JPS6386486A - Josephson junction device and manufacture thereof - Google Patents

Josephson junction device and manufacture thereof

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JPS6386486A
JPS6386486A JP61229536A JP22953686A JPS6386486A JP S6386486 A JPS6386486 A JP S6386486A JP 61229536 A JP61229536 A JP 61229536A JP 22953686 A JP22953686 A JP 22953686A JP S6386486 A JPS6386486 A JP S6386486A
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久尚 柘植
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    • H10N60/10Junction-based devices
    • H10N60/12Josephson-effect devices

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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

PURPOSE:To have a gap voltage proper to NbN and reduce the sub-gap leakage current without interposing a low-Tc layer or normal layer by providing auxiliary layers made of Nb and having a film thickness not greater than the penetration depth of cooper pain between the superconducting layers made of NbN and the tunnel barrier layer. CONSTITUTION:A title device is constructed by a first superconducting layer 12 made of NbN and formed on an insulating substrate or a substrate 11 having as insulator on the surface thereof, a first auxiliary layer 13 made of Nb and formed on the first superconducting layer 12, a tunnel barrier layer 14 formed on the first auxiliary layer 13, a second auxiliary layer 15 made of Nb and formed so as to be opposed to the first auxiliary layer 13 through the tunnel barrier layer 14, and a second superconducting layer 16 made of NbN and formed on the second auxiliary layer 15. With this, the reactions between the first and second superconducting layers 12, 16 and the tunnel barrier layer 14 are prevented by the first and second auxiliary layers 13, 15. Further, as the first and second auxiliary layers 13, 15 are superconductors each having a thickness not greater than penetration depth of cooper pair (about 50Angstrom ), a junction device can be obtained which has a gap voltage proper to NbN and a small sub-gap leakage current.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、トンネル型ジョセフソン接合素子及びその製
造方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a tunnel-type Josephson junction device and a method for manufacturing the same.

(従来の技術) ジョセフソン接合素子で構成される論理回路や記憶回路
は半導体回路に比べ消費電力が小さく、高速で動作する
という大きな利点を有している。
(Prior Art) Logic circuits and memory circuits composed of Josephson junction elements have the great advantage of consuming less power and operating at high speed compared to semiconductor circuits.

回路の集積化に伴ない、こうした利点を最大限に活用で
きるジョセフソン接合素子の開発が求められている。高
速動作のためにジョセフソン接合素子に要求される主な
特性として、ギャップ電圧が大きいこと、接合容量が小
さいこと、サブギャップリーク電流が小さいことがあげ
られる。これらの特性はエネルギーギャップの大きな超
伝導体層、すなわち超伝導転移温度Tcの大きな超伝導
体層と誘電率の小さいトンネル障壁層を用いて、しかも
超伝導体層とトンネル障壁層との間の低Tcまたはノー
マルな性質を示す遷移領域をできるだけ薄くすることに
よって実現・される。こうした目的に最適なジョセフソ
ン接合素子として、超伝導体層にNbN膜を用い、トン
ネル障壁層に金属または半導体の酸化膜を用いたものが
注目されている。
As circuits become more integrated, there is a need to develop Josephson junction devices that can take full advantage of these advantages. The main characteristics required of Josephson junction devices for high-speed operation are high gap voltage, low junction capacitance, and low sub-gap leakage current. These characteristics can be achieved by using a superconductor layer with a large energy gap, that is, a superconductor layer with a large superconducting transition temperature Tc, and a tunnel barrier layer with a small dielectric constant, and by using a superconductor layer with a large energy gap, that is, a tunnel barrier layer with a small dielectric constant, This is achieved by making the transition region exhibiting low Tc or normal properties as thin as possible. A Josephson junction element that uses an NbN film as a superconductor layer and a metal or semiconductor oxide film as a tunnel barrier layer is attracting attention as a Josephson junction element most suitable for this purpose.

NbN膜の場合、各種スパッタ法によりTcの高い膜(
Tc−15K)が1000C以下の比較的低い基板温度
で得られることがら、トンネル障壁層の形成後に超伝導
体層を被着する際にも、超伝導体層とトンネル障壁層と
の熱反応が他の高Tc超伝導体膜に比べて進行しにくく
、良好な接合特性が期待できる。
In the case of NbN films, films with high Tc (
Tc-15K) can be obtained at a relatively low substrate temperature of 1000C or less, so even when depositing the superconductor layer after forming the tunnel barrier layer, thermal reaction between the superconductor layer and the tunnel barrier layer will not occur. It progresses more slowly than other high Tc superconductor films, and can be expected to have good bonding properties.

従来例として、上田らによって1985年に発表された
電子通信学会技術報告のCPM85−2.7〜12ペー
ジの論文などがある。ここで提案されたジョセフソン接
合素子は、第3図に示すように、基板31上に形成され
たNbNでなる第1の超伝導体層32と、この第1の超
伝導体層32上に形成されたトンネル障壁層33と、こ
のトンネル障壁層33を介して第1の超伝導体層32と
対向して形成されたNbNでなる第2の超伝導体層34
とで構成されている。トンネル障壁層33はまず数10
人のAl膜を被着した後、その表面を酸化して形成され
る。このように、第1の超伝導体層32上に金属層を被
着した後、その表面を酸素を含むガス雰囲気で熱酸化や
プラズマ酸化してトンネル障壁層33を形成する方法は
、酸化膜そのものを被着する方法に比べて基板面内での
酸化膜厚の均−性及び制御性が浸れていることがら一般
によく用いられる。
As a conventional example, there is a paper published in 1985 by Ueda et al. in the Technical Report of the Institute of Electronics and Communication Engineers, pages 2.7 to 12 of CPM85. As shown in FIG. 3, the Josephson junction device proposed here includes a first superconductor layer 32 made of NbN formed on a substrate 31, and a superconductor layer 32 formed on the first superconductor layer 32. a tunnel barrier layer 33 formed, and a second superconductor layer 34 made of NbN formed opposite to the first superconductor layer 32 with the tunnel barrier layer 33 interposed therebetween.
It is made up of. First, the tunnel barrier layer 33 has a number of 10
It is formed by depositing an aluminum film and then oxidizing its surface. As described above, the method of forming the tunnel barrier layer 33 by depositing a metal layer on the first superconductor layer 32 and then thermally oxidizing or plasma oxidizing its surface in an oxygen-containing gas atmosphere is an oxide film. This method is generally used because it provides better uniformity and controllability of the oxide film thickness within the substrate surface than the method of depositing the oxide film itself.

(発明が解決しようとする問題点9 しかしながら、上記ジョセフソン接合素子の構造では、
NbNでなる第1の超伝導体層32とトンネル障壁層3
3となるA1膜が直接接触している。そのため窒化の生
成エネルギーの小さいAIがNbNからN原子を奪う反
応が起こり、第1の超伝導体層32表面に化学量論的組
成よりもN原子の少ない低Tc層またはノーマル層が形
成される。
(Problem to be solved by the invention 9 However, in the structure of the Josephson junction element described above,
First superconductor layer 32 made of NbN and tunnel barrier layer 3
The A1 films 3 and 3 are in direct contact with each other. Therefore, a reaction occurs in which AI, which has a low nitriding energy, takes N atoms from NbN, and a low Tc layer or a normal layer containing fewer N atoms than the stoichiometric composition is formed on the surface of the first superconductor layer 32. .

このようにして、第1の超伝導体層32とトンネル障壁
層33との間の遷移領域が広がる結果、ジョセフソン接
合素子のギャップ電圧が減少するという問題やサブギャ
ップリーク電流が増加するという問題を生じる。また、
トンネル障壁層33と第2の超伝導体層34との間でも
NbNの被着条件次第で前述と同様なAIの窒化反応を
生じ、接合特性を劣化させる。前述の従来例と同様な目
的でトンネル障壁層に適用される金属の多くは窒化の生
成エネルギーがNbの値よりも小さいためにAlの場合
と同じ問題を生じる。
In this way, the transition region between the first superconductor layer 32 and the tunnel barrier layer 33 widens, resulting in problems such as a decrease in the gap voltage of the Josephson junction element and an increase in sub-gap leakage current. occurs. Also,
Also between the tunnel barrier layer 33 and the second superconductor layer 34, depending on the NbN deposition conditions, the same nitriding reaction of AI as described above occurs, deteriorating the junction characteristics. Many of the metals applied to the tunnel barrier layer for the same purpose as in the conventional example described above have a nitriding energy smaller than the value of Nb, and therefore cause the same problem as Al.

本発明の目的は、このような従来の欠点を取り除いたジ
ョセフソン接合素子及びその製造方法を提供することに
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a Josephson junction device and a method for manufacturing the same that eliminates such conventional drawbacks.

(問題点を解決するための手段) 本発明によれば、基板上に形成されたNbNでなる第1
の超伝導体層と、この第1の超伝導体層上に形成された
トンネル障壁層と、このトンネル障壁層を介して前記第
1の超伝導体層と対向して形成されたNbNでなる第2
の超伝導体層とを基本構成要素とするジョセフソン接合
素子において、前記第1の超伝導体層と前記トンネル障
壁層との間または前記トンネル障壁層と前記第2の超伝
導体層との間の少なくとも一方にクーパー対の浸入深さ
、以下の膜厚の隅でなる補助層を介在させたことを特徴
とするジョセフソン接合素子が得られる。
(Means for Solving the Problems) According to the present invention, the first
a superconductor layer, a tunnel barrier layer formed on this first superconductor layer, and NbN formed opposite to the first superconductor layer via this tunnel barrier layer. Second
In the Josephson junction device having a superconductor layer as a basic component, there is a junction between the first superconductor layer and the tunnel barrier layer or between the tunnel barrier layer and the second superconductor layer. A Josephson junction element is obtained, which is characterized in that an auxiliary layer is interposed in at least one of the corners, the depth of which the Cooper pair penetrates, and the thickness of the film below.

更に、本発明によれば、アルゴンと窒素との混合ガス雰
囲気中でNbターゲットをスパッタして基板上にNbN
でなる第1の超伝導体層を被着する工程と、前記第1の
超伝導体層表面の窒素過剰な層を除去した後、クーパー
対の侵入深さ以下の膜厚の隅でなる補助層と金属または
半導体層を連続被着する工程と、この金属または半導体
層を酸化、窒化またはフッ化してトンネル障壁層を形成
する工程と、このトンネル障壁層上に前記第1の超伝導
体層と同様な方法でNbNでなる第2の超伝導体層を形
成する工程とを含むことを特徴とするジョセフソン接合
素子の製造方法が得られる。
Furthermore, according to the present invention, NbN is deposited on the substrate by sputtering an Nb target in a mixed gas atmosphere of argon and nitrogen.
After removing the nitrogen-excess layer on the surface of the first superconductor layer, depositing a first superconductor layer on the surface of the first superconductor layer; oxidizing, nitriding or fluoridating the metal or semiconductor layer to form a tunnel barrier layer; and depositing the first superconductor layer on the tunnel barrier layer. A method for manufacturing a Josephson junction element is obtained, which is characterized by including the step of forming a second superconductor layer made of NbN by a method similar to the above.

(作用) 本発明による構造では、NbNでなる第1の超伝導体層
とトンネル障壁層との間、またはトンネル障壁層とNb
Nでなる第2の超伝導体層との間の少なくとも一方にク
ーパー対の侵入深さ以下の膜厚をもつNbでなる補助層
が設けられている。そのため、。
(Function) In the structure according to the present invention, between the first superconductor layer made of NbN and the tunnel barrier layer, or between the tunnel barrier layer and the NbN
An auxiliary layer made of Nb and having a thickness equal to or less than the penetration depth of the Cooper pair is provided at least on one side between the superconductor layer and the second superconductor layer made of N. Therefore,.

トンネル障壁層の構成原子である金属または半導体の方
が隅より窒素一原子当りの窒化の生成エネルギーが小さ
い場合でも、上記金属または半導体が第1、第2の超伝
導体層からN原子を奪う反応は補助層によって防止され
る。また、補助層には第1、第2の超伝導体層の構成原
子であるNbを用いているため両者間の反応は進行しに
くい。さらに、補助層がクーパー対の侵入深さ以下の膜
厚の超伝導体であることから、プロキシミティ効果によ
り第1、第2の超伝導体層材料であるNbNの超伝導特
性が保持され、しかもサブギャップリーク電流の小さい
ジョセフソン接合素子が形成できる。
Even if the formation energy of nitriding per nitrogen atom is lower in the metal or semiconductor that is a constituent atom of the tunnel barrier layer than in the corner, the metal or semiconductor will take away N atoms from the first and second superconductor layers. Reactions are prevented by the auxiliary layer. Furthermore, since Nb, which is a constituent atom of the first and second superconductor layers, is used in the auxiliary layer, the reaction between them is difficult to proceed. Furthermore, since the auxiliary layer is a superconductor with a film thickness that is less than the penetration depth of Cooper pairs, the superconducting properties of NbN, which is the material of the first and second superconductor layers, are maintained due to the proximity effect. Moreover, a Josephson junction element with small sub-gap leakage current can be formed.

第1の超伝導体層上に金属または半導体を被着した後、
その酸化、窒化、フッ化のいずれかの化学反応によって
形成されたトンネル障壁層は基板面内での膜厚の均−性
及び制御性が優れている。また、上記化学反応における
酸素、窒素、フッ素一原子当りの生成エネルギーがNb
に対する同一反応の値よりも小さい値をもつ金属や半導
体の化合物を用いることによ、って補助層とトンネル障
壁層との反応を大幅に軽減することができる。
After depositing the metal or semiconductor on the first superconductor layer,
A tunnel barrier layer formed by a chemical reaction such as oxidation, nitridation, or fluorination has excellent film thickness uniformity and controllability within the substrate surface. In addition, the production energy per atom of oxygen, nitrogen, and fluorine in the above chemical reaction is Nb
The reaction between the auxiliary layer and the tunnel barrier layer can be significantly reduced by using a metal or semiconductor compound that has a smaller reaction value than the same reaction value for the auxiliary layer.

更に本発明による製造方法では、第1の超伝導体層はア
ルゴン−窒素雰囲気中でめターゲットをスパッタしてN
bN膜を被着した後、窒素過剰な表面層を除去して形成
される。スパッタ法は高TcのNbN膜の作成には優れ
ているが、スパッタ終了直後NbN膜表面に窒素が吸着
して窒素過剰な低Tc層が形成され易い。従って、この
層を除去することにより、第1の超伝導体層と補助層と
の間の遷移領域を薄くすることができる。その結果、N
bN本来のギャップ電圧をもち、サブギャップリーク電
流の小さいジョセフソン接合素子が得られる(実施例) 本発明のジョセフソン接合素子の実施例を図面を参照し
て詳細に説明する。
Furthermore, in the manufacturing method according to the present invention, the first superconductor layer is formed by sputtering a medium target in an argon-nitrogen atmosphere.
After depositing the bN film, the nitrogen-rich surface layer is removed. Although the sputtering method is excellent in forming a high Tc NbN film, nitrogen is adsorbed on the NbN film surface immediately after sputtering, and a low Tc layer with excess nitrogen is likely to be formed. By removing this layer, the transition region between the first superconductor layer and the auxiliary layer can therefore be thinned. As a result, N
A Josephson junction element having a gap voltage inherent to bN and a small sub-gap leakage current can be obtained (Example) An example of a Josephson junction element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

このジョセフソン接合素子は第1図に示すように、絶縁
体基板あるいは表面に絶縁体を有する基板11上に形成
されたNbNでなる第1の超伝導体層12と、この第1
の超伝導体層12上に形成されたNbでなる第1の補助
層13と、この第1の補助層13上に形成されたトンネ
ル障壁層14と、このトンネル障壁層14を介して第1
の補助層13と対向して形成されたNbでなる第2の補
助層15と、この第2の補助層15上に形成されたNb
Nでなる第2の超伝導体層16とで構成されている。第
1、第2の超伝導体層12.16はアルゴン−窒素雰囲
気中でNbターゲットをスパッタして得られた膜厚20
0OAのNbN膜である。この膜のTcは15〜16に
である。第1、第2の補助層13.15は膜厚約50人
のスパッタ膜である。トンネル障壁層14には、まず厚
さ数10人のAl膜をスパッタした後、その表面を純酸
素雰囲気中で熱酸化して形成されたAl2O3膜が用い
られる。
This Josephson junction element, as shown in FIG.
a first auxiliary layer 13 made of Nb formed on the superconductor layer 12; a tunnel barrier layer 14 formed on the first auxiliary layer 13;
A second auxiliary layer 15 made of Nb formed opposite to the auxiliary layer 13 of
The second superconductor layer 16 is made of N. The first and second superconductor layers 12 and 16 are formed by sputtering a Nb target in an argon-nitrogen atmosphere and have a thickness of 20 mm.
It is a NbN film with 0OA. The Tc of this film is 15-16. The first and second auxiliary layers 13 and 15 are sputtered films with a thickness of approximately 50 mm. The tunnel barrier layer 14 is an Al2O3 film formed by first sputtering an Al film several tens of times thick and then thermally oxidizing its surface in a pure oxygen atmosphere.

本実施例によれば、第1、第2の超伝導体層12゜16
とトンネル障壁層14との間にそれぞれ第1、第2の補
助層13.15が設けであるため、第1、第2の超伝導
体層12.16とトンネル障壁層14との反応は第1、
第2の補助層13.15によって防止される。また、第
1、第2の補助層13.15には第1、第2の超伝導体
層の構成原子であるNbを用いているため両者間の反応
は進行しに、くい。さらに、第1、第2の補助層がクー
パー対の侵入深さ以下(約50人)の超伝導体であるこ
とから、NbN本来のギャップ電圧をもちサブギャップ
リーク電流の小さいジョセフソン接合素子が得られる。
According to this embodiment, the first and second superconductor layers 12°16
Since the first and second auxiliary layers 13.15 are provided between the first and second superconductor layers 12.16 and the tunnel barrier layer 14, the reaction between the first and second superconductor layers 12.16 and the tunnel barrier layer 14 is as follows. 1,
This is prevented by the second auxiliary layer 13.15. Furthermore, since Nb, which is a constituent atom of the first and second superconductor layers, is used in the first and second auxiliary layers 13.15, the reaction between them is difficult to proceed. Furthermore, since the first and second auxiliary layers are superconductors with a depth below the Cooper pair penetration depth (approximately 50 layers), a Josephson junction element with a gap voltage inherent to NbN and a small sub-gap leakage current can be obtained. can get.

本実施例でトンネル障壁層14を形成するために用いた
AIは、酸化の生成エネルギーがNbよりも小さく、酸
化膜形成後も第1、第2の超伝導体層12゜16とトン
ネル障壁層14との反応を生じない。また、AIはNb
へのぬれ性が良好で、熱酸化によって均質な酸化膜が制
御性良く形成される。
The AI used to form the tunnel barrier layer 14 in this example has a lower oxidation energy than Nb, and even after the oxide film is formed, it remains between the first and second superconductor layers 12.16 and the tunnel barrier layer. No reaction with 14 occurs. Also, AI is Nb
It has good wettability and a homogeneous oxide film can be formed with good controllability through thermal oxidation.

本実施例では、補助層を第1の超伝導体層12とトンネ
ル障壁層14との間、トンネル障壁層14と第2の超伝
導体層16との間の双方に設けたが、成膜条件に応じて
どちらか一方でもその効果は大きい。特に、トンネル障
壁層14を金属または半導体の被着後の酸化、窒化また
はフッ化によって形成する場合には、第1の超伝導体層
12とトンネル障壁層14との間に補助層を設けること
は両者間の反応を防ぐのに非常に有効である。さらに、
本実施例では、・トンネル障壁層14にA1の被着後酸
化して形成したAI酸化膜を用いたが、他の金属や半導
体を酸化、窒化またはフッ化の各反応により形成した絶
縁膜、被着した絶縁膜や半導体膜でも同様な効果が得ら
れる。ただし、トンネル障壁層14の構成原子である金
属または半導体の方がNbよりも上記各反応に対する生
成エネルギーが小さい場合にはトンネル障壁R14はよ
り安定である。
In this example, the auxiliary layer was provided both between the first superconductor layer 12 and the tunnel barrier layer 14 and between the tunnel barrier layer 14 and the second superconductor layer 16. Either one can have a great effect depending on the conditions. In particular, when the tunnel barrier layer 14 is formed by oxidation, nitridation or fluoridation after deposition of a metal or semiconductor, an auxiliary layer may be provided between the first superconductor layer 12 and the tunnel barrier layer 14. is very effective in preventing reactions between the two. moreover,
In this example, an AI oxide film formed by oxidizing after depositing A1 was used for the tunnel barrier layer 14, but insulating films formed by oxidizing, nitriding or fluoriding other metals or semiconductors, A similar effect can be obtained with a deposited insulating film or semiconductor film. However, if the metal or semiconductor atoms constituting the tunnel barrier layer 14 have a smaller generation energy for each of the above reactions than Nb, the tunnel barrier R14 will be more stable.

次に本発明のジョセフソン接合素子の製造方法の実施例
を図面を用いて詳細に説明する。
Next, an embodiment of the method for manufacturing a Josephson junction element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

まず、第2図(a)に示すように、絶縁体基板あるいは
表面に絶縁体を有する基板21上に、高周波マグネトロ
ンスパッタ法によりアルゴン−窒素雰囲気中でNbター
ゲットをスパッタして膜厚2000人のNbNでなる第
1の超伝導体層22を形成する。この際、第1の超伝導
体層22表面に多量の窒素が吸着して窒素過剰な低Tc
層23が形成される。オージェ電子分光分析による第1
の超伝導体層22の組成の深さ分析によれば、窒素過剰
な低Tc層23の組成は化学量論量的値よりも窒素が約
50%過剰で、゛この層の厚さは10人程度である。そ
のため、窒素過剰な層23を;り厚さ約5OAのNbで
なる補助層24′と約100AのAIでなる金属層25
を連続被着すると第2図(b)のような構造が得られる
First, as shown in FIG. 2(a), an Nb target is sputtered onto an insulating substrate or a substrate 21 having an insulating material on its surface in an argon-nitrogen atmosphere by high-frequency magnetron sputtering to give a film thickness of 2,000 yen. A first superconductor layer 22 made of NbN is formed. At this time, a large amount of nitrogen is adsorbed on the surface of the first superconductor layer 22, resulting in a low Tc layer with excess nitrogen.
Layer 23 is formed. The first one by Auger electron spectroscopy
According to the depth analysis of the composition of the superconductor layer 22, the composition of the nitrogen-rich low Tc layer 23 is approximately 50% nitrogen in excess of the stoichiometric value, and the thickness of this layer is 10%. It is about the size of a person. Therefore, the nitrogen-excess layer 23 is replaced by an auxiliary layer 24' made of Nb with a thickness of about 5 OA, and a metal layer 25 made of AI with a thickness of about 100 Å.
When continuously deposited, a structure as shown in FIG. 2(b) is obtained.

次に、第2図(c)に示すように、A1層25の表面を
純酸素雰囲気中で熱酸化してトンネル障壁層26を形成
する。第2図(d)に示すように、第1の超伝導体層2
2の場合と同様な方法で膜厚2000人のNbNでなる
第2の超伝導体層27を被着して接合構成層の形成を完
了する。本ジョセフソン接合素子の製造方法の特徴は上
述の接合構成層の形成方法にあるが、実際の素子を実現
するためには一例として以下に述べるようなプロセスを
追加しなければならない。
Next, as shown in FIG. 2(c), the surface of the A1 layer 25 is thermally oxidized in a pure oxygen atmosphere to form a tunnel barrier layer 26. As shown in FIG. 2(d), the first superconductor layer 2
A second superconductor layer 27 made of NbN with a thickness of 2,000 yen is deposited in the same manner as in case 2 to complete the formation of the bonding layer. The feature of the method for manufacturing the present Josephson junction element is the method of forming the above-mentioned junction constituent layers, but in order to realize an actual element, it is necessary to add the following process as an example.

まず、フロン12(CC12F2)やフロン13(CF
4)をエツチングガスとする反応性スパッタエツチング
法で第2図(d)に示すような接合構成層をパターニン
グして下部配線を形成した後、第2図(e)に示すよう
に第2の超伝導体層27上の接合部となる場所にエツチ
ングマスク28を形成し、CCl2F2やCF4による
反応性エツチング法により第2の超伝導体層27をパタ
ーニングして接合部を規定する。次に、第2図(f)に
示すようにエツチングマスク28を残したまま一酸化硅
素(Sin)などでなる絶縁体層29を蒸着する。エツ
チングマスク28をリフトオフして第2図(g)に示す
ような構造を得た後、第2の超伝導体層27表面をスパ
ッタクリーニングし、第2図(h)に示すように第2の
超伝導体層27と同様な方法で第3の超伝導体層30を
被着、パターニングし上部配線を形成する。
First, Freon 12 (CC12F2) and Freon 13 (CF)
4) is used as an etching gas to pattern the bonding constituent layer as shown in FIG. 2(d) to form the lower wiring, and then the second layer as shown in FIG. 2(e) is patterned. An etching mask 28 is formed on the superconductor layer 27 at a location where the joint will be formed, and the second superconductor layer 27 is patterned by reactive etching using CCl2F2 or CF4 to define the joint. Next, as shown in FIG. 2(f), an insulating layer 29 made of silicon monoxide (Sin) or the like is deposited with the etching mask 28 left in place. After lifting off the etching mask 28 to obtain the structure shown in FIG. 2(g), the surface of the second superconductor layer 27 is sputter-cleaned, and a second layer is formed as shown in FIG. 2(h). A third superconductor layer 30 is deposited and patterned in the same manner as superconductor layer 27 to form upper wiring.

、 本実施例では第2図(a)の工程で生じた第1の超
伝導体層22表面の窒素過剰な層23を除去した後、補
助層24を被着する。そのため、第1の超伝導体層22
と補助層24との間に存在する低Tcまたはノーマルな
性質を示す遷移領域を薄くすることができる。また、第
2図(b)に示すように、AIでなる金属層25は第1
の超伝導体層22上にNbでなる補助層24を介して形
成される。そのため、第1の超伝導体層22と金属また
は半導体R25との反応は補助層24によって防止され
る。トンネル障壁層26を形成するAI酸化物は前述し
たようにNb酸化物より安定であるため、補助層24と
トンネル障壁層26との化学反応は生じない。さらに、
AIは歯膜へのぬれ性が良好で、熱酸化によって均質な
酸化膜が制御゛住良く形成される。以上のことから、N
bN本来のギャップ電圧をもちサブギャップリーク電流
の小さいジョセフソン接合素子が得られる。本実施例で
は、トンネル障壁層14にAIの被着後、酸化して形成
したA1酸化膜を用いたが、他の金属や半導体を酸化、
窒化またはフッ化の各反応により形成した絶縁膜でも、
上記金属や半導体の各反応に対する生成エネルギーの絶
対値がNbの同様な反応に対する値よりも大きい場合に
は本実施例と同様な結果が得られる。
In this embodiment, the auxiliary layer 24 is deposited after removing the nitrogen-rich layer 23 on the surface of the first superconductor layer 22 produced in the step of FIG. 2(a). Therefore, the first superconductor layer 22
The transition region exhibiting low Tc or normal properties that exists between the auxiliary layer 24 and the auxiliary layer 24 can be thinned. Further, as shown in FIG. 2(b), the metal layer 25 made of AI is
is formed on the superconductor layer 22 with an auxiliary layer 24 made of Nb interposed therebetween. Therefore, reaction between the first superconductor layer 22 and the metal or semiconductor R25 is prevented by the auxiliary layer 24. Since the AI oxide forming the tunnel barrier layer 26 is more stable than the Nb oxide as described above, no chemical reaction occurs between the auxiliary layer 24 and the tunnel barrier layer 26. moreover,
AI has good wettability to the dental membrane, and a homogeneous oxide film is formed in a controlled and comfortable manner through thermal oxidation. From the above, N
A Josephson junction element having a gap voltage inherent to bN and a small sub-gap leakage current can be obtained. In this example, an A1 oxide film formed by oxidizing after depositing AI was used for the tunnel barrier layer 14, but other metals or semiconductors could be oxidized or
Even insulating films formed by nitriding or fluoriding reactions,
If the absolute value of the production energy for each reaction of the metal or semiconductor is larger than the value for the similar reaction of Nb, results similar to those of this example can be obtained.

(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、NbNでなる超伝
導体層とトンネル障壁層との間にクーパー対の侵入深さ
以下の膜厚を有するNbでなる補助層が設けられている
ため、超伝導体層とトンネル障壁層との反応で生じる低
Tc層やノーマル層を介在することなく、NbN本来の
ギャップ電圧をもち、サブギャップリーク電流の小さい
ジョセフソン接合素子が得られる。また、Nl比較して
、反応の生成エネルギーが小さな金属または半導体な酸
化、窒化またはフッ化して形成した化合物をトンネル障
壁層に用いることにより、その化学的な安定性、膜厚の
均−性及び制御性がさらに改善されたジョセフソン接合
素子が得られる。
(Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, an auxiliary layer made of Nb having a film thickness equal to or less than the penetration depth of Cooper pairs is provided between the superconductor layer made of NbN and the tunnel barrier layer. As a result, a Josephson junction device with the original gap voltage of NbN and small sub-gap leakage current can be obtained without the intervening low Tc layer or normal layer generated by the reaction between the superconductor layer and the tunnel barrier layer. It will be done. In addition, by using a compound formed by oxidizing, nitriding, or fluoridating a metal or semiconductor whose reaction energy is lower than that of Nl for the tunnel barrier layer, we can improve its chemical stability, uniformity of film thickness, and A Josephson junction element with further improved controllability is obtained.

さらに、本発明によれば、第1の超伝導体層表面の窒素
過剰な低Tc層を除去した後、補助層が形成されるため
、第1の超伝導体層と補助層との間の超伝導特性の悪い
遷移領域のない特性の優れたジョセフソン接合素子が製
造できる。
Furthermore, according to the present invention, since the auxiliary layer is formed after removing the nitrogen-excess low Tc layer on the surface of the first superconductor layer, the auxiliary layer is formed between the first superconductor layer and the auxiliary layer. A Josephson junction device with excellent characteristics without a transition region with poor superconducting characteristics can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明のジョセフソン接合素子を示す断面図、
第2図(a)〜(h)は本発明のジョセフソン接合素子
の製造方法を工程順に示す断面図、第3図は従来のジョ
セフソン接合素子を示す断面図である。 図において、11,21.31は基板、12,22.3
2はNbNでなる第1の超伝導体層、xa、24+im
でなる第1の補助層またはNbでなる補助層、14,2
6.33はトンネル障壁層、15は隅でなる第2の補助
層、16,27,34はNbNでなる第2の超伝導体層
、23は窒素過剰な低Tc層、25は金属層、28はエ
ツチングマスク、29は絶縁体層、30は第3の超伝導
体層である。
FIG. 1 is a sectional view showing a Josephson junction element of the present invention;
FIGS. 2(a) to 2(h) are cross-sectional views showing the method of manufacturing a Josephson junction element according to the present invention in order of steps, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing a conventional Josephson junction element. In the figure, 11, 21.31 are the substrates, 12, 22.3
2 is the first superconductor layer made of NbN, xa, 24+im
a first auxiliary layer consisting of or an auxiliary layer consisting of Nb, 14,2
6.33 is a tunnel barrier layer, 15 is a second auxiliary layer consisting of a corner, 16, 27, 34 is a second superconductor layer made of NbN, 23 is a nitrogen-excess low Tc layer, 25 is a metal layer, 28 is an etching mask, 29 is an insulator layer, and 30 is a third superconductor layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、基板上に形成されたNbNでなる第1の超伝導体層
と、この第1の超伝導体層上に形成されたトンネル障壁
層と、このトンネル障壁層を介して前記第1の超伝導体
層と対向して形成されたNbNでなる第2の超伝導体層
とを基本構成要素とするジョセフソン接合素子において
、前記第1の超伝導体層と前記トンネル障壁層との間ま
たは前記トンネル障壁層と前記第2の超伝導体層との間
の少なくとも一方にクーパー対の侵入深さ以下の膜厚の
Nbでなる補助層を介在させたことを特徴とするジョセ
フソン接合素子。 2、前記トンネル障壁層が金属または半導体の酸化、窒
化、フッ化のいずれかの化学反応により形成された化合
物で、前記化学反応における酸素、窒素、フッ素一原子
当りの生成エネルギーの値がNbに対する同一反応の値
よりも小さいことを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載のジョセフソン接合素子。 3、アルゴンと窒素との混合ガス雰囲気中でNbターゲ
ットをスパッタして基板上にNbNでなる第1の超伝導
体層を被着する工程と、前記第1の超伝導体層表面の窒
素過剰な層を除去した後、クーパー対の侵入深さ以下の
膜厚のNbでなる補助層と金属または半導体層を連続被
着する工程と、この金属または半導体層を酸化、窒化ま
たはフッ化してトンネル障壁層を形成する工程と、この
トンネル障壁層上に前記第1の超伝導体層と同様な方法
でNbNでなる第2の超伝導体層を形成する工程とを含
むことを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。
[Claims] 1. A first superconductor layer made of NbN formed on a substrate, a tunnel barrier layer formed on this first superconductor layer, and In the Josephson junction element, the basic component is a second superconductor layer made of NbN formed opposite to the first superconductor layer, wherein the first superconductor layer and the tunnel An auxiliary layer made of Nb and having a thickness equal to or less than the penetration depth of the Cooper pair is interposed between the tunnel barrier layer and the second superconductor layer or between the tunnel barrier layer and the second superconductor layer. Josephson junction element. 2. The tunnel barrier layer is a compound formed by a chemical reaction such as oxidation, nitridation, or fluorination of a metal or semiconductor, and the value of production energy per atom of oxygen, nitrogen, or fluorine in the chemical reaction is relative to Nb. The Josephson junction device according to claim 1, characterized in that the value is smaller than that of the same reaction. 3. Sputtering a Nb target in a mixed gas atmosphere of argon and nitrogen to deposit a first superconductor layer made of NbN on the substrate, and reducing excess nitrogen on the surface of the first superconductor layer. After removing the above layer, there is a step of successively depositing an auxiliary layer made of Nb and a metal or semiconductor layer with a thickness less than the penetration depth of the Cooper pair, and then oxidizing, nitriding or fluoridating this metal or semiconductor layer to form a tunnel. Joseph's method, comprising the steps of: forming a barrier layer; and forming a second superconductor layer made of NbN on the tunnel barrier layer in the same manner as the first superconductor layer. A method for manufacturing a Son junction element.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023535887A (en) * 2020-07-21 2023-08-22 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Device surface termination using superconducting structures and alloys

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