JPS62232982A - 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接合装置に関し、特にジョセフソ
ン論理回路やジョセ７ノ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。

〔従来の技術〕

ジョセフソン論理回路やジョセフノン記憶回路において
は、異なる臨界電−流の複数のジョセフソン接合が四−
の回路に含まれている場合がある〇従来、この種のジョ
セフソン接合装置は同じ電流密度で面積の異なる複数の
ジョセフソン接合を有していた。

従ってジョセフソン接合装置の動作速度は面積の大きい
万のジョセフソン接合によりきまってしまい、動作速度
の改善が困難となっていた。

面積を同一にし電流密朋を異ならして動作速度を改善す
ることも考えられる。しかし、これは以下に述べるよう
に％性のばらつきが大きく信頼性に欠ける憾が、ｌ、広
く用いられてはいない。

電流密度の異なる２樵類のジョセフソン接合を形成する
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ジョセフソン接
合を形成した後、第２のジョセフソン接合を試料全面に
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
る場合に使用されている。この方法は、接合寸法が回路
設訂を制約する場合にやむをえず使用される。この手法
は、臨界電流値の異なるジョセフソン接合が同−形状で
製造できるという大きな利点を持つ。

電流密度の選定によっては一桁以上臨界電流匝の異なる
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
ノ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、再現性に大きな
不満があるとはいえ、有効に活用される。

２柚類の電流密度を持つジョセフソン接合装置は、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
簡単にするために述べない。

ｆｌ）先ず、基部電極と称される例えば鉛合金膜からな
る第１の超伝導体′電極を形成する。鉛合金膜の膜厚は
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Ｓ　ｉＯ。

８４０２等の絶縁膜を成膜し、リフトオフ法等によりバ
ターニングを同時に行ない前述の絶縁族に開孔を設ける
。

（２）次に、第１の電流密度を有するジョセフソン接合
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
するレジスト族を通常の光路光技術により形成する。続
いて、絶縁膜の開孔部のうちレジスト族で覆われていな
いものをプラズマクリーニングにより清浄化した後、プ
ラズマ酸化の手法によりトンネル障壁層を形成する。そ
の後、大気に試料をふれさせることなく、第２の超伝導
体電極となる例えば鉛合金膜を４００１ｍ　＠にの厚さ
に形成し、リフトオフ技術によりＫｍのバターニングを
行なう。

（３）続いて、第２の電流密度を有する妥曾の対向電極
となる例えば鉛合金膜からなる第３の超伝導体電極を（
２）に述べたのと同様の手法で４００ナノメートル＠に
の厚さに形成する。

以上により２棟類の電流密度を有するトンネル型ジョセ
フソン接合は、同じ基部寛惚上に別々に成膜されて形成
される。

以上に述べた従来の方法では、第１の電流密度を有する
ジョセフソン接合は、接合が形成された後、第２の電流
密度を有するジョセフソン接合な形成するための多数の
路光、バターニング等の工程を経る。従って、第１の電
比＠匿を有するジョセフソン接合の１１流＠表は、後の
工程を経ることにより、犬きく変化し、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ジョセフソン接合を別々に形成
するため、製造工程数が増大した。このため。

襄遺歩留りが低下し、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
寸法精度が低くなってしまう。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来のジョセフソン接合装置は、臨界電流密度
が同じで面積の異なる複数のジョセフソン接合を有して
いるか若くは別々の工程で形成された臨界電流密度が異
なり接合面積が同一の複数のジョセフソン接合を有して
いるので、動作速度が遅いか若くは特性のばらつきが大
きく信頼性に欠けるという欠点があった。

本発明の目的は、高速動作可能で且つ特注のばらつきが
少なく信頼性の高いジョセフソン接合装置を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明のジョセフソン接合装置は、相異なる複数のトン
ネル型ジョセフソン接合が積層されてなり、互いに電流
密度の相違する二以上の積層型ジョセフソン接合素子を
許んでなるものである。

〔作用〕

不発明のジョセフソン接合装置は、電＠蜜度の異なるジ
ョセフソン接合素子が形成できる超伝導体−接曾層一超
伝導の３Ｎ！構造体が２重以上重ねられた構成となって
いる。本発明の装置は、前述の２重以上に槓重ねられた
接合層の一つを所望の形状にバターニングしてジョセフ
ソン接合を規定することによシ得られる。不発明の装置
は、前述の所望の形状に規定されたジョセフソン接合の
両側に接する第１および第２の超伝導体をそれぞれ基部
電極と対向電極とする。次に、前述の基部電極に他の接
合層を介して接触している多層構造体の最下部の超伝導
体、もしくは、前述の基部電極が最下部に位置する時に
は前述の基部電極に、信号を出し入れする一方の配線が
行なわれる。前述の対向電極に他の接合層を弁して接触
している多層構造体の最上部の超伝導体、もしくは、前
述の対向電極が最上部に位置する時には前述の対向電極
に信号の出し入れを行う他力の配線が行なわれる０ 従りて、本発明のジョセフソン接合装置において、所望
のジョセフソン接合の基部！極と配線が行なわれる最下
部の超伝導体の間、および所望のジョセフソン接合の対
向電極と配線が行なわれる最上部の超伝導体の間には、
他の本装置の動作に必賛とされない不安の接合層が介在
する。本発明のジョセフソン接合装置は、前述の不安の
接合層の臨界電流組が所望のジョセフソン接合の臨界電
流値より大きくなる様に、基部を極および対向電極の寸
法を定めることを特徴としている。この条件は、積層さ
せている接合層の電流密度を単調に順次増大もしくは減
少させることによって容易に実現される０ 以上に述べた本発明の装置は、超伝導体電極となる超伝
導体膜と電流密度の異なる接合層とを、試料を大気中に
取り出すことなく、順次成膜して一度に製造できる特徴
を持つ。さらに本発明の装置は、その後の工程として、
基部１１他形状の規定と接合寸法の規定、配線の３工程
を行えば、ジョセフソン接合装置が製造できる構造を持
つｏしかも、全ての接合層か受ける後工程は同一である
０従って、本発明は、ジョセフソン接合装置の製造を簡
略化し、歩留りの向上、接合の電流密度の再現梢就およ
び均一性の向上を図れるジョセフソン接合装置を提供し
ている。さらに本発明の装置は、多／ｉｉ構造の膜をエ
ツチング加工して製造することができる構造であるので
、反応性イオンエツチング技術、イオンミリング技術等
のドライ加工技術を用いることにより、装置の寸法梢皇
を高めることができる。これらのドライ加工技術は、信
租性の尚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。よって、本発明の構造は、ニオブ系ジョセフ
ソン接合装置に好ましく実施され、装置の信頼性を一層
高めることができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について１囲を参照して説明する
。第１図は本発明の第１の実施例の超伝導体チップの主
費部の断面図である。

図において、ジョセ７ノン回路を構成する抵抗や５ＱＵ
ＩＬ）を構成する制御縁等の配線は、本発明に直接関係
しないので、説明を簡単にするために示していない。又
断面形状は、発明の原理に基づいて俟式的に示してあり
、隙間を埋める絶縁膜も示していない。

この実施例は、第１の超伝導体１．２と８ｇ２の超伝導
体３．４とでそれぞれ第１のトンネル［１層１１．１２
を挾んでなるトンネル型ジョセフソン接合及び第２の超
伝導体３．４と第３の超伝導体５．６とでそれぞれ第２
のトンネル障壁層１３゜１４を挾んでなる他のトンネル
型ジョセフソン接合が積層されてなる第１の積層型ジョ
セフソン接合素子３］ａと第２の積層型ジョセフソン接
合素子３２ａを含んでなるものである０ 所望のｌｉＥ密度を有する第１および第２の積層型ジョ
セフソン接合素子３１　ａ　ｅ　３２　ａは、所望の電
流″Ｗｉを有する第１および第２のトンネル障壁７１１
３．１２をそれぞれ所望の形状に成形して得られとれる
。第１および第２の積増型ジョセフソン接合素子３１ａ
、３２ａへの結線は、第１の超伝導体１．２の下に設け
られた配線層２１と、第３の超伝導体５．６の上に設け
られた配線層２２．２３によって行なわれる。以上のジ
、セフソン回路は、基板３３上に設けられた接地層３４
上に、絶縁層３５を介して配置されている０ここで、第
１のトンネル障壁層１１．１２の電流密度Ｊ１は、第２
のトンネル＃壁層１３．１４の電流密度Ｊ２より小さく
設定されている０ 第１の積層型ジョセフソン接合素子３１ａには、第２の
超伝導体３からなる基部電極、第３の超伝導体５からな
る対向電極が設けられておシ、これらの両を憔間の第２
のトンネル障壁層１３は所望の形状に成形されている。

−万、第２の積層型ジョセフソン接合素子３２ａには、
第１の超伝導体２からなる基部電極、第２の超伝導体４
からなる対向電極が設けられており、これらの両電極間
の第１のトンネル障壁】２は所望の形状に成形されてい
る。

第１の積層型ジョセフソン接合素子３１ａの基部電極で
ある第２の超伝導体３への信号線の結巌は、第１の超伝
導体１と第１のトンネルに壁層１１を介して行なわれて
いる。ここで、第１のトンネル障壁層１１の１ｔ２．流
密度Ｊ１は、第２のトンネル障壁層１３の電流密度Ｊ２
より小さく設定されているが、基部電極であるｗＪ２の
超伝導体３０面積Ｓｉｔを、第２のトンネル障壁層１３
の面積８Ｊ１より充分大きく設定することにより、第１
の超伝導体１．１４１のトンネル障壁層１１．第２の超
伝導体３で構成される第１の寄生ジョセ７ンン接合の臨
界１＆１．流値を第１の積層型ジョセフソン接合索子３
１ａの臨界電流値より犬きく設定できる。即ち、ＳＢＩ
　Ｊｌ　＞５ＪＩＪ、の条件が成立する面積ＳＢＩを設
定することＫよシ、第１の寄生ジョセフソン接合が、第
１の積層型ジョセフソン接合素子３１ａのスイッチ動作
に影響を及ぼさないようにされる。

同様に、第２の積層型ジョセフソン接合索子３２ａにお
いて、対向電極である第２の超伝導体４への結線は、第
２のトンネル障壁層１４と第３の超伝導体６を介して行
なわれる。第２の超伝導体４と第２のトンネル障壁層１
４と第３の超伝導体６で構成される第２の寄生ジョセ７
ノン接合の臨界電流値は、第２のトンネル障壁層１４の
ｔ流密度Ｊ２が第１のトンネル障壁層】１の電流密度Ｊ
１より大きいので、トンネル障壁層１１．１４の面積Ｓ
Ｃ２，８Ｊ２がＳＣ２〜８Ｊ２とほぼ等しくしても、第
２の積層型ジョセフソン接合３２ａの臨界を流値より十
分大きい。即ち、トンネル障壁層の電ηを密度Ｊ、、Ｊ
、はＪｌ＜Ｊｚであるので、′ＷＪ２の積層型ジョセフ
ソン接合索子３２ａの臨界電流値５Ｊ２Ｊｌと第２の寄
生ジョセフノン接合の臨界電流値５ｃｚＪ＊　との間に
は５Ｊ２Ｊ１　＜５Ｃ２Ｊ２の関係が成立する。従って
第２の寄生ジョセフソン接合は、第２の積層型ジョセフ
ソン接合素子３２ａのスイッチ動作に影響しない。

以上、本発明のジョセ７ノン接合装置は、１！流Ｗ！度
の異なるトンネル障壁層１３．１２を用いて構成され、
最下部の超伝導体１．２と最上部の超伝導体５．６へ配
置１２１〜２３を行うことによって構成される。

次に本実施例の好ましい製造方法の一例を説明する。

従来技術により形成された接地層３４、絶縁層３５上に
、基部電極に対する配線２】を形成する。

全面にＳｉｎ、　５ｉ０２等の絶縁膜をＣＶＤ又はスパ
ッタリング等の技術を用いて被着する。レジスト１３５
０Ｊ（シップレイ（Ｓ　ｈｉｐｌｅｙ　）　　社の商品
名）等を全面に塗布して表面を平担にしたのち工、チバ
、りする。こうして配線２１の閾を絶縁膜で埋めて全体
が平担な圓となるようＫすることができる。続いて、第
１の超伝導体１．２を形成するための超伝導体層と、第
１のトンネル障壁層１１゜】２を形成するための障壁層
と第２の超伝導体３゜４を形成するための超伝導体層と
、第２のトンネル障壁＃１３．１４を形成するための障
壁層と、第３の超伝導体５．６を形成するだめの超伝導
体層を大気にさらすことなく順次成膜する。

先ず、第１および第２の積層型ジョセフソン接合素子の
基部電極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する。次に第１、）ゆ、ヨツ、ヤ、
ッ、合素子３％や８層アある第２のトンネル障壁層】３
と対向電極の形状を、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同時に規定する。次に、第２
の積層型ジョセフノン接合素子３％接合層である第１の
トンネル障壁層１２と対向電極の形状を、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同時に規
定する。続いて、各槓＃型ジョセ７ノン接合素子間をＳ
ｉＯ，８ｉ０２等の絶縁体で埋込む。すなわち絶縁体を
全面に被着したのち、レジス）１３５０Ｊ等を１μｍ以
上塗布したのち第３の超伝導体５．６が現われるまで工
、チバックする。こうして表面がほぼ平担になる様にす
ることができる。配線層２２．２３と第３の超伝導体５
．６とは、いずれの接合のＴｔ電流密度り十分大きい［
流密度で接触する様、第３の超伝導体５゜６の表面をク
リーニングしたのち、配＠層２２゜２３を形成する。

以上説明した様に、この例においては、電流密度の異な
る第１および第２のトンネル醜壁層１１〜１４が一度に
成膜され、その後は同じ後工程を経る。よって、このよ
うにして作製されたジョセフノノ接合装置の電流密度の
再現性と歩留りは向上する。ざらに、寸法梢度の高いド
ライ加工技術を用いて製造できるのでジョセフソン臨界
電流値の再現性と少留りが向上し、集積化が容易となる
。

物に超伝導体としてニオブ系材料を用いれば、信頼性も
高くなり一層果槓化が容易になる。

第２図は不発明の第２の実施例の超伝導体チップの主安
部の断面図である。第１の実施例と同様、抵抗、　５Ｑ
ＵＩＬ）の制ｍ線等は、説明を簡単にするために示して
いない。

この実施例は、ｙＸｌの超伝導体１．２と、第１のトン
ネル障壁層１１．１２と、第２の超伝導体３．４と、第
２のトンネル障壁層１３．１４と、第３の超伝導体５．
６と、第３のトンネル障壁層１５．１６と第４の超伝導
体７．８が順次積層された構造である。所望の電流ｖｆ
度を有する第１および第２の積層型ジ、七７ンン接合素
子３１ｂ。

３２ｂは、所望のｔ流密度を有するトンネル障壁層１５
．１４を所望の形状に成形して得られる。

第１および第２の積層型ジョセフノン接合素子３］ｂ、
３２ｂへの結線は、各素子の最下部の超伝導体１．２の
下に設けられた配線層２】と、各素子の最上部の超伝導
体７．８の上に設けられた配ＩＶ１１ｊ！％２２．２３
によって行なわれる。以上の２つの積層型ジョセ７ノン
接合素子は、基板３３上に設けられた接地層３４上に、
絶縁層３５を介して配置されている。ここで、第１のト
ンネル障壁層１１．２２の電流密ＫＪｔ、第２のトンネ
ル障壁層１３．１４の電流密［Ｊｘ、第３のトンネル障
壁層１５．１６の電流密度Ｊ３は、Ｊｓ＜Ｊｘ＜Ｊｓの
条件で形成されている。

第１の積層型ジョセフソン接合素子３１ｂＫは、第３の
超伝導体５からなる基部電極、第４の超伝導体７からな
る対向電極が設けられておシ、これらの両電極間の第３
のトンネル障壁層１５は所望の形状に成形されている。

従って、第１の積層型ジョセ７ノン接合素子において、
基部電極５と、配線が接続されている超伝導体１の間に
第１のトンネル障壁層１１と第２のトンネル障壁層１３
が介在する。ここで第１のトンネル障壁／１１１１（７
）［ｆＴ槓ＳＢＩ、第２のトンネル＃璧層］３の面積８
Ｂ２゜ジロセフンン接合として用いられている第３のト
ンネル４層１５のＬＩＪ積ＳＪＩは、５ＢＩＪＩ　）Ｓ
ＪｔＪｌおよびδｎ２Ｊ１　＞ＳＪＩ　Ｊｌの条件が成
立するように設定される。従って、第１の超伝導体１と
第１のトンネル障壁層１】と耐２の超伝導体３で形成さ
れる第１のを生ジ、セ７ンン接合と、第２の超伝導体３
と第２のトンネル＃壁層１３とｆｆＪ３の超伝導体５で
形成される第２の寄生ジ、七７ンン接合の臨界電流籠は
、第１の積層型ジョセ７ノン接＠素子３１ｂのスイッチ
動作に影響しない。

第２の積層型ジョセフソン接合素子３２ｂには、第２の
超伝導体４からなる基部電極、第３の超伝導体６からな
る対向電極が設けられており、第２のトンネル障壁層】
４は所望の形状に成形されている。従って、第２の積層
型ジョセフソン接合素子３２ｂにおいて、基部電極であ
る超伝導体４と配線ｆｆｊｆ２１が接続されている超伝
導体２の間に第１のトンネル障壁層１２が介在し、対向
電極である超伝導体６と配線層２３が接続されている超
伝導体８０間に第３のトンネル障壁層１６が介在する。

ここで第１のトンネル障壁層１２の面積ＳＢ３゜第３の
トンネル障壁層】６の■積Ｓｃｓ　、ジ、セフノン接合
として用いられている第２のトンネル障壁層の面積ＳＪ
２は、５Ｂ３Ｊ１＞５Ｊ２Ｊ　２および５ｃｔＪ１）Ｓ
Ｊ２Ｊ１の条件が成立するように設定される。従って、
第１の超伝導体２と第１のトンネル障壁層１２と第２の
超伝導体４で形成される第３の寄生ジョセフソン接合と
、第３の超伝導体６と第３のトンネル障壁層１６と第４
の超伝導体８で形成きれる第４の寄生ジョセフノン接合
の臨界電流値は、第２の積ｊ−型ジョセ７ンン接合素子
３２のスイッチ動作に影響しない。

なお、第２の実施例において、第１のトンネル障壁層を
ジョセフソン接合として用いるようにしてもよいが、そ
の場合には、前述と１ｐＪ様第１の超伝導体を基部電極
、第２の超伝導体を対向電極、第１のトンネル障壁層が
ジョセフソン接合として用いられる。その上うな積層型
ジョセフソン接合素子は、第１のトンネル障壁層と第２
の超伝導体と第２のトンネル障壁層と第３の超伝導体と
第３のトンネル障壁層と第４の超伝導体を同時に所望の
形状に形成して製造される。本構成において、第２の超
伝導体とＭ２のトンネル障壁層と第３の超伝導体で形成
される奇生ジョセフソン接合と、第３の超伝導体と第３
０トンネル障壁櫃とａ、４の超伝導体で形成される寄生
ジョセフソン接合は、ＪＩくＩ２くＩ３であるので、＊
ｍｍジョセ７ノン接合素子のｗＪ作に影響しない０ 以上に説明した第２の実施例は、第１の実施例と同株の
方法で製造でき、同じ効果を持つ０以上の外、第２の実
施例の上にトンネル障壁層と超伝導体層をさらに横１！
ｎ　Ｌ、４棟類以上の異なる寛１／ＩＥ密度を有する積
層型ジョセフソン接合素子を有するものを構成すること
もできる。

更に、以上の実施例とは逆に、電流密度の大小を逆にし
た（　Ｊｌ　＞Ｉ２　＞Ｊｓ・・・）構成としてもよい
。この場合には、寄生ジョセフソン接合の影響を除くた
めに、対向電極と対向電極よシ上側の超伝導体の形状を
大きくする。即ち、この場合の装置の構造は、第１およ
び第２の実施例のａ造の天地を逆にした構造となる。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明のジ、七７ンン接合装置は
、超伝導体と電流密度の異なるトンネル障壁層が父互に
多層に８ｔ＃され、所望の［流密度を有するトンネル障
壁層が所望の面積に成形された構造を持つ、従って、各
接合が一度に形成できるため、ジョセフソン接合の電流
密度の再境ｒＮ度の向上が図れる。父、一括製造が可能
であるので、製造工程が簡単になり歩留りの向上が図れ
る０又、本発明のジョセフソン接合装置は、寸法種度が
高いドライ７１Ｅｌ工技術を用いることができるので、
臨界電流値の再現精度が一層向上し集積化が可能となる
。父、信相性の尚いニオブ糸ジョセ７ンン接合装置に好
ましく適用される０ざらに配線を最下部と最上部の超伝
導体に対して行うので、装置の平坦化が′６易に行える
０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実地例の超伝専体チ。 プの模式的断面図、第２図は不発明の第２の実施例の模
式的断面図である０ ］、２・・・・・・第１の超伝導体、３．４・・・・・
・第２の超伝導体、５．６・・・・・・第３の超伝導体
、７．８・・・・・・第４の超伝導体、１１．１２・・
・・・・第１のトンネル障壁層、Ｉ３．Ｉ４・・・・・
・第２のトンネル障壁ノー、１５．１６・・・・・・第
３のトンネル障壁層、２１〜接合素子０ 準１ヅ １、２−−−−一層１の苅イ４尊１本 ３．４　　−−−−−　　￥−２ｔｆ）４４Ｌ＄ａ＋ふ
ｔ　　−−−−−’ｌし３ｙｙメｂ多ノ云稟断１イ２Ｆ
・／７．１２−−−−一層ら１のトン和ｒｌ、、ｐ草り
一ノカ、ｒｙ、ｙ４−−−−−一層２のトンネル７１苧
雇、イｈ２／へ２３−−−一配線層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 相異なる複数のトンネル型ジョセフソン接合が積層され
   てなり、互いに電流密度の相違する二以上の積層型ジョ
   セフソン接合素子を含んでなることを特徴とするジョセ
   フソン接合装置。