JPH02139978A - ジョセフソン素子およびその製造方法 - 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ョセフソン素子および
そ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
ブレーク型ジ日セフソン素子、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ドセフソン素子
、酸化物超電導体間をＡｕ１　Ａｇ等の貴金属で接続し
た近接効果ブリッジ型ジョセフソン素子が従来試作され
ている。また、Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ　−０やＢｉ−Ｓ
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有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
ル型ジョ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 木筆−の発明のジョセフソン素子は、基板上に形成され
た第一の金属酸化物超電導薄膜上に金属薄膜を具備し、
前記金属薄膜上に障壁層を挟み接して形成された第二の
金属酸化物超伝導薄膜から成る接合部の積層薄膜と、前
記接合部の積層薄膜′を取り囲む部分の前記金属薄膜上
に形成された層間絶縁膜を具備し、前記接合部の前記第
二の金属酸化物超伝導薄膜に電気的に接触して形成され
た配線用の金属酸化物超伝導薄膜を具備し、かつ、前記
配線用の金属酸化物超伝導薄膜が前記第一の金属酸化物
超電導薄膜または前記金属薄膜とは前記接合部以外で絶
縁された構造としたものであり、高性能なジョセフソン
素子を提供することが出来る。

また、前記層間絶縁膜の形成されていない前記金属薄膜
表面に電気的に接触して、かつ、配線用の金属酸化物超
伝導薄膜とは分離して形成されたコンタクト用の金属酸
化物超伝導薄膜を具備した構造とすることによっても同
様に高性能なジョセフソン素子を提供することが出来る
。

金属酸化物超伝導薄膜の材料として、Ｂｉ−Ｓｒ−−Ｃ
ａ　　Ｃｕ　　Ｏｌまたは、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−−Ｃａ
　−Ｃｕ　−ＯＮ　　または、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Ｓ　ＣＩ　　Ｙｔ　　Ｌ　ａ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、Ｂ　ａ、　
　Ｓ　ｒなどのＩＩａ族元素のうちの少なくとも一種、
かつＡ１　Ｂ元素とＣｕ元素の濃度は０．５≦（Ａ＋Ｂ
）／Ｃｕ≦２．５ である。

また、障壁層および層間絶縁膜の材料が、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を
用いる場合も有効である。

また、金属薄膜の材料がＡ　ｇｌＡ　ｕｌＰ　ｔｓ　　
Ｐｄのうち少なくとも１種類の元素を用いることとする
場合も有効である。

本第二の発明のジョセフソン素子の製造方法は、基板上
にトの金属酸化物超電導薄膜と金ｒｆ４薄膜および、障
壁層を形成した後に、第二の金属酸化物超伝導薄膜を形
成して、フォトプロセスと前記金属薄膜の一部を露出さ
せるエツチングとにより接合部の積層薄膜をパターン加
工した後、層間絶縁膜を堆積し、前記エツチング後の残
りのレジストを除去することにより前記層間絶縁膜をリ
フトオフ加工して前記第二の金属酸化物超伝導薄膜を露
出させた後、酸素プラズマ中に曝し、配線用の金属酸化
物超伝導薄膜を前記第二の金属酸化物超伝導薄膜に接し
て堆積し、フォトプロセスとエツチングを用いて前記配
線用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。

また、配線用の金属酸化物超伝導薄膜を堆積する前に露
出させたコンタクト部の金属薄膜上に、前記配線用の金
属酸化物超伝導薄膜を堆積した後、フォトプロセスとエ
ツチングを用いて前記配線用の金属酸化物超伝導薄膜の
パターン加工をして前記配線用およびコンタクト用とに
分離形成してジョセフソン素子を製造する方法も有効で
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なってジョセフソン素子を
製造する方法も同様に有効である。

作用 発明者らは、木筆−の発明のジョセフソン素子において
、金属酸化物超伝導薄膜の材料を、ＢｉＳｒ　　Ｃａ−
Ｃｕ　　Ｏｌまたは、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−　−Ｃａ　−
Ｃｕ　−Ｏ、または、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−〇またはＡ−Ｂ−
Ｃｕ−０−８の複合化合物（ＡはＳｃｔ　　Ｙｔ　　Ｌ
ａ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
　ａｔ　　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）とすることにより、液
体窒素の沸点以上の臨界温度を示すジョセフソン素子が
得られる。

また、第一の金属酸化物超電導薄膜上に金属薄膜と障壁
層を挟み、これに接して形成された第二の金属酸化物超
伝導薄膜から成る積層薄膜のジョセフソン接合部におい
て金属薄膜の近接効果により第一の金属酸化物超電導薄
膜の表面の凹凸の影響を緩和する作用や、障壁層または
層間絶縁膜と金属酸化物超電導薄膜との界面反応を抑制
する作用がある。特に、金属薄膜の材料がＡｇ５Ａｕｘ
Ｐｔ１　Ｐｄのうち少なくとも１種類の元素を用いる場
合には、第一の金属酸化物超電導薄膜との界面反応を抑
制する作用が顕著である。更に、障壁層および層間絶縁
膜の材料が、酸化ビスマス、酸化ストロンチュウム、酸
化カルシュラム、酸化ハリュウム、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には、第二の金属
酸化物超伝導薄膜との界面反応を抑制する作用が顕著で
ある。

本第二の発明のジョセフソン接合の製造方法において、
第一の金属酸化物超電導薄膜と金属薄膜および、障壁層
を形成した後に、第二の金属酸化物超伝導薄膜を真空を
破らずに形成することができ、これをエツチングするこ
とにより、各層間の汚染を防止し良好なジョセフソン接
合を得るという作用がある。ここで、障壁層と第一の金
属酸化物超伝導薄膜との間に金属薄膜をはさむことによ
り、エツチング時の終了検出と、エツチング時の特性劣
化を防止するという作用がある。

その後、層間絶縁膜を堆積し、前行程のエツチング後の
残りのレジ、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前記第二の金１酸化物超伝導薄膜
を露出させる行程では、接合部の第二の金属酸化物超伝
導薄膜の配線用の金属酸化物超伝導薄膜との接合部分を
劣化させずに形成することが出来るという作用がある。

また、酸素プラズマ中に曝すことにより、障壁層のクリ
ーニングする作用および、第二の金属酸化物超伝導薄膜
の酸素欠損を補い超伝導特性を回復または、向上させる
作用がある。

更に、配線用の金属酸化物超伝導薄膜を前記第二の金属
酸化物超伝導薄膜に接して堆積し、フォトプロセスとエ
ツチングを用いて前記配線用の金属酸化物ぎ伝導薄膜の
パターン加工を行い、配線用およびコンタクト用とに分
離形成することにより、同時に両者の形成が出来る。

また、酸素雰囲気中にて熱処理を行うことにより、作成
加工時の特性劣化の回復もしくは特性の向上が見られる
、あるいは、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新たに生ぜしめると
いう作用がある。

実施例 木筆−の発明のジョセフソン接合の一実施例を示す素子
断面図を第１図に示す。本発明のジョセフソン素子は、
基板１上に、第一の金属酸化物超伝導薄膜２と、その上
に金属薄膜３、更にその上に障壁層４と第２の金属酸化
物超伝導薄膜５の積層薄膜よりなるジョセフソン接合部
の周囲を層間絶縁膜７が取り囲み、かつ、眉間絶縁膜７
の下部は、金属薄膜３の表面と接し、またその上部表面
の一部は、配線用の金属酸化物超伝導薄膜８と接してい
る。また、配線用の金属酸化物超伝導薄膜８の下部表面
の一部は、第二の金属酸化物超伝導薄膜５と接して超伝
導コンタクトを形成しており、ジョセフソン接合の上部
電極と成っている。また、金属薄膜３上に直接形成され
た、コンタクト用の金属酸化物超伝導薄膜８は、金属薄
膜３を介して近接効果により第一の金属酸化物超伝導薄
膜２と超伝導コンタクトを形成しており、接合の下部電
極の引出し電極となっている。

第２図には、本第二の発明のジョセフソン接合の製造方
法の一実施例を示す工程図を示す。第２図を元に以下の
具体的な実施例の説明を行う。

Ｍｇ０（１００）面基板１上にＢｉ−Ｓｒ−−Ｃａ−Ｃ
ｕ−０からなる第一の金属酸化物超伝導薄膜２　ＣＭ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する。ターゲットには
、Ｂｉ：　　Ｓｒ：　　Ｃａ：　Ｃｕ＝１．８：　　１
：　　１．５：　２の組成の物を用いＡｒとＯ２の混合
雰囲気中で０．５Ｐａで行った。その後真空を破らずに
Ａｕの金属薄膜３（膜厚１０ｎｍ）と、トンネルバリヤ
と成る障壁層４（膜厚２ｎｍ）をそれぞれ、抵抗加熱法
と、材料にＢｉ２５ｓを用いｒｆマグネトロンスパッタ
リング法により堆積した。基板温度は４００°　Ｃとし
た。その後、真空を破らずに再度Ｂｉ−Ｓｒ−−Ｃａ−
Ｃｕ−０からなる第二の金属酸化物超伝導薄膜５を３０
０ｎｍ堆積した（ａ）。これを、フォトプロセスと、Ａ
ｒイオンミリングとを用いて第二の金属酸化物超伝導薄
膜５および障壁層４をパターン加工して接合部１０を形
成する（ｂ）。レジスト６は、保ｍ層としてネガ型を８
０ｎｍスピンコードし、その上にポジ型を８００ｎｍス
ピンコードして用いた。エツチングは、金属薄膜３の表
面が露出する時を終了点とした。Ａｒイオンの加速電圧
は、５００Ｖとした。

次に、層間絶縁膜７としてＢｉ２０ｇ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。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。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、第二の金属酸化物超伝導
薄膜５および、金属薄膜３のコンタクト部分のクリーニ
ングを行う（Ｃ）。

次に、配線用のＢ　ｉ　−Ｓｒ−−Ｃａ−Ｃｕ−０から
なる金属酸化物超伝導薄膜８を基板温度７００℃で堆積
させる。膜厚は３００ｎｍとした。更にその上にフォト
レジスト９を８００ｎｍスピンコードして露光、現像を
行ない、配線と第一および第二の金属酸化物超伝導薄膜
２．５との超伝導コンタクトのためのパターンを形成す
る（ｄ）。

この時のレジストは、ネガ型もしくは、ポジ型のどちら
でも良い。

次に、Ａｒイオンミリングにより配線用の金属酸化物超
伝導薄膜８をエツチングする。その後、酸素プラズマ中
にてアッシングを行ない、残りのレジスト９を除去する
。これを、酸素雰囲気中にてアニールを行ってジロセフ
ソン素子を形成する（ｅ）。アニールは、８９０°Ｃで
２０分加熱した後、８５５℃で４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ジロセフソン素子は、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
なものであった。

行程（ｂ）後の第一および第二の金属酸化物超伝導薄膜
２．５の特性劣化はほとんど見られなかった。これは、
第一の金属酸化物超伝導薄膜２、金属薄１１Ｅ３、障壁
層４および、第二の金属酸化物超伝導薄膜５を真空を破
らずに順次形成したことにより界面の汚染を防止できた
ことと、金属薄膜３が障壁層４と第一の金属酸化物超伝
導薄膜２間の相互拡散のバッファ層の役目をしたためと
考えられる。金属薄膜３の材料としてＡ　ｇｌＡ　ｕＮ
　　Ｐｔ、Ｐｄのうち少なくとも１種類の元素を含む金
属を用いた場合には、このバッファ層としてノ効果が著
しく得られることがわかった。

また、工程（Ｃ）後で酸素プラズマ中に曝すことにより
、第二の金属酸化物超伝導薄膜５の超伝導特性が回復ま
たは、向上する傾向がみられた。

また、工程（ｅ）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　Ｋ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Ｍｇ０（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５および配線用の金属酸化物超伝導薄膜８
として、Ｂｉ−Ｓｒ−−Ｃａ−Ｃｕ−〇を用いたが、Ｂ
ｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、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、
θ１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　ａｌ　　Ｓ　ｒなどのＩＩ
ａ族先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
）としても同様な効果が見られた。

また、障壁層４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とした場合にも、安定な酸化物薄膜
を形成し、熱処理の際にも良好なトンネルバリヤを形成
することを発見した。

また、工程（ｂ）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。

なお、第一の金属酸化物超伝導薄膜のパターン加工を、
工程（ａ）の後で行なっても同様な効果が得られるのは
、明白である。

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）１［ｌ
と金属薄膜とトンネルバリヤとなる障壁層および第二の
金属酸化物超伝導薄膜が同一真空中で成膜でき界面での
汚染が防止でき良好なトン半ル接合を容易に形成するこ
とが可能となった。また、金属薄膜を第一の金属酸化物
超伝導薄膜上に設けたため、接合部分のパターン形成の
ためのエツチングの終了点検出が容易となりジョセフソ
ン素子製造の歩留まりが飛曜的に向上した。

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第二の金属酸化物超伝導薄膜表面あ
るいは、金属薄膜表面のクリーニング、あるいは酸素欠
損を補うための酸素の供給が行われ、配線用の金属酸化
物超伝導薄膜と、第一の金属酸化物超伝導薄膜あるいは
第二の金属酸化物超伝導薄膜との良好な超伝導コンタク
トを実現することが出来た。

配線用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、加工時の
特性劣化が回復あるいは特性が向上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
の温度で熱処理を行うことにより、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
いう効果がみられ生産性の向上につながった。

現在、超電導応用のひとつとしてジョセフソン素子を構
成要素とし液体ヘリウム温度（４，２Ｋ）で動作する超
電導量子干渉計が実用化されているが、本発明のジョセ
フソン素子はトンネル型ジ日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
電導量子干渉計を構成することができる。さらにこのジ
ョセフソン素子は、超高速低消費電力のスイッチング素
子として用いることができる。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図は本発明のジョセフソン素子の一実施例を示す素
子断面図、第２図は本第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・・一基板、２．５．８・・・金属酸化物超伝導薄膜
、３・Φ・金属薄膜、４・・争障壁層、６．８・・・レ
ジスト、７・・・層間絶縁膜、１０１１ψＯ接合部。 代理人の氏名　弁理士　栗野重孝　ほか１名瘍 図 ）−ＪＬ孜 １０４与畢

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板上に形成された第一の金属酸化物超電導薄膜
   上に金属薄膜を具備し、前記金属薄膜上に障壁層を挟み
   接して形成された第二の金属酸化物超伝導薄膜から成る
   接合部の積層薄膜と、前記接合部の積層薄膜を取り囲む
   部分の前記金属薄膜上に形成された層間絶縁膜を具備し
   、前記接合部の前記第二の金属酸化物超伝導薄膜に接し
   て形成された配線用の金属酸化物超伝導薄膜を具備し、
   かつ、前記配線用の金属酸化物超伝導薄膜が前記第一の
   金属酸化物超電導薄膜または前記金属薄膜とは前記接合
   部以外で絶縁されたことを特徴とするジョセフソン素子
   。 （２）層間絶縁膜の形成されていない部分の金属薄膜に
   接し、配線用の金属酸化物超伝導薄膜とは電気的に分離
   して形成されたコンタクト用の金属酸化物超伝導薄膜を
   具備した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。 （３）金属酸化物超伝導薄膜の材料がＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ
   −Ｃｕ−Ｏ、または、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−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項ないし第２項記載のジョセフソン素子。 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、Ｓｒ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 （４）障壁層および、層間絶縁膜の材料が、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項ないし第
   ２項記載のジョセフソン素子。 （５）金属薄膜の材料がＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄのうち
   少なくとも１種類の元素を含むことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし第２項記載のジョセフソン素子。 （６）基板上に第一の金属酸化物超電導薄膜と金属薄膜
   および、障壁層を形成した後に、第二の金属酸化物超伝
   導薄膜を形成して、フォトプロセスと前記金属薄膜の一
   部を露出させるエッチングとにより接合部の積層薄膜を
   パターン加工した後、層間絶縁膜を堆積し、前記エッチ
   ング後の残りの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前記第二の金属酸化物超伝
   導薄膜を露出させた後、酸素プラズマ中に曝し、配線用
   の金属酸化物超伝導薄膜を前記第二の金属酸化物超伝導
   薄膜に接して堆積し、フォトプロセスとエッチングを用
   いて前記配線用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
   する特許請求の範囲第１項ないし第２項記載のジョセフ
   ソン素子の製造方法。 （７）配線用の金属酸化物超伝導薄膜を堆積する前に露
   出させたコンタクト部の金属薄膜上に、前記配線用の金
   属酸化物超伝導薄膜を堆積した後、フォトプロセスとエ
   ッチングを用いて前記配線用の金属酸化物超伝導薄膜の
   パターン加工をして前記配線用およびコンタクト用とに
   分離形成することを特徴とする特許請求の範囲第６項記
   載のジョセフソン素子の製造方法。 （８）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６項記載のジョセフソン素子の製造方法。