JPH08236822A

JPH08236822A - 超伝導ヒューズ

Info

Publication number: JPH08236822A
Application number: JP7038873A
Authority: JP
Inventors: Akira Yoshida; 晃吉田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 1996-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】臨界値以上の超伝導電流を流すと超伝導状態
から高抵抗状態或いは絶縁状態に変化する超伝導ヒュー
ズに関し、超伝導配線を形成した後で所望の配線接続に
する。【構成】半導体層又は常伝導体層５上に間隙４を挟ん
で形成された超伝導体層２，３からなり、間隙４を挟む
両側の超伝導体層２，３はそれぞれ半導体層又は常伝導
体層５と接触し、超伝導電流が半導体層又は常伝導体層
５を介して流れる間隔を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導ヒューズに関
し、より詳しくは、臨界値以上の超伝導電流を流すと超
伝導状態から高抵抗状態或いは絶縁状態に変化する超伝
導ヒューズに関する。

【０００２】

【従来の技術】超伝導配線は、Nb，Pbなどの金属超伝導
体やNbTi，NbSnなどの合金系超伝導体を帯状にパターニ
ングしてSiなどの基板上に形成される。Nb膜で形成した
超伝導配線は、液体Heなどで９Ｋ以下に冷却することに
よって電気抵抗がゼロになり、極めて高速で低損失の信
号伝送線路を実現できる。

【０００３】このような超伝導配線を、ジョセフソン論
理素子の配線として使用したり、マルチチップモジュー
ル（ＭＭＣ）のチップ間配線に応用した場合、論理回路
間の相互信号伝送線路を高速化でき消費電力を低くする
ことができるので、コンピュータシステムの性能を大幅
に高めることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
所定の大きさの電流が流れることによって超伝導状態か
ら高抵抗状態に変化する超伝導ヒューズは実現されてい
なかった。そのため、従来の超伝導回路では、超伝導配
線をパターニングする時点で配線接続関係を決定してお
かなければならず、一旦基板に回路パターンを作成した
後で配線接続を変更することができない。このため、少
量多品種の場合、工程の管理が複雑になるという問題が
あった。

【０００５】本発明は、係る従来の問題点に鑑みて創作
されたもので、超伝導配線を形成した後で所望の配線接
続にすることができる超伝導ヒューズを提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題は、半導体層又
は常伝導体層上に少なくとも２つ以上の超伝導体層が、
前記半導体層又は常伝導体層を介して該超伝導体層間に
超伝導電流が流れる間隔をおいて形成されていることを
特徴とする超伝導ヒューズによって達成され、第２に、
前記半導体層又は常伝導体層は段差を有し、前記超伝導
体層は上及び下の段の前記半導体層又は常伝導体層上に
前記段差を介してそれぞれ形成されていることを特徴と
する第１の発明に記載の超伝導ヒューズによって達成さ
れ、第３に、絶縁膜，半導体膜又は常伝導体膜を挟んで
超伝導体層が形成され、前記絶縁膜，半導体膜又は常伝
導体膜は前記超伝導体層間に超伝導電流が流れる膜厚と
なっていることを特徴とする超伝導ヒューズによって達
成され、第４に、基板上に形成された超伝導体層の幅が
一部で他の部分より狭くなっていることを特徴とする超
伝導ヒューズによって達成される。

【０００７】

【作用】本発明の超伝導ヒューズによれば、半導体層又
は常伝導体層上に超伝導体層が間隔をおいて形成され、
その間隔は半導体層又は常伝導体層を介して超伝導体層
間に超伝導電流が流れるような間隔となっている。従っ
て、この超伝導ヒューズを臨界温度以下に冷却し、間隔
をおいた超伝導体層間に電圧をかけると超伝導電流が流
れる。

【０００８】超伝導体層間に臨界値よりも十分に小さい
電流を流すときは、近接効果による超伝導電流が流れ、
超伝導体層は通常の超伝導配線として機能する。一方、
超伝導体層間に十分に大きな電流を流すと、超伝導状態
の弱い半導体層等に電気抵抗が生じて電力が集中し、半
導体層等が発熱して半導体層等と接している部分の超伝
導体層が溶融・消失する。これにより、超伝導体層間の
間隔が広がって配線層は高抵抗状態になる。

【０００９】また、半導体層等に段差を設け、この段差
を介して途切れた超伝導体層を上下段の半導体層等上に
形成しても、上記と同じようにヒューズ機能を持たせる
ことができる。さらに、超伝導体層の一部を他の部分よ
りも幅を狭くした場合、幅の狭い部分で電流密度が高く
なって他の部分よりも先に臨界電流値に達し、常伝導状
態に移行する。これにより、幅の狭い部分は電気抵抗が
生じ、発熱して溶融・消失し、超伝導体層の両端間が絶
縁状態になる。

【００１０】また、超伝導電流が流れるような膜厚の絶
縁膜，半導体膜又は常伝導体膜を超伝導体層で挟んでい
るので、十分小さい電流を流したときは、トンネル効果
或いは近接効果による超伝導電流が流れ、超伝導配線と
して機能するが、一方、超伝導体層間に十分に大きな超
伝導電流を流すと、超伝導状態の弱い絶縁膜等に電力が
集中して絶縁膜等が発熱し、絶縁膜等と接している部分
の超伝導体層が溶融・消失する。これにより、超伝導体
層の端子間は高抵抗状態或いは絶縁状態になる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。具体的な実施例を説明する前に本発明の原
理を説明する。（超伝導ヒューズの原理の説明）図１（ａ），（ｂ）
は、トンネル効果又は近接効果により超伝導電流が流れ
る、本発明の超伝導ヒューズの原理を模式的に表した斜
視図であり、（ａ）が超伝導状態を示し、（ｂ）が高抵
抗状態或いは絶縁状態を示す。

【００１２】図１（ａ）に示した超伝導ヒューズは、第
１の超伝導体層２５と第２の超伝導体層２６が、厚さ
（ｔ）１００ｎｍ以下の絶縁膜２７を間に挟んで構成さ
れている。この絶縁膜２７は、例えばシリコン酸化膜か
らなる。また、第１及び第２の超伝導体層２５、２６間
に挟まれる材料として、半導体又は常伝導体を用いても
よい。

【００１３】この超伝導ヒューズを、液体Heなどで第１
及び第２の超伝導体層２５，２６の臨界温度以下に冷却
した状態で、第１及び第２の超伝導体層２５，２６の間
に電圧をかけるとトンネル効果により超伝導電流が流れ
る。その臨界電流の値は素子固有の値であり、絶縁膜２
７の膜厚や第１と第２の超伝導体層２５，２６の幅など
で決まる。

【００１４】第１と第２の超伝導体層２５，２６の間に
流れる電流が、超伝導を示す臨界電流よりも小さく、か
つ十分に小さいときは、第１と第２の超伝導体層２５，
２６は一つの超伝導配線として機能する。一方、第１と
第２の超伝導体層２５，２６の間に十分に大きい、或い
は臨界電流よりも大きい電流を流すと、超伝導材料でな
い絶縁膜２７に電力が集中して発熱し、絶縁膜２７と接
している第１と第２の超伝導体層２５，２６の部分が溶
融・消失し、図１（ｂ）に示したように、第１と第２の
超伝導体層２５，２６間は、高抵抗状態或いは絶縁状態
になる。

【００１５】このように、トンネル効果による超伝導電
流が流れるような膜厚の絶縁膜２７を第１と第２の超伝
導体層２５，２６の間に挟んだ構成とすることにより、
閾値以上の超伝導電流で回路が遮断する超伝導ヒューズ
として機能させることができる。なお、上記の絶縁膜２
７の代わりに半導体層や導電体層が挟まれるような構成
とすることも可能である。この場合には、第１と第２の
超伝導体層間に近接効果による超伝導電流が流れる。

【００１６】また、図２（ａ）（ｂ）は、近接効果によ
り超伝導電流が流れる、本発明の超伝導ヒューズの原理
を模式的に表した断面図であり、（ａ）が超伝導状態を
示し、（ｂ）が高抵抗状態或いは絶縁状態を示す。図２
（ａ）（ｂ）において、半導体層１に形成されたｐ型或
いはｎ型の導電型領域層５上で第１の超伝導体層２と第
２の超伝導体層３が間隔をあけて形成されている。この
間隔は、近接効果による超伝導電流が導電型領域層５を
介して流れるような間隔、１００ｎｍ以下となってい
る。

【００１７】この超伝導ヒューズを、液体Heなどで第１
及び第２の超伝導体層２，３の臨界温度以下に冷却した
状態で、第１及び第２の超伝導体層２，３の間に電圧を
かけると近接効果により超伝導電流が流れる。その臨界
電流の値は素子固有の値であり、導電型領域層５のキャ
リア濃度、第１及び第２の超電導体層２，３と導電型領
域層５とのコンタクト抵抗、第１と第２の超伝導体層２
５，２６の幅や間隔などのパラメータで決まる。

【００１８】第１と第２の超伝導体電極２，３の間に流
れる超伝導電流が、臨界電流よりも小さく、かつ十分に
小さいときは、第１と第２の超伝導体層２，３は一つの
超伝導配線として機能する。このときの超伝導電流と電
圧との関係を、図３のグラフの実線Ｃで示す。このグラ
フでは、横軸が線形目盛りで表した電圧値を示し、縦軸
が対数目盛りで表した電流値を示す。グラフに示された
超伝導電流の大きさは、前記パラメータを調整すること
により、数μＡから数十ｍＡまで制御できる。したがっ
て、超伝導配線を設計する際、この第１と第２の電極
２，３を含む配線部分に流す電流に応じて、これらのパ
ラメータを設定することができる。

【００１９】一方、第１と第２の超伝導体層２，３の間
に十分に大きい、或いは臨界電流よりも大きい超伝導電
流を流すと、超伝導材料でない半導体層５に電力が集中
して発熱し、図２（ｂ）に示すように、半導体層５と接
している第１又は第２の超伝導体層２，３の部分が溶融
・消失し、第１及び第２の超伝導体層２，３間の間隔が
広がる。間隔が広がると、第１と第２の超伝導体層２，
３間で近接効果が生じなくなって高抵抗状態或いは絶縁
状態になる。この高抵抗状態における電流−電圧特性
を、図３のグラフの点線Ｄで示す。

【００２０】このように、近接効果による超伝導電流が
流れるような間隔で半導体層５上に第１と第２の超伝導
体層２，３を配置することにより、閾値以上の超伝導電
流で回路が遮断する超伝導ヒューズとして機能させるこ
とができる。このように、半導体層１に形成されたｐ型
或いはｎ型の導電型領域層５上に間隔をおいて２つの超
伝導体層２，３を配置することによって、閾値電流以下
では超伝導電流を流し、閾値電流を越えると電流を遮断
する超伝導ヒューズの機能を実現することができる。（第１の実施例の説明）次に、図４は、本発明の第１の
実施例に係る超伝導ヒューズを超伝導配線層の途中に設
けた例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）
のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面図である。

【００２１】図４（ａ）（ｂ）に示すように、ＮｂやＰ
ｂ等の金属超電導体材料或いはＮｂＴｉ，ＮｂＳｎ等の
合金系超伝導体材料からなる超伝導体層がパターニング
され、幅５μｍの帯状の配線層がSrTiO₃からなる半導体
層１上に形成されている。この配線層は半導体層１に形
成されたｐ型或いはｎ型の導電型領域層５上で途切れて
いる。途切れた箇所を挟む両側の第１の超電導体層２と
第２の超電導体層３はともに導電型領域層５と接触し、
間隔約５０nmをおいて対向してる。

【００２２】なお、半導体層１は、不図示の絶縁性基板
上に形成されている。基板として、この絶縁性基板のほ
か、Siなどの半導体材料や絶縁性基板上に半導体材料を
積層したものを使用できる。次に、上記の超伝導ヒュー
ズを有する配線層の作成方法について説明する。まず、
絶縁性基板上にシリコンからなる半導体層１を形成す
る。次いで、半導体層１にｎ型イオンを選択的にドープ
して導電型領域層５を形成する。なお、ｎ型イオンを高
濃度にドープすることにより、伝導帯と不純物レベルと
が重なった、縮退した導電型領域５を形成することがで
きる。シリコンの場合、不純物濃度１０¹⁹cm^-3のオーダ
で縮退する。導電型領域５を縮退させることにより、後
にこの領域と接触させる超伝導配線層とのコンタクト抵
抗が低減する。

【００２３】続いて、超伝導体材料として厚さ１００nm
のNb膜を堆積し、パターニングして帯状の超伝導配線層
を形成する。次いで、Gaなどを用いた収束イオンビーム
（ＦＩＢ）により超伝導配線層をエッチングし、導電型
領域５上にスリット４を形成する。上記のスリット４の
幅は、半導体層１の材料などにより、０．１μｍ程度ま
で広げることもできる。

【００２４】なお、スリット４を形成するための別の方
法として、次のような方法もある。即ち、厚さ１００nm
のNb膜を堆積した後にレジスト膜を形成し、電子ビーム
露光及び現像によりスリットを有する帯状のレジストマ
スクを形成する。次いで、レジストマスクに基づいてCF
4ガスを用いた反応性イオンエッチングによりNb膜をエ
ッチングし、配線層の形成と同時にスリット４を形成す
る。

【００２５】このようにして形成された、超伝導ヒュー
ズを有する超伝導配線層は、導電型領域層５上で途切
れ、途切れた箇所を挟む両側の第１及び第２の超伝導体
層２，３は導電型領域層５と接触している。また、途切
れた箇所のスリット４幅は近接効果により第１及び第２
の超伝導体層２，３間に超伝導電流が流れるような幅と
なっている。

【００２６】これにより、十分小さな電流を配線層に流
すとき、超伝導電流が流れて抵抗零の配線層として機能
する。また、大きな電流を配線層に流すとき、配線層は
超伝導ヒューズの箇所で切断される。従って、その配線
層と関係する配線接続が不要な場合には、閾値以上の電
流をその配線層に流して、配線層を切断することができ
る。これにより、配線接続パターン形成後でも、配線接
続の変更が可能である。（第２の実施例の説明）次に、図５（ａ）〜（ｄ）を参
照しながら本発明の第２の実施例について説明する。

【００２７】図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ積層型の
超伝導ヒューズを有する超伝導配線層の製造工程を断面
図で示したものであり、５（ｄ）が配線層としてほぼ完
成した断面図である。まず、図５（ａ）に示すように、
サファイヤなどの絶縁体基板８上に、超伝導体材料のNb
からなる第１の超伝導体層９、ｎ型のSiからなる半導体
層１０、Nbからなる第２の超伝導体層１１を、それぞれ
１００nm、１０nm、１００nmの厚さに順に堆積し、その
上に一辺５μｍの正方形状のレジストマスク１２を形成
する。

【００２８】次に、図５（ｂ）に示すように、上記の工
程で形成したレジストマスク１２を使って、第２の超伝
導体層１１と半導体層１０とを連続してエッチングし、
一辺５μｍの正方形状のコンタクト領域を形成する。そ
の後、幅５μｍの帯状のレジストマスク１３を新たに形
成する。次に、図５（ｃ）に示すように、レジストマス
ク１３により、第１の超伝導体層９をエッチングした
後、SiO₂からなる層間絶縁膜１４を２００nmの厚さに堆
積する。続いて、層間絶縁膜１４上にレジスト膜を形成
した後、露光・現像して第２の超伝導体層１１の上方に
開口部があるレジストマスク１５を形成する。

【００２９】次いで、図５（ｄ）に示すように、レジス
トマスク１５により、第２の超伝導体層１１上の層間絶
縁膜１４にコンタクト用の窓を開ける。続いて、膜厚３
００nmのNb膜を堆積した後、パターニングし、第２の超
伝導体層１１と接続するように幅５μｍの帯状の超伝導
配線層１６を形成する。こうして、半導体層１０を挟ん
で第１の超伝導体層９と第２の超伝導体層１１が積層さ
れた超伝導ヒューズを有する超伝導配線層が完成する。

【００３０】このように作製された超伝導配線層を液体
Heなどで４．２Ｋの温度に冷却し、第１と第２の超伝導
体層９，１１に電圧を印加すると、第１の超伝導体層９
と第２の超伝導体層１１の間に、半導体層１０を介して
近接効果により超伝導電流が流れる。そして、この超伝
導電流の値が臨界電流値を越えると、半導体層１０が常
伝導状態になって発熱し、第１と第２の超伝導体層９，
１１が溶融・消失して第１の超伝導体層９と超伝導配線
層１６間は絶縁状態或いは高抵抗状態になり、回路は遮
断される。（第３の実施例の説明）図６は、本発明の第３の実施例
に係る超伝導ヒューズを示す断面図である。半導体基板
１７には高さｈの段差が形成され、各段の表面に第１の
超伝導体層１８と第２の超伝導体層１９が形成されてい
る。

【００３１】半導体基板１７は、ｎ型不純物がドープさ
れたSrTiO₃からなり、その段差は、レジストを塗布して
パターニングした後で、Arイオンビームエッチングで深
さ２００nm程度にエッチングすることにより形成され
る。第１と第２の超伝導体層１８，１９は、１００ｎｍ
の膜厚のNb膜がＥＢ蒸着法で堆積される。蒸着による成
膜は、膜の回り込みが少ないので、半導体基板１７の段
差の側面で第１と第２の超伝導体層１８と１９が短絡す
ることはない。

【００３２】このような構成の超伝導ヒューズにおい
て、第１の超伝導体層１８と第２の超伝導体層１９は半
導体基板１７の段差によって所定の間隔で配置されるこ
とになり、その間隔は段差の高さｈと第１の超伝導体層
１８膜厚によって決まる。この段差ｈを小さくすると、
第１と第２の超伝導体層１８と１９に近接効果が生じ、
半導体基板１７の段差の側面部分を介して超伝導電流が
流れる。この近接効果による超伝導電流が臨界電流を越
えると、半導体基板１７の段差の側面部分は常伝導状態
に移行して発熱し、第１と第２の超伝導体層１８と１９
の近接部分が溶融・消失して間隔が広がり、第１と第２
の超伝導体層１８と１９間が高抵抗状態或いは絶縁状態
になる。（第４の実施例の説明）図７は、本発明の第４の実施例
に係る超伝導ヒューズを示す平面図である。

【００３３】絶縁体基板２０上に、第１の超伝導体層２
１と第２の超伝導体層２２とがそれよりも幅の狭い接続
部分２３で接続されている。第１と第２の超伝導体層２
１，２２と接続部分２３は、超伝導材料である厚さ５０
ｎｍのNb膜などを堆積し、第１と第２の超伝導体層２
１，２２の幅ｗ１が５μｍ、接続部分２３の幅ｗ２が１
μｍになるようにパターニングして形成される。

【００３４】このような超伝導ヒューズを液体Heなどで
冷却して電圧を印加したとき、幅の狭い接続部分２３を
流れる超伝導電流密度は、第１の超伝導体層２１から第
２の超伝導体層２２に流れる超伝導電流密度よりも大き
くなる。この場合、接続部分２３の幅は第１と第２の超
伝導体層２１，２２の幅の５分の１なので、接続部分２
３では超伝導電流密度は５倍になる。このため、第１と
第２の超伝導体層２１，２２間を流れる超伝導電流は接
続部分２３で先に臨界電流値に達し、接続部分２３は常
伝導状態になって溶融・消失し、第１と第２の超伝導体
層２１，２２は絶縁状態或いは高抵抗状態になる。

【００３５】このように、超伝導配線の一部に幅の狭い
部分を設けることにより、所定の大きさ以上の超伝導電
流が流れると配線が遮断される超伝導ヒューズとして機
能させることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の超伝導ヒュ
ーズにおいては、半導体層又は常伝導体層上に間隙を挟
んで形成された超伝導体層からなり、それらの超伝導体
層は半導体層等を介して超伝導電流が流れる間隔で配置
されている。従って、超伝導体層間を流れる電流を十分
小さくして、近接効果等による超伝導電流を流す一方、
超伝導体層間に臨界値以上の十分に大きな電流を流すこ
とにより、半導体層等と接している部分の超伝導体層を
溶融・消失させて絶縁状態或いは高抵抗状態とすること
ができる。

【００３７】また、半導体層等に段差を設け、この段差
を介して途切れた超伝導体層を上下段の半導体層上に形
成しても、上記と同じようにヒューズ機能を持たせるこ
とができる。さらに、超伝導電流が流れるような膜厚の
絶縁膜，半導体膜又は常伝導体膜を超伝導体層で挟んで
いるので、超伝導体層間を流れる電流を十分小さくし
て、トンネル効果或いは近接効果等による超伝導電流を
流す一方、超伝導体層間に臨界値以上の十分に大きな電
流を流すことにより、絶縁膜等と接している部分の超伝
導体層を溶融・消失させて絶縁状態或いは高抵抗状態と
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超伝導ヒューズを模式的に示す斜視図
であり、同図（ａ）は超伝導状態、同図（ｂ）は高抵抗
状態を示す。

【図２】本発明の超伝導ヒューズの動作を示す断面図で
あり、同図（ａ）は超伝導状態、同図（ｂ）は高抵抗状
態を示す。

【図３】本発明の超伝導ヒューズの電圧と電流の関係を
示すグラフである。

【図４】本発明の第１の実施例の超伝導ヒューズに係る
構造を示し、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図
（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。

【図５】本発明の第２の実施例に係る超伝導ヒューズの
構造およびその製造方法を示す断面図であり、同図
（ａ）〜（ｄ）は各工程を示す。

【図６】本発明の第３の実施例に係る超伝導ヒューズの
概略的な構造を示す断面図である。

【図７】本発明の第４の実施例に係る超伝導ヒューズの
概略的な構造を示す平面図である。

【符号の説明】

１、１７半導体基板（半導体層）、２、９、１８、２１第１の超電導体層、３、１１、１９、２２第２の超電導体層、４スリット（間隙）、５導電型領域層、６、７端子、８、２０、３４絶縁体基板、１０半導体層、１２、１３、１５レジストマスク、１４、３６層間絶縁膜、１６超伝導配線層、２３接続部分。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体層又は常伝導体層上に少なくとも
２つ以上の超伝導体層が、前記半導体層又は常伝導体層
を介して該超伝導体層間に超伝導電流が流れる間隔をお
いて形成されていることを特徴とする超伝導ヒューズ。
【請求項２】前記半導体層又は常伝導体層は段差を有
し、前記超伝導体層は上及び下の段の前記半導体層又は
常伝導体層上に前記段差を介してそれぞれ形成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の超伝導ヒューズ。
【請求項３】絶縁膜，半導体膜又は常伝導体膜を挟ん
で超伝導体層が形成され、前記絶縁膜，半導体膜又は常
伝導体膜は前記超伝導体層間に超伝導電流が流れる膜厚
となっていることを特徴とする超伝導ヒューズ。
【請求項４】基板上に形成された超伝導体層の幅が一
部で他の部分より狭くなっていることを特徴とする超伝
導ヒューズ。