JPS62183573A - 超電導集積回路 - 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、超電導集積回路用端子電極に係り、特にジョ
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、主にｐｂ金合金Ｎｂ、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場合、留意すべきことは、 （１）超電導ＬＳＩチップと他の超電導ＬＳＩ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）超電導ＬＳＩチップの端子電極上に形成する接続
用突起電極（バンプ）は十分な接着強度を有すること。

（３）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
がある。その際ＬＳＩチップとモジュール基板とのボン
ディング強度は、３００〜４にの熱サイクルに十分耐え
るだけの強度を有すること。

などである。

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

Ａｕ電極−Ａｕ細線、Ａｕ電極−Ａｕ細線による熱圧着
ワイヤボンディング、Ａｕ電極−８ｎ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ＬＳ
Ｉ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。

半田電極を用いたりフローボンディング方式を超電導Ｌ
ＳＩチップの実装基板への搭載法として採用した場合法
のような問題が生ずる。すなわち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が要
求される。

一般に突起電極と超電導ＬＳＩの端子部の間に接３一 層Ｐｄ）が用いられている。（シイ−・ワイ・ティング
他、ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイア
テイ：ソリッドーステート・サイエンス・アンド・テク
ノロジー　第１２９巻、第４号（１９８２）　［Ｃ，Ｙ
、Ｔｉｎｇ　ｅｔ　ａｌＪ　、　Ｅ　１ｅｃｔｒｏｃｈ
ｅ＋＊、　Ｓ　ｏｃ、　：　Ｓ　ｏｌｉｄ−Ｓ　ｔａｔ
ｅＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ
ｏｌ、　１２９　、　Ｎｏ、　４（１９８２）］。Ａｕ
膜は突起電極と下地のＰｄ膜、Ｐｄ膜は超電導ＬＳＩ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ＬＳＩ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１１００ｎ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ＬＳＩの冷却効率＝４− を低下させる原因になる。またそのようなコンタクト抵
抗があるため、高速で伝送される信号の波形に歪みが生
じ、超電導の高速伝搬特性が低下するなど問題になる。

このような問題を改善するには、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。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の問題点を解消するためになされたもの
で、その目的は機械的に十分な大きさの接着強度が得ら
れ、コンタクト抵抗の生じない突起電極下地金属膜を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、超電導集積回路から延在された端子電極面に
、突起電極接着用の下地金属膜を端子電極面に対して部
分的に、例えば島状に散在させて形成し、超電導電極面
と下地金属膜を混在させ、超電導電極面と突起電極の接
続界面では、超電導コンタクトを、−右下地金属膜は超
電導電極と突起電極の間の接着強度維持を、各々同時に
達成させようとするものである。以上述べた方法により
、超電導集積回路の端子電極と、接続用の突起電極の間
の超電導臨界電流は、少くとも６００ｍＡ以上、突起電
極の接着強度は剪断強度で少くとも５０ｇ以上が得られ
ることが判明した。

なお前記突起電極を形成する超電導集積回路の端子部に
形成する下地金属膜は、前述のような島状に点在させる
方法のほか、格子縞状に形成する方法もあり、接着界面
の超電導臨界電流、接着強度共に十分初期の目的を達成
できることを確認した。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第４図により詳細に説
明する。

実施例１ 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６００ｎｍのＳｉＯ□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、
５Ｘ１０−’Ｔｏｒｒ以下の高真空中でＮｂを約３００
ｎｍ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ンタ法に
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−ＨＮ０９混合
液が、また物理エツチング法では、Ａｒ、ＣＦ４などの
反応性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Ｎｂ膜上の、アース端子部及び突起電極形成
領域を除いたそれ以外のＮｂ膜上に第１層間絶縁膜５を
形成する。つぎにＭ　ｏ　Ｎ　Ｘ膜からなる抵抗６を、
さらにＮｂ／ＮｂＮ二層膜からなる配線接続層７及び下
部電極膜８を形成する。つぎにＳｉＯ膜からなる第２層
間絶縁膜９を形成する。その際下部電極の一部に開口部
を設けＮｂＮ面を露出させる。つぎにプラズマ酸化法に
より開口部のＮｂＮ下部電極表面にトンネル障壁層１０
を形成し、引続いてＰｂ合金からなる上部電極１１を形
成する。さらにＳｉＯ膜からなる第３層間絶縁膜１２を
、つづいて制御線１３及び第４層間絶縁膜１４を形成す
る。つぎに突起電極用の端子４のＮｂ表面の所望の領域
に、リフトオフ用のレジストパターンを島状に散在させ
形成する。ついでＴｉ２１を１１００ｎ、Ｐｄ２２を２
００ｎｍ、更にＡ　ｕ　２３を３００ｎｍ堆積させたう
えリフトオフを行い、突起電極用端子部４上の所望の部
分にＴ　ｉ　−Ｐ　ｄ　−Ａ　ｕ膜１５を形成する（第
２図および第３図参照）。その後、前記突起電極用端子
部４を露出させて突起電極形成用レジストステンシルパ
ターンを形成する。つぎにＴｉ−Ｐｄ−Ａｕ膜が形成さ
れていないＮｂ表面の清浄化のため１Ｏ−３Ｔｏｒｒに
減圧されたＡｒ雰囲気中でｒｆスパッタエツチングを行
った。

ｒｆ放電電圧は２５０　Ｖ　Ｐ　　Ｐ　を放電時間は３
０分間である。その後引続いて突起電極の材料であるＰ
ｂ、Ｓｎ、Ｂｉを順次蒸着する。蒸着は１０””Ｔｏｒ
ｒ以下の真空中で行い、直径は１５０μｍφ、蒸着膜厚
は３０μｍとした。ついでリフトオフを行い不用部分の
蒸着膜を除去したのち、基板１を５％の水素ガスを含む
窒素ガス雰囲気中で２００℃に加熱し、前記突起電極材
をリフローさせ１表面張力を利用して半球状の突起１６
とした。なお、球状の突起電極の直径はおよそ１００μ
ｍである。

以上述べた方法により作製した突起電極下地金属膜を用
いた場合の超電導集積回路の電極端子との接続は、４．
２にの極低温下で超電導状態を示した。１００μｍ０内
の端子部に４０μｍ２および３０μｍ２の下地金属膜を
各々５個及び４個形成した場合、得られた超電導臨界電
流は７００ｍＡであり、また突起電極１個当りの剪断強
度は６０ｇが得られた。

尚、本実施例では下地金属膜を島状に散在させて形成し
たが、第４図に示すように、下地金属膜を格子縞状に形
成した場合でも同様の効果が得られることを確認してい
る。

また、本実施例では下地金属膜材料としてＴｉ−Ｐｄ−
Ａｕについて示したが、Ｔ　ｉ　−Ｐ　ｄ　−Ａ　ｇ、
　Ｃｒ−Ｃｕ−Ａｕ、　Ｃｒ−Ｃｕ−Ａｇ、などを用い
ても同じ効果が得られることを確認している。

〔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金属が安定に形成でき、コンタクト
抵抗ゼロの超電導特性を示し、しかも接着強度の大きな
電極構造が再現良く作製できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る超電導ＬＳＩの外部接続用突起
電極部の断面図、第２図は改良された突起電極下地金属
膜の構造を示す断面図、第３図および第４図は、突起電
極下地金属膜の構造を示す平面図である。 ■・・・基板、２・・・絶縁層（ＳｉＯ２層）、３・・
・グランドプレーン、４・・・超電導ＬＳＩの端子電極
、５・・・第１層間絶縁膜、６・・・抵抗、７・・・配
線層、８・・・下部電極、９・・・第２層間絶縁膜、ｌ
Ｏ・・・トンネル障壁層、１１・・・上部電極、１２・
・・第３層間絶縁膜、１３・・・制御線、１４・・・第
４層間絶縁膜、１５．１５’・・・突起電極下地金属膜
、２１・・・Ｔｉ膜、２２・・・Ｐｄ膜、２３・・・Ａ
ｕ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、
   該突起電極と超電導集積回路の端子電極の間に突起電極
   接着用の下地金属膜を、該端子電極面に対して部分的に
   形成したことを特徴とする超電導集積回路用端子電極。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記下地金属膜を
   、端子電極面に島状に散在させて形成したことを特徴と
   する超電導集積回路用端子電極。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記下地金属膜を
   、端子電極面に格子状に形成したことを特徴とする超電
   導集積回路用端子電極。 ４、特許請求の範囲第２項又は第３項において、前記下
   地金属膜を端子電極に島状もしくは格子状に形成し、か
   つ端子電極を露出させるために設けた絶縁膜開口部に延
   在させ、該絶縁膜開口部を包囲して形成させたことを特
   徴とする超電導集積回路用端子電極。