JPS5923120B2 - 多層構造によるジヨセフソン集積回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、積み重ねられた複数の集積回路層を有し、各
集積回路層がジョセフソン接合素子を含むように構成さ
れた多層構造によるジョセフソン集積回路に関するもの
である。

従来の半導体集積回路においては、平面的（二次元的）
な回路構成のものしか作成することが出来ない。

信号を伝送するための素子間配線は多層にすることは行
われているが、能動素子の上にさらに能動素子を積み重
ねることは行われていない。これは、従来の半導体集積
回路はエピタキシャル成長層を加工して能動素子の部分
を作成するために、本質的に多層構造（三次元的）回路
構成にすることが不可能なためである。一方、従来から
トランジスタよりー層高速であり、また回路の小型化が
可能な能動素子を求めて種々の研究が行われている。

このような能動素子の中で有望視されている素子として
、ジョセフソン接合素子が挙げられる。ジョセフソン接
合素子は次のような長所を有するものである。この長所
とは、（至）消費電力の小さいこと（数μＷ乃至数１０
１ｔｗ）回 超高速スイッチング速度（数ＩＯＰＳ／ゲ
ート）（→ 低消費電力であるため熱放散が小さく、し
たがつて、高密度に集積できること、中 素子構造が簡
単であり、パターン形成には従来のＩＣ技術が利用でき
ること、… 簡単な回路構成で多様な論理動作が可能な
こと、等である。

しかし、システムとして考えると、回路を液体ヘリウム
温度（４．２°に）付近で動作をさせなければならない
ことは、欠点である。第１図はジョセフソン接合素子の
一部を分離して示す斜視図、第２図は正面図を示すもの
である。

第１図、第２図において、１はガラス又はシリコン等の
基板、２は超伝導金属で作られたグランド・プレイン（
ｇｒｏｕｎｄｐｌａｎｅ）、３、３’は超伝導体、４は
超伝導体３、３’の端部間に挟まれた酸化膜である。酸
化膜４の部分がジョセフソン接合を形成する。５、６は
絶縁層、１は超伝導コントロール線路を示すものである
。

なお、第１図は絶縁層６と超伝導体間及び絶縁層６と絶
縁層５との間に間隙があるように抽かれているが、実際
はこの間隙は存在しないものである。これまでのジヨセ
フソン接合素子を含む集積回路は、他の素子の集積回路
と同様に、平面的な集積化しか行われていない。

例えば、第１図、第２図に示したような素子を単位とし
て、平面的に多数の素子および付加回路を集積する方法
が行なわれている。ジヨセフソン接合素子を含む平面的
な集積回路は、構造が簡単であり、しかも、素子を形成
するための超伝導材料、絶縁層を形成する材料、負荷抵
抗を形成する常伝導材料、及び素子間を配線する超伝導
材料などは、すべて蒸着やスパツタリング等の手段によ
つて形成することが出来る。このことから、一層目の集
積回路層の上にさらに、二層目、三層目の集積回路層を
積み重ねて行くことが可能である。しかし、現実には次
のような問題がある。この問題とは、（１）ジヨセフソ
ン接合素子は非常に磁界に敏感であるので、ある集積回
路層内のジヨセフソン接合素子が、その集積回路層の上
下に位置する集積回路層に生じる磁界の影響を受け、誤
動作をするおそれがあること、（）第２図に示すように
、ジヨセフソン集積回路層の表面は同一高さの平面では
なく凹凸になつているので、この上に複数のジヨセフソ
ン集積回路層を積み重ねて行くと、各集積回路層は平担
でなく凹凸になり、上層の集積回路層ほど、この傾向は
著しく、集積回路層の形成が困難になること、等である
。

本発明は、上記の考察にもとずくものであつて、集積度
が向上できると共に、各集積回路層が隣接する他の集積
回路層に生ずる磁界の影響を受けず、しかも各集積回路
層を平らに形成することが出来る多層構造によるジヨセ
フソン集積回路を提供することを目的としている。

そして、そのため本発明の多層構造によるジヨセフソン
集積回路は、積み重ねられた複数の集積回路層を有し、
且つ各集積回路層がジヨセフソン接合素子を含むよう構
成された多層構造によるジヨセフソン集積回路において
、絶縁物を附着させることによつて上記各集積回路層の
表面が平面になるように形成されると共に、厚みがロン
ドンの磁界侵入深さよりも厚い遮蔽用超伝導金属層を各
集積回路層間に設け、上記遮蔽用超伝導金属層により集
積回路層内のジヨセフソン接合素子が他の集積回路から
の磁界の影響を受けないようにしたことを特徴とするも
のである。以下、本発明を図面を参照しつつ説明する。
第３図は本発明の多層構造によるジヨセフソン集積回路
の断面の一部を示すものである。第１図、第２図のもの
と同様に、基板１上にグランド・プレイン２が形成され
、その上に１層目のジヨセフソン集積回路層が形成され
る。この集積回路層は、第１図、第２図のものと同様に
、絶縁層５、ジヨセフソン接合を有する超伝導体３，３
′（たマし３′はこの図では示すことができない）、絶
縁層６及び超伝導コントロール線路７を有している。さ
らに、第１層の集積回路層においては、絶縁層６及び超
伝導コントロール線路７の表面に絶縁層８が附着されて
いる。これにより、第１層目の集積回路層の表面は同一
高さの平面になるように形成される。絶縁層８の表面に
は超伝導金属層９が形成される。この超伝導金属層の厚
みは、ロンドンの磁界侵入深さよりも厚く構成される。
この超伝導金属層９は、完全な磁気遮蔽体として働くも
のである。この超伝導金属層９の上に、ジヨセフソン接
合素子を含む第２層目の集積回路層が形成される。この
第２層目の集積回路層も、第１層目のものと同様に、絶
縁層５と、ジヨセフソン接合を有する超伝導体３，３″
と、絶縁層６と、超伝導コントロール線路７と、絶縁層
８とを有しており、さらに、この上に超伝導金属層９が
形成される。以下順次、集積回路層が形成されて行く。
本発明の多層構造のジヨセフソン集積回路は次のように
して製造することが出来る。

（ａ）基板１（スライド・ガラスまたはシリコン・ウエ
ハ一などを用いる）上に、マトリツプ線路のグランド・
プレイン２となる超伝導材料Ｎｂなど）を蒸着し、その
上にストリツプ線路の誘電体となる絶縁層（ＳｉＯ，Ｓ
ｉＯ２など）を付ける。

（ｂ）超伝導材料（鉛、錫など）を金属マスク又はホト
プロセスによるパターン形成技術によつて蒸着し、超伝
導体３を形成する。

（ｃ）超伝導体３の表面を酸化する。

酸化膜の厚みは１０Ａ０乃至５０表Ａ）酸化の方法とし
ては、酸素ガス中もしくは空気中での熱酸化、直流グロ
ウ放電による陽極酸化又は酸素プラズマ中での交流スパ
ツタ・エツチングなどがある。（ｄ）超伝導体３′を（
ｂ）と同じ方法で形成する。

（ｅ）絶縁層６（ＳｌＯ、又はＳｌＯ２など）で全面を
覆つて、その上に超伝導コントロール線路７を形成する
ため超伝導材料を蒸着する。（ｆ）全面に絶縁層８（Ｓ
ｌＯ，ＳｌＯ２など）を附着し、表面を同一高さの平面
とする。

（ｇ）超伝導金属層９を（ｂ）と同じ方法で蒸着する。

（ｈ）以下、所要回数だけ上記（ａ）乃至（ｇ）の工程
を操返す。基本的な製造工程は以上述べた通りであるが
、負荷抵抗が必要な場合には、上記の工程の途中で金や
白金などの常伝導金属を用いて形成する。

以上の説明から明らかなように、本発明の多層構造によ
るジヨセフソン集積回路層においては、各集積回路層の
表面が同一高さの平面とされ、且つ各集積回路層間に磁
気シールドの機能を有する超伝導金属層が設けられてい
る。このため、本発明の多層構造のジヨセフソン集積回
路は、各集積回路層及び超伝導金属層９の形成が容易で
あると共に、各集積回路層が完全に磁気遮蔽され、隣接
する集積回路層に生ずる磁界の影響を受けないという効
果を奏し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はジヨセフソン接合素子を一部分離して示す斜視
図、第２図はジヨセフソン接合素子の正面図、第３図は
本発明の多層構造によるジヨセフソン集積回路の一実施
例の断面の一部を示すものである。 １・・・・・・基板、２・・・・・・グランド・プレイ
ン、３，３″・・・・・・超伝導体、４・・・・・・酸
化膜、５及び６・・・・・・絶縁層、７・・・・・・超
伝導コントロール線路、８・・・・・・絶縁層、９・・
・・・・完全な磁気遮蔽の機能をもつ超伝導金属層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 積み重ねられた複数の集積回路層を有し、且つ各集
   積回路層がジョセフソン接合素子を含むよう構成された
   多層構造によるジョセフソン集積回路において、絶縁物
   を附着させることによつて上記各集積回路層の表面が平
   面になるように形成されると共に、厚みがロンドンの磁
   界侵入深さよりも厚い遮蔽用超伝導金属層を各集積回路
   層間に設け、上記遮蔽用超伝導金属層により集積回路層
   内のジョセフソン接合素子が他の集積回路からの磁界の
   影響を受けないようにしたことを特徴とする多層構造に
   よるジョセフソン集積回路。