JPS5838000B2 - ジョセフソン・トンネル・ジャンクション装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は超伝導回路に関し、殊に超伝導回路用の新規な
ジョセフソン・トンネル・ジャンクション装置に関する
。

該装置は、例えば、メモリ及び論理回路に用いられ得る
と供に、磁力計（ｍａｇ−ｎｔｏｍｅｔｅｒｓ）や電磁
波検出器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖ
ｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）等の如き磁界感知器として
の用途をも有する。

先行技術の記載 超伝導ジョセフソン・メモリ及び論理回路は、当該技術
に於て知られており、そしてその当該技術は、ジョセフ
ンン゛トンネル゜ジャンクションをそれらのメモリや回
路のためのアクティブ・スイッチング素子あるいはゲー
トとして利用している。

該ショセフソン゜トンネル゜ジャンクション装置はまた
、磁力計及び電磁波検出器への応用の如き磁界感知器と
しても利用され得る。

ジョセフソン・ジャンクション装置は、二つの重ねられ
た超伝導材料の層と、その間に置かれた一つの障壁層と
を有し、それによってジョセフソン・トンネリング電流
はジョセフソン・トンネル効果により、一つの超伝導層
から障壁を通って他方の超伝導層へと流れる。

これらの超伝導層を超伝導ループとなるように結合し、
制御ラインを該ジャンクションに近接して配置すること
により、該装置を流過するｄ−ｃ．ジョセフソン・ゼロ
電圧電流は制御されることができ、該ジョセフノン回路
に於けル必要な電流の流れ方向制御機能（ ｃｕｒｒｅ
ｎｔｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃ
ｔｉｏｎ）を与える。

特定のジョセフソン・ジャンクション装置並びに先行技
術装置に付随する問題が米国特許出願第９０４０５１号
（日本特許出願昭和５４年第５６２０８号）、発明の名
称：水素と化合した非結晶シリコン，ケルマニウムまた
はシリコン゜ゲルマニウム合金のトンネリング・バリャ
ーをもつジョセフソン・トンネル・ジャンクション・デ
バイス，出願日：１９７８年５月８日（日本に於ける出
願日：昭和５４年５月８日），発明者二ノ・リー・クロ
ガー，譲受人二スペリ・ランド・コーポレーションに記
載されており、此の出願を参考迄に此処に挙げておく。

上記米国特許出願第９０４０５１号に述べたように、多
くの応用に於で、比較的厚い障壁層を用い乍ら大きい臨
界電流密度を支持することのできるジョセフソン・ジャ
ンクション装置を設けることがプ般に望ましく、それに
よって構造的な強度と信頼度とが得られ、装置キャパシ
タンスを減少させることができる。

酸化物絶縁体障壁層は、これ迄は薄くてもろい絶縁体障
壁のみが大きなジョセフソンｄ−ｃ−電流を通過させる
ことができ、その薄い障壁は望ましくない程に高いキャ
パシタンスを持ったジョセフソン装置をもたらしていた
と云う点で、一般に不満足であった。

従来技術の欠点を克服するための試みに於て、半導体材
料がジョセフソン・ジャンクション装置を造るのに用い
られて来た。

例えば、上記米国特許出願第９０４０５１号の装置は、
障壁材料として非結晶の水素と化合したシリコン，ゲル
マニウムまたはそれらの合金を用いており、そしてその
障壁材料は、適当に厚い障壁で、非常に高い電流密度を
都合よく与えている。

上記米国特許出願第９０４０５１号に記載したように、
ｎ型かｐ型かの何れかの半導体材料を与えるために、半
導体障壁はドーパント（ ｄｏｐａｎｔ）の大きい濃度
範囲にわたってドープされ得るが、そのフエルミ準位は
真性状態から縮退状態までに亘って調整され得ない（
ｔｈｅ ｆｅｒｍｉ ｌｅｖｅｌ ｃａｎｎｏｔ
ｂｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｆｒｏｍ ｉｎｔｒｉ
ｎｓｉｃ ｔｏｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ ）。

せいぜいそのフエルミ準位は伝導帯か或いは価電子帯近
辺に設定され得るにすぎない。

斯くてその装置の特性は、比較的小さな価の範囲にわた
って制御され得るに過ぎない。

ジョセノソン・ジャンクション装置に於て半導体障壁を
用いることの先行技術の試みは、ランダムな制御されて
いない特性を有する半導体をランダムに選択して用いる
試みを含んでいた。

一般に精密に制御され得る特性を与える材料の使用に於
ては、何等の戒功もなかった。

更に、使用された半導体材料および／又はデポジション
技術は大いに経験的であって、商業的に実用的な均一性
でもって、精密に制御された再現可能な結果を与えるほ
どに充分に開発された技術になってはいない。

他方、半導体技術に於ては、シリコン及びゲルマニウム
のデポジション技術は、こ又１０年乃至１５年の間に高
度に発展して来ており、それ故この分野に於では商業的
な均一性を有する結果が常套的に達成されている。

全ての半導体の内でも、シリコンとゲルマニウムは最も
広汎に研究されて来ており、そしてそれらの特性及び挙
動は充分に判っている。

単結晶及び多結晶のシリコン及びゲルマニウムの化学的
な蒸着（ｃｈｅｍｉｅａｌｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）が半導体技術に於で普通に用い頓■おり、均
一な結果を得ている。

例えば、低圧デポジション技術を用いて、±１％の範囲
内にまで厚さが均一なフイルムが多数のシリコン・ウエ
ハー上に同時にデポジットされ得る。

これらの半導体材料は精密に且つ迅速にドープされて、
真性状態から縮退状態に至るまで精密に制御されたフエ
ルミ準位を有するｎ型かｐ型かの何れかの材料を与え得
ることが知られている。

今日のジョセフソン・ジャンクション装置技術に於で、
結晶のシリコン，ゲルマニウムまたはそれらの合金の使
用に於て、嵩高の単結晶シリコン（ｂｕｌｋ ｓｉｎ
ｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ）のみが
ジョセフソン゜ジャンクション障壁を与えるのに用いら
れて来たと信ぜられている。

斯かる障壁を得るためには複雑なエッチングによる薄肉
化工程（ ｔｈｉｎｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）が
必要で、それによって嵩高のシリコン材料の厚さをトン
ネリング障壁に用い得る厚さにまで減少できる。

そのような薄肉化が達成されると、超伝導体二半導体一
超伝導体のトンネル・ジャンクション構造を与えるため
にシリコン・ウエハーの両側に於でパターン形成とデポ
ジションとが要求される。

斯くて片側のリトグラフによるパターン形或とデポジシ
ョンとが必要な場合に用いられるものよりも必然的によ
り複雑な製造技術が要求される。

その上、斯かるエッチングによる薄肉化工程は、シリコ
ン・デポジションで行なえるよりもかなり低い再現性を
持った厚さと特性とを与える。

エッチングによる薄肉化の技術に於ける制限のために、
そ？半導体障壁材料はｐ型の縮退性ドーピングに必然的
に限定され、斯くてその装置の特性と有用性とを限定す
る。

その上更に、嵩高の材料を膜の厚さ（ｍｅｍｂｒａｎｃ
ｅ ｔｈｉｅｋｎｅｓｓｅｓ）にまで薄肉化して、そ
れによってジョセフソン・トンネリングが起こるように
すると、極めてもろい装置になる。

ジョセフンン・ジャンクション装置に於て典型的に、大
きな臨界電流密度と厚い障壁とを与えることが望ましい
。

これらの特性は、大量にドープした半導体障壁を用いる
ことによって達成され得る。

一般に、ドーピングが望ましく、そしてそれはフエルミ
準位が伝導帯又は価電子帯に深く存在する縮退を達成す
る。

しかし乍ら、或る応用に於では、フエルミ準位が伝導帯
と価電子帯との間の或る精密な点に存在するよう制御す
ることが望まれ得る。

例えば、磁力計及びラジエーション検出器（ ｒａｄｉ
ａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ） への応用に於ては
、非履歴特性（ｎｏｎ−ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｃｈａｒ
ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）を有するジョセフソン・ジャン
クション装置を用いることが必要である。

履歴現象（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）は、該装置の臨界電
流，標準状態抵抗及びジャンクション・キャパシタンス
の関数であるから、特定のシステムに於でこれらのパラ
メータ間の適切な関係を達戒するために精密なフエル準
位制御を用いることが必要である。

従来は、精密なフエルミ準位制御はジョセフソン・ジャ
ンクション装置技術に於で成就されていなかった。

上記米国特許出願第９０４０５１号に述べられているよ
うに、ジョセフソン・ジャンクション装置を製造する際
に、難溶性の超伝導金属を用いるのが望ましい。

一般に、先行技術装置に於では、非難溶性の（ｎｏｎ−
ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ）材料が用いられて来た。

鉛，インヂウム及び錫又はそれらの合金の如き非難溶性
の超伝導金属は、適切な超伝導特性を示すが、これらの
材料は、細いラインの相互接続を用いる超伝導集積回路
を製造する際に困難をもたらす。

標準的なリトグラフ法を利用して上記のような超伝導集
積回路を製作する場合に、７０゜Ｃ以上の温度での加熱
中に金属層が移動してヒルロック（ ｈｉｌｌｏｃｋｓ
）即ち小山状部を形戒する傾向があるが、この程度の温
度は印刷回路製作操作の実施に際して通例必要とされる
温度である。

この困難さを部分的にも軽減しようとするプリント回路
製作技術６土半導導体回路の如き慣用にして多様な集積
回路を現在高歩留りで製作している慣用の製作技術より
も更に複雑となる傾向を有している。

上述の如き軟らかくて融点の低い超伝導金属に代えて、
これらの問題を軽減するために超伝導体としてアルミニ
ウムが用いられて来たが、アルミニウムは例えば鉛など
よりも相当に低い超伝導遷移温度を持っており、従って
該装置を冷却するのに、より多くのエネルギを必要とす
る。

発明の要約 互いに重畳された超伝導材料の第一と第二の層を有し、
それらの層の下方のものが難溶な複合超伝導金属（ ｒ
ｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓｕｐｅｒｃ
ｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍｅｔａｌ）から成るジョセフソ
ン・トンネル・ジャンクション装置によって、上述の願
望は達成され、上述の先行技術の欠点が克服されている
。

障壁層が上記第一と第二の超伝導層間に重ねられ、それ
によってジョセフソン・トンネリング電流は、これら超
伝導層間にあるシリコン，ゲルマニウム，及びそれらの
合金より成る群から選択された多結晶半導体材料を含む
障壁層を通って流れることができる。

好ましくは下方の超伝導層は窒化ニオブ（ｎｉｏｂｉｕ
ｍｎｉｔｒｉｄｅ） を含み、且つ該障壁層は化学的蒸
着方によってその上にデポジットされる。

該半導体障壁層は真性状態にとどまることができ（ｍａ
ｙｂｅ ｌｅｆｔ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）又はｎ型
又はｐ型材料で精密にドープされて、フエルミ準位を真
性状態から縮退状態に至るまで精密に制御されるように
することも出来る。

好適な具体例の説明 第１及び２図を参照すると、一つのジョセフソン゜トン
ネル゜ジャンクション装置が示されており、第１図はそ
の頂面図を、第２図は２−２線に於ける該装置の断面図
を示している。

該トンネル・ジャンクション装置は第一と第二の重畳さ
れた超伝導体層１０．１１とそれらの間のトンネリング
障壁１２とを含んでいる。

本発明によれば、該トンネリング障壁１２は多結晶シリ
コン又は多結晶ゲルマニウム又はそれらの多結晶合金を
含んでいる。

該障壁材料は、好ましくは化学的蒸着法により下方の超
伝導体層１０上にデポジットされる。

該障壁層は生のま＼でデポジットされても良く、又はデ
ポジション工程の間に第■族又は第■族の元素（ｃｏｌ
ｕｍｎＩ［ｏｒ ｃｏｌｕｍｎ Ｖ ｅｌｅ−ｍｅｎ
ｔｓ）を添加することによりｐ型又はｎ型材料をドープ
しても良い。

下方の超伝導体層１０は難溶性の複合超伝導体材料を含
んでおり、そしてそれは好ましくは窒化ニオブ（ＮｂＮ
） である。

該ジョセフソン・ジャンクション装置の好適な構造は孔
１４を持った絶縁層１３を持っており、その孔内に層１
２のアクティブなトンネリング障壁領域の境界を正確に
規定している。

該絶縁層１３はそれを通ってジョセフソン・トンネリン
グが生ずるのを阻止するに充分な厚さを持っており、例
えば二酸化シリコン（Ｓｉ０２）の如き絶縁材料で出来
ている。

該孔１４は例えば矩形状であっても良く、又は所望の装
置特性に従って他の形状にされても良い。

該ジョセフソン・ジャンクション装置は孔１４を持って
絶縁層１３を伴って、又は伴ナケ剪こ製造され得る。

該層１３は装置のパラメータの増進された再現可能性を
もたらすトンネリング障壁の形状寸法を規定する。

上方の超伝導体層１１は窒化ニオブ又は装置の用途によ
って他の適切な超伝導体から成り得る。

上述の如ク、ジョセフソン・ジャンクション装置に於け
る超伝導体層としては難溶性の超伝導材料を用いるのが
一般に望ましい。

難溶性金属ニオビウムは、ジョセフソン・トンネリング
障壁として水素と結合した非結晶のシリコン，ゲルマニ
ウム又はシリコン・ゲルマニウム合金をスパツタ・デポ
ジシクンを行なうことによってジョセフソン・ジャンク
ション装置の製造に好都合に用いられて来た。

この装置が上記米国特許出願第９０４０５１号に開示さ
れている。

上述の如く、斯る装置に於ては、障壁材料として多結晶
シリコン，多結晶ゲルマニウム又は多結晶シリコンーゲ
ルマニウム合金を用いるのが望ましい。

障壁層のデポジットのために化学的な蒸着法を用いるこ
ともまた望ましい。

これらの材料の化学的蒸着法の技術は、半導体技術に於
て高度に発展して来ている。

典型的には、これらの材料は、水素・アルゴン・キャリ
ア・ガス中で、水素化シリコン（ＳｉＨ４）又は水素化
ケルマニウム（ＧｏＨ４）を用いて約７５０℃で化学的
に蒸着される。

水素は一般にシリコン又はゲルマニウムの水素化物の熱
分解（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
）によって放出される。

これらの技術と材料とは、ジョセフノン装置技術にはこ
れまでは用いられていなかった。

と云うのは鉛，錫，インヂウム又はそれらの合金の如き
通常用いられる非難溶性超伝導材料は、多結晶のシリコ
ン，ゲルマニウム又はそれらの合金の化学的蒸着法に必
要な温度に熱せられると溶融してしまうからである。

この難溶の超伝導金属ニオビウムは、その必要な温度に
於で、シリコン又はゲルスニウム又は水素を生ずるニオ
ビウムの非超伝導合金及びその反応材料と反応する。

例えば、水素を含むキャリア・ガス中で水素化シリコン
（モノシラン）を用いるとき、ケイ化ニオビウム（ｎｉ
ｏｂｉｕｍ ｓｉｌｉｃｉｄｅ）の如き非超伝導物質が
形戒されるか或いはニオビウム及び／又はシリコン及び
／又は水素の非超伝導合金が形成される。

ニオピウムと水素化シリコン（モノシラン）又は水素化
ゲルマニウムの熱分解によって生じた水素との間の反応
もまた生ずる。

斯くて、多結晶のシリコン，ゲルマニウム或いはそれら
の合金を化学的蒸着法によってデポジットするのに必要
な７５０℃の如き温度と、デポジション工程に必要な水
素キャリアガスの濃度に於で、ニオビウムはニオビウム
と水素の非超伝導合金に変化することが認識されよう。

更に、３００〜４００’Ｃの温度に於てさえも、ニオビ
ウムはシリコン及びゲルマニウムと反応して非超伝導合
金を形成する。

斯くて、本発明の前には、難溶性にせよ、そうでないに
せよ、超伝導金属をジョセフソン・ジャンクション装置
技術に於で多結晶のシリコン，ゲルマニウム又はそれら
の合金の化学的蒸着で戒功裡に用いられた例はない。

他方、難溶の複合超伝導金属窒化ニオブ （ＮｂＮ）は、７５０℃までの温度に於で、多結晶のシ
リコン，ゲルマニウム又はそれらの合金を化学的に蒸着
するのに必要な濃度では水素と反応しない。

更に窒化ニオブは大気圧下でこれらの材料を化学的に蒸
着するのに必要な７５０℃迄の温度では、シリコン，ゲ
ルマニウム又はそれらの合金と反応しない。

斯くて、多結晶のシリコン，ゲルマニウム又はそれらの
合金が化学的に蒸着されるジョセフソン゜ジャンクショ
ン装置に於で窒化ニオブは超伝導体材料として用いられ
得る。

ニオブ・錫（Ｎｂ３Ｓｎ）及びニオブ・ゲルマニウム（
Ｎｂ３Ｇ８）の如き他の複合難溶超伝導体も同一の効果
を得るのに用いられ得ると信ぜられる。

障壁の化学的な蒸着の間に、多結晶のシリコンゲルマニ
ウム又はそれらの合金は真性状態でデポジットされるこ
とができ、或いはそのデポジション工程の間に第■族又
は第Ｖ族の元素を導入することによりｐ型又はｎ型の材
料でドープされてデポジットされることができる。

シリコン又はゲルマニウムの適切な材料は、水素・アル
ゴン・キャリア・ガス中に於ける水素化シリコン（モノ
シラン）又は水素化ゲルマニウムである。

摘切なドーピングによって、障壁材料のフエルミ準位は
価電子帯内の縮退から伝導帯内の縮退へ及びそれらの間
の全てのレベルへ変えられ得る。

多結晶のシリコン，ゲルマニウム及びそれらの合金は容
易且つ精密にドープされ得るので、これらの材料をトン
ネリング障壁として用いるジョセフンン・ジャンクショ
ン装置の特性は、精密に制御され得る。

フエルミ準位の制御に於ける広汎な変化は、障壁の高さ
の精密な制御を許し、それによってトンネリング・コン
ダクタンスの精密な制御を許す。

この半導体障壁は、絶縁体に関する低い障壁高さの故に
、或いは縮退状態にドープされた半導体（ ｄｅｇｅｎ
ｅｒａｔｉｖｅｌｙ ｄｏｐｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒｓ）上のショットキー゜コンタクトに因るせま
い障壁の故に、大きなジョセフノン電流密度を支持し、
その望ましさ（ｄｅｓｉ−ｒｅｒａｔｕｍ） は上記
米国特許出願第９０４０５１号に述べられている。

前述のように、ｐ型のドーピングは第■族元素を用いる
ことによって達成され得る。

好ましくはボロン（ｂｏｒｏｎ）が用いられるが、しか
しそれに代えてアルミニウム，ガリウム及びインジウム
もまた用いられ得る。

第■族の材料（ｃｏｌｕｍｎＶ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）
を用いたｎ型のドーピングは、好ましくは隣で行なわれ
るが、砒素（ａｒｓｅｎｉｃ）及びアンチモン（ ａｎ
ｔｉｍｏｎｙ）もまた用いられ得る。

化学的な気相デポジションが好適な障壁デポジション技
術であるけれども、他の方法もその代わりに用い得る。

例えば、半導体層は蒸発又はスパッタリングによってデ
ポジットされ得る。

これらの材料が基質上に約７００〜７５０℃に熱せられ
てデポジットされるときは、多結晶層が所望通りに得ら
れる。

しかし乍ら、これらの材料が加熱されない基質上に蒸発
又はスパッタリングによってデポジットされると、非結
晶層が形成され、それは熱的アニーリング（ ｔｈｅｒ
ｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇレーザ・アニーリング，又
は電子ビーム・アニーリング又はこれらの方法の組合わ
せによって結晶化され得る。

窒化ニオブ層１０及び１１は、約６００℃に加熱された
基質上に部分的な窒素雰囲気中でニオブの反応スパッタ
リング（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｐｕｔｔｅ−ｒｉｎｇ
ｏｆ ｎｉｏｂ）によってデポジットされても良
く、或いは化学的な気相デポジションによってデポジッ
トされても良い。

依然として第１図を参照して、磁力計や電磁波検出器の
如き感知器用途に本発明を実施する際は、該装置の下方
の超伝導体層を構成する窒化ニオブ層１０は、上述の如
き適切な技術によって適当な基質上にデポジットされ得
る。

次に障壁層１２が下方の層１０上に好ましくは化学的気
相デポジション或いは上述の他の技術によってデポジッ
トされる。

この層１２のデポジションに生立って、絶縁層１３がデ
ポジットされて、上述のアクティブ領域の精密な形状を
与えることが出来る。

感知器用途に於ては、該装置を完或するのに層１１の如
き上方の超伝導体層をデポジットすることだけが必要で
ある。

斯かる用途に於では、該上方の層１１は如何なる超伝導
材料であっても良く、そしてそれは好ましくは信頼性の
ある製造及び利用のために難溶性超伝導体である。

この上方の超伝導体層１１は窒化ニオブであって良い。

本発明は、ジョセフノン論理及びメモリ回路に於けるジ
ョセフソン・トンネル・ジャンクションスイッチにも用
いられ得る。

第３図を参照すると、この図では同様の参照数字は第２
図に於ける同様の構成部分を示しているが、論理又はメ
モリ回路の環境に於けるジョセフソン・ジャンクション
装置の更なる詳細を示している断面図が見られる。

当該技術に於て認識されているように、ジョセフソン゜
トンネル・ジャンクション装置は、マイクロ波条片移送
ラインを含むジョセフノン論理又はメモリ回路に於ける
アクティブなスイッチ素子として用いられ得る。

アクティブな装置を含むこの回路は一つの超伝導グラン
ド・プレーン１５とその上にデポジットされた一つの絶
縁層１６上に形成されている。

次に素子１０〜１４が、該絶縁層１６上に形成される。

更に一つの絶縁層１７が該超伝導体層１１上にデポジッ
トされ、そして制御ライン１Ｂがその上にデポジットさ
れて、該スイッチング装置のための制御磁界を与える。

下方の超伝導体層１０を通り、トンネリング電流により
半導体障壁１２を通り、そして超伝導体層１１を流れる
超伝導電流工は、ライン１８に与えられる制御電流Ｉ。

Ｏｎｔによって発生される磁界によって制御される。

この制御電流は、障壁１２を通って流れるジョセフソン
・トンネリング電流を制御することによってアクティブ
な装置のスイッチング機能を与える。

本発明の装置は、難溶な超伝導体，半導体及び絶縁体の
みを用いで製造され得ることが理解されよう。

例えば、超伝導体層１０，１１，１５及び１８の全ては
窒化二オブより成り、絶縁体層１３，１６及び１７は例
えば酸化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｏｘｉｄｅ）又は二
酸化シリコン（ ｓｉｌｉｃｏｎｄｉｏｘｉｄｅ） か
ら成る。

本発明によれば、障壁層１２は多結晶のシリコン，ゲル
マニウム或いはそれらの合金から成る。

アクティブなスイッチとして本発明のジョセフソン・ト
ンネル・ジャンクション装置を用いる超伝導回路を製造
するのに用いられ得る方法は、次の工程を含んでいる。

１）酸化されたシリコンの基質上に１０００乃至５００
０オングストロム単位の厚さにスパツタ・デポジショ又
は化学的気相デポジションによって窒化ニオブのグラン
ド・プレーン１５をデポジットすること、 ２）二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は非結晶シリコン（
１０００乃至２０００オングストロム単位の厚さ）のマ
イクロ波条片移送ライ／誘電体層１６を、スパッタリン
グによってデポジットすること、 ３）標準的なホトレジスト方法を用いて、該誘電体層１
６にパターンを形成してエッチングし、後にデポジット
されるべき回路パターンに対する必要な点に於で有効な
電気的接続を与えるため該グランド・プレーン１５を露
出させること、４）３０００オングストム単位の窒化ニ
オブをスパツタ・デポジション又は化学的気相デポジシ
ョンによってデポジットすること、 ５）標準的なホトレジスト方法及びドライ・プラズマ・
エッチング又は化学的エッチング又はスパツタ・エッチ
ングを用いて、王程４でデポジットされた窒化ニオブの
層をパターンづげて、下方の超伝導回路帯（ｓｕｐｅｒ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓｌａｎｄ
ｓ）め所望のパターンを形戒すること、超伝導回路帯の
この層は超伝導体層１０を含む。

６）スパッタリングによって二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）
の１０００乃至５０００オングストロム単位の厚さの層
をデポジットすること、この層は誘電体層１３を含む。

７）標準的なホトレジスト方法及びエッチング方法によ
って二酸化ケイ素の不所望の部分を除去することによっ
て開口１４を形成し、層１０上の障壁境界面が露出され
ること、 ８）多結晶シリコン，多結晶ゲルマニウム又は多結晶の
それらの合金を化学的気相デポジションによって５０乃
至１０００オングストロム単位の厚さにデポジットする
こと、この半導体層は真性状態のまへであっても良く、
或いはこの工程の間に、化学的気相デポジション雰囲気
に対して第■族又は第■族のドーピング材ガスを添加す
ることによりドープされても良い。

部分的な水素キャリア・ガス（約２０％の水素）が該ド
ーピング材を活性化するために用いられるべきである。

燐化水素（ｐｈｏｓｐｈｉｎｅ ）でドープされた水素
，燐化水素でドープされたアルゴン、或いはジボラン（
ｄｉｂｏｒａｎｅ）でドープされた水素又はジボランで
ドープされたアルゴンが用いられ得る。

化学的気相デポジション雰囲気は水素及びアルゴンを含
むキャリア・ガスを用い得る。

この工程でデポジットされた層は障壁１２を含む。

９）３０００オングストロム単位の厚さの窒化ニオブの
層がスパッタリング又は化学的気相デポジションによっ
てデポジットされること、この工程は上方の超伝導体層
１１を形成する。

１０）第９の工程でデポジットされた窒化ニオブ層の不
所望の部分を、標準的なホトレジスト方法及びエッチン
グ方法によって除去すること、１１）絶縁層１７を、二
酸化ケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎｄｉｏｘｉｄｅ） を３
０００オングストロム単位の厚さにスパッタリングする
か、又は一酸化ケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｏｎｏｘｉ
ｄｅ） を蒸着（ｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇ）すること
によりデポジットすること、 １２）該絶縁層１７の不所望領域を、標準的ホトレジス
ト方法及びエッチング方法によって除去すること １３）制御ライン１８を形成する上方の窒化ニオブ層を
スパツタ・デポジション又は化学的気相デポジションに
よってデポジットすること、この工程でデポジットされ
る層は、マイクロ波条片移送ライン間の必要なあらゆる
相互接続を形成するためにも機能し得る。

磁力計や電磁波検出器の如き感知器として利用するジョ
セフソン・トンネル・ジャンクション装置を製造する場
合には、第２図に示された装置は適当な基質上にデポジ
ットされて用いられることが認識されよう。

斯くて上述の方法は、基質上に窒化ニオブ層をデポジッ
トすることによって第４工程から始められる。

該装置を完戒するためには第５乃至第１０の工程が用い
られる。

斯かる感知器への応用では、グランド・プレーン及び制
御ラインは必要ないことが理解されよう。

上述の方法は例示にすぎず、本発明による新規な障壁材
料でもってジョセフソン゜トンネル゜ジャンクションを
アクティブなスイッチとして用いる超伝導回路を製造し
、また、ジョセフソン・トンネル・ジャンクション感知
装置を製造するのに他の方法が用いられ得ることが認識
されよう。

該絶縁層１３，１６及び１７の製造に関して上述した材
料は例示であって、他の適切な絶縁材料が、同一の効果
を得るのに用いられ得ることも更に理解されよう。

該超伝導層１０は窒化ニオブから戒るものとして記述し
たが、ニオブ・錫及びニオブ・ゲルマニウムの如き他の
複合難溶超伝導材料もまた用いられ得ると信ぜられる。

該超伝導体層１１，１５及び１８は、ニオブの如き他の
難溶超伝導金属を用いて好都合に製造され得る。

これらの層１１，１５又は１８の何れかに二オブが用い
られるときは、ｄ・。

・マグネトロン・スーパー・デポジション》電子ビーム
蒸着（ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍｅｖａｐｏｒａ
ｔｉｏｎ）又はｒ゜ｆａスパツタ゜デポジションはその
ための好ましいデポジション方法である。

論理装置，メモリ装置又は感知装置の製造に関？ての上
述の方法に於で与えられた寸法は例示であって、他の寸
法が同様の効果を得るのに用いられ得ることもまた理解
されよう。

第８の工程でデポジットされた層１２は典型的には１０
０台のオングストロム単位の厚さ、例えば５００オング
ストロム単位の厚さであることが予期される。

第８の工程に述べたドーピング方法は例示にすぎず、半
導体技術に於ては良く知られていることが認識されよう
。

同様の効果を得るのに他の従来からのドーピング方法が
用いられ得る。

第８の工程ノ間に、多結晶シリコン，多結晶ゲルマニウ
ム，又は多結晶のそれらの合金よりなる障壁層１２は容
易に且つ精密にドープされることができ、それ故、以上
に述べた如く障壁のフエル準位を正確に制御できる。

第５の工程などの上述のエッチング工程に関して、窒化
ニオブはドライ・プラズマ・エッチングを用いて、精密
且つ再現可能な態様で、容易且つ好都合にエッチングさ
れることが理解されよう。

ドライ・プラズマ・エッチングは、例えば、約９２％と
８％のテトラフルオロメタン（ＣＦ４ ）及び酸素（Ｏ
ｚ）のエッチング・ガス混合物を用いて行なわれ得る。

この工程にプラズマ・エツチャー（ｐｌａｓｍａ ｅ
ｔｃｈｅｒ）が用い゛られ得る。

これらのエッチングのパラメータは例示的なものであっ
て限定的なものではない。

同様の効果を得るのに他のエッチング材料及び方法が用
いられ得る。

記載されたエッチング・ガスは、窒化ニオブ層を幾分ア
ンダーカットするけれども、そのガスは下層のシリコン
層をもエッチングするので、ジョセフンン・ジャンクシ
ョン障壁として必要な部分を除いて、それを望ましく除
去することができると云う利点がある。

このエッチング・ガスは、該ジョセフソン装置のアクテ
ィブな領域を規定し又は交差絶縁（ ｃｒｏｓｓｏｖｅ
ｒ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）を与えるのに用いられる
二酸化ケイ素の如き絶縁材料層を除去し過ぎることはな
い。

上述の装置は、全て極めて安定な超伝導装置の製造を許
す難溶の材料を用いており、その特性は該装置が体験す
る室温と冷却剤温度との間の温度サイクルの数に依存し
ないことが理解されよう。

この利点は、鉛，鉛合金，又は他の非難溶性超伝導金属
をベースとしたジョセフンン装置技術によっては与えら
れない。

窒化ニオブは凡そ１５°Ｋ（Ｋｅｌｖｉｎ）の超伝導遷
移温度（Ｔｏ）を持っており、それはニオブのそれより
も高いので、或る種の用途に於てはニオブな用いる装置
よりも、より大きい有用性を与えることが理解されよう
。

特に、８０Ｋよりも低い冷却温度に関してジョセフソン
電流密度が温度に概ね左右されないことが望まれる場合
には、窒化ニオブは、ジョセフソン・ジャンクション装
置に於ける超伝導金属として有用である。

これは論理装置及びメモリ装置に関して有用な特性であ
り、また超伝導磁力計又はｒ−ｆ・検出装置に関して必
要であろう。

多結晶シリコン，多結晶ゲルマニウム，又ハ多結晶のそ
れらの合金の化学的気相デポジションの利用は、高度に
均一なフイルムを得るための半導体製造技術に於ける、
この１０〜１５年間の高度に発展したシリコン及びゲル
マニウム技術を利用することを許す。

例えば低圧デポジション技術を用いて、±１％以内の均
一な厚さのフイルムが、７．６２ｃｒｌＬ径（３インチ
径）の多数のウエーハー上に容易且つ同時にデポジット
される。

斯かる均一性は極めて再現性の高いジョセフソン装置を
もたらす。

以上に本発明をその好適な具体例を通じて記述して来た
が、以上に用いられて来た文言は、限定ではなく説明上
の文言であること、及び本発明の範囲及び精神から逸脱
することなく、その広汎な局面に於て前記特許請求の範
囲内に於で多くの変改がなされ得ることが理解されよう
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるジョセフソン・トンネル・ジャン
クション装置の平面図である。 第２図は第１図の装置の２−２線に於ける断面図である
。 第３図は、本発明によるジョセフソン゜トンネル゜ジャ
ンクションの断面図であって、別の配列の詳細を示して
いる。 符号の説明、１０，１１ ：超伝導体層、１２：障壁層
、１３，１６，１７：絶縁層、１４：孔、１５：超伝導
グランド プレーン、１８：超伝導制御ライン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１超伝導層１０と、結晶性半導体材料製の障壁層
   １２と、第２超伝導層１１とを具備しているジョセフソ
   ン・トンネル・ジャンクション装置において、上記第１
   超伝導層１０が障壁層材料や障壁層のデポジション雰囲
   気内物質と非反応性であり且つ障壁層のデポジション温
   度において難溶性の超伝導化合物製であり、上記障壁層
   が多結晶のシリコン，ゲルマニウム又はこれらの合金製
   であることを特徴とする、ジョゼフンン・トンネルジャ
   ンクション装置。 ２ 第１超伝導層１０が窒化ニオブ製であることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３ 第２超伝導層１１も窒化ニオブ製であることを特徴
   とする、特許請求の範囲第２項に記載の装置。