JPH05243628A

JPH05243628A - ジョセフソン接合素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH05243628A
Application number: JP4043162A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyoshi Shioda; 哲義塩田; Shinichi Morohashi; 信一諸橋; Takeshi Imamura; 健今村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、熱処理による酸素拡散がトンネル・
バリア層にまで達することを阻止してジョセフソン接合
の特性変化を防止し、安定なジョセフソン接合を実現す
ることができる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する。【構成】Ｓｉ基板１１上にＮｂ基部電極１２が形成さ
れ、このＮｂ基部電極１２上に、ＡｌＯｘ−Ａｌトンネ
ル・バリア層１３を介して、第１Ｎｂ対向電極１４、Ａ
ｌ酸素拡散阻止層１５及び第２Ｎｂ対向電極１６が順に
形成されいる。即ち、第１Ｎｂ対向電極１４と第２Ｎｂ
対向電極１６とからなるＮｂ対向電極１９中に、Ａｌ酸
素拡散阻止層１５が挿入されている。全面には絶縁層１
７が堆積され、Ｎｂ対向電極１９上の絶縁層１７に開口
されたコンタクト窓を介して、Ｎｂ対向電極１４に接続
されたＮｂ配線層１８が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導デバイスの一つ
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。近年、ジョセフソン集積回路の高集積化に伴い、微
細加工を行うために、熱処理を必要とする半導体素子製
造プロセスの導入が要求されている。このため、熱処理
に対して安定なジョセフソン接合素子を製造する必要が
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来のジョセフソン接合素子を、図７に
示す断面図を用いて説明する。例えばＳｉ（シリコン）
基板５１上に、厚さ３０〜２００ｎｍのＮｂ（ニオブ）
からなる基部電極５２が形成されている。また、この基
部電極５２上には、厚さ３〜２０ｎｍのＡｌ（アルミニ
ウム）層と厚さ０．５〜５ｎｍのＡｌＯx 層からなるト
ンネル・バリア層５３を介して、厚さ３０〜２００ｎｍ
のＮｂからなる対向電極５４が形成されている。更にま
た、全面に、ＳｉＯ₂からなる絶縁層５５が堆積され、
対向電極５４上の絶縁層５５に開口されたコンタクト窓
を介して、厚さ２００〜８００ｎｍのＮｂからなる配線
層５６が対向電極５４に接続して形成されている。

【０００３】しかし、上記図７に示されるＮｂ／ＡｌＯ
x −Ａｌ／Ｎｂ接合は、例えばその作製プロセス途中に
温度２００℃以上の熱処理が存在した場合、対向電極５
４表面から酸素が拡散し、ＡｌＯx −Ａｌからなるトン
ネル・バリア層５３のＡｌＯx 層にまで到達するおそれ
がある。このため、トンネル・バリア層５３の質及び厚
さが変化することにより、臨界電流が減少するという現
象が生じる。

【０００４】このような酸素拡散を防止する方法とし
て、図８に示されるように、トンネル・バリア層５３の
ＡｌＯx 層と対向電極５４との間に、酸素とは余り反応
しない金属、例えばＡｌ、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ
（金）、Ａｇ（銀）等からなる金属層５７を形成する方
法が考えられている（特開昭５８−３９０８１号参
照）。しかしながら、この方法を用いた場合、絶縁体で
あるトンネル・バリア層５３のＡｌＯx 層と超伝導体で
ある対向電極５４との間に金属層５７が存在するため、
この金属層５７を近接効果を利用して超伝導体としなけ
ればならないことから、対向電極５４のＮｂが直接にＡ
ｌＯx と接している場合に比べて、ギャップ電圧が下が
るなどの現象が起こり、接合の電気的特性が劣化してし
まう。

【０００５】また、熱処理によるジョセフソン接合素子
表面からの酸素拡散を防止する他の方法として、配線層
５６中にＮｂより酸素との結合度が強い金属、例えばＡ
ｌ、又は耐酸化金属、例えばＷ（タングステン）、Ｍ
ｏ、Ｔａ（タンタル）、Ｐｂ（パラジウム）からなる金
属層５８を挿入する方法が考えられている（特開平１−
１２８４８１号参照）。

【０００６】しかしながら、製造プロセス途中で必ず大
気に晒される対向電極５４表面に酸化膜が形成されるた
め、この方法を用いた場合においても、熱処理による対
向電極５４表面の酸化膜からトンネル・バリア層５３へ
の酸素拡散を防止することはできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように上記従来の
ジョセフソン接合素子は、その製造プロセス途中での熱
処理による接合の劣化を防止するため、温度１５０℃以
下という比較的低温で全プロセスを行わなければならな
いという制約を受けている。一方、ジョセフソン回路の
高集積化に伴い、バイアススパッタによる平坦化技術
等、現在の半導体素子作製プロセスで使用されている技
術を導入する必要が生じているが、このプロセスにおい
ては、例えば温度２００〜３００℃程度に試料温度が上
昇することが考えられる。従って、このような温度上昇
が避けられないプロセスは、従来のジョセフソン接合素
子の作製プロセスに導入することができないという問題
があった。

【０００８】そこで本発明は、熱処理による酸素拡散が
トンネル・バリア層にまで到達することを阻止してジョ
セフソン接合の特性変化を防止し、安定なジョセフソン
接合を実現することができる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する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】図１は、本発明の原理説
明図である。例えばＳｉ基板１１上に、Ｎｂ基部電極１
２が形成されている。また、このＮｂ基部電極１２上に
は、Ａｌ層とＡｌＯx 層からなるＡｌＯx −Ａｌトンネ
ル・バリア層１３が形成されている。また、このＡｌＯ
x −Ａｌトンネル・バリア層１３上には第１Ｎｂ対向電
極１４が形成されている。

【００１０】更に、この第１Ｎｂ対向電極１４上には、
Ａｌ酸素拡散阻止層１５を介して第２Ｎｂ対向電極１６
が形成されている。即ち、第１Ｎｂ対向電極１４と第２
Ｎｂ対向電極１６とからなるＮｂ対向電極１７中に、Ａ
ｌ酸素拡散阻止層１５が挿入されている。そして全面に
はＳｉＯ₂からなる絶縁層１８が堆積され、第２Ｎｂ対
向電極１６上の絶縁層１８に開口されたコンタクト窓を
介して、Ｎｂ対向電極１４に接続されたＮｂ配線層１９
が形成されている。

【００１１】このように本発明によるジョセフソン接合
素子は、第１Ｎｂ対向電極１４と第２Ｎｂ対向電極１６
とからなるＮｂ対向電極１７中に、Ａｌ酸素拡散阻止層
１５が挿入されている点に特徴がある。次に、図１のジ
ョセフソン接合素子の製造方法を説明する。（１）ＤＣマグネトロン・スパッタリングにより、Ｓ
ｉ基板１１上にＮｂ基部電極１２及びＡｌ層を堆積す
る。続いて、真空を破ることなく、酸素雰囲気中に放置
することにより、Ａｌ層表面にＡｌＯx 層を生成する。
こうしてＡｌ層とＡｌＯx 層とからなるＡｌＯx −Ａｌ
トンネル・バリア層１３を形成する。

【００１２】（２）ＤＣマグネトロン・スパッタリン
グにより、ＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア層１３上に
第１Ｎｂ対向電極１４を堆積し、この第１Ｎｂ対向電極
１４上にＡｌ酸素拡散阻止層１５を堆積し、更に、この
Ａｌ酸素拡散阻止層１５上に第２Ｎｂ対向電極１６を堆
積する。（３）ＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオン
・エッチング）法を適用することにより、第２Ｎｂ対向
電極１６を所定の形状にパターニングする。続いて、Ａ
ｒガス雰囲気中でプラズマ・エッチング法を適用するこ
とにより、Ａｌ酸素拡散阻止層１５のパターニングを行
う。

【００１３】また、同様にＲＩＥ法を適用することによ
り、第１Ｎｂ対向電極１４のパターニングを行う。こう
してＡｌ酸素拡散阻止層１５が間に挿入された第１Ｎｂ
対向電極１４と第２Ｎｂ対向電極１６とからなるＮｂ対
向電極１７を形成する。続いて、Ａｒガス雰囲気中でプ
ラズマ・エッチング法を適用することにより、ＡｌＯx
−Ａｌトンネル・バリア層１３をパターニングする。更
に、ＲＩＥ法を適用することにより、Ｎｂ基部電極１２
のパターニングを行う。

【００１４】（４）ＤＣマグネトロン・スパッタリン
グにより、全面にＳｉＯ₂からなる絶縁層１８を堆積す
る。続いて、ＲＩＥ法を適用することにより、Ｎｂ対向
電極１７上の絶縁層１８を選択的にエッチングして配線
コンタクト窓を開口する。（５）ＤＣマグネトロン・スパッタにより、配線コン
タクト窓内に露出しているＮｂ対向電極１７表面を含む
全面に、Ｎｂ配線層１９を堆積する。続いて、ＲＩＥ法
を適用することにより、Ｎｂ配線層１９を所定の形状に
パターニングする。こうしてＮｂ配線層１９をＮｂ対向
電極１７に接続して形成する。

【００１５】以上のようにして、図１のジョセフソン接
合素子を作製する。

【００１６】

【作用】図１のジョセフソン接合素子の温度４．２ｋに
おける臨界電流の熱処理前後での変化を図２のグラフに
示す。また、図７の従来例によるジョセフソン接合素子
と比較した結果を同時に示す。なお、この実験では、接
合面積１０μｍ×１０μｍのジョセフソン接合素子を用
い、窒素雰囲気中にて温度２５０℃の熱処理を行い、臨
界電流の変化を測定した。そしてこのグラフの横軸には
累積した熱処理時間を、縦軸には熱処理後の臨界電流Ｉ
c を熱処理前の臨界電流Ｉcoで規格化した値Ｉc ／Ｉco
をそれぞれ表している。

【００１７】このグラフから次にことが明らかになる。
即ち、Ｎｂ対向電極中にＡｌ酸素拡散阻止層を挿入しな
い従来技術による図７のジョセフソン接合素子の場合、
図中のＢに示されるように、３０分間の熱処理で臨界電
流Ｉc ／Ｉcoが１０％以下に減少するのに対して、Ｎｂ
対向電極中にＡｌ酸素拡散阻止層を挿入した本実施例に
よる図１のジョセフソン接合素子の場合、図中のＡに示
されるように、４０％以上の値を得ることができた。

【００１８】このように本発明によれば、Ｎｂより酸素
との結合度が強いＡｌ酸素拡散阻止層１５がＮｂ対向電
極１７中に挿入されていることにより、たとえ素子作製
の途中で素子温度が上昇し、Ｎｂ対向電極１７表面から
酸素が拡散してくることがあっても、Ａｌ酸素拡散阻止
層１５が酸素拡散を阻止するため、酸素が素子の特性を
決定するＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア層１３まで到
達することはなく、素子特性を安定にすることができ
る。

【００１９】即ち、図８に示されるような配線層５６中
にＡｌ等からなる金属層５８を挿入する従来技術と比較
すると、Ａｌ酸素拡散阻止層１５をＮｂ配線層１９中で
はなく、Ｎｂ対向電極１７中に挿入しているにより、Ｎ
ｂ対向電極１７表面からの酸素拡散を防止する効果は飛
躍的に増大する。また、Ｎｂ対向電極１７中にＡｌ酸素
拡散阻止層１５を挿入しても、接合部におけるＡｌＯx
−Ａｌトンネル・バリア層１３と第１Ｎｂ対向電極１４
とが直接に接しているため、図８に示されるように、ト
ンネル・バリア層５３と対向電極５４との間に酸素とは
あまり反応しないＡｌ酸素拡散阻止層５７を形成する従
来技術と比較すると、Ａｌ酸素拡散阻止層１５を挿入し
たことによる特性劣化を生じることはない。

【００２０】従って、現在の半導体素子作製で使用され
ている高温処理プロセスの導入が可能となる。例えば、
絶縁層１８を堆積する工程で、温度２００〜３００℃の
試料温度上昇が要求されるバイアススパッタ法を用いる
ことができ、絶縁層１８の平坦化を行うことができる。
これにより、ジョセフソン集積回路の高集積化に寄与す
ることができる。

【００２１】また、Ｎｂ対向電極１７中に挿入するＡｌ
酸素拡散阻止層１５の厚さをＡｌのコヒーレンス長以下
にすることにより、Ａｌ酸素拡散阻止層１５を挟む第１
Ｎｂ対向電極１４と第２Ｎｂ対向電極１６との間に超伝
導電流が流れるため、Ａｌ酸素拡散阻止層１５の挿入に
よる素子特性の劣化を生じることはない。更に、ジョセ
フソン集積回路の冷却時に、ＡｌＯx −Ａｌトンネル・
バリア層１３を挟んだＮｂ基部電極１２及びＮｂ対向電
極１７が表面から冷却されて超伝導状態に変化するた
め、接合部に磁束が掃き寄せられトラップされる現象が
生じるが、Ｎｂ対向電極１７中のＡｌ酸素拡散阻止層１
５が常伝導金属層であることによりこの磁束をトラップ
して接合部に影響を及ぼさないようにすることができる
ため、回路誤動作の原因となることもなく、素子特性の
いっそうの安定化を実現することができる。

【００２２】従って、このような磁束トラップ作用を考
えた場合、常伝導金属層としてのＡｌ酸素拡散阻止層１
５を、接合部への磁束トラップを阻止するための磁束ト
ラップ層として、Ｎｂ対向電極１７中だけではなくＮｂ
基部電極１２中にも挿入することにより、より大きな効
果を奏することができる。なお、図１においては、Ｎｂ
対向電極１７中にＡｌ酸素拡散阻止層１５が１層だけ挿
入されているが、複数層のＡｌ酸素拡散阻止層を挿入し
てもよく、その効果を更に大きくすることができる。

【００２３】また、Ａｌ酸素拡散阻止層１５の代わり
に、Ａｌと同様にＮｂより酸素との結合度が強い金属、
例えばＺｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）から
なる酸素拡散阻止層を用いてもよい。更にまた、こうし
たＮｂより酸素との結合度が強い金属の代わりに、耐酸
化金属層、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ（白金）等の貴金
属、又はＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ等の高
融点金属からなる酸素拡散阻止層を用いても、同様の効
果を奏することができる。

【００２４】また、Ｎｂ対向電極１７中に挿入するＡｌ
酸素拡散阻止層１５の代わりに、金属窒化物層を挿入し
ても、この金属窒化物層はＮｂ対向電極１７表面からの
酸素拡散に対して酸素拡散阻止層として機能するため、
同様な酸素拡散阻止効果を奏することができる。この場
合、材料的にＮｂ対向電極１７と同時加工が可能である
ため、この金属窒化物層をＮｂ対向電極１７中に挿入す
るプロセスが容易であり、また熱処理に対して安定であ
るため、Ｎｂ対向電極１７との間で拡散が起こり難いと
いう特徴を有する。更に、この金属窒化物層がＺｒＮ
（窒化ジルコニウム）、ＨｆＮ（窒化ハフニウム）、Ｔ
ａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＭｏＮ
（窒化モリブデン）、又はＮｂＮ（窒化ニオブ）である
ときは、温度４．２Ｋで超伝導性を示すため、接合部の
電気的特性に悪影響を及ぼすことがないという特徴も有
している。

【００２５】更にまた、Ａｌ酸素拡散阻止層１５をＮｂ
対向電極１７中に挿入する代わりに、Ｎｂ対向電極１７
上面に形成しても同様の酸素拡散阻止効果を奏すること
ができる。この場合、Ａｌ酸素拡散阻止層１５をＮｂ対
向電極１７上面に形成し、高温処理を要する絶縁層１８
を形成した後、絶縁層１８と共に選択的にエッチング除
去して、Ｎｂ対向電極１７を露出させるコンタクト窓を
開口することにより、同様の酸素拡散阻止効果を奏する
と共に、Ｎｂ対向電極１７とＮｂ配線層１９とのコンタ
クトを良好にすることができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて具
体的に説明する。図３は、本発明の第１の実施例による
ジョセフソン接合素子を示す断面図である。例えばＳｉ
基板２１上に、厚さ３０〜３００ｎｍのＮｂ基部電極２
２が形成されている。また、このＮｂ基部電極２２上に
は、厚さ２〜１０ｎｍのＡｌ層と厚さ０．５〜５ｎｍの
ＡｌＯx 層からなるＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア層
２３が形成されている。

【００２７】また、このＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリ
ア層２３上には、厚さ２０〜２００ｎｍの第１Ｎｂ対向
電極２４が形成され、更に、この第１Ｎｂ対向電極２４
上には、厚さ１〜５０ｎｍのＡｌ酸素拡散阻止層２５を
介して、厚さ２０〜２００ｎｍの第２Ｎｂ対向電極２６
が形成されている。即ち、第１Ｎｂ対向電極２４と第２
Ｎｂ対向電極２６とからなるＮｂ対向電極２７中に、Ａ
ｌ酸素拡散阻止層２５が挿入されている。

【００２８】また、全面に、厚さ２００〜４００ｎｍの
ＳｉＯ₂からなる絶縁層２８が堆積され、平坦化されて
いる。そしてＮｂ対向電極２７上の絶縁層２８に開口さ
れたコンタクト窓を介して、Ｎｂ対向電極２７に接続さ
れた厚さ４００〜８００ｎｍのＮｂ配線層２９が形成さ
れている。このように、第１の実施例によるジョセフソ
ン接合素子は、第１Ｎｂ対向電極２４と第２Ｎｂ対向電
極２６とからなるＮｂ対向電極２７中に、Ａｌ酸素拡散
阻止層２５が挿入されている点に特徴がある。

【００２９】次に、図３のジョセフソン接合素子の製造
方法を説明する。ＤＣマグネトロン・スパッタリングに
より、Ｓｉ基板２１上に、厚さ３０〜３００ｎｍのＮｂ
基部電極２２、厚さ２〜１０ｎｍのＡｌ層を堆積する。
このＡｌ層は、例えばガス圧１．３ＰａのＡｒ（アルゴ
ン）ガス雰囲気中で、印加電圧−３００Ｖ程度、時間１
分間程度の条件で形成する。

【００３０】続いて、真空を破ることなく、酸素雰囲気
中に３０〜１００分間放置することにより、Ａｌ層表面
に厚さ０．５〜５ｎｍのＡｌＯx 層を生成する。こうし
て、Ａｌ層とＡｌＯx 層とからなるＡｌＯx −Ａｌトン
ネル・バリア層２３を形成する。次いで、ＤＣマグネト
ロン・スパッタリングにより、ＡｌＯx −Ａｌトンネル
・バリア層２３上に、厚さ２０〜２００ｎｍの第１Ｎｂ
対向電極２４を堆積する。また、ＤＣマグネトロン・ス
パッタリングにより、第１Ｎｂ対向電極２４上に、厚さ
１〜５０ｎｍのＡｌ酸素拡散阻止層２５を堆積する。更
に、ＤＣマグネトロン・スパッタリングにより、Ａｌ酸
素拡散阻止層２５上に、厚さ２０〜２００ｎｍの第２Ｎ
ｂ対向電極２６を堆積する。こうして第１Ｎｂ対向電極
２４と第２Ｎｂ対向電極２６とからなるＮｂ対向電極２
７中に、Ａｌ酸素拡散阻止層２５を挿入する。

【００３１】次いで、フォト・リソグラフィ技術におけ
るレジスト・プロセスを適用することにより、対向電極
用のフォト・レジスト層のパターンを形成する。そして
このフォト・レジスト層をマスクとし、ＣＦ₄＋（０〜
１５％）Ｏ₂をエッチング・ガスとするＲＩＥ法を適用
することにより、第２Ｎｂ対向電極２６を所定の形状に
パターニングする。続いて、Ａｒガス雰囲気中でプラズ
マ・エッチング法を適用することにより、Ａｌ酸素拡散
阻止層２５のパターニングを行う。

【００３２】また、同様にして、ＣＦ₄＋（０〜１５
％）Ｏ₂をエッチング・ガスとするＲＩＥ法を適用する
ことにより、第１Ｎｂ対向電極２４のパターニングを行
う。こうしてＡｌ酸素拡散阻止層２５が間に挿入された
第１Ｎｂ対向電極２４と第２Ｎｂ対向電極２６とからな
るＮｂ対向電極２７を形成する。続いて、Ａｒガス雰囲
気中でプラズマ・エッチング法を適用することにより、
ＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア層２３をパターニング
する。

【００３３】更に、フォト・リソグラフィ技術における
レジスト・プロセスを適用することにより、基部電極用
のフォト・レジスト層のパターンを形成する。そしてこ
のフォト・レジスト層をマスクとし、ＣＦ₄＋（０〜１
５％）Ｏ₂をエッチング・ガスとするＲＩＥ法を適用す
ることにより、Ｎｂ基部電極２２のパターニングを行
う。

【００３４】次いで、バイアススパッタ法を用いて、全
面に絶縁層２８を堆積し、その平坦化を行う。即ち、Ｓ
ｉ基板２１をマイナス電位にバイアスしながら、ＲＦマ
グネトロン・スパッタにより、全面に厚さ２００〜４０
０ｎｍのＳｉＯ₂からなる絶縁層２８を堆積する。この
ときのスパッタ条件は、基板バイアス電位−５０〜−２
００Ｖ、Ａｒガス圧１．３Ｐａ、パワー１０〜３０Ｗ／
ｃｍ²であり、温度は２００〜３００℃に上昇する。

【００３５】続いて、フォト・リソグラフィ技術におけ
るレジスト・プロセス及びＣＨＦ₃をエッチング・ガス
とするＲＩＥ法を適用することにより、平坦化された絶
縁層２８の選択的エッチングを行って配線コンタクト窓
を開口する。次いで、コンタクト窓内に露出しているＮ
ｂ対向電極２７表面をＡｒでスパッタクリーニングす
る。例えばＡｒガス圧１．３Ｐａ、印加電圧２００〜４
００Ｖ、時間１〜５分間の条件で行う。続いて、ＤＣマ
グネトロン・スパッタにより、配線コンタクト窓内のＮ
ｂ対向電極２７表面を含む全面に、厚さ４００〜８００
ｎｍのＮｂ配線層２９を堆積する。

【００３６】続いて、フォト・リソグラフィ技術におけ
るレジスト・プロセスを適用することにより、配線用の
フォト・レジスト層のパターンを形成する。そしてこの
フォト・レジスト層をマスクとし、ＣＦ₄＋（０〜１５
％）Ｏ₂をエッチング・ガスとするＲＩＥ法を適用する
ことにより、Ｎｂ配線層２９を所定の形状にパターニン
グする。こうしてＮｂ配線層２９をＮｂ対向電極２７に
接続して形成する。

【００３７】以上のようにして、図３のジョセフソン接
合素子を作製する。このように第１の実施例によれば、
Ｎｂ対向電極２７中に、Ｎｂより酸素との結合度が強い
Ａｌ酸素拡散阻止層２５が挿入されていることにより、
絶縁層２８を堆積し、平坦化する際に温度２００〜３０
０℃の試料温度上昇が要求されるバイアススパッタ法を
用いても、Ｎｂ対向電極２７表面からの酸素拡散はＡｌ
酸素拡散阻止層２５によって阻止される。このため、素
子の特性を決定するトンネル・バリア層まで酸素が達す
ることはなく、素子特性の安定化を実現することができ
る。

【００３８】また、Ｎｂ対向電極２７中にＡｌ酸素拡散
阻止層２５が挿入されても、接合部におけるＡｌＯx −
Ａｌトンネル・バリア層２３と第１Ｎｂ対向電極２４と
が直接に接しているため、Ａｌ酸素拡散阻止層２５が挿
入されたことによる特性劣化を生じることはない。従っ
て、現在の半導体素子作製で使用されている高温処理プ
ロセスの導入が可能となるため、ジョセフソン集積回路
の高集積化に寄与することができる。

【００３９】また、Ｎｂ対向電極２７中に挿入されてい
るＡｌ酸素拡散阻止層２５の厚さが１〜５０ｎｍと、Ａ
ｌのコヒーレンス長以下であることにより、Ａｌ酸素拡
散阻止層２５を挟む上下の第１Ｎｂ対向電極２４と第２
Ｎｂ対向電極２６との間に超伝導電流が流れるため、Ａ
ｌ酸素拡散阻止層２５の挿入による素子特性の劣化を生
じることはない。

【００４０】更に、ジョセフソン集積回路の冷却時に、
ＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア層２３を挟んだＮｂ基
部電極２２及びＮｂ対向電極２７が表面から冷却されて
超伝導状態に変化するため、接合部に磁束が掃き寄せら
れトラップされる現象が生じるが、Ｎｂ対向電極２７中
のＡｌ酸素拡散阻止層２５が常伝導金属層であることに
よりこの磁束をトラップして接合部に影響を及ぼさない
ようにすることができるため、回路誤動作の原因となる
こともなく、素子特性のいっそうの安定化を実現するこ
とができる。

【００４１】なお、上記第１の実施例においては、Ｎｂ
対向電極２７中にＡｌ酸素拡散阻止層２５が１層だけ挿
入されているが、複数層のＡｌ酸素拡散阻止層を挿入し
てもよく、その効果を更に大きくすることができる。な
お、この場合の製造方法は、ＡｌＯx −Ａｌトンネル・
バリア層２３上に第１Ｎｂ対向電極２４を堆積した後、
Ａｌ酸素拡散阻止層２５と第２Ｎｂ対向電極２６とを複
数回積層すればよい。

【００４２】また、上記第１の実施例におけるＡｌ酸素
拡散阻止層２５の代わりに、Ａｌと同様にＮｂより酸素
との結合度が強い金属、例えばＺｒ、Ｈｆからなる酸素
拡散阻止層を用いてもよい。また、こうしたＮｂより酸
素との結合度が強い金属の代わりに、耐酸化金属層、例
えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ等の貴金属、又はＷ、Ｍｏ、Ｔ
ａ、Ｔｉ、Ｐｄ等の高融点金属からなる酸素拡散阻止層
を用いても、同様の効果を奏することができる。

【００４３】更に、Ａｌ酸素拡散阻止層２５の代わり
に、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＭｏＮ、又はＮ
ｂＮの金属窒化物層を用いても、この金属窒化物層はＮ
ｂ対向電極２７表面からの酸素拡散に対して酸素拡散阻
止層として機能するため、酸素拡散阻止効果を奏するこ
とができる。なお、この場合、金属窒化物からなる酸素
拡散阻止層には、磁束トラップ機能はないが、温度４．
２Ｋで超伝導性を示すため、上記第１の実施例のように
酸素拡散阻止層の厚さをコヒーレンス長以下にしなくと
も、接合部の電気的特性に悪影響を及ぼすことがないと
いう特長を有している。

【００４４】また、この場合の製造方法を、例えばＨｆ
Ｎ酸素拡散阻止層の場合について、以下に説明する。上
記第１の実施例の場合と同様にして、Ｓｉ基板２１上
に、Ｎｂ基部電極２２、ＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリ
ア層２３、及び第１Ｎｂ対向電極２４を順に堆積する。

【００４５】次いで、ＲＦ又はＤＣマグネトロン・スパ
ッタリングにより、第１Ｎｂ対向電極２４上に、厚さ２
〜２０ｎｍのＨｆＮ酸素拡散阻止層を堆積する。このと
きのＨｆＮのスパッタ条件は、例えばＲＦスパッタの場
合、Ａｒガス流量６０sccm、Ｎ₂（窒素）ガス流量６０
sccm、パワー２Ｗ／ｃｍ²である。続いて、このＨｆＮ
酸素拡散阻止層上に、上記第１の実施例の場合と同様に
して、第２Ｎｂ対向電極２６を堆積する。

【００４６】次いで、対向電極用のフォト・レジスト層
をマスクとし、ＣＦ₄＋（０〜１５％）Ｏ₂をエッチン
グ・ガスとするＲＩＥ法を適用することにより、第２Ｎ
ｂ対向電極２６、ＨｆＮ酸素拡散阻止層、及び第１Ｎｂ
対向電極２４のパターニングを連続的に行う。こうして
ＨｆＮ酸素拡散阻止層が間に挿入された第１Ｎｂ対向電
極２４と第２Ｎｂ対向電極２６とからなるＮｂ対向電極
２７を形成する。

【００４７】続いて、上記第１の実施例の場合と同様に
して、ＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア層２３のパター
ニング、Ｎｂ基部電極２２のパターニング、絶縁層２８
の堆積、平坦化、配線コンタクト窓の開口、Ｎｂ配線層
２９の形成を行い、ジョセフソン接合素子を作製する。
このように、ＨｆＮ酸素拡散阻止層の場合、材料的に第
１及び第２Ｎｂ対向電極２４、２６と同時加工が可能で
あるため、このＨｆＮ酸素拡散阻止層をＮｂ対向電極２
７中に挿入するプロセスが容易であるという製造プロセ
ス上の特長を有している。また、このＨｆＮ酸素拡散阻
止層は、熱処理に対して安定であるため、隣接する第１
及び第２Ｎｂ対向電極２４、２６との間で拡散が起こり
難いという特長も有している。

【００４８】次に、本発明の第２の実施例によるジョセ
フソン接合素子及びその製造方法を、図４に示す断面図
を用いて説明する。なお、上記図３のジョセフソン接合
素子と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明
を省略する。Ｓｉ基板２１上にＮｂ基部電極２２が形成
され、またこのＮｂ基部電極２２上にはＡｌＯx −Ａｌ
トンネル・バリア層２３が形成され、またこのＡｌＯx
−Ａｌトンネル・バリア層２３上には、厚さ４０〜４０
０ｎｍのＮｂ対向電極３０が形成されていする。更に、
このＮｂ対向電極３０上には、厚さ２〜２０ｎｍのＡｌ
酸素拡散阻止層３１が形成されている。

【００４９】また、全面にＳｉＯ₂からなる絶縁層２８
が堆積され、平坦化されている。そしてＡｌ酸素拡散阻
止層３１上の絶縁層２８に開口されたコンタクト窓を介
して、Ａｌ酸素拡散阻止層３１に接続されたＮｂ配線層
２９が形成されている。このように、第２の実施例によ
るジョセフソン接合素子は、Ｎｂ対向電極３０上に、Ａ
ｌ酸素拡散阻止層３１が形成されている点に特徴があ
る。

【００５０】次に、図４のジョセフソン接合素子の製造
方法を説明する。上記第１の実施例の場合と同様にし
て、Ｓｉ基板２１上に、Ｎｂ基部電極２２及びＡｌＯx
−Ａｌトンネル・バリア層２３を順に堆積する。次い
で、ＤＣマグネトロン・スパッタリングにより、ＡｌＯ
x −Ａｌトンネル・バリア層２３上に、厚さ４０〜４０
０ｎｍのＮｂ対向電極３０を堆積する。また、ＤＣマグ
ネトロン・スパッタリングにより、Ｎｂ対向電極３０上
に、厚さ２〜２０ｎｍのＡｌ酸素拡散阻止層３１を堆積
する。

【００５１】次いで、フォト・リソグラフィ技術におけ
るレジスト・プロセスを適用することにより、対向電極
用のフォト・レジスト層のパターンを形成する。そして
このフォト・レジスト層をマスクとし、Ａｒガス雰囲気
中でプラズマ・エッチング法を適用することにより、Ａ
ｌ酸素拡散阻止層３１のパターニングを行う。続いて、
ＣＦ₄＋（０〜１５％）Ｏ₂をエッチング・ガスとする
ＲＩＥ法を適用することにより、Ｎｂ対向電極３０のパ
ターニングを行う。こうしてＡｌ酸素拡散阻止層３１に
よって表面が覆われたＮｂ対向電極３０を形成する。

【００５２】続いて、ＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア
層２３をパターニングする。更に、フォト・リソグラフ
ィ技術におけるレジスト・プロセスを適用することによ
ってパターニングした基部電極用のフォト・レジスト層
をマスクとし、Ｎｂ基部電極２２のパターニングを行
う。次いで、上記第１の実施例の場合と同様にして、全
面に絶縁層２８を堆積し、その平坦化を行う。続いて、
平坦化された絶縁層２８の選択的エッチングを行って配
線コンタクト窓を開口する。

【００５３】次いで、配線コンタクト窓内のＡｌ酸素拡
散阻止層３１表面を含む全面にＮｂ配線層２９を堆積す
る。続いて、Ｎｂ配線層２９を所定の形状にパターニン
グして、Ｎｂ配線層２９をＡｌ酸素拡散阻止層３１に接
続して形成する。以上のようにして、図４のジョセフソ
ン接合素子を作製する。このように第２の実施例によれ
ば、Ｎｂ対向電極３０上に、Ｎｂより酸素との結合度が
強いＡｌ酸素拡散阻止層３１が形成されていることによ
り、上記第１の実施例の場合と同様な効果を奏すること
ができる。

【００５４】なお、上記第２の実施例におけるＡｌ酸素
拡散阻止層３１の代わりに、Ｚｒ等のＡｌと同様にＮｂ
より酸素との結合度が強い金属からなる酸素拡散阻止層
を用いても、またＡｕ等の貴金属又はＷ等の高融点金属
である耐酸化金属からなる酸素拡散阻止層を用いても、
更には、ＺｒＮ等の金属窒化物からなる酸素拡散阻止層
を用いてもよいのも、上記第１の実施例の場合と同様で
ある。

【００５５】次に、本発明の第３の実施例によるジョセ
フソン接合素子及びその製造方法を、図５に示す断面図
を用いて説明する。なお、上記図４のジョセフソン接合
素子と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明
を省略する。Ｓｉ基板２１上にＮｂ基部電極２２が形成
され、またこのＮｂ基部電極２２上にはＡｌＯx −Ａｌ
トンネル・バリア層２３が形成され、またこのＡｌＯx
−Ａｌトンネル・バリア層２３上にはＮｂ対向電極３０
が形成されていする。更に、このＮｂ対向電極３０上に
はＡｌ酸素拡散阻止層３１が形成されている。

【００５６】また、全面にＳｉＯ₂からなる絶縁層２８
が堆積され、平坦化されている。そしてＮｂ対向電極３
０上の絶縁層２８及びＡｌ酸素拡散阻止層３１に開口さ
れたコンタクト窓を介して、Ｎｂ対向電極３０に接続さ
れたＮｂ配線層２９が形成されている。更に、このＮｂ
配線層２９上には、ＮｂＮ窒化処理層３２が形成されて
いる。

【００５７】このように、第３の実施例によるジョセフ
ソン接合素子は、Ｎｂ対向電極３０上にＡｌ酸素拡散阻
止層３１が形成されてはいるが、Ｎｂ配線層２９はＮｂ
対向電極３０に直接に接続されており、更に、このＮｂ
配線層２９上にＮｂＮ窒化処理層３２が形成されている
点に特徴がある。次に、図５のジョセフソン接合素子の
製造方法を説明する。

【００５８】上記第２の実施例の場合と同様にして、Ｓ
ｉ基板２１上に、Ｎｂ基部電極２２、ＡｌＯx −Ａｌト
ンネル・バリア層２３、Ｎｂ対向電極３０及びＡｌ酸素
拡散阻止層３１を順に堆積する。続いて、Ａｌ酸素拡散
阻止層３１、Ｎｂ対向電極３０及びＡｌＯx −Ａｌトン
ネル・バリア層２３のパターニングをそれぞれ順に行
う。更に、Ｎｂ基部電極２２のパターニングを行う。

【００５９】次いで、全面に絶縁層２８を堆積し、その
平坦化を行う。続いて、平坦化された絶縁層２８及びＡ
ｌ酸素拡散阻止層３１の選択的エッチングを行って配線
コンタクト窓を開口する。このときのＡｌ酸素拡散阻止
層３１の選択的エッチングは、例えばＡｒガス圧０．７
〜１．３Ｐａ、印加電圧１００〜２００Ｖ、時間３〜５
分間の条件で行う。なお、このＡｌ酸素拡散阻止層３１
のエッチングは、Ｎｂ対向電極３０表面のＡｒスパッタ
クリーニングの効果も果たしている。

【００６０】次いで、コンタクト窓内に露出しているＮ
ｂ対向電極３０表面を含む全面にＮｂ配線層２９を堆積
した後、Ｎｂ配線層２９を窒素プラズマに晒し、その表
面にＮｂＮ窒化処理層３２を形成する。このときの窒素
プラズマ処理は、例えば窒素ガス圧２．６Ｐａ、印加電
圧−２００Ｖ、時間３分間の条件で行う。続いて、Ｎｂ
配線層２９を所定の形状にパターニングして、Ｎｂ対向
電極３０に接続するＮｂ配線層２９を形成する。

【００６１】以上のようにして、図５のジョセフソン接
合素子を作製する。このように第３の実施例によれば、
Ｎｂ対向電極３０上にＡｌ酸素拡散阻止層３１が形成さ
れた後、絶縁層２８が形成されるため、この絶縁層２８
の堆積、平坦化に温度２００〜３００℃の試料温度上昇
が要求されるバイアススパッタ法を用いても、上記第２
の実施例の場合と同様に、Ａｌ酸素拡散阻止層３１によ
って酸素拡散は阻止される。

【００６２】また、Ｎｂ配線層２９上にはＮｂＮ窒化処
理層３２が形成されるため、その後の工程における高温
熱処理に対しては、このＮｂＮ窒化処理層３２が酸素拡
散阻止層としての機能を果たす。そしてこの第３の実施
例においては、Ｎｂ配線層２９がＮｂ対向電極３０に直
接に接続していることにより、上記第２の実施例の場合
よりも良好なコンタクトが得られるという特長がある。

【００６３】なお、上記第３の実施例におけるＡｌ酸素
拡散阻止層３１の代わりに、Ｚｒ等からなる酸素拡散阻
止層、Ａｕ等やＷ等の耐酸化金属からなる酸素拡散阻止
層、ＺｒＮ等の金属窒化物からなる酸素拡散阻止層を用
いてもよいのも、上記第２の実施例の場合と同様であ
る。次に、本発明の第４の実施例によるジョセフソン接
合素子及びその製造方法を、図５に示す断面図を用いて
説明する。なお、上記図３のジョセフソン接合素子と同
一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略す
る。

【００６４】Ｓｉ基板２１上に、厚さ１５〜１５０ｎｍ
の第１Ｎｂ基部電極３３が形成され、更に、この第１Ｎ
ｂ基部電極３３上には、厚さ１〜５０ｎｍのＡｌ磁束ト
ラップ層３４を介して、厚さ１５〜１５０ｎｍの第２Ｎ
ｂ基部電極３５が形成されている。即ち、第１Ｎｂ基部
電極３３と第２Ｎｂ基部電極３５とからなるＮｂ基部電
極３６中に、Ａｌ磁束トラップ層３４が挿入されてい
る。

【００６５】また、このＮｂ基部電極３６上には、Ａｌ
Ｏx −Ａｌトンネル・バリア層２３が形成されている。
そしてこのＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア層２３上に
は、第１Ｎｂ対向電極２４、Ａｌ酸素拡散阻止層２５及
び第２Ｎｂ対向電極２６が順に積層され、第１Ｎｂ対向
電極２４と第２Ｎｂ対向電極２６とからなるＮｂ対向電
極２７中にＡｌ酸素拡散阻止層２５が挿入されている。

【００６６】また、全面にＳｉＯ₂からなる絶縁層２８
が堆積され、平坦化されている。そしてＮｂ対向電極２
７上の絶縁層２８に開口されたコンタクト窓を介して、
Ｎｂ対向電極２７に接続されたＮｂ配線層２９が形成さ
れている。このように、第４の実施例によるジョセフソ
ン接合素子は、Ｎｂ対向電極２７中にＡｌ酸素拡散阻止
層２５が挿入されているのみならず、第１Ｎｂ基部電極
３３と第２Ｎｂ基部電極３５とからなるＮｂ基部電極３
６中にＡｌ磁束トラップ層３４が挿入されている点に特
徴がある。

【００６７】次に、図６のジョセフソン接合素子の製造
方法を説明する。ＤＣマグネトロン・スパッタリングに
より、Ｓｉ基板２１上に、厚さ１５〜１５０ｎｍの第１
Ｎｂ基部電極３３、厚さ１〜５０ｎｍのＡｌ磁束トラッ
プ層３４及び厚さ１５〜１５０ｎｍの第２Ｎｂ基部電極
３５を順に堆積する。こうして第１Ｎｂ基部電極３３と
第２Ｎｂ基部電極３５とからなるＮｂ基部電極３６中
に、Ａｌ磁束トラップ層３４を挿入する。

【００６８】次いで、上記第１の実施例の場合と同様に
して、Ｎｂ基部電極３６上に、ＡｌＯx −Ａｌトンネル
・バリア層２３、第１Ｎｂ対向電極２４、Ａｌ酸素拡散
阻止層２５、及び第２Ｎｂ対向電極２６を順に堆積した
後、第２Ｎｂ対向電極２６、Ａｌ酸素拡散阻止層２５、
第１Ｎｂ対向電極２４及びＡｌＯx −Ａｌトンネル・バ
リア層２３のパターニングをそれぞれ順に行う。更に、
Ｎｂ基部電極２２のパターニングを行う。

【００６９】次いで、上記第１の実施例の場合と同様に
して、絶縁層２８の堆積し、平坦化した後、この絶縁層
２８に開口した配線コンタクト窓を介して、Ｎｂ対向電
極２７に接続するＮｂ配線層２９を形成する。以上のよ
うにして、図６のジョセフソン接合素子を作製する。こ
のように第４の実施例によれば、Ｎｂ対向電極２７中に
Ａｌ酸素拡散阻止層２５が挿入されていることにより、
当然に上記第１の実施例の場合と同様の効果を奏するこ
とができるが、更に、Ｎｂ基部電極３６中にもＡｌ磁束
トラップ層３４が挿入されていることにより、ジョセフ
ソン集積回路の冷却時において、Ｎｂ対向電極２７中の
Ａｌ酸素拡散阻止層２５のみならず、Ｎｂ基部電極３６
中のＡｌ磁束トラップ層３４にも磁束がトラップされる
ため、接合部に磁束が掃き寄せられトラップされる現象
を防止することができる。従って、接合部への磁束トラ
ップ阻止の目的からすると、上記第１の実施例よりもい
っそう効果的である。

【００７０】なお、上記第４の実施例においては、Ｎｂ
基部電極３６中にＡｌ磁束トラップ層３４が１層だけ挿
入されているが、複数層のＡｌ磁束トラップ層を挿入し
てもよく、その効果を更に大きくすることができる。な
お、この場合の製造方法は、Ｓｉ基板２１上に第１Ｎｂ
基部電極３３を堆積した後、Ａｌ磁束トラップ層３４と
第２Ｎｂ基部電極３５とを複数回積層すればよい。

【００７１】また、上記第４の実施例におけるＡｌ磁束
トラップ層３４の代わりに、例えばＺｒ、Ｈｆ等の他の
常伝導金属からなる酸素拡散阻止層を用いてもよい。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｎｂ又はＮｂ化合物からなる基部電極及び対向電極がト
ンネル・バリア層を挟んでジョセフソントンネル接合を
形成しているジョセフソン接合素子において、Ｎｂより
酸素との結合度が強い金属層、耐酸化金属層、又は金属
窒化物層が対向電極中に挿入されていることにより、た
とえ素子作製途中で素子温度が上昇する工程があって
も、このＮｂより酸素との結合度が強い金属層、耐酸化
金属層、又は金属窒化物層が対向電極表面から酸素拡散
に対する酸素拡散阻止層として機能し、酸素拡散がトン
ネル・バリア層に達することを阻止するため、バリアの
変化を防止することができる。

【００７３】これにより、ジョセフソントンネル接合特
性の著しい劣化を招くことなく、高温処理プロセスの導
入が可能となるため、ジョセフソン集積回路の高集積化
を実現することができると共に、素子特性を安定化し
て、ジョセフソン集積回路を安定に動作させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するためのジョセフソン接
合素子を示す断面図である。

【図２】図１のジョセフソン接合素子の臨界電流の熱処
理時間依存性を示すグラフである。

【図３】本発明の第１の実施例によるジョセフソン接合
素子を説明するための断面図である。

【図４】本発明の第２の実施例によるジョセフソン接合
素子を説明するための断面図である。

【図５】本発明の第３の実施例によるジョセフソン接合
素子を説明するための断面図である。

【図６】本発明の第４の実施例によるジョセフソン接合
素子を説明するための断面図である。

【図７】従来のジョセフソン接合素子を説明するための
断面図である。

【図８】従来のジョセフソン接合素子を説明するための
断面図である。

【符号の説明】

１１、２１…Ｓｉ基板１２、２２…Ｎｂ基部電極１３、２３…ＡｌＯx −Ａｌトンネル・バリア層１４、２４…第１Ｎｂ対向電極１５、２５…Ａｌ酸素拡散阻止層１６、２６…第２Ｎｂ対向電極１７、２７…Ｎｂ対向電極１８、２８…絶縁層１９、２９…Ｎｂ配線層３０…Ｎｂ対向電極３１…Ａｌ酸素拡散阻止層３２…ＮｂＮ窒化処理層３３…第１Ｎｂ基部電極３４…Ａｌ磁束トラップ層３５…第２Ｎｂ基部電極３６…Ｎｂ基部電極５１…Ｓｉ基板５２…基部電極５３…トンネル・バリア層５４…対向電極５５…絶縁層５６…配線層５７、５８…金属層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ニオブ又はニオブの化合物からなる基部
電極と、前記基部電極上に、トンネル・バリア層を介し
て形成されたニオブ又はニオブの化合物からなる対向電
極とを有するジョセフソン接合素子において、前記基部電極中及び／又は前記対向電極中に、ニオブよ
り酸素との結合度が強い金属層又は耐酸化金属層が挿入
されていることを特徴とするジョセフソン接合素子。
【請求項２】請求項１記載のジョセフソン接合素子に
おいて、前記ニオブより酸素との結合度が強い金属層又は前記耐
酸化金属層の厚さが、前記ニオブより酸素との結合度が
強い金属又は前記耐酸化金属のコヒーレンス長以下であ
ることを特徴とするジョセフソン接合素子。
【請求項３】ニオブ又はニオブの化合物からなる基部
電極と、前記基部電極上に、トンネル・バリア層を介し
て形成されたニオブ又はニオブの化合物からなる対向電
極とを有するジョセフソン接合素子において、前記対向電極上面に、ニオブより酸素との結合度が強い
金属層又は耐酸化金属層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。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のジョ
セフソン接合素子において、前記ニオブより酸素との結合度が強い金属が、アルミニ
ウム、ジルコニウム、又はハフニウムのいずれかである
ことを特徴とするジョセフソン接合素子。
【請求項５】請求項１乃至３のいずれかに記載のジョ
セフソン接合素子において、前記耐酸化金属が、金、銀、或いは白金のいずれかから
なる貴金属、又はタングステン、モリブデン、タンタ
ル、チタン、或いはパラジウムのいずれかからなる高融
点金属であることを特徴とするジョセフソン接合素子。
【請求項６】ニオブ又はニオブの化合物からなる基部
電極と、前記基部電極上に、トンネル・バリア層を介し
て形成されたニオブ又はニオブの化合物からなる対向電
極とを有するジョセフソン接合素子において、前記対向電極中に、金属窒化物層が挿入されていること
を特徴とするジョセフソン接合素子。
【請求項７】ニオブ又はニオブの化合物からなる基部
電極と、前記基部電極上に、トンネル・バリア層を介し
て形成されたニオブ又はニオブの化合物からなる対向電
極とを有するジョセフソン接合素子において、前記対向電極上面に、金属窒化物層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。
【請求項８】請求項６又は７に記載のジョセフソン接
合素子において、前記金属窒化物が、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウ
ム、窒化タンタル、窒化チタン、窒化モリブデン、又は
窒化ニオブのいずれかであることを特徴とするジョセフ
ソン接合素子。
【請求項９】ニオブ又はニオブの化合物からなる基部
電極と、前記基部電極上に、トンネル・バリア層を介し
て形成されたニオブ又はニオブの化合物からなる対向電
極とを有するジョセフソン接合素子の製造方法におい
て、基板上に、ニオブ又はニオブの化合物からなる第１の基
部電極を形成し、前記第１の基部電極上に、ニオブより
酸素との結合度が強い金属層又は耐酸化金属層を形成
し、前記ニオブより酸素との結合度が強い金属層上又は
耐酸化金属層上に、ニオブ又はニオブの化合物からなる
第２の基部電極を形成する工程を有し、前記第１及び第２の基部電極からなる基部電極中に、前
記ニオブより酸素との結合度が強い金属層又は前記耐酸
化金属層を挿入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。
【請求項１０】請求項９記載のジョセフソン接合素子
の製造方法において、前記工程が、基板上に、ニオブ又はニオブの化合物から
なる第１の基部電極を形成し、前記第１の基部電極上
に、ニオブより酸素との結合度が強い金属層又は耐酸化
金属層とニオブ又はニオブの化合物からなる第２の基部
電極とを複数回積層する工程であり、前記第１の基部電極及び複数の前記第２の基部電極から
なる基部電極中に、複数の前記ニオブより酸素との結合
度が強い金属層又は複数の前記耐酸化金属層を挿入する
ことを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。
【請求項１１】ニオブ又はニオブの化合物からなる基
部電極と、前記基部電極上に、トンネル・バリア層を介
して形成されたニオブ又はニオブの化合物からなる対向
電極とを有するジョセフソン接合素子の製造方法におい
て、基板上に、ニオブ又はニオブの化合物からなる基部電極
を形成する第１の工程と、前記基部電極上に、所定の材料からなる金属層を形成し
た後、前記所定の材料からなる金属層の一部又は全部を
酸化してトンネル・バリア層を形成する第２の工程と、前記トンネル・バリア層上に、ニオブ又はニオブの化合
物からなる第１の対向電極を形成し、前記第１の対向電
極上に、ニオブより酸素との結合度が強い金属層又は耐
酸化金属層を形成し、前記ニオブより酸素との結合度が
強い金属層上又は前記耐酸化金属層上に、ニオブ又はニ
オブの化合物からなる第２の基部電極を形成する第３の
工程を有し、前記第１及び第２の対向電極からなる対向電極中に、前
記ニオブより酸素との結合度が強い金属層又は前記耐酸
化金属層を挿入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。
【請求項１２】請求項１１記載のジョセフソン接合素
子の製造方法において、前記第３の工程が、前記トンネル・バリア層上に、ニオ
ブ又はニオブの化合物からなる第１の対向電極を形成
し、前記第１の対向電極上に、ニオブより酸素との結合
度が強い金属層又は耐酸化金属層とニオブ又はニオブの
化合物からなる第２の対向電極とを複数回積層する工程
であり、前記第１の対向電極及び複数の前記第２の対向電極から
なる対向電極中に、複数の前記ニオブより酸素との結合
度が強い金属層又は複数の前記耐酸化金属層を挿入する
ことを特徴とするジョセフソン接合素子の製造方法。
【請求項１３】ニオブ又はニオブの化合物からなる基
部電極と、前記基部電極上に、トンネル・バリア層を介
して形成されたニオブ又はニオブの化合物からなる対向
電極とを有するジョセフソン接合素子の製造方法におい
て、基板上に、ニオブ又はニオブの化合物からなる基部電極
を形成する第１の工程と、前記基部電極上に、所定の材料からなる金属層を形成し
た後、前記所定の材料からなる金属層の一部又は全部を
酸化してトンネル・バリア層を形成する第２の工程と、前記トンネル・バリア層上に、ニオブ又はニオブの化合
物からなる対向電極を形成する第３の工程と、前記対向電極上に、ニオブより酸素との結合度が強い金
属層又は耐酸化金属層を形成する第４の工程と全面に、
絶縁層を形成する第５の工程と、前記絶縁層を選択的にエッチング除去してコンタクト窓
を開口した後、前記コンタクト窓を介して、前記ニオブ
より酸素との結合度が強い金属層又は前記耐酸化金属層
と接続する配線層を形成する第６の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。
【請求項１４】請求項１３記載のジョセフソン接合素
子の製造方法において、前記第６の工程が、前記絶縁層及び前記ニオブより酸素
との結合度が強い金属層又は前記耐酸化金属層を選択的
にエッチング除去してコンタクト窓を開口した後、前記
コンタクト窓を介して、前記対向電極と接続する配線層
を形成する工程であることを特徴とするジョセフソン接
合素子の製造方法。
【請求項１５】請求項１１乃至１４のいずれかに記載
のジョセフソン接合素子の製造方法において、前記ニオブより酸素との結合度が強い金属層又は前記耐
酸化金属層の代わりに金属窒化物層を用いることを特徴
とするジョセフソン接合素子の製造方法。