JPS59204287A - トンネル接合のゼロ電圧ジヨセフソン電流調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はジョセフソン・トンネル接会の製造、特に接合
へのイオン注入によってジョセフソン電流をトリミング
する方法に関する。

〔背景技術〕

ジョセフノン電流パラメータのトリミングは先行技術に
おいて種々の方法が知られている。例えばアニーリング
によるジョセフソン電流密度（Ｊｌ）の調整がＳ、Ｂａ
５ａｖａｉａｈ他、Ｉ　Ｂ　Ｍ　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤ
ｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、Ｖｏｗ、１
’７、Ｎｏ。

１１、Ａｐｒｉｌ　　１９７５、Ｐ、６４８Ｂに説明さ
れてお沙、またＲ、Ｂ、Ｌａｉｂｏｗｊｔｚ他、ＩＢＭ
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　　ＤｉｓｃＪｏｓｕｒｅ　　Ｂｕ
ｌｌｅｔｉｎ。

Ｖｏｌ、　　１　７、Ｎｏ、３、Ａｕｇｕｓｔ　　１　
９７４、Ｐ。

８２６にはレーザ・ビーム又は電子ビーノ・での加熱に
よるアニーリングによって限界温度（Ｔｏ）及び臨界電
流（Ｉｏ）を変化させる方法が示されている。レーザ照
射によって臨界温度ＴＣを変化させる方法は、Ｎ、Ｂｒ
ａｓｌａｕ他、Ｉ　Ｂ　Ｍ　　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉ
ｓｃｌｏｓｕｒｅ　　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、　　Ｖｏｌ、
１　８、Ｎｏ、’１　１、　Ａｐｒｉｌ　　１　９７６
、１）Ｉ）−３８４５−６８４６にも記載されている。

イオン照射損傷による臨界温度の変化はＥ、Ｉ）。

１（ａｒｒｉｓ他、Ｉ　Ｂ　Ｍ　　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
　ＤｉｓｃｌｏｓｕｒｅＢｕｌ　Ｉｅｔｉｎ、Ｖｏｌ、
、１　７、Ｎｏ、２、　Ｊｕｌｙ１９７４、Ｐ、６０４
に記載されている。

また他の目的のためにジョセフソン回路にイオン注入を
行なう事が、Ｅ、　Ｐ、　Ｈａｒｒｉｓ他、ＩＢＭ　Ｔ
ｅｃｈｎｉｃａｌ　　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　　Ｂｕｌ
ｌｅｔｉｎｌＶｏｌ、　１．７．　Ｎｏ、　２、Ｊｕｎ
ｅ　　１９７４＞　　ｐｐ、２５７−２５８及び同誌Ｖ
、ｏ　１．２　Ｄ　、　Ｎｏ、　６、Ｎｏ　ｙ　ｅ　ｍ
ｂ　ｅ１９７７、ｐｐ、２４３５−２４３６に記載され
ている。

米国特許第４１７６３６５号は、非常に高し・臨界電流
密度を有し且つドーパントがさらに臨界電流密度を増加
させるようなジョセフソン・トンネル・デバイスにつ℃
・て述べている。障壁は水素を含む雰囲気中でｒｆスパ
ッタリングによって付着される。

米国特許第３９０６２３１号は、１対の電極間のトンネ
ル１章壁がある分子種を含み、この分子がその分子のス
ペクトル特性を有する入射放射線をトンネル障壁に結合
する事ができるようなジョセフソン・デバイスを説明し
ている。結合された放射は超電導デバイスの既知のジョ
セフソン特１（１，を変化させる。その結果として、超
伝導トンネリング°デバイスは、ドーパントの分子種に
関係する特定の放射に対して同調又は敏感にされ得る。

イオン注入は他の型のデバイスの他の電気的特性を変化
させるためにも使用されても・る。

ｒ　　しかしながら、完成したトンネル接合のゼロ電圧
ジョセフソン電流を直接トリミングする目的でイオン注
入を用いる事はそのような参考文献の技術思想とは全く
異なるものである。

〔発明の概要〕

ジョセフソン・トンネル接合をディジタル集積回路に応
用する時、ゼロ電圧ジョセフソン電流■は、設計上の要
請を満たす厳格なマージンの範囲内に調整されなければ
ならない。

本発明の目的は、トンネル接合の製造後にトンネル接合
のゼロ電圧ジョセフソン電流を調整あるいはトリミング
する方法を提供する事である。

本発明によれば、接合のエネルギー・ギャップを減少さ
せる事によってトンネル接合のゼロＮ、圧ジョセフソン
電流をトリミングする方法が与えられる。

また本発明によれば、イオン注入によＪ）ンネル接合の
ゼロ電圧ジョセフソン電流をトリミングする方法が与え
られる。

本発明ではホウ素又はその他のイオンが用いられる。） 本発明の実施例によれば、設計上の要求を満たすのに必
要な１゜の変化量を定めるために、完成した接合のＩ−
Ｖ％性を測定し、テストしたジョセフソン接合を、ｌＸ
１０−６　）ルに排気されたイオン注入装置のサンプル
室に取シ伺けられた金属ブロック上に置く。接合は、室
温に保たれ、イオン・ビームにほぼ垂直な方向に配向さ
れ、５０ｋｅＶ〜２５００　ｋｅＶのエネルギーのイオ
ンを注入される。イオン注入ビームの空間的一様性はサ
ンダル」二で±２％である。大面積のサンプルにわたる
一様な注入は、サンプル上でビームを掃引するか又は静
止したビームに対してサンプルを移動させる事によって
得られる。ｌ−ＩＪ　ミンクを行なうのに必要なイオン
注入量は、較正曲線から決定される。必要なＩ。。トリ
ミングが行なわれた事を確認するために注入後Ｉ−Ｖ特
性を再測定し、さらに標準的な工程に従ってジョセフソ
ン・デバイスの製造を終える。

〔良好な実施例の説明〕

トンネル接合においてゼロ電圧ジョセフソン電流は、重
要な接合特性であシ、有効）・ンネル障壁厚さ、１章壁
高さ及び超伝導電極のエネルギー・ギャップ等の、調整
可能なパラメータに依存している４、回路設訓」二、Ｉ
ｏは厳格なマージンの範囲内に制御される必要がある。

■　の大きさは接合の処理条件に非常に敏感であって、
それらのマージンを充分に満足させる程度に工程をモニ
タする事ｉｄ：不可能である。従ってＩ。の調整は、制
御可能なトリミング方法を用いて、トンネル接合の製造
後に行なわれるのが最適である。

より具体的に説明すると、ジョセフソン・トンネル接合
の電流密度Ｊ１は接合面積Ａに対して規格化したジョセ
フソン電流工。即ちＪに■。／Ａである。ジョセフソン
・トンネル接合において、Ｊｌは超伝樽エネルギー・ギ
ャップ電圧ｖｇに線型に依存し、且つ−ｄｘ５〒了に指
数関数的に依存する（即ちＪ１〜Ｖ、ｅｘｐ（−ｄＸ、
ｒで了）乙ＴＩ　’ｔ’　）　）　）。但しｄはトンネ
ルの平均壁厚さ、０は平均障壁高さ、そしてｍ＊はトン
ネリング電子の有効質量である。■　のトリミングを行
なうために、これらのパラメータの１つ以上を、他のデ
バイス・パラメータに大きな影響を与える事なく、再現
性のある制御可能な方法で変化させる事が望ましい。

従来、熱アニーリング又は電子ビーム照射のいずれかに
よってジョセフソン接合を後処理する事により工。をト
リミングする事が提案されている。

Ｎ　　／Ｎ　　酸化物／Ｐｂ　Ａｕ　工□構造を用いて
形ｂ 成された接合は、Ｎｂ／Ｎ５酸化物／Ｎ、又はＰｂ合金
／酸化物／Ｐｂ合金接合よシも熱的に安定である。Ｎ、
ｂを２１０℃でアニーリングすると１時間後に接合電流
密度は約２０？あ、１８１１；に間抜には約５０％変化
し且つ接合のサブギャソゾ・コンダクタンスには僅かの
変化しか生じないが、Ｐｂ合金の対向電極の融点が低い
ためにこの方法はＩ。

のトリミング法としては魅力がない。Ｎｂ／酸化物／Ｎ
ｂ及びＰｂ合金／酸化物／　ｐ、　ｂ合金の接合の電子
ビーム照射は電流密度を２０〜６０％増加させるが、Ｎ
ｂ／酸化物／Ｐｂ合金接合への照射は、０１ｍＡの電子
ビーム電流及び３　Ｑ　ｋｅＶの電圧においてｄ：２〜
６％以上の変化は生じない。

Ｓ、　Ｓ、　Ｐｅｉ　、Ｔ、　Ａ、　Ｆｕｌ　ｔｏｎ、
　Ｌ、　Ｎ、　Ｄｕｎｋｌｃｂｃｒｇｅｒ及びＲ，Ａ、
　Ｋｅｃｎｅ、　Ｉ　ＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓ、　Ｍａｇ
、、ＭＡＧ−１９（１９８３）に記載されて℃・るよう
に対向電極にＩ　ｎ等の活性元素を添加する事か１゜を
変化さぜるために用いられるが、この方法は対向電極に
既にＩｎが含まれている構造には適用できない。

ジョセフソン・デバイスにおいて、接合の化学的組成及
び構造に対してトンネル接合の電気特性は敏感に依存し
、イオン注入は接合特性を悪い方向に変化させる可能性
がある。従って本発明の方法ハ、ジョセフソン・１・／
ネル接合を製造するために多大の工程制御が必要である
事並びにジョセフソン・トンネル接合の電気特性がトン
ネル障壁及び超伝導体／トンネル障壁界面に非常に敏感
な事を考慮している。また本発明の方法は、トンネル接
合へのイオン注入が構造上の変化、不純物ドーピング又
は注入損傷のいずれかによって１゜に影響を与えるし・
くつかの接合パラメータを変化させ得る小も認識してい
る。１実施例では、完成したＮｂ／Ｎｂ酸化物／ｐｂ　
　Ａｕ　　Ｉｎジョセフソン・デバイスへのホウ素イオ
ン注入を説明する。

本発明の１実施例の方法において、ゼロ電圧ジョセフソ
ン電流をトリミングあるいは調整するためにイオン特に
ホウ素イオンがトンネル接合中に導入される。ホウ素イ
オンは完成したＮｂ／Ｎｂ酸化物／　Ｐ　ｂ　Ａ　ｕ　
Ｉ　ｎ　　ンヨセフノン接合に注入される。イオン注入
は、■。及び接合サブギャップ・コンダクタンスを増加
させ、接合エネルギー・ギャップを減少させる。接合の
製造工程を固定した場合、Ｉｏの変化はＢイオンの注入
量に対して単調である。最適のトリミングは、Ｂイオン
の深さ分布のピークがトンネル障壁にオ６いて又はその
直下で生じるようにＢイオンが圧入される１１、ｔに生
じる。接合の電気特性の変化は、主にイオン注入による
Ｎｂ／Ｎｂ酸化物界面領域の変化によるものと考えられ
ている。

従って、イオン注入はジョセフソン・デバイス集積回路
のための再現性のある■。トリミング方法を提供する。

以下その方法をより具体的に説明する。最初に、Ｓ、１
．Ｒａ’１ｄｅｒ及びＲ，Ｅ、　Ｄｒａｋｅ　。

Ｉ　ＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓ、’Ｍａｇ、、ＭＡＧ−１７
、’）　９９（１’９８１）に記載されて℃・るような
公知技術を用いて、ジョセフソン・トンネル接合を製造
する。

接合において（第６図参照）、旧著されたＮｂ膜２４は
約２ｏｏｏＸの厚さであり、Ｎｂ表面のｒｆ　プラズマ
酸化によって形成された酸化物障壁２５は約２ＯＡの厚
さである。Ｐｂ　　Ａｕ　（４Ｍ量％）Ｉｎ（１２重量
％）の対向電極２６は、６５０ ００〜５’０００　Ａの厚さであって、酸化物トンネル
障壁２５上に付着されたものである。２５ＸのＮｂ０ｘ
Ｃｙの遷移領域がＮｂベース電極をＮ　ｂ　２０、トン
ネル障壁から分離している。プレーナー接合は、典型的
には６．６×１０−６ｃｍ”　　の面積を有するＳｉＯ
の窓によって画定された。エツジ８２ 接合領域（７，１Ｘ１０　　　ｃｍ）はＳｉＯ窓によっ
て画定され、陽極酸化されたＮｂラインの側面に形成さ
れた。エツジ接合は、酸化されたＳｉ基板（直径２．５
４ｃｍ）の表面に対して約４５　の角度で傾斜して℃・
る。注入された接合は０６４５ｃｍ２　の領域内に位置
している。またエツジ接合のあるものは互いに直交した
位置にある。本発明の方法はエツジ接合及びプレーナー
接合の両者に適用できる。

本発明の工程に従うと、接合は５０　ｋｅＶ〜２３００
　ｋｅＶのエネルギーのＢイオンを注入される。第１図
は典型的なイオン注入装置を示すものである。イオンは
イオン源１０から引き出され加速器１２により加速され
、アナライザ・マダイ、ット１４を経て、イオン注入室
１６に導かれる。ウェハ２２はサンプル・ホルダー１８
１−に置かれる。

第２図はサンプル・ホルダー１８を詳細に示すものであ
シ、ウェハ２２はクリップ２０によシホルダーに取り付
けられている。ウェハは１０　　’）ルの圧力に排気さ
れた容器内に数例けられる。イオン注入量及び注入速度
はウェハからの電流を積分する事によってモニタされる
。注入は室温で行なわれる。Ｉ３ビームはウェハの法線
に対して７゜で入射するように配向される。イオン・ビ
ームは６．５ｃｍ　　以上の領域にわたって±２％の空
間的一様性を有する。注入速度は典型的には２００ｎＡ
であり、積分されたＢ注入量は１０１３／ｃｍ２〜１０
１５／ｃｍ２　の範囲内である。４００ｋｅＶのＢ注入
の場合の典型的な深さ分布は第４図に示す通シである。

図面かられかるように深さ分布は約２ｏｏｏＸである。

イオン注入による接合特性の変化は、注入の前後に測定
した接合電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性から決定される。典
型的なＩ　−Ｖ特性が第５図に示されている。電流密度
Ｊ１、ギャップ電圧Ｖｇ及びサブギャップ・コンダクタ
ンスが各々測定される。

■ｇ／Ｔに指数関数的に依存する（但しＴは絶対温度）
設ご」パラメータＶ　はサブギャップ・コンダクタンス
に逆比例する。Ｖ　はＩ　　ＸＲ，とじｍ　　　　　　
Ｏｊ て定義される。但しＲ４はサブギャップ抵抗である。Ｒ
は経験的に、■＝１．７　ｍ　ＶにおいてＩ　−７曲線
と交差する直線状抵抗と定められる。

Ｎｂ／Ｎｂ酸化物構造に注入され、そこで停止したＢイ
オンだけが接合特性に影響を与えると信しられている。

これは第６図の、電流密度の変化ΔＪ１を注入エイ・ル
ギーに対してプロットした図に示されている。イオンが
ＰｂＩｎＡｕ・合金中で停止するか又は接合を通過して
基板中で停止した時、接合のＩ−Ｖ特性には何の変化も
起きない。

所定の注入量の場合、Ｉ−Ｖ特性の最大の変化は、Ｂ領
域の分布の中心がＮｂ酸化物トンネル障壁に又はその直
下に位置する時に生じる。Ｂ領域分布がＮｂ電極又は基
板中に深くシフトする時、Ｊｌ及びＶｍの変化は減少す
るが、ＪｌとＶｍとの間の相対的変化は注入分布の位置
に関係しない。

第７図で、４００ｋｅＶのＢ注入の場合の、電流密度の
変化ΔＪ１がエツジ接合及びプレーナー接合の両者に関
してＢ注大量の関数としてプロットされている。変化量
は多数のプレーナー接合及びエツジ接合の測定から得ら
れた。ΔＪ１はＢ注大量と共に単調に増加する事、及び
初期のＪｌ、サブキャップ・コンダクタンス、ｖ　１接
合面積又は接合の傾斜に相違があるにもかかわらず接合
がエツジか又はプレーナーかに関して僅かの依存性しか
示さない事に注意されたい。Ｂイオンｔｌ：人によるＩ
。、の変化は、接合の傾余１の小さな変動によって影響
される事はない。１０１４／　ｃｍ　　の全量注入の後
、■。、は約１５％増加した。この変化はトリミングに
関して実用的な興味のある範囲内にある。Ｂの全量注入
の後、エツジ接合に関する■。１の標準偏差は２％しか
増加しなかった。Ｑ−いに直交するエツジ接合は、注入
による■。の変化に相違を示さなかった。４．５Ｘ１０
１４のＢイオンの注入は、Ｊｌを＋８７％変化させた。

Ｂ注量に伴なうザブギャップ・コンダクタンスの増加は
、第８図にＶＩＴ＋によって示されている。Ｂ注大量に
対するＶ８の減少は第９図に示されている。

ザブギャップ・コンダクタンス従ってＶ　は、理想的（
ＢＣ８）接合における超伝導エネルギー・ギャップを越
える準粒子の熱的励起により生じる。観測されたΔＶｍ
は、対応するΔｖ８によりによって殆んど説明される。

差ギャップ及び和ギャップの測定は、ΔＶ　が殆んどＮ
ｂ電極の超伏専行性における変化による事を示した。

Ｂイオン注入による接合の電気特性の修正は、Ｎｂベー
ス電棲及びＰｂＡｕＩｏ対向電極の特性に関係しない。

第１０図に示すＩ　−Ｖ特性の変化は、酸化物の損傷又
は酸化物のドーピングから予期されるようにイオン注入
に伴なって酸化物障壁がより導電的にならない事を示し
た。トンネル障壁のドーピングは、１０１４／ｃｍ２　
のＢ注入量の場合約１０１８／ｃｍ３　であるが、注入
量及び深さ分布に依存し、トンネル障壁を形成するため
のプラズマ処理の詳細に強く依存しない。エラ／接合及
びプレーナー接合の比較によれば、イオンによシ誘起さ
れた変化は初期のＪｌ及びトンイ・ル障壁厚さに独立で
ある。従って、酸化物トンネル障壁のドーピングは接合
の７Ｌ気特性の変化を起こす機構ではなく、イオン注入
による易性の変化ばＮｂ／Ｎｂ酸化物界面領域の変化に
よるものと信じられている。

以上、完成したジョセフソン・トンネル接合のＩｏｌを
直接トリミングするためにイオン注入を用いる有効な方
法について述べた。このトリミング技術は、接合の製造
工程に最小限の変化しか与えずに達成でき、現在利用可
能な唯一の直接トリミング法である。ボウ素イオンは、
■　Ｋ最小限の変化しか与えずにＪｌに最大限の変化を
与えるという点で最適の１゜トリミングを得るために用
いられた。本発明の方法は、■ｏの変化が予測ｂ」能で
あシ、接合製造工程を固定すれば変化に再現性があハ変
化した接合特性が熱アニーリング後に安定であるので、
有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はジョセフソン・トンネル接合のイオン注入に用
いられるイオン注入装置の概略図、第２図は第１図の注
入装置中のサンプル・ホルダー」二に取り伺けられたサ
ンプルを示す図、第６図は本発明の原理に従って対向電
極を経てイオン注入されるジョセフソン・トンネル接合
ヲ示す図、 第４図けＮｂ／Ｎｂ酸化物／ＰｂＡｕＩｎｔ接合への４
００　ｋｅＶのＢ注入の場合の深さ分布を示す図、 第５図はＮｂ／Ｎｂ酸化物／　Ｐ　ｂ　Ａ　ｕ　Ｉ’ｎ
ジョセフソン・トンネル接合のＩＬ−Ｖ特性を示す図、
第６図はトンネル接合におけるＢの深さ分布とΔＪ１に
対するその効果を示す図、 第７図はエツジ接合及びプレーナー接合に関してＢ注大
量に対するＪｌの依存性を示す図、身８図は同様のｖｍ
の依存性を示す図、第９図は同様のＶｇの依存性を示す
図、第１０図は５×１０１４／ｃｍ２　の窒素の注入の
前後のｉ　−ｖ特性を示す図である。 １０・・・・イオン源、１２・・・・加速器、１８・・
・・サンプル・ホルダー、２２・・・・基板。 出願人インターナジョブフレ・ビジネス書マシーンズ・
コ−，ｊ−”ｌ、”７ヨ／ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、４ 深さ ＦｉＧ、５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の超電導電極、第２の超電導電極、及び該電極間の
   トンネル接合を形成し、 上記トンイ、ル接合の電流−電圧特性を測定し、上記接
   合のエネルギー・ギャップを減少させる事によって上記
   接合のゼロ電圧ジョセフソン電流の値を調整するように
   、上記トンネル接合にイオン注入を行なう工程を含む トンネル接合のゼロ電圧ジョセフソン電流調整方法・