JPH02112289A - トンネル型ジョセフソン接合の製造装置 - Google Patents

トンネル型ジョセフソン接合の製造装置

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JPH02112289A
JPH02112289A JP63264014A JP26401488A JPH02112289A JP H02112289 A JPH02112289 A JP H02112289A JP 63264014 A JP63264014 A JP 63264014A JP 26401488 A JP26401488 A JP 26401488A JP H02112289 A JPH02112289 A JP H02112289A
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JP
Japan
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tunnel barrier
tunnel
stm
lower electrode
overlayer
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Application number
JP63264014A
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English (en)
Inventor
Mutsuo Hidaka
睦夫 日高
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は超伝導集積回路等に用いるトンネル型ジョセフ
ソン接合の製造装置に関する。
(従来の技術) 品質の高いトンネル型ジョセフソン接合を製造するため
には、均一な組成と膜厚を有するトンネルバリアを形成
することが極めて重要である。トンネルバリアに部分的
に欠陥がありピンホール等が存在すると、そこを通して
リーク電流が流れ接合品質が著しく劣化する。
トンネルバリアには通常酸化膜が用いられるが、その膜
厚は大気中で形成される自然酸化膜の膜厚より薄い場合
が多く。その場合、−度大気にふれるとトンネルバリア
の膜厚は増加する。このためトンネルバリアのより精度
の高い評価を行うためにはトンネルバリア形成後、真空
を破らずに評価をすることが望ましい。トンネルバリア
の評価方法としては、下部電極、上部電極を加工し、そ
れぞれの電極から端子を取り出し、外部から電流を流す
ことによって、トンネル電流を評価する方法が一般的で
あるが、電子通信学会技術報告5CE86−27および
電子通信学会技術報告CPM85−3にあるようにトン
ネルバリア形成後、真空を破らず測定できるX線光電子
分光装置(XPS (X−rayPhotoelect
ron 5pectroscopy))やエリプソメー
タを具備した装置を用いてトンネルバリアを評価する方
法も知られていた。
(発明が解決すべき課題) トンネルバリアを評価するのに、電極を加工し外部から
電流を印加する方法はトンネルバリア形成から評価まで
に上部電極の成膜や電極膜のパターニング、エツチング
等のいくつかの製造プロセスを経なければならず、時間
と手間がかかる。
またトンネルバリアの欠陥と、前記製造プロセス上止じ
たショート等の欠陥を分離するのが難しく有効な評価方
法とは言い難かった。
またトンネルバリア形成後真空を破らずにxPSやエリ
プソメータを用いてトンネルバリアを評価する方法は、
得られる情報がある大きさ(例えば直径数mm)の領域
からの平均値であるためピンホール等の欠陥の領域が測
定領域に比べて十分小さい(例えば1%以下)とそれら
の欠陥を検出することが困難である。しかしこの程度の
トンネルバリアの欠陥でもトンネル型ジョセフソン接合
の品質におよぼす影響は太きい。
以上説明したように従来はトンネルバリアのピンホール
等の微小な欠陥を測定する有効な方法はなかった。
本発明はトンネルバリアの均一性やピンホール等の微小
な欠陥を評価するのに有効な手段を有するトンネル型ジ
ョセフソン接合の製造装置を提供することを目的として
いる。
(課題を解決するための手段) 本発明を用いれば超伝導膜の成膜設備とトンネルバリア
の形成設備とを有するトンネル型ジョセフソン接合の製
造装置において、真空を破ることなく測定できる走査ト
ンネル顕微鏡を具備することを特徴とするトンネル型ジ
ョセフソン接合の製造装置が得られる。
(作用) 走査トンネル顕微鏡(以下STM (Scanning
Tunneling Microscopy)と記す。
)はフイジカルレピューレターズ(Physical 
Review Letters) vol、 49゜P
57 (1982))にあるように、探針と試料表面と
の間に流れるトンネル電流を測定することによって表面
形状等の試料表面の状態を観察する装置である。
探針と試料表面との間のトンネル電流JTは次式で表さ
れる。
JTccexp(−A里”2S)       ・(1
)ここで里はトンネルバリアのバリアハイド、Sはバリ
ア幅であり、Aは定数である。式からもわかるようにJ
Tは里やSの変化に対して極めて敏感である。
STMを用いた試料表面形状の測定においては、前記文
献にあるように、まず探針と試料間に一定の電圧をかけ
ておき、ピエゾ素子を用いて探針をトンネル電流がある
設定値になるまで試料に近づける。次に探針を走査させ
る。このときトンネル電流が先はどの設定値を保つよう
にピエゾ素子にフィードバックをかける。このピエゾ素
子へのフィードバック電圧の大きさにより試料表面の起
伏の大きさを精度良く知ることができる。また前記探針
の試料面方向走査もピエゾ素子を用いて行う。このため
試料面方向にもlnm以下の極めて高い分解能が得られ
る。
トンネル型ジョセフソン接合のトンネルバリアを前記S
TMを用いて観察すると、トンネルバリアの欠陥を知る
ことができる。トンネルバリアにピンホール等の欠陥が
あると、その欠陥部分は他の部分に比べてトンネルバリ
ア幅Sやバリアハイド甲が異なる。このためトンネル電
流JTが大幅に変動し、ピエゾ素子へのフィードバック
電圧も大きく変動するのでこれら欠陥はSTM像におけ
る不連続な点として現れる。また試料面方向の分解能が
高いため微細な欠陥であっても検出することができる。
従来の技術の項で述べたようにトンネルバリアの膜厚は
大気にさらすことで増加してしまう場合が多い。このた
めトンネルバリアのより精度の高い評価を行うためには
トンネルバリア形成後、真空を破ることなしにSTM測
定することが望ましい。本発明の製造装置においてはト
ンネルバリア形成後、真空を破ることなくトンネルバリ
アの評価が行えるSTM装置をトンネル型ジョセフソン
接合の製造装置に付加することによって、トンネルバリ
アの正しい評価を行うことができる。
また、STMによる観察は、非接触であり、トンネルバ
リアを傷つけることがないため、STM観察した試料を
用いて接合を製作しても、接合特性を損なうことはない
(実施例) アブライドフィジックスレターズ(ApplyedPh
ysics Letters)、 vol、 42. 
P472(1983))にある上、下部電極にニオブ(
Nb)を用いトンネル障壁層にアルミニウム酸化物(A
IOx)を用いたNb/AlOx/Nb接合は優れた接
合特性を有することがら代表的なトンネル型ジョセフソ
ン接合である。しがしNb/AlOx/Nb接合はピン
ホール等のトンネルバリアの欠陥が発生しやすい。そこ
で本実施例では第1図にブロック図を示すNb/AIO
ア/Nb接合の製造装置を例にとり本発明の製造装置に
つき説明を行う。
第1図に示すように本製造装置は、超伝導体成膜室11
、トンネルバリア形成室12、STM13を備えている
。基板(通常熱酸化したシリコン基板)は最初超伝導体
成膜室11に入れる。まずNbスパッタ装置14を用い
てNbを200nmスパッタ成膜し、第2図に示す下部
電極Nb21を形成する。このとき下部電極Nb21表
面には、スパッタ条件に応じて数’nm程度の起伏が生
じる。次にアルミニウム(A1)スパッタ装置15を用
いてA1を6nm成膜し、オーバーレーヤA122とす
る。オーバーレーヤA122の膜厚が6nmと薄いため
オーバーレーヤA122による下部電極Nb21のカバ
レージが不十分であり、下部電極Nb21が一部露出す
る場合がある。次に基板をゲートバルブ16を通してト
ンネルバリア形成室12まで搬送し、酸素導入バルブ1
7を用いて酸素を導入することによって40Pa、10
分間の熱酸化を行い、オーバーレーヤA122の表面を
酸化し、トンネルバリアとなる厚さ1.2nmのA10
x23を形成する。従来はすぐに基板を超伝導体成膜室
11にもどし上部電極Nb25としてNbを200nm
、Nbスパッタ装置14を用いて成膜しNb1AlOx
/Nb接合膜を形成していた。
酸化時に前述したような下部電極21が露出した部分が
あると、その部分は第2図に示されるようにニオブ酸化
物(NbOx)24が形成される。Nb0X24はNb
との反応性が高く、上部電極25成膜時にNbと反応し
、接合特性に悪影響をおよぼすNb低級酸化物が生成さ
れたり、完全に還元されNbとなりショートの原因とな
ったりする。このため前記下部電極21の露出した部分
の有無をチエツクする必要がある。
本実施例の製造装置を用いれば、トンネルバリア形成後
、ただちにトンネルバリア形成室12内にあるSTM1
3を用いてトンネルバリア表面の観察を行うことができ
る。STM観察は印加電圧2.Ov、設定電流0.5n
Aの条件で行う。オーバーレーヤA122が下部電極N
b21を十分にカバーしており、均一な膜厚のA10x
23だけが酸化により形成されている場合には、STM
像は、第3図(a)に示すように、下部電極Nb21の
起伏を反映したものになる。それに対して下部電極Nb
21が酸化時に露出しておすNb0x24が生じている
とSTM像には第3図(b)に示すような不連続な部分
が現れる。これは前記酸化条件によって得られるAlO
xの膜厚が1.2nmであるのに対してNbOxの膜厚
は、約2.5nm程度であること、バリアハイドがAl
Oxが約2.OeVであるのに対してNboxは約0.
4eVと異なることから、トンネル電流を一定に保つた
めのピエゾ素子のフィードバック電圧が、トンネルバリ
アがAloxである場合とNbOxである場合で大きく
異なるからである。このためSTM像の連続性を調べる
ことによってトンネルバリアであるA10x23の均一
性を調べることができる。
トンネルバリアA10x23を測定前に大気にさらすと
、トンネルバリア膜厚は最高5.Onm程度にまでなる
。そうなると、オーバーレーヤA122による下部電極
Nb21のカバーレージが接合特性に問題が生じない場
合に良好な場合も、オーバーレーヤA122を通して下
部電極Nb21表面が部分的に酸化されSTM像に不連
続性が現れる場合がある。そのためより精度の高いトン
ネルバリアの評価のためには真空を破ることなくSTM
測定をすることが望ましい。またトンネルバリアが増加
するため、その試料を用いては所望の臨界電流密度を有
するジョセフソン接合は製造できない。本実施例で述べ
た製造装置を用いればトンネルバリア形成後真空を破ら
すSTM観察が行えるため、上記問題点は克服できる。
以上述べたように、本実施例に示したトンネル型ジョセ
フソン接合の製造装置を用いれば、Nb/AlOx/N
b接合におけるトンネルバリアの欠陥を短時間で正確に
検出でき、Nb/AlOx/Nb接合形成時の歩留りが
向上する。
(発明の効果) 以上説明したように本発明による製造装置を用いればト
ンネルバリアのピンホール等の欠陥が容易にしかも確実
に検出できるためトンネル型ジョセフソン接合の歩留り
が向上するという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の詳細な説明するためのNb/AlOx
/Nb接合製造装置のブロック図。第2図は、Nb/A
lOx/Nb接合のトンネルバリア付近の断面図。 第3図は、トンネルバリアにピンホールがない場合(a
)とある場合(b)でのSTM像を示す図である。 図において、 11・・・超伝導体成膜室、12.・・トンネルバリア
形成室、13・・・STM、14・・・Nbスパッタ装
置、15・・・Alスパッタ装置、16・・・ゲートバ
ルブ、17・・・酸素導入バルブ、18・・・真空ポン
プ、19・・・真空ポンプ、21・・・下部電極Nb、
22 ・、、オーバーレーヤA1.23−AIOx、2
4 、、、Nb0x125−・・上部電極Nb。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 超伝導体の成膜設備とトンネルバリアの形成設備を有す
    るトンネル型ジョセフソン接合の製造装置において、真
    空を破ることなく測定できる走査トンネル顕微鏡を具備
    することを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合の製
    造装置。
JP63264014A 1988-10-21 1988-10-21 トンネル型ジョセフソン接合の製造装置 Pending JPH02112289A (ja)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4343993A (en) * 1979-09-20 1982-08-10 International Business Machines Corporation Scanning tunneling microscope
JPS5998573A (ja) * 1982-10-28 1984-06-06 スペリ−・コ−ポレ−シヨン 超伝導ジヨセフソン接合素子用のトンネル障壁作製法
JPS62237777A (ja) * 1986-04-08 1987-10-17 Agency Of Ind Science & Technol ジヨセフソン素子用基板

Patent Citations (3)

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