JPS637675A - 超伝導装置の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はジョセフソン接合を有する超伝導装置の製造方
法に関する。

（従来の技術） 第４図に示すようなジョセフソン接合を有する超伝導装
置の製造工程においては、ジョセフソン接合のトンネル
障壁層形成後、基板２１が加熱される工程がいくつかあ
る。Ｍ伝導装置における重要なパラメータであるジョセ
フソン接合の臨界電流密度は前記基板２１の加熱により
変化する。このため前記臨界電流密度を設計値どおりに
制御することが難しくなる。特にスパッタやドラエツチ
ングの工程等のような数十秒から数分間の短い時間だけ
基板２１が加熱される工程がある・場合、この加熱時間
範囲での前記臨界電流密度の変化率が大きいため、前記
臨界電流密度の制御は一層困難になる。

前記臨界電流密度を制御する方法として、アブライドフ
ィジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ）第４５巻、第７９６頁、１９８４年に
あるように超伝導装置完成後、熱処理を行い前記臨界電
流密度をトリミングする手法が知られていた。

（発明が解決しようとする問題点） ジョセフソン接合の臨界電流密度は、基板の加熱により
変化し、−度その温度による変化が飽和してしまうと、
それ以下の熱処理では変化しなくなる。このため、従来
の技術で述べた熱処理による臨界電流密度トリミング時
の熱処理温度は、ジョセフソン接合のトンネル障壁形成
後の超伝導装置の製造工程における最高温度以上でなけ
ればならない。しかじ熱処理温度が高くなると、第３３
回応用物理学会関係連合講演予稿集２ａ−ＺＦ−５゜１
９８６年にあるように、ニオブ等の電極材料中に酸素等
の汚染物が侵入し、接合特性を劣化させる。

この現象は電極材料表面に吸着されたわずかな汚染物に
よっても生じる。

このため、従来の技術で述べた、超伝導装置完成後、熱
処理を用いてジョセフソン接合の臨界電流密度をトリミ
ングする技術においては、熱処理時に、第４図に示す下
部電極２２や上部電極２４の側面および上部配線２６の
上面から酸素等の汚染物が侵入し、接合特性が劣化する
欠点を有していた。またこの酸素等の汚染物が上部電極
２４と上部配線２６との界面に蓄積されると、接合と直
列に抵抗が発生し、超伝導装置の動作が著しく阻害され
る欠点を有していた。

本発明は、上記従来の技術の欠点を克服し、超伝導装置
の特性劣化を伴わない熱処理方法を用いた超伝導装置の
製造方法を提供することを目的としている。

（問題点を改善するための手段） 本発明によれば基板上に超伝導体からなる下部電極層と
上部電極層がトンネル障壁層を介して結合した接合構成
層を加工することによって得られるジョセフソン接合を
有する超伝導装置の製造方―において、前記トンネル障
壁層形成後例き続き真空中において熱処理を行うこと、
かつ前記熱処理の温度が前記熱処理後の工程における最
高温度以上であることを特徴とする超伝導装置の製造方
法が得られる。

（作用） 第２図は上下両電極にニオブ（Ｎｂ）、トンネル障壁層
にアルミニウム酸化膜（Ａ１０ｘ）を用いたＮｂ／Ａｌ
Ｏｘ／Ｎｂジョセフソン接合特性の、２５０°Ｃの熱処
理温度における、熱処理時間依存性を示した特性図で、
横軸は対数目盛で表わしである。また、第３図は同じ＜
　Ｎｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂジョセフソン接合特性の３０分
間の熱処理における熱処理温度依存性を示した特性図で
ある。第２図、第３図においては接合特性として、臨界
電流密度Ｉｃ、接合の質を表す値Ｖｍ。

接合の均一性を表す臨界電流の標準偏差σがプロットさ
れている。またこれらＩｃ、　Ｖｍ、σの値はそれぞれ
の熱処理前の値Ｉｃｏ、　Ｖｍｏ、σ０で規格化されて
いる。第２図から臨界電流密度Ｉｃの変化は、長時間（
例えば３０分間）熱処理でほぼ飽和することがわかる。

また第３図から熱処理温度が高くなる程、臨界電流密度
の変化は大きくなることがわかる。これらのことから、
−度高温で長時間の熱処理を施されたジョセフソン接合
の臨界電流密度は、それ以下の温度では変化を受けない
ことがわかる。−方、接合の質を表す値Ｖｍ、接合の均
一性を表す値σは、２５０°Ｃ以下の温度では劣化しな
いことから、上記熱処理はＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂジョセ
フソン接合の場合、２５０°Ｃ以下では接合特性の劣化
を考慮することなしに行うことができる。

以上説明したＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂジョセフソン接合で
代表されるようにトンネル型ジョセフソン接合は、熱処
理を行うことにより、熱的により安定なトンネル障壁層
が形成され、その後の製造工程で基板が加熱されても、
その温度が前記熱処理温度以下であれば、ジョセフソン
接合の臨界電流密度は変化しない。このため、ジョセフ
ソン接合の臨界電流密度の制御性は上記熱処理を行うこ
とにより、向上する。また本発明における熱処理は、ト
ンネル障壁層形成に引き続き、真空中で行われるため、
熱処理中に酸素等の汚染物の侵入による接合特性劣化が
生じない。

（実施例） 第１図は本発明による超伝導装置の製造方法を示した図
である。第１図を用いて本発明の詳細な説明を行う。シ
リコンウェハからなる基板１１上にニオブを厚さ３００
ｎｍスパッタで成膜し下部電極層１２とする。下部電極
層１２上にアルミニウムを厚さ’　Ｏｎｍスパッタで成
膜し、このアルミニウム膜表面°を酸化することにより
アルミニウム酸化膜（Ａ１０ｘ）を生成しトンネル障壁
層１３とする。酸化条件は純酸素１３Ｐａ、１０分間の
自然酸化である。この酸化条件から２０００Ａ／ｃｍ２
の臨界電流密度を有するトンネル障壁層１３が得られる
（第１図（ａ））。酸化に用いた酸素を排気し、１．０
Ｘ１０−６Ｐａ以下の高真空中で基板を加熱し、２５０
°Ｃ１３０分間の熱処理を行う。第２図からＮ′ｂ／Ａ
ｌＯｘ／Ｎｂジョセフソン接合の臨界電流密度は、２５
０°Ｃ１３０分間の熱処理により５０％減少する。この
ため前記トンネル障壁層の臨界電流密度１０００Ａ／ｃ
ｍ２となる。

その後上部電極１４としてニオブを１５０ｎｍスパッタ
で成膜し、接合構成層を形成する（第１図（ｂ））。さ
らに接合構成層の加工、絶縁層１５や上部配線層１６の
成膜および加工等の工程を経て第１図（ｃ）に示す超伝
導装置を完成する。これらの前記熱処理後の工程におい
て基板温度が上昇してもその温度が前記熱処理温度２５
０°Ｃ以下であるならば、臨界電流密度は変化せず１０
００Ａ／ｃｍ２に保たれる。これら熱処理により、より
安定なトンネル障壁層１３が形成されたためである。以
上水したように上記熱処理によってジョセフソン接合の
臨界電流密度は、その後の工程による温度上昇の影響を
受けずに一定の値を保つようになる。このため臨界電流
密度の制御性が向上する。

また上記熱処理は、トンネル障壁層１３形成後、により
トンネル障壁層１３表面にある、アルミニウムと結合し
ていない過剰な酸素をトンネル障壁層１３表面から除去
することもできる。このトンネル障壁層１３表面の過剰
な酸素は上部電極層１４成膜時にニオブ中にとり込まれ
、ニオブの超伝導特性を劣化させる。このため上記熱処
理により、接合の質が向上する。

（発明の効果） 以上説明したように本発明による超伝導装置の製造方法
は、トンネル障壁層形成後、後の工程における最高温度
以上の温度で熱処理を行うため、熱的により安定なトン
ネル障壁層が形成でき、後の工程において臨界電流値が
影響を受けず、臨界電流値の制御性が向上する効果があ
る。また前記熱処理はトンネル障壁層形成に引き続き高
真空中で行われるため、酸素等の汚染物の侵入による接
合特性の劣化を防止する効果を有する。さらに前記熱処
理によりトンネル障壁層表面の過剰な酸素が除去される
ため、接合の質が向上する等の効果を有する。

′歯面の簡単な説明 ・第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の詳細な説明するため
の・断面図、第２図は２５０８Ｃ熱処理におけるＮｂ／
ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合特性の熱処理時間依存性を示す特性
図、第３図は３０分間の熱処理におけるＮｂ／ＡｌＯｘ
／Ｎｂ接合特性の熱処理温度依存性を示す特性図、第４
図は従来例を示すための超伝導装置の断面図である。

図において、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に超伝導体からなる下部電極層と上部電極層がト
   ンネル障壁層を介して結合した接合構成層を加工するこ
   とによって得られるジョセフソン接合を有する超伝導装
   置の製造方法において、前記トンネル障壁層形成後、引
   き続き真空中において熱処理を行うこと、かつ前記熱処
   理の温度が前記熱処理後の工程における最高温度以上で
   あることを特徴とする熱伝導装置の製造方法。