JP3120742B2

JP3120742B2 - 超伝導回路及びその製造方法

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Publication number: JP3120742B2
Application number: JP08309189A
Authority: JP
Inventors: 睦夫日高
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 2000-12-25
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: JPH10150228A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超伝導回路及びその
製造方法に係り、特にジョセフソン接合としてエッジ接
合を用いた超伝導回路及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ジョセフソン接合としてエッ
ジ接合を用いた超伝導多層集積回路が知られている（例
えば、ジャーナル・オブ・アプライドフィジックス、第
７２巻、第５７５頁（１９９２年））。図９はこの従来
の超伝導回路の一例の断面図を示す。同図において、基
板１０上に下部電極１１と絶縁膜１２が積層されると共
に、下部電極１１と絶縁膜１２の一部が傾斜をもって形
成され、その上にトンネルバリア１３を介して上部電極
１４が形成されている。下部電極１１と上部電極１４が
トンネルバリア１３を介して接するエッジ部分がジョセ
フソン接合となる。

【０００３】図１０は図９に示す超伝導回路を製造する
従来の製造方法の一例の各工程説明用の素子断面図を示
す。まず、図１０（ａ）に示すように、基板１０上に下
部電極となる高温超伝導膜２１及び下部電極と上部電極
間の層間絶縁膜となる第１の絶縁膜１２を連続成膜す
る。続いて、フォトレジストを用いてパターニングした
後、イオンミリングを用いて第１の高温超伝導膜２１と
第１の絶縁膜１２を加工する。このとき、イオンビーム
は斜めから入射し、図１０（ｂ）に示すように、第１の
高温超伝導膜２１は緩い傾斜を有する下部電極１１に加
工し、かつ、第１の絶縁膜１２も同様に緩い傾斜を有す
るように加工する。

【０００４】続いて、図１０（ｃ）に示すように、上記
の加工された素子上にトンネルバリア１３を介して上部
電極となる第２の高温超伝導膜２２を成膜する。そし
て、図１０（ｄ）に示すように、トンネルバリア１３を
加工すると共に、第２の高温超伝導膜２２を上部電極１
４に加工してエッジ接合を完成する。このとき、下部電
極１１と上部電極１４が、トンネルバリア１３を介して
接するエッジ部分がジョセフソン接合となる。

【０００５】このエッジ部分によるジョセフソン接合
（エッジ接合）は、ジョセフソン接合の質を表すパラメ
ータである臨界電流値とノーマル抵抗の積（ＩｃＲｎ
積）が大きいことや、本質的に臨界電流などの接合特性
の制御が可能であることから、高温超伝導回路用のジョ
セフソン接合として広く用いられている。

【０００６】高温超伝導回路では、第１の文献（アイ・
イー・イー・イー、トランザクション・オン・アプライ
ド・スーパーコンダクティビティ、第５巻、第３４０１
頁（１９９５年））に記載されているように、一般に量
子磁束（ＳＦＱ：Single Flux Quanta）が情報担体とし
て用いられる。ＳＦＱを情報担体とする回路では、情報
の伝わる閉ループのインダクタンスＬと、この閉ループ
に含まれるジョセフソン接合の臨界電流Ｉｃとの積が、
ＳＦＱと同程度でなくてはならない。すなわち、

【０００７】

【数１】の関係をＬとＩｃは満たす必要がある。

【０００８】高温超伝導回路を７０Ｋ程度の比較的高い
温度で動作させることを考慮すると、熱雑音に打ち勝つ
ためにジョセフソン接合の臨界電流Ｉｃを一定値以上小
さくすることはできない。従って、閉ループのインダク
タンスＬの値を小さく保つためには、単位長さ当りのイ
ンダクタンス値をできるだけ小さくする必要がある。ま
た、高温超伝導体の磁場侵入長は、金属超伝導体の磁場
侵入長に比べて長く、金属超伝導体より単位長さ当りの
インダクタンスが大きくなるため、高温超伝導回路では
単位長さ当りのインダクタンスを小さくする工夫が特に
重要である。

【０００９】超伝導配線の単位長さ当りのインダクタン
スを小さくするには、線幅を太くすればよいが、線幅を
太くすると回路も大きくなるため、ここで問題にしてい
る閉ループのインダクタンスＬの値は小さくならない。
そこで、超伝導のグランドプレーンを回路と積層し、超
伝導配線に電流が流れることにより発生する磁場をグラ
ンドプレーンとの間の狭い空間に閉じ込め、インダクタ
ンスを低減する方法が有効となる。超伝導グランドプレ
ーンがある場合の超伝導配線の単位長さ当りのインダク
タンスＬは、次式により与えられる。

【００１０】Ｌ＝μ₀／Ｗ［ｈ＋λ₁ｃｏｔｈ（ｔ₁／λ₁）＋λ₂ｃｏｔｈ（ｔ₂／λ₂）］（２）ここで、（２）式中、μ₀は真空の透磁率、Ｗは配線
幅、ｈは超伝導グランドプレーンと超伝導配線間の絶縁
膜の膜厚、λ₁、λ₂は配線及びグランドプレーンを構成
する超伝導体の磁場侵入長、ｔ₁、ｔ₂は配線及びグラン
ドプレーンの膜厚である。

【００１１】図１１は第２の文献（応用物理学会学術講
演会講演予稿集、１９９６年秋、第１分冊、１０２頁）
に記載されている、高温超伝導回路上に高温超伝導グラ
ンドプレーンを積層した断面構造を示す。図１１に示す
ように、図９で示したエッジ接合を含む高温超伝導回路
上に、第２の絶縁膜１６を介してグランドプレーン１７
が積層されている。

【００１２】図１２は図１１に示した断面構造によるイ
ンダクタンスの低減効果を示す実験結果である。図１２
において、黒丸印が超伝導グランドプレーンを積層した
場合の測定値、黒三角印がグランドプレーンがない場合
の測定値をそれぞれ示す。図１２から分かるように、配
線に超伝導グランドプレーンを積層した図１１の構造の
方が、グランドプレーンがないものに比し、インダクタ
ンスが約５０％程度低減されていることがわかる。

【００１３】高温超伝導膜の特性は、膜の結晶性に大き
く依存し、特に薄いトンネルバリア１３を通して電子が
伝導するエッジ接合の特性が、結晶性及び下地の表面形
状にとりわけ敏感であることから、このグランドプレー
ンを回路上に積層する方法は、グランドプレーン上に回
路を形成する場合に比べて、高品質の接合が得られる。
超伝導回路におけるグランドプレーンの役割は、ここで
述べたように磁界を狭い範囲に閉じ込めインダクタンス
を低減することにあるため、必ずしも超伝導回路の一部
をグランドプレーンに接地する必要はない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図９に示し
たエッジ接合では、下部電極１１のパターンと上部電極
１４のパターンとの目合せマージンをとる必要があるた
め、必然的に上部電極１４の一部が下部電極１１の一部
と重なる構造となる。この重なり部分はエッジ接合の本
来の動作には必要ない部分ではあるが、第１の絶縁膜１
２の膜厚が薄い場合や絶縁特性が不十分な場合はリーク
電流が流れる可能性がある。また、この重なり部分によ
る寄生容量も発生する。特に第１の絶縁膜１２の材料と
して、一般に用いられるチタン酸ストロンチウム（Ｓｒ
ＴｉＯ₃、以下ＳＴＯと記す）を用いた場合、ＳＴＯ薄
膜の誘電率は低温で１０００程度に達することもあるた
め、この寄生容量は無視できない大きさになる。一方、
この課題を解決するために、第２の絶縁膜１２の膜厚を
厚くすると、以下問題点として説明するエッジ接合部の
突起が増大する。

【００１５】前記のエッジ接合の下部電極１１と上部電
極１４が重なる部分は、図９に１４ａで示したように、
突起となる。このため、エッジ接合上に絶縁膜を介して
導体を配置した場合、この突起部が絶縁不良や上部の配
線の断線や臨界電流の減少の原因となる。

【００１６】また、（２）式から明らかなように、超伝
導グランドプレーンを設けた場合のインダクタンスＬの
大きさは、グランドプレーンと配線間の絶縁膜の膜厚ｈ
に大きく依存する。一例として、配線幅Ｗを４μｍ、配
線及びグランドプレーンを構成する超伝導体の磁場侵入
長λ₁、λ₂をそれぞれ２００ｎｍ、配線の膜厚ｔ₁を３
００ｎｍ、グランドプレーンの膜厚ｔ₂を５００ｎｍと
したときの、単位長さ当りのインダクタンスの層間絶縁
膜依存性の計算結果を図１３に示す。図１３中、縦軸は
超伝導グランドプレーンを設けた場合の単位長さ当りの
インダクタンスＬ、横軸はグランドプレーンと配線間の
絶縁膜の膜厚ｈである。図１３に示すように、単位長さ
当りのインダクタンスＬはグランドプレーンと配線間の
絶縁膜の膜厚ｈが厚くなるほど大きくなる。

【００１７】また、図１１に示したように、エッジ接合
を含む超伝導回路上にグランドプレーン１７を配置した
従来の超伝導回路の場合、エッジ接合部の突起のために
第２の絶縁膜１６を回路表面が平坦な場合に比べて厚く
する必要があり、回路のインダクタンス増加の原因とな
っていた。また、下部電極１１上では第１の絶縁膜１２
と第２の絶縁膜１６とが重なるため、下部電極１１を用
いた配線の単位長さ当りのインダクタンスは更に大きく
なっていた。この結果、配線長にインダクタンスの上限
からくる厳しい制約が課せられ、回路設計の自由度が減
少するという問題がある。更に、インダクタンスの値が
大きいため、接合の臨界電流値を小さくせざるを得ず、
回路の安定動作に悪影響を及ぼすことがある。

【００１８】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
ジョセフソン接合部以外のエッジ接合の下部電極と上部
電極との重なり部分を除去し、かつ、表面を平坦化する
ことにより、エッジ接合のリーク電流の発生要因と寄生
容量を低減し得る超伝導回路及びその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００１９】また、本発明の他の目的は、回路上に絶縁
体を介して導体を配置した場合の絶縁不良や導体の断
線、臨界電流値の減少を改善し得る超伝導回路及びその
製造方法を提供することにある。

【００２０】更に、本発明の他の目的は、エッジ接合上
にグランドプレーンを配置した場合のインダクタンスを
低減し得る超伝導回路及びその製造方法を提供すること
にある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の超伝導回路は、超伝導体からなる下部電極
の傾斜を有するエッジ部分で、常伝導体又は絶縁体から
なるトンネルバリアを介して超伝導体からなる上部電極
が結合されたエッジ接合を有する超伝導回路において、
下部電極の上に絶縁膜が積層されると共に、下部電極と
絶縁膜の一部が傾斜をもって形成され、下部電極と絶縁
膜の傾斜部の上にトンネルバリアを介して超伝導体から
なる上部電極が形成され、上部電極の上面と絶縁膜の上
面とが一致する平坦面とされ、表面が平坦化されたエッ
ジ接合を有することを特徴とする。

【００２２】本発明では、エッジ接合の下部電極と上部
電極との不必要なオーバーラップ部分やリークが生じや
すかったエッジ接合上の突起部が平坦化により除去され
る。

【００２３】また、本発明は、表面が平坦化されたエッ
ジ接合上に絶縁膜を介して超伝導グランドプレーンが形
成されてなる。この発明では、超伝導グランドプレーン
が表面が平坦化されたエッジ接合上に形成されるので、
上記の絶縁膜を十分に薄くでき、かつ、グランドプレー
ン膜厚と超伝導膜の膜厚を十分に厚くできる。

【００２４】また、本発明は、フリップチップ法でグラ
ンドプレーンをエッジ接合上に張り合せるか、又はフリ
ップチップ法でグランドプレーンをエッジ接合上に張り
合せる際に、張り合わせ剤をグランドプレーンとエッジ
接合の間に設けて接着することを特徴とする。

【００２５】また、本発明の製造方法は、上記の目的を
達成するため、超伝導体からなる下部電極の傾斜を有す
るエッジ部分で、常伝導体又は絶縁体からなるトンネル
バリアを介して超伝導体からなる上部電極が結合され、
下部電極の傾斜部分以外の下部電極と上部電極が絶縁膜
及びトンネルバリアをそれぞれ介して重なる部分を有す
るエッジ接合を基板上に形成する第１の工程と、エッジ
接合上に平坦化膜を設け表面を平坦にする第２の工程
と、平坦化膜と上部電極をそれぞれのエッチングレート
がほぼ等しい第１の入射角でイオンビームを照射して絶
縁膜が露出するまでミリングする第３の工程と、絶縁膜
と下部電極をそれぞれのエッチングレートがほぼ等しい
第２の入射角でイオンビームを照射して絶縁膜が殆ど又
は完全に除去されるまでミリングして、下部電極の傾斜
部分以外の下部電極と上部電極がトンネルバリアを介し
て重なる部分が除去され、表面が平坦化されたエッジ接
合を有する超伝導回路を形成する第４の工程とを含むこ
とを特徴とする。

【００２６】この本発明の製造方法では、エッジ接合の
下部電極と上部電極との不必要なオーバーラップ部分や
リークが生じやすかったエッジ接合上の突起部が除去さ
れた超伝導回路を製造できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面と共に説明する。

【００２８】図１は本発明になる超伝導回路の第１の実
施の形態の断面図を示す。同図において、基板１０上に
は下部電極１１と第１の絶縁膜１２が積層されると共
に、下部電極１１と第１の絶縁膜１２の一部が傾斜をも
って形成され、その上にトンネルバリア１３を介して上
部電極１４が形成されている。この上部電極１４の上面
と第１の絶縁膜１２の上面とが一致し、表面が平坦化さ
れている。下部電極１１と上部電極１４がトンネルバリ
ア１３を介して接するエッジ部分がジョセフソン接合と
なる。

【００２９】ここで、基板１０には、ＳＴＯ、ランタン
・アルミニウム酸化物（ＬａＡｌＯ₃：以下、ＬＡＯと
記す）、イットリウム安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺ
と記す）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などが用いられ
る。また、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）とＹＳＺをバッ
ファーレーヤーとして用いたシリコン基板も使用でき
る。

【００３０】下部電極１１、上部電極１４にはイットリ
ウム・バリウム・銅酸化物（ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x：以下、
ＹＢＣＯと記す）、ＹＢＣＯのＹの全部又は一部をネオ
ジム（Ｎｄ）、ランタン（Ｌａ）、サマリウム（Ｓ
ｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、
ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビ
ウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙ
ｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等で置換したもの、ビスマス
・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（Ｂｉ₂Ｓｒ₂
ＣａＣｕ₂Ｏ_x）、タリウム・バリウム・カルシウム・銅
酸化物（Ｔｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x）、バリウム・カリ
ウム・ビスマス酸化物（Ｂａ_1-xＫ_xＢｉＯ₃）、ランタ
ン・ストロンチウム・銅酸化物（Ｌａ_2-xＳｒ_xＣｕ
Ｏ₄）等のすべての高温超伝導体を用いることができ
る。

【００３１】第１の絶縁膜１２としては、ＳＴＯ、ＬＡ
Ｏ、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、ストロンチウム・アル
ミニウム・ニオブ酸化物（Ｓｒ₂ＡｌＮｂＯ₆）等の高温
超伝導材料と格子整合性が高い材料が用いられる。トン
ネルバリア１３の材料としては、プラセオジム・バリウ
ム・銅酸化物（ＰｒＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x：以下、ＰＢＣＯと
記す）、ガリウム（Ｇａ）ドープＰＢＣＯ、コバルト
（Ｃｏ）ドープＹＢＣＯ等の常伝導体やＳＴＯ等の絶縁
体が用いられる。

【００３２】各層の典型的な膜厚は、下部電極１１が３
００ｎｍ、第１の絶縁膜１２が５０ｎｍ、トンネルバリ
ア１３が２０ｎｍ、上部電極１４が３３０ｎｍである。
下部電極１１、上部電極１４、第１の絶縁膜１２は、レ
ーザー蒸着法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、化学気
相成長（ＣＶＤ）法等を用いて成膜される。

【００３３】図２は図１の超伝導回路を製造する本発明
製造方法の第１の実施の形態の工程説明図であり、エッ
ジ接合形成以降のプロセスが示してある。ＳＴＯによる
基板１０上にエッジ接合を形成する工程は、図１０を用
いて説明した従来の製造方法と同じである。すなわち、
基板１０上にＹＢＣＯからなる下部電極膜とＳＴＯから
なる第１の絶縁膜を連続成膜し、イオンミリング法を用
いて基板１０に対して斜めからイオンビームを入射し、
加工することにより、緩やかな傾斜角度のエッジを有す
る下部電極１１及び下部電極１１上の第１の絶縁膜１２
を形成する。第１の絶縁膜１２の成膜膜厚は３００ｎｍ
である。

【００３４】次に、ＰＢＣＯからなるトンネルバリア１
３を薄く成膜した後、連続して上部電極１４となる膜厚
６５０ｎｍのＹＢＣＯ膜を成膜する。この後、イオンミ
リングの斜め入射加工により、上部電極１４とトンネル
バリア１３を形成して図２（ａ）に示す如きエッジ接合
を完成させる。

【００３５】続いて、この実施の形態では、図２（ｂ）
に示すように、図２（ａ）に示されるエッジ接合上に平
坦化膜１５を設け、表面を平坦にする。この平坦化膜１
５としては、第３の文献（アイ・イー・イー・イー・ト
ランザクション・オン・アプライド・スーパーコンダク
ティビティー・第５巻、第３１４３頁（１９９５年））
に記載されているフォトレジストや、第４の文献（アイ
・イー・イー・イー・エレクトロン・デバイス・レター
ズ、第９巻、第４１４頁（１９８８年））に記載されて
いるポリスチレン等が知られているが、ここではフォト
レジストを平坦化膜１５として用いた場合について説明
を行う。

【００３６】フォトレジストとしてＡＺ６１１８（商品
名）を２μｍの厚さにスピンコートし、１５０℃、１０
分間のベーキングを行い、ＡＺ６１１８をリフローさ
せ、表面を平坦にし、図２（ｂ）に示すような平坦化膜
１５とする。この構造に対して、イオンミリングを用い
たエッチバック法で加工を行い、図２（ｃ）に示す平坦
化エッジ接合を形成する。

【００３７】図３は加速電圧５００Ｖ、アルゴンガス圧
２×１０^-4Ｔｏｒｒの条件での図２の各部に用いられる
ＹＢＣＯ、ＳＴＯ、ＡＺ６１１８のイオンミリングにお
けるエッチングレートを示す。図３において、横軸は基
板に対するイオンビームの入射角度を示しており、基板
に対してイオンビームが垂直に当る場合が９０°であ
る。また、図３の縦軸は毎分当りのエッチグレートを示
しており、ＩがＹＢＣＯ、IIがＳＴＯ、IIIがＡＺ６１
１８のイオンビーム入射角対エッチングレート特性を示
す。

【００３８】まず、図２（ｂ）の構造に対して、ＡＺ６
１１８とＹＢＣＯのエッチングレートが等しくなるビー
ム入射角４８°の条件で、平坦化膜１５がすべてエッチ
ングされ、第１の絶縁膜１２が露出するまでミリングを
行う。このミリング条件では、ＡＺ６１１８による平坦
化膜１５とＹＢＣＯによる上部電極１４のエッチングレ
ートは等しいため、表面の平坦性は保たれる。なお、ト
ンネルバリア１３の材料であるＰＢＣＯのミリングにお
けるエッチングレートは、ＹＢＣＯのエッチングレート
とほぼ等しい。また、第５の文献（アプライド・フィジ
ックス・レターズ、第６１巻、第２３０頁（１９９２
年））に記載されている二次イオン質量分析を用いたエ
ッチング終点検出法により、このエッチング終点は正確
に制御できる。

【００３９】次に、イオンビーム入射角を１５°に変
え、第１の絶縁膜１２が殆ど除去されるまでミリングを
行う。このとき残される第１の絶縁膜１２の厚さは、一
例として図１に示されるように５０ｎｍである。このミ
リング条件でも図３に示すように、ＳＴＯとＹＢＣＯの
エッチングレートがほぼ等しいために、表面の平坦性が
保持され、図２（ｃ）の構造の超伝導回路が得られる。

【００４０】通常のイオンミリングによる加工では、Ｙ
ＢＣＯ、ＳＴＯ、フォトレジストすべてのエッチングレ
ートが等しくなる条件が得られない。このため、上記の
プロセスでは、図２（ａ）に示すように上部電極１４の
上端が第１の絶縁膜１２の上端より上部に位置するよう
に上部電極膜を厚めに成膜し、途中でイオンビームの入
射角度を変えてエッチバックを行った。しかし、もし、
平坦化膜１５、上部電極１４、第１の絶縁膜１２すべて
のエッチングレートが等しくなる加工条件や材料の組み
合わせが得られれば、同一の加工条件で最後まで加工す
ることができることは勿論である。また、この場合は、
必ずしも上部電極１４の上端が第１の絶縁膜１２の上端
より上部に位置するように上部電極膜を成膜する必要は
ない。

【００４１】図１に示した第１の実施の形態では、エッ
ジ接合の表面が平坦化されているため、その上に絶縁膜
や配線を形成した場合に、絶縁不良による接合と配線間
のショートや配線の段切れによるオープンなどの故障が
発生しにくいという利点を有する。また、エッジ接合に
おける下部電極１１と上部電極１４の不要なオーバーラ
ップ部分がなくなるため、エッジ接合におけるリークの
可能性や寄生容量が低減するという特長も有する。一
方、下部電極１１と上部電極１４とがトンネルバリア１
３を介して結合するというエッジ接合に本来必要な部分
は、そのまま残されるため、エッジ接合の動作に本構造
が悪影響を与えることはない。

【００４２】図４は本発明になる超伝導回路の第２の実
施の形態の断面図を示す。この第２の実施の形態と図１
に示した第１の実施の形態との違いは、第１の絶縁膜１
２の存在の有無にある。すなわち、この第２の実施の形
態では、エッチバック時に第１の絶縁膜１２をすべて除
去することにより、第１の絶縁膜１２が存在しない点に
特徴がある。

【００４３】この実施の形態では、エッチバックを第１
の絶縁膜１２の途中で止める必要がなく、前述した二次
イオン質量分析器を用いて精度の高いエッチバックの終
点検出が行えるため、プロセスの信頼性が高い。その反
面、この実施の形態では、接合部の一部までエッチバッ
クされるため、接合界面が損傷する懸念があるが、ミリ
ングの加速電圧を落とす等の方法でこの損傷は回避する
ことができる。

【００４４】図５は本発明になる超伝導回路の第３の実
施の形態の断面図を示す。同図中、図１と同一構成部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。この第３の
実施の形態では、第１の実施の形態で示した平坦化エッ
ジ接合上に、厚さ２００ｎｍのＳＴＯからなる第２の絶
縁膜１６を介して、厚さ６００ｎｍのＹＢＣＯからなる
グランドプレーン１７が配置されている。第２の絶縁膜
１６、グランドプレーン１７の形成は、レーザー蒸着法
による成膜、フォトレジストによるパターニング、イオ
ンミリングによる加工により行われる。

【００４５】図５に示される断面構造の第３の実施の形
態の超伝導回路では、グランドプレーン１７により下層
のエッジ接合を含む超伝導回路のインダクタンスが低減
でき、かつ、インダクタンスの制御がより精度良く行わ
れる。また、エッジ接合表面が平坦化されているため、
段差がある場合に比べると、第２の絶縁膜１６の膜厚を
十分薄くしても、リーク電流が発生しない。

【００４６】前記（２）式からグランドプレーン１７と
超伝導配線間の絶縁膜は薄いほど、超伝導配線のインダ
クタンスは小さくできる。また、下部電極１１、上部電
極１４、グランドプレーン１７は厚いほど（２）式から
インダクタンスＬは小さくなるが、この構造においては
これらの膜厚に対する本質的な制限はなく、十分厚くで
きる。従って、この実施の形態を用いることにより、高
温超伝導回路のインダクタンスを極限まで小さくするこ
とができる。

【００４７】図６は本発明になる超伝導回路の第４の実
施の形態の断面図を示す。同図中、図５と同一構成部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。この第４の
実施の形態の超伝導回路は、フリップチップ基板１８上
に成膜したグランドプレーン１７と第２の絶縁膜１６
を、図１に示した平坦化エッジ接合を含む超伝導回路上
にフリップチップ法を用いて重ね合わせ、機械的に押え
つけることで形成される。このフリップチップ法による
グランドプレーン１７の形成は、平坦化エッジ接合を含
む超伝導回路の表面が平坦であるために実現できる。な
お、第２の絶縁膜１６は予め平坦化エッジ接合上に成膜
しておいてもよいし、平坦化エッジ接合上とグランドプ
レーン１７上の両方に成膜してもよい。

【００４８】図６に示す第４の実施の形態の超伝導回路
を用いることにより、第３の実施の形態と同様の効果が
得られる。しかも、エッジ接合上にグランドプレーン１
７を成膜するにはエッジ接合の温度を７００℃程度に上
昇させる必要があり、下部電極１１と上部電極１４から
の酸素の抜け等が懸念されるが、この第４の実施の形態
では、エッジ接合上のグランドプレーン１７はフリップ
チップ法により形成されるため、そのような温度上昇は
起こらない。更に、本実施の形態においては、第２の絶
縁膜１６上にエピタキシャル成長する必要がないため、
第２の絶縁膜１６は室温で成膜できる二酸化シリコン
（ＳｉＯ₂）や多結晶のＳＴＯ等でもよい。このため、
プロセスが簡便化されるという特長も有する。

【００４９】図７は本発明になる超伝導回路の第５の実
施の形態の断面図を示す。同図中、図６と同一構成部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。この第５の
実施の形態の超伝導回路は、第４の実施の形態の構造と
ほぼ同じであるが、フリップチップ法で平坦化エッジ接
合とグランドプレーン１７を張り合せる際に張り合わせ
剤１９を用いた点に特徴がある。張り合わせ剤１９とし
ては、薄く塗布でき、しかも比較的低温で硬化する物
質、例えばポリスチレンが用いられる。

【００５０】図７の断面構造の超伝導回路を製造するに
は、フリップチップ基板１８上に成膜したグランドプレ
ーン１７、第２の絶縁膜１６上に張り合わせ剤１９とし
てポリスチレンを１００ｎｍスピン塗布し、平坦化エッ
ジ接合上にフリップチップして重ね合わせた後、１８０
℃、１時間のベーキングを行い、ポリスチレンを硬化さ
せる。なお、第２の絶縁膜１６は、グランドプレーン１
７側に成膜するとして説明したが、エッジ接合側に成膜
してもよいし、両方の側にそれぞれ成膜してもよい。

【００５１】この図７に示す第５の実施の形態の超伝導
回路を用いることにより、第４の実施の形態で得られた
特長の他に、エッジ接合を含む高温超伝導回路とグラン
ドプレーン１７が張り合わせ剤１９で接着してあるた
め、機械的に押えつける必要がないという特長も有す
る。なお、張り合わせ剤１９は予め平坦化エッジ接合上
に塗布しておいてもよいし、平坦化エッジ接合上と第２
の絶縁膜１６上の両方に塗布してもよい。

【００５２】図８は本発明になる超伝導回路の第６の実
施の形態の断面図を示す。同図中、図７と同一構成部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。この第６の
実施の形態の超伝導回路は、第５の実施の形態と比べ
て、第２の絶縁膜１６を設けることなく、図１と同じ断
面構造の平坦化エッジ接合とグランドプレーン１７が張
り合わせ剤１９で直接張り合せられている点に特徴があ
る。すなわち、張り合わせ剤１９が平坦化エッジ接合と
グランドプレーン１７の間の絶縁膜の役割を果たしてい
る。

【００５３】図８に示す第６の実施の形態の超伝導回路
を用いることにより、第５の実施の形態に比べて高温超
伝導回路とグランドプレーン１７間の絶縁膜の厚さをよ
り薄くでき、配線のインダクタンスを更に低減できると
いう効果がある。

【００５４】なお、以上説明した各実施の形態では、超
伝導体として高温超伝導体を使用したが、第１〜第６の
実施の形態中の高温超伝導膜を金属超伝導膜で置き換え
たものも有効である。また、第３〜第６の実施の形態で
は、第１の絶縁膜１２が存在するが、図４の第２の実施
の形態のように第１の絶縁膜１２が存在しない構造とす
ることもできる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
以下の種々の効果を有するものである。

【００５６】エッジ接合の下部電極と上部電極との
不必要なオーバーラップ部分を除去した構造であるた
め、エッジ接合のリーク可能性や寄生容量を従来に比べ
て減少できる。

【００５７】リークが生じやすかったエッジ接合上
の突起部が平坦化により除去されているため、エッジ接
合とその上部に配置される配線若しくはグランドプレー
ンとのリークを低減できる。

【００５８】断線や電流値減少の原因になっていた
エッジ接合上の突起部が、平坦化により除去されている
ため、エッジ接合上の配線の断線や臨界電流値の減少が
防止できる。

【００５９】エッジ接合の平坦化により超伝導回路
と超伝導グランドプレーン間の絶縁膜を十分に薄くでき
るため、平坦化エッジ接合を含む超伝導回路上に超伝導
グランドプレーンを形成した場合、超伝導回路のインダ
クタンスを小さくできる。

【００６０】平坦化されたエッジ接合上にグランド
プレーンを成膜するのに、フリップチップ法でグランド
プレーンをエッジ接合上に張り合せるようにしたため、
エッジ接合の温度を高温にしなくともエッジ接合上にグ
ランドプレーンを形成でき、高温による超伝導回路の下
部電極や上部電極からの酸素の抜けの可能性を回避でき
る。

【００６１】フリップチップ法でグランドプレーン
をエッジ接合上に張り合せる際に、張り合わせ剤をグラ
ンドプレーンとエッジ接合の間に設けて接着するように
したため、フリップチップ法による機械的な押えつけを
不要にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超伝導回路の第１の実施の形態の断面
図である。

【図２】本発明製造方法の一実施の形態の工程説明図で
ある。

【図３】図２の各部のイオンミリングにおけるエッチン
グレートのイオンビーム入射角依存性を示す特性図であ
る。

【図４】本発明の超伝導回路の第２の実施の形態の断面
図である。

【図５】本発明の超伝導回路の第３の実施の形態の断面
図である。

【図６】本発明の超伝導回路の第４の実施の形態の断面
図である。

【図７】本発明の超伝導回路の第５の実施の形態の断面
図である。

【図８】本発明の超伝導回路の第６の実施の形態の断面
図である。

【図９】従来の超伝導回路の一例の断面図である。

【図１０】従来の製造方法の一例の工程説明図である。

【図１１】従来の超伝導回路の他の例の断面図である。

【図１２】図１１の構造によるインダクタンスの低減効
果の実験結果を示す特性図である。

【図１３】超伝導グランドプレーンを設けた場合の単位
長さ当りのインダクタンスの層間絶縁膜依存性を示す特
性図である。

【符号の説明】

１０基板１１下部電極１２第１の絶縁膜１３トンネルバリア１４上部電極１５平坦化膜１６第２の絶縁膜１７グランドプレーン１８フリップチップ基板１９張り合わせ剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超伝導体からなる下部電極の傾斜を有す
るエッジ部分で、常伝導体又は絶縁体からなるトンネル
バリアを介して超伝導体からなる上部電極が結合された
エッジ接合を有する超伝導回路において、前記下部電極の上に絶縁膜が積層されると共に、該下部
電極と該絶縁膜の一部が傾斜をもって形成され、該下部
電極と該絶縁膜の傾斜部の上に前記トンネルバリアを介
して超伝導体からなる前記上部電極が形成され、該上部
電極の上面と前記絶縁膜の上面とが一致する平坦面とさ
れ、表面が平坦化されたエッジ接合を有することを特徴
とする超伝導回路。
【請求項２】超伝導体からなる下部電極の傾斜を有す
るエッジ部分で、常伝導体又は絶縁体からなるトンネル
バリアを介して超伝導体からなる上部電極が結合された
エッジ接合を有する超伝導回路において、前記下部電極の傾斜部分以外の該下部電極と前記上部電
極が前記トンネルバリアを介して重なる部分が除去さ
れ、表面が平坦化されたエッジ接合を有すると共に、該
表面が平坦化されたエッジ接合上に絶縁膜を介して超伝
導グランドプレーンが形成されてなることを特徴とする
超伝導回路。
【請求項３】前記超伝導グランドプレーンは、フリッ
プチップ基板上に成膜されており、前記絶縁膜を介して
前記表面が平坦化されたエッジ接合上に重ね合わされて
いることを特徴とする請求項２記載の超伝導回路。
【請求項４】前記超伝導グランドプレーンは、フリッ
プチップ基板上に成膜されており、前記絶縁膜及び張り
合わせ剤を介して前記表面が平坦化されたエッジ接合上
に重ね合わされていることを特徴とする請求項２記載の
超伝導回路。
【請求項５】超伝導体からなる下部電極及び該下部電
極上に積層された第１の絶縁膜のそれぞれの傾斜を有す
るエッジ部分で、常伝導体又は絶縁体からなるトンネル
バリアを介して超伝導体からなる上部電極が結合され、
前記下部電極の傾斜部分以外の該下部電極と前記上部電
極が前記第１の絶縁膜及び前記トンネルバリアをそれぞ
れ介して重なる部分を有するエッジ接合を基板上に形成
する第１の工程と、前記エッジ接合上に平坦化膜を設け表面を平坦にする第
２の工程と、前記平坦化膜と前記上部電極をそれぞれのエッチングレ
ートがほぼ等しい第１の入射角でイオンビームを照射し
て前記第１の絶縁膜が露出するまでミリングする第３の
工程と、前記第１の絶縁膜と前記下部電極をそれぞれのエッチン
グレートがほぼ等しい第２の入射角でイオンビームを照
射して該第１の絶縁膜が殆ど又は完全に除去されるまで
ミリングして、前記下部電極の傾斜部分以外の該下部電
極と前記上部電極が前記トンネルバリアを介して重なる
部分が除去され、表面が平坦化されたエッジ接合を有す
る超伝導回路を形成する第４の工程とを含むことを特徴
とする超伝導回路の製造方法。
【請求項６】前記第４の工程により表面が平坦化され
た素子上に、張り合わせ剤及び第２の絶縁膜の少なくと
も一方を介して超伝導グランドプレーンを形成する第５
の工程を更に含むことを特徴とする請求項５記載の超伝
導回路の製造方法。