JPH0546992B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はジヨセフソン接合装置に関し、特にジ
ヨセフソン論理回路やジヨセフソン記憶回路とし
て用いられるジヨセフソン接合装置に関する。

〔従来の技術〕

ジヨセフソン論理回路やジヨセフソン記憶回路
においては、異なる臨界電流の複数のジヨセフソ
ン接合が同一の回路に含まれている場合がある。

従来、この種のジヨセフソン接合装置は同じ電
流密度で面積の異なる複数のジヨセフソン接合を
有していた。

従つてジヨセフソン接合装置の動作速度は面積
の大きい方のジヨセフソン接合によりきまつてし
まい、動作速度の改善が困難となつていた。

面積を同一にし電流密度を異ならして動作速度
を改善することも考えられる。しかし、これは以
下に述べるように特性のばらつきが大きく信頼性
に欠ける憾があり、広く用いられてはいない。

電流密度の異なる２種類のジヨセフソン接合を
形成する方法として、回路上の異なる位置に別々
に形成する手法がある。即ち、第１の電流密度を
有するジヨセフソン接合を形成した後、第２のジ
ヨセフソン接合を試料全面に形成し、接合の形状
を規定する。この手法は、鉛合金プロセスを用い
てジヨセフソンサンプリング装置を製造する場合
に使用されている。この方法は、接合寸法が回路
設計を制約する場合にやむをえず使用される。こ
の手法は、臨界電流値の異なるジヨセフソン接合
が同一形状で製造できるという大きな利点を持
つ。電流密度の選定によつては一桁以上臨界電流
値の異なる同寸法形状のジヨセフソン接合素子を
同一チツプ上に容易に製造できる。特に高い時間
分解能を有するジヨセフソンサンプリング装置
を、被測定回路が形成されているチツプ上にオン
チツプで製造する場合、再現性に大きな不満があ
るとはいえ、有効に活用される。

２種類の電流密度を持つジヨセフソン接合装置
は、以下の様にして具体的に製造される。但し、
回路配線の製造方法に関する説明は、本発明と関
係しないので、説明を簡単にするために述べな
い。

(1) 先ず、基部電極と称される例えば鉛合金膜か
らなる第１の超伝導体電極を形成する。鉛合金
膜の膜厚は200ナノメートル程度に通常設定さ
れる。続いて、200〜300ナノメートル厚の
SiO，SiO₂等の絶縁膜を成膜し、リフトオフ法
等によりバターニングを同時に行ない前述の絶
縁膜に開孔を設ける。

(2) 次に、第１の電流密度を有するジヨセフソン
接合の対向電極と称される第２の超伝導体電極
の形状を規定するレジスト膜を通常の光露光技
術により形成する。続いて、絶縁膜の開孔部の
うちレジスト膜で覆われていないものをプラズ
マクリーニングにより清浄化した後、プラズマ
酸化の手法によりトンネル障壁層を形成する。
その後、大気に試料をふれさせることなく、第
２の超伝導体電極となる例えば鉛合金膜を
400nm程度の厚さに形成し、リフトオフ技術に
より電極のバターニングを行なう。

(3) 続いて、第２の電流密度を有する接合の対向
電極となる例えば鉛合金膜からなる第３の超伝
導体電極を(2)に述べたのと同様の手法で400ナ
ノメートル程度の厚さに形成する。

以上により２種類の電流密度を有するトンネル
型ジヨセフソン接合は、同じ基部電極上に別々に
成膜されて形成される。

以上に述べた従来の方法では、第１の電流密度
を有するジヨセフソン接合は、接合が形成された
後、第２の電流密度を有するジヨセフソン接合を
形成するための多数の露光、バターニング等の工
程を経る。従つて、第１の電流密度を有するジヨ
セフソン接合の電流密度は、後の工程を経ること
により、大きく変化し、再現性を高めることが非
常に困難であつた。又、従来の方法は、第１、第
２の電流密度を有するジヨセフソン接合を別々に
形成するため、製造工程数が増大した。このた
め、製造歩留りが低下し、かつ製造日数が増大し
た。さらに、従来は、リフトオフ技術が用いられ
るので加工寸法精度が低くなつてしまう。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来のジヨセフソン接合装置は、臨界
電流密度が同じで面積の異なる複数のジヨセフソ
ン接合を有しているか若くは別々の工程で形成さ
れた臨界電流密度が異なり接合面積が同一の複数
のジヨセフソン接合を有しているので、動作速度
が遅いか若くは特性のばらつきが大きく信頼性に
欠けるという欠点があつた。

本発明の目的は、高速動作可能で且つ特性のば
らつきが少なく信頼性の高いジヨセフソン接合装
置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のジヨセフソン接合装置は、超伝導体層
とトンネル障壁層とを交互に積層することにより
それぞれ所定の接合面積および電流密度を有する
トンネル型ジヨセフソン接合を互いに隣接する２
つの前記ジヨセフソン接合のそれぞれの一つの電
極を共有させ前記各ジヨセフソン接合の接合面積
および電流密度の相互関係で定まる電流密度をそ
れぞれ有する少なくとも２つの積層型ジヨセフソ
ン接合素子を有するというものである。

〔作用〕

本発明のジヨセフソン接合装置は、電流密度の
異なるジヨセフソン接合素子が形成できる超伝導
体−接合層−超伝導体の３層構造体が２重以上重
ねられた構成となつている。本発明の装置は、前
述の２重以上に積重ねられた接合層の一つの所望
の形状にバターニングしてジヨセフソン接合を規
定することにより得られる。本発明の装置は、前
述の所望の形状に規定されたジヨセフソン接合の
両側に接する第１および第２の超伝導体をそれぞ
れ基部電極と対向電極とする。次に、前述の基部
電極に他の接合層を介して接触している多層構造
体の最下部の超伝導体、もしくは、前述の基部電
極が最下部に位置する時には前述の基部電極に、
信号を出し入れする一方の配線が行なわれる。前
述の対向電極に他の接合層を介して接触している
多層構造体の最上部の超伝導体、もしくは、前述
の対向電極が最上部に位置する時には前述の対向
電極に信号の出し入れを行う他方の配線が行なわ
れる。

従つて、本発明のジヨセフソン接合装置におい
て、所望のジヨセフソン接合の基部電極と配線が
行なわれる最下部の超伝導体の間、および所望の
ジヨセフソン接合の対向電極と配線が行なわれる
最上部の超伝導体の間には、他の本装置の動作に
必要とされない不要の接合層が介在する。本発明
のジヨセフソン接合装置は、前述の不要の接合層
の臨界電流値が所望のジヨセフソン接合の臨界電
流値より大きくなる様に、基部電極および対向電
極の寸法を定めることを特徴としている。この条
件は、積層させている接合層の電流密度を単調に
順次増大もしくは減少させることによつて容易に
実現される。

以上に述べた本発明の装置は、超伝導体電極と
なる超伝導体膜と電流密度の異なる接合層とを、
試料を大気中に取り出すことなく、順次成膜して
一度に製造できる特徴を持つ。さらに本発明の装
置は、その後の工程として、基部電極形状の規定
と接合寸法の規定、配線の３工程を行えば、ジヨ
セフソン接合装置が製造できる構造を持つ。しか
も、全ての接合層が受ける後工程は同一である。
従つて、本発明は、ジヨセフソン接合装置の製造
を簡略化し、歩留りの向上、接合の電流密度の再
現精度および均一性の向上を図れるジヨセフソン
接合装置を提供している。さらに本発明の装置
は、多層構造の膜をエツチング加工して製造する
ことができる構造であるので、反応性イオンエツ
チング技術、イオンミリング技術等のドライ加工
技術を用いることにより、装置の寸法精度を高め
ることができる。これらのドライ加工技術は、信
頼性の高いニオブ系ジヨセフソン接合装置に効果
的に適用できる。よつて、本発明の構造は、ニオ
ブ系ジヨセフソン接合装置に好ましく実施され、
装置の信頼性を一層高めることができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して
説明する。第１図は本発明の第１の実施例の超伝
導体チツプの主要部の断面図である。

図において、ジヨセフソン回路を構成する抵抗
やSQUIDを構成する制御線等の配線は、本発明
に直接関係しないので、説明を簡単にするために
示していない。又断面形状は、発明の原理に基づ
いて模式的に示してあり、隙間を埋める絶縁膜も
示していない。

この実施例は、第１の超伝導体１，２と第２の
超伝導体３，４とでそれぞれ第１のトンネル障壁
層１１，１２を挟んでなるトンネル型ジヨセフソ
ン接合及び第２の超伝導体３，４と第３の超伝導
体５，６とでそれぞれ第２のトンネル障壁層１
３，１４を挟んでなる他のトンネル型ジヨセフソ
ン接合が積層されてなる第１の積層型ジヨセフソ
ン接合素子３１ａと第２の積層型ジヨセフソン接
合素子３２ａを含んでなるものである。

所望の電流密度を有する第１および第２の積層
型ジヨセフソン接合素子３１ａ，３２ａは、所望
の電流密度を有する第１および第２のトンネル障
壁層１３，１２をそれぞれ所望の形状に成形して
得られる。第１および第２の積層形ジヨセフソン
接合素子３１ａ，３２ａへの結線は、第１の超伝
導体１，２の下に設けられた配線層２１と、第３
の超伝導体５，６の上に設けられた配線層２２，
２３によつて行なわれる。以上のジヨセフソン回
路は、基板３３上に設けられた接地層３４上に、
絶縁層３５を介して配置されている。ここで、第
１のトンネル障壁層１１，１２の電流密度J₁は、
第２のトンネル障壁層１３，１４の電流密度J₂よ
り小さく設定されている。

第１の積層型ジヨセフソン接合素子３１ａに
は、第２の超伝導体３からなる基部電極、第３の
超伝導体５からなる対向電極が設けられており、
これらの両電極間の第２のトンネル障壁層１３は
所望の形状に成形されている。一方、第２の積層
型ジヨセフソン接合素子３２ａには、第１の超伝
導体２からなる基部電極、第２の超伝導体４から
なる対向電極が設けられており、これらの両電極
間の第１のトンネル障壁１２は所望の形状に成形
されている。

第１の積層型ジヨセフソン接合素子３１ａの基
部電極である第２の超伝導体３への信号線の結線
は、第１の超伝導体１と第１のトンネル障壁層１
１を介して行なわれている。ここで、第１のトン
ネル障壁層１１の電流密度J₁は、第２のトンネル
障壁層１３の電流密度J₂より小さく設定されてい
るが、基部電極である第２の超伝導体３の面積
S_B1、第２のトンネル障壁層１３の面積S_J1より充
分大きく設定することにより、第１の超伝導体
１、第１のトンネル障壁層１１、第２の超伝導体
３で構成される第１の寄生ジヨセフソン接合の臨
界電流値を第１の積層型ジヨセフソン接合素子３
１ａの臨界電流値より大きく設定できる。即ち、
S_B1J₁＞S_J1J₂の条件が成立する面積S_B1を設定する
ことにより、第１の寄生ジヨセフソン接合が、第
１の積層型ジヨセフソン接合素子３１ａのスイツ
チ動作に影響を及ぼさないようにされる。

同様に、第２の積層型ジヨセフソン接合素子３
２ａにおいて、対向電極である第２の超伝導体４
への結線は、第２のトンネル障壁層１４と第３の
超伝導体６を介して行なわれる。第２の超伝導体
４と第２のトンネル障壁層１４と第３の超伝導体
６で構成される第２の寄生ジヨセフソン接合の臨
界電流値は、第２のトンネル障壁層１４の電流密
度J₂が第１のトンネル障壁層１１の電流密度J₁よ
り大きいので、トンネル障壁層１１，１４の面積
S_C2，S_J2がS_C2S_J2とほぼ等しくしても、第２の
積層型ジヨセフソン接合３２ａの臨界電流値より
十分大きい。即ち、トンネル障壁層の電流密度
J₁，J₂はJ₁＜J₂であるので、第２の積層型ジヨセ
フソン接合素子３２ａの臨界電流値S_J2J₁と第２
の寄生ジヨセフソン接合の臨界電流値S_C2J₂との
間にはS_J2J₁＜S_C2J₂の関係が成立する。従つて第
２の寄生ジヨセフソン接合は、第２の積層型ジヨ
セフソン接合素子３２ａのスイツチ動作に影響し
ない。

以上、本発明のジヨセフソン接合装置は、電流
密度の異なるトンネル障壁層１３，１２を用いて
構成され、最下部の超伝導体１，２と最上部の超
伝導体５，６へ配線２１〜２３を行うことによつ
て構成される。

次に本実施例の好ましい製造方法の一例を説明
する。

従来技術により形成された接地層３４、絶縁層
３５上に、基部電極に対する配線２１を形成す
る。全面にSiO，SiO₂等の絶縁膜をCVD又はス
パツタリング等の技術を用いて被着する。レジス
ト1350J（シツプレイ（Shipley）社の商品名）等
を全面に塗布して表面を平坦にしたのちエツチバ
ツクする。こうして配線２１の間を絶縁膜で埋め
て全体が平坦な面となるようにすることができ
る。続いて、第１の超伝導体１，２を形成するた
めの超伝導体層と、第１のトンネル障壁層１１，
１２を形成するための障壁層と第２の超伝導体
３，４を形成するための超伝導体層と、第２のト
ンネル障壁層１３，１４を形成するための障壁層
と、第３の超伝導体５，６を形成するための超伝
導体層を大気にさらすことなく順次成膜する。

先ず、第１および第２の積層型ジヨセフソン接
合素子の基部電極を反応性イオンエツチング技術
やイオンミリング技術を用いて形成する。次に第
１の積層型ジヨセフソン接合素子３１ａの接合層
である第２のトンネル障壁層１３と対向電極の形
状を、反応性イオンエツチング技術やイオンミリ
ング技術を用いて同時に規定する。次に、第２の
積層型ジヨセフソン接合素子３２ａの接合層であ
る第１のトンネル障壁層１２と対向電極の形状
を、反応性イオンエツチング技術やイオンミリン
グ技術を用いて同時に規定する。続いて、各積層
型ジヨセフソン接合素子間をSiO，SiO₂等の絶縁
体で埋込む。すなわち絶縁体を全面に被着したの
ち、レジスト1350J等を1μm以上塗布したのち第
３の超伝導体５，６が現われるまでエツチバツク
する。こうして表面がほぼ平坦になる様にするこ
とができる。配線層２２，２３と第３の超伝導体
５，６とは、いずれの接合の電流密度より十分大
きい電流密度で接触する様、第３ の超伝導体
５，６の表面をクリーニングしたのち、配線層２
２，２３を形成する。

以上説明した様に、この例においては、電流密
度の異なる第１および第２のトンネル障壁層１１
〜１４が一度に成膜され、その後は同じ後工程を
経る。よつて、このようにして作製されたジヨセ
フソン接合装置の電流密度の再現性と歩留りは向
上する。さらに、寸法精度の高いドライ加工技術
を用いて製造できるのでジヨセフソン臨界電流値
の再現性と歩留りが向上し、集積化が容易とな
る。特に超伝導体としてニオブ系材料を用いれ
ば、信頼性も高くなり一層集積化が容易になる。

第２図は本発明の第２の実施例の超伝導体チツ
プの主要部の断面図である。第１の実施例と同
様、抵抗、SQUIDの制御線等は、説明を簡単に
するために示していない。

この実施例は、第１の超伝導体１，２と、第１
のトンネル障壁層１１，１２と、第２の超伝導体
３，４と、第２のトンネル障壁層１３，１４と、
第３の超伝導体５，６と、第３のトンネル障壁層
１５，１６と第４の超伝導体７，８が順次積層さ
れた構造である。所望の電流密度を有する第１お
よび第２の積層型ジヨセフソン接合素子３１ｂ，
３２ｂは、所望の電流密度を有するトンネル障壁
層１５，１４を所望の形状に成形して得られる。
第１および第２の積層型ジヨセフソン接合素子３
１ｂ，３２ｂへの結線は、各素子の最下部の超伝
導体１，２の下に設けられた配線層２１と、各素
子の最上部の超伝導体７，８の上に設けられた配
線層２２，２３によつて行なわれる。以上の２つ
の積層型ジヨセフソン接合素子は、基板３３上に
設けられた接地層３４上に、絶縁層３５を介して
配置されている。ここで、第１のトンネル障壁層
１１，２２の電流密度J₁、第２のトンネル障壁層
１３，１４の電流密度J₂、第３のトンネル障壁層
１５，１６の電流密度J₃は、J₁＜J₂＜J₃の条件で
形成されている。

第１の積層型ジヨセフソン接合素子３１ｂに
は、第３の超伝導体５からなる基部電極、第４の
超伝導体７からなる対向電極が設けられており、
これらの両電極間の第３のトンネル障壁層１５は
所望の形状に成形されている。従つて、第１の積
層型ジヨセフソン接合素子において、基部電極５
と、配線が接続されている超伝導体１の間に第１
のトンネル障壁層１１と第２のトンネル障壁層１
３が介在する。ここで第１のトンネル障壁層１１
の面積S_B1、第２のトンネル障壁層１３の面積S_B2
ジヨセフソン接合として用いられている第３のト
ンネル障層１５の面積S_J1は、S_B1J₁＞S_J1J₃および
S_B2J₂＞S_J1J₃の条件が成立するように設定される。
従つて、第１の超伝導体１と第１のトンネル障壁
層１１と第２の超伝導体３で形成される第１の寄
生ジヨセフソン接合と、第２の超伝導体３と第２
のトンネル障壁層１３と第３の超伝導体５で形成
される第２の寄生ジヨセフソン接合の臨界電流値
は、第１の積層型ジヨセフソン接合素子３１ｂの
スイツチ動作に影響しない。

第２の積層型ジヨセフソン接合素子３２ｂに
は、第２の超伝導体４からなる基部電極、第３の
超伝導体６からなる対向電極が設けられており、
第２のトンネル障壁層１４は所望の形状に成形さ
れている。従つて、第２の積層型ジヨセフソン接
合素子３２ｂにおいて、基部電極である超伝導体
４と配線層２１が接続されている超伝導体２の間
に第１のトンネル障壁層１２が介在し、対向電極
である超伝導体６と配線層２３が接続されている
超伝導体８の間に第３のトンネル障壁層１６が介
在する。ここで第１のトンネル障壁層１２の面積
S_B3、第３のトンネル障壁層１６の面積S_C1、ジヨ
セフソン接合として用いられている第２のトンネ
ル障壁層の面積S_J2は、S_B3J₁＞S_J2J₂およびS_C1J₃＞
S_J2J₂の条件が成立するように設定される。従つ
て、第１の超伝導体２と第１のトンネル障壁層１
２と第２の超伝導体４で形成される第３の寄生ジ
ヨセフソン接合と、第３の超伝導体６と第３のト
ンネル障壁層１６と第４の超伝導体８で形成され
る第４の寄生ジヨセフソン接合の臨界電流値は、
第２の積層型ジヨセフソン接合素子３２のスイツ
チ動作に影響しない。

なお、第２の実施例において、第１のトンネル
障壁層をジヨセフソン接合として用いるようにし
てもよいが、その場合には、前述と同様第１の超
伝導体を基部電極、第２の超伝導体を対向電極、
第１のトンネル障壁層がジヨセフソン接合として
用いられる。そのような積層型ジヨセフソン接合
素子は、第１のトンネル障壁層と第２の超伝導体
と第２のトンネル障壁層と第３の超伝導体と第３
のトンネル障壁層と第４の超伝導体を同時に所望
の形状に形成して製造される。本構成において、
第２の超伝導体と第２のトンネル障壁層と第３の
超伝導体で形成される寄生ジヨセフソン接合と、
第３の超伝導体と第３のトンネル障壁層と第４の
超伝導体で形成される寄生ジヨセフソン接合は、
J₁＜J₂＜J₃であるので、積層型ジヨセフソン接合
素子の動作に影響しない。

以上に説明した第２の実施例は、第１の実施例
と同様の方法で製造でき、同じ効果を持つ。

以上の外、第２の実施例の上にトンネル障壁層
と超伝導体層をさらに積層し、４種類以上の異な
る電流密度を有する積層型ジヨセフソン接合素子
を有するものを構成することもできる。

更に、以上の実施例とは逆に、電流密度の大小
を逆にした（J₁＜J₂＜J₃…）構成としてもよい。
この場合には、寄生ジヨセフソン接合の影響を除
くために、対向電極と対向電極より上側の超伝導
体の形状を大きくする。即ち、この場合の装置の
構造は、第１および第２の実施例の構造の天地を
逆にした構造となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のジヨセフソン接
合装置は、超伝導体と電流密度の異なるトンネル
障壁層が交互に多層に積層され、所望の電流密度
を有するトンネル障壁層が所望の面積に成形され
た構造を持つ、従つて、各接合が一度に形成でき
るため、ジヨセフソン接合の電流密度の再現精度
の向上が図れる。又、一括製造が可能であるの
で、製造工程が簡単になり歩留りの向上が図れ
る。又、本発明のジヨセフソン接合装置は、寸法
精度が高いドライ加工技術を用いることができる
ので、臨界電流値の再現精度が一層向上し集積化
が可能となる。又、信頼性の高いニオブ系ジヨセ
フソン接合装置に好ましく適用される。さらに配
線を最下部と最上部の超伝導体に対して行うの
で、装置の平坦化が容易に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の超伝導体チツ
プの模式的断面図、第２図は本発明の第２の実施
例の模式的断面図である。 １，２……第１の超伝導体、３，４……第２の
超伝導体、５，６……第３の超伝導体、７，８…
…第４の超伝導体、１１，１２……第１のトンネ
ル障壁層、１３，１４……第２のトンネル障壁
層、１５，１６……第３のトンネル障壁層、２１
〜２３……配線層、３１ａ，３１ｂ……第１のジ
ヨセフソン接合素子、３２ａ，３２ｂ……第２の
ジヨセフソン接合素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超伝導体層とトンネル障壁層とを交互に積層
   することによりそれぞれ所定の接合面積および電
   流密度を有するトンネル型ジヨセフソン接合を互
   いに隣接する２つの前記ジヨセフソン接合のそれ
   ぞれの一つの電極を共有させ前記各ジヨセフソン
   接合の接合面積および電流密度の相互関係で定ま
   る電流密度をそれぞれ有する少なくとも２つの積
   層型ジヨセフソン接合素子を有することを特徴と
   するジヨセフソン接合装置。