JPH02137277A - ジョセフソン素子の製造方法 - Google Patents

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 本発明は超電導応用技術であるジぢセフソン素子の製造
方法に関するものである。

従来の技術 近年発見された酸化物超電導体の中には、その超電導遷
移温度が液体窒素温度（７７，３Ｋ）を越えるものがあ
り、超電導体の応用分野を大きく広げることとなった。

その実用化の一つであるジョセフソン素子については、
酸化物超電導体を二つに割り、再びわずかに接触させた
ブレーク型ジョセフソン素子、酸化物超電導体を薄膜に
し、小さなくびれをつけたブリッジ型ジロセフソン素子
、酸化物超電導体間をＡ　Ｌｌｓ　　Ａ　ｇ等の貴金属
で接続した近接効果ブリッジ型ジロセフソン素子が従来
。

試作されている。また、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０やＢ１−３
ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０やＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０の酸
化物超伝導体とＮｂやｐｂ等の金属超伝導体とのトンネ
ル型ジョセフソン素子が試作されている。

発明が解決しようとしている課題 液体窒素温度を越える動作温度を存する酸化物超電導体
を用いたジョセフソン素子としては前記のブレーク型と
ブリッジ型ぐらいであり、酸化物超電導体同志のトンネ
ル型ジ日セフソン素子は作成困難であった。この原因と
しては、障壁層あるいは第二の酸化物超伝導薄膜の形成
時に障壁層と金属酸化物薄膜との界面反応が起こり、第
一または第二の酸化物超伝導薄膜の特性劣化を引き起こ
すものと考えられ、大きな問題となっていた。

課題を解決するための手段 基板上に第一の金属酸化物超電導薄膜と障壁層を形成し
た後に、フォトプロセスとエツチングにより前記第一の
金属酸化物超電導薄膜および前記障壁層をパターン加工
した後、前記障壁層の一部上にレジストをパターン形成
して更に層間絶縁膜を堆積し、前記レジストを除去する
ことにより前記層間絶縁膜をリフトオフ加工して、更に
酸素プラズマ中に曝した後、第二の金属酸化物超伝導薄
膜を前記障壁層の一部に接触して形成し、前記第二の金
属酸化物超伝導薄膜のパターン加工をした後、酸素雰囲
気中にて熱処理を行うことによりジョセフソン素子を製
造する。

第一および第二の金属酸化物超伝導薄膜の材料として、
Ｂ　ｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０、または、Ｂ　　ｉ　　
−Ｐ　　ｂ　　−Ｓ　　ｒ　　−Ｃａ　　−ＣＬｌ　　
−（’Ｊ、　　ｌｊ：　　／１　　ｊ土、　　Ａ−Ｂ−
Ｃｕ−０またはＡ−Ｂ−Ｃｕ−０−８の複合化合物とす
る場合も有効である。ここに、ＡはＳｃ、Ｙ、Ｌａおよ
びＬａ系列元素（原子番号５７〜７１、但し５８．５９
．８１を除く）のうち少なくとも一種、Ｂは、Ｂａ＋Ｓ
ｒなどのＩｌａ族元素のうちの少なくとも一種、かつＡ
、　　Ｂ元素とＣｕ元素の濃度は ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ である。

また、障壁層の材料が、酸化ビスマス、酸化ストロンチ
ュウム、酸化カルシュラム、酸化バリュウム、酸化鉛、
酸化マグネシュウム、酸化ジルコニュウムのうち少なく
とも一つ、あるいはこれらの混合物を用いる場合も有効
である。

更に、酸素雰囲気中での熱処理を金属酸化物超伝導薄膜
の結晶化温度以上の温度で行う場合も同じく有効である
。

作用 発明者らは、本発明のジョセフソン素子の１方法におい
て、第一および第二の金属酸化物超伝導薄膜の材料を、
Ｂ　ｉ　−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０、または、Ｂ　１−Ｐ
ｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０、または、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０
またはＡ−Ｂ−Ｃｕ−０−８の複合化合物（ＡはＳｃ、
Ｙ＋　　Ｌａおよび原子番号５８．５９．６１を除く原
子番号５７〜７１のＬａ系列元素のうち少なくとも一種
、Ｂは、Ｂａ、Ｓｒなどのｌｌａ族元素のうちの少なく
とも一種、かつＡ、　　Ｂ元素とＣｕ元素の濃度は０．
５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５）とし、障壁層の材料を
、酸化ビスマス、酸化ストロンチュウム、酸化カルシュ
ラム、酸化バリュウム、酸化鉛、酸化マグネシュウム、
酸化ジルコニュウムのうち少なくとも一つ、あるいはこ
れらの混合物とし、第一の金属酸化物超伝導薄膜を障壁
層で被覆した後にパターン加工することにより第一の金
属酸化物超伝導薄膜の加工時の特性劣化を防止するとい
う作用がある。また、層間絶縁膜をリフトオフ加工形成
した後、酸素プラズマ中に曝すことにより障壁層のクリ
ーニング、あるいはプロセス後の第一の金属酸化物超伝
導薄膜の酸素欠損を補うための酸素の供給が行われ、第
二の金属酸化物超伝導薄膜と良好なトンネル接合を形成
できるという作用がある。更に、第二の金属酸化物超伝
導薄膜のパターン加工をした後、酸素雰囲気中にて熱処
理を行うことにより、作成加工時の特性劣化を回復する
、もしくは、金属酸化物超伝導薄膜の結晶化温度以上の
温度で行うことにより超伝導特性を生ぜしめるという作
用がある。

実施例 本発明のジョセフソン素子の製造方法の一実施例を示す
工程図を第１図〜第６図に示す。Ｍｇ０（１００）面基
板１上にＢ　ｉ　−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−〇からなる第一
の金属酸化物超伝導薄膜２（膜厚３００ｎｍ）を基板温
度７００°Ｃでｒｆマグネトロンスパッタリング法によ
り形成し、その後真空を破らずにトンネルバリヤと成る
障壁層３（膜厚２ｎｍ）を室温でｒｆマグネトロンスパ
ッタリング法により堆積する。材料はＢｉｐＯａである
。

（第１図）。これを、フォトプロセスと、Ａｒイオンミ
リングとを用いて第一の金属酸化物超伝導薄膜をパター
ン加工する（第２図）。

次に、保護層としてネガ型レジストを８０ｎｍスピンコ
ートシ、その上にポジ型レジストを８００ｎｍスピンコ
ードした後、露光、現像して接合部および第一の金属酸
化物超伝導薄膜２のコンタクト部分に相当する箇所にレ
ジスト４をパターン形成する。これに、層間絶縁膜５と
してＢｉ２Ｏ３を３００ｎｍ厚さにｒｆマグネトロンス
パッタリング法により室温で堆積する（第３図）。アセ
トンに浸して、軽く超音波をかけてリフトオフを行う（
第４図）。酸素プラズマによるアッシングを行い残りの
レジストを除去するとともに、障壁層のクリーニングを
行う。その直後、第二の金属酸化物超伝導薄膜６をｒｆ
マグネトロンスパッタリング法により基板温度７００°
Ｃで堆積する。膜厚は、３００ｎｍとした。これに通常
のフォトプロセスにより第二の酸化物超伝導薄膜６のパ
ターン加工のためにレジスト７を形成する（第５図）。

Ａｒイオンミリングにより、エツチングを行い、第二の
酸化物超伝導薄膜６のパターン加工を行うと同時に第一
の酸化物超伝導薄膜２のコンタクトのための障壁層３の
窓開けを行う。残りのレジスト７を酸素プラズマによる
アッシングにより除去した後、酸素雰囲気中にてアニー
ルを行ってジョセフソン素子を形成する（第６図）。ア
ニールは、８９０’Ｃで２０分加熱した後、８５５°Ｃ
ｔｊ４時間維持し、室温まで炉冷して行った。この製造
方法により作成した超電導素子は、臨界温度８０にの物
が得られ、直流ジョセフソン効果も見られヒステリシス
のあるトンネル型の特性が得られた。また、この特性は
再現性よく得られ、得られた特性も安定であった。

第２図後の第一の金属酸化物超伝導薄膜２の特性劣化は
ほとんど見られなかった。これは、障壁層３が第一の金
属酸化物超伝導薄膜２の加工劣化を防止しているためと
考えられる。また、第６図の工程でアニール前の第一の
金属酸化物超伝導薄膜２と第二の金属酸化物超伝導薄膜
６間の接合は、臨界温度が約３０に程度のトンネル型ジ
ョセフソン接合特性であったが、アニール後は前述のよ
うに８０Ｋまで向上した。

なお、本発明の実施例において、基板１にＭｇＯ（１０
０）面を用いたが、これに限定するわけではなく他に同
様な超伝導薄膜を堆積出来るものなら何でもよい。

また、第一の金属酸化物超伝導薄膜２と第二の金属酸化
物超伝導薄膜６として、Ｂｔ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０を
用いたが、Ｂ　１−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ＝Ｏ１また
は、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−０またはＡ−Ｂ−Ｃｕ−０−８の複
合化合物（ＡはＳｃ。

Ｙ、Ｌａおよび原子番号５８．５９．６１を除く原子番
号５７〜７１のＬａ系列元素のうち少なくとも一種、Ｂ
は、Ｂ　ａ＋　　Ｓ　ｒなどのＩＩａ族元素のうちの少
なくとも一種、かつＡ、　　Ｂ元素とＣｕ元素の濃度は
０．　５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５）としでも同様な
効果が見られた。

また、障壁層および層間絶縁膜の材料を、酸化ビスマス
を用いて説明したが、酸化ビスマス、酸化ストロンチュ
ウム、酸化カルシュウム、酸化バリュウム、酸化鉛、酸
化マグネシュウム、酸化ジルコニュウムのうち少なくと
も一つ、あるいはこれらの混合物としても、同様な効果
が得られた。

また、第３図の工程で、レジストにネガ型とポジ型の二
層レジストを用いたが、リフトオフ出来るレジストなら
何でも良いのはいうまでもない。

さらに超伝導薄膜および障壁層の堆積法として実施例に
は、物理的堆積法の一つであるスパッタリング法を用い
たが、他の物理的堆積法の真空蒸着法、電子ビーム蒸着
法、ＭＢＥ法、レーザー堆積法、さらには化学的蒸着法
のＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、なども試みた結果、同様に
ジョセフソン素子が製造できることを確認した。

発明の効果 本発明の実施により、第一の金属酸化物超伝導薄膜とト
ンネル接合となる障壁層が同一真空中で成膜でき界面で
の汚染が防止できた。また、居間絶縁膜をリフトオフ加
工形成した後、酸素プラズマ中に曝すことにより障壁層
表面のクリーニング、あるいはプロセス後の第一の金属
酸化物超伝導薄膜の酸素欠損を捕うための酸素の供給が
行われ、トンネル接合界面の汚染または劣化を防ぐこと
ができ、第二の金属酸化物超伝導薄膜と良好なトンネル
接合を形成することが可能となった。

第二の金属酸化物超伝導薄膜のパターン加工をした後、
酸素雰囲気中にて熱処理を行うことにより、作成加工時
の特性劣化が回復するという効果が得られた。また、金
属酸化物超伝導薄膜の結晶化温度以上の温度で行うこと
により、堆積後に超伝導特性を示さない薄膜を用いた場
合でも超伝導特性が生じるという効果がみられた。

現在、超電導応用のひとつとしてジョセフソン素子を構
成要素とする超電導量子干渉計が実用化されているが、
本発明の超電導素子はジョセフソン素子として動作して
おり、この素子を用いると液体窒素温度で動作する超電
導量子干渉計を１１４成できる。さらにこの超電導素子
は、低消費電力のスイッチング素子とすることができる
。これらの点で本発明の、計算機応用、電子機器応用な
どに対する実用的効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明のジョセフソン素子の製造方法
の一実施例を示す工程断面図である。 １−・・基板、２．６・会・金属酸化物超伝導薄膜、３
・・・障壁層、４．７−・・レジスト、５Φ・・層間絶
縁膜。 代理人の氏名　弁理士　栗野重孝　ほか１名大か ば） 法 懺 α） 塚

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板上に第一の金属酸化物超電導薄膜と障壁層を
   形成した後に、フォトプロセスとエッチングにより前記
   第一の金属酸化物超電導薄膜および前記障壁層をパター
   ン加工した後、前記障壁層の一部上にレジストをパター
   ン形成して更に層間絶縁膜を堆積し、前記レジストを除
   去することにより前記層間絶縁膜をリフトオフ加工して
   、更に酸素プラズマ中に曝した後、第二の金属酸化物超
   伝導薄膜を前記障壁層の一部に接触して形成し、前記第
   二の金属酸化物超伝導薄膜のパターン加工をした後、酸
   素雰囲気中にて熱処理を行うことを特徴とするジョセフ
   ソン素子の製造方法。 （２）第一および第二の金属酸化物超伝導薄膜の材料が
   Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）または、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓ
   ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）または、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏまたは
   Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ−Ｓの複合化合物から成ることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のジョセフソン素子の
   製造方法。 ここに、ＡはＳｃ、Ｙ、ＬａおよびＬａ系列元素（原子
   番号５７〜７１、但し５８、５９、６１を除く）のうち
   少なくとも一種、Ｂは、Ｂａ、ＢｒなどのIIａ族元素の
   うちの少なくとも一種、かつＡ、Ｂ元素とＣｕ元素の濃
   度は ０．５≦（Ａ＋Ｂ）／Ｃｕ≦２．５ （３）障壁層の材料が、酸化ビスマス、酸化ストロンチ
   ュウム、酸化カルシュウム、酸化バリュウム、酸化鉛、
   酸化マグネシュウム、酸化ジルコニュウムのうち少なく
   とも一つ、あるいはこれらの混合物であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載のジョセフソ
   ン素子の製造方法。 （４）酸素雰囲気中での熱処理を金属酸化物超伝導薄膜
   の結晶化温度以上の温度で行うことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項又は第２項記載のジョセフソン素子の製
   造方法。