JPH05251769A - 超電導電流路の接続構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 基板上の酸化物超電導薄膜で構成された超電
導電流路と、超電導電流路の基板に対して傾斜角40°以
下の斜面を有する部分で接続された電流路または素子と
を備える。 【効果】 接続部に酸化物超電導体の結晶粒界や結晶性
の劣化した部分が存在しないので、不要なジョセフソン
接合や抵抗成分が発生せず、特性が優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導電流路の接続構
造に関する。より詳細には、本発明は、酸化物超電導薄
膜により形成された新規な構成の超電導電流路の接続構
造およびこの接続構造を利用した超電導配線、超電導素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導体の電子機器への応用は、大きく
分けて２種類ある。即ち、超電導体を使用し、従来の半
導体素子とは異なる原理で動作する超電導素子と、電子
機器内の電流路に超電導体を使用する超電導配線であ
る。現在使用されている半導体素子を超電導素子に置き
換えることにより、電子機器の飛躍的な高性能化が可能
であると考えられている。超電導素子を、超電導配線と
組み合わせて使用するとより高い効果が得られ、一方、
超電導配線だけでも電子機器を高速化できることがわか
っている。特に、信号線路に超電導体を使用すると、従
来よりも高い周波数の信号を伝送することが可能であ
り、これが電子機器の高速化につながる。また、信号の
減衰も少なくなるので、増幅器等を減らすことができ、
消費電力を減少させる効果もある。

【０００３】一方、近年、臨界温度が高い酸化物超電導
体の研究が進み、従来の金属超電導体に加えて酸化物超
電導体が実用化されつつある。酸化物超電導体は非常に
種類が多いが、代表的なものとしては、臨界温度が80Ｋ
前後のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X系酸化物超電導体、臨界温度が10
0 Ｋ前後のBi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_y 系酸化物超電導体、臨界温
度が120 Ｋ前後のTl₂Ba₂Ca₂Cu₃Ｏ_z 系酸化物超電導体等
がある。いずれの酸化物超電導体も金属超電導体の臨界
温度よりもかなり高い臨界温度を有する。

【０００４】上記の酸化物超電導体の超電導配線を集積
回路等の超電導回路に使用する際には、酸化物超電導体
の超電導電流路を他の配線や素子と接続したり、多層配
線を酸化物超電導体で形成する必要がある。酸化物超電
導体で多層配線を形成する場合には、適当な基板上に酸
化物超電導薄膜を成膜し、この酸化物超電導薄膜を所望
の配線の形状に加工してその上に絶縁体層を被覆する工
程を繰り返す。

【０００５】一方、超電導現象を利用した素子として
は、ジョセフソン接合素子が最も知られているものの一
つである。ジョセフソン接合素子は、ジョセフソン接合
により結合された１対の超電導電極により主に構成され
ており、クーパー対のトンネル効果であると言われてい
る直流ジョセフソン効果や、離散的な電圧／電流特性を
示す交流ジョセフソン効果等の独特の特性を有してい
る。

【０００６】ジョセフソン接合素子を実現する構成は各
種あって、最も好ましいとされている構造は、一対の超
電導電極で薄い絶縁体層をはさんだトンネル型のジョセ
フソン接合素子である。しかしながら、点接触型、マイ
クロブリッジ型等一対の超電導電極を弱く結合した弱結
合型のジョセフソン接合素子も、特性は異なるもののジ
ョセフソン効果を発揮する。一般に、このようなジョセ
フソン接合素子は非常に微細な構成であり、上記の超電
導電極および絶縁体層は、いわゆる薄膜で構成されてい
る。

【０００７】従って、上記のジョセフソン接合素子の超
電導電極に酸化物超電導体を使用する場合には、酸化物
超電導薄膜を微細加工することが必要であった。例え
ば、トンネル型ジョセフソン接合素子の絶縁体層の厚さ
は、超電導電極に使用されている超電導体のコヒーレン
ス長の数倍以内にしなければならない。酸化物超電導体
のコヒーレンス長は、非常に短いので、酸化物超電導体
を超電導電極に使用したトンネル型ジョセフソン接合素
子においては、絶縁体層の厚さは数nm程度にしなければ
ならない。

【０００８】しかしながら、酸化物超電導薄膜上に極薄
の絶縁体層を形成することは困難であり、その上にさら
に酸化物超電導薄膜を積層することはほとんど不可能で
ある。そのため、酸化物超電導体を使用したトンネル型
ジョセフソン接合素子を作製することは非常に難しい。

【０００９】また、点接触型ジョセフソン接合素子、マ
イクロブリッジ型ジョセフソン接合素子は、いずれも一
対の超電導電極が極めて微細な部分で接触している構造
である。従って、酸化物超電導体を超電導電極に使用す
る場合には、酸化物超電導薄膜に微細な加工を行う必要
がある。

【００１０】酸化物超電導薄膜に対して点接触型ジョセ
フソン接合素子、マイクロブリッジ型ジョセフソン接合
素子を実現するような微細加工を行うことは比較的困難
であり、また、酸化物超電導薄膜が加工工程で劣化する
こともある。従って、点接触型ジョセフソン接合素子、
マイクロブリッジ型ジョセフソン接合素子も酸化物超電
導体を用いて再現性よく作製することは難しい。

【００１１】そのため、上記のような条件の厳しい微細
加工を要しない構成のジョセフソン接合素子が提案され
ている。図６に比較的緩やかな加工条件で作製可能な弱
結合型のジョセフソン接合素子の一例を示す。図６のジ
ョセフソン接合素子は、膜厚制御型ジョセフソン接合素
子と称されるジョセフソン接合素子であり、中央部付近
に突出する絶縁領域50を有する基板５上に成膜された表
面が平坦な酸化物超電導薄膜20により主に構成されてい
る。酸化物超電導薄膜20の、基板５の絶縁領域50上の部
分10には、ジョセフソン接合の弱結合が形成されてい
る。

【００１２】膜厚制御型ジョセフソン接合素子では、酸
化物超電導薄膜20の、基板５の絶縁領域50上の極めて薄
い部分10に自動的にジョセフソン接合の弱結合が形成さ
れるため、弱結合を形成するための条件の厳しい微細加
工が必要ない。

【００１３】上記のジョセフソン接合素子は２端子の素
子であるので論理回路を構成しようとすると、回路が複
雑になる。そのため、３端子の超電導素子が実用上有利
である。３端子の超電導素子には、近接させて配置した
超電導電極間の半導体に超電導電流を流す超電導近接効
果を利用したものと、超電導チャネルに流れる超電導電
流をゲート電極で制御するものとが代表的である。どち
らの素子も入出力の分離が可能であり、電圧制御型の素
子であって、信号の増幅作用があるという点では共通し
ている。しかしながら、超電導近接効果を得るために
は、超電導体電極をその超電導体のコヒーレンス長の数
倍（酸化物超電導体の場合数nm）以内の距離に配置しな
ければならない。従って、非常に精密な加工が要求され
る。それに対し、チャネルが超電導チャネルになってい
る超電導素子は、電流密度が大きく、製造上も超電導電
極を近接させて配置するという微細加工を必要としな
い。

【００１４】図７(a)に、超電導チャネルを有する超電
導電界効果型素子の一例の概略図を示す。図７(a)の超
電導電界効果型素子は、基板５上にほぼ台形断面で突出
する絶縁領域50と、絶縁領域50の両側にそれぞれ配置さ
れた酸化物超電導体による超電導ソース領域２および超
電導ドレイン領域３と、絶縁領域50上に配置され超電導
ソース領域２および超電導ドレイン領域３を結合する酸
化物超電導体による超電導チャネル１と、超電導チャネ
ル１上にゲート絶縁層７を介して配置されたゲート電極
４とを具備する。この超電導電界効果型素子は、超電導
ソース領域２および超電導ドレイン電極３間の超電導チ
ャネル１を流れる超電導電流をゲート電極４に印加する
電圧で制御する。

【００１５】上記の超電導電界効果型素子では、超電導
チャネル１を流れる電流をゲート電極４に印加する電圧
で制御する。そのため、超電導チャネル１のゲート部分
の厚さは５nm程度にしなければならず、また、ゲート絶
縁層７の厚さも10〜20nmにしなければならない。一方、
この極薄の超電導チャネルは、結晶性がよく、特性が優
れた酸化物超電導薄膜で構成されていなければならな
い。また、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領
域３は、電流の入出流を容易にするため、超電導チャネ
ル１よりもかなり厚くしなければならない。

【００１６】そのために、上記の超電導電界効果型素子
では、台形断面の絶縁領域50の両側に超電導ソース領域
２および超電導ドレイン領域３を配置し、絶縁領域50上
に超電導チャネル１を配置している。また、超電導電流
の流れる方向を考慮して、超電導チャネル１、超電導ソ
ース領域２および超電導ドレイン領域３をｃ軸配向の酸
化物超電導薄膜で構成している。

【００１７】上記の構成の超電導電界効果型素子を作製
する場合には、基板５を加工するか、または基板５上に
絶縁体を積層して絶縁領域50を形成し、その上にｃ軸配
向の酸化物超電導薄膜を成長させて超電導ソース領域
２、超電導ドレイン領域３および超電導チャネル１を形
成する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上記の酸化物超電導体
を使用した超電導配線および超電導素子等においては、
超電導配線の接続部、ジョセフソン接合の弱結合部と超
電導電極との接続部、超電導電界効果型素子の超電導チ
ャネルの接続部等いずれも超電導電流路の形状が変化す
る接続部分において、超電導電流が効率よく流れなかっ
たり、不要なジョセフソン接合や抵抗成分が生ずること
がある。これは、主に酸化物超電導体の超電導特性が結
晶異方性を有するためである。即ち、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X等
の酸化物超電導体は、その結晶のｃ軸と直角な方向に超
電導電流が流れ易い性質を有している。従って、酸化物
超電導薄膜を超電導配線、超電導素子等に使用する場
合、超電導電流が流れる方向に結晶のｃ軸が直角に配向
した薄膜を使用する。

【００１９】ところが、上記の接続部においては、異な
る結晶方向の酸化物超電導薄膜が接続されて結晶粒界が
生じていることがある。また、酸化物超電導薄膜の傾斜
面上に成長した部分の結晶方向は、水平面上に成長した
部分の結晶方向と異なることがあり、両者の間に結晶粒
界が生ずることもある。これらの結晶粒界がジョセフソ
ン接合や抵抗成分の原因になる。上記の接続部において
このような結晶粒界が無い場合でも、接続部では、超電
導電流の方向が変化したり、種々の方向の超電導電流が
存在するので、超電導電流の方向と酸化物超電導体結晶
のｃ軸に直角な方向とが、必ずしも一致せず効率よく流
れない。

【００２０】そこで本発明の目的は、上記従来技術の問
題点を解決した超電導電流が効率よく流れる超電導電流
路の接続構造およびそれを備える超電導配線、超電導素
子を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に従うと、基板
と、該基板上の酸化物超電導薄膜で構成された超電導電
流路と、該超電導電流路と接続された電流路または素子
とを備え、前記超電導電流路と前記電流路または素子と
の接続部において、前記超電導電流路が、前記基板に対
して傾斜角40°以下の斜面を有することを特徴とする超
電導電流路の接続構造が提供される。

【００２２】また、本発明においては、上記本発明の接
続構造を備える、基板と、該基板上の酸化物超電導薄膜
による超電導電流路と、前記基板上に配置され、前記超
電導電流路に接続された素子または電流路とを具備し、
前記超電導電流路と前記素子または電流路との接続部に
おける界面の前記基板となす角度が40°以下であること
を特徴とする超電導配線が提供される。

【００２３】さらに、本発明においては、上記本発明の
接続構造を備える、基板と該基板上においてｃ軸配向の
酸化物超電導薄膜で構成され、層間絶縁層の下側に配置
された第１の超電導電流路と、前記層間絶縁層の上側に
主に配置され、一部が前記層間絶縁層を貫通して前記第
１の超電導電流路に接続された、ｃ軸配向の酸化物超電
導薄膜で構成された第２の超電導電流路を具備し、前記
第２の超電導電流路の前記第１の超電導電流路に接続部
分が前記基板に対して40°以下の角度で傾斜しているこ
とを特徴とする超電導多層配線が提供される。

【００２４】さらにまた、本発明においては、上記本発
明の接続構造を備える、基板と、該基板上にほぼ台形断
面で突出するよう形成された絶縁領域と、該基板上に成
膜され、前記絶縁領域上の部分の膜厚が薄く、ジョセフ
ソン接合の弱結合となっている酸化物超電導薄膜とを備
え、前記絶縁領域の斜面の傾斜角が40°以下であること
を特徴とするジョセフソン接合素子が提供される。

【００２５】さらに、本発明においては、上記本発明の
接続構造を備える、基板と、該基板上にほぼ台形断面で
突出するよう形成された絶縁領域と、前記基板上の前記
絶縁領域の両側にそれぞれ配置され、酸化物超電導体で
構成された超電導ソース領域および超電導ドレイン領域
と、前記絶縁領域上に配置され、前記超電導ソース領域
および超電導ドレイン領域を結合する酸化物超電導体で
構成された超電導チャネルと、該超電導チャネル上にゲ
ート絶縁層を介して配置され、該超電導チャネルを流れ
る電流を制御するためのゲート電圧が印加されるゲート
電極とを備え、前記絶縁領域の斜面の傾斜角が40°以下
であることを特徴とする超電導電界効果型素子が提供さ
れる。

【００２６】

【作用】本発明の超電導電流路の接続構造は、基板上の
酸化物超電導薄膜で構成された超電導電流路が、他の電
流路または素子との接続部において、基板に対して傾斜
角40°以下の斜面を有するところにその主要な特徴があ
る。より具体的な例として、本発明は上記の超電導電流
路の接続構造を備える、酸化物超電導薄膜で構成された
超電導電流路と、基板上に配置され、この超電導電流路
に接続された素子または電流路とを備え、両者の接続部
の端面が40°以下になっている超電導配線とすることが
できる。

【００２７】上記本発明に従う超電導配線においては、
酸化物超電導薄膜による超電導電流路と素子または電流
路との接続部における界面が、基板に対して傾斜角40°
以下という緩やかな角度となっている。従って、超電導
電流路を構成する酸化物超電導薄膜は、素子または電流
路上に成長した部分でも基板表面に露出している結晶格
子の影響を強く受けて、ｃ軸配向のほぼ一様な薄膜とな
る。即ち、接続部の界面に酸化物超電導体の結晶性の劣
化した部分や結晶粒界が存在しない。従って、超電導電
流路内の超電導電流は、超電導電流路に接続されている
素子または電流路に良好に伝播する。

【００２８】尚、上記本発明の超電導配線においては、
超電導電流路と素子または電流路との接続部における界
面が、基板に対して傾斜角40°以下となるようにするこ
とが好ましい。界面の傾斜角度がこれよりも大きい場合
には、上記の効果が殆どなくなり、界面に酸化物超電導
体の結晶性の劣化した部分や結晶粒界が生ずるからであ
る。

【００２９】一方、本発明は、層間絶縁層の下側および
上側にそれぞれ配置されたｃ軸配向の酸化物超電導薄膜
で構成された第１および第２の超電導電流路で、第２の
超電導電流路の一部が前記層間絶縁層を貫通して第１の
超電導電流路に接続され、第２の超電導電流路の第１の
超電導電流路に接続部分が基板に対して40°以下の角度
で傾斜している超電導多層配線としてもよい。

【００３０】上記本発明の超電導多層配線は、ｃ軸配向
の酸化物超電導薄膜で構成された上層の超電導電流路の
一部が、凹んでいてその部分が層間絶縁層を貫通して、
層間絶縁層の下に形成されているｃ軸配向の酸化物超電
導薄膜で構成された超電導電流路と接続されており、接
続部分が基板に対して40°以下の角度で傾斜していると
ころにその主要な特徴がある。即ち、本発明の超電導多
層配線では、上層の超電導電流路が層間配線も兼ねてお
り、層間配線の部分もｃ軸配向の酸化物超電導で構成さ
れている。本発明の超電導多層配線では、層間配線の部
分が、40°以下の緩い角度で傾斜している超電導電流路
の組み合わせで構成されている。

【００３１】本発明の超電導多層配線は、水平方向の超
電導電流路および層間配線のいずれもがｃ軸配向の酸化
物超電導薄膜で構成されている。また、酸化物超電導体
結晶のｃ軸に垂直な方向か、またはこの方向から僅かに
ずれた方向に、超電導電流が流れる本発明の超電導多層
配線では、酸化物超電導体の臨界電流密度が大きい結晶
方向に電流が流れるので、液体窒素温度で10⁵Ａ／cm²以
上の電流を流すことが可能であり、電流容量が大きい。
さらに従来は不可能であった、層間配線上を横切る超電
導電流路を、形成することが可能である。

【００３２】上記本発明の超電導多層配線においては、
超電導電流路と層間配線部分との接続部における界面
が、基板に対して傾斜角40°以下となるようにすること
が好ましい。界面の傾斜角度がこれよりも大きい場合に
は、上記の効果が殆どなくなり、界面に酸化物超電導体
の結晶性の劣化した部分や結晶粒界が生ずるからであ
る。

【００３３】さらに本発明は、基板上にほぼ台形断面で
突出するよう形成された絶縁領域と、基板上に成膜さ
れ、絶縁領域上の部分の膜厚が薄く、ジョセフソン接合
の弱結合となっている酸化物超電導薄膜とを備え、絶縁
領域の斜面の傾斜角が40°以下である構成のジョセフソ
ン接合素子とすることも可能である。

【００３４】本発明のジョセフソン接合素子では、基板
から突出している台形断面の絶縁領域の斜面の傾斜角が
40°以下であり、酸化物超電導薄膜の絶縁領域の斜面上
の部分もｃ軸配向の酸化物超電導薄膜となっているの
で、結晶の乱れている部分がない。

【００３５】本発明者等の知見によれば、斜面上に成長
する酸化物超電導薄膜は、基板面上に成長した酸化物超
電導薄膜の結晶の影響と、斜面に現れている結晶の影響
とを受けてエピタキシャル成長する。傾斜角αが大きい
斜面上に成長する酸化物超電導薄膜は、基板面に対しａ
軸配向となり、逆にαが40°以下であるならばｃ軸配向
となる。

【００３６】本発明のジョセフソン接合素子は、実質的
に一様なｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で構成されている
ので傾斜面上に結晶粒界等による不要なジョセフソン接
合が存在せず、超電導電流は効率よく絞られる。従っ
て、本発明のジョセフソン接合素子は、優れた特性を有
するだけでなく、特性が安定している。

【００３７】さらに、本発明は、基板上にほぼ台形断面
で突出する絶縁領域と、基板上の絶縁領域の両側にそれ
ぞれ配置され、酸化物超電導体で構成された超電導ソー
ス領域および超電導ドレイン領域と、絶縁領域上に配置
され、電導ソース領域および超電導ドレイン領域を結合
する酸化物超電導体で構成された超電導チャネルと、超
電導チャネル上にゲート絶縁層を介して配置され、超電
導チャネルを流れる電流を制御するためのゲート電圧が
印加されるゲート電極とを備え、絶縁領域の斜面の傾斜
角が40°以下である超電導電界効果型素子とすることも
可能である。

【００３８】本発明の超電導電界効果型素子は、基板か
ら突出している台形断面の絶縁領域の斜面の傾斜角が40
°以下であるところにその主要な特徴がある。これは、
本発明のジョセフソン接合素子のところで説明した本発
明者等の知見に基づくものである。本発明の超電導電界
効果型素子では、絶縁領域の斜面上の部分もｃ軸配向の
酸化物超電導薄膜となっているので、結晶の乱れている
部分がない。

【００３９】本発明の超電導電界効果型素子は、超電導
チャネル、超電導ソース領域および超電導ドレイン領域
を構成している酸化物超電導薄膜が、実質的に一様なｃ
軸配向の酸化物超電導薄膜となっている。本発明の超電
導電界効果型素子では、超電導チャネル、超電導ソース
領域および超電導ドレイン領域中に、結晶粒界等による
ジョセフソン接合が存在せず、超電導電流は効率よく超
電導チャネルに絞り込まれる。従って、本発明の超電導
電界効果型素子は優れた特性を有し、また、特性が安定
している。

【００４０】上記本発明の超電導装置には、任意の酸化
物超電導体が使用できるが、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X系酸化物超
電導体は安定的に高品質の結晶性のよい薄膜が得られる
ので好ましい。また、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_x 系酸化物超電導
体は、特にその超電導臨界温度Ｔc が高いので好まし
い。

【００４１】また、基板材料としては、MgＯ（１００）
基板、SrTiＯ₃ （１００）基板、ＹＳＺ基板等をが好ま
しいが、これに限定されるわけではなく、例えば、成膜
面に適切なバッファ層を有するたSi基板等の半導体基板
も使用することができる。

【００４２】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。

【００４３】

【実施例】実施例１ 図１に、本発明の超電導配線の一例の断面図である。図
１の超電導配線は、MgＯ（１００）基板５上に配置され
た半導体特性のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄膜による抵抗素子40
と、抵抗素子40と接続部30で接続されているＹ₁Ba₂Cu₃
Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜による超電導電流路11とを備え
る。超電導電流路11と抵抗素子40との界面の基板に対す
る傾斜角αは、本実施例では30°とした。

【００４４】上記の超電導配線は、以下のようにして作
製した。まず、MgＯ（１００）基板５上に半導体特性の
Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄膜による抵抗素子40を形成した。半導
体特性のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-y薄膜の成膜条件は以下に示す通
りであり、パターニングはCaＯを使用したリフトオフ法
により行った。 抵抗用薄膜の成膜条件 基板温度 800 ℃ スパッタリングガス Ar 90 ％ Ｏ₂ 10 ％ 圧力 50 ｍTorr 膜厚 300 nm

【００４５】以上のようにして作製した抵抗素子40は、
数ｋΩの抵抗値を示した。続いて、抵抗素子40を斜め上
方向からのイオンビーム照射により加工し、抵抗素子40
の端面が基板となす角度αを約30°にした。次に、この
ように加工した抵抗素子40を有する基板５上に、超電導
電流路11のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜を成膜し
た。成膜条件を以下に示す。 Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜の成膜条件 基板温度 700 ℃ スパッタリングガス Ar 90 ％ Ｏ₂ 10 ％ 圧力 50 ｍTorr 膜厚 300 nm

【００４６】上記の超電導配線と、抵抗素子40の端面を
イオンビーム照射で加工すること以外は、上記本発明の
超電導配線と全く同様に作製した超電導配線とについ
て、前記抵抗素子を含む超電導配線間の抵抗値を、それ
ぞれ液体窒素による冷却下で四端子法により測定した。
その結果、本発明の超電導配線では、抵抗素子の測定抵
抗値と等しい抵抗値を示したが、抵抗素子の加工を行わ
なかった超電導配線では、抵抗素子の測定抵抗値の10倍
以上の抵抗値を示した。

【００４７】実施例２ 図２に、本発明の超電導多層配線の一例を示す。図２
は、本発明の超電導多層配線の特徴的な部分の断面図で
ある。図２の超電導多層配線は、グランドプレーンを含
むMgＯ基板５上にｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電
導薄膜で形成された第１の超電導電流路11と、超電導電
流路11上にMgＯまたは窒化シリコン等で形成された層間
絶縁層21と、層間絶縁層21上にやはりｃ軸配向のＹ₁Ba₂
Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜で形成された超電導電流路12
を具備する。超電導電流路12は、層間絶縁層21を貫通し
て超電導電流路11に接続部30で接する層間配線となって
いる部分を備える。

【００４８】図２の超電導多層配線では、超電導電流路
12の層間配線の部分が傾斜角αで下降し、層間絶縁層21
を貫通して接続部30で超電導電流路11に接し、傾斜角α
で上昇して再び層間絶縁層21上に達する形状に構成され
ている。この傾斜角αは40°以下であることが好まし
く、傾斜角αが40°より大きい場合には、超電導電流路
12の傾斜している部分を構成する酸化物超電導薄膜の配
向性が乱れる。

【００４９】図３に、超電導電流路が４層で、層間配線
が２箇所の本発明の超電導多層配線の例を示す。図３も
本発明の超電導多層配線の断面図である。図３の超電導
多層配線は、グランドプレーンを含むMgＯ基板５上に、
交互に積層された層間絶縁層21〜24と、超電導電流路11
〜14とを具備する。層間絶縁層21〜24は、MgＯまたは窒
化シリコン等で形成され、超電導電流路11〜14は、ｃ軸
配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜で形成されてい
る。超電導電流路13は、層間絶縁層23を貫通して超電導
電流路12に接続部31で接する層間配線となっている部分
を、超電導電流路14は、層間絶縁層24を貫通して超電導
電流路13に接続部32で接する層間配線となっている部分
をそれぞれ備える。図３に示した超電導多層配線も、図
２の超電導多層配線と同様、層間配線の部分の傾斜角は
40°以下になっている。また、接続部31および32の間隔
ｌ_sは、接続部31および32を含む層間配線部分のそれぞ
れの幅ｌ_cに対し、ｌ_s≒2.5〜3.0ｌ_cになっている。

【００５０】図３の超電導多層配線では、層間配線は、
いずれも隣接する層の超電導電流路の接合を行ってお
り、３層以上の層の超電導電流路の接合を一括して行っ
てはいない。これは、３層以上の層の超電導電流路の接
合を一括して行う場合、電流容量を大きくするために層
間配線部分の水平断面積を大きくする必要があり、配線
密度が低下するからである。また、３層以上の層の超電
導電流路の接合を一括して行う層間配線は、段差が大き
くなるのでその上にさらに超電導電流路等を積層するこ
とが困難になる。

【００５１】さらに、上記本発明の超電導多層配線で
は、超電導電流路および層間配線の配置の自由度が高
く、複雑な配線も容易であり、その場合でも電流容量が
低下せず高密度の配線が可能である。

【００５２】実施例３ 図４に、本発明のジョセフソン接合素子の一例の断面図
を示す。図４のジョセフソン接合素子は、MgＯ基板５
と、MgＯ基板５上に突出する斜面51の傾斜角αが約35°
のほぼ等脚台形の断面の絶縁領域50とを具備する。ま
た、MgＯ基板５上の絶縁領域50の両側にそれぞれ配置さ
れ、絶縁領域50上の極薄の酸化物超電導薄膜で構成され
たジョセフソン接合の弱結合10で結合された超電導電極
101および102を備える。

【００５３】超電導電極101および102は、弱結合10の部
分も含めてｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜
で構成されている。特に、絶縁領域50の斜面51の近傍の
部分まで、一様なｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電
導薄膜で構成されているが、これは、絶縁領域50の斜面
51の傾斜角αが約35°で40°以下であることの効果であ
る。

【００５４】上記のジョセフソン接合素子は以下の方法
で作製した。まず、15mm×８mm、厚さ 0.5mmのMgＯ（１
００）基板の表面を、Arガスを使用した斜め方向からの
イオンミリング法で加工して高さ 0.3μｍの絶縁領域50
を形成した。このとき、絶縁領域50の斜面51は、基板の
成膜面に対して傾斜角αが35°となるよう形成した。
尚、絶縁領域50の斜面51の傾斜角度は、エッチ剤の浸み
込みによるサイドエッチングを利用しエッチング速度を
適切に設定することによって任意の角度にすることもで
きる。

【００５５】次に、上記の加工行った基板を、１×10^-9
Torr以下の超高真空中で 350〜400℃程度に加熱して成
膜面を清浄化し、スパッタリング法によりＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ
_7-X酸化物超電導薄膜を成膜した。成膜条件を以下に示
す。 基板温度 700 ℃ スパッタリングガス Ar 90 ％ Ｏ₂ 10 ％ 圧力 ５×10^-2 Torr 膜厚 300 nm

【００５６】成膜後、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜
の表面を適宜エッチバックして平坦にして、所望の仕様
の素子を形成することができる。

【００５７】実施例４ 図５に、本発明の超電導電界効果型素子の一例の断面図
を示す。図５の超電導電界効果型素子は、MgＯ基板５
と、MgＯ基板５上に突出する斜面51の傾斜角αが約35°
のほぼ等脚台形の断面の絶縁領域50とを具備する。ま
た、MgＯ基板５上の絶縁領域50の両側に、それぞれ形成
された超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３
と、絶縁領域50に配置され、超電導ソース領域２および
超電導ドレイン領域３を結ぶ極薄の超電導チャネル１
と、超電導チャネル１上にゲート絶縁層７を介して配置
されたゲート電極４とを備える。

【００５８】超電導チャネル１、超電導ソース領域２お
よび超電導ドレイン領域３は、ｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ
_7-X酸化物超電導薄膜で構成され、超電導チャネル１の
厚さは約５nmであり、超電導ソース領域２および超電導
ドレイン領域３の厚さは約200nmである。一方、絶縁領
域50は、MgＯで構成されている。また、ゲート絶縁層７
は、窒化シリコンまたはMgＯで構成され、その厚さは約
15nmであり、ゲート電極４はAuで構成されている。

【００５９】上記本発明の超電導電界効果型素子では、
図５(b)に示すよう、超電導チャネル１、超電導ソース
領域２および超電導ドレイン領域３は、絶縁領域50の斜
面51の近傍の部分まで、ｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化
物超電導薄膜で構成されている。これは、絶縁領域50の
斜面51の傾斜角αが約35°で40°以下であることの効果
である。

【００６０】上記本発明の超電導電界効果型素子を作製
する方法を説明する。最初にMgＯ（１００）基板５の成
膜面を、反応性イオンエッチング、Arイオンミリング等
の方法でエッチングし、基板５上に突出する、斜面51の
傾斜角αが約35°のほぼ等脚台形の断面の絶縁領域50を
形成する。

【００６１】次に、上記の絶縁領域50を形成した基板５
を圧力１×10^-9Torr以下の超高真空中で、350〜400℃に
加熱する熱処理を行って成膜面を清浄にし、成膜面全体
の上に、ｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜を
成膜し、超電導ソース領域２、超電導ドレイン領域３お
よび超電導チャネル１を形成する。ｃ軸配向のＹ₁Ba₂Cu
₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜の成膜方法としては、スパッタ
リング法、ＭＢＥ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等任意の方
法が使用可能である。オフアクシスパッタリング法で成
膜を行う際の主な成膜条件を以下に示す。 基板温度 700℃ スパッタリングガス Ar 90 ％ Ｏ₂ 10 ％ 圧力 ５×10^-2Torr 膜厚 約 200nm

【００６２】次いで、上記のように成膜したｃ軸配向の
Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜の突出部をエッチバッ
クして平坦にし、表面を清浄処理する。この後、ｃ軸配
向のＹ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X酸化物超電導薄膜の超電導チャネル
１上の部分に、約15nmの厚さのMgＯ層または窒化Si（Si
Ｎ）による絶縁膜17およびAuでゲート電極４を形成して
本発明の超電導電界効果型素子が完成する。必要なら
ば、超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３上
にそれぞれ電極を設けてもよい。

【００６３】以上のように、本発明の方法で作製された
本発明の超電導電界効果型素子は、超電導チャネル１、
超電導ソース領域２および超電導ドレイン領域３構成す
る酸化物超電導薄膜が、ｃ軸配向の一様な酸化物超電導
薄膜になっており、抵抗成分、余計なジョセフソン接合
が内部に存在しないので特性が良好である。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
新規な構成の超電導電流路の接続構造およびそれを利用
した超電導配線、超電導素子が提供される。本発明の超
電導電流路の接続構造では、接続部周辺に酸化物超電導
体の結晶粒界や、結晶性の劣化した部分が存在しないの
で、不要なジョセフソン接合や抵抗成分が発生せず特性
が優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導配線の一例の断面図である。

【図２】本発明の超電導多層配線の一例の断面図であ
る。

【図３】本発明の超電導多層配線の別の例の断面図であ
る。

【図４】本発明のジョセフソン接合素子の一例の断面図
である。

【図５】本発明の超電導電界効果型素子の一例の断面図
である。

【図６】従来のジョセフソン接合素子の一例の断面図で
ある。

【図７】従来の超電導電界効果型素子の一例の断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 超電導チャネル ２ 超電導ソース領域 ３ 超電導ドレイン領域 ４ ゲート電極 ５ 基板 ７ ゲート絶縁層 10 弱結合 11〜14 超電導電流路 21〜24 層間絶縁層 30〜32 接続部 40 抵抗素子 50 絶縁領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平3−352195 (32)優先日 平３(1991)12月13日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上の酸化物超電導薄膜で
   構成された超電導電流路と、該超電導電流路と接続され
   た電流路または素子とを備え、前記超電導電流路と前記
   電流路または素子との接続部において、前記超電導電流
   路が、前記基板に対して傾斜角40°以下の斜面を有する
   ことを特徴とする超電導電流路の接続構造。
2. 【請求項２】 基板と、該基板上の酸化物超電導薄膜に
   よる超電導電流路と、前記基板上に配置され、前記超電
   導電流路に接続された素子または電流路とを具備し、前
   記超電導電流路と前記素子または電流路との接続部にお
   ける界面の前記基板となす角度が40°以下であること特
   徴とする超電導配線。
3. 【請求項３】 基板と該基板上においてｃ軸配向の酸化
   物超電導薄膜で構成され、層間絶縁層の下側に配置され
   た第１の超電導電流路と、前記層間絶縁層の上側に主に
   配置され、一部が前記層間絶縁層を貫通して前記第１の
   超電導電流路に接続された、ｃ軸配向の酸化物超電導薄
   膜で構成された第２の超電導電流路を具備し、前記第２
   の超電導電流路の前記第１の超電導電流路に接続部分が
   前記基板に対して40°以下の角度で傾斜していることを
   特徴とする超電導多層配線。
4. 【請求項４】 基板と、該基板上にほぼ台形断面で突出
   するよう形成された絶縁領域と、該基板上に成膜され、
   前記絶縁領域上の部分の膜厚が薄く、ジョセフソン接合
   の弱結合となっている酸化物超電導薄膜とを備え、前記
   絶縁領域の斜面の傾斜角が40°以下であることを特徴と
   するジョセフソン接合素子。
5. 【請求項５】 基板と、該基板上にほぼ台形断面で突出
   するよう形成された絶縁領域と、前記基板上の前記絶縁
   領域の両側にそれぞれ配置され、酸化物超電導体で構成
   された超電導ソース領域および超電導ドレイン領域と、
   前記絶縁領域上に配置され、前記超電導ソース領域およ
   び超電導ドレイン領域を結合する酸化物超電導体で構成
   された超電導チャネルと、該超電導チャネル上にゲート
   絶縁層を介して配置され、該超電導チャネルを流れる電
   流を制御するためのゲート電圧が印加されるゲート電極
   とを備え、前記絶縁領域の斜面の傾斜角が40°以下であ
   ることを特徴とする超電導電界効果型素子。