JPH0964427A

JPH0964427A - 高温超電導ジョセフソン接合の形成方法

Info

Publication number: JPH0964427A
Application number: JP7216928A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Morohashi; 信一諸橋; Yoichi Enomoto; 陽一榎本; Shoji Tanaka; 昭二田中
Original assignee: KOKUSAI CHODENDO SANGYO GIJUTSU KENKYU CENTER; Fujitsu Ltd
Current assignee: KOKUSAI CHODENDO SANGYO GIJUTSU KENKYU CENTER; Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】高温超電導ジョセフソン接合の形成方法に関
し、形成する接合の位置に制約がなく集積化が可能であ
り、且つ、再現性及び均一性のあるＳＮＳジョセフソン
接合を提供する。【解決手段】基板１を大気中に晒すことなく、収束イ
オンビーム３を用いたエッチングと堆積とを連続的に行
うことによって、高温超電導薄膜８／常電導薄膜９／高
温超電導薄膜８構造のジョセフソン接合の常電導体部を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高温超電導ジョセフ
ソン接合の形成方法に関するものであり、特に、ＦＩＢ
（収束イオンビーム）法を用いてエッチング及び堆積を
連続的に行うことによりジョセフソン接合を再現性良く
形成する高温超電導ジョセフソン接合の形成方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液体窒素温度で動作可能な高温超
電導体を用いて各種の電子デバイスを形成することが試
みられており、医療用の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩ
Ｄ）、デジタルデバイス、或いは、高周波デバイスにお
いて、従来の半導体デバイスを凌駕する性能が期待され
ている。

【０００３】このような高温超電導デバイスを実現する
ためには、高温超電導体を用いたジョセフソン接合がキ
ーデバイスとして重要であり、各種の構造及び製造方法
が提案されている。

【０００４】この高温超電導ジョセフソン接合素子の特
徴としては、材料自体が結晶構造に起因してコヒーレンス長（ξ）
が短く、且つ、結晶方位による異方性がある、即ち、二
次元性が強い、及び、結晶粒界がジョセフソン接合している、等の点が挙げ
られる。

【０００５】そのために、Ｎｂ／ＡｌＯ_x−Ａｌ／Ｎｂ
接合を代表とする金属系超電導体を用いる場合と異な
り、超電導体／絶縁体／超電導体（ＳＩＳ）からなる積
層構造によりジョセフソン接合動作をさせることは非常
に困難であるので、超電導体／常電導体／超電導体（Ｓ
ＮＳ）接合を利用したジョセフソン接合素子が各種試み
られている。

【０００６】ここで、図１２（ａ）乃至図１３（ｉ）を
参照して、従来の各種の高温超電導ジョセフソン接合を
説明する。図１２（ａ）参照このジョセフソン接合は、結晶粒界を利用したバイクリ
スタル接合であり、高温超電導薄膜３２を堆積させた互
いに結晶方位の異なるＭｇＯ等の基板３１を張り合わせ
て、張り合わせ部３３の境目にできる結晶粒界を粒界接
合３４として利用したものである。

【０００７】図１２（ｂ）参照このジョセフソン接合は、ステップエッジ接合と呼ばれ
るもので、ＭｇＯ等の基板３１の表面にエッチングによ
り段差部３５を設け、その上に高温超電導薄膜３２を堆
積させた場合に、段差部３５のエッジに結晶成長の基板
の結晶方位依存性により粒界接合３４が形成されるのを
利用したものである。

【０００８】図１２（ｃ）参照次に、互いに近接して配置された超電導薄膜に金属や半
導体のブリッジを設けて近接効果で結合することを利用
したブリッジ接合を説明すると、図１２（ｃ）に示す接
合は、ＭｇＯ等の基板３１上に高温超電導薄膜３２を堆
積させたのち、収束イオンビーム法を用いてスリット３
６を形成し、このスリット３６をＡｕ等の常電導薄膜３
７で覆ってブリッジ接合を形成したものである。

【０００９】図１２（ｄ）参照また、他のブリッジ接合型のジョセフソン接合として
は、ＭｇＯ等の基板３１上にエッチングにより段差部３
８を形成し、その上に高温超電導薄膜３２を堆積させた
場合に段切れによって形成された分離部をＡｕ或いはＡ
ｕ−Ａｇ合金からなる常電導薄膜３７で覆ってジョセフ
ソン接合を形成したものがある。

【００１０】図１２（ｅ）参照さらに、他のブリッジ接合型のジョセフソン接合として
は、ＭｇＯ等の基板３１上に半導体組成のＬａＢａＣｕ
Ｏ（ＬａＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x）膜３９及び高温超電導薄
膜３２を順次堆積させたのち、エッチングによりスリッ
ト３６を形成して半導体組成のＬａＢａＣｕＯ膜３９を
ブリッジとしてジョセフソン接合を形成したものもあ
る。

【００１１】図１３（ｆ）参照次に、バリア層を利用したジョセフソン接合を説明する
と、図１３（ｆ）に示す接合は、ＭｇＯ等の基板３１上
に高温超電導薄膜３２及び絶縁膜４０を堆積させたの
ち、エッチングによって高温超電導薄膜３２及び絶縁膜
４０の一部を除去して段差部３８を形成すると共に、基
板３１の一部を露出させたのち、バリア層４１及び高温
超電導薄膜３２を堆積させて、段差部３８にジョセフソ
ン接合を形成したものである。

【００１２】図１３（ｇ）参照また、他のバリア層を利用したジョセフソン接合として
は、ＭｇＯ等の基板３１上に高温超電導薄膜３２、Ｐｒ
ＢａＣｕＯ（ＰｒＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x）からなるバリア
層４１、及び高温超電導薄膜３２を順次堆積させて平坦
なジョセフソン接合を形成したものもある。

【００１３】図１３（ｈ）参照次に、Ｇａイオンをイオン源とする収束イオンビーム法
を用いたジョセフソン接合を説明すると、図１３（ｈ）
に示す接合は、ＭｇＯ等の基板３１上に高温超電導薄膜
３２を堆積させたのち高温超電導薄膜３２の一部にＧａ
イオンからなる収束イオンビーム４２を照射することに
よって超電導特性を劣化させて劣化層４３を形成して弱
結合部としたものである。

【００１４】図１３（ｉ）参照また、他の収束イオンビーム法を用いたジョセフソン接
合としては、ＭｇＯ等の基板３１上にＡｕ薄膜（図示せ
ず）を堆積させたのち、その一部にＧａイオンからなる
収束イオンビーム（図示せず）を照射することによって
Ａｕ薄膜の一部をエッチング除去すると共に、その下の
基板３１の表面にダメージ層４４を形成し、次いで、残
存するＡｕ薄膜を除去したのち、全面に高温超電導薄膜
３２を堆積したものである。

【００１５】この場合、ダメージ層４４上に堆積した薄
膜は超電導特性が劣化した劣化層４３となり、この劣化
層４３が常電導薄膜となって弱結合部となるものであ
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の高温超電導ジョセフソン接合素子においては各種の
欠点があり、実用化するに至っていないものである。例
えば、バイクリスタル接合の場合には、接合の位置に制
約ができるため集積化が困難であり、デジタル応用に向
けて大規模集積回路装置を構成しようとする場合の障害
となる。

【００１７】また、図１２（ｂ）乃至図１３（ｇ）に示
す他の従来のジョセフソン接合の場合も、大規模集積回
路装置を作製する場合に、フォトリソグラフィー工程に
伴うバラツキ等により、接合に要求される再現性、均一
性は未だ不十分なものであった。

【００１８】また、通常のフォトリソグラフィー工程の
影響をほとんど受けない図１３（ｈ）及び（ｉ）に示し
たジョセフソン接合、特に、図１３（ｉ）に示したジョ
セフソン接合によってアナログ応用に向けた回路作製が
試みられており、一応の成果を挙げているが、常電導領
域の形成原因が必ずしも明らかでないために、どのパラ
メータを制御すれば再現性及び均一性の優れたジョセフ
ソン接合を実現できるのかが必ずしも十分に判っている
とは言えない現状である。

【００１９】例えば、常電導領域の形成原因としては、ＭｇＯ等の基板３１がＧａイオンの局所的照射によっ
てエッチングされて段差が形成されたため、或いは、ＭｇＯ等の基板３１がＧａイオンの局所的照射によっ
て結晶性が劣化し、結果的にその上に堆積する高温超電
導薄膜３２の結晶性が悪くなるため、或いは、ＭｇＯ等の基板３１に注入されたＧａイオンがその上
の高温超電導薄膜３２に固相拡散して高温超電導薄膜３
２の超電導性が劣化したため、等と色々考えられてお
り、常電導領域の形成原因は確定していない。

【００２０】したがって、本発明は形成する接合の位置
に制約がなく集積化が可能であり、且つ、再現性及び均
一性のある高温超電導ＳＮＳ（超電導体／常電導体／超
電導体）ジョセフソン接合を形成することを目的とす
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。（１）本発明は、高温超電導ジョセフソン接合の形成方
法において、基板１を大気中に晒すことなく、収束イオ
ンビームエッチングと収束イオンビーム堆積とを連続的
に行うことによって、超電導体／常電導体／超電導体構
造のジョセフソン接合の常電導体部を形成する工程、及
び、高温超電導薄膜８を堆積する工程とを有することを
特徴とする。

【００２２】この方法の場合には、常電導体領域の形成
原因が明らかであり、且つ、接合の形成位置に制約がな
いので集積化が可能になり、また、通常のフォトリソグ
ラフィー工程に伴うパターニング幅のバラツキの影響を
受けないために接合面積のバラツキをなくすことができ
るので、素子特性の均一性を向上することができる。な
お、この場合の常電導体部を形成する工程とは、直接常
電導体を形成する工程と、常電導体を形成するための下
地層の形成工程を含むものである。

【００２３】（２）また、本発明は、上記（１）におい
て、収束イオンビームエッチング工程が、基板１に堆積
した金膜２をエッチングして開口部４を形成する工程で
あり、また、収束イオンビーム堆積工程が、高温超電導
薄膜８を堆積する工程において開口部４に常電導体を形
成するための下地層となる導電薄膜７または絶縁薄膜を
堆積する工程であることを特徴とする。

【００２４】この場合、導電薄膜７または絶縁薄膜は、
ガス銃５から有機金属ガス６を供給した状態で収束イオ
ンビーム３を開口部４に照射することによって形成さ
れ、また、導電薄膜７上に堆積した高温超電導薄膜８は
その超電導性が劣化するために常電導薄膜９となるの
で、再現性良くＳＮＳ接合を形成することができ、且
つ、その接合面積も開口部４に堆積させた導電薄膜７の
長さＬ、高さＨ、及び、高温超電導薄膜８のパターニン
グ幅によって決定されるために、素子特性の均一性も良
好になる。

【００２５】（３）また、本発明は、上記（２）におい
て、下地層としての導電薄膜７を酸化して、少なくとも
その表面を酸化膜に変換することを特徴とする。

【００２６】この様に、導電薄膜７表面に酸化膜を形成
することによって、その上に堆積する高温超電導薄膜８
の超電導性はさらに劣化して再現性良く常電導薄膜９を
形成することができる。なお、導電薄膜７全体を完全に
酸化膜に変換しても良い。

【００２７】（４）また、本発明は、上記（１）におい
て、収束イオンビームエッチング工程が堆積したのちに
パターニングした高温超電導薄膜８にスリットを形成す
る工程であり、また、収束イオンビーム堆積工程が少な
くともスリットに常電導体となる金属膜を堆積させてブ
リッジを形成する工程であることを特徴とする。

【００２８】この方法の場合には、収束イオンビーム３
によって接合位置及び接合面積が決定され、フォトリソ
グラフィー工程のバラツキの影響を受けないので、集積
度の高い集積回路装置を再現性良く形成することができ
る。

【００２９】（５）また、本発明は、上記（４）におい
て、高温超電導薄膜８をｃ軸配向で成膜することによっ
て、高温超電導薄膜８のａｂ面と金属膜とが結合するよ
うにしたことを特徴とする。

【００３０】この様に、基板１上に堆積させる高温超電
導薄膜８をｃ軸配向で成膜することによって、コヒーレ
ンス長の異方性の強い高温超電導薄膜８を用いた場合に
も、ｃ軸と略直交するコヒーレンス長の大きな方向を電
流通路とすることができるので、素子特性が良好にな
る。

【００３１】（６）また、本発明は、上記（４）または
（５）において、接合形成部における高温超電導薄膜８
の電流通路に略直交する方向のパターニング幅Ｗ₀、電
流通路に略直交する方向のスリットの幅Ｗ₁及び電流通
路に略平行な方向のスリットの長さＬ₁、電流通路に略
直交する方向の金属膜の幅Ｗ₂及び電流通路に略平行な
方向の金属膜の長さＬ₂を、Ｗ₁＞Ｗ₀＞Ｗ₂、且つ、
Ｌ₁≦Ｌ₂としたことを特徴とする。

【００３２】この場合のジョセフソン接合の接合面積
は、Ｗ₂×Ｌ₁で実質的に決定されるために、フォトリ
ソグラフィー工程によるパターニング幅Ｗ₀の影響を全
く受けないことになる。

【００３３】（７）また、本発明は、上記（６）におい
て、Ｌ₁＝Ｌ₂にすると共に、高温超電導薄膜８の厚さ
Ｈ₀と金属膜の厚さＨ₂との関係をＨ₀＞Ｈ₂としたこ
とを特徴とする。

【００３４】このように、Ｈ₀＞Ｈ₂とすることによっ
て、ジョセフソン接合の接合面積は、高温超電導薄膜８
のパターニング幅Ｗ₀に依存することなく、スリットの
形状に依存して決定されることになるので、フォトリソ
グラフィー工程に伴うバラツキの影響を受けることがな
くなる。

【００３５】

【発明の実施の形態】図２及び図３を参照して本発明の
第１の実施の形態である段差型ＳＮＳジョセフソン接合
の形成工程を説明する。図２（ａ）参照先ず、（１００）面を主面とするＭｇＯ基板１１上に、
収束イオンビーム工程における帯電防止膜となる厚さ１
０〜２００ｎｍ、好適には、１００ｎｍのＡｕ薄膜１２
を堆積させる。

【００３６】図２（ｂ）参照次いで、収束イオンビーム装置において、加速電圧３０
ｋＶ、ビーム電流１１０ｐＡの条件でＧａをイオン源と
した収束Ｇａイオンビーム１３を照射してエッチングす
ることによって、間隔、即ち、長さがＬ₁で幅がＷ₁の
開口部１４を形成する。なお、エッチング時間は、Ａｕ
薄膜１２の厚さにもよるが１００〜１０００秒程度であ
る。

【００３７】図２（ｃ）参照次いで、引き続き、ｉｎ−ｓｉｔｕで、即ち、ＭｇＯ基
板１１を大気に晒すことなく連続して、ガス銃１５より
有機金属ガスとしてＷ（ＣＯ）₆ガス１６を開口部１４
近傍に局所的に供給した状態で、開口部１４に加速電圧
３０ｋＶ、ビーム電流１１０ｐＡの条件で収束Ｇａイオ
ンビーム１３を照射することによって、厚さ１〜１００
ｎｍ、好適には３０ｎｍのＷ薄膜１７を堆積させる。

【００３８】この場合、収束Ｇａイオンビーム１３の照
射箇所を制御することによって、Ｗ薄膜１７のパターン
形状を幅Ｗ₂＝Ｗ₁、長さＬ₂＝Ｌ₁とする。

【００３９】なお、この有機金属ガスはＷ（ＣＯ）₆ガ
ス１６に限られるものではなく、ＭｏＷ（ＣＯ）₆を用
いてＭｏを、Ｐｔ（ＣＯ）₂Ｃｌ₂を用いてＰｔを、或
いは、Ａｌ（Ｃ₂Ｈ₅）₃を用いてＡｌを堆積させても
良いし、また、各種のアセチルアセトネートを用いて各
種の導電薄膜を堆積させても良い。さらには、導電薄膜
ではなくＡｌ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃を用いてＡｌ₂Ｏ₃等の
絶縁層を堆積させても良い。

【００４０】図３（ｄ）参照次いで、収束イオンビーム装置から取り出したのち、引
き出し電圧を１５０〜３５０Ｖ、好適には２５０Ｖ、Ａ
ｒ圧力を０．１〜１．０Ｐａ、好適には０．２Ｐａとし
た条件のＡｒイオンを用いたイオンミリング法によって
残りのＡｕ薄膜１２を選択的に全て除去する。なお、引
き出し電圧が高すぎると、ＡｕとＷとのエッチングの選
択性がなくなる。

【００４１】図３（ｅ）参照次いで、スパッタ法を用いてＭｇＯ基板１１全面にＮｄ
ＢａＣｕＯ（ＮｄＢａ ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x）薄膜を５０〜２
００ｎｍ、好適には１００ｎｍ堆積させることによっ
て、ＭｇＯ基板１１表面に超電導ＮｄＢａＣｕＯ薄膜１
８を、また、Ｗ薄膜１７上には常電導ＮｄＢａＣｕＯ薄
膜１９を形成する。

【００４２】次いで、フォトレジストマスク（図示せ
ず）を用いて、引き出し電圧を３５０〜５００Ｖ、好適
には４５０Ｖ、Ａｒ圧力を０．１〜１．０Ｐａ、好適に
は０．２Ｐａとした条件のＡｒイオンミリングによって
接合部の幅がＷ₀となるようにパターニングすることに
よって、超電導ＮｄＢａＣｕＯ薄膜１８／常電導ＮｄＢ
ａＣｕＯ薄膜１９／超電導ＮｄＢａＣｕＯ薄膜１８から
なる段差型ＳＮＳジョセフソン接合が形成される。

【００４３】ここで、図４を参照して、第１の実施の形
態によって得られたジョセフソン接合の特性を説明す
る。なお、図４（ａ）は、実際に形成した段差型ＳＮＳ
ジョセフソン接合のＳＮＳ接合近傍の顕微鏡写真を模写
した図であり、図４（ｂ）は、４．２°ＫにおけるＩ−
Ｖ特性図であり、また、図４（ｃ）は、このジョセフソ
ン接合にマイクロ波を照射した場合のシャピロステップ
を示すものである。

【００４４】図４（ａ）参照実際に形成した段差型ＳＮＳジョセフソン接合の幅Ｗ₀
は約５μｍであり、開口部１４の長さＬ₁は約０．２μ
ｍとなり、幅Ｗ₁は約２０μｍであり、高温超電導薄膜
パターンに対する開口部、即ち、常電導ＮｄＢａＣｕＯ
薄膜１９の形成位置は高温超電導薄膜パターン精度に依
存することになり、したがって、幅Ｗ₀の寸法精度に依
存して接合面積に多少のバラツキが生ずることになる。

【００４５】図４（ｂ）参照この素子のＩ−Ｖ特性は、図から明らかなように磁束フ
ロートランジスタと同様のフラックスフロー（Ｆｌｕｘ
ｆｌｏｗ）型の特性を示しており、０μＶにおいて約
１．３ｍＡの臨界電流が流れ、この臨界電流は、Ｗ薄膜
１７の長さＬ₂、膜厚Ｈ₂、ＮｄＢａＣｕＯ薄膜の幅Ｗ
₀で制御することができる。

【００４６】図４（ｃ）参照また、この素子にマイクロ波を照射した場合に、図に示
すように約４５μＶ毎に約０．０９ｍＡだけ電流が階段
上に変化するシャピロステップを示し、これらの結果か
らＳＮＳ接合が形成されていることが明らかである。

【００４７】このように、第１の実施の形態において
は、ＭｇＯ基板１１上に堆積するＮｄＢａＣｕＯ薄膜を
超電導体とし、Ｗ薄膜１７上に堆積するＮｄＢａＣｕＯ
薄膜を常電導体としているので、Ｎ領域の形成原因が明
確で製造工程に不確的要素が存在しないことになり、ジ
ョセフソン接合を再現性良く形成することができる。

【００４８】なお、高温超電導薄膜の堆積工程は酸化性
雰囲気中で行うので、Ｗ薄膜１７が酸化されて表面に酸
化膜が形成されている可能性があり、或いは、Ｗ薄膜１
７と超電導ＮｄＢａＣｕＯ薄膜１８とが十分に接してい
ない可能性もあるので、Ｗ薄膜１７を常電導薄膜とする
ＳＮＳ構造は形成されていないと考えられる。

【００４９】また、ジョセフソン接合を形成する位置に
ついても特別の制約はなく、この様なジョセフソン接合
を用いて大規模集積回路装置を構成する際に、特別の障
碍がなくなる。

【００５０】さらに、ｉｎ−ｓｉｔｕで収束イオンビー
ムエッチング及び収束イオンビーム堆積を行うことによ
って、ＳＮＳ構造のＮ領域を形成しているので、通常の
フォトリソグラフィー工程に伴うパターンのズレ及びバ
ラツキの影響をほとんど受けることがなく、再現性及び
均一性を良好にすることができる。

【００５１】次に、第５図を参照して、第１の実施の形
態の変形例である本発明の第２の実施の形態の形成工程
を説明する。なお、本発明の第２の実施の形態の形成工
程は第１の実施の形態と途中までは同じ工程であるの
で、図３（ｄ）以降の形成工程を説明する。

【００５２】図５（ａ）参照先ず、第１の実施の形態と同様の工程によって、ＭｇＯ
基板１１上に、Ｗ薄膜１７からなるパターンを形成した
のち、酸化性雰囲気中で熱処理することによって、Ｗ薄
膜１７の表面に厚さ１０ｎｍ程度の薄い酸化膜２０を形
成する。なお、この場合、Ｗ薄膜１７を全て酸化して酸
化膜にしても良い。

【００５３】図５（ｂ）参照次いで、第１の実施の形態と同様に、スパッタ法を用い
てＭｇＯ基板１１全面にＮｄＢａＣｕＯ薄膜を５０〜２
００ｎｍ、好適には１００ｎｍ堆積させることによっ
て、ＭｇＯ基板１１表面に超電導ＮｄＢａＣｕＯ薄膜１
８を、また、酸化膜２０上には常電導ＮｄＢａＣｕＯ薄
膜１９を形成する。

【００５４】次いで、フォトレジストマスク（図示せ
ず）を用いて、引き出し電圧４５０Ｖ、Ａｒ圧力を０．
２Ｐａとした条件のＡｒイオンミリングによってパター
ニングすることによって、超電導ＮｄＢａＣｕＯ薄膜１
８／常電導ＮｄＢａＣｕＯ薄膜１９／超電導ＮｄＢａＣ
ｕＯ薄膜１８からなる段差型ＳＮＳジョセフソン接合が
形成される。

【００５５】この第２の実施の形態においても、第１の
実施の形態と同様の効果が得られるものであり、むし
ろ、Ｗ薄膜１７の少なくとも表面を酸化することによっ
て、ＷがＮｄＢａＣｕＯ薄膜に固相拡散して影響を与え
ることがなくなるので、Ｎ領域を安定に形成されること
が期待される。

【００５６】次に、図６及び図７を参照して、本発明の
第３の実施の形態であるブリッジ型ＳＮＳジョセフソン
接合の形成工程を説明する。図６（ａ）参照先ず、（１００）面を主面とするＭｇＯ基板１１上に、
スパッタ法によって厚さＨ₀が１０〜１００ｎｍ、好適
には、５０ｎｍの超電導特性を有するＹＢＣＯ（ＹＢａ
₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x）薄膜２１を堆積させる。

【００５７】この場合、ＹＢＣＯ薄膜２１はｃ軸配向で
成膜するものであり、その結果、電流はコヒーレンス長
の短いｃ軸ではなく、ｃ軸に略直交するａｂ軸方向に流
れることになる。

【００５８】図６（ｂ）参照次いで、引き出し電圧４５０Ｖ、Ａｒ圧力０．２Ｐａの
条件でＡｒイオンミリング法によりＹＢＣＯ薄膜２１を
パターニングすることによって、接合形成部の幅Ｗ₀を
５μｍとしたパターンを形成する。

【００５９】図６（ｃ）及び（ｄ）参照次いで、帯電防止のために全面に厚さ１０〜１００ｎｍ
のＡｕ薄膜２２を堆積させたのち、収束イオンビーム装
置において、加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流１１０ｐＡ
の条件で収束Ｇａイオンビームを照射することによって
Ａｕ薄膜２２及びＹＢＣＯ薄膜２１の一部をエッチング
して幅Ｗ₁が１〜１０μｍ、好適には５μｍで、長さＬ
₁０．０１〜０．５μｍ、好適には０．０１μｍのスリ
ット２３を形成する。なお、図６（ｃ）は図６（ｄ）の
Ａ−Ａ’を結ぶ一点鎖線における断面図である。

【００６０】図７（ｅ）及び（ｆ）参照次いで、ｉｎ−ｓｉｔｕでガス銃（図示せず）よりＷ
（ＣＯ）₆ガスをスリット２３近傍に供給すると共に、
加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流１１０ｐＡの条件で収束
Ｇａイオンビームを照射することによってスリット２３
内部に、厚さＨ₂、幅Ｗ₂、及び、長さＬ₂のＷ膜２４
を堆積してＳＮＳ構造のＮ領域を形成する。

【００６１】なお、図７（ｅ）は図７（ｆ）のＡ−Ａ’
を結ぶ一点鎖線における断面図であり、厚さＨ₂は１０
〜１００ｎｍ、好適には５０ｎｍ、幅Ｗ₂は０．１〜７
μｍ、好適には３μｍ、及び、長さＬ₂は０．０１〜
０．５μｍ、好適には０．０１μｍである。したがっ
て、Ｗ₁＞Ｗ₀＞Ｗ₂、及び、Ｌ₁＝Ｌ₂となる。

【００６２】図７（ｇ）及び（ｈ）参照次いで、収束イオンビーム装置から取り出したのち、Ａ
ｕとＹＢＣＯとの選択比を利用して、引き出し電圧を１
５０〜３００Ｖ、好適には２００Ｖ、及び、Ａｒ圧力を
０．２Ｐａとした条件のＡｒイオンミリング法により帯
電防止膜として設けたＡｕ薄膜２２をパターニングする
ことによって、Ａｕ電極２５を形成してブリッジ型ＳＮ
Ｓジョセフソン接合が完成する。なお、図７（ｇ）は図
７（ｈ）のＡ−Ａ’を結ぶ一点鎖線における断面図であ
る。

【００６３】ここで、図８を参照して、第３の実施の形
態によって得られたブリッジ型ＳＮＳジョセフソン接合
の特性を説明する。なお、図８（ａ）は、実際に形成し
たブリッジ型ＳＮＳジョセフソン接合のＮ領域近傍の顕
微鏡写真を模写した図であり、また、図８（ｂ）は、
４．２°ＫにおけるＩ−Ｖ特性図である。

【００６４】図８（ａ）参照実際に形成した段差型ＳＮＳジョセフソン接合の幅Ｗ₀
は約５μｍであり、スリット２３の長さＬ₁は０．２μ
ｍで幅Ｗ₁は１５μｍとなり、また、Ｗ膜２４の長さＬ
₂はＬ₁と同じ０．２μｍであり、幅Ｗ₂は３μｍであ
る。

【００６５】図８（ｂ）参照この素子のＩ−Ｖ特性は、図から明らかなように高抵抗
な振る舞いを示しており、この原因はＬ₁＝Ｌ₂＝０．
２μｍでは近接長としては大きすぎ充分な近接効果が得
られないためであると考えられ、例えば、Ｌ₁＝Ｌ₂＝
０．０１〜０．０５μｍ程度に加工すれば、Ｌ₂が常電
導薄膜であるＷ膜２４のコヒーレンス長（ξ_N）と同程
度になるため、良好な特性が得られるものと期待され
る。

【００６６】このように、第２の実施の形態において
は、ＹＢＣＯ薄膜２１を分離するスリット２３内に堆積
させたＷ膜２４を常電導体としているので、Ｎ領域の形
成原因が明確であり、製造工程に不確的要素が存在しな
いことになり、ジョセフソン接合を再現性良く形成する
ことができる。

【００６７】また、ジョセフソン接合を形成する位置に
ついても特別の制約はなく、この様なジョセフソン接合
を用いて大規模集積回路装置を構成する際に、特別の障
碍がなくなる。

【００６８】さらに、この場合の接合面積は、ＹＢＣＯ
薄膜２１のパターニング幅Ｗ₀に依存せずにＷ₂×
Ｌ₂、即ち、Ｗ₂×Ｌ₁で決定され、このＷ₂，Ｌ₁は
収束イオンビームエッチング及び収束イオンビーム堆積
によって決定されるので、通常のフォトリソグラフィー
工程に伴うパターンのズレ或いはバラツキの影響を受け
ることがなく、素子の特性の再現性及び均一性を良好に
することができる。

【００６９】次に、図９を参照して、第３の実施の形態
の変形である本発明の第４の実施の形態を説明する。な
お、図９（ａ）は図９（ｂ）のＡ−Ａ’を結ぶ一点鎖線
における断面図である。

【００７０】図９（ａ）及び（ｂ）参照この第４の実施の形態の基本的構成は第３の実施の形態
と同様であり、違いは、収束イオンビームを用いたＷ膜
２４の堆積工程においてＷ膜２４の長さＬ₂をスリット
２３の長さＬ₁を越えてＹＢＣＯ薄膜２１表面上にも延
在させるように設けた点にあり、Ｗ膜２４の堆積に先立
って、スリット２３近傍のＡｕ薄膜２２を除去しておく
ものである。

【００７１】この様なジョセフソン接合においては、Ｙ
ＢＣＯ薄膜２１の異方性によって、ｃ軸と略直交するａ
ｂ面を介して電流が主に流れることになり、この第４の
実施の形態のようにＬ₂＞Ｌ₁となる場合にも、実質的
な接合面積はＷ₂×Ｌ₁になると考えられるが、ＹＢＣ
Ｏ薄膜２１をパターニングする際に大気中に晒されるこ
とになり、ＹＢＣＯ薄膜２１の表面が劣化して超電導特
性を妨げるバリアが形成される可能性があり、この場合
にＬ₁より長いＬ₂のＹＢＣＯ薄膜２１表面上に延在す
る部分はバイパス的に機能することが期待され、確実な
素子動作を実現することができる。

【００７２】次に、図１０を参照して、第４の実施の形
態の変形である本発明の第５の実施の形態を説明する。
なお、図１０（ａ）は図１０（ｂ）のＡ−Ａ’を結ぶ一
点鎖線における断面図である。

【００７３】図１０（ａ）及び（ｂ）参照この第５の実施の形態の基本的構成は第４の実施の形態
と同様であり、違いは、収束イオンビームを用いたＷ膜
２４の堆積工程においてＡｕ薄膜２２を除去せずにＡｕ
薄膜２２上の一部にもＷ膜２４を堆積させるものであ
り、第４の実施の形態と同様に、ＹＢＣＯ薄膜２１の表
面の劣化に対するバイパスとして働くことが期待され
る。

【００７４】次に、図１１を参照して、第３の実施の形
態の変形である本発明の第６の実施の形態を説明する。図１１（ａ）参照先ず、（１００）面を主面とするＭｇＯ基板１１上に、
スパッタ法によって厚さが１０〜１００ｎｍ、好適に
は、７５ｎｍの超電導特性を有するＹＢＣＯ薄膜２１を
堆積させたのち、全面に厚さ１０〜１００ｎｍ、好適に
は３０ｎｍのＡｕ薄膜２２を堆積させる。

【００７５】図１１（ｂ）参照次いで、収束イオンビーム装置において、加速電圧３０
ｋＶ、ビーム電流１１０ｐＡの条件で収束Ｇａイオンビ
ームを照射することによってＡｕ薄膜２２及びＹＢＣＯ
薄膜２１の一部をエッチングすることによって幅Ｗ₁が
３μｍで長さＬ ₁が０．０１μｍのスリット２３を形成
する。

【００７６】図１１（ｃ）参照次いで、ｉｎ−ｓｉｔｕでガス銃（図示せず）よりＷ
（ＣＯ）₆ガスをスリット２３近傍に供給すると共に、
加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流１１０ｐＡの条件で収束
Ｇａイオンビームを照射することによってスリット２３
内部に、厚さ５０ｎｍ、幅Ｗ₂が３μｍ、及び、長さＬ
₂が０．０１μｍのＷ膜２４を堆積してＳＮＳ構造のＮ
領域を形成する。

【００７７】図１１（ｄ）参照次いで、収束イオンビーム装置から取り出したのち、Ａ
ｕとＹＢＣＯとの選択比を利用して、フォトレジストマ
スク（図示せず）を用いて引き出し電圧３５０Ｖ、Ａｒ
圧力０．２Ｐａの条件でＡｒイオンミリング法により帯
電防止膜として設けたＡｕ薄膜２２をパターニングする
ことによってＡｕ電極２５を形成したのち、新たなフォ
トレジストマスク（図示せず）を用いて引き出し電圧４
５０Ｖ、Ａｒ圧力０．２Ｐａの条件でＡｒイオンミリン
グ法によりＹＢＣＯ薄膜２１をパターニングすることに
よって、接合形成部の幅Ｗ₀を５μｍとしたパターンを
形成してブリッジ型ＳＮＳジョセフソン接合が完成す
る。

【００７８】なお、この第６の実施の形態においては、
Ｌ₂＝Ｌ₁且つＨ₀＞Ｈ₂であるものの、第４及び第５
の実施の形態のようにＬ₂＞Ｌ₁且つＨ₀＜Ｈ₂にして
も良く、その場合には、第４の実施の形態のようにスリ
ット２３近傍のＡｕ薄膜２２をあらかじめ除去しても良
いし、また、第５の実施の形態のようにＷ膜２４の下に
Ａｕ薄膜２２を残存させても良い。

【００７９】この第６の実施の形態におけるＡｕ薄膜２
２は、帯電防止の機能以外に、ＹＢＣＯ薄膜２１のパタ
ーニング工程における表面の酸化防止膜としても機能す
るので、ＹＢＣＯ薄膜２１とＷ薄膜２４とのＳＮＳ接合
特性を良好にすることができるので、素子動作を確実に
することができるものである。

【００８０】なお、第３の実施の形態においては、高温
超電導薄膜をｃ軸配向で成膜しているが、第１の実施の
形態を含めた他の実施の形態においても高温超電導薄膜
はｃ軸配向で成膜するものである。

【００８１】また、上記の実施の形態の説明において
は、高温超電導体として、ＮｄＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x或い
はＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-xで説明しているが、ビスマス系
等の他の高温超電導体を用いても良く、また、有機金属
ガスとしても、Ｗ（ＣＯ）₆以外に、Ｍｏ（ＣＯ）₆、
Ｐｔ（ＣＯ）₂Ｃｌ₂、或いは、Ａｌ（Ｃ₂Ｈ₅）₃を
用いても良い。

【００８２】また、上記の各実施の形態においては、基
板として（１００）面のＭｇＯ基板１１を用いている
が、（１００）面に限られるものでなく、また、ＭｇＯ
以外の他のＳｒＴｉＯ₃等の基板を用いても良い。

【００８３】また、上記各実施の形態においては、収束
イオンビームとしてＧａイオンを用いているがＧａイオ
ンに限られるものではなく、Ｃｌイオン等の他のイオン
を用いても良く、さらに、Ａｒイオンミーリング工程は
他のエッチング工程に置き換えても良いものである。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば、ｉｎ−ｓｉｔｕで連続
して収束イオンビームエッチングと収束イオンビーム堆
積を行うことによってＳＮＳ接合のＮ領域の加工・形成
を行っているのでＮ領域の形成原因が明確であり、ま
た、ジョセフソン接合の形成位置に制約がなく高集積化
が可能であり、さらに、接合位置及び接合面積はフォト
リソグラフィー工程に伴うパターンのズレ、或いは、バ
ラツキの影響を受けることがないので再現性及び均一性
が向上し、デジタル応用の大規模集積回路装置の実現に
大いに寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の途中までの工程の
説明図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態の図２以降の工程の
説明図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態の素子の特性の説明
図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態の主要な工程の説明
図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態の途中までの工程の
説明図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態の図６以降の工程の
説明図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態の素子の特性の説明
図である。

【図９】本発明の第４の実施の形態の説明図である。

【図１０】本発明の第５の実施の形態の説明図である。

【図１１】本発明の第６の実施の形態の工程の説明図で
ある。

【図１２】従来の高温超電導ジョセフソン接合の説明図
である。

【図１３】従来の他の高温超電導ジョセフソン接合の説
明図である。

【符号の説明】

１基板２金膜３収束イオンビーム４開口部５ガス銃６有機金属ガス７導電薄膜８高温超電導薄膜９常電導薄膜１１ＭｇＯ基板１２Ａｕ薄膜１３収束Ｇａイオンビーム１４開口部１５ガス銃１６Ｗ（ＣＯ）₆ガス１７Ｗ薄膜１８超電導ＮｄＢａＣｕＯ膜１９常電導ＮｄＢａＣｕＯ膜２０酸化膜２１ＹＢＣＯ膜２２Ａｕ薄膜２３スリット２４Ｗ膜２５Ａｕ電極３１基板３２高温超電導薄膜３３張り合わせ部３４粒界接合３５段差部３６スリット３７常電導薄膜３８段差部３９ＬａＢａＣｕＯ膜４０絶縁膜４１バリア層４２収束イオンビーム４３劣化層４４ダメージ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者榎本陽一東京都江東区東雲１−14−３財団法人国際超電導産業技術研究センター超電導工学研究所内 (72)発明者田中昭二東京都江東区東雲１−14−３財団法人国際超電導産業技術研究センター超電導工学研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を大気中に晒すことなく、収束イオ
ンビームエッチングと収束イオンビーム堆積とを連続的
に行うことによって、超電導体／常電導体／超電導体構
造のジョセフソン接合の常電導体部を形成する工程、及
び、高温超電導薄膜を堆積する工程とを有することを特
徴とする高温超電導ジョセフソン接合の形成方法。
【請求項２】上記収束イオンビームエッチング工程
が、上記基板に堆積したＡｕ膜をエッチングして開口部
を形成する工程であり、また、上記収束イオンビーム堆
積工程が、上記高温超電導薄膜を堆積する工程において
前記開口部に常電導体を形成するための下地層となる金
属層または絶縁層を堆積する工程であることを特徴とす
る請求項１記載の高温超電導ジョセフソン接合の形成方
法。
【請求項３】上記下地層が金属層であり、前記金属層
を酸化して少なくとも前記金属層の表面を酸化膜に変換
することを特徴とする請求項２記載の高温超電導ジョセ
フソン接合の形成方法。
【請求項４】上記収束イオンビームエッチング工程
が、堆積したのちにパターニングした上記高温超電導薄
膜にスリットを形成する工程であり、また、上記収束イ
オンビーム堆積工程が少なくとも前記スリットに常電導
体となる金属膜を堆積させてブリッジを形成する工程で
あることを特徴とする請求項１記載の高温超電導ジョセ
フソン接合の形成方法。
【請求項５】上記高温超電導薄膜をｃ軸配向で成膜
し、高温超電導薄膜８のａｂ面と金属膜とが結合するよ
うにしたことを特徴とする請求項４記載の高温超電導ジ
ョセフソン接合の形成方法。
【請求項６】上記高温超電導薄膜の接合形成部におけ
る電流通路に直交する方向のパターニング幅Ｗ₀、前記
電流通路に直交する方向の上記スリットの幅Ｗ₁及び前
記電流通路に平行な方向の前記スリットの長さＬ₁、前
記電流通路に直交する方向の上記金属膜の幅Ｗ₂及び前
記電流通路に平行な方向の前記金属膜の長さＬ₂の関係
を、Ｗ₁＞Ｗ₀＞Ｗ₂、且つ、Ｌ₁≦Ｌ₂としたことを
特徴とする請求項４または５に記載の高温超電導ジョセ
フソン接合の形成方法。
【請求項７】上記スリットの長さＬ₁及び上記金属膜
の長さＬ₂の関係をＬ₁＝Ｌ₂にすると共に、高温超電
導薄膜の厚さＨ₀と金属膜の厚さＨ₂との関係をＨ₀＞
Ｈ₂としたことを特徴とする請求項６記載の高温超電導
ジョセフソン接合の形成方法。