JP3267353B2 - Manufacturing method of weak junction type Josephson device using edge junction of submicron area - Google Patents
Manufacturing method of weak junction type Josephson device using edge junction of submicron areaInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は超伝導量子干渉型デバイ
ス（ＳＱＵＩＤ：Superconducting QuantumInterferenc
e Device)等の製造に利用できるサブミクロン面積のエ
ッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方
法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting quantum interference device (SQUID: Superconducting Quantum Interferenc).
The present invention relates to a method for manufacturing a weak junction type Josephson device using an edge junction having a submicron area that can be used for manufacturing an e-device or the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ジョセフソン素子は２個の超伝導体ある
いは超伝導薄膜を弱く結合して構成したものであるが、
形態としてトンネル型、弱接合型（ブリッジ型）、近接
効果型、ポイントコンタクト型等がある。ジョセフソン
素子は磁束に敏感で磁束計に利用される。超伝導量子干
渉型デバイス（DC-SQUID）は導電性のループ内に２つの
ジョセフソン素子を形成したもので、きわめて高感度の
磁束計として利用される。図３はDC-SQUIDの概略構成を
示す。図で５はループ、６、７はジョセフソン素子であ
る。ループ５を貫く外部磁場によってジョセフソン結合
素子６、７を横切る電子の干渉が影響を受けこれによっ
て磁気検出する。DC-SQUIDの電流−電圧特性は外部磁束
に対して周期的に変動し、その周期はΦ0 ＝2.07×10
-15 Ｗｂという極めて微小な磁束量である。したがっ
て、この性質を利用することによりきわめて高感度の磁
束計測を行うことができる。2. Description of the Related Art A Josephson element is formed by weakly coupling two superconductors or superconducting thin films.
Examples of the mode include a tunnel type, a weak junction type (bridge type), a proximity effect type, and a point contact type. Josephson devices are sensitive to magnetic flux and are used in magnetometers. A superconducting quantum interference device (DC-SQUID) is a device in which two Josephson elements are formed in a conductive loop, and is used as an extremely sensitive magnetometer. FIG. 3 shows a schematic configuration of the DC-SQUID. In the figure, 5 is a loop, and 6 and 7 are Josephson elements. The external magnetic field passing through the loop 5 affects the interference of electrons crossing the Josephson coupling elements 6 and 7, thereby detecting the magnetic field. The current-voltage characteristics of the DC-SQUID fluctuate periodically with respect to the external magnetic flux, and the period is Φ 0 = 2.07 × 10
This is a very small amount of magnetic flux of -15 Wb. Therefore, by utilizing this property, extremely high-sensitivity magnetic flux measurement can be performed.
【０００３】図４は超伝導膜のエッジを利用したトンネ
ル型のジョセフソン素子を製作する従来例を示す。エッ
ジトンネル型のジョセフソン素子は積層した膜のエッジ
部を利用することによって弱接合部の面積を微細に形成
できるという特徴がある。これはDC-SQUIDの高感度化や
ジョセフソン素子部分での磁束トラップの軽減に有用で
ある。図４はNbN/MgO/NbN によってエッジトンネル型ジ
ョセフソン素子を形成したもので、まず、窒化ニオブ層
８および接続用電極としてアルミニウム９を蒸着した後
(a) 、窒化ニオブ層８を保護するためのアルミナ膜１０
を形成し(b) 、窒化ニオブ層８をエッチングしてエッジ
を形成し(c) 、最後に酸化マグネシウムの絶縁薄膜と窒
化ニオブの対向電極１１を形成する(d) 。窒化ニオブ層
８はベース電極であり対向電極１１との間で酸化マグネ
シウムの絶縁薄膜１２を挟むことによってこの部分でエ
ッジトンネル型素子１３を構成する。FIG. 4 shows a conventional example of manufacturing a tunnel-type Josephson device using the edge of a superconducting film. The edge tunnel type Josephson element has a feature that the area of the weak junction can be formed minutely by using the edge of the laminated film. This is useful for increasing the sensitivity of the DC-SQUID and reducing magnetic flux traps in the Josephson device. FIG. 4 shows an edge tunnel type Josephson element formed by NbN / MgO / NbN. First, a niobium nitride layer 8 and aluminum 9 as a connection electrode are deposited.
(a) Alumina film 10 for protecting niobium nitride layer 8
(B), the niobium nitride layer 8 is etched to form an edge (c), and finally, an insulating thin film of magnesium oxide and a counter electrode 11 of niobium nitride are formed (d). The niobium nitride layer 8 is a base electrode and an edge thin film element 13 is formed by sandwiching an insulating thin film 12 of magnesium oxide between the counter electrode 11 and the counter electrode 11.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところで、金属ブリッ
ジをもつ弱接合型ジョセフソン素子の場合は弱接合部
（超伝導性が左右で弱くつながる部分）の寸法（長さ、
幅、膜厚）を超伝導コヒーレンス長（Nbでは4.2Kで10ナ
ノメートル、NbN では4 〜5 ナノメートル) の３〜５倍
以下に微細化する加工技術（ナノメートルパターニング
技術）が必要である。また、たとえばトンネル型ジョセ
フソン素子の場合には、トンネルバリア厚を0.1 ナノメ
ートル程度で制御する必要があり、きわめて難しい技術
となっている。このように超伝導量子干渉型デバイスの
製作には高度の加工技術が要求され、これが普及が遅れ
る原因になっている。DC-SQUIDの製作においても同様で
あり、従来のトンネル型のジョセフソン素子を用いたも
のでは絶縁薄膜（トンネルバリア層）の厚さが約〜１ナ
ノメートル程度のきわめて薄い膜を使用しているが、膜
厚が0.5 ナノメートル程度変動するだけで臨界電流密度
が１桁もばらついてしまうため、トンネルバリア層の厚
さを0.1 ナノメートル程度で制御しなければならず、ト
ンネル型ジョセフソン素子によるDC-SQUIDの製作におけ
る技術上の一つの問題点となっている。By the way, in the case of a weak junction type Josephson device having a metal bridge, the dimensions (length, length,
Processing technology (nanometer patterning technology) is required to reduce the width and thickness of the superconducting coherence length to 3 to 5 times or less the superconducting coherence length (10 nm for 4.2 K for Nb, 4 to 5 nm for NbN). . In the case of a tunnel-type Josephson device, for example, it is necessary to control the thickness of the tunnel barrier to about 0.1 nm, which is an extremely difficult technique. As described above, the fabrication of a superconducting quantum interference device requires a high-level processing technique, which is a cause of delay in its spread. The same applies to the fabrication of DC-SQUIDs. In the case of using a conventional tunnel-type Josephson device, an extremely thin film with a thickness of about 1 nm is used for the insulating thin film (tunnel barrier layer). However, the critical current density fluctuates by an order of magnitude if the film thickness fluctuates only about 0.5 nm, so the thickness of the tunnel barrier layer must be controlled at about 0.1 nm. This is one of the technical problems in the production of DC-SQUID.
【０００５】また、DC-SQUIDの場合はループ内に一対の
ジョセフソン素子をつくるが、このDC-SQUIDの感度はル
ープインダクタンスＬs および素子容量Ｃが小さいほど
高くなることが知られている。ここで、ループインダク
タンスＬs は検出コイル系との磁束伝達効率を保つため
任意には小さくできない。したがって、感度を上げるた
めには素子容量Ｃを小さくしなければならない。この素
子容量Ｃはトンネル型のジョセフソン素子の場合、対向
電極面積Ａ、面間隔ｄとするとＡ／ｄに依存するから、
素子容量を小さくするには電極面積Ａを小さくし面間隔
(トンネルバリア層の厚さ) ｄを大きくすればよい。し
かしながら、トンネル型ジョセフソン素子の場合はトン
ネル効果による特性を得るため面間隔ｄを1 〜2 ナノメ
ートル程度より大きくすることは不可能である。そこ
で、従来のDC-SQUIDでは〜1 ナノメートル程度の薄い絶
縁薄膜を使用してジョセフソン素子を形成しているが、
この薄膜形成技術は容易ではなく、工業上はよりシンプ
ルな素子作製法が望ましい。[0005] In the case of DC-SQUID make a pair of Josephson devices in the loop, but the sensitivity of the DC-SQUID is known to become higher as the loop inductance L s and the element capacitance C is small. Here, the loop inductance L s can not be reduced in any order to maintain magnetic flux transfer efficiency between the detection coil system. Therefore, in order to increase the sensitivity, the element capacitance C must be reduced. In the case of a tunnel-type Josephson device, the device capacitance C depends on A / d when the counter electrode area A and the surface distance d are given by
To reduce the element capacitance, reduce the electrode area A and set the surface spacing.
(Thickness of tunnel barrier layer) d may be increased. However, in the case of a tunnel-type Josephson device, it is impossible to make the plane distance d larger than about 1 to 2 nanometers in order to obtain characteristics due to the tunnel effect. Therefore, in the conventional DC-SQUID, a Josephson element is formed using a thin insulating thin film of about 1 nm.
This thin film forming technique is not easy, and a simpler element manufacturing method is desirable in industry.
【０００６】本発明は上記問題点を解消すべくなされた
ものであり、その目的とするところは、良好な特性を有
し、かつ再現性に優れた弱接合型ジョセフソン素子を好
適に作製することができ、DC-SQUID等のデバイスにも好
適に利用できるサブミクロン面積のエッジ接合を利用し
た弱接合型ジョセフソン素子の製造方法を提供するにあ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to suitably manufacture a weak junction type Josephson device having good characteristics and excellent reproducibility. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a weak junction type Josephson element using an edge junction having a submicron area which can be suitably used for a device such as a DC-SQUID.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。すなわち、弱接合型ジョセ
フソン素子の製造方法において、基板上にベース電極と
して窒化ニオブ層を形成し、次いで該窒化ニオブ層に絶
縁層として窒化シリコン層を積層し、酸素ガスとＣＦ 4
ガスとの混合ガスを使用した反応性イオンエッチング法
により前記窒化ニオブ層および窒化シリコン層の端面を
前記基板上面に対して傾斜面となるようにエッチングし
て、前記基板上にベース電極および絶縁層の端面が面一
に露出するエッジ部を形成し、該エッジ部に絶縁薄膜と
対向電極とをこの順に積層してエッジ接合部を形成した
後、前記ベース電極と前記対向電極が超伝導となる温度
で前記ベース電極と前記対向電極との間に電圧を印加し
て、前記絶縁薄膜中に存在するボイド内に前記ベース電
極あるいは対向電極の金属原子を電界蒸発させ、前記ベ
ース電極と前記対向電極との間を電気的に連絡するナノ
メートルサイズの金属ブリッジを形成することを特徴と
する。サブミクロン面積のエッジ接合を利用した弱接合
型ジョセフソン素子の製造方法。The present invention has the following arrangement to achieve the above object. That is, in the method of manufacturing a weak junction type Josephson device, a base electrode is formed on a substrate.
To form a niobium nitride layer, and then
A silicon nitride layer is laminated as an edge layer , and oxygen gas and CF 4
End faces of the niobium nitride layer and the silicon nitride layer by a reactive ion etching method using a gas mixture with a gas.
Etching is performed so as to be inclined with respect to the upper surface of the substrate, and the end surfaces of the base electrode and the insulating layer are flush with the substrate.
After forming an edge portion that is exposed to the substrate and laminating an insulating thin film and a counter electrode on the edge portion in this order to form an edge junction, the base electrode and the counter electrode are heated at a temperature at which the base electrode and the counter electrode become superconductive. A voltage is applied between the base electrode and the counter electrode, and a metal atom of the base electrode or the counter electrode is field-evaporated in a void existing in the insulating thin film. It is characterized by forming a metal bridge of a nanometer size which is in communicative relation. A method for manufacturing a weak junction type Josephson device using an edge junction having a submicron area.
【０００８】[0008]
【作用】基板上に積層して形成した窒化ニオブ層からな
るベース電極と窒化シリコン層からなる絶縁層を、酸素
ガスとＣＦ 4 ガスとの混合ガスを使用した反応性イオン
エッチング法によりエッチングすることによって好適な
エッジ部が形成でき、該エッジ部に絶縁薄膜と対向電極
とをこの順に積層してエッジ接合部を形成した後、電界
蒸発の手段によってナノメートルサイズの金属ブリッジ
を形成することによってサブミクロン面積を有するエッ
ジ接合が形成できる。基板に窒化ニオブ層と窒化シリコ
ン層を設け、酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを使用
した反応性イオンエッチング法によってエッチングする
ことにより、窒化ニオブ層および窒化シリコン層の端面
が基板上面に対して傾斜面となるようにエッチングさ
れ、エッジ部が好適に形成できる。[Action] comprising a base electrode and a silicon nitride layer composed of a niobium nitride layer which is formed by laminating on a substrate an insulating layer, oxygen
A suitable edge portion can be formed by etching by a reactive ion etching method using a mixed gas of a gas and a CF 4 gas, and an insulating thin film and a counter electrode are laminated on the edge portion in this order to form an edge junction. After formation, an edge junction having a submicron area can be formed by forming a nanometer-sized metal bridge by means of electric field evaporation. By providing a niobium nitride layer and a silicon nitride layer on the substrate, and etching by a reactive ion etching method using a mixed gas of oxygen gas and CF 4 gas, the end faces of the niobium nitride layer and the silicon nitride layer are aligned with the upper surface of the substrate. The edge is etched so as to form an inclined surface, and the edge portion can be suitably formed.
【０００９】[0009]
【実施例】以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基
づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るサブミクロ
ン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョセフソン素
子の製造方法を示す説明図である。まず、図１(1) に示
すように、シリコン基板２０上に酸化マグネシウム層２
２を成膜し、次に、反応性スパッタリング法によって窒
化ニオブ層２４と窒化シリコン層２６をこの順に成膜す
る。酸化マグネシウム層２２の膜厚は約20nm、窒化ニオ
ブ層２４の膜厚は約100nm 、窒化シリコンの膜厚は約10
0nm である。窒化ニオブ層２４はベース電極となるもの
であり、窒化シリコン層は絶縁層として設けたものであ
る。これら酸化マグネシウム層２２、窒化ニオブ層２
４、窒化シリコン層２６の成膜は同一の真空槽内で連続
的に行うことができ、効率的な操作で処理をすることが
できる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing a method of manufacturing a weak junction type Josephson device using an edge junction having a submicron area according to the present invention. First, as shown in FIG. 1A, a magnesium oxide layer 2 is formed on a silicon substrate 20.
2, and then a niobium nitride layer 24 and a silicon nitride layer 26 are formed in this order by a reactive sputtering method. The thickness of the magnesium oxide layer 22 is about 20 nm, the thickness of the niobium nitride layer 24 is about 100 nm, and the thickness of the silicon nitride is about 10 nm.
0 nm. The niobium nitride layer 24 serves as a base electrode, and the silicon nitride layer serves as an insulating layer. These magnesium oxide layer 22 and niobium nitride layer 2
4. The silicon nitride layer 26 can be continuously formed in the same vacuum chamber, and can be processed by an efficient operation.
【００１０】次に、エッジ部を形成するため、図１(2)
に示すように窒化シリコン層２６および窒化ニオブ層２
４をエッジ端面が基板に対して斜めになるようにエッチ
ングする。エッチングに際してはあらかじめ窒化シリコ
ン層２６の上面にレジストパターンを設け、レジストを
マスクとしエッチングガスにＣＦ4 ＋10％Ｏ2 を使用し
て反応性イオンエッチング法によりエッチングする。窒
化シリコンおよび窒化ニオブはＣＦ4 ガスと酸素ガスを
混合したエッチングガスに対してともにほぼ同じエッチ
ング速度を有するという特徴があり、これによって端面
が斜めにエッチングされる。窒化シリコンおよび窒化ニ
オブの組み合わせはこのような反応性イオンエッチング
による斜めエッチングに好適である。このエッチング方
法はエッジ接合を有するジョセフソン素子の製作にも有
効に利用できる。また、エッチングガス中の酸素分圧を
変えることによってエッジ端面の傾斜角度を変えること
が可能である。[0010] Next, in order to form the edge portion, FIG. 1 (2)
As shown in FIG. 6, the silicon nitride layer 26 and the niobium nitride layer 2
4 is etched such that the edge end face is oblique to the substrate. At the time of etching, a resist pattern is provided on the upper surface of the silicon nitride layer 26 in advance, and etching is performed by a reactive ion etching method using CF 4 + 10% O 2 as an etching gas using the resist as a mask. Silicon nitride and niobium nitride are characterized by having substantially the same etching rate with respect to an etching gas in which CF 4 gas and oxygen gas are mixed, whereby the end faces are obliquely etched. A combination of silicon nitride and niobium nitride is suitable for such oblique etching by reactive ion etching. This etching method can be effectively used for manufacturing a Josephson device having an edge junction. Further, it is possible to change the inclination angle of the edge end face by changing the oxygen partial pressure in the etching gas.
【００１１】次いで、図１(3) に示すように、さらに窒
化シリコン２８と酸化マグネシウム３０を成膜して、エ
ッジ接合を形成する部分に窓を形成する。窓幅は約２μ
m とし、これにより実際に弱接合型ジョセフソン素子を
つくるためのエッジ接合面積（幅×膜厚）はおよそ0.2
μm2となる。次に、窒化ニオブ層２４と窒化シリコン層
２６のエッジ部をスパッタリングによってクリーニング
した後、図１(4) に示すように酸化マグネシウム層３２
とニオブ層３４をスパッタリングによって成膜する。酸
化マグネシウム層３２の膜厚は約10nm、ニオブ層３４の
膜厚は約400nm である。こうして、窒化ニオブ層２４／
酸化マグネシウム層３２／ニオブ層３４からなるエッッ
ジ接合部が形成される。酸化マグネシウム層３２が絶縁
薄膜、窒化ニオブ層２４がベース電極、ニオブ層３４が
対向電極である。Next, as shown in FIG. 1 (3), a silicon nitride layer 28 and a magnesium oxide layer 30 are further formed to form a window at a portion where an edge junction is to be formed. Window width is about 2μ
m, whereby the edge junction area (width × film thickness) for actually fabricating a weak junction type Josephson device is about 0.2.
μm 2 . Next, after cleaning the edge portions of the niobium nitride layer 24 and the silicon nitride layer 26 by sputtering, as shown in FIG.
And a niobium layer 34 are formed by sputtering. The thickness of the magnesium oxide layer 32 is about 10 nm, and the thickness of the niobium layer 34 is about 400 nm. Thus, the niobium nitride layer 24 /
An edge junction consisting of the magnesium oxide layer 32 / niobium layer 34 is formed. The magnesium oxide layer 32 is an insulating thin film, the niobium nitride layer 24 is a base electrode, and the niobium layer 34 is a counter electrode.
【００１２】図１(4) のようにエッジ接合部を形成した
後、試料を液体ヘリウム中に浸漬し、図１(5) に示すよ
うにベース電極Ａと対向電極Ｂとの間にパルス電圧を印
加して絶縁薄膜の酸化マグネシウム層３２中にナノメー
トルサイズの金属ブリッジ３６を形成する。この電圧印
加によってナノメートルサイズの金属ブリッジを形成す
る方法は金属原子の電界蒸発を利用するもので、電極間
に107 〜109 Ｖ／cm程度の電界をかけることにより、対
向電極のニオブあるいはベース電極の窒化ニオブを電界
蒸発させ、絶縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリ
ッジを生成させることができる。蒸発したニオブあるい
は窒化ニオブは絶縁薄膜である酸化マグネシウム層３２
中にあるボイド内に堆積・成長し他方の電極まで通じて
電極間を電気的に連絡する。絶縁薄膜の酸化マグネシウ
ム層３２はスパッタリング法によって成膜した際に膜中
に自然に微細なボイドが形成される。上記の電界蒸発法
はこの成膜時に形成されるボイドを利用してナノメート
ルサイズの金属ブリッジを形成するものである。したが
って、絶縁薄膜は電気的絶縁性を有する素材であればと
くに物質は限定されず、酸化アルミニウム等も使用でき
る。After forming the edge joint as shown in FIG. 1 (4), the sample is immersed in liquid helium, and a pulse voltage is applied between the base electrode A and the counter electrode B as shown in FIG. 1 (5). Is applied to form a nanometer-sized metal bridge 36 in the magnesium oxide layer 32 of the insulating thin film. The method of forming a nanometer-sized metal bridge by applying a voltage utilizes the electric field evaporation of metal atoms. By applying an electric field of about 10 7 to 10 9 V / cm between the electrodes, the niobium or opposing electrode can be formed. Electric field evaporation of the niobium nitride of the base electrode can generate a nanometer-sized metal bridge in the insulating thin film. The evaporated niobium or niobium nitride is a magnesium oxide layer 32 which is an insulating thin film.
It deposits and grows in the voids inside, communicates with the other electrode, and electrically connects the electrodes. When the magnesium oxide layer 32 of the insulating thin film is formed by a sputtering method, fine voids are naturally formed in the film. The above-mentioned electric field evaporation method forms a metal bridge of a nanometer size using the void formed at the time of film formation. Therefore, the material of the insulating thin film is not particularly limited as long as it is a material having electrical insulation, and aluminum oxide or the like can be used.
【００１３】なお、上記実施例においては基板側に形成
するベース電極として窒化ニオブを使用したが、窒化ニ
オブのかわりに炭化ニオブ等の他のニオブ化合物も使用
でき、対向電極で使用したようにニオブ金属も使用でき
る。また、実施例ではエッジ部の端面を斜めにエッチン
グするため窒化ニオブ層と窒化シリコン層を設けたが、
窒化シリコンのかわりにSiO2、SiO 等の他の電気的絶縁
性を有する材料を使用することが可能である。なお、図
１(5) に示すようにナノメートルサイズの金属ブリッジ
を形成するためベース電極と対向電極間にパルス電圧を
かける際は対向電極のニオブ層３４をプラス側とする方
が電子の平均自由行程の関係でよりよい SQUIDが作製で
きるが、実用上はどちらの極性で使うことも可能であ
る。ただし、ベース電極としてニオブ金属を使用した場
合は極性はどちらでも良好なデバイスが作製できる。In the above embodiment, niobium nitride is used as the base electrode formed on the substrate side. However, other niobium compounds such as niobium carbide can be used instead of niobium nitride. Metals can also be used. In the embodiment, the niobium nitride layer and the silicon nitride layer are provided to etch the end face of the edge part obliquely.
Instead of silicon nitride, other electrically insulating materials such as SiO 2 and SiO can be used. When a pulse voltage is applied between the base electrode and the counter electrode to form a nanometer-sized metal bridge as shown in FIG. Although a better SQUID can be produced due to the free path, it is practically possible to use either polarity . However, if using a niobium metal as the base electrode polarity good device is either can be produced.
【００１４】本発明方法のエッジ接合を利用した弱接合
型ジョセフソン素子の製造方法は超伝導量子干渉型デバ
イス（DC-SQUID) の作成に好適に使用できる。すなわ
ち、超伝導ループ内に形成する２つのジョセフソン素子
に上記方法を適用することによって好適なデバイスを形
成することができる。実際には、上記製造方法にしたが
って同一の真空槽内で成膜等を行って一対のジョセフソ
ン素子を形成することによって得られる。ナノメートル
サイズの金属ブリッジを形成する場合には、一対のジョ
セフソン素子のエッジ接合部に共通に電圧パルスを印加
することによって行う。これによって、２つのエッジ接
合部の絶縁薄膜に同じように、かつ同時にナノメートル
サイズの金属ブリッジを形成させることができる。The method for manufacturing a weak junction type Josephson device utilizing an edge junction according to the method of the present invention can be suitably used for producing a superconducting quantum interference device (DC-SQUID). That is, a suitable device can be formed by applying the above method to two Josephson elements formed in the superconducting loop. Actually, it can be obtained by forming a film and the like in the same vacuum chamber according to the above manufacturing method to form a pair of Josephson elements. When a metal bridge of a nanometer size is formed, a voltage pulse is commonly applied to an edge junction of a pair of Josephson elements. This allows two edge connections
In the same way, a metal bridge having a nanometer size can be formed in the joint thin film at the same time.
【００１５】上記のように各々のエッジ接合部に共通に
電圧パルスを印加し電界蒸発によってナノメートルサイ
ズの金属ブリッジを形成する場合には、それぞれのエッ
ジ接合部で多数本のナノメートルサイズの金属ブリッジ
がバランスして生成され、デバイス特性( 臨界電流な
ど) の自動調整機構が作用するという大きな特徴を有す
る。すなわち、電圧を徐々に印加していくことによるナ
ノメートルサイズの金属ブリッジの生成と、ジュールヒ
ーティングによる破壊がバランスして各々のエッジ接合
部に形成されるナノメートルサイズの金属ブリッジがバ
ランスしながら形成されていく。この自動調整機構を利
用することによって、２つの特性のそろったジョセフソ
ン素子を有するDC-SQUIDを容易に得ることが可能にな
る。このように特性が揃ったジョセフソン素子が得られ
ることはデバイスの特性上きわめて有効である。[0015] In forming the metal bridge nanometer size by the applied field evaporation voltage pulse in common to each of the edge joint as described above, each of the edge
Large number nanometer sized metal bridge with di junction is generated by balance automatic adjustment mechanism of the device characteristics (such as critical current) has a great feature that acts. In other words, the generation of nanometer-sized metal bridges by gradually applying a voltage and the destruction by joule heating are balanced, and the nanometer-sized metal bridges formed at each edge junction are balanced. It is formed. By using this automatic adjustment mechanism, it is possible to easily obtain a DC-SQUID having a Josephson element having two characteristics. Obtaining a Josephson element having such uniform characteristics is extremely effective in terms of device characteristics.
【００１６】上記実施例におけるナノメートルサイズの
金属ブリッジを形成する方法で電極間に印加するパルス
電圧は20Ｖ以下である。この印加するパルス電圧は実際
にDC-SQUIDを作動させる際に外部から突発的に侵入して
くることが考えられるサージ電圧を考えると、デバイス
形成電圧以下のサージ電圧ではもはや特性は変わらない
わけであるから、サージ電圧耐性のよいDC-SQUIDを得る
ことができるという優れた効果もある。これは、たとえ
ばサブミクロン面積のトンネル型素子の場合、トンネル
バリア層がきわめて薄いため小さな電圧でも大きな電界
が加わり、破壊に至りやすいという事実を考慮すると大
きな利点である。図２は電極Ａ、Ｂ間に電圧を印加して
電界蒸発を行わせた際のDC-SQUIDの２つのジョセフソン
素子の臨界電流の変化を示すパラメータである。各電圧
で臨界電流２Ｉmax （磁束のないときの臨界電流）、２
Ｉmin （(1/2) 磁束量子（(1/2)Φ0 ）加えたときの臨
界電流）の値を比較して示す。電界強度を徐々に上げて
いくと、物性のバランスの良いDC-SQUIDが形成されてい
ることがよくわかる。The pulse voltage applied between the electrodes in the method of forming a nanometer-sized metal bridge in the above embodiment is 20 V or less. Considering the surge voltage that can be applied suddenly from the outside when actually operating the DC-SQUID, the applied pulse voltage does not change its characteristics any more at the surge voltage below the device formation voltage. Therefore, there is also an excellent effect that a DC-SQUID having good surge voltage resistance can be obtained. This is a great advantage in view of the fact that, for example, in the case of a tunnel-type element having a submicron area, a large electric field is applied even at a small voltage because the tunnel barrier layer is extremely thin, and it is likely to be destroyed. FIG. 2 is a parameter showing a change in critical current of two Josephson devices of the DC-SQUID when a voltage is applied between the electrodes A and B to perform electric field evaporation. Critical current 2I max (critical current without magnetic flux) at each voltage, 2
The values of I min (critical current when (1/2) flux quantum ((1/2) Φ 0 ) is added) are shown for comparison. As the electric field intensity is gradually increased, it is clearly understood that a DC-SQUID with a well-balanced physical property is formed.
【００１７】本発明方法によって得られるジョセフソン
素子は絶縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリッジ
を形成して弱接合型のジョセフソン素子を形成したもの
であり、従来の膜のエッジを使ったトンネル型のジョセ
フソン素子とは構造的にも電気輸送機構的にもまったく
異なったものである。すなわち、本発明方法によれば絶
縁薄膜中にナノメートルサイズの金属ブリッジを形成す
る方法をとることによって従来の弱接合型素子で達成し
得なかった良好な物性と再現性が得られる。また、通常
のトンネル型のジョセフソン素子で使用する絶縁薄膜
（トンネルバリア層）の10倍程度の厚さで絶縁薄膜を形
成することが可能になった結果、デバイスを作製する際
の膜厚制御の厳しさが緩和されデバイスプロセス上の困
難さを解消することができる。また、絶縁薄膜の厚さが
厚くできることから素子容量Ｃでの面間隔ｄが大きくと
れ、素子容量Ｃを効果的に小さくすることができデバイ
スの感度を向上させることが可能になる。The Josephson device obtained by the method of the present invention is a device in which a nanometer-sized metal bridge is formed in an insulating thin film to form a weak junction type Josephson device. It is completely different from the Josephson element of the type in terms of structure and electric transport mechanism. That is, according to the method of the present invention, good physical properties and reproducibility that cannot be achieved by the conventional weak junction type element can be obtained by adopting a method of forming a metal bridge having a nanometer size in an insulating thin film. In addition, it became possible to form an insulating thin film with a thickness of about 10 times the thickness of the insulating thin film (tunnel barrier layer) used in ordinary tunnel-type Josephson devices. And the difficulty in device processing can be eliminated. Further, since the thickness of the insulating thin film can be increased, the surface distance d in the element capacitance C can be increased, and the element capacitance C can be effectively reduced, and the sensitivity of the device can be improved.
【００１８】また、本発明方法ではエッジ部を形成する
ためベース電極や絶縁層を成膜し、反応性イオンエッチ
ングによってエッジ部を形成するが、これらの操作は同
一の真空槽内で行うことができ、デバイス作製を容易に
することができる。また、本発明方法をDC-SQUIDの製作
に適用することによって、特性のそろった弱接合型ジョ
セフソン素子を有するデバイスを容易に得ることがで
き、優れた特性を有するデバイスを得ることが可能にな
る。In the method of the present invention, a base electrode and an insulating layer are formed to form an edge portion, and the edge portion is formed by reactive ion etching. These operations can be performed in the same vacuum chamber. And device fabrication can be facilitated. Further, by applying the method of the present invention to the fabrication of a DC-SQUID, a device having a weak junction type Josephson element having uniform characteristics can be easily obtained, and a device having excellent characteristics can be obtained. Become.
【００１９】[0019]
【発明の効果】本発明に係るサブミクロン面積のエッジ
接合を利用した弱接合型ジョセフソン素子の製造方法に
よれば、上述したように、接合部のエッジ接合が好適に
なされ、金属原子の電界蒸発を利用してナノメートルサ
イズの金属ブリッジを形成することにより、優れた特性
を有する弱接合型ジョセフソン素子を得ることができ
る。また、基板に窒化ニオブ層と窒化シリコン層を設
け、酸素ガスとＣＦ4 ガスとの混合ガスを使用した反応
性イオンエッチング法を使用したことによりエッジ部形
成が好適になされる。また、本発明方法をDC-SQUIDの製
造に利用することによって優れた特性のデバイスを容易
に得ることができる等の著効を奏する。According to the method of manufacturing a weak junction type Josephson device using an edge junction having a submicron area according to the present invention, as described above, the edge junction at the junction is suitably performed, and the electric field of the metal atom is reduced. By forming a nanometer-sized metal bridge by using evaporation, a weak junction type Josephson device having excellent characteristics can be obtained. Further, the substrate provided with the niobium nitride layer and a silicon nitride layer, an edge portion formed is preferably Ninasa by using a reactive ion etching method using a mixed gas of oxygen gas and CF 4 gas. In addition, when the method of the present invention is used for manufacturing a DC-SQUID, a device having excellent characteristics can be easily obtained.
【図１】本発明に係る弱接合型ジョセフソン素子の作製
方法を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing a method for manufacturing a weak junction type Josephson device according to the present invention.
【図２】弱接合型ジョセフソン素子によるDC-SQUIDの特
性（臨界電流）のバランスの良さを示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a good balance of DC-SQUID characteristics (critical current) by a weak junction type Josephson device.
【図３】DC-SQUIDの動作を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of DC-SQUID.
【図４】膜のエッジを利用したトンネル型ジョセフソン
素子の作製方法を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing a method for manufacturing a tunnel-type Josephson element using an edge of a film.
５ ループ ６、７ ジョセフソン素子 ８ 窒化ニオブ層 ９ アルミニウム １０ アルミナ膜 １１ 対応電極 １２ 絶縁薄膜 １３ エッジトンネル型素子 ２０ シリコン基板 ２２、３０ 酸化マグネシウム層 ２４ 窒化ニオブ層 ２６、２８ 窒化シリコン層 ３２ 酸化マグネシウム層 ３４ ニオブ層 ３６ ナノメートルサイズの金属ブリッジ Reference Signs List 5 loop 6,7 Josephson element 8 Niobium nitride layer 9 Aluminum 10 Alumina film 11 Corresponding electrode 12 Insulating thin film 13 Edge tunnel type element 20 Silicon substrate 22,30 Magnesium oxide layer 24 Niobium nitride layer 26,28 Silicon nitride layer 32 Magnesium oxide Layer 34 niobium layer 36 metal bridge of nanometer size
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−79682（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−39475（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−252272（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−2082（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−56476（ＪＰ，Ａ) 八木原 剛 他，エピタキシャル成長 ＮｂＮ膜を用いたエッジ接合型ナノメー トルブリッジの高周波特性の評価，電子 情報通信学会技術研究報告ＥＤ85−55, 日本，1985年 ７月23日，ｖｏｌ．85 Ｎｏ．96，71−75 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00 Continuation of the front page (56) References JP-A-62-79682 (JP, A) JP-A-2-39475 (JP, A) JP-A-63-252272 (JP, A) JP-A-58-2082 (JP) , A) JP-A-61-56476 (JP, A) Takeshi Yagihara et al., Evaluation of high-frequency characteristics of edge junction type nanometer bridge using epitaxially grown NbN film, IEICE Technical Report ED85-55, Japan, 1985 July 23, vol. 85 No. 96, 71-75 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 39/22-39/24 H01L 39/00
Claims (1)
おいて、 基板上にベース電極として窒化ニオブ層を形成し、次い
で該窒化ニオブ層に絶縁層として窒化シリコン層を積層
し、酸素ガスとＣＦ 4 ガスとの混合ガスを使用した 反応性イ
オンエッチング法により前記窒化ニオブ層および窒化シ
リコン層の端面を前記基板上面に対して傾斜面となるよ
うにエッチングして、前記基板上にベース電極および絶
縁層の端面が面一に露出するエッジ部を形成し、 該エッジ部に絶縁薄膜と対向電極とをこの順に積層して
エッジ接合部を形成した後、 前記ベース電極と前記対向電極が超伝導となる温度で前
記ベース電極と前記対向電極との間に電圧を印加して、
前記絶縁薄膜中に存在するボイド内に前記ベース電極あ
るいは対向電極の金属原子を電界蒸発させ、前記ベース
電極と前記対向電極との間を電気的に連絡するナノメー
トルサイズの金属ブリッジを形成することを特徴とする
サブミクロン面積のエッジ接合を利用した弱接合型ジョ
セフソン素子の製造方法。1. A method for manufacturing a weak junction type Josephson device, comprising: forming a niobium nitride layer as a base electrode on a substrate;
In the silicon nitride layer stacked nitride the niobium layer as an insulating layer, oxygen gas and the niobium nitride layer by reactive ion etching using a mixed gas of CF 4 gas and nitriding Shi
The end surface of the recon layer is inclined with respect to the upper surface of the substrate.
And sea urchin etched, the end surface of the base electrode and the insulating layer on the substrate to form an edge portion exposed to flush, to form an edge joint by laminating the insulating film and the counter electrode in this order on the edge portion Thereafter, a voltage is applied between the base electrode and the counter electrode at a temperature at which the base electrode and the counter electrode become superconductive,
Field evaporation of metal atoms of the base electrode or the counter electrode in voids present in the insulating thin film to form a nanometer-sized metal bridge that electrically connects the base electrode and the counter electrode. A method of manufacturing a weak junction type Josephson device using an edge junction having a submicron area.
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|---|---|---|---|
| JP30487792A JP3267353B2 (en) | 1991-10-18 | 1992-10-16 | Manufacturing method of weak junction type Josephson device using edge junction of submicron area |
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|---|---|---|---|
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| JP29980391 | 1991-10-18 | ||
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|---|---|
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-
1992
- 1992-10-16 JP JP30487792A patent/JP3267353B2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 八木原 剛 他，エピタキシャル成長ＮｂＮ膜を用いたエッジ接合型ナノメートルブリッジの高周波特性の評価，電子情報通信学会技術研究報告ＥＤ８５−５５，日本，１９８５年 ７月２３日，ｖｏｌ．８５ Ｎｏ．９６，７１−７５ |
Also Published As
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|---|---|
| JPH06196763A (en) | 1994-07-15 |
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