JPS5845194B2 - 超伝導集積回路およびその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は表面の凹凸を生じないで素子の電極パターン、
配線パターン等を形成することにより、必要な層数だけ
回路を積層した超伝導集積回路およびその製法に関する
ものである。

従来のＩ Ｃはトランジスタを一平面にのみ配列し、配
線層もたかだか３層迄である。

このため素子の集積度を増大させるには回路全体の微細
化が唯一の手段である。

このため細線化による配線抵抗増大が生じ、伝搬遅延時
間の増加をもたらす。

第１図はジョセフソン接合素子の基本形を示したもので
、超伝導電極４と８は薄いトンネル障壁層６をはさんで
接合している。

制御線１１の作る磁界によって、この特性は変化をうけ
スイッチ動作を行わせることができる。

この素子は消費電力が数１０ＰＪと小さいため、高密度
に回路を集積することが可能で、トランジスタの場合と
異なり素子を多層に積み重ねても充分冷却できる。

しかし、Ｓｉ−上のり、ＳＨの技術をそのまま用いると
表面に凹凸が生じ、多層化をはかることは難かしくなる
。

第２図は従来の薄膜技術により第１図の素子を基板上に
形成した場合の断面を示したものである。

第１図と異なり電極８と１１の間はＳｉＯ□などの絶縁
体で埋められるが、５１０２の膜は下にパターンがある
所とそうでない所で高さが異なり、従って表面ｌこ門凸
が生ずる。

この凹凸は層数が多くなると累積され、益々ひどくなる
。

配線パターンのみでなく、層間を結ぶスルホールのよう
なものも凹凸の原因となる。

これらの凹凸は素子、配線の形成を困難にするのみでな
く断線故障の原因となる。

本発明は配線や層間接続（従来のスルホール）によって
生ずる各層表向の凹凸をなくシ、ジョセフソン接合素子
を何階にも積み重ねることが出来る集積回路形成法を提
供することを目的とする。

そのため、蒸着膜がレーザアニールで絶縁体から超伝導
体に変化する酸化物材料を用い、レジストを用いる工程
を含まないで配線層間接続を行うことを特徴とする。

第３図は本発明におけるレーザアニールを行ったＢａｐ
ｂＯ，７５Ｂ’０．２５０３およびＬ ｉ Ｔ １２０
４の極低温での抵抗率の温度変化を示す。

倒れの物質も蒸着したアモルファス膜はＩＭΩｍυ、土
の絶縁体である。

ＹＡＧレーザのビート径２０μｍ１走査速度１ＣｒｆＬ
／秒でパワーを変えＢａｐｂＱ、７５ Ｂｉ ｏ、２５
０３膜（厚さ４０００Ｘ）に照射した結果が第３図Ａで
、１０Ｗのとき膜全体が超伝導体になり約１０°にで転
移する。

７Ｗのときは３４’にで超伝導になるが、４２°にでは
常伝導体である。

これは適当な形状にすると抵抗として使用できる。

同じ＜ＬｉＴｉ２Ｏ４膜（厚さ３５００Ａ）？こ照則し
た結果が第３図Ｂであり、８Ｗで膜全体が超伝導体（こ
なり約１１．５°にで移転する。

５．５Ｗでは半導体になる。

後の場合は抵抗として使用できる。ＢａＰｂ１ 、Ｂｉ
ｘ０３は０．０５＜Ｘ ＜ ０．３の範囲で超伝導にな
るが、Ｘが０，２５で最大の転移温度を示し、Ｘがこの
値からずれるとこの温度は下る。

Ｌｉ（ｘ＋ｘ）”１（２−Ｘ）０４は−０，２りＸ ＜
０．３で約１２°にの超伝導転移をする。

超電動になるために充分なレーザパワーは両材料ともＸ
値に依存しない０ 本発明の実施例を第４図に基づいて説明する。

シリコン（Ｓｉ）またはアルミナ（Ａ１２０３）などの
基板１の上に組成物のＢ ａ Ｐ ｂ ＋ −ｘ Ｂ
ｌｘ Ｏ３（０，０５＜ｘ ＜０．３０ ）またはＬ
Ｉ （ｔ＋ｘ）Ｔ Ｉ （２−４）０４ （０，２＜Ｘ
＜０．３ ）を３０００〜５０００Ａ厚に蒸着して絶縁
体層３を形成する。

これらの組成物材料は基板温度を常温（こして蒸着する
とアモルファスになるが、レーザアニール番こより上記
のように超伝導体又は半導体（抵抗体）にすることがで
きる。

このような方法で先づレファランス層２を形成する。

１．・−ザの照射条件は第３図と同じパワー密度と走査
速度である。

レファランス層２内にクリアランスを設けるときは適当
なパターンのマスクを用いる。

上記組成物を用いて層３のアモルファス膜約１μｍを蒸
着し、レーザアニールで電極４および配線４′を形成す
る。

この場合、超伝導体の厚さは数１００ＯＡでよいから毛
査時間を早くしてよい。

２０μｍ以下のパターンでは適当なパターンをもったマ
スクを用いる。

層２と４および４′とはストｊツブ線路を構成する。

Ｂ ａ Ｐ ｂ １− ｘ Ｂ ｌｘ ０３の場合は本
出願人の特許５４−１４３１２６によりトンネル障壁層
６としてＢａ５ｎ０３（厚さ１．０〜３０Ａ）。

ＳｒＰ ｂｌ −ＸＢ ｌ ｘ０３ （０，０５りｘ
＜０．３） （１００〜３００Ａ）を蒸着する。

Ｌ＋ ６ ＋Ｘ ）”（２ｘ）０４の場合はＬ ｉの過
剰な■、！（１＋ｘ４−ａ）Ｔｉ（２−ｘ）０４（１＋
Ｘ十α＞０．３３．厚さ１０〜３０Ａ）を蒸する。

後者については本出願人の特許５４１６４５６Ｈこ詳述
されている。

トンネル障壁の両側の超伝導電極の表面に他の物質が付
着して汚れていると正常なジョセフソン接合が形成され
ないので、層６を形成する＠に真空中で下層３の表面を
クリーニングし、直ちσこ層６を蒸着し、引続き同じ真
空中でＢａＰｂ（１−ｘ）Ｂｉｘ０３又はＬｉ（１＋ｘ
）Ｔｉ（２−Ｘ ）Ｑ３を蒸着して、３０００〜５００
０Ａ厚の絶縁体層７を形成する。

真空から取出し、層７の１／−ザアニールにより、ジョ
セフソン接合上部電極８、配線８′、層間接続９等を形
成する。

層間接続のパターンは丸い点の配列なのでマスクを通し
てレーザを照射して形成する。

層１０を上記組成物を用いて１１ｚｍ程度蒸着形成し、
レーザアニールＧこより制御線１１、配線および層間接
続１２を形成する。

同じく層１３を上記組成物を用いて１−μｍ程度蒸着形
威し、層間接続１４をレーザアニールｌこより形成する
。

層間接続には配線より照射時間を長くシ、十層迭超伝導
体でつながるよう注意が必要である。

上部との電磁的遮へいのためレーザアニールによりｌ／
ソファンス２を層１３中に設ける。

以上で配線４′と層間接続９の間Ｏこジョセフソン接合
の部分と同じ物質の層が介在するが、回路の動作時に磁
界が印加されないので、ある制限値以Ｆの電流では零電
圧に保たれ、層間接続の役割に支障を来たさない。

第５図は第４図で述べた方法を繰返すことにより、基板
１のＬに第１階から第Ｎ階まで超伝導回路を積み重ねた
構造の三次元集積回路の断面の部を示すものである。

各階層の回路は超伝導体のレファランス層に仕切られ、
マイナス効果によって相互間の電磁的誘導は遮断されて
おり、階層間の接続はクリアランス１７を通る配線で行
われる。

チップの入出力端子は例えば１６のようにして設け、こ
の土（こＰｂ−８ｎ半田を蒸着しておく。

第６図はチップの入出力端子の配列のパターンを示し、
端子数に応じ第６図Ａ−Ｃを用いる。

また第７図はチップの断面を示す。

通常は第７図Ａの構造を用いるが、第１図Ｈのようにチ
ップの両面に回路を設けることがある。

第７図Ｂの場合はあらかじめ点線で示すスルホール１８
で両側が接続され、端子１９が設けられた基板１′を用
いる。

この構造の集積回路は集積度が向上するのみでなく、片
側から入力し、厚さ方向に信号が処理され、右の側から
出力を取出すことができ、処理すべき信号数が多い場合
に適用される。

以−Ｌ説明したように本発明においてはＬ／シストを使
ってパターン形成する工程がないので、酸、アルカリに
よって薄膜が侵されることもなく、工程数を大幅に節約
できる。

また、エツチングで各層表向に凹凸を作る工程がないの
で、理論的には何階層ｌこも回路を積み重ねることがで
き、回路の微小化と合わせて用いれば、シリコン−Ｅの
トランジスタによるＬＳＩをはるかに越える集積化が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のジョセフソン接合素子の斜視図、第２図
は従来の製法によるジョセフソン接合素子の断面図、第
３図Ａおよび１３は本発明におけるレーザアニールの効
果を示すグラフ、第４図は本発明の一実施例による超伝
導集積回路の説明図、第５図は超伝導回路を第Ｎ階まで
枯層した超伝導集積回路の説明図、第６図は回路を構成
するチップ入出力端子の配列を示す平面図、第７図はチ
ップの説明図である。 １・・・・・・基板、２・・・・・・レファランス層、
３・・・・・・絶縁体層、４・・・・・・ジョセフソン
接合下部電極、４′・・・・・・配線、５・・・・・・
層間接続、６・・・・・・トンネル障壁層、７・・・・
・・絶縁体層、８・・・・・・ジョセフソン接合り部電
極、８′・・・・・・配線、９・・・・・・層間接続、
１０・・・・・・絶縁体層、１１・・・・・・制御□□
線、１１′・・・・・・配線、１２・・・・・・層間接
続、１３・・・・・・絶縁体層、１４・・・・・・層間
接続、１５・・・・・・絶縁体層、１６・・・・・・入
出力端子、１７・・・・・・クリアランス、１８・・・
・・・基板内スルホール、１９・・・・・・基板両面の
接続端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上（こ形成された絶縁体膜と、この絶縁体膜中
   に形成されたジョセフソン接合電極とを包含し、上記絶
   縁体膜は組成物のＢａＰｂ１−ｘＢｉｘ０３（０，０５
   ＜ｘ＜：０．３ ）又はＬ Ｉ （ｔ ＋ Ｘ）ＴＩ
   （２−ｘ）０４（−０，２＜ｘ＜０．３ ）から成り、
   上記電極は上記絶縁体膜にレーザビームを選択的に照射
   することにより形成されることを特徴とする超伝導集積
   回路。 ２ 基板上にＢａＰｂ１−ｘＢｉｘ０３（００５くＸく
   ０．３）又はＬｌ（ＩＸ）”（２−Ｘ）０４（０，２＜
   Ｘり０．３）で示される組成物を蒸着して、絶縁体膜を
   形成し、この絶縁体膜σこレーザビームを選択的に照射
   してこの中にジョセフソン接合電極を形成することを特
   徴とする超伝導集積回路の製造方法。 ３ 上記レーザビームの照射は所定パターンを有するマ
   スクを介して実施される特許請求の範囲第２項記載の方
   法。 ４ 基板と、この基板上に形成されたレファランス層と
   、このレファランス層十０こ形成された第１の絶縁体層
   と、この第１の絶縁体層中に形成されたジョセフソン接
   合の下部電極と、上記第１の絶縁体−Ｌに形成されたト
   ンネル障壁層と、この障壁層上に形成された第２の絶縁
   体層と、この第２の絶縁体層中に形成されたジョセフソ
   ン接合の上部電極と、上記第２の絶縁体上に形成された
   第３の絶縁体層と、この第３の絶縁体層中にぞれそれ形
   成された制御線および層間接続体とを包含し、上記第１
   、第２および第３の絶縁体層はそれぞれ組成物のＢ ａ
   Ｐ ｂ （１−Ｘ ） Ｂ ｔ ｘ ０３ （（１０
   ５＜ ｘ ＜ ０３）の蒸着によって形成され、寸二記
   しファランス層、上記下部電極、上記上部電極、上記制
   御線および上記層間接続体はそれぞれ上記各絶縁体層Ｏ
   こレーザビームを選択的ｌこ照射することｌこより形成
   され、そして上記１−ンネル障壁層は組成物のＢ ａ
   Ｓ ｎ ０３又は５ｒＰｂ（１−ｘ）Ｂｉｘ０３（０，
   ０５＜Ｘくｏ、３）の蒸着によって形成されることを特
   徴とする超伝導集積回路。 ５ 上記第１、第２、第３の絶縁体層はそれぞれ組成物
   のＬ ｊ （１＋ Ｘ ）Ｔｊ （２−Ｘ ）０４（−
   ０，２＜Ｘ＜０．３）の蒸着によって形成され、上記レ
   ファランス層、上記下部電極、上記上部電極、上記制御
   線、および上記層間接続体はそれぞれ上記各絶縁体層に
   レーザビームを選択的に照射することにより形成され、
   そして上記トンネル障壁層は組成物のＬｉ（１＋ｘ＋ａ
   ）Ｔｉ（２，）０４（］＋ｘ＋α＞０．３３）の蒸着に
   よって形成されることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項記載の超伝導集積回路。