JP3027549B2 - 超伝導体ヘテロ−エピタキシャルジョセフソン接合 - Google Patents
超伝導体ヘテロ−エピタキシャルジョセフソン接合Info
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
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- H10N60/124—Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
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- Y10S505/70—High TC, above 30 k, superconducting device, article, or structured stock
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- Y10S505/702—Josephson junction present
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、高温超伝
導体ジョセフソン接合に係り、より詳細には、高温超伝
導体ヘテロ−エピタキシャルジョセフソン接合に係る。
導体ジョセフソン接合に係り、より詳細には、高温超伝
導体ヘテロ−エピタキシャルジョセフソン接合に係る。
【0002】
【従来の技術】高速で且つ効率的な通信及び処理システ
ムが常に要求されるのに伴い、多くの製造者は、電力消
費が低く且つ動作速度が高いことから高温超伝導体(H
TS)部品を使用することを願っている。特に、HTS
ジョセフソン接合、及びこのHTSジョセフソン接合を
組み込んだ超伝導量子干渉デバイス(SQUID)は、
主として、単一束量子及び直列アレー干渉計ロジック回
路のような種々の回路群において能動的なデバイスとし
て使用されている。
ムが常に要求されるのに伴い、多くの製造者は、電力消
費が低く且つ動作速度が高いことから高温超伝導体(H
TS)部品を使用することを願っている。特に、HTS
ジョセフソン接合、及びこのHTSジョセフソン接合を
組み込んだ超伝導量子干渉デバイス(SQUID)は、
主として、単一束量子及び直列アレー干渉計ロジック回
路のような種々の回路群において能動的なデバイスとし
て使用されている。
【0003】既存のHTSジョセフソン接合は、基体又
は誘電体層上にエピタキシャルC軸HTS及び誘電体二
重層(bilayer) を付着することにより形成される。これ
ら層をイオンミリングにより浅い角度でエッチングし
て、エッチングされたエッジを形成し、そしてそのエッ
チングされたエッジ上に薄いエピタキシャル非超伝導バ
リア及びHTS層を順次に成長させて、接合を形成す
る。接合特性は、バリアの組成及び厚みと、バリアフィ
ルムと2つのHTS層との間の界面とにより制御され
る。
は誘電体層上にエピタキシャルC軸HTS及び誘電体二
重層(bilayer) を付着することにより形成される。これ
ら層をイオンミリングにより浅い角度でエッチングし
て、エッチングされたエッジを形成し、そしてそのエッ
チングされたエッジ上に薄いエピタキシャル非超伝導バ
リア及びHTS層を順次に成長させて、接合を形成す
る。接合特性は、バリアの組成及び厚みと、バリアフィ
ルムと2つのHTS層との間の界面とにより制御され
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、既存の
HTSジョセフソン接合には多数の欠点がある。1つの
欠点は、エッチングプロセスによるもので、下方のYB
CO層のエッチングされたエッジにダメージを与えた
り、それを露出させて、汚染や、エンハンスされた酸素
の損失を招いたりする。エッチングされたエッジは、リ
ソ化学薬品、化学的浄化剤、イオンミリング中の再付
着、取扱及びウェハ移送中のガス吸収によって汚染され
る。エッチングされたプロファイルの変化、イオンミリ
ング又は他のエッチングによる物理的なダメージ、及び
エッジの汚染は、接合の電気的な品質、再現性及び収率
を著しく損なうことになる。
HTSジョセフソン接合には多数の欠点がある。1つの
欠点は、エッチングプロセスによるもので、下方のYB
CO層のエッチングされたエッジにダメージを与えた
り、それを露出させて、汚染や、エンハンスされた酸素
の損失を招いたりする。エッチングされたエッジは、リ
ソ化学薬品、化学的浄化剤、イオンミリング中の再付
着、取扱及びウェハ移送中のガス吸収によって汚染され
る。エッチングされたプロファイルの変化、イオンミリ
ング又は他のエッチングによる物理的なダメージ、及び
エッジの汚染は、接合の電気的な品質、再現性及び収率
を著しく損なうことになる。
【0005】既存のHTSジョセフソン接合の別の欠点
は、その製造プロセスでは、健全な高性能回路の要求を
満たすように接合と他の回路素子を一体化できないこと
である。
は、その製造プロセスでは、健全な高性能回路の要求を
満たすように接合と他の回路素子を一体化できないこと
である。
【0006】既存のHTSジョセフソン接合の更に別の
欠点は、YBCOのようなHTS材料の非等方性及び短
いコヒレンス長さによるもので、これは、a/b結晶学
的方向の電流を用いて接合及び低抵抗接触を形成する上
で妨げとなる。一体化された抵抗及び入力/出力(I/
O)接触パッドに対してc軸HTSフィルムと抵抗性フ
ィルムとの間に良質なオーミック接触を形成することが
強く要望される。又、集積回路構造体の異なるc軸HT
Sフィルム間に良質の超伝導接触を形成することも望ま
れる。
欠点は、YBCOのようなHTS材料の非等方性及び短
いコヒレンス長さによるもので、これは、a/b結晶学
的方向の電流を用いて接合及び低抵抗接触を形成する上
で妨げとなる。一体化された抵抗及び入力/出力(I/
O)接触パッドに対してc軸HTSフィルムと抵抗性フ
ィルムとの間に良質なオーミック接触を形成することが
強く要望される。又、集積回路構造体の異なるc軸HT
Sフィルム間に良質の超伝導接触を形成することも望ま
れる。
【0007】既存のHTSジョセフソン接合の更に別の
欠点は、プレーナ化トポロジー接合の欠如である。プレ
ーナ接合は、処理を簡単化し、電気的性能を改善し、そ
して回路の健全さ及び収率を高める。
欠点は、プレーナ化トポロジー接合の欠如である。プレ
ーナ接合は、処理を簡単化し、電気的性能を改善し、そ
して回路の健全さ及び収率を高める。
【0008】それ故、高い電気的品質、再現性及び収率
を有するHTSジョセフソン接合を形成する方法が要望
される。又、健全な高性能回路の要求を満たすように接
合を他の回路素子と一体化することのできる方法も要望
される。又、a/b結晶学的方向の電流を用いることに
より接合及び低抵抗接触を容易に形成する方法も要望さ
れる。更に、プレーナHTSジョセフソン接合、及びこ
のようなプレーナ接合を形成する方法も要望される。
を有するHTSジョセフソン接合を形成する方法が要望
される。又、健全な高性能回路の要求を満たすように接
合を他の回路素子と一体化することのできる方法も要望
される。又、a/b結晶学的方向の電流を用いることに
より接合及び低抵抗接触を容易に形成する方法も要望さ
れる。更に、プレーナHTSジョセフソン接合、及びこ
のようなプレーナ接合を形成する方法も要望される。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、これらの要望
を満足する。本発明は、積層構造をもつジョセフソン接
合をしかるべき場所に形成する方法であって、(a)平
面基体をエッチングして、第1平面セグメント、第2平
面セグメント及び傾斜セグメントを形成し、傾斜セグメ
ントは、2つの平面セグメントをある角度で接続し、上
記基体は、第2平面セグメントの方が第1平面セグメン
トより薄く、そして上記基体は、傾斜セグメントにおい
て一定に減少する厚みを有し、(b)上記基体に第1の
超伝導層を付着し、(c)上記第1の超伝導層に非超伝
導層を付着し、そして(d)上記非超伝導層に第2の超
伝導層を付着するという段階を備えた方法を提供する。
両超伝導層及び非超伝導層は、しかるべき場所に付着さ
れ、そして第1及び第2の平面セグメントの平面に実質
的に直角な方向においてc軸とエピタキシャルであり、
そして上記層は、3つのセグメントにおいて実質的に均
一な厚みである。
を満足する。本発明は、積層構造をもつジョセフソン接
合をしかるべき場所に形成する方法であって、(a)平
面基体をエッチングして、第1平面セグメント、第2平
面セグメント及び傾斜セグメントを形成し、傾斜セグメ
ントは、2つの平面セグメントをある角度で接続し、上
記基体は、第2平面セグメントの方が第1平面セグメン
トより薄く、そして上記基体は、傾斜セグメントにおい
て一定に減少する厚みを有し、(b)上記基体に第1の
超伝導層を付着し、(c)上記第1の超伝導層に非超伝
導層を付着し、そして(d)上記非超伝導層に第2の超
伝導層を付着するという段階を備えた方法を提供する。
両超伝導層及び非超伝導層は、しかるべき場所に付着さ
れ、そして第1及び第2の平面セグメントの平面に実質
的に直角な方向においてc軸とエピタキシャルであり、
そして上記層は、3つのセグメントにおいて実質的に均
一な厚みである。
【0010】好ましくは、上記エッチング段階は、平面
セグメントに対する傾斜セグメントの角度がせいぜい約
45°となるように、そして更に好ましくは、約30°
以下となるように、基体をエッチングすることを含む。
第1及び第2の超伝導層は、高温超伝導体であるのが好
ましい。この方法は、更に、第2の超伝導層を付着する
段階の後に積層構造体の第1及び/又は第2の平面セグ
メントを除去する段階を含むことができる。更に、この
方法は、第2の超伝導層を付着する段階の後に積層構造
体の第1及び/又は第2の平面セグメントにおける導電
率をディスエイブルして、積層構造体の傾斜セグメント
に導電率を実質的に閉じ込める段階を含むことができ
る。
セグメントに対する傾斜セグメントの角度がせいぜい約
45°となるように、そして更に好ましくは、約30°
以下となるように、基体をエッチングすることを含む。
第1及び第2の超伝導層は、高温超伝導体であるのが好
ましい。この方法は、更に、第2の超伝導層を付着する
段階の後に積層構造体の第1及び/又は第2の平面セグ
メントを除去する段階を含むことができる。更に、この
方法は、第2の超伝導層を付着する段階の後に積層構造
体の第1及び/又は第2の平面セグメントにおける導電
率をディスエイブルして、積層構造体の傾斜セグメント
に導電率を実質的に閉じ込める段階を含むことができ
る。
【0011】更に、本発明は、(a)基体と、(b)上
記基体に付着された第1の超伝導層と、(c)上記第1
の超伝導層に付着された非超伝導層と、(d)上記非超
伝導層に付着された第2の超伝導層とを備えた積層構造
をもつジョセフソン接合も提供する。上記積層構造体
は、第1平面セグメントと、第2平面セグメントと、こ
れら2つの平面セグメントをある角度で接続する傾斜セ
グメントの3つのセグメントを有する。上記層は、3つ
のセグメントが実質的に均一な厚みであり、上記基体
は、第2平面セグメントの方が第1平面セグメントより
薄く、そして上記基体は、傾斜セグメントにおいて厚み
が一定に減少する。上記両超伝導層及び非超伝導層は、
第1及び第2の平面セグメントの平面に実質的に直角な
方向においてc軸とエピタキシャルである。好ましく
は、平面セグメントに対する傾斜セグメントの角度は、
せいぜい約45°であり、そして更に好ましくは、約3
0°以下である。第1及び第2の超伝導層は、高温超伝
導体であるのが好ましい。
記基体に付着された第1の超伝導層と、(c)上記第1
の超伝導層に付着された非超伝導層と、(d)上記非超
伝導層に付着された第2の超伝導層とを備えた積層構造
をもつジョセフソン接合も提供する。上記積層構造体
は、第1平面セグメントと、第2平面セグメントと、こ
れら2つの平面セグメントをある角度で接続する傾斜セ
グメントの3つのセグメントを有する。上記層は、3つ
のセグメントが実質的に均一な厚みであり、上記基体
は、第2平面セグメントの方が第1平面セグメントより
薄く、そして上記基体は、傾斜セグメントにおいて厚み
が一定に減少する。上記両超伝導層及び非超伝導層は、
第1及び第2の平面セグメントの平面に実質的に直角な
方向においてc軸とエピタキシャルである。好ましく
は、平面セグメントに対する傾斜セグメントの角度は、
せいぜい約45°であり、そして更に好ましくは、約3
0°以下である。第1及び第2の超伝導層は、高温超伝
導体であるのが好ましい。
【0012】本発明は、その別の特徴において、(a)
エピタキシャル基体を研磨して、実質的に均一厚みの平
面エピタキシャル基体を形成し、この平面基体は、平面
基体の平面の法線に対して鋭角のエピタキシャルc軸を
有し、(b)上記平面基体に第1の超伝導層を付着し、
(c)上記第1の超伝導層に非超伝導層を付着し、そし
て(d)上記非超伝導層に第2の超伝導層を付着すると
いう段階を備えたジョセフソン接合を形成する方法を提
供する。上記両超伝導層及び非超伝導層は、上記平面基
体のc軸に実質的に平行な方向においてc軸とエピタキ
シャルである。上記第1の超伝導層、非超伝導層及び第
2の超伝導層は、実質的に均一な厚みであり、これによ
り、上記積層構造体は、実質的にプレーナである。
エピタキシャル基体を研磨して、実質的に均一厚みの平
面エピタキシャル基体を形成し、この平面基体は、平面
基体の平面の法線に対して鋭角のエピタキシャルc軸を
有し、(b)上記平面基体に第1の超伝導層を付着し、
(c)上記第1の超伝導層に非超伝導層を付着し、そし
て(d)上記非超伝導層に第2の超伝導層を付着すると
いう段階を備えたジョセフソン接合を形成する方法を提
供する。上記両超伝導層及び非超伝導層は、上記平面基
体のc軸に実質的に平行な方向においてc軸とエピタキ
シャルである。上記第1の超伝導層、非超伝導層及び第
2の超伝導層は、実質的に均一な厚みであり、これによ
り、上記積層構造体は、実質的にプレーナである。
【0013】好ましくは、平面基体のc軸、両超伝導層
及び非超伝導層は、平面基体の平面の法線に対しせいぜ
い約45°の角度であり、そして更に好ましくは、約3
0°以下の角度である。好ましくは、第1及び第2の超
伝導層は、本質的に高温超伝導体より成るグループから
選択される。
及び非超伝導層は、平面基体の平面の法線に対しせいぜ
い約45°の角度であり、そして更に好ましくは、約3
0°以下の角度である。好ましくは、第1及び第2の超
伝導層は、本質的に高温超伝導体より成るグループから
選択される。
【0014】又、本発明は、(a)平面エピタキシャル
基体であって、その平面の法線に対して鋭角のc軸を有
し、そして実質的に均一な厚みである基体と、(b)上
記基体に付着された第1の超伝導層と、(c)上記第1
の超伝導層に付着された非超伝導層と、(d)上記非超
伝導層に付着された第2の超伝導層とを備えた積層構造
をもつジョセフソン接合も提供する。上記両超伝導層及
び非超伝導層は、上記基体のc軸に実質的に平行な方向
においてc軸とエピタキシャルである。上記第1の超伝
導層、非超伝導層及び第2の超伝導層は、実質的に均一
な厚みであり、これにより、上記積層構造体は、実質的
にプレーナである。
基体であって、その平面の法線に対して鋭角のc軸を有
し、そして実質的に均一な厚みである基体と、(b)上
記基体に付着された第1の超伝導層と、(c)上記第1
の超伝導層に付着された非超伝導層と、(d)上記非超
伝導層に付着された第2の超伝導層とを備えた積層構造
をもつジョセフソン接合も提供する。上記両超伝導層及
び非超伝導層は、上記基体のc軸に実質的に平行な方向
においてc軸とエピタキシャルである。上記第1の超伝
導層、非超伝導層及び第2の超伝導層は、実質的に均一
な厚みであり、これにより、上記積層構造体は、実質的
にプレーナである。
【0015】好ましくは、平面基体のc軸、両超伝導層
及び非超伝導層は、平面基体の平面の法線に対しせいぜ
い約45°の角度であり、そして更に好ましくは、約3
0°以下の角度である。好ましくは、第1及び第2の超
伝導層は、本質的に高温超伝導体より成るグループから
選択される。
及び非超伝導層は、平面基体の平面の法線に対しせいぜ
い約45°の角度であり、そして更に好ましくは、約3
0°以下の角度である。好ましくは、第1及び第2の超
伝導層は、本質的に高温超伝導体より成るグループから
選択される。
【0016】本発明は、その更に別の特徴において、上
記方法により製造されたジョセフソン接合を提供する。
記方法により製造されたジョセフソン接合を提供する。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明のこれら及び他の特徴、並
びに効果は、添付図面を参照した以下の詳細な説明及び
特許請求の範囲から明らかとなろう。
びに効果は、添付図面を参照した以下の詳細な説明及び
特許請求の範囲から明らかとなろう。
【0018】図1は、本発明により、図2ないし3に示
す積層構造をもつジョセフソン接合10を形成する方法
を示している。この方法は、(a)平面基体12をエッ
チングして、第1平面セグメント14、第2平面セグメ
ント16、及び傾斜セグメント18を形成し、傾斜セグ
メント18は、2つの平面セグメント14及び16を角
度θで接続し、基体12は、第2平面セグメント16の
方が第1平面セグメント14よりも薄く、そして基体1
2は、傾斜セグメント18において一定に減少する厚み
を有し、(b)基体12に第1の超伝導層20を付着
し、(c)この第1の超伝導層20に非超伝導層22を
付着し、そして(d)この非超伝導層22に第2の超伝
導層24を付着するという段階を備えている。両超伝導
層20及び24と、非超伝導層22は、しかるべき場所
に付着され、そして第1及び第2の平面セグメント14
及び16の平面に実質的に直角な方向においてc軸とエ
ピタキシャルであり、これらの層は、3つのセグメント
において実質的に均一な厚みである。
す積層構造をもつジョセフソン接合10を形成する方法
を示している。この方法は、(a)平面基体12をエッ
チングして、第1平面セグメント14、第2平面セグメ
ント16、及び傾斜セグメント18を形成し、傾斜セグ
メント18は、2つの平面セグメント14及び16を角
度θで接続し、基体12は、第2平面セグメント16の
方が第1平面セグメント14よりも薄く、そして基体1
2は、傾斜セグメント18において一定に減少する厚み
を有し、(b)基体12に第1の超伝導層20を付着
し、(c)この第1の超伝導層20に非超伝導層22を
付着し、そして(d)この非超伝導層22に第2の超伝
導層24を付着するという段階を備えている。両超伝導
層20及び24と、非超伝導層22は、しかるべき場所
に付着され、そして第1及び第2の平面セグメント14
及び16の平面に実質的に直角な方向においてc軸とエ
ピタキシャルであり、これらの層は、3つのセグメント
において実質的に均一な厚みである。
【0019】図2を参照すれば、基体12は、計画され
た位置において角度エッチングされて、接合を形成す
る。基体の準備中に基体層12に他の層を付着するため
の先駆段階としてエッチングプロファイルが形成され
る。角度エッチングは、傾斜セグメント18を形成する
もので、これは、基体、基体上のエピタキシャル誘電体
フィルム、又はHTS及び誘電体の更に別のフィルム上
のエピタキシャル誘電体フィルムにおいて直接行うこと
ができる。傾斜セグメントの角度プロファイルθはせい
ぜい約45°であり、そして好ましくは、約30°以下
である。
た位置において角度エッチングされて、接合を形成す
る。基体の準備中に基体層12に他の層を付着するため
の先駆段階としてエッチングプロファイルが形成され
る。角度エッチングは、傾斜セグメント18を形成する
もので、これは、基体、基体上のエピタキシャル誘電体
フィルム、又はHTS及び誘電体の更に別のフィルム上
のエピタキシャル誘電体フィルムにおいて直接行うこと
ができる。傾斜セグメントの角度プロファイルθはせい
ぜい約45°であり、そして好ましくは、約30°以下
である。
【0020】図3を参照すれば、第1の超伝導層20、
非超伝導層22及び第2の非超伝導層24は、基体12
上にエピタキシャル三重層(trilayer)26を形成する。
このエピタキシャル三重層26は、しかるべき場所での
3つの順次の段階として基体12全体に付着される。エ
ッチングプロセスは、第1の超伝導層20ではなくて基
体12上で行われるので、傾斜セグメント18上の第1
の超伝導層20は、好都合にも、エッチングプロセスに
よりダメージを受けず、汚染もされない。従って、接合
10の電気的な品質、再現性及び収率が、実質的に改善
される。
非超伝導層22及び第2の非超伝導層24は、基体12
上にエピタキシャル三重層(trilayer)26を形成する。
このエピタキシャル三重層26は、しかるべき場所での
3つの順次の段階として基体12全体に付着される。エ
ッチングプロセスは、第1の超伝導層20ではなくて基
体12上で行われるので、傾斜セグメント18上の第1
の超伝導層20は、好都合にも、エッチングプロセスに
よりダメージを受けず、汚染もされない。従って、接合
10の電気的な品質、再現性及び収率が、実質的に改善
される。
【0021】第1及び第2の超伝導層20及び24は、
好ましくは、約20nmの厚みであり、本質的に、高温
超伝導体、例えば、RBCO(RはYのような希土類元
素)や、ビスマス系酸化銅化合物や、タリウム系酸化銅
化合物や、水銀酸化銅化合物より成るグループから選択
される。非超伝導層22は、好ましくは、約10ないし
約20nmの厚みであり、エピタキシャル成長のために
超伝導層と構造的に合致するCo−YBCO、PrBC
O、エピタキシャル誘電体又は他のエピタキシャル材料
である。超伝導層及び非超伝導層の上記厚みは、単なる
例示に過ぎず、所与のプロセス、デバイス及び回路設計
の要求を満たすように変更することができる。
好ましくは、約20nmの厚みであり、本質的に、高温
超伝導体、例えば、RBCO(RはYのような希土類元
素)や、ビスマス系酸化銅化合物や、タリウム系酸化銅
化合物や、水銀酸化銅化合物より成るグループから選択
される。非超伝導層22は、好ましくは、約10ないし
約20nmの厚みであり、エピタキシャル成長のために
超伝導層と構造的に合致するCo−YBCO、PrBC
O、エピタキシャル誘電体又は他のエピタキシャル材料
である。超伝導層及び非超伝導層の上記厚みは、単なる
例示に過ぎず、所与のプロセス、デバイス及び回路設計
の要求を満たすように変更することができる。
【0022】基体12の傾斜セグメント18の三重層の
みが、a−b平面導通接合を形成する。三重層26の平
面セグメント14及び16は、コンダクタンスの非常に
小さなc軸接合25及び27である。図4に示すよう
に、コンダクタンスは、c軸接合25及び27を除去又
はディスエイブルすることにより、a−b平面導通接合
29に閉じ込めることができる。c軸接合25及び27
をディスエイブルすることは、イオンインプランテーシ
ョンにより、個別のa−b平面接合を残してc軸接合2
5及び27にわたる導電率を禁止することにより達成で
きる。次いで、この接合の反対のYBCOフィルムを第
3の超伝導層により集積回路に「配線」することができ
る。
みが、a−b平面導通接合を形成する。三重層26の平
面セグメント14及び16は、コンダクタンスの非常に
小さなc軸接合25及び27である。図4に示すよう
に、コンダクタンスは、c軸接合25及び27を除去又
はディスエイブルすることにより、a−b平面導通接合
29に閉じ込めることができる。c軸接合25及び27
をディスエイブルすることは、イオンインプランテーシ
ョンにより、個別のa−b平面接合を残してc軸接合2
5及び27にわたる導電率を禁止することにより達成で
きる。次いで、この接合の反対のYBCOフィルムを第
3の超伝導層により集積回路に「配線」することができ
る。
【0023】上記方法により形成された接合は、実質的
に、直線的接合である。200nm厚みの超伝導層及び
30°の傾斜プロファイル角度の場合に、接合は、平面
図で400nm巾となる。微細なリソグラフィーを用い
て、接合の巾を画成すると共に、c方向の寄生導通を除
去することができる。禁止のためのイオンインプランテ
ーションを用いて、このような物理的サイズを得ると共
に、エピタキシャル配線を行うことができる。
に、直線的接合である。200nm厚みの超伝導層及び
30°の傾斜プロファイル角度の場合に、接合は、平面
図で400nm巾となる。微細なリソグラフィーを用い
て、接合の巾を画成すると共に、c方向の寄生導通を除
去することができる。禁止のためのイオンインプランテ
ーションを用いて、このような物理的サイズを得ると共
に、エピタキシャル配線を行うことができる。
【0024】図5は、本発明の別の特徴により図6ない
し7に示されたジョセフソン接合を形成する方法を示
す。この方法は、(a)エピタキシャル基体を研磨し
て、実質的に均一厚みの平面エピタキシャル基体30を
形成し、この平面基体は、平面基体の平面の法線32に
対して鋭角のエピタキシャルc軸を有し、(b)上記平
面基体30に第1の超伝導層34を付着し、(c)この
第1の超伝導層34に非超伝導層36を付着し、そして
(d)この非超伝導層36に第2の超伝導層38を付着
するという段階を備えている。両超伝導層34及び38
と、非超伝導層36は、平面基体30のc軸に実質的に
平行な方向においてc軸とエピタキシャルである。第1
の超伝導層34、非超伝導層36及び第2の超伝導層3
8は、実質的に均一な厚みであり、従って、上記積層構
造体は、実質的にプレーナとなる。
し7に示されたジョセフソン接合を形成する方法を示
す。この方法は、(a)エピタキシャル基体を研磨し
て、実質的に均一厚みの平面エピタキシャル基体30を
形成し、この平面基体は、平面基体の平面の法線32に
対して鋭角のエピタキシャルc軸を有し、(b)上記平
面基体30に第1の超伝導層34を付着し、(c)この
第1の超伝導層34に非超伝導層36を付着し、そして
(d)この非超伝導層36に第2の超伝導層38を付着
するという段階を備えている。両超伝導層34及び38
と、非超伝導層36は、平面基体30のc軸に実質的に
平行な方向においてc軸とエピタキシャルである。第1
の超伝導層34、非超伝導層36及び第2の超伝導層3
8は、実質的に均一な厚みであり、従って、上記積層構
造体は、実質的にプレーナとなる。
【0025】基体は、これを切断し、そして基体30の
平面の法線32に対してせいぜい約45°の角度θで基
体全体を研磨することにより準備される。約800℃で
基体30上のエピタキシャル成長を確保するために、好
ましくは、約30°以下の角度が選択される。全基体の
角度切断により、第1の超伝導層34の局部的なパター
ン化の問題が解消されると共に、エピタキシャルフィル
ム及び接合を成長するための均一な再現性のある表面が
形成される。
平面の法線32に対してせいぜい約45°の角度θで基
体全体を研磨することにより準備される。約800℃で
基体30上のエピタキシャル成長を確保するために、好
ましくは、約30°以下の角度が選択される。全基体の
角度切断により、第1の超伝導層34の局部的なパター
ン化の問題が解消されると共に、エピタキシャルフィル
ム及び接合を成長するための均一な再現性のある表面が
形成される。
【0026】図6を参照すれば、第1の超伝導層34、
非超伝導層36及び第2の超伝導層38は、基体30上
にエピタキシャル三重層40を形成する。このエピタキ
シャル三重層40は、非等方性エピタキシャル材料系に
おいて基体の全面にわたって均一な三重接合42を形成
する3つの順次の段階として基体30の全面のしかるべ
き場所に付着される。従って、好都合にも、接合は、処
理を簡単化し、電気的性能を改善し、そして回路の健全
さ及び収率を増大するプレーナ化トポロジーを有する。
非超伝導層36及び第2の超伝導層38は、基体30上
にエピタキシャル三重層40を形成する。このエピタキ
シャル三重層40は、非等方性エピタキシャル材料系に
おいて基体の全面にわたって均一な三重接合42を形成
する3つの順次の段階として基体30の全面のしかるべ
き場所に付着される。従って、好都合にも、接合は、処
理を簡単化し、電気的性能を改善し、そして回路の健全
さ及び収率を増大するプレーナ化トポロジーを有する。
【0027】基体30は、厚みが約10ないし40ミル
であるのが望ましい。超伝導層34及び38は、厚みが
約100ないし200nmである。非超伝導層36は、
厚みが約10ないし20nmであるのが好ましい。超伝
導層及び非超伝導層の上記の厚みは、例示的なもので、
所与のプロセス、デバイス及び回路設計の要求に合致す
るように変更することができる。
であるのが望ましい。超伝導層34及び38は、厚みが
約100ないし200nmである。非超伝導層36は、
厚みが約10ないし20nmであるのが好ましい。超伝
導層及び非超伝導層の上記の厚みは、例示的なもので、
所与のプロセス、デバイス及び回路設計の要求に合致す
るように変更することができる。
【0028】適当な基体は、HTSフィルムに化学的に
適合し、そしてエピタキシャルHTSフィルムが付着さ
れる少なくとも750ないし800°の温度までHTS
フィルムと反応しないものである。基体30は、LaA
lO3 、SrTiO3 、SrAlTaO又はNdGaO
3 のようなエピタキシャルウェハである。超伝導層34
及び38は、本質的に、高温超伝導体、例えば、YBC
Oや、ビスマス系酸化銅化合物や、タリウム系酸化銅化
合物や、水銀酸化銅化合物より成るグループから選択す
ることができる。非超伝導層36は、エピタキシャル成
長のために超伝導層と構造的に適合するCo−YBC
O、PrBCO、エピタキシャル誘電体又は他のエピタ
キシャル材料である。
適合し、そしてエピタキシャルHTSフィルムが付着さ
れる少なくとも750ないし800°の温度までHTS
フィルムと反応しないものである。基体30は、LaA
lO3 、SrTiO3 、SrAlTaO又はNdGaO
3 のようなエピタキシャルウェハである。超伝導層34
及び38は、本質的に、高温超伝導体、例えば、YBC
Oや、ビスマス系酸化銅化合物や、タリウム系酸化銅化
合物や、水銀酸化銅化合物より成るグループから選択す
ることができる。非超伝導層36は、エピタキシャル成
長のために超伝導層と構造的に適合するCo−YBC
O、PrBCO、エピタキシャル誘電体又は他のエピタ
キシャル材料である。
【0029】図7を参照すれば、接合42は、導電率を
禁止するための禁止用イオンインプランテーション又は
イオンミリングによってパターン化することができる。
禁止用イオンインプランテーションは、平らなエピタキ
シャル結晶面を配線層として残す。イオンミリングは、
配線層の前に絶縁性誘電体フィルムの付着を必要とす
る。
禁止するための禁止用イオンインプランテーション又は
イオンミリングによってパターン化することができる。
禁止用イオンインプランテーションは、平らなエピタキ
シャル結晶面を配線層として残す。イオンミリングは、
配線層の前に絶縁性誘電体フィルムの付着を必要とす
る。
【0030】第1の超伝導層34に加えて、非超伝導層
36を付着する前に、超伝導フィルム、誘電体フィルム
又はイオンインプラントのような他の層を、基体の結晶
方向と整列したエピタキシャルc軸フィルムの成長によ
り、指定のICプロセスに対して必要に応じて基体上に
付着することができる。このような層は、基体の結晶方
向に基づき、約35ないし40°以下のc軸角度で成長
することができる。更に、配線用の超伝導層44を第2
の超伝導層30に付着することができる。
36を付着する前に、超伝導フィルム、誘電体フィルム
又はイオンインプラントのような他の層を、基体の結晶
方向と整列したエピタキシャルc軸フィルムの成長によ
り、指定のICプロセスに対して必要に応じて基体上に
付着することができる。このような層は、基体の結晶方
向に基づき、約35ないし40°以下のc軸角度で成長
することができる。更に、配線用の超伝導層44を第2
の超伝導層30に付着することができる。
【0031】本発明の方法は、リソグラフィー及び回路
設計の事柄に合致して必要とされるように接合を整形す
る方法である。禁止用イオンインプランテーションは、
自動的に自己整列されそして平面式であり、且つ複雑な
プレーナ技術及び/又は内部接点の形成を必要としない
ので、細線リソグラフィーに効果的である。本発明の方
法は、非制御界面を伴わない導体、半導体及び絶縁バリ
アの形成に使用して、過剰減衰及び過少減衰接合のよう
な異なる接合形式を形成することができる。
設計の事柄に合致して必要とされるように接合を整形す
る方法である。禁止用イオンインプランテーションは、
自動的に自己整列されそして平面式であり、且つ複雑な
プレーナ技術及び/又は内部接点の形成を必要としない
ので、細線リソグラフィーに効果的である。本発明の方
法は、非制御界面を伴わない導体、半導体及び絶縁バリ
アの形成に使用して、過剰減衰及び過少減衰接合のよう
な異なる接合形式を形成することができる。
【0032】又、本発明の方法は、接合のa−b平面へ
の接触を形成することにより低抵抗のオーミック接触を
形成するのにも使用できる。例えば、禁止用イオンイン
プランテーションパターン化と共にアングルカット基体
を使用して、接触されるべき超伝導層の表面が、次のフ
ィルムに対してある角度でa−b平面の導電性小面を露
出させる。接触コンダクタンスは、a−b面の露出を増
大する櫛形接触を形成するように超伝導フィルムの面を
エッチングすることにより更に改善することができる。
しかるべき場所で超伝導層の付着との通常の導体接触を
行うことにより高導電性のa−b平面への高コンダクタ
ンス接触を得ることができる。
の接触を形成することにより低抵抗のオーミック接触を
形成するのにも使用できる。例えば、禁止用イオンイン
プランテーションパターン化と共にアングルカット基体
を使用して、接触されるべき超伝導層の表面が、次のフ
ィルムに対してある角度でa−b平面の導電性小面を露
出させる。接触コンダクタンスは、a−b面の露出を増
大する櫛形接触を形成するように超伝導フィルムの面を
エッチングすることにより更に改善することができる。
しかるべき場所で超伝導層の付着との通常の導体接触を
行うことにより高導電性のa−b平面への高コンダクタ
ンス接触を得ることができる。
【0033】配線及び相互接続のために異なる超伝導フ
ィルム間に高い臨界電流容量で小さな超伝導接触を形成
するために、絶縁フィルムの経路を通してプラグ接触を
使用することができる。プラグは、介在する超伝導フィ
ルムを禁止イオンインプランテーションして接触プラグ
を形成し、次いで、第2の超伝導配線フィルムを付着す
ることにより、形成することができる。超伝導フィルム
を、露出されたa−b平面の面と共に積層することによ
り、接触面積当たりの超電流の量を改善することができ
る。
ィルム間に高い臨界電流容量で小さな超伝導接触を形成
するために、絶縁フィルムの経路を通してプラグ接触を
使用することができる。プラグは、介在する超伝導フィ
ルムを禁止イオンインプランテーションして接触プラグ
を形成し、次いで、第2の超伝導配線フィルムを付着す
ることにより、形成することができる。超伝導フィルム
を、露出されたa−b平面の面と共に積層することによ
り、接触面積当たりの超電流の量を改善することができ
る。
【0034】禁止イオンインプランテーションは、HT
Sフィルムの結晶構造に最小限の影響しか与えずに超伝
導率及び通常の伝導率を禁止するエネルギー及びドーズ
レベルでイオンをインプランテーションする。フィルム
をアモルファスにするドーズレベルは、本発明により意
図されない。
Sフィルムの結晶構造に最小限の影響しか与えずに超伝
導率及び通常の伝導率を禁止するエネルギー及びドーズ
レベルでイオンをインプランテーションする。フィルム
をアモルファスにするドーズレベルは、本発明により意
図されない。
【0035】以上、好ましい実施形態について本発明を
詳細に説明したが、他の形態も考えられる。それ故、本
発明は、上記の好ましい実施形態に限定されず、特許請
求の範囲のみによって限定されるものとする。
詳細に説明したが、他の形態も考えられる。それ故、本
発明は、上記の好ましい実施形態に限定されず、特許請
求の範囲のみによって限定されるものとする。
【図1】本発明によりジョセフソン接合を形成する段階
を示す図である。
を示す図である。
【図2】図1の段階によりエッチングされた基体を示す
図である。
図である。
【図3】図1の段階により製造されたジョセフソン接合
を示す図である。
を示す図である。
【図4】図1の段階により製造されたジョセフソン接合
への配線接続を示す図である。
への配線接続を示す図である。
【図5】本発明の別の特徴によりジョセフソン接合を形
成する段階を示す図である。
成する段階を示す図である。
【図6】図5の段階により形成されたジョセフソン接合
を示す図である。
を示す図である。
【図7】図5の段階により反応性イオンインプランテー
ションプロセスによって配線された接合の縦断面を示す
図である。
ションプロセスによって配線された接合の縦断面を示す
図である。
10 ジョセフソン接合 12 基体 14 第1平面セグメント 16 第2平面セグメント 18 傾斜区分 20 第1の超伝導層 22 非超伝導層 24 第2の超伝導層 25、27 c軸接合 26 エピタキシャル三重層 29 a−b平面導通接合
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−310183(JP,A) 特開 平7−45874(JP,A) 特開 平4−273182(JP,A) 特開 平7−74404(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/22 H01L 39/24 H01L 39/00
Claims (9)
- 【請求項1】 積層構造をもつジョセフソン接合を形成
する方法において、 (a)平面基体をエッチングして、第1平面セグメン
ト、第2平面セグメント及び傾斜セグメントを形成し、
傾斜セグメントは、2つの平面セグメントをある角度で
接続し、上記基体は、第2平面セグメントの方が第1平
面セグメントより薄く、そして上記基体は、傾斜セグメ
ントにおいて一定に減少する厚みを有し、 (b)上記基体に第1の超伝導層を付着し、 (c)上記第1の超伝導層に非超伝導層を付着し、そし
て (d)上記非超伝導層に第2の超伝導層を付着する、 という段階を備え、 上記両超伝導層及び非超伝導層は、しかるべき場所に付
着され、そして上記第1及び第2の平面セグメントの平
面に実質的に直角な方向においてc軸とエピタキシャル
であり、そして上記層は、3つのセグメントにおいて実
質的に均一な厚みであることを特徴とする方法。 - 【請求項2】 上記エッチング段階は、平面セグメント
に対する傾斜セグメントの角度がせいぜい約45°とな
るように基体をエッチングすることを含む請求項1に記
載の方法。 - 【請求項3】 (a)第1の超伝導層を付着する上記段
階は、本質的に高温超伝導体より成るグループから第1
の超伝導層を選択することを含み、そして (b)第2の超伝導層を付着する上記段階は、本質的に
高温超伝導体より成るグループから第2の超伝導層を選
択することを含む請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 第2の超伝導層を付着する段階の後に積
層構造体の第1平面セグメントにおける導電率をディス
エイブルして、積層構造体の傾斜セグメントに導電率を
実質的に閉じ込める段階を更に備えた請求項1に記載の
方法。 - 【請求項5】 積層構造をもつジョセフソン接合を形成
する方法において、 (a)平面基体をエッチングして、第1平面セグメン
ト、第2平面セグメント及び傾斜セグメントを形成し、
傾斜セグメントは、2つの平面セグメントをせいぜい約
45°の角度で接続し、上記基体は、第2平面セグメン
トの方が第1平面セグメントより薄く、そして上記基体
は、傾斜セグメントにおいて一定に減少する厚みを有
し、 (b)上記基体に第1の高温超伝導層を付着し、 (c)上記第1の超伝導層に非超伝導層を付着し、 (d)上記非超伝導層に第2の高温超伝導層を付着し、
そして (e)上記積層構造体の傾斜セグメントに導電率を閉じ
込める、 という段階を備え、 上記両超伝導層及び非超伝導層は、上記第1及び第2の
平面セグメントの平面に実質的に直角な方向においてc
軸とエピタキシャルであり、そして上記層は、3つのセ
グメントにおいて実質的に均一な厚みであることを特徴
とする方法。 - 【請求項6】 上記第2の超伝導層に第3の超伝導層を
付着して、接合との電気的接触を与える段階を更に備え
た請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 積層構造をもつジョセフソン接合におい
て、 (a)基体と、 (b)上記基体に付着された第1の超伝導層と、 (c)上記第1の超伝導層に付着された非超伝導層と、 (d)上記非超伝導層に付着された第2の超伝導層とを
備え、 上記積層構造体は、第1平面セグメントと、第2平面セ
グメントと、これら2つの平面セグメントをある角度で
接続する傾斜セグメントの3つのセグメントを有し、 上記層は、3つのセグメントが実質的に均一な厚みであ
り、上記基体は、第2平面セグメントの方が第1平面セ
グメントより薄く、そして上記基体は、傾斜セグメント
において厚みが一定に減少し、そして上記両超伝導層及
び非超伝導層は、しかるべき場所に付着され、そして上
記第1及び第2の平面セグメントの平面に実質的に直角
な方向においてc軸とエピタキシャルであることを特徴
とするジョセフソン接合。 - 【請求項8】 積層構造をもつジョセフソン接合におい
て、 (a)基体と、 (b)上記基体上の第1の高温超伝導層と、 (c)上記第1の超伝導層上の非超伝導層と、 (d)上記非超伝導層上の第2の高温超伝導層とを備
え、 上記積層構造体は、第1平面セグメントと、第2平面セ
グメントと、これら2つの平面セグメントをせいぜい約
45°の角度で接続する傾斜セグメントの3つのセグメ
ントを有し、 上記層は、3つのセグメントが実質的に均一な厚みであ
り、上記基体は、第2平面セグメントの方が第1平面セ
グメントより薄く、そして上記基体は、傾斜セグメント
において厚みが一定に減少し、そして上記両超伝導層及
び非超伝導層は、しかるべき場所に付着され、そして上
記第1及び第2の平面セグメントの平面に実質的に直角
な方向においてc軸とエピタキシャルであることを特徴
とするジョセフソン接合。 - 【請求項9】 積層構造をもつジョセフソン接合におい
て、 (a)せいぜい約45°の上昇角をもつ平面傾斜セグメ
ントを有する基体であって、この傾斜セグメントにおい
て厚みが一定に減少するような基体と、 (b)上記基体の傾斜セグメントに付着された実質的に
均一厚みの第1の超伝導層と、 (c)上記第1の超伝導層に付着された実質的に均一厚
みの非超伝導層と、 (d)上記非超伝導層に付着された実質的に均一厚みの
第2の超伝導層とを備え、 上記両超伝導層及び非超伝導層は、しかるべき場所に付
着され、そして上記基体の傾斜セグメントの平面の法線
に対して約30°の方向においてc軸とエピタキシャル
であることを特徴とするジョセフソン接合。
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