JP2708673B2 - 超伝導薄膜縦型接合素子の製造方法 - Google Patents

超伝導薄膜縦型接合素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はLnBaCu
超伝導薄膜を用いた超伝導薄膜縦型接合素子の製造方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】1986年に発見されたLa1−x
CuO4−y(M:Sr、Ba、0<x<1)は、超伝
導転移温度Tcが30〜40Kと従来の金属超伝導体の
と比較して著しく高いことから、酸化物超伝導体の
探索が進められ、T〜90Kを有するLnBaCU
酸化物超伝導体(Ln:Yあるいはランタニド元
素のうち超伝導となるもの)、T〜110Kを有する
BiSrCaCuO系酸化物超伝導体、T〜120
Kを有するTlBaCaCuO系酸化物超伝導体の発
見が相次いだ。
【0003】これらの高温超伝導体の中で、特にYBa
Cuを用いたトンネル接合素子が各種報告され
ている。これらの接合は平面型接合と縦型接合の2種類
に分類できる。
【0004】平面型接合の場合は下地材料の材料もしく
は面内軸方位を変えることにより、その上部に堆積した
YBaCu薄膜の面内配向方向を変えた部分と
変えていない部分との境界で生じる傾角粒界を接合とす
る方法がある。ところが、この傾角粒界接合方法では、
その接合面に人工的な絶縁層を作製できないため、接合
の漏れ電流が多くなる、ヒステリシスを持つジョセフソ
ン接合ができないという問題があった。
【0005】一方、縦型接合では薄膜平面内に超伝導電
流の流れ易いc−軸配向膜を電極に用いると接合部はコ
ヒーレンス長の短いc−軸方向となり、作製した接合に
超伝導電流が流れないという重大な問題が生じ、また一
方、接合面方向にコヒーレンス長が長く、超伝導電流が
流れ易いa−軸配向膜を用いると逆に薄膜平面内に電流
が流れにくく、電流密度低くなるため、配線が太くな
り、微細化できないという重大な問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、配線の微細
化と接合面積の微少化を実現した超伝導薄膜縦型接合素
子の製造方法を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の超伝導薄膜縦型
接合素子の製造方法は、上下のLnBaCuOx層
(LnはYあるいはランタニド元素のうち超伝導となる
もの)が絶縁薄膜を介して接合されている超伝導縦型接
合素子の製造方法において、前記上下2層のLnBa
CuOx層の少なくとも一方を形成する工程が、前記
接合となる部分に、LnBaCuOxとの格子不整
合率が0.3%以下、配線となる部分に、LnBa
Oxとの格子不整合率が1.1%以上である異なる
二種類以上の材料を相隣接させて形成する工程と、その
上に715℃以上770℃以下の温度でLnBaCu
Ox層を堆積し、前記格子不整合率が0.3%以下の
材料上にa軸配向したLnBaCuOx層を、前記
格子不整合率が1.1%以上の材料上にc軸配向したL
nBaCuOx層を相隣接して形成する工程とを有
することを特徴とする。
【0009】
【作用】本発明ではLnBaCu超伝導薄膜内
の所望の箇所の配向軸方向を他の薄膜内と異ならせ、コ
ヒーレンス長の長い方向を持つ部分を縦型接合の接合部
とし、接合部以外の配線部ではコヒーレンス長の長い方
向を平面内に持つことを最も主要な特徴とする。
【0010】従来技術に比べ、LnBaCu
の格子不整合率が基板材料と異なる材料を一箇所もしく
は複数箇所の堆積した基板上に堆積したLnBaCu
超伝導薄膜において、元々の基板材料上にあるか
または基板上に堆積した材料上にあるかにより、超伝導
薄膜の配向軸を変化させることができるため、従来でき
なかった配線部分となる領域ではc−軸配向すなわち、
電流の流れ易いa/b面を薄膜表面内に持ち、一方接合
の下部電極となる領域ではa−軸配向、すなわち、電流
の流れ易いa/b面を薄膜と垂直方向に持つ薄膜を作製
できるため、従来できなかった配線の細線化と接合面積
の微小化を同時に実現できる点が異なる。
【0011】
【実施例】実施例1を説明する前に、本発明に密接に関
連する実験事実を説明する。図1は基板材料MgO、S
rTiO、LaSrGaO、PrGaO、NdG
aO、LaAlO、YAlOなどのYBaCu
超伝導体との格子不整合率が異なる基板上にYB
Cu超伝導薄膜を作製した時の薄膜の結晶学
的配向軸の基板温度依存性を求めたものであり、図中、
aはa−軸配向、cはc−軸配向、a+cはa−軸配向
とc−軸配向が混在する薄膜の成長する領域である。
【0012】図から基板温度が同じであっても異なる基
板上ではYBaCu超伝導薄膜の結晶方位(配
向)は基板格子の不整合率で決まり、不整合率が大きい
ときはYBaCu超伝導薄膜はc−軸配向とな
り、不整合率が小さいときはYBaCu超伝導
薄膜はa−軸配向となることを示している。すなわち、
例えば、NdGaO(YBaCuとの格子不
整合率が0.3%)とSrTiO(同1.1%)が表
面に存在する下地上に、図1に示した点線の堆積温度で
YBaCu薄膜を堆積すれば、NdGaO
に蒸着されたYBaCu薄膜はa−軸配向とな
り、一方SrTiO上に蒸着されたYBaCu
薄膜はc−軸配向となることを示している。
【0013】なお、ここで、格子不整合率Mは、次式に
より表される。
【0014】 M=(α−β)/{(α+β)/2} α:一方の単結晶のa軸あるいはb軸方向の格子定数 β:他方の単結晶のa軸あるいはb軸方向の格子定数 (実施例1) この実験事実を基に、図2をもって、本発明の実施例1
を説明する。この図は本発明による縦型超伝導接合を説
明する断面図であって、図中1はNdGaO基板、2
はSrTiO薄膜、3は下部電極のc−軸配向YBa
Cu薄膜、4は下部電極のa−軸配向YBa
Cu薄膜、5はバリヤ層のSrTiO薄膜、6
はSrTiO層間絶縁膜、7は上部電極のc−軸配向
YBaCu薄膜である。図2は超伝導薄膜縦型
接合素子の断面図である。接合部に着目すると上部電極
7、バリヤ層5と下部電極4が超伝導体/絶縁体/超伝
導体のSIS構造を作っている。ここで、超伝導配線3
はc−軸配向膜(コヒーレンス長の短い方向であるc軸
が基板面に垂直)、下部電極4はa−軸配向膜(コヒー
レンス長の短い方向であるc軸が平面内)である。この
素子を動作させるには電流を超伝導配線3より流し、接
合部である下部電極4、バリヤ層5、上部電極7に至ら
せる。この時、超伝導配線3中は電流は面内に流れやす
く、下部電極4では面内と垂直に流れ易くなっているこ
とに特徴がある。
【0015】次に、図3から図6をもって実施例1の素
子の作製例を説明する。これらの図中1から7は図2で
説明したものと同じであり、8はマスク材である。図3
は例えば、YBaCuとの格子不整合率が0.
3%のNdGaO基板上にマスク材8を乗せた状態を
示している。次にマスクしたところ以外の部分に例え
ば、YBaCuとの格子不整合率が1.1%の
SrTiO2を堆積する。堆積後リフトオフ工程によ
りマスク材8を、その上のこのYBaCuとと
もに除去する。図3の状態からマスク材8を取り去った
ものが図4である。
【0016】次に図4の基板上全面にYBaCu
薄膜を図1の点線で示した基板温度例えば750℃で
堆積する。すると、図5に示したようにSrTiO
膜2上にはc−軸配向した下部電極YBaCu
薄膜3が堆積され、NdGaO上にはa−軸配向YB
Cu薄膜4が堆積される。次に全面にバリヤ
層となるSrTiO極薄膜5を堆積し、マスク材8を
超伝導接合となるa−軸配向YBaCu薄膜4
上に配置する。これが図6である。次にSrTiO
間絶縁膜6を堆積し、マスク材8を取り去り、上部電極
7を堆積したものが図2である。以上により接合部のみ
にa−軸配向の下部電極4を持つc−軸配向膜3が実現
できる。ここでは上部電極にc−軸配向膜を用いて説明
したが、c−軸以外の配向膜(例えば、<103>,<
110>,<100>等)に配向した膜を用いてもよ
い。接合部のみにa−軸配向の下部電極があれば効果が
あることは言うまでもない。
【0017】(実施例2) 図7をもって、本発明の実施例2を説明する。この図は
本発明による縦型超伝導接合の製法を説明する図であっ
て、図中3は下部電極のc−軸配向YBaCu
薄膜、6は層間絶縁膜のSrTiO薄膜、7は上部電
極のc−軸配向YBaCu薄膜、9はSrTi
基板、10はNdGaOバリヤ層薄膜、11は上
部電極のa−軸配向YBaCu薄膜である。図
7は超伝導薄膜縦型接合素子の断面図である。下部電極
3、バリヤ層10と上部電極8が超伝導体/絶縁体/超
伝導体のSIS構造を作っている。ここで、超伝導配線
7はc−軸配向膜(コヒーレンス長の短い方向であるc
軸方向が基板面に垂直)、上部電極11はa−軸配向膜
(コヒーレンス長の短い方向であるc軸方向が平面内)
である。この素子を動作させるには電流を超伝導配線7
より流し、接合部である上部電極11、バリヤ層10、
下部電極3に至らせる。この時、超伝導配線7中は電流
は面内に流れやすく、上部電極11では面内と垂直に流
れ易くなっていることに特徴がある。
【0018】次に、図8から図9をもって実施例2の素
子の作製例を示す。これらの図中8はマスク材である。
図8はSrTiO基板9上全面にYBaCu
薄膜3を堆積したものである。次に全面にバリヤ層とな
る極薄膜のNdGaO10を堆積し、マスク材8で接
合となる場所を覆う。これが図9である。次に層間絶縁
膜のSrTiO薄膜6を堆積し、マスク材8を取り去
ってYBaCu薄膜を図1の点線で示した基板
温度例えば750℃で堆積する。すると、図7に示した
ようにSrTiO薄膜6上にはc−軸配向した上部電
極YBaCu薄膜7が堆積され、NdGaO
上にはa−軸配向した上部電極YBaCu薄膜
11が堆積される。以上により接合となるバリヤ層10
の上部にのみa−軸配向した上部電極YBaCu
薄膜11が実現できる。ここでは下部電極にc−軸配
向膜を用いて説明したが、c−軸以外の配向膜(例え
ば、<103>,<110>,<100>等)に配向し
た膜を用いてもよい。接合部のみにa−軸配向の上部電
極があれば効果があることは言うまでもない。
【0019】(実施例3) 図10をもって本発明の実施例3を説明する。図中1は
NdGaO基板、2はSrTiO薄膜、3は下部電
極のc−軸配向YBaCu薄膜、4は下部電極
のa−軸配向YBaCu薄膜、6はSrTiO
層間絶縁膜、7は上部電極のc−軸配向YBaCu
薄膜、8はマスク、10はNdGaOバリヤ層
薄膜、11は上部電極のa−軸配向YBaCu
薄膜である。図10は超伝導薄膜縦型接合素子の断面図
である。下部電極3、バリヤ層10と上部電極11が超
伝導体/絶縁体/超伝導体のSIS構造を作っている。
ここで、超伝導配線2はc−軸配向膜(コヒーレンス長
の短い方向が基板面に垂直)、上部電極3はa−軸配向
膜(コヒーレンス長の短い方向が平面内)、超伝導配線
7はc−軸配向膜(電流の流れ易い方向が基板面に平
行)、上部電極11はa−軸配向膜(電流の流れ易い方
向が基板面に垂直)となっているところに特徴がある。
【0020】次に、図11から図14をもって実施例3
の作製例を示す。図11では例えば、YBaCu
との格子不整合率が0.3%のNdGaO基板上に
マスク材8を乗せた状態を示している。次にマスクした
ところ以外の部分に例えば、YBaCuとの格
子不整合率が1.1%のSrTiO2を堆積する。こ
の状態からマスク材8を取り去ったものが図12であ
る。図12の基板上全面にYBaCu薄膜を図
1の点線で示した基板温度例えば750℃で堆積する。
すると、図13に示したようにSrTiO薄膜2上に
はc−軸配向した下部電極YBaCu薄膜3が
堆積され、NdGaO上にはa−軸配向YBaCu
薄膜4が堆積される。次に全面にバリヤ層となる
極薄膜のNdGaO10を堆積し、マスク材8で接合
となる場所を覆う。これが図14である。次に層間絶縁
膜のSrTiO薄膜6を堆積し、マスク材8を取り去
ってYBaCu薄膜を図1の点線で示した基板
温度例えば750℃で堆積する。すると、図10に示し
たようにSrTiO薄膜6上にはc−軸配向した上部
電極YBaCu薄膜7が堆積され、NdGaO
上にはa−軸配向した上部電極YBaCu
膜11が堆積される。以上により、接合となるバリヤ層
10の上下となる接合電極部分のみがa−軸配向、接合
部以外の配線部分がc−軸配向膜からなる接合が実現で
きる。
【0021】(実施例4) 図15は実施例4を説明する図であって、図中1はNd
GaO基板、2はSrTiO薄膜、3は下部電極の
c−軸配向YBaCu薄膜、4は下部電極のa
−軸配向YBaCu薄膜である。実施例1及び
3における基板上のSrTiO薄膜2を堆積する前に
マスク8を用いて次に堆積するSrTiO薄膜2の膜
厚分だけエッチングにより掘り下げた点のみ異なる。こ
れにより接合となるa−軸配向部分と配線となるc−軸
配向部分との境界領域の接触面積を増大すなわち、電流
密度を向上させ、かつプロセスマージンを増大させる平
坦化を実現する付加的効果がある。ここでは下部電極の
埋め込みを例として説明したが、実施例2及び3で示し
たように上部電極の直下の層間絶縁膜を埋め込めば、上
部電極の接合となるa−軸配向部分と配線となるc−軸
配向部分との境界領域の接触面積を増大できることは言
うまでもない。
【0022】本実施例1〜4では、例として、SrTi
(格子不整合率1.1%)、NdGaO(0.3
%)、超伝導材料としてYBaCuを用いて説
明したが、格子不整合率の異なる2種の材料上に堆積し
た超伝導薄膜が不整合率の小さい方の材料上ではa−軸
配向、不整合率が大きい方の材料上ではc−軸配向とな
る堆積温度が設定できれば全く同じ効果が得られること
はあきらかである。また本実施例では下部電極堆積前の
異なる2種の基板表面材料として、基板と薄膜を用いた
が、実施例2及び3で示した上部電極を堆積する前の基
板表面(図5及び図13)と同じように2種類以上の格
子不整合率の異なる薄膜材料を堆積した上でも同じ効果
が得られることは言うまでもない。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による、縦
型接合によれば、接合部においてはコヒーレンス長の長
い軸を配向軸に、配線部ではコヒーレンス長の長い軸を
薄膜平面内に持つ薄膜を電極として用いられるため、配
線部分となる領域ではc−軸配向すなわち、電流の流れ
易い(コヒーレンス長の長い)a/b面を薄膜表面内に
持ち、一方接合の下部電極となる領域ではa−軸配向、
すなわち、電流の流れ易いa/b面を薄膜と垂直方向に
持つ薄膜を作製できるため、配線の細線化と接合面積の
微小化を同時に実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】格子不整合率とa−軸配向/c−軸配向となる
基板温度との関係を示すグラフである。
【図2】実施例1の超伝導縦型接合素子の概略図であ
る。
【図3】実施例1の超伝導縦型接合素子の製造工程を示
す製造工程図である。
【図4】実施例1の超伝導縦型接合素子の製造工程を示
す製造工程図である。
【図5】実施例1の超伝導縦型接合素子の製造工程を示
す製造工程図である。
【図6】実施例1の超伝導縦型接合素子の製造工程を示
す製造工程図である。
【図7】実施例2の超伝導縦型接合素子の概略図であ
る。
【図8】実施例2の超伝導縦型接合素子の製造工程を示
す製造工程図である。
【図9】実施例2の超伝導縦型接合素子の製造工程を示
す製造工程図である。
【図10】実施例3の超伝導縦型接合素子の概略図であ
る。
【図11】実施例3の超伝導縦型接合素子の製造工程を
示す製造工程図である。
【図12】実施例3の超伝導縦型接合素子の製造工程を
示す製造工程図である。
【図13】実施例3の超伝導縦型接合素子の製造工程を
示す製造工程図である。
【図14】実施例3の超伝導縦型接合素子の製造工程を
示す製造工程図である。
【図15】実施例4の超伝導縦型接合素子の概略図であ
る。
【符号の説明】
1………NdGaO基板、2………SrTiO
膜、3………下部電極のc−軸配向YBaCu
薄膜、4………下部電極のa−軸配向YBaCu
薄膜、5………バリヤ層のNdGaO極薄膜、6…
……層間絶縁膜のSrTiO薄膜、7………上部電極
のc−軸配向YBaCu薄膜、8………上部電
極のa−軸配向YBaCu薄膜、9………マス
ク、10………バリヤ層のSrTiO極薄膜、11…
……SrTiO基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−167578(JP,A) 特開 平3−153089(JP,A) 特開 平4−12575(JP,A) 特開 昭64−39084(JP,A) 特開 平4−46098(JP,A) 特開 平4−144994(JP,A) 特開 平4−346277(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上下のLnBaCuOx層(Lnは
    Yあるいはランタニド元素のうち超伝導となるもの)が
    絶縁薄膜を介して接合されている超伝導縦型接合素子の
    製造方法において、 前記上下2層のLnBaCuOx層の少なくとも一
    方を形成する工程が、前記接合となる部分に、LnBa
    CuOxとの格子不整合率が0.3%以下、配線と
    なる部分に、LnBaCuOxとの格子不整合率が
    1.1%以上である異なる二種類以上の材料を相隣接さ
    せて形成する工程と、 その上に715℃以上770℃以下の温度でLnBa
    CuOx層を堆積し、前記格子不整合率が0.3%以
    下の材料上にa軸配向したLnBaCuOx層を、
    前記格子不整合率が1.1%以上の材料上にc軸配向し
    たLnBaCuOx層を相隣接して形成する工程と
    を有することを特徴とする超伝導薄膜縦型接合素子の製
    造方法。
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