JP2004079882A - ジョセフソン接合の作成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来ＮｂＮやＮｂＣＮとの格子適合性の良い単結晶ＭｇＯを基板として使用する試みが行われてきた。しかし、単結晶ＭｇＯは非常に高価であるために、汎用のジョセフソン接合を作成するための基板として採用することは実質的に困難である。
【解決手段】本願発明は、Ｓｉウェーハ上にアモルファスＭｇＯと高配向ＭｇＯからなるＭｇＯ二重層をスパッタリングによって形成し、それを基板として用いることによってＮｂＮあるいはＮｂＣＮをエピタキシャル成長させ、単結晶ＭｇＯを用いずに、１００ｎｍ程度の磁場侵入長を持つＮｂＮ膜及びＮｂＣＮ膜の作成を実現する。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、ジョセフソン接合の作成方法および該方法により作成されたジョセフソン接合素子を用いた装置に関する。ジョセフソン接合は、弱く結合された二つの超伝導体から成る素子であり、単独あるいは超伝導インダクタンス線路と結合されて、周波数―電圧変換、磁束―電圧変換、超高速・低消費電力論理スイッチング等の機能を発揮する。以下では、その一例として、周波数―電圧変換機能について説明する。
【０００２】
ジョセフソン接合に周波数ｆの電磁波を照射すると、ジョセフソン接合の２つの端子間には下記（１）式で記述される電圧Ｖが発生する。ここで、ｎは整数、Ｋ_Ｊ−９０はジョセフソン定数（＝２ｅ／ｈ＝４８３，５９７．９ＧＨｚ／Ｖ）である。
Ｖ＝ｎｆ／Ｋ_Ｊ−９０　　　　　　　（１）
（１）式のＶは、照射する電磁波の周波数ｆの変化によってのみ変化し、素子の材料、寸法、温度等の変化によっては変化しない。電磁波の周波数は、極めて高い精度（１／１０^１１の精度）で決定することができるため、ジョセフソン接合の発生する電圧も非常に高い精度（１／１０^９の精度）で決定することができる。このような周波数―電圧変換機能は、ジョセフソン接合以外の素子においては原理的に実現できない。このため、世界の主要な標準研究機関においてジョセフソン接合を用いた素子が電圧の１次標準に使用されている。
【０００３】
現在実用的な応用に用いられているジョセフソン接合は、電極にニオブ（Ｎｂ）膜をバリアにアルミニウムの熱酸化膜（ＡｌＯｘ）を用いて作成されるＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合がほとんどである。その理由は、Ｎｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合が、１）多数の接合を基板上に高密度に集積した場合に均一な電気的特性が得られる、２）臨界電流密度、常抵抗等の電気的特性を制御することが容易である、３）室温と極低温間の熱サイクルによって特性が劣化することが少ない等の特長を持つことにある。
【０００４】
Ｎｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合の動作は、たいてい液体ヘリウム（４．２Ｋ）中において行われている。これは、Ｎｂの超伝導臨界温度（Ｔｃ）が約９Ｋと比較的に低いことに原因がある。液体ヘリウムは、日本、米国、欧州等の先進諸国においては民間の業者から比較的容易に購入することができる。しかし、その価格は、１リットル当たり千円から数千円する。このため、電圧標準素子や宇宙から来るミリ波・サブミリ波の検出素子のように定常的に動作させておく必要がある場合には、素子冷却に要するコストが大きくなる。また、液体ヘリウムが入手し難い国や地域においては、素子を動作させること自体が困難である。
【０００５】
この問題を解決する手段として、液体ヘリウムを用いずに冷凍機を用いてジョセフソン接合を冷却し動作させることが考えられる。しかし、液体ヘリウム温度にまで接合を冷却することができる冷凍装置は、非常に高価であり大きな電力を必要とする。このため、小型で低電力の冷凍機によって冷却し動作させることができるジョセフソン接合の実用化が望まれている。
【０００６】
そのようなジョセフソン接合は、２つのグループに大別される。第１のグループは、適当な組成比を有する窒化ニオブ（ＮｂＮ）または適当な組成比を有する炭窒化ニオブ（ＮｂＣＮ）を電極材料として用いるジョセフソン接合である。これらのニオブ化合物はともに１５Ｋを越えるＴｃを有しており、それらを電極の素材とするジョセフソン接合は８−１２Ｋにおいて動作させることができる。この範囲の温度は、市販の小型で低電力の冷凍機によって実現することができる。
【０００７】
第２のグループは、高温酸化物超伝導体、中でも適当な組成比を持つＹＢＣＯを電極の素材とするジョセフソン接合である。適当な組成比を持つＹＢＣＯは、９０Ｋを越えるＴｃを有しており、ＹＢＣＯを素材とするジョセフソン接合は５０Ｋを越える温度においても動作させることができる。しかし、ＹＢＣＯ等高温酸化物超伝導体を電極の素材とするジョセフソン接合を基板上に集積して均一な特性を得る技術は、現在まだ実現されていない。この理由から、現在Ｎｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合に換わり得るジョセフソン接合は、第１のグループに属するジョセフソン接合すなわちＮｂＮまたはＮｂＣＮを電極の素材とするジョセフソン接合以外にない。
【０００８】
ＮｂＮ膜またはＮｂＣＮ膜をＳｉウェーハ上に反応性スパッタリングによって堆積した場合、Ｓｉウェーハの結晶格子とＮｂＮ膜またはＮｂＣＮ膜の結晶格子との整合性が良くないために、作成した膜は多結晶膜となる。多結晶ＮｂＮ膜及びＮｂＣＮ膜の磁場侵入長は、通常、３００ｎｍ程度になる。したがって、ジョセフソン接合の電極に使用されるＮｂＮ膜あるいはＮｂＣＮ膜の厚さは、カイネティック・インダクタンスの増加を避けるために３００ｎｍ以上にする必要がある。この値は、ジョセフソン接合の電極に用いられるＮｂ膜の厚さの約３倍に相当する。ジョセフソン接合電極厚さの増大は、絶縁層や配線層の厚さの増大をもたらし、最終的に膜内のストレスの増大による膜の剥離を生ぜしめる。
【０００９】
上記問題の解決策として、ＮｂＮ及びＮｂＣＮに適合した格子を持つ酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の単結晶を基板として使用する試みが行われている。適当なスパッタリング条件において単結晶ＭｇＯ上に堆積されたＮｂＮあるいはＮｂＣＮは、エピタキシャル成長することが知られており、それらは欠陥の少ない良質の膜になる。その結果として、膜内の磁場侵入長は、１００ｎｍ程度になる。つまり、単結晶ＭｇＯ基板の上に成長されたＮｂＮ膜またはＮｂＣＮ膜をジョセフソン接合の電極に用いることによって、上記の問題を解決することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、現在市販されている単結晶ＭｇＯは、極めて高価である。例えば、直径３インチ、厚さ０．５ｍｍの単結晶ＭｇＯは、１枚１０万円以上する。このため、ＮｂＮあるいはＮｂＣＮを電極の素材とする汎用のジョセフソン接合を作成するために、単結晶ＭｇＯを基板として採用することは、実質的に困難である。本願発明は、以上の問題を解決することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
Ｓｉウェーハ上に、スパッタリングによってアモルファスＭｇＯと強く配向した結晶ＭｇＯから成る二重層を作成し、その上に反応性スパッタリングによりＮｂＮ膜またはＮｂＣＮ膜を堆積し、それを電極に用いてジョセフソン接合を作成する。
【００１２】
【実施例】
具体的実施方法について、図１を用いて説明する。
（１）　Ｓｉウェーハ（基板）１を純水で洗浄する。
（２）　スパッタチャンバ内においてアルゴンイオンによって表面をクリーニングし、表面吸着水を飛ばす。
（３）　厚さ５ｎｍのアモルファスＭｇＯ２と厚さ５ｎｍの高配向ＭｇＯ３から成るＭｇＯ二重層４をスパッタ成膜する。
【００１３】
（４）　ＭｇＯ二重層４の上に、膜厚１００ｎｍのＮｂＮ膜５を反応性スパッタリングによって作成する。
（５）　下部配線電極７用のレジストパターン６を形成する。
（６）　反応性イオンエッチングによってＮｂＮ膜５を加工し、下部配線電極７の形状を決定する。
【００１４】
（７）　ウェーハをスパッタリング装置に戻し、アルゴンイオンによって表面をクリーニングした後、厚さ１０ｎｍのＮｂＮ膜８、厚さ３５ｎｍの窒化チタニウム（ＴｉＮ）膜９及び厚さ１０ｎｍのＮｂＮ膜１０から成る三層膜１１をウェーハ全面に作成する。
（８）　接合部決定用のレジストパターン１２を形成する。
（９）　反応性イオンエッチングによって三層膜１１を加工し、接合部１３を作成する。
【００１５】
（１０）　ウェーハを別のスパッタリング装置に移し、厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２絶縁膜１４をウェーハ全面に堆積する。
（１１）　反応性イオンエッチングによってＳｉＯ_２絶縁膜１４を加工し、コンタクトホール１５を作成する。
（１２）　上部配線電極１７を作成するために、厚さ３００ｎｍのＮｂＮ膜１６を反応性スパッタリングによってウェーハ全面に作成する。
【００１６】
（１３）　ＮｂＮ膜１６を反応性イオンエッチングによって加工し、上部配線電極１７を決定する。
【００１７】
上記の作成例は、単一積層のジョセフソン接合であるが、プログラマブル電圧標準素子を作成するために、二つのジョセフソン接合を縦に積み重ねた二重積層型ジョセフソン接合（図２）の使用が提案されている（Ｙａｍａｍｏｒｉ　ｅｔ　ａｌ．，　”ＮｂＮ／ＴｉＮｘ／ＮｂＮ／ＴｉＮｘ／ＮｂＮ　ｄｏｕｂｌｅ−ｂａｒｒｉｅｒ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ　ａｒｒａｙｓ　ｆｏｒ　ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｖｏｌｔａｇｅｓｔａｎｄａｒｄｓ，”　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．　８０，　Ｎｏ．　８，　ｐｐ．　１４１５−１４１７，　２００２）ので、本願発明のジョセフソン接合をこの二重積層型ジョセフソン接合に応用してもよい。さらに、三重積層型ジョセフソン接合（図３）に利用してもよい。
【００１８】
このような多重積層型ジョセフソン接合の作成では、超伝導中間層１８とバリア層１９の厚さをできるだけ小さくすることが、作成歩留りを向上させる観点から望ましい。本願発明で開示した方法とＴｉＮ、ＮｂＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯ等適当なバリア材料を選択すれば超伝導中間層１８とバリア層１９の厚さを従来の多重積層型ジョセフソン接合に比較して小さくすることが可能である。
【００１９】
エピタキシャルＮｂＮ膜及びエピタキシャルＮｂＣＮ膜は、０．５−１．０ＴＨｚの周波数帯域において多結晶膜より１桁以上低い表面抵抗を持つ　（Ｋｏｈｊｉｒｏ　ｅｔ　ａｌ．，　”Ｓｕｒｆａｃｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ａｎｄ　ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ＮｂＣＮ　ｆｉｌｍｓ　ｉｎ　ｓｕｂｍｉｌｉｍｍｅｔｅｒｗａｖｅ　ｒｅｇｉｏｎ，”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，　Ｖｏｌ．　３，　Ｎｏ．　２，　ｐｐ．　１７６５−１７６７，　１９９３）。この理由から、現在、ＮｂＮ膜やＮｂＣＮ膜を電極とするサブミリ波発振素子の作成は、高価な単結晶ＭｇＯ基板の上に作成されている。本願発明で開示した方法を用いれば、それらの素子を安価なＳｉウェーハ上に作成することが可能になる。
【００２０】
また、本願発明に係るジョセフソン接合をデジタル−アナログ変換器、プログラマブルジョセフソン電圧標準用接合アレー、ジョセフソン電圧発生装置、超伝導量子干渉素子及び超伝導デジタル集積回路等に用いることが出来る。
【００２１】
【発明の効果】
本願発明で開示した方法を採用することによって、以下の効果が得られる。
（１）高価な単結晶ＭｇＯ基板の代わりに安価で大面積のＳｉ　ウェーハを使用できるので大幅にコストダウンが可能になる。
（２）ＭｇＯ基板は大きさ、厚さ、または形状に制限があるが、Ｓｉウェーハであればｉ線ステッパなどの半導体用の汎用プロセス装置を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ジョセフソン接合の作成工程
【図２】二重積層型ジョセフソン接合の断面図
【図３】三重積層型ジョセフソン接合の断面図
【符号の説明】
１　Ｓｉウェーハ（基板）
２　アモルファスＭｇＯ
３　高配向ＭｇＯ
４　ＭｇＯ二重層
５　ＮｂＮ膜
６　レジストパターン
７　下部配線電極
８　ＮｂＮ膜
９　ＴｉＮ膜
１０　ＮｂＮ膜
１１　三層膜
１２　レジストパターン
１３　接合部
１４　ＳｉＯ_２絶縁膜
１５　コンタクトホール
１６　ＮｂＮ膜
１７　上部配線電極
１８　超伝導中間層
１９　バリア層

Claims (11)

1. ジョセフソン接合の作成方法において、Ｓｉ基板上に、アモルファスのＭｇＯ及び高配向ＭｇＯから成るＭｇＯの二重層を形成し、該二重層の上にＮｂＮ又はＮｂＣＮ膜を積層したことを特徴とするジョセフソン接合の作成方法。
2. 請求項１記載のジョセフソン接合の作成方法において、上記ＮｂＮ膜又はＮｂＣＮ膜を電極として用いることを特徴とする多重積層型ジョセフソン接合の作成方法。
3. ジョセフソン接合において、Ｓｉ基板上に、アモルファスのＭｇＯ及び高配向ＭｇＯから成るＭｇＯの二重層、該二重層の上にＮｂＮ又はＮｂＣＮ膜を積層したことを特徴とするジョセフソン接合。
4. 請求項３記載のジョセフソン接合において、上記ＮｂＮ膜又はＮｂＣＮ膜を電極として用いることを特徴とする多重積層型のジョセフソン接合。
5. デジタル−アナログ変換器において、上記請求項３又は４に記載のジョセフソン接合を用いたものであることを特徴とするデジタル−アナログ変換器。
6. プログラマブルジョセフソン電圧標準用接合アレーにおいて、上記請求項５記載のデジタル−アナログ変換器を用いたことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準用接合アレー。
7. ジョセフソン電圧発生装置において、上記請求項６記載プログラマブルジョセフソン電圧標準用接合アレーを用いたことを特徴とするジョセフソン電圧発生装置。
8. ジョセフソン電圧標準装置において、上記請求項６記載プログラマブルジョセフソン電圧標準用接合アレーを用いたことを特徴とするジョセフソン電圧標準装置。
9. 超伝導サブミリ発振素子において、上記請求項３又は４に記載のジョセフソン接合を用いたことを特徴とする超伝導サブミリ発振素子。
10. 超伝導量子干渉素子において、上記請求項３又は４に記載のジョセフソン接合を用いたことを特徴とする超伝導量子干渉素子。
11. 超伝導デジタル集積回路において、上記請求項３又は４に記載のジョセフソン接合を用いたことを特徴とする超伝導デジタル集積回路。

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