JPH1074989A - 超電導構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 下側の酸化物超電導体層による界面の構造的
な安定性、ひいては電気特性等の物性の安定性を高める
ことによって、素子特性およびその再現性等の向上を図
る。 【解決手段】 下部超電導電極２、非超電導酸化物から
なる非超電導層４、および上部超電導電極５を順に積層
した積層膜を具備する超電導素子等の超電導構造体にお
いて、接合部分の下側に位置する下部超電導電極２を構
成する酸化物超電導体に、上側に位置する上部超電導電
極５を構成する酸化物超電導体より分解反応開始温度が
高い物質を用いる。例えば、下部超電導電極２にＮｄＢ
ａ₂ Ｃｕ₃Ｏ₇ 系を用い、上部超電導電極５にＹＢａ₂
Ｃｕ₃ Ｏ₇ 系を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の酸化物超電
導体層と非超電導酸化物層との積層膜を具備する超電導
構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】酸化物超電導体は、ジョセフソン接合素
子、超電導トランジスタ、ＬＳＩ配線等への応用が期待
されている。これらを実現するためには、酸化物超電導
体薄膜を多層積層化することが不可欠である。例えばジ
ョセフソン接合素子においては、非超電導層を介して少
なくとも 2層の酸化物超電導体層を積層形成し、酸化物
超電導体層と非超電導層との接合が形成される。このよ
うな酸化物超電導体層の多層積層構造を有する超電導素
子を作製するにあたっては、多層積層化後あるいはその
途中で各種の加工プロセスを経るが、従来の薄膜形成技
術や加工プロセス技術では以下に示すような問題があっ
た。

【０００３】すなわち、酸化物超電導体としては、ＲＥ
−Βａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥはＹおよびランタナイド元素
（ただしＲＥが全てＰｒである場合を除く）を示す）
系、Βｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ
−Ｃｕ−Ｏ系、（Βａ，Ｋ）ΒｉＯ₃ 系等が用いられて
いる。また、成膜方法としては、スパッタ法、レーザー
アブレーション法、ΜΒＥ法、ΜＯＣＶＤ法等があり、
いずれの場合も基板としてはＳｒＴｉＯ₃ 、ΜｇＯ、Ｎ
ｄＧａＯ₃ 、ＬａＡｌＯ₃ 、ＹＳΖ等を用いるのが一般
的である。

【０００４】上述したような方法で酸化物超電導体層と
非超電導層との接合を形成する場合、まず下部超電導電
極と必要に応じて層間絶縁膜等を形成する。多くの場合
これを室温に冷却して大気中に取り出した後、電極部分
に加工プロセスを施す必要がある。加工プロセスとして
は、通常のフォトリソグラフィーを用いて、イオンミリ
ング等により電極部分にドライエッチングを施したり、
液体のエッチャントを用いてウエットエッチングを施し
たり、あるいはプラズマによる表面処理等を施すことが
一般的である。そして、これらのプロセスを経た後、さ
らに非超電導層および上部超電導電極等を形成するため
に、再度成膜チャンバー内に導入して加熱および成膜プ
ロセスを経ることになる。

【０００５】この際、例えばドライエッチングプロセス
を経た下部超電導電極の表層部分は、Ａｒイオン等によ
る照射ダメージを受けており、非超電導層を形成する以
前に劣化している。従って、その後の加熱および成膜プ
ロセスによって、下部超電導電極の表層部分は不安定に
なると共に劣化が促進されるため、酸化物超電導体層と
非超電導層との界面の平坦性、格子整合性、急峻性、電
気特性等の物性が低下するという問題があった。

【０００６】また、加工プロセス時に使用する有機溶剤
やエッチャント液等が酸化物超電導体層表面に吸着して
いる状態、さらには大気中への取出し等に伴って水分子
等の外来物質が酸化物超電導体層表面に吸着している状
態で、その後の加熱プロセスを経ると、酸化物超電導体
とそれらの分子との反応が起こり、酸化物超電導体表面
の劣化を促進していた。この表面汚染に伴う酸化物超電
導体表面の劣化も、酸化物超電導体層と非超電導層との
界面の平坦性、格子整合性、急峻性、電気特性等の物性
に悪影響を及ぼしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の酸化物超電導体層と非超電導層との多層積層構造を有
する超電導素子においては、多段階の成膜プロセスや加
工プロセスが、接合部分において特に重要な酸化物超電
導体層と非超電導層との界面構造や電気特性等の物性に
悪影響を及ぼし、結果として素子特性の低下や特性の再
現性の低下等を招いていた。このような問題は超電導素
子に限らず、例えば超電導グランドプレーン上に非超電
導層を介して形成された超電導配線等においても同様で
ある。

【０００８】上記した界面の問題を解決するためには、
特に非超電導層を形成する直前に、下側の酸化物超電導
体層表面における外来物質との反応や超電導相自体の分
解反応等を抑制することが有効であると考えられる。特
に、高温での成膜プロセスを必要とする酸化物超電導体
を用いた超電導構造体においては、界面を形成する直前
の酸化物超電導体層表面の高温での構造的安定性を確保
することが基本的に重要である。

【０００９】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、下側の酸化物超電導体層による界面
の構造的な安定性、ひいては電気特性等の物性の安定性
を高めることによって、特性およびその再現性を向上さ
せることを可能にした超電導構造体を提供することを目
的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の超電導構造体
は、請求項１に記載したように、複数の酸化物超電導体
層と、前記複数の酸化物超電導体層間に介在された非超
電導酸化物層との積層膜を具備する超電導構造体におい
て、前記非超電導酸化物層を介して配置された前記複数
の酸化物超電導体層のうち、下側に位置する酸化物超電
導体層を構成する物質は、上側に位置する酸化物超電導
体層を構成する物質より高い分解反応開始温度を有する
ことを特徴としている。

【００１１】本発明の超電導構造体は、例えば請求項２
記載したように、前記酸化物超電導体層が、実質的にＲ
ＥＡＥ₂ Μ₃ Ｏ_y （ＲＥはＹおよびランタナイド元素か
ら選ばれる少なくとも 1種の元素を、ＡＥはＣａ、Ｂａ
およびＳｒから選ばれる少なくとも 1種の元素を、Μは
70%以上の比率でＣｕを含む遷移金属元素を示し、 yは
6.2≦ y≦ 7.5を満足する数である）で表される組成を
有する酸化物超電導体からなるものである。

【００１２】ＹΒＣＯに代表される酸化物超電導体を用
いた超電導素子等の超電導構造体においてはｃ軸配向膜
が頻繁に利用されており、良質のｃ軸配向膜の形成温度
はその物質固有の融点あるいは分解温度（以下、分解反
応開始温度と記す）より数100K程度低い温度である場合
が一般的である。また、良質の膜を形成するための最低
温度は、分解反応開始温度が上昇するに従って上昇する
傾向がある。

【００１３】本発明はこの性質を利用し、非超電導酸化
物層を作製する直前に表面を露出している酸化物超電導
体層、すなわち非超電導酸化物層を介して配置された複
数の酸化物超電導体層のうち下側に位置する酸化物超電
導体層に、非超電導酸化物層より後に形成された酸化物
超電導体層、すなわち上側に位置する酸化物超電導体層
より分解反応開始温度が高い物質を使用することによっ
て、下側に位置する酸化物超電導体層の分解反応開始温
度が、後から形成する上側の酸化物超電導体層の形成温
度に対して十分な差を持つようにしている。これによっ
て、下側に位置する酸化物超電導体層表面の不安定性が
抑制されることを利用して、非超電導酸化物層作製直前
における下側に位置する酸化物超電導体層超電導層の表
面の安定性を確保することを可能にしている。

【００１４】特に、請求項２に記載したように、いわゆ
る１２３構造を持つ酸化物超電導体においては、金属イ
オンの種類を変化させることで、分解反応開始温度を変
化させることができる。この性質を積極的に利用するこ
とで、上述した酸化物超電導体層と非超電導酸化物層と
の界面の不安定性を具体的に抑制することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００１６】図１は、本発明の超電導構造体をジョセフ
ソン接合素子の一例であるエッジ型接合素子に適用した
一実施形態の構成を模式的に示す図である。同図におい
て、１は基板であり、この基板１上には下部超電導電極
２として酸化物超電導体層が形成されている。

【００１７】酸化物超電導体層からなる下部超電導電極
２は、基板面１ａに対して角度αで傾斜された端面（傾
斜端面）２ａを有している。このような傾斜端面２ａ
は、例えばレジストのような適当なマスクを用い、エッ
チング端面が基板面１ａと角度αを成して露出するよう
に、酸化物超電導体層をイオンミリング等の手段を用い
て選択的にエッチングすることによって、容易に形成す
ることができる。具体的には、下部超電導電極２上に層
間絶縁膜３が設けられており、この層間絶縁膜３の端面
を含めてエッチングを行うことによって、これらの端面
に傾斜端面２ａが形成されている。

【００１８】上述した酸化物超電導体層からなる下部超
電導電極２上には、その傾斜端面２ａを少なくとも覆う
ように、非超電導酸化物からなる非超電導層４が形成さ
れている。この非超電導層４は、具体的には斜端端面２
ａ上を介して、エッチングにより露出された基板１の表
面１ａ上から層間絶縁膜３上にかけて形成されている。
この非超電導層４は、絶縁体および常伝導体のいずれで
構成してもよい。そして、非超電導層４上には、下部超
電導電極２と同様に酸化物超電導体層からなる上部超電
導電極５が積層形成されており、これらによってエッジ
型接合素子６が構成されている。

【００１９】ここで、非超電導層４上に積層形成される
上部超電導電極５までをエピタキシャル的に成長させる
ことは、良好な特性を持つジョセフソン接合を得る上で
重要である。このために、非超電導層４の形成材料とし
ては、超電導特性を持たない層状ペロブスカイト酸化物
であるＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-δや、Ｃｏ等の不純物元素
をドーピングすることで超電導特性を弱めたＲＥＢａ₂
Ｃｕ₃ Ｏ_7-δ、さらには下部超電導電極２と擬似的に格
子整合するＳｒＴｉΟ₃ 等の絶縁性酸化物やＣａＲｕＯ
₃ 等の導電性酸化物等の非超電導酸化物を用いることが
好ましい。

【００２０】そして、下部超電導電極２／非超電導層４
／上部超電導電極５からなる接合部分として見た場合、
下側に位置する酸化物超電導体層、言い換えると非超電
導層４より先に形成する酸化物超電導体層、すなわち下
部超電導電極２を構成する酸化物超電導体は、その分解
反応が開始する温度（分解反応開始温度）が、上側に位
置し非超電導層４より後に形成される上部超電導電極５
を構成する酸化物超電導体の分解反応開始温度より高く
設定されている。

【００２１】ここで、下部超電導電極２および上部超電
導電極５としての酸化物超電導体は特に限定されるもの
ではないが、臨界電流密度Ｊ_c や成膜性等を考慮して、 一般式：ＲＥＡＥ₂ Μ₃ Ｏ_y ……(1) （式中、ＲＥはＹおよびランタナイド元素（ただしＲＥ
が全てＰｒである場合を除く）から選ばれる少なくとも
1種の元素を、ＡＥはＣａ、ＢａおよびＳｒから選ばれ
る少なくとも 1種の元素を、Μは 70%以上の比率でＣｕ
を含む遷移金属元素を示し、 yは 6.2≦ y≦ 7.5を満足
する数である）で実質的に表される組成を有する酸化物
超電導体、例えばＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導
体を使用することが好ましい。ここで、ＲＥ元素が全て
Ｐｒである場合を除く理由は、ＲＥが全てＰｒで占めら
れている物質は超電導特性を示さないからである。

【００２２】酸化物超電導体は、溶融分解温度を共晶温
度および包晶温度として定義できる系が多いため、以下
においては共晶温度または包晶温度を用いて分解反応を
議論する。例えば、共晶温度を分解温度と定義すると、
（Ｌａ，Ｓｒ） ₂ＣｕＯ₄ 系の分解反応開始温度は約 1
423K、ＹΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 系は約 1173K、Ｎｄ₂ Ｃｕ₃
Ｏ₇ 系は約 1273K、Βｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ₂ Ｏ_z 系は
約 1123K、（Βａ，Ｋ）ΒｉＯ₃ 系は約 1073Kである。
これらの温度を超えた時点で、各系とも溶融が始まり、
その物質とは異なる物質に分解する。

【００２３】図２に、ＹΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 系の平衡状態
図を示す。図２に表されているように、ＹΒａ₂ Ｃｕ₃
Ｏ₇ は約 1173Kで組成的にＢａおよびＣｕの豊富な融液
とＹΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ の固体とに分解が始まり、さらに
包晶温度である約 1273Kまで昇温すると、Ｙ₂ ＢａＣｕ
Ｏ₅ 系と融液の混合物へと分解する。この際、分解反応
が始まる温度を、ＹΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ が初めて分解し始
める約 1173Kに定義する。この分解反応開始温度は、図
３に示すように、例えばＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇系を例に
とると、ＹｂからＮｄまでのＲＥ元素のイオン半径が大
きくなるにつれて上昇しており、ＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇
ではＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ よりも約100K高くなっている。

【００２４】本発明は下部超電導電極２および上部超電
導電極５となる 2つの酸化物超電導体の上述したような
分解温度の差を利用して、非超電導層４の作製直前まで
の下部超電導電極２としての酸化物超電導体層の構造的
安定性を向上させたものである。例えば、非超電導層４
としてΡｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を使用し、この非超電導
層４より時間的に先に形成される下部超電導電極２にΝ
ｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を使用すると共に、時間的に後に
形成される上部超電導電極５にＹＢａ₂ Ｃｕ₃Ｏ₇ 層を
使用することによって、非超電導層４形成直前の下部超
電導電極２としてのＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層の構造的劣
化を防止するものである。

【００２５】上記した下部超電導電極２の構造的劣化防
止について、図４に示すエッジ型接合素子６の製造工程
をふまえて説明する。まず、例えば真空成膜装置の成膜
室内で、基板１上に例えばＮｄΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層から
なる下部超電導電極２とＳｒＴｉＯ₃ 層等からなる層間
絶縁膜３を順に成膜する（図４−ａ）。次いで、成膜室
から大気中に取り出す工程を経て、通常のフォトリソグ
ラフィーによりレジスト７を層間絶縁膜３上のエッジ作
製部分に形成する（図４−ｂ）。この状態でイオンミリ
ング装置に導入し、図４（ｃ）に示すように、Ａｒイオ
ン等でイオンミリングを行って傾斜端面２ａを形成す
る。

【００２６】この後、再度大気中に取り出してレジスト
７を除去し（図４−ｄ）、真空成膜装置の成膜室内に再
度導入して、バリヤー層として例えばΡｒＢａ₂ Ｃｕ₃
Ｏ₇層からなる非超電導層４と、ＹΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層
からなる上部超電導電極５を順に成膜する（図４−
ｅ）。この成膜にあたって、基板１および予め形成され
ているＮｄΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層からなる下部超電導電極
２は、ΡｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層およびＹΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ
₇ 層の成膜温度まで加熱される。

【００２７】このように、下部超電導電極２としてのＮ
ｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層は、非超電導層４の形成以前に大
気中に取り出され、その後イオンミリング等で傾斜端面
２ａを形成するという加工プロセスを経ており、表面で
ある傾斜端面２ａは非超電導層４の形成直前までに大量
の異分子を吸着している。また、加工プロセスはイオン
ミリングでＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を削るものであり、
ＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇層の傾斜端面２ａはミリング時の
ダメージにより構造的に劣化しており、またイオンミリ
ング時の加速電圧が高いとアモルファス化する場合もあ
る。

【００２８】この傾斜端面２ａは、界面を構成する最も
重要な部分であるにも関わらず、その後の非超電導層４
および上部超電導電極５の作製時の昇温過程で、上述し
たような理由で不安定となり、さらに著しく反応が促進
されて、界面は構造的に劣化するおそれがある。これに
対して、下部超電導電極２に上部超電導電極５としての
ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層より分解反応開始温度が高いΝｄ
Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を使用した場合、ΝｄＢａ₂ Ｃｕ₃
Ｏ₇ 層は分解反応開始温度がＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層より
も約100K高く、このため例えばスパッタ法で基板１上に
良質な膜を形成する際の基板温度は約100K程度高い温度
となる。

【００２９】すなわち、ＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を 112
3Kで形成し、大気中に取り出して傾斜端面２ａを形成す
る加工プロセスを施した後、上部超電導電極５としての
ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層の良質な薄膜形成温度である 102
3Kまで再度加熱される。この際、ＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇
層は分解温度が約100K高く、 1023Kの再加熱時において
も分解反応は進行せず、良質な表面を保持している。一
方、下部超電導電極２にＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を適用し
た場合には、この再加熱時の高温プロセスで界面は溶融
状態となり、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層は分解してしまうた
め、良質な界面ひいては素子特性に優れた超電導素子を
得ることはできない。

【００３０】上記したＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層からなる
下部超電導電極２上に、非超電導層４としてΡｒＢａ₂
Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を形成した際の界面は、ＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃
Ｏ₇層表面が安定であることから理想的なものとなり、
かつＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層上に上部超電導電極５とし
てＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を形成する際の温度は 1023Kと
十分に高くすることができるため、非超電導層４と上部
超電導電極５との界面も理想的に形成することができ
る。

【００３１】このように、下部超電導電極２に分解反応
開始温度が高い酸化物超電導体を適用することによっ
て、界面での外来分子との反応や酸化物超電導体自体の
分解反応および溶融状態の造出を防止することができ、
界面の構造的な不均一による素子特性の低下や再現性の
低下を回避することが可能となる。従って、界面の平坦
性、格子整合性、急峻性、電気特性等を向上させること
ができ、素子特性およびその再現性を向上させた超電導
素子を得ることが可能となる。

【００３２】上述した実施形態においては、下部超電導
電極２にＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を用いると共に、上部
超電導電極５にＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を使用した場合に
ついて説明したが、本発明はこれらに限られるものでは
なく、下部超電導電極２に上部超電導電極５を構成する
酸化物超電導体層より分解反応開始温度が高い酸化物超
電導体層を用いることによって同様な効果を得ることが
できる。

【００３３】ただし、分解反応開始温度の差がほとんど
ない組合せを両超電導電極２、５として用いた場合に
は、上記した分解反応を抑制する効果が有意なものとし
て得られず、非超電導層４および上部超電導電極５の成
膜時に下部超電導電極２の分解反応が起こる可能性があ
ることから、少なくとも両超電導電極２、５間の分解反
応開始温度の差は 30K以上となような組合せを適用する
ことが好ましい。このような組合せとしては、上述した
ＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ とＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ との他に、
ＥｕＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ とＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ との組合せ
等が好ましいものとして挙げられる。

【００３４】なお、酸化物超電導体層としては上述した
ＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 系に限らず、2種類の酸化物超電
導体が分解反応開始温度に差を有すれば、種々の酸化物
超電導体を使用することが可能であるが、前述したよう
に臨界電流密度Ｊ_c や成膜性等を考慮して、ＲＥ−Ｂａ
−Ｃｕ−Ｏ系等の前述した (1)式で実質的に表される酸
化物超電導体を使用することが好ましい。

【００３５】次に、本発明の超電導構造体をジョセフソ
ン接合素子の一例である積層型接合素子に適用した実施
形態について、図５ないし図７を参照して説明する。

【００３６】図５に示す積層型接合素子１１は、基板１
２上に下部超電導電極１３、非超電導層１４および上部
超電導電極１５が順に積層形成されて構成されている。
この積層型接合素子１１においても、前述した実施形態
と同様に、下部超電導電極１３には上部超電導電極１５
を構成する酸化物超電導体層より分解反応開始温度が高
い酸化物超電導体層が用いられている。なお、具体的な
超電導電極１３、１５の構成材料や非超電導層１４の構
成材料は、前述した実施形態と同様である。

【００３７】このような積層型接合素子１１において
も、下部超電導電極１３に上部超電導電極１５を構成す
る酸化物超電導体層より分解反応開始温度が高い酸化物
超電導体層を用いることによって、非超電導層１４およ
び上部超電導電極１５を形成する際の下部超電導電極１
３の分解反応および溶融状態の造出を防止することがで
きる。

【００３８】特に図６に示すように、基板１２上に下部
超電導電極１３を形成（図６−ａ）した後に、一旦大気
中に取り出してイオンミリング装置に導入し、Ａｒイオ
ンにより下部超電導電極１３表面の清浄化および平坦化
を行った後（図６−ｂ）、再度真空成膜装置等の成膜室
内に導入して非超電導層１４および上部超電導電極１５
を形成する場合や、あるいは図７に示すように、非超電
導層１４を形成（図７−ａ）した後に、一旦大気中に取
り出してイオンミリング装置に導入し、Ａｒイオンによ
り非超電導層１４表面の清浄化および平坦化を行った後
（図７−ｂ）、再度真空成膜装置等の成膜室内に導入し
て上部超電導電極１５を形成する場合に、より一層有効
に下部超電導電極１３の分解反応や溶融状態の造出を防
止することができる。

【００３９】これらによって、界面の構造的な不均一に
よる素子特性の低下や再現性の低下を回避することがで
き、界面の平坦性、格子整合性、急峻性、電気特性等を
向上させることが可能となる。従って、超電導素子の素
子特性およびその再現性を向上させることができる。

【００４０】なお、上述した実施形態では、本発明の超
電導構造体をジョセフソン接合素子に適用した形態につ
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、非超電導酸化物層を介して配置された複数の酸化物
超電導体層を有する積層膜を具備するものであれば、種
々の超電導構造体に適用することができる。

【００４１】例えば、超電導トランジスタのような各種
の超電導素子、さらには超電導配線等においては、下側
に超電導グランドプレーンを形成する場合がある。この
ような場合には、超電導グランドプレーン／非超電導酸
化物層／酸化物超電導体層の積層膜が形成されるが、こ
のような構造においても下側の酸化物超電導体層に上側
の酸化物超電導体層を構成する物質より分解反応開始温
度が高い物質を用いることによって、非超電導酸化物層
および上側の酸化物超電導体層を形成する際の下側の酸
化物超電導体層の分解反応や溶融状態の造出を防止する
ことができ、良好な界面を形成することが可能となる。
また、ジョセフソン接合素子においても超電導グランド
プレーンを形成する場合があり、このような場合には 2
つの接合部分それぞれに本発明を適用してもよいし、ま
た一方のみに適用してもよい。

【００４２】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について述べ
る。

【００４３】実施例１ まず、スパッタ法で図１に構造を示したＮｄＢａ₂ Ｃｕ
₃ Ｏ₇ ／ＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ ／ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 積
層膜を有するエッジ型接合素子を作製した例について述
べる。

【００４４】まず、基板１としてＳｒＴｉＯ₃ (100) 基
板を用い、この基板１上に表１に示す条件で下部超電導
電極２としてＮｄΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を成膜し、その後
in-situプロセスで層間絶縁膜３として900KでＳｒＴｉ
Ｏ₃ 膜を形成した。各層共に膜厚は 300nmとした。

【００４５】次いで、成膜チャンバから大気中に取り出
す行程を経て、通常のフォトリソグラフィーによりレジ
スト７をエッジ作製部分に形成した。この状態でイオン
ミリング装置に導入し、Ａｒイオンを用いたイオンミリ
ングにより傾斜端面２ａ（角度α＝30°）を形成した。

【００４６】この後、再度大気中に取り出してレジスト
７を除去し、さらに成膜チャンバに再度導入して、バリ
ヤー層となる非超電導層４としてのΡｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ
₇ 層および上部超電導電極５としてのＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ
₇ 層の形成温度である 1023Kまで昇温した。昇温は、ア
ルゴン＋酸素の混合ガスを流した状態で行った。表１に
示す条件で非超電導層４としてのΡｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇
層（膜厚:1〜20nm）と上部超電導電極５としてのＹＢａ
₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層（膜厚:200nm）を成膜し、次いで酸素ガ
スを 1気圧まで導入して約 1時間の後、大気中に取り出
した。

【００４７】

【表１】 図８に、この実施例１によるエッジ型接合素子の傾斜端
面部分の微細構造の拡大写真（ＳＥＭ像）を示す。図８
（ａ）は、バリヤー層形成前のＮｄΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層
とＳｒＴｉＯ₃ 膜との積層膜の傾斜端面の加熱処理前の
拡大写真であり、図８（ｂ）はその加熱処理後の拡大写
真である。また、図９は本発明との比較例として作製し
た下部超電導電極にもＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を用いたエ
ッジ型接合素子の傾斜端面部分の微細構造の拡大写真
（ＳＥＭ像）であり、図９（ａ）はＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇
層とＳｒＴｉＯ₃ 膜との積層膜の傾斜端面の加熱処理前
の拡大写真であり、図９（ｂ）はその加熱処理後の拡大
写真である。

【００４８】図８および図９から明らかなように、分解
反応開始温度が約100K高いＮｄΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を下
部超電導電極として用いた場合には、Ｙ系に見られるよ
うなエッジ部分の斜面での溶融分解反応と思われる構造
的な劣化は一切観測されておらず、加熱前のモフォロジ
ーを保っていることが分かる。これにより、分解反応開
始温度が高い酸化物超電導体は、再加熱プロセスにおけ
る溶融分解反応および水等との反応性が著しく低く、高
温まで非加熱と同様の表面性および電気特性を保持する
上で極めて有効であることが判明した。

【００４９】また、この実施例１によるエッジ型接合素
子（バリヤー層の膜厚 5nmの場合）の電流−電圧特性を
図１０に、また臨界電流値の磁場依存性を図１１に示
す。特性はＩ_c ・Ｒ_n 積が 2.0mVの典型的なＲＳＪタイ
プであり、また磁場印加により明瞭なフラウンフォーフ
ァーパターンを示す理想的なジョセフソン接合となって
いた。実施例１により作製したエッジ型接合素子の特性
は、バリヤー層の膜厚が10nm未満ではトンネルおよび共
鳴トンネル的な伝導特性を持ち、膜厚が10nm以上のバリ
ヤー層では絶縁特性しか示さなかった。このように、本
発明によれば素子特性が向上するのみではなく、単位格
子レベルでのバリヤー層作製における構造的な信頼性お
よび再現性が著しく高まることが判明した。

【００５０】実施例２ スパッタ法で図１に構造を示したＲＥＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇
／ＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ ／ＲＥ′Ｂａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 積層
膜を有するエッジ型接合素子を、実施例１と同様の加工
法を適用して作製した。具体的な膜構成および各膜の成
膜温度（基板温度）は表２に示す通りである。その結
果、全ての接合でＲＳＪ的な特性が得られた。このよう
に分解温度差を持つ酸化物超電導体を両電極として利用
した場合、界面の品質は著しく向上することが判明し
た。

【００５１】

【表２】 実施例３ レーザーアブレーション法で図１に構造を示したＳｍＢ
ａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ ／ＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ ／ＨｏＢａ₂ Ｃ
ｕ₃ Ｏ₇ 積層膜を有するエッジ型接合素子を作製した例
について述べる。

【００５２】基板としてＳｒＴｉＯ₃ (100）を用いて、
まず表３に示すように、レーザーアブレーション法によ
り 1100KでＳｍ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜を成膜し、900Kまで降温
した後に層間絶縁膜としてのＳｒＴｉＯ₃ 膜を形成し
た。膜厚は両者共に 300nmである。次いで、大気中に取
り出して実施例１と同様のプロセスで、下部超電導電極
に傾斜端面を形成した。

【００５３】この後、成膜チャンバに再度導入し、圧力
65Paの酸素ガスフローにおいて基板温度を 1023Kまで昇
温させ、バリヤー層として膜厚10nmのＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃
Ｏ₇膜を形成した。バリヤー層の形成終了と共に、成膜
チャンバ中において基板温度を 1063Kまで昇温し、膜厚
200nmのＨｏＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜を形成した。

【００５４】この実施例３によるエッジ型接合素子は、
Ｉ_c ・Ｒ_n 積として 2.0mVを持つ、典型的なＲＳＪタイ
プのジョセフソン接合となっていた。また、磁場印加に
よりΙ_c はフラウンフォーファー的な特性を示し、理想
的なジョセフソン接合となっていることが判明した。

【００５５】

【表３】 実施例４ 図５に構造を示したＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ ／ＰｒＢａ₂
Ｃｕ₃ Ｏ₇ ／ＨｏＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 積層膜を有する積層
型接合素子を作製した例について述べる。

【００５６】まず、第１の試料については、実施例１と
同様の条件で下部超電導電極としてＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ
₇ 層を形成した後、大気中に取り出してイオンミリング
チャンバに導入し、図６に示したようにＡｒイオンでＮ
ｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層表面の清浄化および平坦化を行
い、この後再度成膜チャンバに導入して、実施例１と同
様の条件でバリヤー層としてＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層と
上部超電導電極としてＹΒａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ を形成した。

【００５７】第２の試料については、 1123Kで下部超電
導電極としてのＮｄＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層とバリヤー層と
してのＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層を形成した後、大気中に
取り出してイオンミリングでＰｒＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 層表
面の清浄化および平坦化を行い、この後再度成膜チャン
バに導入して、 1023Kで上部超電導電極としてＹΒａ ₂
Ｃｕ₃ Ｏ₇ を形成した。

【００５８】この実施例４に示した 2種類の表面処理を
行った積層型接合素子は、それぞれＩ_c ・Ｒ_n 積として
1.0mV、 1.2mVを持つ、典型的なＲＳＪタイプのＩ−Ｖ
特性を示す理想的なジョセフソン素子であった。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超電導構
造体によれば、酸化物超電導体層と非超電導酸化物層と
の界面の構造を極めて安定に保つことができることか
ら、界面の特性および物性値が向上する。従って、素子
特性等の向上を図ることができると共に、その再現性を
高めることが可能となる。これによって、超電導素子等
の実用レベルでの信頼性が著しく高まり、酸化物超電導
体のエレクトロニクスヘの貢献が加速される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の超電導構造体をジョセフソン接合素
子の一例であるエッジ型接合素子に適用した一実施形態
の構成を模式的に示す断面図である。

【図２】 Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体の平衡
状態図である。

【図３】 ＲＥ−Ｂａ一Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体の分
解反応開始温度とＲＥ元素のイオン半径との関係を示す
図である。

【図４】 図１に示すエッジ型接合素子の製造工程の要
部を示す図である。

【図５】 本発明の超電導構造体をジョセフソン接合素
子の一例である積層型接合素子に適用した他の実施形態
の構成を模式的に示す断面図である。

【図６】 図５に示す積層型接合素子の一製造工程の要
部を示す図である。

【図７】 図５に示す積層型接合素子の他の製造工程の
要部を示す図である。

【図８】 本発明の実施例１で作製したエッジ型接合素
子の傾斜端面部分の微細構造の拡大写真（ＳＥＭ写真）
であり、（ａ）は加熱処理前の拡大写真、（ｂ）は加熱
処理後の拡大写真である。

【図９】 本発明との比較例として作製したエッジ型接
合素子の傾斜端面部分の微細構造の拡大写真（ＳＥＭ写
真）であり、（ａ）は加熱処理前の拡大写真、（ｂ）は
加熱処理後の拡大写真である。

【図１０】 本発明の実施例１で作製したエッジ型接合
素子の電流−電圧特性の一例を示す図である。

【図１１】 本発明の実施例１で作製したエッジ型接合
素子の臨界電流値の磁場依存性の一例を示す図である。

【符号の説明】

２、１３……酸化物超電導体層からなる下部超電導電極 ３……層間絶縁膜 ４、１４……非超電導酸化物からなる非超電導層 ５、１５……酸化物超電導体層からなる上部超電導電極

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 39/24 ＺＡＡ Ｈ０１Ｌ 39/24 ＺＡＡＤ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の酸化物超電導体層と、前記複数の
   酸化物超電導体層間に介在された非超電導酸化物層との
   積層膜を具備する超電導構造体において、 前記非超電導酸化物層を介して配置された前記複数の酸
   化物超電導体層のうち、下側に位置する酸化物超電導体
   層を構成する物質は、上側に位置する酸化物超電導体層
   を構成する物質より高い分解反応開始温度を有すること
   を特徴とする超電導構造体。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超電導構造体において、 前記酸化物超電導体層は、実質的に 一般式：ＲＥＡＥ₂ Μ₃ Ｏ_y （式中、ＲＥはＹおよびランタナイド元素から選ばれる
   少なくとも 1種の元素を、ＡＥはＣａ、ＢａおよびＳｒ
   から選ばれる少なくとも 1種の元素を、Μは 70%以上の
   比率でＣｕを含む遷移金属元素を示し、 yは 6.2≦ y≦
   7.5を満足する数である）で表される組成を有すること
   を特徴とする超電導構造体。