JPS637676A - 熱処理を用いた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６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３１が加熱される工程がいくつかあ
る。超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３１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イエツ
チングの工程等のような数十秒がら数分間の短い時間だ
け基板３１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会講演予稿集２ａ−ｚＦ−５
゜１９８６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５図に示す下部
電極３２や上部電極３４の側面および上部配線３６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
３４と上部配線３６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
る欠点も有していた。

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。

（問題点を解決するための手段） 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法において、前記接合構成
層を成膜する工程後かつ前記接合構成層を加工する工程
前に前記上部電極層表面が酸素等の汚染物にさらされて
いない状態で熱処理を行うこと、かつ前記熱処理温度が
前記トンネル障壁層形成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処理を用いた超伝導装置の製
造方法が得られる。

（作用） 第３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あり
、横軸は対数目盛で表しである。また第４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３図、第４図においては接合特性として、臨界電
流密度Ｉ。、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が示されている。またこれら工
。、ｖｍ、σの値はそれぞれの熱処理前の値ＩＣｏ、ｖ
ｒｎｏ、σ０で規格化されている。第３図から臨界電流
密度工。の変化は長時間（例えば３０分間）の熱処理で
ほぼ飽和することがわかる。また第４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。これらのことがら、−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■工、接合の均一性を表す値０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／Ａｌ０ｘｂ出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
処理により、向上する。また本発明における熱処理は、
接合構成層の成膜後、その加工前に、上部電極表面が酸
素等の汚染物にさらされていない状態で行われるため、
熱処理中には接合構成層は酸素等の汚染物から完全に隔
離されている。このため酸素等の汚染物の接合構成層中
への侵入が起こらず、それによる接合特性劣化が生じな
い。

（実施例１） 第１図は、第１、第２の実施例を説明するための図であ
る。シリコンウェハからなる基板１１上にニオブを厚さ
３００ｎｍだけ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１０ｎｍ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（ＡｌＯｘ）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
未。この酸化条件から２０００Ａ／ａｍ２の臨界電流密
度を暴 有するトンネル障壁層が得られる。トンネル障壁層１３
上にニオブを１５０ｎｍスパッタで成膜し上部電極層１
４とする。以上の工程はすべて同一真空中で行われ、途
中で真空が破られることはない。これらの工程により臨
界電流密度２００ＯＡ／ｃｍ２のＮｂ／Ａ１ｏｘ／Ｎ′
ｂジョセフソン接合構成層が得られる（第１図（ａ））
。

本実施例では、上記の方法で成膜された接合構成層に対
して真空を破ることなく２２０°Ｃ２６０分間の熱処理
を行う。第３図からＮｂ１Ａ１０ｘ／Ｎｂジョセフソン
接合の臨界電流密度は、２２０’Ｃ，３０分間の熱処理
により３５％減少する。このため臨界電流密度１３００
Ａ／ｃｍ２となる。

その後、接合構成層の加工、絶縁層１５や上部配線層１
６の成膜および加工等の工程を経て、第１図（ｂ）に示
す超伝導装置を完成する。これら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２２０°Ｃ以
下であるならば、接合の臨界電流密度は１００ＯＡ／ｃ
ｍ２に保たれる。これは熱処理により、より安定なトン
ネル障壁１３が形成されたためである。このように上記
熱処理によって第５図に示すようにジョセフソン接合の
臨界電流密度は、その後−゛め工程による基板温度上昇
の影響を受けずに一定ゆ値を保つようになるため臨界電
流密度の制御性牟向上する。

゛　また上記熱処理は、接合構成層成膜に引き続き同一
真空中で行われるため、上部電極層１４表面からの酸素
等の侵入が起こらずそれにともなう接合特性劣化も起こ
らない。

（実施例２） 実施例１で示した工程によりＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合
の接合構成層を成膜する（第１図（ａ））。その後基板
１１を一度真空外に取り出し、別の真空装置に移す。こ
の別の真空装置においてアルゴン１．３Ｐａ、印加電力
１．０ｋｗの条件で１０分間のＲＦプラズマクリーニン
グを行い、上部電極１４表面の汚染物およびニオブ酸化
物を除去する。その後同一真空中において２２０°０１
時間の熱処理を行う。その後接合構成層を加工し、絶縁
層１５、上部配線１６を形成して超伝導装置を完成する
（第１図（ｂ）入 本実施例においては、実施例１で得られた効果の他に、
接合構成層の成膜装置に適切な加熱機構がない場合でも
、他の真空装置のさらにすぐれた加熱機構を用いること
ができ、臨界電流の制御性がさらに向上するという効果
も有する。

（実施例３） 第２図は本発明の第３、第４の実施例を説明するための
図である。以下第２図を用いて第３の実施例の説明を行
う。実施例１で示した工程によりＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ
接合の接合構成層を成膜する（第２図（ａ））。その後
上部電極２４上に、同一真空中において、厚さ２０ｎｍ
のアルミニウム膜をスパッタで成膜する（第２図（ｂ）
）。アルミニウムは大気中で容易に酸化し表面に安定な
アルミニウム酸化膜が厚さ約５ｎｍ生成され、このアル
ミニウム酸化膜により酸素等の膜中への侵入が防止され
る。このため、上記アルミニウム膜は酸素等の汚染物に
対する良好なパッシベーション膜２７となり、大気中で
熱処理を行っても表面から酸素等の汚染物は侵入しない
。

またこのパッシベーション膜２７は、接合構成層成膜に
引き続き同一真空中で成膜されるため、上部電極２４と
パッシベーション膜２７界面には酸素等の汚染物は存在
しない。

第２図に示すように上記パッシベーション膜２７成膜後
基板を真空室外に取り出し２２０°Ｃ５３０分間の熱処
理を行う。その後、接合構成層を加工し、絶縁層２５を
形成し、パッシベーション膜２７を除去した後、上部配
線２６を形成し、第２図（ｃ）に示す超伝導装置を得る
。

本実施例では、実施例１で述べた効果の他に、真空室内
での熱処理という制約がないためあらゆる種類の熱処理
装置を利用できさらに温度の制御性の良い熱処理が行え
るという効果を有する。また実施例１に示した工程によ
りＮｂ１Ａ１０ｘ／Ｎｂ接合を成膜する（第２図（ａ）
）。その後基板を一度真空外に取り出し、別の真空装置
に移す。この別の真空装置において、アルゴン１．３Ｐ
ａ、印加電力１．０ｋｗの条件で１０分間のＲＦプラズ
マクリーニングを行い、上部電極２４表面の汚染物およ
びニオブ酸化膜を除去する。続いて同一真空中において
マグネシウムを厚さ２０ｎｍスパッタで成膜する（第２
図（ｂ））。マグネシウム酸化膜はアルミニウム酸化膜
より生成熱の高いより安定な酸化膜であるため、より良
好なパッシベーション膜２７となる。その後基板を真空
室外に取り出し２２０℃、３０分間の熱処理を行う。そ
の後第２図（ｃ）に示す超伝導装置を完成する。

本実施例においては、第３の実施例で述べた効果の外に
、接合構成層を形成した材料にオブ、アルミニウム）以
外の材料（例えばマグネシウム）をパッシベーション膜
として用いることができ、さらに良好なパッシベーショ
ン膜を得ることができる。

（発明の効果） 一゛１　以上説明したように本発明による超伝導装置の
を行うため、熱的に安定なトンネル障壁層が形成でき、
後の工程において基板が加熱されても臨界電流値が変化
せず、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、接合構成層の加工前に上部電極表面が酸
素等の汚染物にさらされていない状想で行われるため、
酸素等の汚染物が電極層およびトンネル障壁層中に侵入
することによって起る特性劣化を防止することができる
等の効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｂ）は本発明の第１、第２の実施例を
説明するための断面図、第２図（ａ）〜（ｃ）は本発明
の第３、第４の実施例を説明するための断面図、第３図
は２５０６Ｃ熱処理におけ乞う１ＡＩＯｘ／Ｎｂ接合特
性の熱処理時間依存性を示す特性図、第４図は３０分間
の熱処理におけるＮ′ｂｌＡＩＯｘ／Ｎｂ接合特性の熱
処理温度依存性を示す特性図、第５図は第１の実施例の
効果を示すための特性図、第６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、前記接合構成層を成膜する工程
   後かつ前記接合構成層を加工する工程前に前記上部電極
   層表面が酸素等の汚染物にさらされていない状態で熱処
   理を行うこと、かつ前記熱処理温度が前記トンネル障壁
   層形成後の工程における最高温度以上であることを特徴
   とする熱処理を用いた超伝導装置の製造方法。