JPS62165378A - 異なる電流密度接合を積層したジヨセフソン接合装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ジョセフソン論理回路やジョセフソン記憶回
路として用いられるジョセフソン接合装置に関するもの
である。

（従来の技術） 従来、ジョセフソン論理回路やジョセフソン記憶回路に
用いられるジョセフソン接合装置はただ一つの電流密度
を有する接合層を形成後、所望の臨界電流値に合せて接
合の形状を変えてジョセフソン回路を構成していた。場
合により電流密度の異なる２種類の接合を用いる要求も
生じたが、制御性が悪いためあまり用いられてぃながっ
た。電流密度の異なる２種類の接合を形成する方法とし
て、回路上の異なる位置に別々に形成する手法がある。

即ち、第１の電流密度を有する接合層を形成した後、第
２の接合層を試料全面に形成し、接合の形状を規定する
。この手法は、鉛合金プロセスを用いてジョセフソンサ
ンプリング装置を製造する場合に使用される。この方法
は、接合方法が回路設計を制約する場合に有効に使用さ
れる。この手法は、接合の臨界電流値の異なるジョセフ
ソン接合が同一形状で製造できるという大きな利点を持
つ。接合の電流密度の選定によっては一桁以上臨界電流
値の異なる同寸法形状のジョセフソン接合素子を同一チ
ップ上に容易に製造できる。特に高い時間分解能を有す
るジョセフソンサンプリング装置を、被測定回路が形成
されているチップ上にオンチップで製造する場合、本方
式が有効に活用される。

２種類の電流密度を持つジョセフソン装置は、以下の様
にして具体的に製造される。但し、回路配線の製造方法
に関する説明は、本発明と関係しないので、説明を簡単
にするために省略する。

（１）先ず、基部電極と称される鉛合金等の第１の超伝
導体電極を形成する。電極膜の膜厚は２００ナノメート
ル程度に通常設定される。続いて、２００〜３００ナノ
メートル厚のＳｉｏ、５ｉ０２等の絶縁膜を成膜し、リ
フトオフ法等により第１、第２の電流密度を有する接合
のパターニングを同時に行なう。

（２）次に、第１の電流密度を有する接合の対向電極と
称される第２の超伝導体電極の形状を規定するレジスト
マークを通常の光露光技術により形成する。

続いて、接合となる絶縁膜の開口部をプラズマクリーニ
ングを行った後、プラズマ酸化の手法により接合膜を成
膜する。その後、大気に試料をふれさせることなく、第
２の超伝導体電極となる鉛合金等を４００ｎｍ程度の厚
さ成膜し、リフトオフ技術により電極のパターニングを
行なう。

（３）続いて、第２の電流密度を有する接合の対向電極
となる鉛合金等の第３の超伝導体電極を第（２）項を同
一の手法で４００ナノメートル程度の厚さ成膜する。

以上、２種類の電流密度を有する接合は、同じ基部電極
上に別々に成膜されて形成される。

（発明が解決しようとする問題点） 以」二に述べた従来の方法では、第１の電流密度を有す
る接合は、接合が形成された後、第２の電流密度を有す
る接合を形成するための多数の露光、パターニング等の
工程を経る。従って、第１の電流密度を有する接合の電
流密度は、後の工程を経ることにより、大きく変化した
。このため、第１の電流密度の再現性を高めることが非
常に困難であった。又、従来の方法は、第１、第２の電
流密度を有する接合を別々に形成するため、製造工程数
が増大した。このため、製造歩留りが低下し、かつ製造
日数が増大した。さらに、従来は、リフトオフ技術が用
いられるので加工寸法精度が低いという問題があった。

本発明の目的は、上記した従来の２種類の電流密度を有
するジョセフソン接合装置の問題点を除き、再現性の良
い異なる電流密度の接合を有するジョセフソン接合装置
を提供することにある。又本発明は、製造工程を簡単に
し、製造歩留りの向上と製造日数の短縮を図るという別
の目的を持つ。さらに、本発明は、加工寸法精度の高い
ドライエツチング技術が使用できるジョセフソン接合装
置を提供する目的を有する。

（問題点を解決するための手段） 本発明の異なる電流密度接合を積層したジョセフソン接
合装置は、３層以上に積層された超伝導体と、前記各超
伝導体間にジョセフソン効果を生じさせる膜厚の絶縁体
がちなる接合層を２層以上設け、前記接合層を流れるジ
ョセフソン電流の電流密度が前記各接合層で異なるよう
に接合層の材料と膜厚を定め、前記接合層の各々を所望
の形状に成形して電流密度の異なるジョセフソン接合装
置を構成し、前記所望のジョセフソン接合装置を構成す
る前記超伝導体に配線して得られる。

（作用） 本発明のジョセフソン接合装置は、超伝導体と電流密度
の異なる接合層を交互に２回以上積層し、前記２層以上
の接合層の一つをパターニングしてジョセフソン接合の
形状を規定し、しがる後に前記ジョセフソン接合に接す
る第１、第２の超伝導体をそれぞれ基部電極と対向電極
として用いる配線を行ったものである。即ち、本発明の
ジョセフソン接合装置は、多層に積層された電流密度の
異なる接合の内の一つを選定してジョセフソン接合とし
てパターニングして用いている。ジョセフソン接合を形
成する基部電極と対向電極は、接合形成とは異なる工程
によって形成される。

よって本発明の装置は、用いている電流密度の異なる接
合層の全てを、試料を大気１１月こ取り出すことなく、
電極膜の成膜と接合膜の成膜の繰返しによって一度に製
造できる特徴を持つ。さらにその後の工程としては、基
部電極の形成、接合の接合のパターニング、配線の形成
の３工程のみの少い工程でジョセフソン接合装置を製造
できる。しかも、全ての接合膜が受ける後工程は、全く
同一である。

以上の事から、本発明の装置は製造工程の簡単化が可能
であることから、歩留りの向−１−１工程回数の短縮、
電流密度の再現精度の向」；を図ることができる。しか
も、全ての接合層が受ける後工程が同一であることから
、再現精度の向上が容易となる。さらに、本発明の装置
は、多層構造の膜をエツチング加工することにより製造
されるので、寸法精度の高い反応性イオンエツチング技
術、イオンミリング技術等のドライ加工技術が用いられ
る。このドライ加工技術は、信頼性の高いニオブ系ジョ
セフソン接合装置に効果的に適用できる。

（第１の実施例） 本発明のジョセフソン接合装置の第１の実施例の構造を
示す原理的な構造断面図を第１図に示す。第１の実施例
において、ジョセフソン回路を構成する抵抗やスクイラ
ドを構成する制御線等の配線は、本発明に直接依存しな
いので、説明を簡単にするため省略してあり、断面形状
は、発明の原理に基づいて模式的に示しである。

本実施例の装置は、第１の超伝導体１０１，１０２、第
１の接合層１１１，１１２、第２の超伝導体１０３，１
０４、第２の接合層１１３、第３の超伝導体１０５が、
基板１２１上に形成された接地部１２２１−に、絶縁層
１２３を介して順次成膜された後、それぞれ所望の接合
層を用いた第１、第２ジヨセフソン接合装置１２４，１
．２５として形成される。

第１のジョセフソン接合装置１２４は、第２の超伝導体
１０４を基部電極、第３の超伝導体１０５を対向電極と
し、両電極間の第２の接合層１１３をジョセフソン接合
として用いている。一方第２のジョセフソン接合装置１
２５は、第１の超伝導体１０１を基部電極、第２の超伝
導体１０３を対向電極、第１の接合層１１１をジョセフ
ソン接合として用いている。第１、第２のジョセフソン
接合装置への結線は、基部電極］、０１．，１０４およ
び対向電極１０３，１０５−１−に超伝導体から成る配
線１３１゜１３２．１３３を設けて行なわれる。配線１
３１〜１３３と各電極１０１，１．０４，１０３，１０
５とは、電極表面を十分クリニングすることによって密
に接触されている。即ち、両超伝導体は、回路動作に影
響しない超伝導接触で、接続されている。従って、第１
のジョセフソン接合装置１２４の臨界電流値は、第２の
接合層１１３により規定される電流密度と接合寸法によ
って決定され、第２のジョセフソン接合装置１２５の臨
界電流値は、第１の接合暦月１により規定される電流密
度と接合寸法によっ決まる。即ち、第１及び第２のジョ
セフソン接合装置は、それぞれ異なる電流密度を持つ接
合によって構成されている。従って第１−のジョセフソ
ン接合装置１２４の第１の接合層１１２と第１の超伝導
体１０２は、回路動作に何ら影響してし）ない。

なお、本実施例を示した第１図は、本実施例の基本断面
構造を模式的に簡略化し、かつ、膜厚の寸法を拡大して
示したものである。従って、本発明の装置の断面形状は
、製造方法やオーバエツチングの程度により凹凸等が生
じる。特に第１図は、装置を平坦化して製造した例で、
超伝導配線１３１〜１３３は凹凸なく配置されている。

次に本実施例の製造方法の好ましい一例を説明する。従
来技術により形成された接地部１２２、絶縁層１２３七
に、第１の超伝導体１０１，１０２を形成するニオブや
窒化ニオブ等の超伝導から成る超伝導体層と、第１の接
合層１１１．．１１２を形成するシリコン酸化膜、アル
ミ酸化膜、ゲルマニウム等の絶縁体から成る接合層と、
第２の超伝導体１０３，１０４を形成する超伝導体層と
、第２の接合層１１３を形成する接合層と、第３の超伝
導体１０５を形成する超伝導体層が、試料を大気にさら
すことなく順次成膜される。

その後最初に、超伝導体１０１，１０２の形状を、反応
性イオンエツチング技術やイオンミリング技術を用いて
形成し、超伝導体間をＳｉＯもしくは５ｉ０２等の絶縁
体で埋め込む。続いて、第２の超伝導体１０３を前記と
同様の加工技術により形成する。続Ｖ１て、第３の超伝
導体１０５を同様にして形成する。必要により各超伝導
体間をＳｉＯ，５ｉ０２等の絶縁体で埋込んだ後、超伝
導体の配線１３１，１３２，１３３を設ける。

以上に述べた説明から明らかな様に、本実施例では、電
流密度の異なる第１および第２の接合層１１１゜１１２
．１１３が一度に成膜される。その後、全接合層は同じ
後工程を経る。よって、本実施例は、電流密度の再現精
度と歩留りの向」二が図れる。又、ドライ加工技術が使
用できるので、寸法精度が向上すると供に、ニオブ系ジ
ョセフソン接合装置へ好ましく適用できる。

（第２の実施例） 本発明のジョセフソン接合装置の第２の実施例の構造を
示す原理的な構造断面図を第２図に示す。第１の実施の
構造断面図と同様、抵抗、制御線等は説明を簡単にする
ように省略しである。

本実施例の装置は、第１の超伝導体２０１，２０２、第
１の接合層２１１，２１２、第２の超伝導体２０３，２
０４、第２の接合層２１３，２１４、第３の超伝導体２
０５，２０６、第３の接合層２１５、第４の超伝導体２
０７が基板２２１上に形成された接地面２２２上に、絶
縁層２２３を介して順次成膜された後、所望の接合層を
用いた第１および第２のジョセフソン接合装置２２４，
２２５として形成することによって製造される。

第１のジョセフソン接合装置２２４は、第３の超伝導体
２０５を基部電極、第４の超伝導体２０７を対向電極、
第３の接合層２１５をジョセフソン接合として用いてい
る。第２のジョセフソン接合装置２２５は、第２の超伝
導体２０４を基部電極、第３の超伝導体２０６を対向電
極、第２の接合層２１４をジョセフソン接合として用い
ている。

なお、第２図には図示されていないが、第１の超伝導体
と第２の超伝導体と第１の接合層を用いたジョセフソン
接合装置の構造断面図は、第１図に示した第１の実施例
の第２のジョセフソン接合装置と同じ構造で実現できる
。

第１および第２のジョセフソン接合装置への結線は、各
装置の基部電極２０５，２０４と対向電極２０７，２０
６上に、超伝導体からなる配線２３１，２３２，２３３
せを設けて行なわれる。各配線は、第１の実施例と同様
、各電極に密に接触されている。

本実施例のジョセフソン接合装置は、第１の実施例と同
一の工程を繰返すことにり製造される。

従って、本実施例も第１の実施例と同一の効果を有する
。

超伝導体と接合層を第２の実施例」二にさらに積層して
た他の実施例も本発明に含まれるのは明らかでる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明のジョセフソン接合装置は
、超伝導体と電流密度の異なる接合層が交互に多層に積
層された構造を持ち、所望の電流密度を有する接合層に
接する超伝導体を電極として配線を行うことにより構成
される。従って、各接合層が一度に形成できるため、ジ
ョセフソン接合の電流密度の再現精度の向上が図れる。

さらに、製造工程も簡単になるので歩留りの向上も図れ
る。又、本実施例の装置は、ドライ加工技術をα２）′ 用いて製造できるのて、加工寸法精度が向上する。さら
に、信頼性の高いニオブ系ジョセフソン接合装置へ、容
易に適用できる特徴を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例のジョセフソン接合装置の構
造を示す原理的な構造断面図、第２図は、同じく第２の
実施例のジョセフソン接合装置の構造を示す原理的な構
造断面図である。 １０１．１０２，２０１，２０２：第１の超伝導体、１
０３，１０４，２０３゜２０４：第２の超伝導体、１０
５，２０５，２０６：第３の超伝導体、２０７：第４の
超伝導体、１１１，１１２，２１１，２１２．第１の接
合層、１１３，２１３，２１４：第２の接合層、２１５
：第３の接合層、１２１．２２１：基板、１２２，２２
２．接地面、１２３，２２３：絶縁層、１２４．２２４
：第１のジョセフソン接合装置、１２５，２２５：第２
のジョセフソン接合装置、１３１，１３２，１３３，２
３１，２３２゜２３３：配線。 茅　ＩＩ！Ｉ ／θ３．／θ４：茅２６り〉しくタイ穴馬グ１４２ト；
ギ　２ＴＩ！Ｊ ノｉｐｔ、ｚｔｎ　　：　’−￥ｄｌＶ４Ｆ’４−林Ｚ
Ｉ３．　ｚｅ４：　４２４１ＫＭｋ ２０ｓ２々／：芽３勿屋孤番串 〃７：芽匈超Δ縛林 つＩｆ　　　９ｔり・　編（Ｊｙｎ忘へ返１１１ｐ　ｚ
ｔｚ・擾し１（ＩＩ宅σ６〜／％ｆ、？／３．２１４：
　ｊｆｙ２ｔｆ）叔會層２７５゛躊づ／７夜食層 ＺＺダ、″　’Ｊ／ｆ）ン）セフ・／多す怪合溶禮」２
２５：藪ｑ勿仁７／Ｊ蛎帥榎 ２３１ル２３Ｊ”、乱瞭

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ３層以上に積層された超伝導体と、前記各超伝導体間に
   ジョセフソン効果を生じさせる膜厚の絶縁体からなる接
   合層を２層以上設け、前記接合層を流れるジョセフソン
   電流の電流密度が前記各接合層で異なるように接合層の
   材料と膜厚を定め、前記接合層の各々を所望の形状に成
   形して電流密度の異なるジョセフソン接合装置を構成し
   、前記所望のジョセフソン接合装置を構成する前記超伝
   導体に配線したことを特徴とする異なる電流密度接合を
   積層したジョセフソン接合装置。