JPS613481A - トンネル型ジヨセフソン素子及びその作製方法 - 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】 羞１よｐｌＪ分！ 本発明は、トンネル型ジョセフソン素子とその製造方法
に関するものである。

従来の技術 トンネル型ジョセフソン素子は、基本的に２つの超伝導
体（下部電極と対向電極）の間に３０人から５０人の薄
い絶縁層（トンネルバリア層）をはさんだ構造を有して
いる。

そのようなトンネル型ジョセフソン素子は、従来、次の
ようにして作製されている。すなわち、■Ｐｂ、Ｎｂ等
の下部電極の形成、■下部電極パターニング、■Ａｒ等
の不活性ガスによる下部電極表面スパッタクリーニング
、■通常下部電極の酸化膜で構成されるトンネルバリア
層の形成、■Ｐｂ。

Ｎｂ等の上部電極の形成という手順で作成されていた。

しかし、電極材料にＮｂを用いる場合には、従来の方法
では、次のような問題点が存在した。すなわち、第１の
問題は、上記■の工程において、電極表面のスパッタク
リーニングをＡｒにより行う際、Ｎｂに対するスパッタ
収量が小さいため、放電電圧を高くする必要があるが、
エネノ、レギ′−の　−高いＡｒイオンの衝突により電
極表面がダメージを受は表面の超伝導特性が劣化するこ
とである。

第２の問題は、Ｎｂが化学的に極めて活性であるため、
Ａｒ中でのスパッタクリーニングの・際、酸素などの残
留不純物ガスを逆に吸着することが　″あり、これを、
解決するために、１Ｏ−９Ｔ、ｏｒｒ以下に維持するこ
とができる極超高真空排気装置を必要とし、生産性が悪
くなることである。

上記問題点を解決するために、Ａｒ中に５〜１５％のＣ
Ｆ　ｉガスを含んだ混合ガスでスパッタクリーニングす
る方法が見いだされ、ダメージの少ない下部電極クリー
ニングと高品質トンネルバリア層の形成に成功した。

しかし、Ｎｂなどの活性な材料を上部電極に用いる場合
、次９ような問題が存在した。

すなわち、形成されたトンネルバリア層（ここではＮｂ
酸化物Ｎｂ２０５）上に上部Ｎｂ電極を形成する際、活
性なＮｂとトンネルバリア層が化学反応を起こし、Ｎｂ
の超伝導特性が劣化したり、トンネルバリア層が変質し
て、ＮｂＯ，、ＮｂＯ２等の非絶縁性の低級酸化物にな
ったりする。そのために、最終的にできるトンネル型ジ
ョセフソン素子の特性が悪いなど、素子の品質が低く、
また生産性も悪いという欠点があった。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたのように、従来のＮｂ　　）ンネル型ジョナ
フソン素子は、電極の超伝導特性の劣化や、電極とトン
ネルバリア層との間に非絶縁性の低級酸化物が介在する
などの理由により、特性が悪いなどの素子の品質の低い
問題があった。

また、Ｎｂ　　）ンネル型ジョセフソン素子の従来の作
成方法では、以上のように電極とトンネルバリア層が化
学反応を起こし、下部電極の超伝導特性が劣化したり、
トンネルバリア層が変質して、非絶縁性の低級酸化物が
生成するなどの問題があり、また、生産性も悪いという
欠点を有していた。

そこで、本発明は、上記した従来の問題を解決したＮｂ
　トンネル型ジョセフソン素子及びその作製方法を提供
せんとするものである。

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明によるならば、電極にＮｂ超伝導薄膜
を用いたトンネル型ジョセフソン接合素子において、下
部Ｎｂ電極とトンネルバリア層との間と、該トンネルバ
リア層と上部Ｎｂ電極との間とに、Ｎｂフッ化物層を介
在させたことを特徴とするトンネル型ジョセフソン素子
が提供される。

更に、本発明によるならば、下部Ｎｂ電極表面をＣＦ、
とＡｒとの混合ガスでＲＦスパッタクリーニング処理し
て下部Ｎｂ電極表面上にＮｂフッ化物層を形成し、該Ｎ
ｂフッ化物層上にトンネルバリア層を形成し、そのトン
ネルバリア層の表面をＣＦ　４とＡｒとの混合ガスでス
パッタクリーニング処理して該トンネルバリア層表面上
にＮｂフッ化物層を形成し、次いで上部Ｎｂ電極を形成
することを特徴とするトンネル型ジョセフソン素子の作
製方法が提供される。

遣月 以上のような本発明によるトンネル型ジョセフソン素子
においては、下部Ｎｂ電極とトンネルバリア層との間、
及び上部Ｎｂ電極とトンネルバリ、ア層との間に、安定
なＮｂフッ化物層が積極的に設けられているので、好ま
しくない非絶縁性の低級酸化物などが介在することはな
く、特性の優れたトンネル型ジョセフソン素子が得られ
る。

また、上記した本発明によるトンネル型ジョセフソン素
子の作製方法においては、トンネルバリア層形成前の下
部電極クリーニングをＣＦ、とＡｒとの混合ガスでのＲ
Ｆスパッタリングにより行い、且つ、トンネルバリア層
形成後に、こメトンネルバリア層をＣＦ、とＡｒとの混
合ガスでのＲＦスパッタリング処理している。このよう
にしてＮｂ　フッ化物層を介在させて素子を形成するこ
とにより、トンネルバリア層形成時および上部電極形成
時に、電極とトンネルバリア層が化学反応を起こし、電
極の超伝導特性が劣化したり、トンネルバリア層が変質
して、非絶縁性の低級酸化物が生成するなどの問題が発
生しない。従って、トンネルバリア層の劣化が抑えられ
、良質なＮｂ上部電極を形成することができ、高品質な
Ｎｂ　　）ンネル型ジョセフソン素子を実現できる。

実施例 以下、本発明を具体的に説明する。

Ｎｂを電極としてトンネル型ジョセフソン素子を作製す
る場合、絶縁基板上に下部電極用Ｎｂ薄膜をスパッタリ
ングにより形成する。そして、その下部電極のパターニ
ングは、通常、フォトプロセスを用いウェットエツチン
グにより行われる。

このため、下部電極表面はレジスト、酸あるいは大気中
の酸化によって汚染されているので、トンネルバリアを
形成する前に、スパッククリーニングを行う必要がある
。

しかし、Ｎｂは、化学的に活性で雰囲気の不純物（特に
酸素）を取り込みやすいため、Ａｒガス中でスパッタし
た場合には、上述したように、効果的な不純物除去が必
ずしも容易でない。

活性なＮｂ表面をスパッタクリーニング過程での不純物
付着から守るためには、スパックエツチングと同時に表
面層を他の安定な保護層、例えばＮｂ−Ｆで覆うことが
考えられる。そこで、本発明の発明者らは、種々研究し
、その安定な保護層を、ＡｒとＣＦ、との混合ガス雰囲
気下での反応性スパッタリン、グを施すことによって設
けることを想到した。

また、この後、下部電極を酸化してトンネルバリア層（
Ｎｂ２０．）を形成し、次にトンネルバリア層上に上部
電極Ｎｂを形成した場合にも、上述したように、Ｎｂ２
Ｏ５とＮｂとの反応が生じ、トンネルバリア層と上部電
極の界面に劣化層（ＮｂＯ。

Ｎｂ０２）が生成してしまう。

そこで、本発明の発明者らは、種々研究し、この劣化層
の生成を抑えるためには、トンネルバリア層をＡｒとＣ
Ｆ、との混合ガス中で比較的短時間スパッタクリーニン
グ処理を施して、少なくともトンネルバリア層の表面に
保護層（Ｎｂ−Ｆ）を設けることを想到した。

以上のように、■トンネルバリア層形成前の下部電極Ｎ
ｂのＡｒとＣＦ４の混合ガス中でのスパッタクリーニン
グ、■上部電極形成前のトンネルバリア層のＡｒとＣＦ
、の混合ガス中でのスパッタクリーニングの２つの処理
を行うことにより生成されるＮｂ−Ｆ保護層のため、下
部電極とトンネルバリア層の界面、トンネルバリア層と
上部電極の界面のいずれにおいても劣化層の生成を抑制
することができる。

従って゛、以上のように、下部Ｎｂ電極とトンネルバリ
ア層との間、及び上部Ｎｂ電極とトンネルバリア層との
間に、安定なＮｂフッ化物層が積極的に設けられたトン
ネル型ジョセフソン素子は、それらの間に好ましくない
非絶縁性の低級酸化物などが介在しないので、特性の優
れたトンネル型ジョセフ”ソン素子となる。

以下具体例を挙げて説明する。

例１′（従来例） Ｎｂターゲット（１００ｍｍφ）を用いてＤＣマグネト
ロンスパッタ法により表面に熱酸化膜のあるＳｉ基板（
Ｓｉｎ２膜厚１μｍ）上に、５００℃の基板温度で、２
　Ｘｌ０−２ＴｏｒｒのＡｒガス圧中でスパッタして３
０００人の下部Ｎｂ電極薄膜を形成した。この薄膜の超
伝導臨界温度Ｔｃは９．２Ｋを示した。この薄膜をレジ
ストコート、露光、現像エツチングし、下部電極とした
。次いで、再度レジストコート、露光、現像して上部電
極用のステンシルを形成した。

次に、これらの薄膜基板を用いてトンネル型ジョセフソ
ン素子を従来の方法で作製した。すなわち、パターニン
グした下部電極基板を１Ｏ−２ＴｏｒｒのＡｒガス中で
放電電圧Ｖｐ−ｐ＝８００Ｖで３０分間スパッタして表
面をクリーニングしたのち、１０””ＴｏｒｒのＡｒ−
５％０２ガス中で放電電圧Ｖｐ−ｐ＝５００Ｖで３分間
プラズマ酸化し、Ｎｂ２Ｏ５の薄膜を３０〜５０Ａの厚
さに形成した。その後、Ｎｂの上部電極４０００人を室
温でスパック法により形成して素子を作製し、た。得ら
れた素子のＩ−Ｖ特性は第」図に示すようにブリッジ型
の特性を示した。

そして、以上のようにして作られたジョセフソン素子に
ついて、オージェ電子分光装置を用いＡｒイオンガンで
エツチングを行うことにより、膜厚方向の元素分析を行
った。第３図にその結果を示す。

例２（発明例） 上記例１と同様に作製した下部電極基板を、本発明によ
り、２　Ｘｌ０−２ＴｏｒｒのＡｒ−１０％ＣＦ、ガス
中で放電電圧Ｖｐ−ｐ＝８００Ｖで３０分間スパッタリ
ン　グして表面をクリーニングしたのち、１０””Ｔｏ
ｒｒのＡｒ−５％０２ガス中で放電電圧Ｖ’ｐ−ｐ　＝
　５００　Ｖで３分間プラズマ酸化することにより、膜
厚３０〜５０人のＮｂ２Ｏ５のトンネルバリア層を形成
した。

次いで、そのトンネルバリア層を２　Ｘｌ０−２Ｔｏｒ
ｒのＡｒ−１０％ＣＦ、ガス中で放電電圧Ｖ　ｐ−ｐ　
＝　４００　Ｖで５分間スパッタすることにより表面処
理を施し、Ｎｂフッ化物層を形成した。

次ぎに、Ｎｂ上部電極を室温でスパック法により形成し
て素子を作製した。得られた素子のＩ−■特性は第２図
に示すようなトンネル型特性であった。

また、以上のようにして作られたジョセフソン素子につ
いて、オージェ電子分光装置を用いＡｒイオンガンでエ
ツチングを行うことにより、膜厚方向の元素分析を行っ
た。第４図にその結果を示す。第４図からは、フッ素が
検出された領域に相当するＮｂフッ化物層の厚さは、酸
素が検出された領域に相当するトンネルバリア層よりも
、薄い、ことがわかろう。

ここで、第３図と第４図とを参照して、例１の従来方法
で作製した素子と例２の本発明の方法で作製した素子を
比較すると、ＮｂおよびＯの存在状態については画素子
とも同程度であるが、Ｆについては従来法で作製した素
子では全く検出されないのに対し本発明で作製した素子
では、上部電極とトンネルバリアの界面及びトンネルバ
リアと下部電極の界面に多量に存在することが判る。

例３（比較例） 例１と同様にして作製した下部電極薄膜を用いて、つぎ
のようにして素子を作製した。下部電極。

クリーニングをＩ　Ｘｌ０−２ＴｏｒｒのＡｒ−５％Ｃ
Ｆ、ガス中でＶｐ−ｐ　＝　１０００　Ｖで４０分間行
った後、３　Ｘｌ０−２ＴｏｒｒのＡｒ−８％０２ガス
中でＶｐ−ｐ　＝４００　Ｖで５分プラズマ酸化してト
ンネルバリア層を形成し、次にトンネルバリア層の表面
処理を行うことなく、直接Ｎｂ上部電極を電子ビーム蒸
着により形成した。この場合、得られた素子は第５図に
示すように品質の悪いトンネル型Ｉ−Ｖ特性であった。

例４（発明例） 例３と下部電極クリーニング、トンネルバリア層形成、
上部電極形成の条件は同一とし、上部電極形成前にトン
ネルバリア層をＩ　Ｘ、１Ｏ−２ＴｏｒｒのＡｒ−５％
ＣＦ、ガス中でｖｐ−ｐ　＝５００Ｖで３分間スパッタ
する表面処理を付は加えて素子を作製した。

この素子は第６図に示すように良好なトンネル特性であ
った。

例５（発Ｈ例及び比較例） 例１と同様にして作製した下部電極薄膜を、５　Ｘｌ０
−’ＴｏｒｒのＡｒ−２０％ＣＦ、ガス中でＶｐ−ｐ−
６００■で２０分間クリーニングしたのち、１０Ｔｏｒ
ｒの０２ガス中において１０時間放置することにより酸
化し、次いで、４　Ｘ　１Ｏ−２ＴｏｒｒのＡｒ−５％
ＣＦ、ガス中でＶｐ−ｐ　＝　３００　Ｖで１．３．５
．１０．２０分と時間を変化させてトンネルバリア層を
表面処理した後、Ｎｂの上部電極を電子ビーム蒸着によ
り形成した。トンネルバリア層の表面処理時間が１．３
．５分の場合には、素子は第７図に示すようにトン　　
　゛ネル型のＩ−Ｖ特性を示した。しかし、その処理時
間が１０分、２０分間の場合には素子は第８図に示すよ
うにショート状態の特性を示した。処理時間のみによっ
て１元的に決定されないが、このように処理時間が長い
場合には、トンネルバリアが消滅するために、トンネル
型のＩ−Ｖ特性が得られない。

発明の詳細 な説明したように１１本発明によるトンネル型ジョセフ
ソン素子においては、下部Ｎｂ電極とトンネルバリア層
との間、及び上部Ｎｂ電極とトンネルバリア層との間に
、安定なＮｂフッ化物層が積極的に設けられているので
、好ましくない非絶縁性の低級酸化物などが介在するこ
とはなく、特性の優れたトンネル型ジョセフソン素子が
得られる。

本発明によればＮｂ下部電極表面およびトンネルバリア
層表面をＣＦ、とＡｒの混合ガス中でＲＦスパッタクリ
ーニングすることにより、それらの表面にＮｂ−Ｆ化合
物が形成され、これが下部電極、トンネルバリアを保護
する役割を果たすのである　゛から、化学的に活性なＮ
ｂを下部・上部両電極を上部電極形成時に、電極とトン
ネルバリア層が化学反応を起こし、電極の超伝導特性が
劣化したり、トンネルバリア層が変質して、非絶縁性の
低級酸化物が生成するなどの問題が発生せず、品質のよ
いジョセフソン素子を再現性よく作製できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来方法により作製したブリッジ型のジョセ
フソン素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ、第２図は、本発
明の方法により作製したトンネル槃のジョセフソン素子
のＩ−Ｖ特性を示すグラフ、 第３図は、従来法で作製した素子の膜厚方向でのオージ
ェ電子分光による元素分析結果を示すグラフ、 第４図は、本発明による方法で作製した素子の膜厚方向
でのオージェ電子分光による元素分析結果を示すグラフ
、 第５図は、本発明の方法にふいてトンネルバリア層のス
パッタ処理を省略して作製した場合のトンネル型のジョ
セフソン素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ、 第６図は、トンネルバリア層のスパッタ処理を行って作
製した場合の品質の良いトンネル型のジョセフソン素子
のＩ・−■特性を示すグラフ、第７図は、トンネルバリ
ア層のスパッタ処理時間の短い場合のトンネル型のジョ
セフソン素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ、 第８図は、トンネルバリア層のスパック処理時間の長い
場合のショート状態のジョセフソン素子のＩ−Ｖ特性を
示すグラフである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極にＮｂ超伝導薄膜を用いた、トンネル型ジョ
   セフソン接合素子において、下部Ｎｂ電極とトンネルバ
   リア層との間と、該トンネルバリア層と上部Ｎｂ電極と
   の間とに、Ｎｂフッ化物層を介在させたことを特徴とす
   るトンネル型ジョセフソン素子。
2. （２）前記トンネルバリア層は、Ｎｂ＿２Ｏ＿５で形成
   されていることを特徴とするトンネル型ジョセフソン素
   子。
3. （３）下部Ｎｂ電極表面をＣＦ＿４とＡｒとの混合ガス
   でＲＦスパッタクリーニング処理して下部Ｎｂ電極表面
   上にＮｂフッ化物層を形成し、該Ｎｂフッ化物層上にト
   ンネルバリア層を形成し、そのトンネルバリア層の表面
   をＣＦ＿４とＡｒとの混合ガスでスパッタクリーニング
   処理して該トンネルバリア層表面上にＮｂフッ化物層を
   形成し、次いで上部Ｎｂ電極を形成することを特徴とす
   るトンネル型ジョセフソン素子の作製方法。
4. （４）前記トンネルバリア層の形成は、下部Ｎｂ電極表
   面上のＮｂフッ化物層上にプラズマ酸化によりＮｂ＿２
   Ｏ＿５層を形成することからなることを特徴とする特許
   請求の範囲第３項記載のトンネル型ジョセフソン素子の
   作製方法。