JP2616745B2 - 超伝導層間のコンタクト構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超伝導層間のコンタクト
構造及びその製造方法に係り、特に高温超伝導体を用い
た回路における高温超伝導層同士のコンタクトの構造と
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より知られている多層構造を有する
高温超伝導回路における高温超伝導層間のコンタクト構
造としては、層間絶縁層にコンタクトホールを開けて行
うことが一般的である（例えば、アプライド・フィジッ
クス・レターズ、第５９巻第３０５１頁、１９９１）。

【０００３】図４はこの従来の高温超伝導層間のコンタ
クト構造の一例の断面図を示す。同図に示すように、基
板１０上の第１の超伝導層１１と第２の超伝導層１２が
層間絶縁層１３を挟んだ構造を有しているが、第１の超
伝導層１１と第２の超伝導層１２間の超伝導コンタクト
は、層間絶縁層１３にコンタクトホール１４を開け、そ
こで第１の超伝導層１１と第２の超伝導層１２を直接接
触させることにより行っている。

【０００４】また、従来より図５の断面図に示すよう
に、コンタクトホールを第１の超伝導層１１を含む深さ
に開け、第１の超伝導層１１のエッジの傾斜面を用いて
コンタクトをとる方法が提案されている（特開平２−７
７１７７号公報）。すなわち、この従来のコンタクト構
造によれば、図５に示すように、ａｂ面内に伸びた酸化
物超伝導層配線内に設けられた電気的コンタクト部にお
いて、コンタクトホール１４を層間絶縁層１２と第１の
超伝導層１１に開け、第１の超伝導層１１のａｂ面に対
して斜めに切断された面で第２の超伝導層１２を接触さ
せた構造である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
のコンタクト構造では、コンタクトホールのパターニン
グ工程と加工工程とが少なくとも必要であり、プロセス
が煩雑である。

【０００６】高温超伝導回路ではエッジ接合と呼ばれる
ジョセフソン接合がよく用いられる。図６はこのエッジ
接合の断面図を示す。同図に示すように、このエッジ接
合は下部電極２１をその上の層間絶縁層２３と共に加工
し、下部電極２１のエッジ２４を露出させ、このエッジ
２４に常伝導体又は絶縁体からなるトンネルバリア２５
を介して上部電極２２を形成し、下部電極２１と上部電
極２２との間でジョセフソン効果を生ぜしめるタイプの
ジョセフソン接合である。

【０００７】このエッジ接合を用いた回路においても、
下部電極２１と上部電極２２を超伝導ショートさせるコ
ンタクトが必要になる場合がある。この場合、下部電極
２１と上部電極２２は同一平面上にあるため、下部電極
２１と上部電極２２とのコンタクトにおいて図４及び図
５に示した従来のコンタクト構造におけるコンタクトホ
ール１４を必ずしも設ける必要がないという特長があ
る。

【０００８】しかし、通常トンネルバリア２５界面の汚
染を防止する目的で、トンネルバリア２５と上部電極２
２は連続成膜、連続加工するため、下部電極２１と上部
電極２２との間にトンネルバリア２５が存在し、平面上
のコンタクトや緩やかな斜面上でのコンタクトでは、ト
ンネルバリア２５のためにコンタクトの臨界電流密度は
非常に小さくなり、必要とする程度の臨界電流密度を得
るためには、広いコンタクト面積が必要になる。

【０００９】また、図５に示すコンタクトホール１４の
斜面が急峻であると、コンタクトホール１４に導入され
る部分の第２の超伝導層１２の超伝導特性が低下し、結
果としてコンタクトホール１４での臨界電流密度が減少
する。従って、この場合にも広いコンタクト面積が必要
になる。高温超伝導集積回路はインダクタンスを可能な
限り小さくしなければならない場合が多く、このため上
記の広いコンタクト面積の必要性は回路構成上重大な問
題となる。

【００１０】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
エッジ接合を用いた超伝導層間のコンタクト構造のコン
タクト面積の縮小及びプロセスの簡略化を実現し得る超
伝導層間のコンタクト構造及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、第１の超伝導層に形成された第１のエッジ
上に、常伝導体若しくは絶縁体からなるトンネルバリア
を介して第２の超伝導層が結合されたエッジ接合を有す
ると共に、エッジ接合を構成する第１のエッジよりも急
峻な傾斜角を有する第２のエッジを第１の超伝導層に形
成し、第２のエッジ上に第２の超伝導層を配置したもの
である。

【００１２】また、本発明は第１及び第２のエッジは、
それぞれ第１の超伝導層の反対側面に形成されているこ
とを特徴とする。

【００１３】更に、本発明は第２のエッジ上のトンネル
バリアの膜厚を、第１のエッジ上のトンネルバリアの膜
厚よりも薄く形成されているように構成したものであ
る。

【００１４】また、請求項４記載の発明になるコンタク
ト構造の製造方法は、基板上に第１の超伝導層と層間絶
縁層とが順次に積層され、かつ、層間絶縁層上の所定領
域にレジストマスクが形成された基板を固定した状態
で、斜め上方からイオンビームを照射してイオンビーム
エッチングを行い、層間絶縁層及び第１の超伝導層上に
それぞれ互いに異なる傾斜の第１及び第２のエッジを形
成する第１の工程と、第１の工程により形成された第１
及び第２のエッジと層間絶縁層上に常伝導体若しくは絶
縁体からなるトンネルバリア層及び第２の超伝導層を連
続成膜する第２の工程と、第１及び第２のエッジを少な
くとも含む部分にトンネルバリア層及び第２の超伝導層
が配置されるよう連続加工を施す第３の工程とを含むよ
うにしたものである。

【００１５】ここで、上記第２の工程は、第１及び第２
のエッジのうち急峻な傾斜の方の第２のエッジに成長す
るトンネルバリアの膜厚が、緩やかな傾斜の方の第１の
エッジに成長するトンネルバリアの膜厚よりも薄くなる
方向に基板の角度を調整してトンネルバリアの成長を行
うことが、急峻な傾斜の第２のエッジ上のトンネルバリ
アの膜厚をより薄くできる点で望ましい。

【００１６】

【作用】エッジ接合の下部電極と上部電極のコンタクト
の場合、平面上又は緩やかな斜面上でのコンタクトでは
間にトンネルバリアが存在するため、コンタクトの臨界
電流密度はエッジ接合と同程度又はそれ以下になる。し
かし、エッジ接合を構成するエッジより傾斜が急峻な面
で下部電極と上部電極とがコンタクトする場合、トンネ
ルバリアは通常５０ｎｍ以下であり、典型的な下部電極
の膜厚３００ｎｍに比べて十分に薄いため、トンネルバ
リアによる下部電極表面の被覆性はエッジ接合部に比べ
て低下する。

【００１７】このため、部分的に下部電極と上部電極が
直接接触する場所やトンネルバリアが他の部分より薄い
場所が発生する。高温超伝導層同士が完全にバリア無し
に結合した場合の臨界電流密度はエッジ接合の臨界電流
密度の１００〜１０００倍にも達する。従って、これら
の部分ではコンタクトの臨界電流密度は飛躍的に増加す
る。

【００１８】請求項１記載の発明では、エッジ接合を構
成する第１のエッジよりも急峻な傾斜角を有する第２の
エッジを第１の超伝導層に形成し、第２のエッジ上に第
２の超伝導層を配置するようにしたため、第１の超伝導
層の第２のエッジ上の第２の超伝導層とのコンタクト部
分ではコンタクトの臨界電流密度は飛躍的に増加させる
ことができる。

【００１９】また、エッジ接合においては図６に示すよ
うに、基板２０上に下部電極２１が設けられ、更に下部
電極２１上に層間絶縁層２３が設けられ、これらに形成
された緩やかなエッジ２４上にトンネルバリア２５を介
して上部電極２２が形成された構成であり、下部電極２
１と上部電極２２とは同一平面上にある。このため、従
来のコンタクト構造のようなコンタクトホールを設ける
必要がなく、エッジ接合部と同様に下部電極２１のエッ
ジ２４上に上部電極２２を配置することでコンタクトを
形成できる。この際、コンタクト部になるエッジの斜面
がエッジ接合部の斜面より急峻であれば、上記の効果が
期待できる。

【００２０】図６に示したエッジ接合の作成において
は、基板２０を固定した状態でイオンビームを斜めから
照射して下部電極２１の高温超伝導薄膜をエッチング
し、所望の傾斜を持ったエッジを形成する。図３はこの
ときのイオンビーム入射角と代表的な高温超伝導体であ
るイットリウム・バリウム・銅酸化物

【００２１】

【外１】 以下「ＹＢＣＯ」と記す）に実際に形成されるエッジの
傾斜角との関係を示す。

【００２２】図３の角度は基板から測定した角度であ
り、基板の法線方向が９０°である。丸印の特性Ｉはエ
ッジがレジストマスクによってイオンビームから影にな
る側の傾斜角であり、比較的緩やかな傾斜角が得られる
ことからエッジ接合はこちら側のエッジに形成される。
一方、四角印の特性IIはその反対側のレジストマスクに
よってイオンビームから隠されないエッジの傾斜角であ
る。典型的な場合、エッジ接合部にはイオンビーム入射
角３０°の場合のエッジ傾斜角７°の特性IIが用いられ
る。このとき、反対側（特性Ｉ）の傾斜角は約３０°と
なり、エッジ接合部と比べて急峻である。

【００２３】また、コンタクトを構成するエッジにエッ
ジ接合を構成するエッジよりトンネルバリアが薄く成長
する方向に基板角度を調整し、トンネルバリアの成長を
行うことにより、コンタクト部での下部電極に対するト
ンネルバリアの被覆性を一層低下させることができる。

【００２４】以上のことから、エッジ接合を有する回路
ではエッジ接合部と反対面のより急峻なエッジ上にコン
タクトを形成することやトンネルバリア成膜時の基板角
度を調整することで、下部電極上のトンネルバリアの被
覆性を低下させることができ、臨界電流密度が高いより
優れた超伝導コンタクトがコンタクトホールを設けるこ
となしに得られる。

【００２５】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面と共に説
明する。図１は本発明になる超伝導層間のコンタクト構
造の一実施例の断面図を示す。基板１０上にエッジ接合
の下部電極である第１の超伝導層１１が３００ｎｍの膜
厚で形成されている。第１の超伝導層１１は、ビーム入
射角３０°のイオンビームエッチングで加工され、図
中、左側に傾斜角７°の緩やかなエッジ１６が形成さ
れ、右側に傾斜角３０°の急峻なエッジ１７が形成され
ている。

【００２６】それぞれのエッジ１６及び１７上には平坦
部での膜厚が２０ｎｍであるトンネルバリア１５を介し
てエッジ接合の上部電極である第２の超伝導層１２が４
００ｎｍの膜厚で形成されている。また、第１の超伝導
層１１上には層間絶縁層１３が形成されている。ここ
で、第１及び第２の超伝導層１１及び１２は、ＹＢＣＯ
であり、基板１０と層間絶縁層１３はチタン酸ストロン
チウム（ＳｒＴｉＯ_３、以下、「ＳＴＯ」と記す）であ
る。また、トンネルバリア１５はプラセオジウム・バリ
ウム・銅酸化物

【００２７】

【外２】 であるが、ノーマルのＹＢＣＯ等の他の常伝導体やＳＴ
Ｏ等の絶縁体を用いることもできる。

【００２８】エッジ１６にはトンネルバリア１５を介し
て第１の超伝導層１１と第２の超伝導層１２が緩く結合
したエッジ接合部１８、すなわちジョセフソン接合が構
成されている。一方、エッジ１７にもトンネルバリア１
５を介して第１の超伝導層１１と第２の超伝導層１２が
結合したエッジ接合部１９、すなわちジョセフソン接合
が構成されているが、これらはエッジ１７の傾斜が急峻
であるため、トンネルバリア１５による第１の超伝導層
１１の被覆性が低く、第１の超伝導層１１と第２の超伝
導層１２との間の超伝導臨界電流密度はエッジ接合部１
８に比べてずっと大きくなる。このため、エッジ接合部
１９は良好なコンタクト部を構成することとなる。

【００２９】次に、本発明になる超伝導層間のコンタク
ト構造の製造方法について説明する。図２は本発明にな
る超伝導層間のコンタクト構造の製造方法の一実施例の
工程説明図を示す。本実施例では、図２（ａ）におい
て、ＳＴＯからなる基板１０上に、ＹＢＣＯからなる第
１の超伝導層１１とＳＴＯからなる層間絶縁層１３がそ
れぞれ３００ｎｍの膜厚で積層され、更に層間絶縁層１
３上の所定領域にレジストマスク３０が設けられてい
る。

【００３０】この構成の基板１０を固定した状態で、イ
オンビーム入射角３０°の条件で図２（ａ）に示す如
く、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビーム３１を照射す
ると、イオンビーム３１がレジストマスク３０を介さず
に直接衝突する層間絶縁層１３とその下の第１の超伝導
層１１は、図２（ｂ）に示すように衝突時の衝撃により
削り取られて急峻な（傾斜角３０°）エッジ１７が形成
される。

【００３１】一方、レジストマスク３０の影になる部分
にはレジストマスク３０の存在により、層間絶縁層１３
とその下の第１の超伝導層１１には、図２（ｂ）に示す
ように緩やかな（傾斜角７°）エッジ１６が形成され
る。

【００３２】続いて、公知の手段によりレジストマスク
３０を除去した後、蒸着等により平坦部での膜厚が２０
ｎｍであるトンネルバリア１５及び平坦部での膜厚が４
００ｎｍである第２の超伝導層１２を連続成膜する。そ
の後、図２（ｃ）に示すように、イオンビームエッチン
グにより第２の超伝導層１２及びトンネルバリア１５を
連続加工する。

【００３３】このとき、緩やかなエッジ１６上では第１
の超伝導層１１と第２の超伝導層１２との間にトンネル
バリア１５が存在するため、エッジ接合部１８が形成さ
れる。一方、エッジ接合部１８を構成するエッジ１６よ
り傾斜が急峻なエッジ１７上では、第１の超伝導層１１
と第２の超伝導層１２の間のトンネルバリア１５は２０
ｎｍと第１の超伝導層１１の膜厚３００ｎｍに比べて十
分に薄いため、トンネルバリア１５による表面の被覆性
は低下しており、よってエッジ１７上には第１の超伝導
層１１と第２の超伝導層１２の間の臨界電流密度が大き
なコンタクト部１９を形成できる。このようにして、図
１に示した断面構造のコンタクト構造が製造される。

【００３４】なお、トンネルバリア１５の成膜時に基板
１０を図２（ｂ）中、例えば４５°時計方向に回動する
と、エッジ接合部１８となるエッジ１６は蒸着源の方を
向くが、コンタクト部となるエッジ１７は蒸着源から影
となるため、エッジ１７上のトンネルバリア１５の膜厚
はエッジ１６上の膜厚よりも更に薄く成長させることが
でき、よって、エッジ１７上でのトンネルバリア１５に
よる第１の超伝導層１１の被覆性を更に低下させること
ができる。このことにより、コンタクト部となるエッジ
接合部１９での臨界電流密度は更に向上する。

【００３５】以上説明したように、本実施例によれば、
エッジ接合を用いた回路において、エッジ接合の反対側
にある急峻な斜面をコンタクト部として用いることがで
きる。また、本実施例はコンタクトホールを開口する必
要がないため、プロセスが簡単である。また、コンタク
トホールを設ける場合に比べてコンタクト面積を大幅に
縮小することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の超伝導層に緩やかなエッジと急峻なエッジを形成
し、第１の超伝導層上に形成されるトンネルバリアの膜
厚を急峻なエッジ上で薄くできることから、急峻なエッ
ジ上でのトンネルバリアの被覆性を低下させることがで
き、よってこの急峻なエッジ上に臨界電流密度が高い優
れた第１及び第２の超伝導層間のコンタクト部を形成で
き、かつ、このコンタクト部をコンタクトホールを設け
ることなしに得られる。よって、本発明によれば、コン
タクトホールを用いる場合に比べてプロセスが簡単にな
り、また、コンタクト面積も縮小するため、回路の面積
も縮小でき、回路のインダクタンスも縮小できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構造断面図である。

【図２】本発明製造方法の一実施例の工程説明図であ
る。

【図３】本発明の作用を説明するＹＢＣＯエッジ傾斜角
のイオンビーム入射角依存性を示す図である。

【図４】従来の一例の構造断面図である。

【図５】従来の他の例の構造断面図である。

【図６】発明が解決すべき課題を説明するためのエッジ
接合の断面図である。

【符号の説明】

１０ 基板 １１ 第１の超伝導層 １２ 第２の超伝導層 １３ 層間絶縁層 １５ トンネルバリア １６ 緩やかなエッジ １７ 急峻なエッジ １８ エッジ接合部 １９ コンタクト部 ３０ レジストマスク ３１ イオンビーム

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の超伝導層に形成された第１のエッ
   ジ上に、常伝導体若しくは絶縁体からなるトンネルバリ
   アを介して第２の超伝導層が結合されたエッジ接合を有
   すると共に、前記エッジ接合を構成する前記第１のエッ
   ジよりも急峻な傾斜角を有する第２のエッジを前記第１
   の超伝導層に形成し、該第２のエッジ上に前記第２の超
   伝導層を配置したことを特徴とする超伝導層間のコンタ
   クト構造。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２のエッジは、それぞれ
   前記第１の超伝導層の反対側面に形成されていることを
   特徴とする請求項１記載の超伝導層間のコンタクト構
   造。
3. 【請求項３】 前記第２のエッジ上の前記トンネルバリ
   アの膜厚は、前記第１のエッジ上の前記トンネルバリア
   の膜厚よりも薄く形成されていることを特徴とする請求
   項１記載の超伝導層間のコンタクト構造。
4. 【請求項４】 基板上に第１の超伝導層と層間絶縁層と
   が順次に積層され、かつ、該層間絶縁層上の所定領域に
   レジストマスクが形成された前記基板を固定した状態
   で、斜め上方からイオンビームを照射してイオンビーム
   エッチングを行い、前記層間絶縁層及び前記第１の超伝
   導層上にそれぞれ互いに異なる傾斜の第１及び第２のエ
   ッジを形成する第１の工程と、 前記第１の工程により形成された前記第１及び第２のエ
   ッジと前記層間絶縁層上に常伝導体若しくは絶縁体から
   なるトンネルバリア層及び前記第２の超伝導層を連続成
   膜する第２の工程と、 前記第１及び第２のエッジを少なくとも含む部分に前記
   トンネルバリア層及び前記第２の超伝導層が配置される
   よう連続加工を施す第３の工程とを含むことを特徴とす
   る超伝導層間のコンタクト構造の製造方法。
5. 【請求項５】 前記第２の工程は、前記第１及び第２の
   エッジのうち急峻な傾斜の方の前記第２のエッジに成長
   する前記トンネルバリア層の膜厚が、緩やかな傾斜の方
   の前記第１のエッジに成長する前記トンネルバリア層の
   膜厚よりも薄くなる方向に前記基板の角度を調整して前
   記トンネルバリア層の成長を行うことを特徴とする請求
   項４記載の超伝導層間のコンタクト構造の製造方法。