JP2004253645A - 超電導素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】配線部分のインダクタンスを低減するとともに接合間におけるＩｃの分散を抑制して、良好な特性を示す超電導素子を提供する。
【解決手段】基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記上部電極層が、下記式（Ａ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｂ）で表される組成を有する主成長層と
ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙ …（Ａ）
ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｂ）
（ここで、３．０＜ｗ≦３．４５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有する超電導素子。
【選択図】 図１
【解決手段】基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記上部電極層が、下記式（Ａ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｂ）で表される組成を有する主成長層と
ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙ …（Ａ）
ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｂ）
（ここで、３．０＜ｗ≦３．４５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有する超電導素子。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導体により形成されるＳＦＱ回路（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ：単一磁束量子素子）は、１００ＧＨｚを超える周波数領域において動作可能な特性を持つことから、近未来の超高速論理回路作製に向けた要素技術として期待されている。ＳＦＱ回路の応用分野としては、移動体通信基地用の高速Ａ／Ｄコンバータ、インターネットルータなどの通信インフラ、超高速性を生かした超ハイスループットコンピュータ用演算回路などが考えられている。
【０００３】
ＳＦＱ回路を形成するにあたっては、低温超電導体よりも高温酸化物超電導体を用いることが有利なのは明らかである。すなわち、Ｎｂ系に代表される従来の低温超電導体を用いたＳＦＱ回路は液体ヘリウムなどの冷媒を要し、４．２Ｋでしか動作できなかった。これに対して、高温酸化物超電導体を用いたＳＦＱ回路は３０〜４０Ｋにおいても動作周波数５００ＧＨｚ程度のパフォーマンスが期待でき、ＧＭクーラーなどのクライオクーラーにより冷却可能であるため冷却コストが極めて安価である。
【０００４】
ただし、上記のような高速動作を実現するためには、接合部のＩｃＲｎ値などを最適化し、回路規模に応じて接合Ｉｃ値の分散を制御し、接合の配線部分のインダクタンス（以下Ｌと表記する）およびキャパシタンス（以下Ｃと表記する）を所望範囲内に設定し、配線長、配線幅、配線層厚みなどの回路設計マージンを向上させることが必要である。これらのうちＣ値低減に関しては、超電導層に隣接して配置される絶縁体層（すなわち基板および層間絶縁層）の動作条件下での比誘電率（以下、εｒと表記）を極力低下させることにより達成可能である。
【０００５】
一方、Ｉｃ値の分散低減に関しては、接合界面部分での接合臨界電流密度の均一化を達成することが求められる。また、インダクタンス制御に関しては、配線部分のロンドン磁場侵入長（以下λＬと略記）をバルク値と同程度に低減し、かつ薄膜成長時に長いλＬを持つ配向を抑制することが求められている。
【０００６】
以下、ＳＦＱ回路の超高速動作を実現するために、超電導接合部、配線部および絶縁層部がそれぞれ満たすべき条件を項目別により詳細に記述する。
【０００７】
（Ｉ）設計上の条件
ＳＦＱを動作させるには、超電導接合と配線部によって構成されるリング部分に、単一磁束量子 （Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ） を担持させる。このとき、次の設計上の条件を満たすことが重要である。すなわち、接合Ｉｃとリングを形成する配線部のインダクタンスＬとの積が下記の式（１）を満たさなければならない。
０．５φ０＜Ｌ・Ｉｃ＜１．５φ０ …（１）
ここで、φ０は磁束量子である。
【０００８】
また、グランドプレーン層上に層間絶縁層を挟んだ形で形成された超電導配線のストリップラインにおける配線インダクタンスＬおよび単位正方形を基準とした配線インダクタンスＬ□は下記式（２）および（２’）で表される。
Ｌ＝Ｌ□・ｄ・（１／ｗ） …（２）
Ｌ□＝μ０｛ｔｉｓｏ＋λＬ（ＧＰ）ｃｏｔｈ（ｔＧＰ／λＬ（ＧＰ））＋λＬ（Ｓ）ｃｏｔｈ（ｔＳ／λＬ（Ｓ））｝ …（２’）
ここで、ｔｉｓｏ、ｔＧＰ、ｔＳ、λＬ（ＧＰ）、λＬ（Ｓ）は、それぞれ、絶縁層の厚み、グランドプレーン層の厚み、ストリップラインの厚み、グランドプレーン層のロンドン磁場侵入長、ストリップラインのロンドン磁場侵入長を表す。式（２’）から、グランドプレーン層またはストリップラインの厚みが薄いかまたはロンドン磁場侵入長が長いとＬ□が大きくなり、回路動作に悪影響を及ぼすことがわかる。
【０００９】
上記の条件を満たすためには、ＬおよびＩｃの絶対値の設計とプロセス上の制御性が重要になることがわかる。
【００１０】
次に、ヒステリシスを持たないＳＦＱ回路を形成するためには、接合の臨界電流値Ｉｃが、下記式（３）を満たさなければならない。
【００１１】
β＝Ｉｃ・Ｒｎ ２・ＣＪ／φ０＜１ …（３）
ここで、Ｒｎは接合抵抗、ＣＪは接合容量、βはマッカンバーパラメータと呼ばれる量である。また、数十Ｋ程度での使用温度で熱雑音によるＳＦＱ回路の誤動作を避けることが設計上必要となる。式（３）を満たし、熱雑音を回避するには、Ｉｃ値はおおよそ１ｍＡ程度であることが要求される。Ｉｃがおおよそ１ｍＡのとき、Ｌ□は１×１０−１２Ｈ（ヘンリー）以下であることが要求される。
【００１２】
次に、高速動作のためには、各接合が高いＩｃ・Ｒｎ積を持つ必要がある。Ｉｃ・Ｒｎ値からは、ストリップラインを通過する電磁波の位相速度ｖと周波数ωが下記式（４）および（４’）のように決定される。
【００１３】
ｖ＝ω・λ∝（Ｌ・Ｃ）−１／２ …（４）
ω＝Ｉｃ・Ｒｎ／φ０ …（４’）
ここで、ＬおよびＣは配線部のインダクタンスおよび容量、λは電磁波の波長、φ０は磁束量子を表す。
【００１４】
この際、ストリップラインの線長ｄは、下記式（５）を満たすことが必要である。
【００１５】
ｄ＜λ …（５）
これは、ストリップラインの長さが電磁波の波長程度になると、電磁波の局在現象が生じ、電磁波がストリップラインを通過できなくなるためである。この条件により、式（２）の配線長ｄの上限が決まる。ｄの下限はプロセス精度およびＬ□の設計値から決定される。このような過程を経て、ｄの設計可能な範囲が決定される。
【００１６】
以上のように、Ｌやｄについては設計値の範囲が限定される。このため、配線長ｄ、配線幅ｗ、配線層厚みｔｓなどの設計値のマージンを確保するためには、材料選択やプロセス技術の工夫により式（２）のＬ□をできるだけ低下させることが重要となる。
【００１７】
さらに、ｄ、ｗ、ｔｓの設計値は、配線部の容量にも関係する。ストリップラインの容量Ｃは下記式（６）により表される。
【００１８】
Ｃ＝εｒ・ε０・ｗ・ｄ・（１／ｔｓ） …（６）
ここで、εｒはグランドプレーン層とストリップラインに挟まれた層間絶縁層の比誘電率、ε０は真空の誘電率である。ＳＦＱ回路においても、他の回路と同様に、容量が増大すると電磁波の位相速度が低下し散逸が増大して高速動作に不向きとなるため、できるだけ容量Ｃを低下させることが望ましい。このように、容量の設計の観点からも、ｄ、ｗ、ｔｓの設計マージンを確保することが重要になってくる。
以上において議論したように、配線部のＬ□値をできるだけ低下させることが望まれる。
【００１９】
（ＩＩ）接合Ｉｃの分散に関連するプロセス上の条件
（Ｉ）で説明したように、４．２Ｋで接合Ｉｃの値は約１ｍＡであることが要求される。しかし、超電導回路は数百から数千の接合を集積化した形態で形成され、同一ウェハー内および同一条件で作製された多数のウェハー間においてＩｃ値のバラツキ（分散）が大きいことが問題となっている。例えば、１０００接合規模の超電導回路においてＩｃの標準偏差は５％以下であることが要求されるにもかかわらず、現実には標準偏差が１０％〜３０％の範囲になっている。
【００２０】
接合Ｉｃを均一化するためには、接合面積の均一化および接合臨界電流密度（以下、接合Ｊｃという）の均一化の両方を同時に達成することが必要である。このためには、フォトリソグラフィーにおけるパターニング精度の向上および接合を流れる超電導電流の電流密度の均一化の両方が求められる。
【００２１】
しかし、フォトリソグラフィーのパターニング精度は、露光装置、レジスト材料、ベーキング温度、マスクパターンなどの外来的要因により決定されるため、現状以上の精度を求めることは困難と考えられる。このため、制御可能なプロセス上のパラメータは、単位面積当たりの接合Ｊｃの均一化となる。
【００２２】
いま、電極層の膜厚が極めて薄い場合を想定すると、式（２）、（２’）においてｔｓ→０としたときに相当し、インダクタンスが膜厚に反比例して上昇することがわかる（すなわち、Ｌ∝１／ｔｓ）。これは、ランプエッジ型接合の下部電極層の最も膜厚の薄い部分では、局所的にインダクタンスが上昇することを示唆する。インダクタンス上昇は、下記式（７）に示すように、電磁波の通過に対してインピーダンス成分の上昇をもたらす。
【００２３】
Ｚ＝Ｒ＋ｉ（ωＬ−１／ωＣ） …（７）
（ここで、Ｚ、Ｒ、ｉ、ωは、それぞれ、全インピーダンス、抵抗成分、虚数単位、電磁波の周波数を表す）。
【００２４】
薄いエッジ部のインダクタンス上昇により、電流がエッジ部分で分流され、下部電極層の最下部の電流密度は低下する。このことは、接合間での最薄層部のインダクタンスのバラツキ、ランプ角度のバラツキなどの要因により、接合Ｊｃの不均一につながり、結果的にウェハー内およびウェハー間のＩｃ分散を大きくする。
【００２５】
以上において議論したように、接合Ｉｃの均一化を実現するには、接合Ｊｃの分散抑制を図ることが重要になる。
【００２６】
（ＩＩＩ）配線に関するプロセス上の条件
（Ｉ）の議論（式（２’））から、Ｌ□を低下させる（具体的には４．２Ｋで１×１０−１２Ｈ以下にする）ためには、ストリップラインのλＬが短いことが有利である。しかし、例えば基板温度が低い条件でＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７を成長させると、λＬの長い（１００）配向膜となる。このため、基板温度が高い条件でＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７を成長させてλＬの短い（００１）配向膜とすることが考えられる。ただし、基板温度が高い条件では配線層の膜厚が厚くなりやすいが、配線層の膜厚は接合Ｉｃの絶対値に影響を与えるため膜厚をあまり厚くできない。また、基板温度が高い条件で接合を形成すると、Ｉｃ値が所望値から逸脱して増大する傾向がある。そこで、基板温度が低い条件でも、λＬの長い（１００）配向膜の成長を抑制できることが望ましい。
【００２７】
上記のように、従来の超電導回路には様々な問題点があり、これらの問題点を総合的に解決することが求められていた。
【００２８】
従来、上部電極層の成長直前にバリア層を形成する人工バリア型ランプエッジ接合においては、バリア層として、下部電極層および上部電極層の組成と類似しているがＹサイトまたはＣｕサイトの組成を変化させた絶縁層を用い、バリア層の抵抗率制御により接合の電気特性を制御することが試みられている（例えば、非特許文献１、２）。しかし、このような技術では、配線部のインダクタンス制御、回路設計のマージン確保などの効果は得られない。
【００２９】
【非特許文献１】
Ａ．Ｆｌｅｔｔ ｅｔ ａｌ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ， Ｖ．５， ｐ．２９７３， １９９５
【００３０】
【非特許文献２】
Ｑ．Ｘ．Ｊｉａ ｅｔ ａｌ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ， Ｖ．５， ｐ．２１０３， １９９５
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、配線部分のインダクタンスを低減するとともに接合間におけるＩｃの分散を抑制して、良好な特性を示す超電導素子を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超電導素子は、基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含む構造を有する。
【００３３】
本発明の第１の態様に係る超電導素子は、前記上部電極層が、下記式（Ａ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｂ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３４】
ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙ …（Ａ）
ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｂ）
（ここで、３．０＜ｗ≦３．４５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３５】
本発明の第２の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層が、下記式（Ｃ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｄ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３６】
ＹＢａ２ＣｕｘＯｙ …（Ｃ）
ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｄ）
（ここで、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３７】
本発明の第３の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層が、下記式（Ｅ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｆ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３８】
Ｌ１１−ａＭ１ａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ …（Ｅ）
Ｌ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｆ）
（ここで、Ｌ１はＹｂ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｍ、ＮｄおよびＬａからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ１はＣｅおよびＰｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ａ≦０．２、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３９】
本発明の第４の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層および上部電極層のうち少なくとも一方が、下記式（Ｇ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｈ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
Ｌ２Ｂａ２−ｂＭ２ｂＣｕ３Ｏｙ …（Ｇ）
Ｌ２Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｈ）
（ここで、Ｌ２とＭ２の組み合わせはＹｂとＮｄ、ＹとＮｄ、ＹとＬａ、ＹとＰｒ、ＳｍとＮｄおよびＮｄとＬａのいずれかであり、０＜ｂ≦０．１５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４０】
本発明に他の態様に係る超電導素子は、基板と、基板上に形成された酸化物超電導体のグランドプレーン層と、グランドプレーン層上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含む構造を有していてもよい。
【００４１】
この構造を有する超電導素子においては、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｉ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｊ）で表される組成を有する主成長層とを有することが好ましい。
【００４２】
Ｌ３Ｂａ２−ｂＭ３ｂＣｕ３Ｏｙ …（Ｉ）
Ｌ３Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｊ）
（ここで、Ｌ３はＹおよびＹｂからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ３はＰｒ、ＬａおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ｂ≦０．１０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４３】
また、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｋ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｎ）で表される組成を有する主成長層とを有していてもよい。
【００４４】
Ｌ４Ｂａ２ＣｕｘＯｙ …（Ｋ）
Ｌ４Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｎ）
（ここで、Ｌ４はＹ、ＳｍおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超電導素子に用いられる材料について説明する。
【００４６】
基板としては、ＳｒＴｉＯ３、ＭｇＯ、Ｌａ−Ｓｒ−Ａｌ−Ｔａ−Ｏ系酸化物、ＮｄＧａＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などが用いられる。
【００４７】
上部電極層、下部電極層およびグランドプレーン層としては、代表的にＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｚ（Ｌｎはイットリウムおよび希土類金属からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、６．０≦ｚ≦８．０）で表される銅系酸化物超電導体いわゆる１２３系超電導体が用いられる。各超電導層の間には、層間絶縁層が設けられる。これらの層は、スパッタ法、レーザーアブレーション法、蒸着法、ＣＶＤ法などにより成膜される。
【００４８】
ジョセフソン接合の形態には、積層型、ランプエッジ型、粒界接合型、ステップエッジ型などがある。超電導層にエッチングを施して界面形成を行うプロセスを用いる。
【００４９】
バリア層は、Ｙ１−ｘＰｒｘＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、ＹＢａ２Ｃｕ３−ｘＣｏｘＯ７などの絶縁層を成長させてもよいし（人工バリア型ランプエッジ接合）、別途バリア層を成長させることなく下部電極層の界面を改質して形成してもよい（界面改質型ランプエッジ接合）。
【００５０】
図１〜図４を参照して本発明に係る超電導素子を説明する。これらの超電導素子はいずれもランプエッジ接合を有するものである。
【００５１】
図１に本発明の第１の態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５が形成されている。
【００５２】
第１の態様に係る超電導素子における上部電極層１５は、初期成長層１５ａが式（Ａ）ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙ（３．０＜ｗ≦３．４５）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１５ｂが式（Ｂ）ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する。すなわち、主成長層１５ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層１５ａは主成長層１５ｂよりも高いＣｕ組成（Ｃｕリッチ）となるようにＣｕ組成が制御されている。上部電極層１５の初期成長層１５ａの組成をＣｕリッチとした場合には、λＬの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができるので、上部電極層１５のインダクタンスを低下させることができる。
【００５３】
なお、初期成長層１５ａおよび主成長層１５ｂにおける酸素の組成を表すｙとｙ’は同一でも異なっていてもよい。例えば、Ｃｕが欠損すると、酸素組成が変化する可能性がある。また、図１では初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを区別して図示しているが、初期成長層１５ａのＣｕ組成を徐々に減少させて主成長層１５ｂの組成（ストイキオメトリー組成）にまで連続的に変化させることから、両方の層が必ずしも明確に区別できるわけではない。これらの点は他の態様でも同様である。
【００５４】
図２に本発明の第２および第３の態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には初期成長層１２ａと主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に上部電極層１５が形成されている。
【００５５】
第２の態様に係る超電導素子における下部電極層１２は、初期成長層１２ａが式（Ｃ）ＹＢａ２ＣｕｘＯｙ（２．６５≦ｘ＜３．０）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１２ｂが式（Ｄ）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する。すなわち、主成長層１５ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層１２ａは主成長層１２ｂよりも低いＣｕ組成（Ｃｕプア）となるようにＣｕ組成が制御されている。下部電極層１２の初期成長層１２ａの組成をＣｕプアとした場合にも、λＬの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができる。また、初期成長層１２ａ自体は結晶性が悪くインダクタンスが高いが、初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合のＩｃはストイキオメトリー組成を有する主成長層１２ｂに集中する。そして、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂはいずれも良好に制御して形成することができるので、接合間でのＩｃの分散を低下させることができる。
【００５６】
第３の態様に係る超電導素子における下部電極層１２は、初期成長層１２ａが式（Ｅ）Ｌ１１−ａＭ１ａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（０＜ａ≦０．２、Ｍ１はＣｅおよびＰｒ）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１２ｂが式（Ｆ）Ｌ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する。すなわち、初期成長層１２ａのみでＬ１（Ｙｂ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｌａ）サイトの一部がＣｅまたはＰｒで置換されている。下部電極層１２の初期成長層１２ａのＬ１サイトの一部をＣｅまたはＰｒで置換した場合にも、λＬの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができる。また、初期成長層１２ａ自体は結晶性が悪くインダクタンスが高いが、初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合のＩｃは主成長層１２ｂに集中する。そして、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂはいずれも良好に制御して形成することができるので、接合間でのＩｃの分散を低下させることができる。
【００５７】
また、図３に示すように、第１〜第３の態様を組み合わせて、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂを有する下部電極層１２を形成するとともに初期成長層１５ａおよび主成長層１５ｂを有する上部電極層１５を形成してもよい。このように、下部電極層１２および上部電極層１５の両方の組成を最適化すれば、より一層良好な効果が得られる。
【００５８】
本発明の第４の態様に係る超電導素子（図１〜図３のいずれかで示される）における下部電極層および上部電極層のうち少なくとも一方は、初期成長層が式（Ｇ）Ｌ２Ｂａ２−ｂＭ２ｂＣｕ３Ｏｙ（０＜ｂ≦０．１５）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層が式（Ｈ）Ｌ２Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する（Ｌ２とＭ２との組合せは上述した通りである）。すなわち、初期成長層１２ａのみでＢａサイトの一部が置換されている。この場合にも、上述した第１の態様または第２もしくは第３の態様と同様な効果が得られる。
【００５９】
本発明の他の態様に係る超電導素子においては、上述したように下部電極層および上部電極層の組成を制御するのに加えて、グランドプレーン層の組成を制御してもよい。
【００６０】
図４にこれらの態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には初期成長層２１ａと主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１および層間絶縁層２２が形成されている。この層間絶縁層２２上には下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に上部電極層１５が形成されている。図４には図示していないが、図１に示すように上部電極層１５が初期成長層１５ａと主成長層１５ｂを有する構造となっているか、図２に示すように下部電極層１２が初期成長層１２ａと主成長層１２ｂを有する構造となっているか、または図３に示すように下部電極層１２および上部電極層１５の両方が初期成長層と主成長層を有する構造となっている。
【００６１】
例えば、グランドプレーン層２１は、初期成長層２１ａが式（Ｉ）Ｌ３Ｂａ２−ｂＭ３ｂＣｕ３Ｏｙ（０＜ｂ≦０．１０）で表される組成を有し、主成長層２１ｂが式（Ｊ）Ｌ３Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有するものでもよい（Ｌ３およびＭ３は上述した通りである）。すなわち、初期成長層２１ａのみでＢａサイトの一部が置換されている。
【００６２】
また、グランドプレーン層２１は、初期成長層２１ａが式（Ｋ）Ｌ４Ｂａ２ＣｕｘＯｙ（２．６５≦ｘ＜３．０）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層２１ｂが式（Ｎ）Ｌ４Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有するものでもよい（Ｌ４は上述した通りである）。すなわち、主成長層２１ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層２１ａは主成長層２１ｂよりも低いＣｕ組成（Ｃｕプア）となるようにＣｕ組成が制御されている。
【００６３】
グランドプレーン層２１の組成を上記のように制御した場合、初期成長層２１ａおよびグランドプレーン層２１全体の平坦性が著しく向上し、グランドプレーン層２１上に成長する下部電極層１２、層間絶縁層１３および上部電極層１５の平坦性も向上する。この結果、接合間のＩｃの分散低下に寄与する。
【００６４】
したがって、グランドプレーン層、下部電極層および上部電極層の全ての組成を制御すればさらに高い効果が得られ、回路設計のマージンが確保され、回路動作が安定で高速性が保証された著しく良好な超電導回路を実現できる。
【００６５】
本発明の各態様において、初期成長層の膜厚は、組成制御される層（上部電極層、下部電極層またはグランドプレーン層）の全膜厚の１〜１０％であることが好ましい。１％未満では上述した初期成長層の効果が得られない。一方、１０％を超えると、その上部に成長する層の表面凹凸が増大したり、析出物密度が増大したりするなど、その上部に形成される積層膜全体の品質が著しく劣化するうえに、ストイキオメトリー組成の部分が減少して所望の電気特性を有する層を得るのが困難になる。例えば、Ｃｕリッチの超電導層は、ある膜厚以上になると酸化銅などの不純物を析出して表面性が劣化し、電気特性に影響を与える。
【００６６】
以下、超電導層の組成を連続的に変化させるように制御する方法について説明する。
【００６７】
まず、超電導層のＣｕ組成を制御する方法について図５（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）はＹｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層を形成するために用いられるＲＦスパッタリング装置の模式図である。図５（ａ）において、基板１１はヒーター５１を内蔵した基板ホルダ上に設置される。一方、ターゲットとしては、ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ターゲット５２とＣｕターゲット５３とが設けられる。各ターゲットには、マッチングボックス５４ａ、５４ｂおよびＲＦ電源５５ａ、５５ｂが接続されている。ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ターゲット５２に加えてＣｕターゲット５３を用いるのは以下のような理由による。すなわち、ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ターゲットのみから飛来する粒子で形成される層の組成はほぼＹｂＢａ２Ｃｕ２．５Ｏ７となり、Ｃｕが数十％程度欠損した状態になる。このため、所望の組成を有する超電導層が得られるように、Ｃｕターゲット５３からＣｕを補充する。
【００６８】
このようなＲＦスパッタリング装置を用いて、第１の態様のようにＣｕリッチで組成が連続的に変化する初期成長層を有する上部電極層を形成する場合、図５（ｂ）に示すように、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを初期に高く設定し、ストイキオメトリー組成が得られるＲＦパワーまで連続的に減少させる。このようにすれば、上部電極層のＣｕ組成のみを連続的に変化させることができる。
【００６９】
逆に、第３の態様のようにＣｕプアな初期成長層を有する下部電極層を形成する場合、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを初期に低く設定し、ストイキオメトリー組成が得られるＲＦパワーまで連続的に増加させる。
【００７０】
また、第４の態様のように、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７におけるＢａサイトをＬａで置換した初期成長層を有する超電導層を形成するような場合、例えばターゲットとしてＹＢａ２．５Ｃｕ３．５Ｏ７およびＬａＢａＯ２．５を用い、それぞれのターゲットに投入するＲＦパワーや圧力条件などを適切に制御する。
【００７１】
【実施例】
実施例１
図１に示すように、上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、上部電極層のＣｕ組成を制御した。
【００７２】
基板１１上にＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７で表される膜厚約２００ｎｍの下部電極層１２をスパッタリングにより成膜した。下部電極層１２を構成するＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７のλＬは酸素欠損および（１００）配向粒を含まない良好な状態で約１５０ｎｍ程度である。したがって、インダクタンス制御のためには、下部電極層の膜厚は最低でも１５０ｎｍ以上であることが必要である。逆に、下部電極層の膜厚が厚過ぎると、接合Ｉｃが膜厚に比例して増大ししまうため好ましくない。これらの理由から、通常、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７下部電極層１２の超電導部分の膜厚は２００ｎｍ程度に設定される。下部電極層１２上に層間絶縁層１３をスパッタリングにより成膜した。層間絶縁層１３上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクとして層間絶縁層１３に対して第１段のイオンエッチングを行った。レジストパターンの残渣を除去した後、下部電極層１２に対して第２段のイオンエッチングを行った。これらのイオンエッチングにより、ランプエッジをなす層間絶縁層１３および下部電極層１２のパターンを形成した。このイオンエッチングにより下部電極層１２の表面にバリア層となる変質層が形成される。
【００７３】
次に、式（Ａ）ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙで表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１５ａと、式（Ｂ）ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。この上部電極層１５の成膜時に、図５（ａ）図示のスパッタリング装置を用い、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを図５（ｂ）に示すように制御した。
【００７４】
図６に、上部電極層１５の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す。初期成長層のＣｕ組成（ｗ）を基板側の３．１５から主成長層側の３．０まで連続的に変化させて、初期成長層１５ａの方が主成長層１５ｂよりもＣｕリッチとなるようにした。
【００７５】
上記のようにしてランプエッジ型のジョセフソン結合を形成した。上部電極層１５上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりレジストパターン（図示せず）を形成した。レジストパターンをマスクとして上部電極層１５をイオンエッチングすることにより上部電極層のパターンを形成した。その後、レジストパターンの残渣を除去した。また、金属電極の形成、酸化性雰囲気中でのアニールなどを行った。
【００７６】
原子分解能を有するフィールドエミッション型ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による上部電極層の構造解析の結果、組成および結晶構造が連続的に変化していることが判明した。
【００７７】
図７に、Ｙｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す。図７において、横軸はＣｕ組成（２．７〜３．３）を示し、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向膜のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００７８】
図７に示されるように、ＣｕリッチなＹｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になるとともに、結晶性が向上する（ＦＷＨＭが低下する）。このため、初期成長層上に形成される主成長層の結晶性も向上する。
【００７９】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．９６ｍＡ、Ｒｎ＝２．１２Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝４．３％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝１８．５％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【００８０】
上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．６７×１０−１２Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．１×１０−１２Ｈと比較して良好であった。
【００８１】
実施例２
図２に示すように、下部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層のＣｕ組成を制御した。
【００８２】
具体的には、式（Ｃ）ＹＢａ２ＣｕｘＯｙで表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｄ）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。
【００８３】
図８に、下部電極層１２の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す。初期成長層のＣｕ組成（ｘ）を基板側の２．９から主成長層側の３．０まで連続的に変化させて、初期成長層１２ａの方が主成長層１２ｂよりもＣｕプアとなるようにした。
【００８４】
ＴＥＭなどによる構造解析から、初期成長層と主成長層との界面において、銅の組成が一方向的かつ連続的に変化していることがわかった。
【００８５】
図９に、下部電極層１２の膜厚方向における接合Ｊｃの変化を示す。この図に示されるように、接合Ｊｃは初期成長層１２ａ内部で徐々に増加して主成長層１２ｂの値まで変化する。
【００８６】
図１０に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す。図１０において、横軸はＣｕ組成を示し、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向膜のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００８７】
図１０に示されるように、ＣｕプアなＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になる。このように初期成長層で（１００）配向粒の発生が著しく抑制されるので、下部電極層全体で（１００）配向粒の発生が抑制される。しかし、ＣｕプアなＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、結晶性が劣化する（ＦＷＨＭが増加する）。このため、良好に制御して形成された初期成長層の部分のインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉｃはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩｃ値の分散を低下させることができる。
【００８８】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝１．０１ｍＡ、Ｒｎ＝１．９Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝３．３％であった。下部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝１３．３％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【００８９】
実施例３
図２に示すように、下部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層の一部をＰｒで置換する制御を行った。
【００９０】
具体的には、式（Ｅ’）Ｙ１−ａＰｒａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（０＜ａ≦０．１０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｆ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。ここで、Ｙ１−ａＰｒａＢａ２Ｃｕ３ＯｙのＰｒ組成（ａ）が０．１を超えると固溶限界を超えるため、Ｐｒが実質的に固溶されなくなり、析出物の密度が著しく増大する。このため、初期成長層１２ａのＰｒ組成を０．１以下に設定している。
【００９１】
図１１に、下部電極層１２の膜厚方向におけるＰｒの組成変化を示す。初期成長層のＰｒ組成（ａ）を基板側の０．１０から主成長層側の０まで連続的に変化させた。
【００９２】
図１２に、Ｙ１−ａＰｒａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ超電導層について結晶配向性のＰｒ組成依存性を示す。図１２において、横軸はＰｒ組成としてａの値を示している。また、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００９３】
図１２に示されるように、Ｐｒが固溶した初期成長層を用いた場合、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になるとともに、結晶性が向上する（ＦＷＨＭが低下する）。このため、初期成長層上に形成される主成長層の結晶性も向上する。また、Ｐｒの固溶により超電導特性が抑制されて初期成長層のλＬが長くなる。この結果、良好に制御して形成された初期成長層のインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉｃはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩｃ値の分散を低下させることができる。
【００９４】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．９３ｍＡ、Ｒｎ＝３．７Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝４．５％であった。下部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝２０．９％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。図１３に、本実施例で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す。
【００９５】
下部電極層は、Ｔｃが９０Ｋゼロ抵抗、配線部分の巨視的臨界電流密度としてのＪｃが４．２Ｋにおいて５×１０７Ａｃｍ−２であり、初期成長層によるＴｃおよびＪｃが低下するという影響は見られなかった。
【００９６】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．９×１０−１２Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．５×１０−１２Ｈと比較して良好であった。
【００９７】
本実施例においては、Ｌ１としてイットリウム（Ｙ）を、Ｍ１としてプラセオジム（Ｐｒ）を用いているが、他の金属元素を用いた例でも上記と同様の効果が確認されている。
【００９８】
実施例４
図１に示すように、上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、上部電極層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【００９９】
具体的には、式（Ｇ’）ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ（０＜ｂ≦０．０９）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１５ａと、式（Ｈ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。ここで、ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３ＯｙのＮｄ組成（ｂ）が０．０９を超えると上部電極層のＴｃが低下し始め、接合界面付近のＪｃに代表される超電導特性も同時に低下して、接合Ｉｃや接合Ｒｎの制御性にとって好ましくない。このため、初期成長層１５ａのＮｄ組成を０．０９以下に設定している。
【０１００】
図１４に、上部電極層１５の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す。初期成長層のＮｄ組成（ｂ）を基板側の０．０９から主成長層側の０まで連続的に変化させた。
【０１０１】
図１５に、ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ超電導層について結晶配向性および臨界温度ＴｃのＮｄ組成依存性を示す。図１５において、横軸はＮｄ組成としてｂの値を示している。また、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率を示すとともに、臨界温度Ｔｃを示している。
【０１０２】
図１５に示されるように、初期成長層にＮｄが固溶している場合、（１００）配向粒の体積分率は単調に減少する。ただし、ｂ≧０．１０では、Ｔｃに代表される超電導特性が低下する。本実施例においては、初期成長層に０＜ｂ≦０．９０の範囲のＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ超電導層を用いることにより、上部電極層全体の結晶性を良好にすることができる。
【０１０３】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．９６ｍＡ、Ｒｎ＝２．１２Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝４．３％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝１８．５％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【０１０４】
上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．６７×１０−１２Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．１×１０−１２Ｈと比較して良好であった。
【０１０５】
実施例５
図３に示すように、下部電極層および上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層および上部電極層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【０１０６】
具体的には、式（Ｇ’）ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ（０．１０≦ｂ≦０．２０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｈ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。また、実施例４と同様の初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。
【０１０７】
ここで、ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ下部電極層を形成する場合、Ｔｃの低下などによる接合Ｉｃや接合Ｒｎなどへの影響を上部電極層ほど考慮する必要がない。また、ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３ＯｙにおいてもＮｄ組成の上昇に伴い、初期成長層およびその上に成長する主成長層の結晶性が向上する。このため、下部電極層１２の初期成長層１２ａのＮｄ組成を、上部電極層１５の初期成長層１５ａのＮｄ組成（０＜ｂ≦０．９０）よりも高くすることがむしろ好ましい。このため、本実施例では下部電極層１２の初期成長層１２ａのＮｄ組成を０．１０≦ｂ≦０．２０に設定している。
【０１０８】
図１５に示されるように、Ｎｄ≧０．１０以上の組成領域においても（１００）配向粒の発生が抑制されるが、Ｎｄ≧０．１０以上の組成領域においてはＴｃが単調に低下することに代表されるように、超電導特性が著しく低下し、初期成長層のλＬが長くなる。この結果、良好に制御して形成された初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉｃはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩｃ値の分散を低下させることができる。
【０１０９】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．８５ｍＡ、Ｒｎ＝３．２２Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝２．９％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝２５．０％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。図１６に、本実施例で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す。
【０１１０】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．７５×１０−１２Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５６×１０−１２Ｈであり、組成制御せずに形成された下部電極層のＬ□＝１．５×１０−１２Ｈ、上部電極層のＬ□＝１．１×１０−１２Ｈと比較して良好であった。
【０１１１】
実施例６
図４に示すように、グランドプレーン層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、グランドプレーン層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【０１１２】
具体的には、式（Ｉ’）ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ（０＜ｂ≦０．０９）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層２１ａと、式（Ｊ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１をスパッタリングにより形成した。図１７に、グランドプレーン層２１の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す。初期成長層のＮｄ組成（ｂ）を基板側の０．０５から主成長層側の０まで連続的に変化させた。接合を形成する下部電極層および上部電極層は実施例５と同様に形成した。
【０１１３】
本実施例で形成されたグランドプレーン層２１の最表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、平坦性が著しく向上することが明らかとなった。すなわち、グランドプレーン層２１の表面粗さＲａ（ａｖｅｒａｇｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）は０．９ｎｍとなり、組成制御を行わずに形成した場合のＲａ＝３ｎｍに比較して平坦性が著しく向上していた。また、グランドプレーン層２１の平坦性が向上したことに伴い、その上に形成される下部電極層、層間絶縁層および上部電極層の平坦性も著しく向上することがわかった。
【０１１４】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．９５ｍＡ、Ｒｎ＝３．６Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝２．５％であった。
【０１１５】
図１８に、本実施例に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１ウェハー内２０接合のＩｃバラツキを比較した結果を示す。本実施例に従って組成制御を行った場合の標準偏差はσ＝１．０％であり、組成制御なしの場合の２１％と比較して著しく向上した。
【０１１６】
また、適宜構成されたＳＱＵＩＤ回路パターンの動作から、グランドプレーン層において（１００）配向粒の発生が抑制され、平坦性、結晶性などの薄膜の構造的品質も同時に向上されているので、グランドプレーン層のλＬ自体を低下できることも明らかとなった。これにより、下部電極層および上部電極層のインダクタンスをさらに低下させることが可能となる。
【０１１７】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５５×１０−１２Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．４７×１０−１２Ｈであった。
【０１１８】
実施例７
図４に示すように、グランドプレーン層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、グランドプレーン層のＣｕ組成を制御した。
【０１１９】
具体的には、式（Ｋ’）ＹＢａ２ＣｕｘＯｙ（２．６５≦ｂ＜３．０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層２１ａと、式（Ｎ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１をスパッタリングにより形成した。初期成長層のＣｕ組成（ｘ）を基板側の２．９１から主成長層側の３．０まで連続的に変化させた。接合を形成する下部電極層および上部電極層は実施例５と同様に形成した。
【０１２０】
本実施例で形成されたグランドプレーン層２１の最表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、Ｒａ＝１．０ｎｍであり、組成制御を行わずに形成した場合と比較して著しく向上した。
【０１２１】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．８３ｍＡ、Ｒｎ＝３．４５Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝２．３％であった。
【０１２２】
また、本実施例に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１０ウェハーのウェハー間におけるＩｃバラツキを比較した結果、本実施例ではＩｃバラツキ低減に効果があることも判明した。
【０１２３】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５９×１０−１２Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５０×１０−１２Ｈであった。
【０１２４】
【発明の効果】
以上記述のように本発明によれば、配線部分のインダクタンスを低減するとともに接合間におけるＩｃの分散を抑制して、良好な特性を示す超電導素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図２】本発明の第２および第３の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図３】本発明の他の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図４】本発明の他の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図５】ＲＦスパッタリング装置の模式図、およびターゲットに投入するＲＦパワーの変化を示す図。
【図６】実施例１の超伝導素子について上部電極層の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す図。
【図７】Ｙｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す図。
【図８】実施例２の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す図。
【図９】実施例２の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向における接合Ｊｃの変化を示す図。
【図１０】Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す図。
【図１１】実施例３の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向におけるＰｒの組成変化を示す図。
【図１２】Ｙ１−ａＰｒａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ超電導層について結晶配向性のＰｒ組成依存性を示す図。
【図１３】実施例３で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す図。
【図１４】実施例４の超伝導素子について上部電極層の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す図。
【図１５】ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ超電導層について結晶配向性および臨界温度ＴｃのＮｄ組成依存性を示す図。
【図１６】実施例５で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す図。
【図１７】実施例６の超伝導素子についてグランドプレーン層の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す図。
【図１８】実施例６に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１ウェハー内２０接合のＩｃバラツキを比較した結果を示す図。
【符号の説明】
１１…基板、１２…下部電極層、１２ａ…初期成長層、１２ｂ…主成長層、１３…層間絶縁膜、１４…バリア層、１５…上部電極層、１５ａ…初期成長層、１５ｂ…主成長層、２１…グランドプレーン層、２１ａ…初期成長層、２１ｂ…主成長層、２２…層間絶縁層、５１…ヒーター、５２…ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ターゲット、５３…Ｃｕターゲット、５４ａ、５４ｂ…マッチングボックス、５５ａ、５５ｂ…ＲＦ電源。
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導体により形成されるＳＦＱ回路（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ：単一磁束量子素子）は、１００ＧＨｚを超える周波数領域において動作可能な特性を持つことから、近未来の超高速論理回路作製に向けた要素技術として期待されている。ＳＦＱ回路の応用分野としては、移動体通信基地用の高速Ａ／Ｄコンバータ、インターネットルータなどの通信インフラ、超高速性を生かした超ハイスループットコンピュータ用演算回路などが考えられている。
【０００３】
ＳＦＱ回路を形成するにあたっては、低温超電導体よりも高温酸化物超電導体を用いることが有利なのは明らかである。すなわち、Ｎｂ系に代表される従来の低温超電導体を用いたＳＦＱ回路は液体ヘリウムなどの冷媒を要し、４．２Ｋでしか動作できなかった。これに対して、高温酸化物超電導体を用いたＳＦＱ回路は３０〜４０Ｋにおいても動作周波数５００ＧＨｚ程度のパフォーマンスが期待でき、ＧＭクーラーなどのクライオクーラーにより冷却可能であるため冷却コストが極めて安価である。
【０００４】
ただし、上記のような高速動作を実現するためには、接合部のＩｃＲｎ値などを最適化し、回路規模に応じて接合Ｉｃ値の分散を制御し、接合の配線部分のインダクタンス（以下Ｌと表記する）およびキャパシタンス（以下Ｃと表記する）を所望範囲内に設定し、配線長、配線幅、配線層厚みなどの回路設計マージンを向上させることが必要である。これらのうちＣ値低減に関しては、超電導層に隣接して配置される絶縁体層（すなわち基板および層間絶縁層）の動作条件下での比誘電率（以下、εｒと表記）を極力低下させることにより達成可能である。
【０００５】
一方、Ｉｃ値の分散低減に関しては、接合界面部分での接合臨界電流密度の均一化を達成することが求められる。また、インダクタンス制御に関しては、配線部分のロンドン磁場侵入長（以下λＬと略記）をバルク値と同程度に低減し、かつ薄膜成長時に長いλＬを持つ配向を抑制することが求められている。
【０００６】
以下、ＳＦＱ回路の超高速動作を実現するために、超電導接合部、配線部および絶縁層部がそれぞれ満たすべき条件を項目別により詳細に記述する。
【０００７】
（Ｉ）設計上の条件
ＳＦＱを動作させるには、超電導接合と配線部によって構成されるリング部分に、単一磁束量子 （Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ） を担持させる。このとき、次の設計上の条件を満たすことが重要である。すなわち、接合Ｉｃとリングを形成する配線部のインダクタンスＬとの積が下記の式（１）を満たさなければならない。
０．５φ０＜Ｌ・Ｉｃ＜１．５φ０ …（１）
ここで、φ０は磁束量子である。
【０００８】
また、グランドプレーン層上に層間絶縁層を挟んだ形で形成された超電導配線のストリップラインにおける配線インダクタンスＬおよび単位正方形を基準とした配線インダクタンスＬ□は下記式（２）および（２’）で表される。
Ｌ＝Ｌ□・ｄ・（１／ｗ） …（２）
Ｌ□＝μ０｛ｔｉｓｏ＋λＬ（ＧＰ）ｃｏｔｈ（ｔＧＰ／λＬ（ＧＰ））＋λＬ（Ｓ）ｃｏｔｈ（ｔＳ／λＬ（Ｓ））｝ …（２’）
ここで、ｔｉｓｏ、ｔＧＰ、ｔＳ、λＬ（ＧＰ）、λＬ（Ｓ）は、それぞれ、絶縁層の厚み、グランドプレーン層の厚み、ストリップラインの厚み、グランドプレーン層のロンドン磁場侵入長、ストリップラインのロンドン磁場侵入長を表す。式（２’）から、グランドプレーン層またはストリップラインの厚みが薄いかまたはロンドン磁場侵入長が長いとＬ□が大きくなり、回路動作に悪影響を及ぼすことがわかる。
【０００９】
上記の条件を満たすためには、ＬおよびＩｃの絶対値の設計とプロセス上の制御性が重要になることがわかる。
【００１０】
次に、ヒステリシスを持たないＳＦＱ回路を形成するためには、接合の臨界電流値Ｉｃが、下記式（３）を満たさなければならない。
【００１１】
β＝Ｉｃ・Ｒｎ ２・ＣＪ／φ０＜１ …（３）
ここで、Ｒｎは接合抵抗、ＣＪは接合容量、βはマッカンバーパラメータと呼ばれる量である。また、数十Ｋ程度での使用温度で熱雑音によるＳＦＱ回路の誤動作を避けることが設計上必要となる。式（３）を満たし、熱雑音を回避するには、Ｉｃ値はおおよそ１ｍＡ程度であることが要求される。Ｉｃがおおよそ１ｍＡのとき、Ｌ□は１×１０−１２Ｈ（ヘンリー）以下であることが要求される。
【００１２】
次に、高速動作のためには、各接合が高いＩｃ・Ｒｎ積を持つ必要がある。Ｉｃ・Ｒｎ値からは、ストリップラインを通過する電磁波の位相速度ｖと周波数ωが下記式（４）および（４’）のように決定される。
【００１３】
ｖ＝ω・λ∝（Ｌ・Ｃ）−１／２ …（４）
ω＝Ｉｃ・Ｒｎ／φ０ …（４’）
ここで、ＬおよびＣは配線部のインダクタンスおよび容量、λは電磁波の波長、φ０は磁束量子を表す。
【００１４】
この際、ストリップラインの線長ｄは、下記式（５）を満たすことが必要である。
【００１５】
ｄ＜λ …（５）
これは、ストリップラインの長さが電磁波の波長程度になると、電磁波の局在現象が生じ、電磁波がストリップラインを通過できなくなるためである。この条件により、式（２）の配線長ｄの上限が決まる。ｄの下限はプロセス精度およびＬ□の設計値から決定される。このような過程を経て、ｄの設計可能な範囲が決定される。
【００１６】
以上のように、Ｌやｄについては設計値の範囲が限定される。このため、配線長ｄ、配線幅ｗ、配線層厚みｔｓなどの設計値のマージンを確保するためには、材料選択やプロセス技術の工夫により式（２）のＬ□をできるだけ低下させることが重要となる。
【００１７】
さらに、ｄ、ｗ、ｔｓの設計値は、配線部の容量にも関係する。ストリップラインの容量Ｃは下記式（６）により表される。
【００１８】
Ｃ＝εｒ・ε０・ｗ・ｄ・（１／ｔｓ） …（６）
ここで、εｒはグランドプレーン層とストリップラインに挟まれた層間絶縁層の比誘電率、ε０は真空の誘電率である。ＳＦＱ回路においても、他の回路と同様に、容量が増大すると電磁波の位相速度が低下し散逸が増大して高速動作に不向きとなるため、できるだけ容量Ｃを低下させることが望ましい。このように、容量の設計の観点からも、ｄ、ｗ、ｔｓの設計マージンを確保することが重要になってくる。
以上において議論したように、配線部のＬ□値をできるだけ低下させることが望まれる。
【００１９】
（ＩＩ）接合Ｉｃの分散に関連するプロセス上の条件
（Ｉ）で説明したように、４．２Ｋで接合Ｉｃの値は約１ｍＡであることが要求される。しかし、超電導回路は数百から数千の接合を集積化した形態で形成され、同一ウェハー内および同一条件で作製された多数のウェハー間においてＩｃ値のバラツキ（分散）が大きいことが問題となっている。例えば、１０００接合規模の超電導回路においてＩｃの標準偏差は５％以下であることが要求されるにもかかわらず、現実には標準偏差が１０％〜３０％の範囲になっている。
【００２０】
接合Ｉｃを均一化するためには、接合面積の均一化および接合臨界電流密度（以下、接合Ｊｃという）の均一化の両方を同時に達成することが必要である。このためには、フォトリソグラフィーにおけるパターニング精度の向上および接合を流れる超電導電流の電流密度の均一化の両方が求められる。
【００２１】
しかし、フォトリソグラフィーのパターニング精度は、露光装置、レジスト材料、ベーキング温度、マスクパターンなどの外来的要因により決定されるため、現状以上の精度を求めることは困難と考えられる。このため、制御可能なプロセス上のパラメータは、単位面積当たりの接合Ｊｃの均一化となる。
【００２２】
いま、電極層の膜厚が極めて薄い場合を想定すると、式（２）、（２’）においてｔｓ→０としたときに相当し、インダクタンスが膜厚に反比例して上昇することがわかる（すなわち、Ｌ∝１／ｔｓ）。これは、ランプエッジ型接合の下部電極層の最も膜厚の薄い部分では、局所的にインダクタンスが上昇することを示唆する。インダクタンス上昇は、下記式（７）に示すように、電磁波の通過に対してインピーダンス成分の上昇をもたらす。
【００２３】
Ｚ＝Ｒ＋ｉ（ωＬ−１／ωＣ） …（７）
（ここで、Ｚ、Ｒ、ｉ、ωは、それぞれ、全インピーダンス、抵抗成分、虚数単位、電磁波の周波数を表す）。
【００２４】
薄いエッジ部のインダクタンス上昇により、電流がエッジ部分で分流され、下部電極層の最下部の電流密度は低下する。このことは、接合間での最薄層部のインダクタンスのバラツキ、ランプ角度のバラツキなどの要因により、接合Ｊｃの不均一につながり、結果的にウェハー内およびウェハー間のＩｃ分散を大きくする。
【００２５】
以上において議論したように、接合Ｉｃの均一化を実現するには、接合Ｊｃの分散抑制を図ることが重要になる。
【００２６】
（ＩＩＩ）配線に関するプロセス上の条件
（Ｉ）の議論（式（２’））から、Ｌ□を低下させる（具体的には４．２Ｋで１×１０−１２Ｈ以下にする）ためには、ストリップラインのλＬが短いことが有利である。しかし、例えば基板温度が低い条件でＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７を成長させると、λＬの長い（１００）配向膜となる。このため、基板温度が高い条件でＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７を成長させてλＬの短い（００１）配向膜とすることが考えられる。ただし、基板温度が高い条件では配線層の膜厚が厚くなりやすいが、配線層の膜厚は接合Ｉｃの絶対値に影響を与えるため膜厚をあまり厚くできない。また、基板温度が高い条件で接合を形成すると、Ｉｃ値が所望値から逸脱して増大する傾向がある。そこで、基板温度が低い条件でも、λＬの長い（１００）配向膜の成長を抑制できることが望ましい。
【００２７】
上記のように、従来の超電導回路には様々な問題点があり、これらの問題点を総合的に解決することが求められていた。
【００２８】
従来、上部電極層の成長直前にバリア層を形成する人工バリア型ランプエッジ接合においては、バリア層として、下部電極層および上部電極層の組成と類似しているがＹサイトまたはＣｕサイトの組成を変化させた絶縁層を用い、バリア層の抵抗率制御により接合の電気特性を制御することが試みられている（例えば、非特許文献１、２）。しかし、このような技術では、配線部のインダクタンス制御、回路設計のマージン確保などの効果は得られない。
【００２９】
【非特許文献１】
Ａ．Ｆｌｅｔｔ ｅｔ ａｌ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ， Ｖ．５， ｐ．２９７３， １９９５
【００３０】
【非特許文献２】
Ｑ．Ｘ．Ｊｉａ ｅｔ ａｌ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ， Ｖ．５， ｐ．２１０３， １９９５
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、配線部分のインダクタンスを低減するとともに接合間におけるＩｃの分散を抑制して、良好な特性を示す超電導素子を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超電導素子は、基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含む構造を有する。
【００３３】
本発明の第１の態様に係る超電導素子は、前記上部電極層が、下記式（Ａ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｂ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３４】
ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙ …（Ａ）
ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｂ）
（ここで、３．０＜ｗ≦３．４５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３５】
本発明の第２の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層が、下記式（Ｃ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｄ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３６】
ＹＢａ２ＣｕｘＯｙ …（Ｃ）
ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｄ）
（ここで、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３７】
本発明の第３の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層が、下記式（Ｅ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｆ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３８】
Ｌ１１−ａＭ１ａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ …（Ｅ）
Ｌ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｆ）
（ここで、Ｌ１はＹｂ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｍ、ＮｄおよびＬａからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ１はＣｅおよびＰｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ａ≦０．２、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３９】
本発明の第４の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層および上部電極層のうち少なくとも一方が、下記式（Ｇ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｈ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
Ｌ２Ｂａ２−ｂＭ２ｂＣｕ３Ｏｙ …（Ｇ）
Ｌ２Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｈ）
（ここで、Ｌ２とＭ２の組み合わせはＹｂとＮｄ、ＹとＮｄ、ＹとＬａ、ＹとＰｒ、ＳｍとＮｄおよびＮｄとＬａのいずれかであり、０＜ｂ≦０．１５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４０】
本発明に他の態様に係る超電導素子は、基板と、基板上に形成された酸化物超電導体のグランドプレーン層と、グランドプレーン層上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含む構造を有していてもよい。
【００４１】
この構造を有する超電導素子においては、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｉ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｊ）で表される組成を有する主成長層とを有することが好ましい。
【００４２】
Ｌ３Ｂａ２−ｂＭ３ｂＣｕ３Ｏｙ …（Ｉ）
Ｌ３Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｊ）
（ここで、Ｌ３はＹおよびＹｂからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ３はＰｒ、ＬａおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ｂ≦０．１０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４３】
また、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｋ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｎ）で表される組成を有する主成長層とを有していてもよい。
【００４４】
Ｌ４Ｂａ２ＣｕｘＯｙ …（Ｋ）
Ｌ４Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｎ）
（ここで、Ｌ４はＹ、ＳｍおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超電導素子に用いられる材料について説明する。
【００４６】
基板としては、ＳｒＴｉＯ３、ＭｇＯ、Ｌａ−Ｓｒ−Ａｌ−Ｔａ−Ｏ系酸化物、ＮｄＧａＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などが用いられる。
【００４７】
上部電極層、下部電極層およびグランドプレーン層としては、代表的にＬｎＢａ２Ｃｕ３Ｏｚ（Ｌｎはイットリウムおよび希土類金属からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、６．０≦ｚ≦８．０）で表される銅系酸化物超電導体いわゆる１２３系超電導体が用いられる。各超電導層の間には、層間絶縁層が設けられる。これらの層は、スパッタ法、レーザーアブレーション法、蒸着法、ＣＶＤ法などにより成膜される。
【００４８】
ジョセフソン接合の形態には、積層型、ランプエッジ型、粒界接合型、ステップエッジ型などがある。超電導層にエッチングを施して界面形成を行うプロセスを用いる。
【００４９】
バリア層は、Ｙ１−ｘＰｒｘＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、ＹＢａ２Ｃｕ３−ｘＣｏｘＯ７などの絶縁層を成長させてもよいし（人工バリア型ランプエッジ接合）、別途バリア層を成長させることなく下部電極層の界面を改質して形成してもよい（界面改質型ランプエッジ接合）。
【００５０】
図１〜図４を参照して本発明に係る超電導素子を説明する。これらの超電導素子はいずれもランプエッジ接合を有するものである。
【００５１】
図１に本発明の第１の態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５が形成されている。
【００５２】
第１の態様に係る超電導素子における上部電極層１５は、初期成長層１５ａが式（Ａ）ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙ（３．０＜ｗ≦３．４５）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１５ｂが式（Ｂ）ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する。すなわち、主成長層１５ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層１５ａは主成長層１５ｂよりも高いＣｕ組成（Ｃｕリッチ）となるようにＣｕ組成が制御されている。上部電極層１５の初期成長層１５ａの組成をＣｕリッチとした場合には、λＬの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができるので、上部電極層１５のインダクタンスを低下させることができる。
【００５３】
なお、初期成長層１５ａおよび主成長層１５ｂにおける酸素の組成を表すｙとｙ’は同一でも異なっていてもよい。例えば、Ｃｕが欠損すると、酸素組成が変化する可能性がある。また、図１では初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを区別して図示しているが、初期成長層１５ａのＣｕ組成を徐々に減少させて主成長層１５ｂの組成（ストイキオメトリー組成）にまで連続的に変化させることから、両方の層が必ずしも明確に区別できるわけではない。これらの点は他の態様でも同様である。
【００５４】
図２に本発明の第２および第３の態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には初期成長層１２ａと主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に上部電極層１５が形成されている。
【００５５】
第２の態様に係る超電導素子における下部電極層１２は、初期成長層１２ａが式（Ｃ）ＹＢａ２ＣｕｘＯｙ（２．６５≦ｘ＜３．０）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１２ｂが式（Ｄ）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する。すなわち、主成長層１５ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層１２ａは主成長層１２ｂよりも低いＣｕ組成（Ｃｕプア）となるようにＣｕ組成が制御されている。下部電極層１２の初期成長層１２ａの組成をＣｕプアとした場合にも、λＬの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができる。また、初期成長層１２ａ自体は結晶性が悪くインダクタンスが高いが、初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合のＩｃはストイキオメトリー組成を有する主成長層１２ｂに集中する。そして、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂはいずれも良好に制御して形成することができるので、接合間でのＩｃの分散を低下させることができる。
【００５６】
第３の態様に係る超電導素子における下部電極層１２は、初期成長層１２ａが式（Ｅ）Ｌ１１−ａＭ１ａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（０＜ａ≦０．２、Ｍ１はＣｅおよびＰｒ）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１２ｂが式（Ｆ）Ｌ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する。すなわち、初期成長層１２ａのみでＬ１（Ｙｂ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｌａ）サイトの一部がＣｅまたはＰｒで置換されている。下部電極層１２の初期成長層１２ａのＬ１サイトの一部をＣｅまたはＰｒで置換した場合にも、λＬの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができる。また、初期成長層１２ａ自体は結晶性が悪くインダクタンスが高いが、初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合のＩｃは主成長層１２ｂに集中する。そして、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂはいずれも良好に制御して形成することができるので、接合間でのＩｃの分散を低下させることができる。
【００５７】
また、図３に示すように、第１〜第３の態様を組み合わせて、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂを有する下部電極層１２を形成するとともに初期成長層１５ａおよび主成長層１５ｂを有する上部電極層１５を形成してもよい。このように、下部電極層１２および上部電極層１５の両方の組成を最適化すれば、より一層良好な効果が得られる。
【００５８】
本発明の第４の態様に係る超電導素子（図１〜図３のいずれかで示される）における下部電極層および上部電極層のうち少なくとも一方は、初期成長層が式（Ｇ）Ｌ２Ｂａ２−ｂＭ２ｂＣｕ３Ｏｙ（０＜ｂ≦０．１５）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層が式（Ｈ）Ｌ２Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する（Ｌ２とＭ２との組合せは上述した通りである）。すなわち、初期成長層１２ａのみでＢａサイトの一部が置換されている。この場合にも、上述した第１の態様または第２もしくは第３の態様と同様な効果が得られる。
【００５９】
本発明の他の態様に係る超電導素子においては、上述したように下部電極層および上部電極層の組成を制御するのに加えて、グランドプレーン層の組成を制御してもよい。
【００６０】
図４にこれらの態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には初期成長層２１ａと主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１および層間絶縁層２２が形成されている。この層間絶縁層２２上には下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に上部電極層１５が形成されている。図４には図示していないが、図１に示すように上部電極層１５が初期成長層１５ａと主成長層１５ｂを有する構造となっているか、図２に示すように下部電極層１２が初期成長層１２ａと主成長層１２ｂを有する構造となっているか、または図３に示すように下部電極層１２および上部電極層１５の両方が初期成長層と主成長層を有する構造となっている。
【００６１】
例えば、グランドプレーン層２１は、初期成長層２１ａが式（Ｉ）Ｌ３Ｂａ２−ｂＭ３ｂＣｕ３Ｏｙ（０＜ｂ≦０．１０）で表される組成を有し、主成長層２１ｂが式（Ｊ）Ｌ３Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有するものでもよい（Ｌ３およびＭ３は上述した通りである）。すなわち、初期成長層２１ａのみでＢａサイトの一部が置換されている。
【００６２】
また、グランドプレーン層２１は、初期成長層２１ａが式（Ｋ）Ｌ４Ｂａ２ＣｕｘＯｙ（２．６５≦ｘ＜３．０）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層２１ｂが式（Ｎ）Ｌ４Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有するものでもよい（Ｌ４は上述した通りである）。すなわち、主成長層２１ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層２１ａは主成長層２１ｂよりも低いＣｕ組成（Ｃｕプア）となるようにＣｕ組成が制御されている。
【００６３】
グランドプレーン層２１の組成を上記のように制御した場合、初期成長層２１ａおよびグランドプレーン層２１全体の平坦性が著しく向上し、グランドプレーン層２１上に成長する下部電極層１２、層間絶縁層１３および上部電極層１５の平坦性も向上する。この結果、接合間のＩｃの分散低下に寄与する。
【００６４】
したがって、グランドプレーン層、下部電極層および上部電極層の全ての組成を制御すればさらに高い効果が得られ、回路設計のマージンが確保され、回路動作が安定で高速性が保証された著しく良好な超電導回路を実現できる。
【００６５】
本発明の各態様において、初期成長層の膜厚は、組成制御される層（上部電極層、下部電極層またはグランドプレーン層）の全膜厚の１〜１０％であることが好ましい。１％未満では上述した初期成長層の効果が得られない。一方、１０％を超えると、その上部に成長する層の表面凹凸が増大したり、析出物密度が増大したりするなど、その上部に形成される積層膜全体の品質が著しく劣化するうえに、ストイキオメトリー組成の部分が減少して所望の電気特性を有する層を得るのが困難になる。例えば、Ｃｕリッチの超電導層は、ある膜厚以上になると酸化銅などの不純物を析出して表面性が劣化し、電気特性に影響を与える。
【００６６】
以下、超電導層の組成を連続的に変化させるように制御する方法について説明する。
【００６７】
まず、超電導層のＣｕ組成を制御する方法について図５（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）はＹｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層を形成するために用いられるＲＦスパッタリング装置の模式図である。図５（ａ）において、基板１１はヒーター５１を内蔵した基板ホルダ上に設置される。一方、ターゲットとしては、ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ターゲット５２とＣｕターゲット５３とが設けられる。各ターゲットには、マッチングボックス５４ａ、５４ｂおよびＲＦ電源５５ａ、５５ｂが接続されている。ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ターゲット５２に加えてＣｕターゲット５３を用いるのは以下のような理由による。すなわち、ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ターゲットのみから飛来する粒子で形成される層の組成はほぼＹｂＢａ２Ｃｕ２．５Ｏ７となり、Ｃｕが数十％程度欠損した状態になる。このため、所望の組成を有する超電導層が得られるように、Ｃｕターゲット５３からＣｕを補充する。
【００６８】
このようなＲＦスパッタリング装置を用いて、第１の態様のようにＣｕリッチで組成が連続的に変化する初期成長層を有する上部電極層を形成する場合、図５（ｂ）に示すように、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを初期に高く設定し、ストイキオメトリー組成が得られるＲＦパワーまで連続的に減少させる。このようにすれば、上部電極層のＣｕ組成のみを連続的に変化させることができる。
【００６９】
逆に、第３の態様のようにＣｕプアな初期成長層を有する下部電極層を形成する場合、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを初期に低く設定し、ストイキオメトリー組成が得られるＲＦパワーまで連続的に増加させる。
【００７０】
また、第４の態様のように、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７におけるＢａサイトをＬａで置換した初期成長層を有する超電導層を形成するような場合、例えばターゲットとしてＹＢａ２．５Ｃｕ３．５Ｏ７およびＬａＢａＯ２．５を用い、それぞれのターゲットに投入するＲＦパワーや圧力条件などを適切に制御する。
【００７１】
【実施例】
実施例１
図１に示すように、上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、上部電極層のＣｕ組成を制御した。
【００７２】
基板１１上にＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７で表される膜厚約２００ｎｍの下部電極層１２をスパッタリングにより成膜した。下部電極層１２を構成するＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７のλＬは酸素欠損および（１００）配向粒を含まない良好な状態で約１５０ｎｍ程度である。したがって、インダクタンス制御のためには、下部電極層の膜厚は最低でも１５０ｎｍ以上であることが必要である。逆に、下部電極層の膜厚が厚過ぎると、接合Ｉｃが膜厚に比例して増大ししまうため好ましくない。これらの理由から、通常、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７下部電極層１２の超電導部分の膜厚は２００ｎｍ程度に設定される。下部電極層１２上に層間絶縁層１３をスパッタリングにより成膜した。層間絶縁層１３上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクとして層間絶縁層１３に対して第１段のイオンエッチングを行った。レジストパターンの残渣を除去した後、下部電極層１２に対して第２段のイオンエッチングを行った。これらのイオンエッチングにより、ランプエッジをなす層間絶縁層１３および下部電極層１２のパターンを形成した。このイオンエッチングにより下部電極層１２の表面にバリア層となる変質層が形成される。
【００７３】
次に、式（Ａ）ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙで表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１５ａと、式（Ｂ）ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。この上部電極層１５の成膜時に、図５（ａ）図示のスパッタリング装置を用い、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを図５（ｂ）に示すように制御した。
【００７４】
図６に、上部電極層１５の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す。初期成長層のＣｕ組成（ｗ）を基板側の３．１５から主成長層側の３．０まで連続的に変化させて、初期成長層１５ａの方が主成長層１５ｂよりもＣｕリッチとなるようにした。
【００７５】
上記のようにしてランプエッジ型のジョセフソン結合を形成した。上部電極層１５上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりレジストパターン（図示せず）を形成した。レジストパターンをマスクとして上部電極層１５をイオンエッチングすることにより上部電極層のパターンを形成した。その後、レジストパターンの残渣を除去した。また、金属電極の形成、酸化性雰囲気中でのアニールなどを行った。
【００７６】
原子分解能を有するフィールドエミッション型ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による上部電極層の構造解析の結果、組成および結晶構造が連続的に変化していることが判明した。
【００７７】
図７に、Ｙｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す。図７において、横軸はＣｕ組成（２．７〜３．３）を示し、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向膜のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００７８】
図７に示されるように、ＣｕリッチなＹｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になるとともに、結晶性が向上する（ＦＷＨＭが低下する）。このため、初期成長層上に形成される主成長層の結晶性も向上する。
【００７９】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．９６ｍＡ、Ｒｎ＝２．１２Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝４．３％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝１８．５％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【００８０】
上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．６７×１０−１２Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．１×１０−１２Ｈと比較して良好であった。
【００８１】
実施例２
図２に示すように、下部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層のＣｕ組成を制御した。
【００８２】
具体的には、式（Ｃ）ＹＢａ２ＣｕｘＯｙで表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｄ）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。
【００８３】
図８に、下部電極層１２の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す。初期成長層のＣｕ組成（ｘ）を基板側の２．９から主成長層側の３．０まで連続的に変化させて、初期成長層１２ａの方が主成長層１２ｂよりもＣｕプアとなるようにした。
【００８４】
ＴＥＭなどによる構造解析から、初期成長層と主成長層との界面において、銅の組成が一方向的かつ連続的に変化していることがわかった。
【００８５】
図９に、下部電極層１２の膜厚方向における接合Ｊｃの変化を示す。この図に示されるように、接合Ｊｃは初期成長層１２ａ内部で徐々に増加して主成長層１２ｂの値まで変化する。
【００８６】
図１０に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す。図１０において、横軸はＣｕ組成を示し、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向膜のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００８７】
図１０に示されるように、ＣｕプアなＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になる。このように初期成長層で（１００）配向粒の発生が著しく抑制されるので、下部電極層全体で（１００）配向粒の発生が抑制される。しかし、ＣｕプアなＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、結晶性が劣化する（ＦＷＨＭが増加する）。このため、良好に制御して形成された初期成長層の部分のインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉｃはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩｃ値の分散を低下させることができる。
【００８８】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝１．０１ｍＡ、Ｒｎ＝１．９Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝３．３％であった。下部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝１３．３％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【００８９】
実施例３
図２に示すように、下部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層の一部をＰｒで置換する制御を行った。
【００９０】
具体的には、式（Ｅ’）Ｙ１−ａＰｒａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（０＜ａ≦０．１０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｆ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。ここで、Ｙ１−ａＰｒａＢａ２Ｃｕ３ＯｙのＰｒ組成（ａ）が０．１を超えると固溶限界を超えるため、Ｐｒが実質的に固溶されなくなり、析出物の密度が著しく増大する。このため、初期成長層１２ａのＰｒ組成を０．１以下に設定している。
【００９１】
図１１に、下部電極層１２の膜厚方向におけるＰｒの組成変化を示す。初期成長層のＰｒ組成（ａ）を基板側の０．１０から主成長層側の０まで連続的に変化させた。
【００９２】
図１２に、Ｙ１−ａＰｒａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ超電導層について結晶配向性のＰｒ組成依存性を示す。図１２において、横軸はＰｒ組成としてａの値を示している。また、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００９３】
図１２に示されるように、Ｐｒが固溶した初期成長層を用いた場合、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になるとともに、結晶性が向上する（ＦＷＨＭが低下する）。このため、初期成長層上に形成される主成長層の結晶性も向上する。また、Ｐｒの固溶により超電導特性が抑制されて初期成長層のλＬが長くなる。この結果、良好に制御して形成された初期成長層のインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉｃはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩｃ値の分散を低下させることができる。
【００９４】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．９３ｍＡ、Ｒｎ＝３．７Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝４．５％であった。下部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝２０．９％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。図１３に、本実施例で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す。
【００９５】
下部電極層は、Ｔｃが９０Ｋゼロ抵抗、配線部分の巨視的臨界電流密度としてのＪｃが４．２Ｋにおいて５×１０７Ａｃｍ−２であり、初期成長層によるＴｃおよびＪｃが低下するという影響は見られなかった。
【００９６】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．９×１０−１２Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．５×１０−１２Ｈと比較して良好であった。
【００９７】
本実施例においては、Ｌ１としてイットリウム（Ｙ）を、Ｍ１としてプラセオジム（Ｐｒ）を用いているが、他の金属元素を用いた例でも上記と同様の効果が確認されている。
【００９８】
実施例４
図１に示すように、上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、上部電極層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【００９９】
具体的には、式（Ｇ’）ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ（０＜ｂ≦０．０９）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１５ａと、式（Ｈ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。ここで、ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３ＯｙのＮｄ組成（ｂ）が０．０９を超えると上部電極層のＴｃが低下し始め、接合界面付近のＪｃに代表される超電導特性も同時に低下して、接合Ｉｃや接合Ｒｎの制御性にとって好ましくない。このため、初期成長層１５ａのＮｄ組成を０．０９以下に設定している。
【０１００】
図１４に、上部電極層１５の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す。初期成長層のＮｄ組成（ｂ）を基板側の０．０９から主成長層側の０まで連続的に変化させた。
【０１０１】
図１５に、ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ超電導層について結晶配向性および臨界温度ＴｃのＮｄ組成依存性を示す。図１５において、横軸はＮｄ組成としてｂの値を示している。また、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率を示すとともに、臨界温度Ｔｃを示している。
【０１０２】
図１５に示されるように、初期成長層にＮｄが固溶している場合、（１００）配向粒の体積分率は単調に減少する。ただし、ｂ≧０．１０では、Ｔｃに代表される超電導特性が低下する。本実施例においては、初期成長層に０＜ｂ≦０．９０の範囲のＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ超電導層を用いることにより、上部電極層全体の結晶性を良好にすることができる。
【０１０３】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．９６ｍＡ、Ｒｎ＝２．１２Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝４．３％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝１８．５％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【０１０４】
上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．６７×１０−１２Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．１×１０−１２Ｈと比較して良好であった。
【０１０５】
実施例５
図３に示すように、下部電極層および上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層および上部電極層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【０１０６】
具体的には、式（Ｇ’）ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ（０．１０≦ｂ≦０．２０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｈ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。また、実施例４と同様の初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。
【０１０７】
ここで、ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ下部電極層を形成する場合、Ｔｃの低下などによる接合Ｉｃや接合Ｒｎなどへの影響を上部電極層ほど考慮する必要がない。また、ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３ＯｙにおいてもＮｄ組成の上昇に伴い、初期成長層およびその上に成長する主成長層の結晶性が向上する。このため、下部電極層１２の初期成長層１２ａのＮｄ組成を、上部電極層１５の初期成長層１５ａのＮｄ組成（０＜ｂ≦０．９０）よりも高くすることがむしろ好ましい。このため、本実施例では下部電極層１２の初期成長層１２ａのＮｄ組成を０．１０≦ｂ≦０．２０に設定している。
【０１０８】
図１５に示されるように、Ｎｄ≧０．１０以上の組成領域においても（１００）配向粒の発生が抑制されるが、Ｎｄ≧０．１０以上の組成領域においてはＴｃが単調に低下することに代表されるように、超電導特性が著しく低下し、初期成長層のλＬが長くなる。この結果、良好に制御して形成された初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉｃはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩｃ値の分散を低下させることができる。
【０１０９】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．８５ｍＡ、Ｒｎ＝３．２２Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝２．９％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩｃを持つ接合ではＩｃの標準偏差σ＝２５．０％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。図１６に、本実施例で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す。
【０１１０】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．７５×１０−１２Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５６×１０−１２Ｈであり、組成制御せずに形成された下部電極層のＬ□＝１．５×１０−１２Ｈ、上部電極層のＬ□＝１．１×１０−１２Ｈと比較して良好であった。
【０１１１】
実施例６
図４に示すように、グランドプレーン層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、グランドプレーン層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【０１１２】
具体的には、式（Ｉ’）ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ（０＜ｂ≦０．０９）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層２１ａと、式（Ｊ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１をスパッタリングにより形成した。図１７に、グランドプレーン層２１の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す。初期成長層のＮｄ組成（ｂ）を基板側の０．０５から主成長層側の０まで連続的に変化させた。接合を形成する下部電極層および上部電極層は実施例５と同様に形成した。
【０１１３】
本実施例で形成されたグランドプレーン層２１の最表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、平坦性が著しく向上することが明らかとなった。すなわち、グランドプレーン層２１の表面粗さＲａ（ａｖｅｒａｇｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）は０．９ｎｍとなり、組成制御を行わずに形成した場合のＲａ＝３ｎｍに比較して平坦性が著しく向上していた。また、グランドプレーン層２１の平坦性が向上したことに伴い、その上に形成される下部電極層、層間絶縁層および上部電極層の平坦性も著しく向上することがわかった。
【０１１４】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．９５ｍＡ、Ｒｎ＝３．６Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝２．５％であった。
【０１１５】
図１８に、本実施例に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１ウェハー内２０接合のＩｃバラツキを比較した結果を示す。本実施例に従って組成制御を行った場合の標準偏差はσ＝１．０％であり、組成制御なしの場合の２１％と比較して著しく向上した。
【０１１６】
また、適宜構成されたＳＱＵＩＤ回路パターンの動作から、グランドプレーン層において（１００）配向粒の発生が抑制され、平坦性、結晶性などの薄膜の構造的品質も同時に向上されているので、グランドプレーン層のλＬ自体を低下できることも明らかとなった。これにより、下部電極層および上部電極層のインダクタンスをさらに低下させることが可能となる。
【０１１７】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５５×１０−１２Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．４７×１０−１２Ｈであった。
【０１１８】
実施例７
図４に示すように、グランドプレーン層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、グランドプレーン層のＣｕ組成を制御した。
【０１１９】
具体的には、式（Ｋ’）ＹＢａ２ＣｕｘＯｙ（２．６５≦ｂ＜３．０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層２１ａと、式（Ｎ’）ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１をスパッタリングにより形成した。初期成長層のＣｕ組成（ｘ）を基板側の２．９１から主成長層側の３．０まで連続的に変化させた。接合を形成する下部電極層および上部電極層は実施例５と同様に形成した。
【０１２０】
本実施例で形成されたグランドプレーン層２１の最表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、Ｒａ＝１．０ｎｍであり、組成制御を行わずに形成した場合と比較して著しく向上した。
【０１２１】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉｃ＝０．８３ｍＡ、Ｒｎ＝３．４５Ωが得られた。また、Ｉｃの標準偏差σ＝２．３％であった。
【０１２２】
また、本実施例に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１０ウェハーのウェハー間におけるＩｃバラツキを比較した結果、本実施例ではＩｃバラツキ低減に効果があることも判明した。
【０１２３】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５９×１０−１２Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５０×１０−１２Ｈであった。
【０１２４】
【発明の効果】
以上記述のように本発明によれば、配線部分のインダクタンスを低減するとともに接合間におけるＩｃの分散を抑制して、良好な特性を示す超電導素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図２】本発明の第２および第３の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図３】本発明の他の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図４】本発明の他の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図５】ＲＦスパッタリング装置の模式図、およびターゲットに投入するＲＦパワーの変化を示す図。
【図６】実施例１の超伝導素子について上部電極層の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す図。
【図７】Ｙｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す図。
【図８】実施例２の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す図。
【図９】実施例２の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向における接合Ｊｃの変化を示す図。
【図１０】Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す図。
【図１１】実施例３の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向におけるＰｒの組成変化を示す図。
【図１２】Ｙ１−ａＰｒａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ超電導層について結晶配向性のＰｒ組成依存性を示す図。
【図１３】実施例３で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す図。
【図１４】実施例４の超伝導素子について上部電極層の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す図。
【図１５】ＹＢａ２−ｂＮｄｂＣｕ３Ｏｙ超電導層について結晶配向性および臨界温度ＴｃのＮｄ組成依存性を示す図。
【図１６】実施例５で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す図。
【図１７】実施例６の超伝導素子についてグランドプレーン層の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す図。
【図１８】実施例６に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１ウェハー内２０接合のＩｃバラツキを比較した結果を示す図。
【符号の説明】
１１…基板、１２…下部電極層、１２ａ…初期成長層、１２ｂ…主成長層、１３…層間絶縁膜、１４…バリア層、１５…上部電極層、１５ａ…初期成長層、１５ｂ…主成長層、２１…グランドプレーン層、２１ａ…初期成長層、２１ｂ…主成長層、２２…層間絶縁層、５１…ヒーター、５２…ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏ７ターゲット、５３…Ｃｕターゲット、５４ａ、５４ｂ…マッチングボックス、５５ａ、５５ｂ…ＲＦ電源。
Claims (6)
- 基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記上部電極層が、下記式（Ａ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｂ）で表される組成を有する主成長層と
ＹｂＢａ２ＣｕｗＯｙ …（Ａ）
ＹｂＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｂ）
（ここで、３．０＜ｗ≦３．４５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする超電導素子。 - 基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記下部電極層が、下記式（Ｃ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｄ）で表される組成を有する主成長層と
ＹＢａ２ＣｕｘＯｙ …（Ｃ）
ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｄ）
（ここで、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする超電導素子。 - 基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記下部電極層が、下記式（Ｅ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｆ）で表される組成を有する主成長層と
Ｌ１１−ａＭ１ａＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ …（Ｅ）
Ｌ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｆ）
（ここで、Ｌ１はＹｂ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｍ、ＮｄおよびＬａからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ１はＣｅおよびＰｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ａ≦０．２、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする超電導素子。 - 基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記下部電極層および上部電極層のうち少なくとも一方が、下記式（Ｇ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｈ）で表される組成を有する主成長層と
Ｌ２Ｂａ２−ｂＭ２ｂＣｕ３Ｏｙ …（Ｇ）
Ｌ２Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｈ）
（ここで、Ｌ２とＭ２の組み合わせはＹｂとＮｄ、ＹとＮｄ、ＹとＬａ、ＹとＰｒ、ＳｍとＮｄおよびＮｄとＬａのいずれかであり、０＜ｂ≦０．２０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする超電導素子。 - 基板と、基板上に形成された酸化物超電導体のグランドプレーン層と、グランドプレーン層上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｉ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｊ）で表される組成を有する主成長層と
Ｌ３Ｂａ２−ｂＭ３ｂＣｕ３Ｏｙ …（Ｉ）
Ｌ３Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｊ）
（ここで、Ｌ３はＹおよびＹｂからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ３はＰｒ、ＬａおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ｂ≦０．１０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導素子。 - 基板と、基板上に形成された酸化物超電導体のグランドプレーン層と、グランドプレーン層上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｋ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｎ）で表される組成を有する主成長層と
Ｌ４Ｂａ２ＣｕｘＯｙ …（Ｋ）
Ｌ４Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ’ …（Ｎ）
（ここで、Ｌ４はＹ、ＳｍおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導素子。
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