JPS63209185A - 超電導回路装置 - 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〕 本発明は液体ヘリウム温度近傍で動作し、高速で低消費
電力性能を有する超電導回路装置に係り、とくに回路の
安定な動作に不可欠な回路温度の均一化をもたらし、か
つ回路の信頼性を向上せしめるために必要な絶縁膜を有
する超電導回路装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、超電導回路装置において、基板材料に直接液する
絶縁膜、磁気遮蔽膜上に敷設される絶縁膜、あるいは回
路を構成する超電導スイッチング素子、および抵抗体の
下部に敷設される絶縁膜としては一酸化硅素（ＳｉＯ）
あるいは二酸化硅素（ＳｉＯ□）が用いられて来た。Ｓ
ｉＯあるいはＳｉＯ２を絶縁膜に用いた超電導回路の作
製方法および構造に関してはアイ　ビーエムジャーナル
オブリサーチアンドディベロップメント　２４巻（１９
８０年）１９５頁から２０５頁（Ｉ　ＢＭＪｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐ
ｍｅｎｔ、　Ｖｏｌ。

２４　（１９８０）ｐｐ、１９５−２０５）において詳
細に述べられている。ＳｉＣ膜はとくに抵抗加熱法によ
る膜形成が可能であり、リフトオフによるバタン形成を
行なうことができる。したがって、ＳｉＣ膜は超電導回
路用の絶縁材料として、簡便に用いられて来た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のごとく、ＳｉＯあるいは５ｉ０２を超電導回路装
置の層間絶縁膜として用いる従来の回路構造においては
、層間絶縁膜の膜形成あるいはバタン形成が容易であり
、特殊な形成装置を必要としないという利点があった６
しかしながら、従来の非晶質構造のＳｉＯあるいはＳｉ
Ｏ□を超電導回路装置の層間絶縁膜として用いる方法に
は以下に述べる問題点を有する。

すなわち、超電導回路装置に用いられる超電導材料はＮ
ｂ等が中心であるが、Ｎｂの超電導臨界温度が９にであ
るのに対し、液体ヘリウムを冷媒としている動作温度は
４．２にであり、動作温度余裕は少ない。冷媒温度４．
２Ｋに対して１回路の温度がＩＫ上昇すれば、たとえば
Ｎｂを電極材料とするトンネル接合素子の臨界電流は１
１％低下する。トンネル接合素子の近傍に抵抗素子等の
発熱体が存在する場合、あるいはトンネル接合素子自身
の発熱が大きい場合このような温度上昇に伴なう特性の
変化は十分にあり得る。層間絶縁膜として熱伝導度の低
い材料を用いる場合、温度上昇がトンネル接合素子等の
素子特性に与える影響は著しい。ＳｉＯあるいはＳ　ｉ
　０２の熱伝導率は４．２Ｋにおいて３　Ｘ　１０−３
Ｗ／ｃｍ　Ｋであり。

ＡｇやＣｕ等の１０４分の１程度である。したがって、
ＳｉＣ膜や５ｉ０２膜を高電流密度トンネル接合素子あ
るいは抵抗体の下地として用いる場合、これら素子ある
いは抵抗体からの発熱は。

ＳｉＣ膜あるいはＳ　ｉ　０２膜が熱絶縁体となって、
基板の面内方向あるいは基板内部方向への熱拡散を妨げ
られる。熱伝達は主として冷媒である液体ヘリウムと素
子あるいは抵抗体との接触面において行われる。前記の
ように熱拡散が妨げられた場合には、Ｎｂ系の超電導ト
ンネル接合素子の場合。

５μｍ角の接合面積であれば、臨界電流密度が３Ｘ１０
３Ａ／ａｍ２以上の領域においてギャップ電圧の低下や
ゆらぎなど、スイッチング素子として望ましくない現象
があられれる。このようなギャップ電圧の低下は素子の
温度が上昇したことと等価であるとして解釈することが
できる。

さらに、ＳｉＣ膜あるいは５ｉ０２膜を超電導回路の層
間絶縁膜として用いることの問題点として、耐熱性ある
いは耐久性の低下がある。これはＳｉＯ膜あるいはＳｉ
Ｏ□膜を超電導トンネル接合素子等の下地層間絶縁膜と
して用いた場合、素子の主要な構成材料であるＮｂが酸
素と反応性が強いために、回路を加熱した場合、素子特
性が変動する。たとえばＮｂを電極とするトンネル接合
素子の場合、２００℃までの加熱によって特性に変動あ
るいは劣化を来たす。

そこで本発明の目的は超電導回路装置において、スイッ
チング素子自身および抵抗体の発熱によって回路中の温
度分布が不均一になることによる、スイッチング素子等
の特性変化を最小限に抑えるとともに、回路の加熱や室
温保存等によってトンネル接合素子等の特性変化を生じ
ない超電導回路装置の構造を与えることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は超電導回路装置において、基板に結晶性の材
料を用い、基板上に形成する絶縁膜、磁気遮蔽膜上に敷
設される絶縁膜、あるいは回路を構成する超電導スイッ
チング素子および抵抗体の下部に敷設される絶縁膜とし
て構成成分に酸素を含まずダイアモンド型結晶構成を有
するＳｉ膜、あるいはセン亜鉛鉱型結晶構造を有するＳ
ｉＣ膜、またはウルツ鉱型結晶構造を有するＡｌＮ膜を
用いることにより達成される。

〔作用〕

ダイアモンド型結晶構造を有するＳｉ、あるいはセン亜
鉛鉱型結晶構造を有するＳｉＣあるいはウルツ鉱型結晶
構造を有する八〇Ｎは単結晶状態において、室温で、そ
れぞれ１．５Ｗ／ｃｍ−ｄｅｇ。

５Ｗ／ｃｍ−ｄｅｇあるいは３．ＩＷ／ｃｍ−ｄｅｇの
熱伝導率を有する。これらの値はＳｉＯあるいはＳ　ｉ
　０２の熱伝導率の約１００倍の大きさである。

超電導回路を動作させる液体ヘリウム温度まで冷却させ
る場合、これら結晶性絶縁物の熱伝導率の変化はＩＯＫ
前後までは上昇し、これ以下の温度で低下するという挙
動を示し、４．２Ｋにおける熱伝導率は室温における値
とほぼ等しい。この理由は以下の通りである。すなわち
、結晶性絶縁物の熱伝導担体は格子振動子すなわちフォ
ノンである。室温より温度を低くするに従って、フォノ
ン間の衝突確率が低下するので、熱伝導率が上昇する。

さらに温度を低くする場合、フォノン密度のの低下に従
って熱伝導率は温度の３乗に従って低下する。非晶質絶
縁物の場合、原子の不規則な配列によるフォノンの散乱
が熱伝導率を制限する主な要因であり、フォノン密度の
因子のために、温度の低下とともに熱伝導率が減少する
。ＳｉＯあるいは５ｉｎ２はすでに述べたように、液体
ヘリウム温度における熱伝導率が室温における値の約１
／１０となっている。したがって、液体ヘリウム温度に
おいて、結晶質Ｓｉ、Ａ１２ＮあるいはＳｉＣ等はＳｉ
ＯあるいはＳ　ｉ　０２と比較して約１０３倍の熱伝導
率を有する。

このような高い熱伝導率を有する結晶質Ｓｉ。

Ａｌ２ＮあるいはＳｉＣを超電導回路装置の層間絶縁膜
として用いる場合の作用は以下の通りである。

超電導回路装置においては、単結晶Ｓｉのような半導体
を基板として用いる場合１回路あるいは素子間の電気的
絶縁を保証するために、基板上に絶縁膜層を形成する。

この上にＮｂ等の超電導材料を用いた磁気遮蔽膜、さら
にこの上に眉間絶縁膜を形成する。この層間絶縁膜上に
超電導トンネル接合素子および抵抗体などの回路構成部
品が形成される。トンネル接合素子あるいは抵抗体から
の発熱が生じた場合、眉間絶縁膜の熱伝導率が高ければ
、発生した熱は素子表面から液体ヘリウムへの熱伝達だ
けでなく、素子から層間絶縁膜を通じた回路の面内方向
の熱伝導、および素子から層間絶縁膜、磁気遮蔽膜、眉
間絶縁膜を通じて基板に達する回路の奥行方向の熱伝導
が存在する。回路内で局所的で高密度の熱発生が存在し
たとしても、前記したような層間絶縁膜の高い熱伝導性
によって、温度分布が均一化されるとともに、トンネル
接合素子における温度上昇、およびこれに伴なう特性変
化および特性ゆらぎが防止される。

超電導トンネル接合素子や抵抗体の耐熱性に関しては以
下の通りである。すなわち、トンネル接合素子の構成材
料であるＮｂあるいはＮｂを主成分とするＮｂ合金ある
いはＮｂ化合物は酸素に対して活性であり、一方、超電
導臨界温度などの超電導特性はとくに膜中の酸素濃度に
依存し、酸素を不純物として含むことによって低下する
。たとえばＮｂ膜は結晶粒内に１，５ａｔ％の酸素を含
むことにより、臨界温度は８Ｋに低下する。結晶粒界に
存在する酸素は臨界温度に影響を与えないが。

結晶粒界は膜中の酸素の拡散経路となり、外部から侵入
した酸素がトンネル接合素子の障壁層に達してトンネル
接合素子特性を劣化させる。Ｎｂを電極として、Ｎｂ酸
化物あるいは非晶質シリコン等を障壁層とするトンネル
接合素子の場合、２００℃までの加熱によって、臨界電
流やトンネル抵抗等の素子特性が変化する。これについ
ては従来のＳｉＯやＳ　ｉ　０２膜を下地層間絶縁膜と
するトンネル接合素子の場合、ＳｉＯあるいは５ｉ０２
が酸素の供給源となってＮｂ電極あるいはトンネル障壁
層中に酸素が拡散することが素子特性化の要因の一つと
なっている。したがって、本発明におけるＳｉ膜、Ａｌ
Ｎ膜あるいはＳｉＣ膜のごとく、成分として酸素を含ま
ない絶縁膜を用いる場合、絶縁膜からＮｂ電極あるいは
トンネル障壁層中へ酸素が拡散侵入する心配はない、こ
のことにより、トンネル接合素子の耐熱上限温度が引上
げられることになる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を、第１図にもとづいて説明する。

（１００）面が基板表面と平行なＳｉ単結晶をＳｉ基板
１として用いた。ＡｒとＮ２の混合ガス雰囲気中でのＡ
Ｊの高周波スパッタにより、ＡＮＮ層間絶縁膜２を基板
全面に３００ｎｍ形成した。得られたＡｌＮ膜は六方晶
型に属するウルツ鉱型結晶構造の多結晶体であった。つ
ぎに、Ａｒ１＃囲気中での直流スパッタ法により、厚さ
２００ｎｍのＮ　ｂ’膜を形成し、Ｎｂ磁気遮蔽膜３と
した。所定のバタン形状を有するレジスト層形成後、Ｃ
Ｆ４と酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエツチング
法により、Ｎｂ磁気遮蔽膜の加工を行い、レジストを除
去することにより磁気遮蔽膜パターンを得た。

つぎに基板全面に再びＡｒとＮ２の混合ガス雰囲気中で
のＡｒの高周波スパッタにより、ＡｌＮ層間絶縁膜４を
膜厚３００ｎｍで形成した。所定のパタン形状を有する
レジスト層形成後、Ａｒガスをイオン化して加速し、ス
パッタ効果を利用するイオンビームエツチング法により
、ＡｌＮ膜の加工を行った。レジストを除去することに
より、所定のコンタクト穴を持ったバタン形状を有する
ＡｌＮ層間絶縁膜４を得た。

つぎにスイッチング素子としての超電導トンネル接合を
有する回路素子の作製を行った。すなわち、Ｎｂ下部電
極膜５の直流スパッタ法による形成、トンネル障壁層と
なるＡＱ膜の直流スパッタによる形成と表面酸化による
ＡＱおよびＡＱ酸化物トンネル障壁層６の形成、上部電
極Ｎｂ膜７のスパッタによる形成を連続的に行った。つ
ぎにＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエツチングにより
、上部電極と下部電極となるＮｂ膜のエツチングの加工
を、Ａｒガスを用いたイオンビームエツチングによりト
ンネル障壁層の加工を行い、接合部を含む配線膜パタン
を得た。つぎに接合部を規定するためのレジストパタン
を形成した。このレジストパタンに従ってＣＦ４ガスを
用いた反応性イオンエツチングにより上部電極となるＮ
ｂ膜の加工を行った。

つぎにエツチングを行った部分のＳｉ層間絶縁膜８によ
る埋戻しを行い、Ａｒの高周波プラズマ雰囲気における
クリーニング処理を経て、上部電極につながるＮｂ配線
膜９を直流スパッタ法によリウェハ全面に形成した。再
びＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエツチング法により
、配線パタンの加工形成を行った。

以上のごとく形成された超電導回路装置に対して、超電
導トンネル接合の特性に対する熱的影響を調べた。すな
わち寸法５μｍ角のトンネル接合素子に対して、臨界電
流密度の異なる場合におけるギャップ電圧の変化を調べ
た。この結果によれば、臨界電流密度１０００　Ａ／ａ
ｍ２以下のトンネル接合のギャップ電圧は２．９ｍＶで
あったが、このギャップ電圧値は臨界電流密度の値が１
０４Ａ　／　ｃ　ｍ　”のトンネル接合まで維持された
。したがって、臨界電流密度の値が１０’Ａ／ａｍ２の
トンネル接合でも、本発明に従った回路構造に従えば。

ギャップ電圧の減少や時間的なゆらぎ、これに伴なう臨
界電流値の変動を生じることなく、超電導回路用スイッ
チング素子として使用できる。このことは、超電導回路
を従来より高密度、高速化できることを意味する。なお
、信号伝播速度に影響を及ぼす層間絶縁膜の比誘電率に
関しては、ＳｉＯ（７）　５　、７　ニ対しＡｌＮは８
である。、ｓｉＯを磁気遮蔽膜と配線膜間の層間絶縁膜
に用いた場合と比べて、ＡｌＮを層間絶縁膜に用いた場
合は伝播速度が低下するが、この割合は１９％程度であ
る。

この伝播速度の低下は、高臨界電流密度トンネル接合を
用いることによってもたらされるスイッチング速度の増
大と比較すれば無視できる。

さらに以上のごとく作製した１層間絶縁膜をＡｌＮとす
る超電導回路装置に対して耐熱特性を調べた結果によれ
ば、ＡｌＮを下地として敷設したＮｂ配線膜は５００℃
の加熱まで超電導特性の劣化を示さなかった。トンネル
接合素子に関しては、２５０℃の加熱を経ても、臨界電
流値、トンネル抵抗値、リーク電流割合等の素子特性に
変化を生じなかった。

〔発明の効果〕

以上の実施例において述べたごとく、本発明によれば、
超電導回路装置の特性あるいは性能に関して以下の効果
を有した。

（１）従来の非晶質の層間絶縁膜と比較して、本発明に
がかるＳｉ、ＡｌＮ、あるいはＳｉＣ層間絶膜は約１０
３倍の熱伝導率を有する。

したがって１回路素子の発熱に伴なう放熱経路は回路の
面内方向および、基板の奥行方向が可能である。

（２）回路中で使用できるＮｂ系トンネル接合素子の臨
界電流密度として１０’Ａ／ｃｍ”まで可能である。

（３）回路の高密度化と高速化（２倍）が可能である。

（４）本発明にかかる層間絶縁膜は融点が２０００℃で
あり、５００℃程度の高温までＮｂ膜等の直接接する超
電導膜との拡散反応を生じない。したがって、装置を５
００℃までの高温で作製処理することができる。超電導
トンネル接合素子を作製した段階での加熱は２５０℃ま
で許容される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超電導回路装置の断面図で
ある。 １・・・Ｓｉ基板、２・・・ＡｌＮ層間絶縁膜、３・・
・Ｎｂ磁気遮蔽膜、４・・・ＡｌＮ層間絶縁膜、５・・
・Ｎｂ下部電極膜、６・・・ＡＱおよびＡＱ酸化物トン
ネル障壁層、７・・・Ｎｂ上部電極膜、８・・・Ｓｉ層
間絶縁膜、９・・・Ｎｂ配線膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、所定の基板上に形成された第１の絶縁膜と、該第１
   の絶縁膜上に形成された磁気遮蔽膜と、該磁気遮蔽膜上
   に形成された第２の絶縁膜と、該第２の絶縁膜上に形成
   された回路素子とを少なくとも有する超電導回路装置に
   おいて、前記第１および第２の絶縁膜は、ダイアモンド
   型結晶構造のＳｉ膜、セン亜鉛鉱型結晶構造のＳｉＣ膜
   およびウルツ鉱型結晶構造のＡｌＮ膜のいずれかである
   ことを特徴とする超電導回路装置。