JPH02202075A - 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ョ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
ブレーク型ジリセフソン素子、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ジセフソン素子
、酸化物超電導体間をＡ　ｕｌＡ　ｇ等の貴金属で接続
した近接効果ブリッジ型ジＨセフソン素子が従来試作さ
れている。また、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０やＢｉ　−Ｓｒ−
Ｃａ−Ｃｕ−０やＴｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−０の酸化物
超電導体とＮｂやＰｂ等の金属超電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電導薄膜の形成
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電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、フォトリソグラフィー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上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
電導薄膜を前記障壁層の一部に接触して形成し、前記第
二の金属酸化物超電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電導薄膜の材料として、
Ｂ　ｉ　−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、または、Ｂ　１−Ｐ
ｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０１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　ｃｏ　　Ｙｓ　　Ｌ　ａ
およびＬａ系列元素（原子番号５７〜７１、但し５８．
５９．６ｔｌを除く）のうち少なくとも一種、Ｂは、Ｂ
ａ＋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 である。

また、障壁層の材料が、Ｔｔｌ　Ｎｂ１　Ｔａ１　Ｗの
うち少なくとも１つを含むＢｉ系層状構造化合物である
場合、または、前記障壁層材料がＴｔｌＮ　ｂｉ　　Ｔ
　ａのうち少なくとも１つと％　　Ｐｂ１Ｃａ１Ｓｒ１
　Ｂａのうち少なくとも１つを含むＢｉ酸化物系層状構
造化合物である場合、又は、Ｔｉを含み、しかもＮａ１
　ＫＮ　　Ｆｅ１　Ｎｂ１　Ｔａのうち少なくとも１つ
を含むＢｉ酸化物系層状構造化合物である場合、又は、
ＮｂとＫを含むＢｉ酸化物系層状構造化合物である場合
、又は、前記障壁層材料が、Ｂ　ｉ　ＪＴ　ｉ　ｓｏ＋
２あるいはＢｉａＴｉａＯ目のうちどちらかである場合
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電導薄膜
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、ジョセフソン素子の製造方法において、最
も形成が困難な障壁層の材料について検討した結果、Ｂ
ｉ系層状構造化合物は、高温においてもきわめて安定で
あり、超電導膜との界面反応を抑えられることを発見し
た。このため、超電導膜の特性劣化の問題を解消できる
。また、これら材料は、層状構造酸化物超電導膜との整
合性が良く、薄膜形成の際の制御性、再現性も非常に良
いことを発見した。

実施例 本発明のジ「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８図に示す。Ｍｇ０（１００）開基
板１上にＢ１−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０からなる第一の金
属酸化物超電導薄膜２（膜厚３００ｎｍ）を基板温度７
００℃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）として、Ｂ　ｉｚＴ　ｉｓｏ＋ｅをｒ
ｆｖグネトロンスパッタリング法により堆積する（第１
図）。これを、フォトリソグラフィーと、Ａｒイオンミ
リングとを用いて第一の金属酸化物超電導薄膜をパター
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スビンコ
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
酸化物超電導薄！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Ｂ１４Ｔｉ３０＋２を３００ｎｍ厚さにｒｆマグ
ネトロンスパッタリング法により堆積する（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電導薄ｍｓを
ｒｆマグネトロンスパッタリング法により基板温度７０
０℃で堆積する。膜厚は、３００ｎｍとした。これに通
常のフォトリソグラフィーにより第二の酸化物超電導薄
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
酸化物超電導薄膜６のパターン加工を行うと同時に第一
の酸化物超電導薄膜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Ｐ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℃で
４時間維持し、室温まで炉冷して行った。この製造方法
により作成した超電導素子は、臨界温度８０にの物が得
られ、直流ジ２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電導薄膜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
属酸化物超電導薄膜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
金属酸化物超電導薄膜２と第二の金属酸化物超電導薄膜
６間の接合は、臨界温度が約３０に程度のトンネル型ジ
ロ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　（１
００）面を用いたが、これに限定するわけではなく他に
同様な超電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電導薄膜２と第二の金属酸化
物超電導薄膜６としてＮＢ１−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０を
用いたが、Ｂ１−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ　−Ｃｕ　−Ｏｌ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としても同様な効果が見ら
れた。

障壁層および層間絶縁膜の材料として、Ｂ１４Ｔｉ３０
＋２を用いた場合を説明したが、金属酸化物超電導薄膜
としてＢｉ酸化物系超電導体を用いた場合には、障壁層
にＴＬ　　Ｎｂｓ　　Ｔａｓ　　Ｗのうち少なくとも１
つを含むＢｉ系層状構造化合物を用いると、上記Ｂｉ酸
化物系層状構造化合物が、熱的に非常に安定で、又、Ｂ
１−０層ではさまれた層状構造をとり易いために、障壁
層の拡散が少なく、はぼ完全に近い均一な障壁層を制御
性及び再現性良く形成でき、良好な特性を示すジョセフ
ソン素子が形成できることを見いだした。また、少なく
ともＢｉｉ化物系超電導体を金属酸化物超電導薄膜に用
いたジョセフソン素子において、障壁層材料としてＮＢ
Ｉ酸化物系超電導体に適合した格子定数を有するＢｉｉ
化物系層状構造化合物を用いることにより、障壁層自体
の結晶性、および、これに対向する超電導体の結晶性を
向上させることを見いだした。このことにより金属酸化
物超電導薄膜の超電導性を損なうことなく、良好な超電
導性を有する超電導素子を形成できることを見いだした
。また、第一　第二の金属酸化物超電導薄膜２．６にＢ
ｉｉ化物系超電導体を用い、障壁層にＢｉｉ化物系層状
構造化合物を用いると、上記Ｂｌ酸化物系層状構造化合
物は良好な超電導性を示し、さらに障壁層が熱的に安定
であるために、障壁層内の原子の上記超電導体への拡散
がほとんどない接合が得られ、　トンネル特性も向上す
ることを見いだした。

さらに、このＢｉｉ化物系層状構造化合物は、そのＢ１
−０層で挟まれる面内の構成元素、および、結晶構造に
よりその層状構造の膜厚が変化する。そこで、障壁層の
材料をＴｉｚ　　Ｎｂ１　Ｔａのうち少なくとも１つと
、Ｐ　ｂｌＣａｌＳ　ｒｓ　　Ｂ　ａのうち少なくとも
１つを含むＢｉｉ化物系層状構造化合物、又は、Ｔｉを
含み、しかもＮａｔ　　ＫｌＦ　ｅｌＮ　ｂｌＴ　ａの
うち少なくとも１つを含むＢｉｉ化物系層状構造化合物
、又は、ＮｂとＫを含むＢｉｉ化物系層状構造化合物と
することにより、ジｄセフソン素子の特性が制御できる
ことを見いだした。さらに、Ｂ　ｉ　ａＴ　ｉ　５ｏＩ
ｅあるいはＢｉ２Ｔｉ　ａ　Ｏ＋　１は、Ｂｉ酸酸化物
系層槽構造化合物中でも最も単純な酸化物であり、容易
に層状構造を形成できることを見いだした。

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。

さらに超電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電導薄膜とト
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、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
表面のクリーニング、あるいはプロセス後の第一の金属
酸化物超電導薄膜の酸素欠損を補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電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。

又、障壁層にＢｉｉ化物系層状構造化合物を用いること
によって、金属酸化物超電導薄膜と障壁層との整合性が
きわめて良くなり、又、障壁層を制御性及び再現性良く
形成することが可能である。

第二の金属酸化物超電導ＷｉＭ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、
金属酸化物超電導薄膜の結晶化温度以上の温度で行うこ
とにより、堆積後に超電導特性を示さない薄膜を用いた
場合でも超電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
導量子干渉計を構成できる。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図は本発明のジタ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、２．８−・・金属酸化物超電導薄膜、３
・・・障壁層、４．７・・・レジスト、５・・・層間絶
縁膜。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名Ｑり 区 区 区 Ｃ’Ｊ ａフ 成 懺 凶

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （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、フォトリソグラフィーとエッチングによ
   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
   化物超電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電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ジョセフソン素子の
   製造方法において、前記第一および第二の金属酸化物超
   電導薄膜の材料が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
   ら成り、前記障壁層の材料がＢｉ酸化物系層状構造化合
   物から成ることを特徴とする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、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
2. （２）Ｂｉ酸化物系層状構造化合物として、少なくとも
   Ｔｉ又はＮｂ又はＴａ又はＷを含む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
   。
3. （３）Ｂｉ酸化物系層状構造化合物として、Ｐｂ、Ｃａ
   、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａのうち少な
   くとも１つを含む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。
4. （４）Ｂ１酸化物系層状構造化合物として、Ｂｉ＿４Ｔ
   ｉ＿３Ｏ＿１＿２、または、Ｂｉ＿２Ｔｉ＿４Ｏ＿１＿
   １であ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。
5. （５）酸素雰囲気中での熱処理を金属酸化物超電導薄膜
   の結晶化温度以上の温度で行なう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。