの付近を利
用した超伝導弱結合が、最終的に存在しないか素子全体
の特性に反映されないのであれば、本発明の目的は十分
に達成することができるからである。

本実施例では、第９図に示された形状に加工するまでの
工程を終了したのちに、ホトレジストをマスクとし、Ｃ
ＣＱ４ガスを用いた反応性イオンエツチングによって該
凸部１０２を始点１０３及び終点１０４の付近の超伝導
電極１０５の一部を凸部とともに除去したものである。

第１０図において破線は本加工を施す直前における凸部
の形状を示している。最終的には凸部１０２は、２つの
超伝導電極１０５にはさまれた部分にのみ存在するが、
この部分は本来の凸部の中央部に相当し、十分な加工精
度を有しているために、素子特性は極めて均一である。

［発明の効果］ 以上述べた様に、第１の目的にもとづ〈発明によれば、
常伝導体で結合した対向電極型の超伝導弱結合素子にお
いて、対向部分の微細加工条件の微かなずれによって、
対向部の端部における超伝導電極相互の距離がばらつい
ても、これによって超伝導弱結合素子の特性はほとんど
変化しないので、製造上の原因による素子特性のばらつ
きの小さな、均一性に優れた超伝導素子を実現すること
ができ、従って高集積度の回路を実現できるとともに、
製造上の歩留りを高くすることができる効果がある。

さらに、第２の目的にもとづ〈発明によれば、常電導体
に設けられた凸部の両側に超伝導体より成る超伝導電極
を該凸部の側壁に接するように対向させて設けた超伝導
素子において、該凸部の微細加工における寸法の変動が
、該凸部の始点と終点の近くで大きくなってもこれが素
子の特性には反映されないので、多数の素子の特性をそ
ろえて均一に製造することができる。従って集積度の高
い回路を安定に動作させることができ、しかも製造上の
歩留りも高くできる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による超伝導素子の一部
を示す上面図、第２図は第１図におけるＡ−Ａ’線断面
図、第３図は本発明の第２の実施例による超伝導素子の
一部分を示す断面図。第４図は第３図におけるＢ−Ｂ’
線断面図、第５図は本発明の第３の実施例による超伝導
素子の一部分を示す断面図、第６図は第５図におけるｃ
−ｃ’断面図である。 第７図は本発明の第４の実施例による超伝導素子の一部
分を示す上面図、第８図及び第９図は。 本発明の第４及び第５の実施例による超伝導素子の製造
方法を示す上面図、第１０図は、本発明の第５の実施例
による超伝導素子の一部分を示す上面図。 １・・・常伝導体、２・・・絶縁層、３・・・紀伝導体
、４・・・イオン打込部、５・・・突起部、６・・・イ
オン打込部、１０１・・・常電導体、１０２・・・凸部
、１０３・・・始点。 １０４・・・終点、１０５・・・超伝導電極、１０６・
・・凹部 第　１ｅ４ 俤　２　コ に４　Ｊ　目 栴　　４１！Ｉ 案　５　釦 Ｃ ＄ｂ　　面 、マ 第　７１！！ １０、ｆ ＄　■ ｌρ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、常伝導体に接して超伝導薄膜より成る２つの電極が
   その端部を対向させて設けられており、極低温において
   該電極間に該炊伝導体を介する超伝導弱結合が形成され
   、少なくとも該超伝導薄膜の対向部分の両端には、該超
   伝導薄膜と異なる材料より成る寸法規定のための層が設
   けられ、該超伝導薄膜の超電弱結合を形成する部分の幅
   が、該寸法規定のための層によって規定されることを特
   徴とする超伝導素子。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の超伝導素子において
   、該常伝導体は、金属、半導体からえらばれる少なくと
   も一種を用いて成ることを特徴とする超伝導素子。 ３、特許請求の範囲第１項および第２項に記載の超伝導
   素子において、該寸法規定のための層は、半導体あるい
   は金属へのイオン打込みによって形成されることを特徴
   とする超伝導素子。 ４、常伝導体に設けられた凸部の両側に、超伝導体より
   成る超伝導電極を該凸部の側壁に接するように対向させ
   て設けた超伝導素子において、該凸部の始点と終点の間
   の長さに比べて該超伝導電極の幅が小さく、かつ該超伝
   導電極の幅方向の端部は該凸部の始点及び終点とは接し
   ていないように該超伝導電極が設けられたることを特徴
   とする超伝導素子。 ５、常伝導体に設けられた凸部の両側に、超伝導体より
   成る超伝導電極を該凸部の側壁に接するように対向させ
   て設けた超伝導素子において、この素子が、常伝導体に
   凸部を形成する工程、該凸部に接する凹部に超伝導体を
   形成する工程、および該凸部の始点と終点とに接してい
   る超伝導体の一部分を、超伝導体のみあるいは凸部の一
   部分とともに除去する工程とも少なくとも含んで構成さ
   れる方法によって製造されることを特徴とする、超伝導
   素子の製造方法。