JPS616882A - 超電導集積回路の端子電極とその製造方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ジョセフソン接合素子を搭載した超電導集積
回路の外部接続に用いる超電導突起電極用下地金属膜に
関するものである。

〔発明の背景〕

トンネル型ジョセフソン接合素子は、２つの超電導薄膜
の間に厚さ数ｎｍの極めて薄い絶縁膜を挾んだサンドイ
ッチ構造で、極低温（〜４Ｋ）における超電導トンネル
現象を応用したスイッチング素子である。この素子は、
従来の半導体素子に比べ、スイッチング速度は約１桁早
く、消費電力は約３桁小さいという特長があり、将来の
超高速計算機用の論理演算素子、記憶素子として期待さ
れている。これらの素子を構成するための超電導薄膜に
は、おもにＰｂ・Ｉｎ−Ａｕ合金、■フｂ−Ｂｊ合金、
Ｐｂ−Ａｕ合金、Ｎｂ及びＮｂＮなどが用いられている
。また極薄のトンネル障壁層にはｐｂ及びＩｎの酸化物
あるいはＮｂの酸化物が用いられている。ところでこれ
らのジョセフソン接合素子を超高速計算機用の素子とし
て用いるためにはそれらをＬＳＩレベルに集積化したチ
ップを多数用いて実装し、モジュール化した論理演算回
路、記憶回路を開発する必要がある。ＬＳＩチップをモ
ジュール基板に実装する上で特に留意すべきことは、 （１）超電導ＬＳＩチップと他の超電導■、ＳＩチップ
を配線を介して接続する場合、それらの配線、接続用電
極（人、出力信号の取出し電極）は、全て超電導金属で
構成する必要のあること、（２）ＬＳＩチップの実装基
板へのボンディングは薄膜のトンネル障壁層の劣化防止
のため極力低温で行う必要のあること、 などである。

上記２項目は、従来の半導体プロセスと著しく異るとこ
ろである。

従来、ＬＳＩチップと外部電極との接続はＡ１電極−Ａ
１細線による超音波ワイヤボンディング。

コＡｕ電極−Ａｕ細線、Ａｌ電極−Ａｕ細線による撚圧
着ワイヤボンディング、Ａｕ電極−５ｎメツキリードあ
るいは半田電極−半田電極によるリフローボンディング
などが使用されている。これらの方法のうち、超電導Ｌ
ＳＩの組立に適用が可能な方法は、半田電極によるリフ
ローボンディングである。これは半田電極自身が超電導
特性を示すこと、またチップ実装による配線長は他の方
法に比べ短くでき、高密度実装に適しているなどによる
。一般にリフローボンディングに使用される半田の成分
は重量比でｐｂが６０％、Ｓｎが４０％からなるＰｂ−
Ｓｎ合金（共晶合金）で、その融点は１８３℃である。

通常、半田電極を形成したＬＳ　Ｉ　　（Ｓｉ−ＬＳ　
Ｉ）を実装基板上にリフローボンディングする場合、Ｌ
ＳＩと基板をおよそ２００〜３００℃に加熱し、電極材
料の半田を溶融させて目的を達成している。本方式を超
電導ＬＳＩチップの実装基板への搭載法として採用した
場合、次のような問題が生ずる。すなわちジョセフソン
接合素子は、厚さ２０〜４０Ａの極薄の酸化物障壁層を
使用しているが、リフローボンディング時の熱により、
それら酸化物層中の酸素原子、が、上部あるいは下部に
ある超電導電極内部に拡□：乾し、接合の界面の状態が
変わり、いわゆる超電導特性が劣化する。ｐｂを超電導
電極として用い・た超電導ＬＳＩの場合、前述の如き劣
化を防止するための許容温度上昇限界はおよそ９０℃で
あり、またＮｂ系を用いた場合はおよそ２５０°Ｃであ
る。

したがって従来の半田電極の場合は超電導Ｌ　Ｓ　Ｔの
組立にそのまま適用することができない。このため９０
°Ｃ以下の温度で溶融し、かつそれ白身超電導特性を示
すような突起電極材料の開発が必要である。それらの代
表的な材料は、Ｉｎ−Ｓｎ合金、Ｉｎ−３ｎ−Ｂｉ合金
、などである。また他の一つの問題は、前述の突起電極
を超電導ＬＳＩの端子部に形成する場合、機械的に十分
な大きさの接着強度が得られ、かつ電気的には超電導接
続ないしはコンタクト抵抗の低い接続が要求される。

このため突起電極と超電導ＬＳＩの端子部の間に接続用
金属膜（突起電極下地金属膜）を設けている。一般にそ
れらの金属膜はＡｕ　／　Ｐ　ｄ膜（」一層Ａｕ、下層
Ｐｄ）が用いられている。ハＵは突起電極と下地のＰｄ
膜、Ｐｄ膜は超電導Ｌ　Ｓ　Ｔチップに設けた端子電極
（一般にＮｂ膜を用いる）との接着及び突起電極材がＬ
ＳＩチップの端子電極内部に拡散するのを防止する役割
を各々担っている。超電導ＬＳＩに使用しているＰ　ｄ
　／　Ａ　ｕ二層膜の厚さは夫々１００ＯＡである。こ
の二層膜は極低温（〜４Ｋ）では超電導特性を示さない
ため、わずかな抵抗（コンタクト抵抗）を示し、ジュー
ル熱による発熱が生ずる。このため極低温冷媒である液
体ヘリウムが気化して発泡し、超電導Ｌ　ＳＩの冷却効
率を低下させる原因になる。冷却効果を改善するには、
突起電極用下地膜に超電導特性を示す接続用金属膜を使
用する必要がある。しかし現状ではそのような金属膜は
未だ見当らない。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の問題点を解消するために考案されたも
ので、機械的に十分な大きさの接着強度が得られ、コン
タク１へ抵抗のない、しかも拡散防止効果の優れた、突
起電極下地金属膜とその製造方法を提供するためになさ
れたものである。

〔発明の概要〕

本発明は、最下層にＮｂ−Ｔｉの合金膜を、上層にＡｕ
、Ａｇ、Ｃｕのいずれか一つの金属膜で構成した積層膜
を超電導接続用突起電極の下地金属膜として、超電導Ｌ
ＳＴチップ内に設”げた外部接続用端子電極上に形成す
るものである。Ｎｂ−Ｔｉ合金膜は、超電導ＬＳＴチッ
プの外部接続用端子電極のＮｂと低温成膜においても十
分な接着性が得られ、しかも極低温下で安定な超電導特
性（Ｎｂ：２０％以上でＴｃ＞７Ｋ）を示すこと、さら
に、上層に形成するＡｕ、Ａ４．Ｃｕとの接着性も優れ
ている。また、Ｎｂ−Ｔｉ合金膜はＡ１」。

Ａｇ、Ｃｕとの拡散に対しても障壁性があり、金属的に
安定であるなど、超電導ＬＳＩチップの電極用材料とし
て優れた特性を示すことが判明した。

一般にＮｂ、Ｔｉは高融点金属であり、合金膜の形成に
は高温の熱処理が必要である。超電導ＬＳＩの製造過程
では接合特性の変化を抑１１Ｊするため高温での熱処理
を導入することができず、それ故良質の合金電極膜を使
用することが不可能であった。しかしそれら合金膜の成
膜法を改良することで、低温でそれらの合金膜が作製で
きることがわかった。すなわち前記合金膜の作製法とし
て高速スパッタ法を応用し、その際ターゲットとしてＮ
ｂが内側に、Ｔｉを外側に配置した２重の環状電極を用
い、放電中のプラズマリングを外部の電磁石によって制
御することにより、Ｎｂ、あるいはＴｉを同時にまたは
、いずれか−ら優先的に堆積できるようにした。これに
より、Ｎｂ、Ｔｉ各々の濃度を任意に変えた積層膜を形
成することができ、しかも同一装置内で、２００〜２５
０８Ｃの加熱処理することにより、積層膜を合金化する
ことが可能になった。

前述の方法により得られたＮｂ−Ｔｉ合金膜の超電導遷
移温度子Ｃは６，５〜９．５にであり、超電導ＬＳＩの
電極下地膜として適していることが判明した。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例を参照して、第１図により詳細に
説明する。

実施例］ あらかじめ清浄化処理したシリコン単結晶基板１上に熱
酸化により厚さ約６００　ｎ　ｍのＳ　ｉ　Ｏ２層２を
形成する。再び基板を清浄化処理したのち、真空装置内
に入れ、５　Ｘ　１０−ＩＩＴｏｒｒ以下の高真空中で
Ｎｂを約３００ｎｍの厚さに蒸着する。

なお、Ｎｂ膜は前述の真空蒸着法のほかにスパッタ法に
よっても良い。つぎにフォトエツチング法によりＮｂを
所望のパターンに加工し、グランドプレーン３を形成す
る。化学エツチング法では一般にＨＦ　−ＨＮ○３混合
液が、また物理エツチング法では、Ａｒ、ＣＦ４などの
イオンエツチング法を用いる。このグランドプレーンは
、超電導ＬＳＩの能動素子部に形成したジョセフソン接
合のための外部磁気の遮へいの効果、及び制御線から発
生する磁束のミラー効果のほか、ＬＳＩ内のアース端子
、ならびに突起電極用の端子４の役割を担う。つぎに前
述のアース端子及び突起電極用の端子に使用するＮｂ膜
表面を陽極酸化し、グランドプレーン保護膜５を形成し
たのちＳｉＣ膜かｂなる第１層間絶縁暎６を形成する。

つぎにＭ。

級からなる抵抗７を、ついでＳｉＣ膜からなる抵ＶＣ絶
縁膜８を、さらにＮｂ膜からなる配線接続層９及び下部
電極膜１０を形成する。つぎにＳｉＣ膜からなる第２層
間絶縁膜１１を形成したのちプラズマ酸化法により所望
の下部電極表面に１〜ンネル障壁層１２を形成し、引続
いてＮｂ膜からなる一Ｆ部電極膜１３を形成する。さら
にＳｉＣ膜からなる第２層間絶縁膜１１を、つづいて制
御線１５及び第４層間絶縁ｆｆ２１６を形成する。つぎ
に突起電極用の端子４のＮｂ表面を］　０−３Ｔｏｒ＋
−のΔｒガス減圧下でスパッタエツチングしたのち、高
速スパッタ法により、まず、Ｎｂ膜７を５０ｎｍ。

つぎにＴｉ］８を５０ｎｍ堆積させたのち２５０°Ｃｒ
　３０分間加熱・拡散処理しＮ　ｌ）　−Ｔ　］の合金
膜を形成する。つぎにＡｕ＋９を］ＯＯｎｍの厚さに蒸
着する。その後前記積層をＡｒイオンを用いてドライエ
ツチングし、所望のパターン形状とした。

なお、前述のドライエツチングではＡｒのみ記載したが
、その他にＣＦ４　、ＣＣｌ４ガスを用いたトライエ、
ソチングによっても良好な形状のパターンを形成できる
ことを確認している。

つぎに前記突起電極用下地膜に対し、幾何学的１、；対
応させた位置に穿孔部を設けたＭｏメタルマスクを基板
１に積み重ね位置合せを行ったのち、マスク用冶具に固
定する。つぎに蒸着装置内に前記治具を装着し、突起電
極用であるＰｂ−８ｎ。

Ｓｎ　−Ｉｎ、　Ｓｎ　−Ｔｎ−Ｂｉ、　Ｐｂ−３ｎ−
、Ｂｉ＋Ｐｂ−５ｎ−Ｔｎ、などのいずれか−組の金ｍ
　１ｌＥｆ系を選び、５　Ｘ　］　］０−７Ｔｏｒｒ以
のｒ℃空中で加熱蒸発させ、突起電極２０を形成する。

この突起電極の横断面の形状は、前記メタルマスクに形
成した穿孔部の形状によって決まるが、丸形、あるいは
方形のどちらを選んでも良い。本実施例では丸形を用い
、蒸着金属の直径は１．５０μｍφ、高さは３０μｎ）
とした。その後メタルマスクを取はずし、基板１を５％
の水素ガスを含む窒素ガス雰囲気中で２００　’Ｃに加
熱し、前記突起電極材２０をリフローさせ、表面張力を
利用し半球状の突起電極とし７た。なお、球状の突起型
（歪の直径は才ｉよそ１００　Ｉｔ　ｍである。以上述
へた方法により作製した突起電極下地金属膜を用いた場
合の電極膜とのコンタク１〜抵抗は常温で０．００１〜
０．００２Ω／口であり、従来の突起電極下地金属膜の
およそ１／３程度に低）緘てきるほか、４にの極低温ド
では超電導状態を示すことがわかった。また、交円電極
の接着強度は、１電極当りの剪断強度で４（１５１〜６
５ｇが得られ、機械的に１−分な強度が得ら司ることを
確認した。

第２図（ａ）は、上記により得１られる下地金属膜の断
面構造を示す。

また、本実施例では突起電極下地金属膜の作製法として
、Ｎｂ−Ｔｉ合金膜及びΔり膜の組合せについて述べた
が、上層膜にΔｇおよびＣｕ　を各々用いた場合につい
ても本実施例と同様の結果が得られている。

実施例２ 実施例１では突起電極下地膜の構成利料であるＮｊ−Ｔ
ｉ合金膜の作製法として拡散方式の一例を述べたが、つ
ぎに第二の実施例に−〕いて述べる。

Ｓ」単結晶基板１」二にグランドブレーン３．グランド
ブレーン保厩膜５．第１層間絶縁膜６．抵抗７．抵抗絶
縁膜８．配線接続層９．下部電極膜１０、第２層間絶縁
膜１１．トンネル障壁層１２゜１こ部電極１模１３．第
３Ｈ間絶縁ｊ摸Ｊ４．制御線１５及び第４層間絶縁膜１
６を各々実施例１と同様の方法で作製する。つぎに突起
電極用の端子４のＮｂ表面を］、　ｏ−ｉ　’ｌＪ’、
ｏｒｒのＡｒガス減圧下てスバノタエソヂングしたのち
、高速スパッタ法によりＮｂ１７とＴｉ１８を５ｎｍづ
つ交互に繰返して積層し、最表面層にＴｉ膜を形成した
積ＫＩｉ膜２１を］ＯＯｎｍの厚さに作製する。そのの
ち、ｊ２５０℃で３０分間加熱、拡散処理し、最表面に
ＴＩ′ａ度の高いＮｂ−Ｔｉ合金膜を形成する。つぎに
Ａｕ膜１９．突起電極２０を形成し、最後にリフロー処
理を行い、半球状の電極とした。へ〇膜１９のパターン
形成ならびに突起電極の材料およびリフロー法は、重連
の実施例ｊと同様である、１木刀式で作製したＮｂ−Ｔ
ｉ合金膜の超電導臨界温度Ｔｃは８へ・９．５Ｋを示し
、た、′＋八木方式で作製した突起電極下地金属膜を用
いた場合の突起電極の接着強度も１電極当り４５　Ｋ、
以」−の強度が得られることを確認した。なお、本実施
例では、Ｎｂ及び］”１を交互に積層したのち、拡散処
理し７た場合について示したが、Ｎｂ及び■゛ｌ　の積
層膜を形成する際、基板を２５０　’Ｃに加熱した場合
も同様な性質が得られる。この場合拡ｊ１：２処理を省
くことが出来る。

第２図（ｈ）は本実施例で得られる下地金属膜の断面構
造を示す。

〔発明の効果〕 以上説明したごとく本発明によれば、超電導ＬＳＩの外
部接続用突起電極の下地金属膜が安定ノ・；形成できる
ようになり、接着強度が大きく、コンタクト抵抗ゼロの
超電導特性を示す電極構造が再現良く作製できるように
なった。

図面の簡！ｌ’ｔか説明 第１図は、本発明に係る超電導子、、　Ｓ　Ｔの外部接
続用突起′社極部の断面図、第２図（ａ）、（ｂ）は突
起電極下地全屈膜の構造を示す断面図を各々示す。

１・・・基板、２・・・絶縁層（Ｓｉ０２層）、３・・
　グランドブレーン、／ｌ・・・超電導ＬＳ丁の端子電
極。

５・・・グラン１−プレーン保護膜、６・・第１Ｍ間絶
縁膜、７・・・抵抗、８・・・抵抗絶縁膜、９・・・配
線灰続層、１０・・・下部電極、］１　・第２層間絶縁
＋１ｑＨ，＋２・・・１−ンネル障壁層、１３・・・Ｊ
−都電極膜。

１／ｌ・・・第３層間絶縁膜、１５・・・制御線。

１Ｇ・・第４層間絶縁膜、１７・・Ｎｂ膜。

Ｉ８・・ゴ゛」膜、１９・・・ΔＵ膜、２０・・・突起
電極、２］・・積層膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、二つの超電導薄膜の間に極薄のトンネル障壁層を挾
   んだサンドイッチ構造を主要素子とし、該素子に超電導
   性の突起電極を接続してなる超電導集積回路において、
   該突起電極の下地金属膜として、Ｎｂ−Ｔｉ合金膜上の
   上層膜にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕのいずれか一つの金属膜を用
   いて構成された積層膜を用いたことを特徴とする超電導
   集積回路の端子電極。 ２、下部にＮｂを上部にＴｉを堆積させたのち合金化し
   、その上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕのいずれか一つの金属膜を
   被着して下地金属膜としての積層膜を形成したことを特
   徴とする超電導集積回路の端子電極の製造方法。 ３、ＮｂおよびＴｉを交互に繰返し堆積し、かつ該堆積
   層の最上面がＴｉになるように堆積させたのち合金化し
   、その上に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕのいずれか一つの金属膜
   を被着して、下地金属膜としての積層膜を形成したこと
   を特徴とする超電導集積回路の端子電極の製造方法。