JP2980570B2 - 超電導素子 - Google Patents

超電導素子

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JP2980570B2 JP9155554A JP15555497A JP2980570B2 JP 2980570 B2 JP2980570 B2 JP 2980570B2 JP 9155554 A JP9155554 A JP 9155554A JP 15555497 A JP15555497 A JP 15555497A JP 2980570 B2 JP2980570 B2 JP 2980570B2
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融 塩原
陽一 榎本
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    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/01Manufacture or treatment
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超電導素子に関し、
特に下地絶縁層または層間絶縁層を改良した超電導素子
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、高温酸化物超電導を用いた高速集
積回路素子において例えば低磁場検出用SQUID入力
コイルの配線が交差する部分には、層間絶縁層としてS
rTiO3 が用いられている。しかし、SrTiO3
比誘電率が高いため、高速スイッチ回路素子では誘電損
失を生じるという問題がある。
【0003】この問題を解消するために、層間絶縁層に
比誘電率の低い材料として例えばMgOを用いることが
考えられる。しかし、MgOは配線を構成する酸化物超
電導体の結晶構造を乱すため、素子特性を劣化させる。
また、酸化物超電導体の結晶構造の乱れに伴い、設計段
階では存在しないジョセフソン接合や抵抗が回路中に組
み込まれることもある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、酸化
物超電導体からなる配線の結晶構造を乱すことがなく、
高速スイッチ回路素子においても誘電損失を抑制できる
下地絶縁層または層間絶縁層を備えた超電導素子を提供
することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の超電導素子は、
下地絶縁層または層間絶縁層上に形成されたREBa2
Cu3 7-δ系(REはYを含む希土類元素の少なくと
も一種)の酸化物超電導体からなる超電導配線を有する
超電導素子において、前記下地絶縁層または層間絶縁層
として、RE、Ba及びCuからなり77K以下の温度
で104 Ω・cm以上の抵抗値を有し、かつ比誘電率が
30以下の材料を用いたことを特徴とするものである。
【0006】本発明の他の超電導素子は、下地絶縁層ま
たは層間絶縁層上に形成された超電導配線を有する超電
導素子において、前記下地絶縁層または層間絶縁層が一
般式Pr1+x Ba2-x Cu3 7-δ(ただし、δは0.
4〜1.0、xは0.1〜0.3)で表される材料から
なることを特徴とするものである。
【0007】本発明の他の超電導素子は、下地絶縁層ま
たは層間絶縁層上に形成された超電導配線を有する超電
導素子において、前記下地絶縁層または層間絶縁層が一
般式Nd2-x Ba1+x Cu3 7 (ただし、xは0.1
〜0.4)で表される材料からなることを特徴とするも
のである。
【0008】これらの超電導素子における超電導配線と
しては、REBa2 Cu3 7-δ系(REはYを含む希
土類元素の少なくとも一種)の酸化物超電導体からなる
ものを用いることが好ましい。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明に係る超電導素子の一例を
図1に示す。
【0010】図1において、例えばYBCO単結晶から
なる基板1上に、下地絶縁層2、酸化物超電導体からな
る超電導配線3、層間絶縁層4、および酸化物超電導体
からなる超電導配線5が形成されている。また、基板
1、および超電導配線3、5上には、例えばAuからな
る電極6が形成されている。
【0011】このような超電導素子は例えば以下のよう
にして製造することができる。まず、基板1上に下地絶
縁層2を蒸着し、さらに超電導配線3となる超電導層を
蒸着する。フォトリソグラフィー技術により配線3のパ
ターンを露光し、Arイオン・ミリング装置でエッチン
グを行い、超電導配線3を形成する。次に、層間絶縁層
4となる薄膜を蒸着し、その上に超電導配線5となる超
電導層を蒸着する。再びフォトリソグラフィー技術を用
いて配線5のパターンを露光し、Arイオン・ミリング
装置でエッチングを行い、超電導配線5を形成する。最
後に電気特性測定用の電極6をスパッタ装置で蒸着す
る。
【0012】基板1としては表面研磨されたc軸配向の
YBCO、SrTiO3 、またはNdGaO3 単結晶基
板が用いられる。
【0013】超電導配線3、5を構成する酸化物超電導
体としては、NdBa2 Cu3 7- δ(NBCO)やY
Ba2 Cu3 7-δ(YBCO)などのREBa2 Cu
3 7-δ系の酸化物超電導体を用いることができる。こ
の酸素欠損δは超電導特性を損なわない範囲の通常の値
であり、0〜0.5程度である。NBCO膜は、例えば
基板温度を840℃に設定し、1:4の比率の酸素/A
r混合ガスでスパッタ装置内の圧力を80mTorrに
し、NBCOターゲットに60Wのrfパワーを与えて
off−axisスパッタ法により成膜する。成膜後、
ヒーターを切り、1:3の比率の酸素/Ar混合ガスで
スパッタ装置内の圧力を400Torrにして試料をク
エンチする。YBCO膜の場合、基板温度を740℃に
設定する。堆積速度は27A(オングストローム)/m
in程度である。この方法で作製した超電導薄膜のTc
は通常80〜90Kになる。
【0014】超電導配線3、5の間のトンネル電流を抑
制するために、層間絶縁層4の膜厚は100〜500n
m程度に設定される。
【0015】なお、下地絶縁層または層間絶縁層として
は、誘電損失の低減及び良好な絶縁性の観点から、動作
温度領域(77K以下)で、104 Ω・cm以上と高抵
抗であることと、比誘電率が30以下であることが必要
である。
【0016】本発明においては、下地絶縁層2および/
または層間絶縁層4として、一般式Pr1+x Ba2-x
3 7-δ(ただし、xは0.1〜0.3、δは0.4
〜1.0。この場合、xが0.3に近づくほど低温での
電気抵抗値が高くなる。)またはNd2-x Ba1+x Cu
3 7 (ただし、xは0.1〜0.4。特性を損なわな
い範囲での酸素の過不足は許容する。)で表される材料
が用いられる。これらの絶縁体の結晶構造は、酸化物超
電導体であるNBCOやYBCOに近似している。この
ため、これらの絶縁体上に形成された例えばREBa2
Cu3 7-δ系の超電導体はエピタキシャル成長しやす
い。
【0017】上記Pr系の材料の場合、xが0.1〜
0.3、δが0.4〜1.0の範囲で下地絶縁層または
層間絶縁層として優れた特性を示すが、特にx及びδが
両下限値を下回ると抵抗値が低くなりすぎ、下地絶縁層
または層間絶縁層としては好ましくない。また上記Nd
系の材料の場合、xが0.4を越えると超伝導特性を示
したり、抵抗値が低くなったりして、下地絶縁層または
層間絶縁層としては適切でなくなる。
【0018】
【実施例】下地絶縁層2および層間絶縁層4として、P
1+x Ba2-x Cu3 7-δ(δは0.4〜1程度)を
用いた実施例を説明する。作製条件は例えば以下の通り
である。
【0019】基板温度を740℃(好ましくは700〜
850℃程度)にして、5.5:0.7sccmの比率
の酸素/Ar混合ガス(好ましくは5.0〜6.0:
0.5〜1.0sccm)でスパッタ装置内の圧力を8
0mTorr(好ましくは70〜90mTorr)にし
て、単独のターゲットに40Wのrfパワーを与えてo
ff−axisスパッタ法で薄膜を成膜した。堆積速度
は7A/min程度である。成膜後、ヒーターを切り、
Arガスでスパッタ装置内の圧力を400Torrにし
て試料をクエンチした。冷却速度は、クエンチ初期は1
℃/s程度、200℃程度では1℃/min程度とし、
70℃の基板温度まで約70〜90分かけてクエンチし
た。
【0020】温度依存電気抵抗測定によれば、このよう
にして作製した薄膜は半導体特性を示し、100K以下
で高抵抗になった。図2に、97.58KにおけるPr
1+xBa2-x Cu3 7-δ(x=0.14)の誘電特性
を示す。図示しないが、この材料の誘電率は常温では電
源周波数100kHzで6000を超えている。しか
し、図2に示されるように、温度97.58Kでは電源
周波数100kHzで比誘電率εr は23以下、誘電正
接tanδは0.3以下になる。また、測定温度範囲で
は比誘電率の周波数依存性がほぼなくなっている。
【0021】また、Pr1+x Ba2-x Cu3 y (x=
0.3)の混合タ−ゲットを用いてx=0.14と同じ
条件でスパッタした場合、Pr1+x Ba2-x Cu3 y
(x=0.3)が作製される。x=0.3の場合、98
Kで電気抵抗率がx=0.14の膜より100倍程度高
く、誘電正接tanδは0.01以下になるが、比誘電
率はx=0.14の場合とほぼ同じである。
【0022】同様に、Nd2-x Ba1+x Cu3 7 系の
絶縁体膜について説明する。作製条件は例えば以下の通
りである。
【0023】基板温度を950〜1000℃程度にし
て、5.0〜6.0:0.6〜0.8sccmの比率の
酸素/Ar混合ガスでスパッタ装置内の圧力を80〜1
00mTorrにして、単独のターゲットに60Wのr
fパワーを与えてoff−axisスパッタ法で薄膜を
成膜した。成膜後、ヒーターを切り、100%酸素ガス
でスパッタ装置内の圧力を400Torrにして試料を
クエンチした。
【0024】図3に、4.2KにおけるNd2-x Ba
1+x Cu3 7 (x=0.1)の誘電特性を示す。温度
4.2Kでは、電源周波数100kHzで比誘電率εr
は約13、誘電正接tanδはほぼ0になっている。
【0025】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、酸
化物超電導体からなる配線の結晶構造を乱すことがな
く、高速スイッチ回路素子においても誘電損失を抑制で
きる下地絶縁層または層間絶縁層を備えた超電導素子を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超電導素子の斜視図。
【図2】97.58KにおけるPr1+x Ba2-x Cu3
7-δ(x=0.14)の誘電特性を示す図。
【図3】4.2KにおけるNd2-x Ba1+x Cu3 7
(x=0.1)の誘電特性を示す図。
【符号の説明】
1…基板 2…下地絶縁層 3…超電導配線 4…層間絶縁層 5…超電導配線 6…電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐波 実 東京都江東区東雲一丁目14番3 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電 導工学研究所内 (72)発明者 塩原 融 東京都江東区東雲一丁目14番3 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電 導工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲一丁目14番3 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電 導工学研究所内 (72)発明者 ユージン・グッディリン 東京都江東区東雲一丁目14番3 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電 導工学研究所内 (72)発明者 田上 稔 東京都江東区東雲一丁目14番3 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電 導工学研究所内 (56)参考文献 特開 平4−334074(JP,A) 特開 平5−343755(JP,A) 特開 平1−144688(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 39/24 H01L 39/22 H01L 39/00 H01L 39/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下地絶縁層または層間絶縁層上に形成さ
    れた超電導配線を有する超電導素子において、前記下地
    絶縁層または層間絶縁層は、一般式 Nd2-xBa1+xCu37 (ただし、xは0.1〜0.4) で表される材料からなり、77K以下の温度で104Ω
    ・cm以上の抵抗値を有し、比誘電率が30以下であ
    り、かつ膜厚が100〜500nmであることを特徴と
    する超電導素子。
  2. 【請求項2】 前記超電導配線がREBa2Cu37-δ
    系(REはYを含む希土類元素の少なくとも一種)の酸
    化物超電導体からなることを特徴とする請求項1記載の
    超電導素子。
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