JPH03190289A - ジョセフソン接合素子及びその製造方法 - 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】 ［概要］ 下部電極及び上部電極がニオブであるジョセフソン接合
素子及びその製造方法に関し、ニオブの下部電極及び上
部電極に対して相性のよい材料でバリア層を構成したジ
ョセフソン接合素子及びその製造方法を提供することを
目的とし、下部電極及び上部電極がニオブであるジョセ
フソン接合素子において、前記下部電極上に形成された
ガリウム層と、前記ガリウム層表面を酸化して形成され
た酸化ガリウム層とを有し、前記酸化ガリウム層上に前
記上部電極が形成するように構成する。

「産業上の利用分野コ 本発明は下部電極及び上部電極がニオブであるジョセフ
ソン接合素子及びその製造方法に関する。

［従来の技術］ ニオブを下部ｔ［ｉ及び上部電極とするジョセフソン接
合を用いたジョセフソン接合素子では、ジョセフソン接
合の電流−電圧＜１−Ｖ）特性が良好であることが必要
十分条件である。この場合の電気的特性は、主としてニ
オブ下部電極とその上に堆積されるバリア層との界面の
状態で決定される。

従来は、どのような材料のバリア層が、下部電極及び上
部電極のニオブと相性が良いかどうかについては、特に
確固たる指針はなく試行錯誤的に材料の選択を行ってい
た。すなわち、従来は、ニオブ層上にバリア層となる材
料を実際に堆積して、接合特性を測定してバリア層とし
て良いかどうかを判断するしかなかった。

現在、良好な特性のジョセフソン接合を得られるものと
して知られているのは、Ｎｂ／ＡＪ　−Ａｊ　Ｏｘ　／
Ｎｂ、Ｎｂ／Ｚｒ　　ＺｒＯｘ　／Ｎｂ、Ｎｂ／Ｔａ−
Ｔａｇ、／Ｎｂ程度しかながく、これらも実際に製造し
てみてたまたま特性がよいことがわかったために採用さ
れたものである。

［発明が解決しようとする課題］ このようにニオブを下部電極及び上部電極とするジョセ
フソン接合におけるバリア層の材料としては上述の３種
類しかなく、今後のジョセフソン接合素子を用いた集積
回路を製造するためには、特性のよい他の材料を捜し出
す必要があった。しかしながら、従来は実際にジョセフ
ソン接合を製造して試行錯誤的に実験するしかなく、極
めて非能率であると共に適切な材料を簡単に見つけるこ
とができなかった。

本発明の目的は、ニオブの下部電極及び上部電極に対し
て相性のよい材料でバリア層を構成したジョセフソン接
合素子及びその製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本願発明者はニオブの下部電極及び上部電極に対して相
性の良い材料を見つけるのに、従来のような試行錯誤的
な手法ではなく、ある指針に則った確固たる手法を築く
ことを試みた。その結果、ニオブの下部電極上に金属を
形成し、その金属の酸化物をバリア層とする、Ｍｅｔａ
ｌ　ｏｎ　Ｍｅｔａｌ梢造のジョセフソン接合では、■
一方の金属であるニオブと結晶学的な観点から相性のよ
い金属であること、■その金属酸化物が絶縁物であるこ
と、が必要十分条件であることがわかった。

第１の条件である結晶学的な相性について、本願発明者
は、原子半径ｒと電気陰性度χというファクターに注目
した。原子半径ｒを横軸、電気陰性度χを縦軸とするグ
ラフ上に各金属の値をプロットするＤａｒｋｅｎ−Ｇｕ
ｒｒｙ　ｐｌｏｔにより、金属の結晶学的な相性につい
て考察しな０種々の金属のＤａｒｋｅｎ−Ｇｕｒｒｙ　
ｐｌｏｔを第３図に示す、第３図ではニオブを中心とし
ており、ニオブとのジョセフソン接合を実際に製造した
結果、良好なＩ−Ｖ特性を得られた金属を・で示し、良
好なＩ−Ｖ特性を得られなかった金属をＸで示した。

このように種々の金属についてＤａｒｋｅｎ−Ｇｕｒｒ
ｙ　ｐｌｏｔを作成した結果、ニオブと相性の良いアル
ミニウム、ジルコニウム、タンタルは、ニオブの近傍の
許容円内にあり、シリコン、イツトリウム、チタン、マ
グネシウム等の許容円外の金属は相性が良くないことが
わかった。すなわち、結晶学的な相性は、Ｄａｒｋ１３
ｎ−ＧＬＩｒｒ’／　Ｉ）ｌｏｔにおけるニオブとの距
離に依存している。

しかしながら、第３図に示すように、許容円内であって
もバナジウムやタングステンは良好なｌ−■特性を得る
ことができない。これはバナジウムやタングステンが第
２の条件を満足していないためである。すなわち、酸化
バナジウムや酸化タングステンは導電性であり、バリア
層として必要な絶縁性を有していないためである。この
ことは酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タン
タルが良好な絶縁物であることからも明らかである。

以上の考察から、Ｄａｒｋｅｎ−Ｇｕｒｒｙ　ｐｌｏｔ
　Ｃ＝おイテニオブの近傍に位置する金属であって、そ
の金属酸化物が絶縁物であれば、良好なジョセフソン接
合を得ることが予測できることが分かった。

ガリウムは原子半径ｒが１．３８人、電気陰性度χが１
．６であり、ニオブ（原子半径ｒ＝１゜３８人、電気陰
性度χ＝１．６）と結晶学的相性がよく、第３図におけ
る許容円内にある。しかもガリウム酸化物は良好な絶縁
物である。したがって、ニオブとガリウムを用いたＭｅ
ｔａｌ　ｏｎ　Ｍｅｔａｌ楕遣のジョセフソン接合を実
際に製造したところ良好な特性を得ることができた。

したがって、上記目的は、下部電極及び上部電極がニオ
ブであるジョセフソン接合素子において、前記下部電極
上に形成されたガリウム層と、前記ガリウム層表面を酸
化して形成された酸化ガリウム層とを有し、前記酸化ガ
リウム層上に前記上部電極が形成されていることを特徴
とするジョセフソン接合素子によって達成される。

また、上記目的は、ニオブ下部電極層上にガリウム層を
堆積し、続いて酸素を導入して前記ガリウム層を酸化し
て表面に酸化ガリウム層を形成し、続いて前記酸化ガリ
ウム層上にニオブ上部電極層を形成することにより、ジ
ョセフソン接合を形成する工程と、所定の接合面積のレ
ジスト層をマスクとして反応性イオンエツチングし、前
記ニオブ上部電極層、酸化ガリウム層及びガリウム層を
前記所定の接合面積の大きさに成形する工程とを有する
ことを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法によ
って達成される。

［作用］ 本発明によれば、極めて良好な特性を有するジョセフソ
ン接合素子を得ることができる。

［実施例］ 本発明の一実施例によるジョセフソン接合素子を第１図
を用いて説明する。

シリコン基板１０上に約２０００八属のニオブ下部電極
層１２が形成されている。このニオブ下部電極層１２上
の所定面積に接合したガリウム−酸化ガリウム層１４が
約６０〜７０人だけ形成されている。このガリウム−酸
化ガリウム層１４は約５０〜６０人のガリウム層上に約
１０人の薄い酸化ガリウム層が形成されたものである。

ガリウム−酸化ガリウム層１４上には約２０００八属の
ニオブ上部電極層１６が形成されている。

これらニオブ下部電極層１２、ガリウム−酸化ガリウム
層１４、ニオブ上部電極層１６で形成されたジョセフソ
ン接合は酸化シリコン層１８により埋め込まれている。

酸化シリコン層１８上にはニオブ配線層２０．２２が形
成され、酸化シリコン層１８に形成されたコンタクトホ
ールを介してニオブ下部電極層１２及びニオブ上部電極
層１６にコンタクトしている。

次に、本発明の一実施例によるジョセフソン接合素子の
製造方法を第２図を用いて説明する。

まず、シリコン基板１０上に、ニオブ下部電極層１２、
ガリウム−酸化ガリウム層１４、ニオブ上部電極層１６
を同一反応室内で真空を破らずに連続的に堆積させてジ
ョセフソン接合を形成する（第２図（ａ））、すなわち
、まず、ニオブをターゲットとしたＤＣマグネットスパ
ッタリング（Ａｒガス：　１０　ｍＴｏｒｒ、２ＯＡ、
３００Ｖ）によりニオブ下部電極層１２を堆積する。堆
積速度は約２０００八／　ｍ　ｉ　ｎである０次に、タ
ーゲットをガリウムに変えてＤＣＣマグプツトスパッタ
リングＡｒガス：　１０　ｍＴｏｒｒ、０．０５Ａ、３
００Ｖ）によりガリウム層を堆積する。堆積速度は約６
０八／　ｍ　ｉ　ｎである。ガリウム層を堆積した後、
Ａｒガスに１０％の０□ガスを混合した混合ガスを導入
し、Ｉ　Ｔｏｒｒで約１時間、ガリウム層を酸化する。

すると、ガリウム層表面に約１０人の酸化ガリウム層が
形成されて、ガリウム−酸化ガリウム層１４が実現する
０次に、再びニオブをターゲットとしたＤＣマグネット
スパッタリング（Ａｒガス：　１０　ｍＴｏｒｒ、２Ｏ
Ａ、３００Ｖ）によりニオブ下部電極層１４を堆積する
。

次に、ニオブ上部電極層１６上に、所定のジョセフソン
接合面積にパターニングされたレジスト層３０を形成す
る（第２図（ａ））。

次に、このレジスト層３０をマスクとして反応性イオン
エツチング（反応ガス＝ＣＦ　４　＋　５％０：　５０
　ｍＴｏｒｒ、ＲＦ：５０Ｗ）によりニオブ上部電極層
１４をエツチングする（第２図（ｂ））、この反応ガス
ではガリウムがエツチングされないため、ガリウム−酸
化ガリウム層１４がエツチングストッパとして機能する
。したがって、反応性イオンエツチングの反応時間を精
密に制御する必要はない。

続いて、反応カスをアルゴンにして反応性イオンエツチ
ング（Ａｒガス：　１０ｍＴｏｒｒ、ＲＦ　：　７０Ｗ
）を行い、薄いガリウム−酸化ガリウム層１４を物理的
にエツチング除去した後、レジスト層３０を剥離する（
第２図（Ｃ））。

次に、所定の下部電極の大きさにパターニングされたレ
ジスト層３２をジョセフソン接合を含むニオブ下部電極
層１２上に形成する（第２図（ｄ））。

次に、このレジスト層３２をマスクとして反応性イオン
エツチング（反応ガス＝ＣＦ４　＋５％０：　５０　ｍ
Ｔｏｒｒ、ＲＦ　：　５０Ｗ）によりニオブ下部電極層
１２をエツチングする（第２図（ｅ））。

次に、全体に絶縁膜としてＲＦマグネットスパッタリン
グ（Ａｒガス＋　１０　ｍＴｏｒｒ、９００Ｗ）により
酸化シリコン層１８を約４０００〜５０００人だけ堆積
する（第２図（ｆ））。

次に、酸化シリコン膜１８上にコンタクトホールを形成
するようにパターニングされたレジスト層３４を形成す
る（第２図（ｇ））。

次に、反応性イオンエツチング（反応ガス＝ＣＨＦ５＋
３０％０２　：　５０　ｍＴｏｒｒ、ＲＦ：１００Ｗ）
により酸化シリコン膜１８に、ニオブ下部電極層１２及
びニオブ上部電極層１６にコンタクトするためのコンタ
クトホール１８ａ、１８ｂを形成する（第２図（ｈ））
。

次に、約６０００厚のニオブ配線層を形成した後にパタ
ーニングして、コンタクトホール１８ａ、１８ｂを介し
てニオブ下部電極層１２及びニオブ上部電極層１６にコ
ンタクトするニオブ配線層２０．２２を形成して、ジョ
セフソン接合素子を完成する（第２図（ｉ））。

このようにして製造されたＮ　ｂ　／　Ｇ　ａ　−Ｇ　
ａ　Ｏ、／Ｎｂ構造は、例えばＮｂ／ＡＪＩ　−ＡＪ　
ｏｘ　／ＮｂＮｂ構造べて良好な特性のジョセフソン接
合が実現できる。理想的なジョセフソン接合のＩＩＮ造
としては、超伝導体／絶縁体／超伝導体であることが必
要である。しかし、Ｎｂ／ＡＪ　−ＡＪ　Ｏｘ／Ｎｂ構
造や、Ｎｂ／Ｇａ　　ＧａＯｘ／Ｎｂ構造等のＭｅｔａ
ｌ　ｏｎ　１４ｅｔａ１ｍｍのジョセフソン接合におい
ては、超伝導体であるＮｂの間にＡｊＪ？３Ｇａのよう
な常伝導体の金属層が存在する。このため、この金属層
をできるだけ薄くできれば良好なジョセフソン接合が実
現できる。

Ａ」の場合には少なくとも約７ｎｍ程度の厚さまで堆積
しないとピンホールがない良好な膜を形成できない、堆
積したアルミニウム層を酸化すると約２ｎｍ程度の厚さ
の酸化アルミニウム層が形成され、かなりの厚さのアル
ミニウム層が残ることになる。これはＡｊの融点が高い
（６６０℃）ためである。

これに対して、ガリウムは融点が低く（２５℃）ニオブ
層上で液相状態で堆積するため、極めて薄く形成しても
ピンホールのないガリウム層を実現できる。したがって
、金属層であるガリウム層を薄くすることができ、理想
的なジョセフソン接合の構造である超伝導体／絶縁体／
超伝導体に極めて近いものを得ることができる。

本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上述のジョセフソン接合素子の製造方法では、
ニオブ上部′ｒ４極層を反応性イオンエ・ツチングによ
りエツチング除去してジョセフソン接合面積を決定した
が、陽極酸化によりニオブ上部電極層をエツチングして
もよい。ジョセフソン接合面積をマスクしてレジスト層
が形成されたシリコン基板を陽極とし、例えばチタンを
陰極とし、例えば硝酸アンモニウムとエチレングリコー
ルを１対９で混合した溶液を陽極酸化液として、陽極と
陰極間に所定のボルト数の電圧を印加して陽極酸化を行
う、するとボルト数に応じた厚さのニオブ上部電極層が
エツチングされてジョセフソン接合面積が決定される。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明によれば、極めて良好な特性を有す
るジョセフソン接合素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるジョセフソン接合素子
の断面図、 第２図は本発明の一実施例によるジョセフソン接合素子
の製造方法の工程断面図、 第３図はニオブを中心としたＤａｒｋｅｎ−Ｇｕｒｒｙ
　ｐｌ。 ｔを示すグラフである。 図において、 １０・・・シリコン基板 １２・・・ニオブ下部電極層 １０−−−シリコン基板 １２−　ニオブ下部電極層 １４−−ガリウム−〇閲イしガリウム層）６−ニオブよ
耶電裡層 １８−一一酸化シリコン贋 ２０．２２−−−ニオブ６７町■ 一天万色例によるジョセフソン接合素子のＷ面図第１図 ４・・・ガリウム−酸化ガリウム層 ６・・・ニオブ上部電極層 ８・・・酸化シリコン層 ８ａ、１８ｂ・・・コンタクトホール ０．２２・・・ニオブ配線層 ０．３２．３４・・・レジスト層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下部電極及び上部電極がニオブであるジョセフソン
   接合素子において、 前記下部電極上に形成されたガリウム層と、前記ガリウ
   ム層表面を酸化して形成された酸化ガリウム層とを有し
   、前記酸化ガリウム層上に前記上部電極が形成されてい
   ることを特徴とするジョセフソン接合素子。 ２、ニオブ下部電極層上にガリウム層を堆積し、続いて
   酸素を導入して前記ガリウム層を酸化して表面に酸化ガ
   リウム層を形成し、続いて前記酸化ガリウム層上にニオ
   ブ上部電極層を形成することにより、ジョセフソン接合
   を形成する工程と、所定の接合面積のレジスト層をマス
   クとして反応性イオンエッチングし、前記ニオブ上部電
   極層、酸化ガリウム層及びガリウム層を前記所定の接合
   面積の大きさに成形する工程と を有することを特徴とするジョセフソン接合素子の製造
   方法。