JP3878562B2 - Superconducting element - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導体により形成されるＳＦＱ回路（Single Flux Quantum：単一磁束量子素子）は、１００ＧＨｚを超える周波数領域において動作可能な特性を持つことから、近未来の超高速論理回路作製に向けた要素技術として期待されている。ＳＦＱ回路の応用分野としては、移動体通信基地用の高速Ａ／Ｄコンバータ、インターネットルータなどの通信インフラ、超高速性を生かした超ハイスループットコンピュータ用演算回路などが考えられている。
【０００３】
ＳＦＱ回路を形成するにあたっては、低温超電導体よりも高温酸化物超電導体を用いることが有利なのは明らかである。すなわち、Ｎｂ系に代表される従来の低温超電導体を用いたＳＦＱ回路は液体ヘリウムなどの冷媒を要し、４．２Ｋでしか動作できなかった。これに対して、高温酸化物超電導体を用いたＳＦＱ回路は３０〜４０Ｋにおいても動作周波数５００ＧＨｚ程度のパフォーマンスが期待でき、ＧＭクーラーなどのクライオクーラーにより冷却可能であるため冷却コストが極めて安価である。
【０００４】
ただし、上記のような高速動作を実現するためには、接合部のＩ_cＲ_n値などを最適化し、回路規模に応じて接合Ｉ_c値の分散を制御し、接合の配線部分のインダクタンス（以下Ｌと表記する）およびキャパシタンス（以下Ｃと表記する）を所望範囲内に設定し、配線長、配線幅、配線層厚みなどの回路設計マージンを向上させることが必要である。これらのうちＣ値低減に関しては、超電導層に隣接して配置される絶縁体層（すなわち基板および層間絶縁層）の動作条件下での比誘電率（以下、ε_rと表記）を極力低下させることにより達成可能である。
【０００５】
一方、Ｉ_c値の分散低減に関しては、接合界面部分での接合臨界電流密度の均一化を達成することが求められる。また、インダクタンス制御に関しては、配線部分のロンドン磁場侵入長（以下λ_Lと略記）をバルク値と同程度に低減し、かつ薄膜成長時に長いλ_Lを持つ配向を抑制することが求められている。
【０００６】
以下、ＳＦＱ回路の超高速動作を実現するために、超電導接合部、配線部および絶縁層部がそれぞれ満たすべき条件を項目別により詳細に記述する。
【０００７】
（Ｉ）設計上の条件
ＳＦＱを動作させるには、超電導接合と配線部によって構成されるリング部分に、単一磁束量子 (Single Flux Quantum) を担持させる。このとき、次の設計上の条件を満たすことが重要である。すなわち、接合Ｉ_cとリングを形成する配線部のインダクタンスＬとの積が下記の式（１）を満たさなければならない。
０．５φ₀＜Ｌ・Ｉ_c＜１．５φ₀ …（１）
ここで、φ₀は磁束量子である。
【０００８】
また、グランドプレーン層上に層間絶縁層を挟んだ形で形成された超電導配線のストリップラインにおける配線インダクタンスＬおよび単位正方形を基準とした配線インダクタンスＬ□は下記式（２）および（２’）で表される。
Ｌ＝Ｌ□・ｄ・（１／ｗ） …（２）
Ｌ□＝μ₀｛ｔ_iso＋λ_L(GP)ｃｏｔｈ（ｔ_GP／λ_L(GP)）＋λ_L(S)ｃｏｔｈ（ｔ_S／λ_L(S)）｝ …（２’）
ここで、ｔ_iso、ｔ_GP、ｔ_S、λ_L(GP)、λ_L(S)は、それぞれ、絶縁層の厚み、グランドプレーン層の厚み、ストリップラインの厚み、グランドプレーン層のロンドン磁場侵入長、ストリップラインのロンドン磁場侵入長を表す。式（２’）から、グランドプレーン層またはストリップラインの厚みが薄いかまたはロンドン磁場侵入長が長いとＬ□が大きくなり、回路動作に悪影響を及ぼすことがわかる。
【０００９】
上記の条件を満たすためには、ＬおよびＩ_cの絶対値の設計とプロセス上の制御性が重要になることがわかる。
【００１０】
次に、ヒステリシスを持たないＳＦＱ回路を形成するためには、接合の臨界電流値Ｉ_cが、下記式（３）を満たさなければならない。
【００１１】
β＝Ｉ_c・Ｒ_n ²・Ｃ_J／φ₀＜１ …（３）
ここで、Ｒ_nは接合抵抗、Ｃ_Jは接合容量、βはマッカンバーパラメータと呼ばれる量である。また、数十Ｋ程度での使用温度で熱雑音によるＳＦＱ回路の誤動作を避けることが設計上必要となる。式（３）を満たし、熱雑音を回避するには、Ｉ_c値はおおよそ１ｍＡ程度であることが要求される。Ｉ_cがおおよそ１ｍＡのとき、Ｌ□は１×１０^-12Ｈ（ヘンリー）以下であることが要求される。
【００１２】
次に、高速動作のためには、各接合が高いＩ_c・Ｒ_n積を持つ必要がある。Ｉ_c・Ｒ_n値からは、ストリップラインを通過する電磁波の位相速度ｖと周波数ωが下記式（４）および（４’）のように決定される。
【００１３】
ｖ＝ω・λ∝（Ｌ・Ｃ）^-1/2 …（４）
ω＝Ｉ_c・Ｒ_n／φ₀ …（４’）
ここで、ＬおよびＣは配線部のインダクタンスおよび容量、λは電磁波の波長、φ₀は磁束量子を表す。
【００１４】
この際、ストリップラインの線長ｄは、下記式（５）を満たすことが必要である。
【００１５】
ｄ＜λ …（５）
これは、ストリップラインの長さが電磁波の波長程度になると、電磁波の局在現象が生じ、電磁波がストリップラインを通過できなくなるためである。この条件により、式（２）の配線長ｄの上限が決まる。ｄの下限はプロセス精度およびＬ□の設計値から決定される。このような過程を経て、ｄの設計可能な範囲が決定される。
【００１６】
以上のように、Ｌやｄについては設計値の範囲が限定される。このため、配線長ｄ、配線幅ｗ、配線層厚みｔ_sなどの設計値のマージンを確保するためには、材料選択やプロセス技術の工夫により式（２）のＬ□をできるだけ低下させることが重要となる。
【００１７】
さらに、ｄ、ｗ、ｔ_sの設計値は、配線部の容量にも関係する。ストリップラインの容量Ｃは下記式（６）により表される。
【００１８】
Ｃ＝ε_r・ε₀・ｗ・ｄ・（１／ｔ_s） …（６）
ここで、ε_rはグランドプレーン層とストリップラインに挟まれた層間絶縁層の比誘電率、ε₀は真空の誘電率である。ＳＦＱ回路においても、他の回路と同様に、容量が増大すると電磁波の位相速度が低下し散逸が増大して高速動作に不向きとなるため、できるだけ容量Ｃを低下させることが望ましい。このように、容量の設計の観点からも、ｄ、ｗ、ｔ_sの設計マージンを確保することが重要になってくる。
以上において議論したように、配線部のＬ□値をできるだけ低下させることが望まれる。
【００１９】
（II）接合Ｉ_cの分散に関連するプロセス上の条件
（Ｉ）で説明したように、４．２Ｋで接合Ｉ_cの値は約１ｍＡであることが要求される。しかし、超電導回路は数百から数千の接合を集積化した形態で形成され、同一ウェハー内および同一条件で作製された多数のウェハー間においてＩ_c値のバラツキ（分散）が大きいことが問題となっている。例えば、１０００接合規模の超電導回路においてＩ_cの標準偏差は５％以下であることが要求されるにもかかわらず、現実には標準偏差が１０％〜３０％の範囲になっている。
【００２０】
接合Ｉ_cを均一化するためには、接合面積の均一化および接合臨界電流密度（以下、接合Ｊ_cという）の均一化の両方を同時に達成することが必要である。このためには、フォトリソグラフィーにおけるパターニング精度の向上および接合を流れる超電導電流の電流密度の均一化の両方が求められる。
【００２１】
しかし、フォトリソグラフィーのパターニング精度は、露光装置、レジスト材料、ベーキング温度、マスクパターンなどの外来的要因により決定されるため、現状以上の精度を求めることは困難と考えられる。このため、制御可能なプロセス上のパラメータは、単位面積当たりの接合Ｊ_cの均一化となる。
【００２２】
いま、電極層の膜厚が極めて薄い場合を想定すると、式（２）、（２’）においてｔ_s→０としたときに相当し、インダクタンスが膜厚に反比例して上昇することがわかる（すなわち、Ｌ∝１／ｔ_s）。これは、ランプエッジ型接合の下部電極層の最も膜厚の薄い部分では、局所的にインダクタンスが上昇することを示唆する。インダクタンス上昇は、下記式（７）に示すように、電磁波の通過に対してインピーダンス成分の上昇をもたらす。
【００２３】
Ｚ＝Ｒ＋ｉ（ωＬ−１／ωＣ） …（７）
（ここで、Ｚ、Ｒ、ｉ、ωは、それぞれ、全インピーダンス、抵抗成分、虚数単位、電磁波の周波数を表す）。
【００２４】
薄いエッジ部のインダクタンス上昇により、電流がエッジ部分で分流され、下部電極層の最下部の電流密度は低下する。このことは、接合間での最薄層部のインダクタンスのバラツキ、ランプ角度のバラツキなどの要因により、接合Ｊ_cの不均一につながり、結果的にウェハー内およびウェハー間のＩ_c分散を大きくする。
【００２５】
以上において議論したように、接合Ｉ_cの均一化を実現するには、接合Ｊ_cの分散抑制を図ることが重要になる。
【００２６】
（III）配線に関するプロセス上の条件
（Ｉ）の議論（式（２’））から、Ｌ□を低下させる（具体的には４．２Ｋで１×１０^-12Ｈ以下にする）ためには、ストリップラインのλ_Lが短いことが有利である。しかし、例えば基板温度が低い条件でＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇を成長させると、λ_Lの長い（１００）配向膜となる。このため、基板温度が高い条件でＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇を成長させてλ_Lの短い（００１）配向膜とすることが考えられる。ただし、基板温度が高い条件では配線層の膜厚が厚くなりやすいが、配線層の膜厚は接合Ｉ_cの絶対値に影響を与えるため膜厚をあまり厚くできない。また、基板温度が高い条件で接合を形成すると、Ｉ_c値が所望値から逸脱して増大する傾向がある。そこで、基板温度が低い条件でも、λ_Lの長い（１００）配向膜の成長を抑制できることが望ましい。
【００２７】
上記のように、従来の超電導回路には様々な問題点があり、これらの問題点を総合的に解決することが求められていた。
【００２８】
従来、上部電極層の成長直前にバリア層を形成する人工バリア型ランプエッジ接合においては、バリア層として、下部電極層および上部電極層の組成と類似しているがＹサイトまたはＣｕサイトの組成を変化させた絶縁層を用い、バリア層の抵抗率制御により接合の電気特性を制御することが試みられている（例えば、非特許文献１、２）。しかし、このような技術では、配線部のインダクタンス制御、回路設計のマージン確保などの効果は得られない。
【００２９】
【非特許文献１】
A.Flett et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, V.5, p.2973, 1995
【００３０】
【非特許文献２】
Q.X.Jia et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, V.5, p.2103, 1995
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、配線部分のインダクタンスを低減するとともに接合間におけるＩ_cの分散を抑制して、良好な特性を示す超電導素子を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超電導素子は、基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含む構造を有する。
【００３３】
本発明の第１の態様に係る超電導素子は、前記上部電極層が、下記式（Ａ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｂ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３４】
ＹｂＢａ₂Ｃｕ_wＯ_y …（Ａ）
ＹｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｂ）
（ここで、３．０＜ｗ≦３．４５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３５】
本発明の第２の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層が、下記式（Ｃ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｄ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３６】
ＹＢａ₂Ｃｕ_xＯ_y …（Ｃ）
ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｄ）
（ここで、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３７】
本発明の第３の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層が、下記式（Ｅ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｆ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
【００３８】
Ｌ１_1-aＭ１_aＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y …（Ｅ）
Ｌ１Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｆ）
（ここで、Ｌ１はＹｂ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｍ、ＮｄおよびＬａからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ１はＣｅおよびＰｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ａ≦０．２、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００３９】
本発明の第４の態様に係る超電導素子は、前記下部電極層および上部電極層のうち少なくとも一方が、下記式（Ｇ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｈ）で表される組成を有する主成長層とを有することを特徴とする。
Ｌ２Ｂａ_2-bＭ２_bＣｕ₃Ｏ_y …（Ｇ）
Ｌ２Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｈ）
（ここで、Ｌ２とＭ２の組み合わせはＹｂとＮｄ、ＹとＮｄ、ＹとＬａ、ＹとＰｒ、ＳｍとＮｄおよびＮｄとＬａのいずれかであり、０＜ｂ≦０．１５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４０】
本発明に他の態様に係る超電導素子は、基板と、基板上に形成された酸化物超電導体のグランドプレーン層と、グランドプレーン層上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含む構造を有していてもよい。
【００４１】
この構造を有する超電導素子においては、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｉ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｊ）で表される組成を有する主成長層とを有することが好ましい。
【００４２】
Ｌ３Ｂａ_2-bＭ３_bＣｕ₃Ｏ_y …（Ｉ）
Ｌ３Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｊ）
（ここで、Ｌ３はＹおよびＹｂからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ３はＰｒ、ＬａおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ｂ≦０．１０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４３】
また、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｋ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｎ）で表される組成を有する主成長層とを有していてもよい。
【００４４】
Ｌ４Ｂａ₂Ｃｕ_xＯ_y …（Ｋ）
Ｌ４Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｎ）
（ここで、Ｌ４はＹ、ＳｍおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である）。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超電導素子に用いられる材料について説明する。
【００４６】
基板としては、ＳｒＴｉＯ₃、ＭｇＯ、Ｌａ−Ｓｒ−Ａｌ−Ｔａ−Ｏ系酸化物、ＮｄＧａＯ₃、ＬａＡｌＯ₃、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などが用いられる。
【００４７】
上部電極層、下部電極層およびグランドプレーン層としては、代表的にＬｎＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_z（Ｌｎはイットリウムおよび希土類金属からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、６．０≦ｚ≦８．０）で表される銅系酸化物超電導体いわゆる１２３系超電導体が用いられる。各超電導層の間には、層間絶縁層が設けられる。これらの層は、スパッタ法、レーザーアブレーション法、蒸着法、ＣＶＤ法などにより成膜される。
【００４８】
ジョセフソン接合の形態には、積層型、ランプエッジ型、粒界接合型、ステップエッジ型などがある。超電導層にエッチングを施して界面形成を行うプロセスを用いる。
【００４９】
バリア層は、Ｙ_1-xＰｒ_xＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、ＹＢａ₂Ｃｕ_3-xＣｏ_xＯ₇などの絶縁層を成長させてもよいし（人工バリア型ランプエッジ接合）、別途バリア層を成長させることなく下部電極層の界面を改質して形成してもよい（界面改質型ランプエッジ接合）。
【００５０】
図１〜図４を参照して本発明に係る超電導素子を説明する。これらの超電導素子はいずれもランプエッジ接合を有するものである。
【００５１】
図１に本発明の第1の態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５が形成されている。
【００５２】
第１の態様に係る超電導素子における上部電極層１５は、初期成長層１５ａが式（Ａ）ＹｂＢａ₂Ｃｕ_wＯ_y（３．０＜ｗ≦３．４５）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１５ｂが式（Ｂ）ＹｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する。すなわち、主成長層１５ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層１５ａは主成長層１５ｂよりも高いＣｕ組成（Ｃｕリッチ）となるようにＣｕ組成が制御されている。上部電極層１５の初期成長層１５ａの組成をＣｕリッチとした場合には、λ_Lの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができるので、上部電極層１５のインダクタンスを低下させることができる。
【００５３】
なお、初期成長層１５ａおよび主成長層１５ｂにおける酸素の組成を表すｙとｙ’は同一でも異なっていてもよい。例えば、Ｃｕが欠損すると、酸素組成が変化する可能性がある。また、図１では初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを区別して図示しているが、初期成長層１５ａのＣｕ組成を徐々に減少させて主成長層１５ｂの組成（ストイキオメトリー組成）にまで連続的に変化させることから、両方の層が必ずしも明確に区別できるわけではない。これらの点は他の態様でも同様である。
【００５４】
図２に本発明の第２および第３の態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には初期成長層１２ａと主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に上部電極層１５が形成されている。
【００５５】
第２の態様に係る超電導素子における下部電極層１２は、初期成長層１２ａが式（Ｃ）ＹＢａ₂Ｃｕ_xＯ_y（２．６５≦ｘ＜３．０）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１２ｂが式（Ｄ）ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する。すなわち、主成長層１５ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層１２ａは主成長層１２ｂよりも低いＣｕ組成（Ｃｕプア）となるようにＣｕ組成が制御されている。下部電極層１２の初期成長層１２ａの組成をＣｕプアとした場合にも、λ_Lの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができる。また、初期成長層１２ａ自体は結晶性が悪くインダクタンスが高いが、初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合のＩ_cはストイキオメトリー組成を有する主成長層１２ｂに集中する。そして、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂはいずれも良好に制御して形成することができるので、接合間でのＩ_cの分散を低下させることができる。
【００５６】
第３の態様に係る超電導素子における下部電極層１２は、初期成長層１２ａが式（Ｅ）Ｌ１_1-aＭ１_aＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（０＜ａ≦０．２、Ｍ１はＣｅおよびＰｒ）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層１２ｂが式（Ｆ）Ｌ１Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する。すなわち、初期成長層１２ａのみでＬ１（Ｙｂ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｌａ）サイトの一部がＣｅまたはＰｒで置換されている。下部電極層１２の初期成長層１２ａのＬ１サイトの一部をＣｅまたはＰｒで置換した場合にも、λ_Lの長い（１００）配向粒の発生を抑制することができる。また、初期成長層１２ａ自体は結晶性が悪くインダクタンスが高いが、初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合のＩ_cは主成長層１２ｂに集中する。そして、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂはいずれも良好に制御して形成することができるので、接合間でのＩ_cの分散を低下させることができる。
【００５７】
また、図３に示すように、第１〜第３の態様を組み合わせて、初期成長層１２ａおよび主成長層１２ｂを有する下部電極層１２を形成するとともに初期成長層１５ａおよび主成長層１５ｂを有する上部電極層１５を形成してもよい。このように、下部電極層１２および上部電極層１５の両方の組成を最適化すれば、より一層良好な効果が得られる。
【００５８】
本発明の第４の態様に係る超電導素子（図１〜図３のいずれかで示される）における下部電極層および上部電極層のうち少なくとも一方は、初期成長層が式（Ｇ）Ｌ２Ｂａ_2-bＭ２_bＣｕ₃Ｏ_y（０＜ｂ≦０．１５）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層が式（Ｈ）Ｌ２Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する（Ｌ２とＭ２との組合せは上述した通りである）。すなわち、初期成長層１２ａのみでＢａサイトの一部が置換されている。この場合にも、上述した第１の態様または第２もしくは第３の態様と同様な効果が得られる。
【００５９】
本発明の他の態様に係る超電導素子においては、上述したように下部電極層および上部電極層の組成を制御するのに加えて、グランドプレーン層の組成を制御してもよい。
【００６０】
図４にこれらの態様に係る超電導素子を示す。基板１１上には初期成長層２１ａと主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１および層間絶縁層２２が形成されている。この層間絶縁層２２上には下部電極層１２および層間絶縁膜１３が形成されており、これらの層はランプエッジをなすように加工されている。下部電極層１２の表面にはバリア層１４が形成されている。これらの上に上部電極層１５が形成されている。図４には図示していないが、図１に示すように上部電極層１５が初期成長層１５ａと主成長層１５ｂを有する構造となっているか、図２に示すように下部電極層１２が初期成長層１２ａと主成長層１２ｂを有する構造となっているか、または図３に示すように下部電極層１２および上部電極層１５の両方が初期成長層と主成長層を有する構造となっている。
【００６１】
例えば、グランドプレーン層２１は、初期成長層２１ａが式（Ｉ）Ｌ３Ｂａ_2-bＭ３_bＣｕ₃Ｏ_y（０＜ｂ≦０．１０）で表される組成を有し、主成長層２１ｂが式（Ｊ）Ｌ３Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有するものでもよい（Ｌ３およびＭ３は上述した通りである）。すなわち、初期成長層２１ａのみでＢａサイトの一部が置換されている。
【００６２】
また、グランドプレーン層２１は、初期成長層２１ａが式（Ｋ）Ｌ４Ｂａ₂Ｃｕ_xＯ_y（２．６５≦ｘ＜３．０）で表され、連続的に変化する組成を有し、主成長層２１ｂが式（Ｎ）Ｌ４Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有するものでもよい（Ｌ４は上述した通りである）。すなわち、主成長層２１ｂはストイキオメトリー組成を有するが、初期成長層２１ａは主成長層２１ｂよりも低いＣｕ組成（Ｃｕプア）となるようにＣｕ組成が制御されている。
【００６３】
グランドプレーン層２１の組成を上記のように制御した場合、初期成長層２１ａおよびグランドプレーン層２１全体の平坦性が著しく向上し、グランドプレーン層２１上に成長する下部電極層１２、層間絶縁層１３および上部電極層１５の平坦性も向上する。この結果、接合間のＩ_cの分散低下に寄与する。
【００６４】
したがって、グランドプレーン層、下部電極層および上部電極層の全ての組成を制御すればさらに高い効果が得られ、回路設計のマージンが確保され、回路動作が安定で高速性が保証された著しく良好な超電導回路を実現できる。
【００６５】
本発明の各態様において、初期成長層の膜厚は、組成制御される層（上部電極層、下部電極層またはグランドプレーン層）の全膜厚の１〜１０％であることが好ましい。１％未満では上述した初期成長層の効果が得られない。一方、１０％を超えると、その上部に成長する層の表面凹凸が増大したり、析出物密度が増大したりするなど、その上部に形成される積層膜全体の品質が著しく劣化するうえに、ストイキオメトリー組成の部分が減少して所望の電気特性を有する層を得るのが困難になる。例えば、Ｃｕリッチの超電導層は、ある膜厚以上になると酸化銅などの不純物を析出して表面性が劣化し、電気特性に影響を与える。
【００６６】
以下、超電導層の組成を連続的に変化させるように制御する方法について説明する。
【００６７】
まず、超電導層のＣｕ組成を制御する方法について図５（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）はＹｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層を形成するために用いられるＲＦスパッタリング装置の模式図である。図５（ａ）において、基板１１はヒーター５１を内蔵した基板ホルダ上に設置される。一方、ターゲットとしては、ＹｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇ターゲット５２とＣｕターゲット５３とが設けられる。各ターゲットには、マッチングボックス５４ａ、５４ｂおよびＲＦ電源５５ａ、５５ｂが接続されている。ＹｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇ターゲット５２に加えてＣｕターゲット５３を用いるのは以下のような理由による。すなわち、ＹｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇ターゲットのみから飛来する粒子で形成される層の組成はほぼＹｂＢａ₂Ｃｕ_2.5Ｏ₇となり、Ｃｕが数十％程度欠損した状態になる。このため、所望の組成を有する超電導層が得られるように、Ｃｕターゲット５３からＣｕを補充する。
【００６８】
このようなＲＦスパッタリング装置を用いて、第１の態様のようにＣｕリッチで組成が連続的に変化する初期成長層を有する上部電極層を形成する場合、図５（ｂ）に示すように、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを初期に高く設定し、ストイキオメトリー組成が得られるＲＦパワーまで連続的に減少させる。このようにすれば、上部電極層のＣｕ組成のみを連続的に変化させることができる。
【００６９】
逆に、第３の態様のようにＣｕプアな初期成長層を有する下部電極層を形成する場合、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを初期に低く設定し、ストイキオメトリー組成が得られるＲＦパワーまで連続的に増加させる。
【００７０】
また、第４の態様のように、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇におけるＢａサイトをＬａで置換した初期成長層を有する超電導層を形成するような場合、例えばターゲットとしてＹＢａ_2.5Ｃｕ_3.5Ｏ₇およびＬａＢａＯ_2.5を用い、それぞれのターゲットに投入するＲＦパワーや圧力条件などを適切に制御する。
【００７１】
【実施例】
実施例１
図１に示すように、上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、上部電極層のＣｕ組成を制御した。
【００７２】
基板１１上にＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇で表される膜厚約２００ｎｍの下部電極層１２をスパッタリングにより成膜した。下部電極層１２を構成するＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇のλ_Lは酸素欠損および（１００）配向粒を含まない良好な状態で約１５０ｎｍ程度である。したがって、インダクタンス制御のためには、下部電極層の膜厚は最低でも１５０ｎｍ以上であることが必要である。逆に、下部電極層の膜厚が厚過ぎると、接合Ｉ_cが膜厚に比例して増大ししまうため好ましくない。これらの理由から、通常、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇下部電極層１２の超電導部分の膜厚は２００ｎｍ程度に設定される。下部電極層１２上に層間絶縁層１３をスパッタリングにより成膜した。層間絶縁層１３上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクとして層間絶縁層１３に対して第１段のイオンエッチングを行った。レジストパターンの残渣を除去した後、下部電極層１２に対して第２段のイオンエッチングを行った。これらのイオンエッチングにより、ランプエッジをなす層間絶縁層１３および下部電極層１２のパターンを形成した。このイオンエッチングにより下部電極層１２の表面にバリア層となる変質層が形成される。
【００７３】
次に、式（Ａ）ＹｂＢａ₂Ｃｕ_wＯ_yで表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１５ａと、式（Ｂ）ＹｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。この上部電極層１５の成膜時に、図５（ａ）図示のスパッタリング装置を用い、Ｃｕターゲットに投入するＲＦパワーを図５（ｂ）に示すように制御した。
【００７４】
図６に、上部電極層１５の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す。初期成長層のＣｕ組成（ｗ）を基板側の３．１５から主成長層側の３．０まで連続的に変化させて、初期成長層１５ａの方が主成長層１５ｂよりもＣｕリッチとなるようにした。
【００７５】
上記のようにしてランプエッジ型のジョセフソン結合を形成した。上部電極層１５上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりレジストパターン（図示せず）を形成した。レジストパターンをマスクとして上部電極層１５をイオンエッチングすることにより上部電極層のパターンを形成した。その後、レジストパターンの残渣を除去した。また、金属電極の形成、酸化性雰囲気中でのアニールなどを行った。
【００７６】
原子分解能を有するフィールドエミッション型ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による上部電極層の構造解析の結果、組成および結晶構造が連続的に変化していることが判明した。
【００７７】
図７に、Ｙｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す。図７において、横軸はＣｕ組成（２．７〜３．３）を示し、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向膜のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００７８】
図７に示されるように、ＣｕリッチなＹｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になるとともに、結晶性が向上する（ＦＷＨＭが低下する）。このため、初期成長層上に形成される主成長層の結晶性も向上する。
【００７９】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉ_c＝０．９６ｍＡ、Ｒ_n＝２．１２Ωが得られた。また、Ｉ_cの標準偏差σ＝４．３％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩ_cを持つ接合ではＩ_cの標準偏差σ＝１８．５％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【００８０】
上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．６７×１０^-12Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．１×１０^-12Ｈと比較して良好であった。
【００８１】
実施例２
図２に示すように、下部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層のＣｕ組成を制御した。
【００８２】
具体的には、式（Ｃ）ＹＢａ₂Ｃｕ_xＯ_yで表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｄ）ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。
【００８３】
図８に、下部電極層１２の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す。初期成長層のＣｕ組成（ｘ）を基板側の２．９から主成長層側の３．０まで連続的に変化させて、初期成長層１２ａの方が主成長層１２ｂよりもＣｕプアとなるようにした。
【００８４】
ＴＥＭなどによる構造解析から、初期成長層と主成長層との界面において、銅の組成が一方向的かつ連続的に変化していることがわかった。
【００８５】
図９に、下部電極層１２の膜厚方向における接合Ｊ_cの変化を示す。この図に示されるように、接合Ｊ_cは初期成長層１２ａ内部で徐々に増加して主成長層１２ｂの値まで変化する。
【００８６】
図１０に、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す。図１０において、横軸はＣｕ組成を示し、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向膜のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００８７】
図１０に示されるように、ＣｕプアなＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になる。このように初期成長層で（１００）配向粒の発生が著しく抑制されるので、下部電極層全体で（１００）配向粒の発生が抑制される。しかし、ＣｕプアなＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜では、結晶性が劣化する（ＦＷＨＭが増加する）。このため、良好に制御して形成された初期成長層の部分のインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉ_cはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩ_c値の分散を低下させることができる。
【００８８】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉ_c＝１．０１ｍＡ、Ｒ_n＝１．９Ωが得られた。また、Ｉ_cの標準偏差σ＝３．３％であった。下部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩ_cを持つ接合ではＩ_cの標準偏差σ＝１３．３％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【００８９】
実施例３
図２に示すように、下部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層の一部をＰｒで置換する制御を行った。
【００９０】
具体的には、式（Ｅ’）Ｙ_1-aＰｒ_aＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（０＜ａ≦０．１０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｆ’）ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。ここで、Ｙ_1-aＰｒ_aＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yのＰｒ組成（ａ）が０．１を超えると固溶限界を超えるため、Ｐｒが実質的に固溶されなくなり、析出物の密度が著しく増大する。このため、初期成長層１２ａのＰｒ組成を０．１以下に設定している。
【００９１】
図１１に、下部電極層１２の膜厚方向におけるＰｒの組成変化を示す。初期成長層のＰｒ組成（ａ）を基板側の０．１０から主成長層側の０まで連続的に変化させた。
【００９２】
図１２に、Ｙ_1-aＰｒ_aＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y超電導層について結晶配向性のＰｒ組成依存性を示す。図１２において、横軸はＰｒ組成としてａの値を示している。また、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率および（００１）配向のＸ線回折の（００５）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。
【００９３】
図１２に示されるように、Ｐｒが固溶した初期成長層を用いた場合、（１００）配向粒の発生が著しく抑制され（００１）配向が優先的になるとともに、結晶性が向上する（ＦＷＨＭが低下する）。このため、初期成長層上に形成される主成長層の結晶性も向上する。また、Ｐｒの固溶により超電導特性が抑制されて初期成長層のλ_Lが長くなる。この結果、良好に制御して形成された初期成長層のインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉ_cはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩ_c値の分散を低下させることができる。
【００９４】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉ_c＝０．９３ｍＡ、Ｒ_n＝３．７Ωが得られた。また、Ｉ_cの標準偏差σ＝４．５％であった。下部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩ_cを持つ接合ではＩ_cの標準偏差σ＝２０．９％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。図１３に、本実施例で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す。
【００９５】
下部電極層は、Ｔ_cが９０Ｋゼロ抵抗、配線部分の巨視的臨界電流密度としてのＪ_cが４．２Ｋにおいて５×１０⁷Ａｃｍ^-2であり、初期成長層によるＴ_cおよびＪ_cが低下するという影響は見られなかった。
【００９６】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．９×１０^-12Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．５×１０^-12Ｈと比較して良好であった。
【００９７】
本実施例においては、Ｌ１としてイットリウム（Ｙ）を、Ｍ１としてプラセオジム（Ｐｒ）を用いているが、他の金属元素を用いた例でも上記と同様の効果が確認されている。
【００９８】
実施例４
図１に示すように、上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、上部電極層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【００９９】
具体的には、式（Ｇ’）ＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_y（０＜ｂ≦０．０９）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１５ａと、式（Ｈ’）ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。ここで、ＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_yのＮｄ組成（ｂ）が０．０９を超えると上部電極層のＴ_cが低下し始め、接合界面付近のＪ_cに代表される超電導特性も同時に低下して、接合Ｉ_cや接合Ｒ_nの制御性にとって好ましくない。このため、初期成長層１５ａのＮｄ組成を０．０９以下に設定している。
【０１００】
図１４に、上部電極層１５の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す。初期成長層のＮｄ組成（ｂ）を基板側の０．０９から主成長層側の０まで連続的に変化させた。
【０１０１】
図１５に、ＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_y超電導層について結晶配向性および臨界温度Ｔ_cのＮｄ組成依存性を示す。図１５において、横軸はＮｄ組成としてｂの値を示している。また、縦軸は結晶配向性として（１００）配向の体積分率を示すとともに、臨界温度Ｔ_cを示している。
【０１０２】
図１５に示されるように、初期成長層にＮｄが固溶している場合、（１００）配向粒の体積分率は単調に減少する。ただし、ｂ≧０．１０では、Ｔ_cに代表される超電導特性が低下する。本実施例においては、初期成長層に０＜ｂ≦０．９０の範囲のＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_y超電導層を用いることにより、上部電極層全体の結晶性を良好にすることができる。
【０１０３】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉ_c＝０．９６ｍＡ、Ｒ_n＝２．１２Ωが得られた。また、Ｉ_cの標準偏差σ＝４．３％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩ_cを持つ接合ではＩ_cの標準偏差σ＝１８．５％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。
【０１０４】
上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．６７×１０^-12Ｈであり、組成制御せずに形成された上部電極層のＬ□＝１．１×１０^-12Ｈと比較して良好であった。
【０１０５】
実施例５
図３に示すように、下部電極層および上部電極層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、下部電極層および上部電極層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【０１０６】
具体的には、式（Ｇ’）ＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_y（０．１０≦ｂ≦０．２０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層１２ａと、式（Ｈ’）ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層１２ｂとを有する下部電極層１２をスパッタリングにより形成した。また、実施例４と同様の初期成長層１５ａと主成長層１５ｂとを有する上部電極層１５をスパッタリングにより形成した。
【０１０７】
ここで、ＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_y下部電極層を形成する場合、Ｔ_cの低下などによる接合Ｉ_cや接合Ｒ_nなどへの影響を上部電極層ほど考慮する必要がない。また、ＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_yにおいてもＮｄ組成の上昇に伴い、初期成長層およびその上に成長する主成長層の結晶性が向上する。このため、下部電極層１２の初期成長層１２ａのＮｄ組成を、上部電極層１５の初期成長層１５ａのＮｄ組成（０＜ｂ≦０．９０）よりも高くすることがむしろ好ましい。このため、本実施例では下部電極層１２の初期成長層１２ａのＮｄ組成を０．１０≦ｂ≦０．２０に設定している。
【０１０８】
図１５に示されるように、Ｎｄ≧０．１０以上の組成領域においても（１００）配向粒の発生が抑制されるが、Ｎｄ≧０．１０以上の組成領域においてはＴ_cが単調に低下することに代表されるように、超電導特性が著しく低下し、初期成長層のλ_Lが長くなる。この結果、良好に制御して形成された初期成長層１２ａのインダクタンスのみが上昇し、接合Ｉ_cはほとんど全てが主成長層の部分に集中する。これによって、各接合間のＩ_c値の分散を低下させることができる。
【０１０９】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉ_c＝０．８５ｍＡ、Ｒ_n＝３．２２Ωが得られた。また、Ｉ_cの標準偏差σ＝２．９％であった。上部電極層を組成制御せずに形成した同等のＩ_cを持つ接合ではＩ_cの標準偏差σ＝２５．０％であったのと比較すると、非常に良好な特性を示した。図１６に、本実施例で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す。
【０１１０】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．７５×１０^-12Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５６×１０^-12Ｈであり、組成制御せずに形成された下部電極層のＬ□＝１．５×１０^-12Ｈ、上部電極層のＬ□＝１．１×１０^-12Ｈと比較して良好であった。
【０１１１】
実施例６
図４に示すように、グランドプレーン層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、グランドプレーン層のＢａサイトの一部をＮｄで置換する制御を行った。
【０１１２】
具体的には、式（Ｉ’）ＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_y（０＜ｂ≦０．０９）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層２１ａと、式（Ｊ’）ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１をスパッタリングにより形成した。図１７に、グランドプレーン層２１の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す。初期成長層のＮｄ組成（ｂ）を基板側の０．０５から主成長層側の０まで連続的に変化させた。接合を形成する下部電極層および上部電極層は実施例５と同様に形成した。
【０１１３】
本実施例で形成されたグランドプレーン層２１の最表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、平坦性が著しく向上することが明らかとなった。すなわち、グランドプレーン層２１の表面粗さＲａ（average roughness）は０．９ｎｍとなり、組成制御を行わずに形成した場合のＲａ＝３ｎｍに比較して平坦性が著しく向上していた。また、グランドプレーン層２１の平坦性が向上したことに伴い、その上に形成される下部電極層、層間絶縁層および上部電極層の平坦性も著しく向上することがわかった。
【０１１４】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉ_c＝０．９５ｍＡ、Ｒ_n＝３．６Ωが得られた。また、Ｉ_cの標準偏差σ＝２．５％であった。
【０１１５】
図１８に、本実施例に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１ウェハー内２０接合のＩ_cバラツキを比較した結果を示す。本実施例に従って組成制御を行った場合の標準偏差はσ＝１．０％であり、組成制御なしの場合の２１％と比較して著しく向上した。
【０１１６】
また、適宜構成されたＳＱＵＩＤ回路パターンの動作から、グランドプレーン層において（１００）配向粒の発生が抑制され、平坦性、結晶性などの薄膜の構造的品質も同時に向上されているので、グランドプレーン層のλ_L自体を低下できることも明らかとなった。これにより、下部電極層および上部電極層のインダクタンスをさらに低下させることが可能となる。
【０１１７】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５５×１０^-12Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．４７×１０^-12Ｈであった。
【０１１８】
実施例７
図４に示すように、グランドプレーン層の組成制御を行った超電導素子について説明する。この例では、グランドプレーン層のＣｕ組成を制御した。
【０１１９】
具体的には、式（Ｋ’）ＹＢａ₂Ｃｕ_xＯ_y（２．６５≦ｂ＜３．０）で表される組成を有する膜厚約２０ｎｍの初期成長層２１ａと、式（Ｎ’）ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y'で表される組成を有する膜厚約２００ｎｍの主成長層２１ｂとを有するグランドプレーン層２１をスパッタリングにより形成した。初期成長層のＣｕ組成（ｘ）を基板側の２．９１から主成長層側の３．０まで連続的に変化させた。接合を形成する下部電極層および上部電極層は実施例５と同様に形成した。
【０１２０】
本実施例で形成されたグランドプレーン層２１の最表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察したところ、Ｒａ＝１．０ｎｍであり、組成制御を行わずに形成した場合と比較して著しく向上した。
【０１２１】
本実施例で得られた１チップ内の１０００接合の電気特性を解析した。平均値で、Ｉ_c＝０．８３ｍＡ、Ｒ_n＝３．４５Ωが得られた。また、Ｉ_cの標準偏差σ＝２．３％であった。
【０１２２】
また、本実施例に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１０ウェハーのウェハー間におけるＩ_cバラツキを比較した結果、本実施例ではＩ_cバラツキ低減に効果があることも判明した。
【０１２３】
下部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５９×１０^-12Ｈ、上部電極層の単位面積あたりの配線インダクタンスはＬ□＝０．５０×１０^-12Ｈであった。
【０１２４】
【発明の効果】
以上記述のように本発明によれば、配線部分のインダクタンスを低減するとともに接合間におけるＩ_cの分散を抑制して、良好な特性を示す超電導素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第1の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図２】 本発明の第２および第３の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図３】 本発明の他の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図４】 本発明の他の態様に係る超電導素子を示す断面図。
【図５】 ＲＦスパッタリング装置の模式図、およびターゲットに投入するＲＦパワーの変化を示す図。
【図６】 実施例１の超伝導素子について上部電極層の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す図。
【図７】 Ｙｂ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す図。
【図８】 実施例２の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向におけるＣｕの組成変化を示す図。
【図９】 実施例２の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向における接合Ｊ_cの変化を示す図。
【図１０】 Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導層について結晶配向性のＣｕ組成依存性を示す図。
【図１１】 実施例３の超伝導素子について下部電極層の膜厚方向におけるＰｒの組成変化を示す図。
【図１２】 Ｙ_1-aＰｒ_aＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y超電導層について結晶配向性のＰｒ組成依存性を示す図。
【図１３】 実施例３で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す図。
【図１４】 実施例４の超伝導素子について上部電極層の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す図。
【図１５】 ＹＢａ_2-bＮｄ_bＣｕ₃Ｏ_y超電導層について結晶配向性および臨界温度Ｔ_cのＮｄ組成依存性を示す図。
【図１６】 実施例５で得られた接合の代表的なＩ−Ｖ特性を示す図。
【図１７】 実施例６の超伝導素子についてグランドプレーン層の膜厚方向におけるＮｄの組成変化を示す図。
【図１８】 実施例６に従って組成制御を行った場合と、組成制御を全く行わなかった場合とで、１ウェハー内２０接合のＩ_cバラツキを比較した結果を示す図。
【符号の説明】
１１…基板、１２…下部電極層、１２ａ…初期成長層、１２ｂ…主成長層、１３…層間絶縁膜、１４…バリア層、１５…上部電極層、１５ａ…初期成長層、１５ｂ…主成長層、２１…グランドプレーン層、２１ａ…初期成長層、２１ｂ…主成長層、２２…層間絶縁層、５１…ヒーター、５２…ＹｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇ターゲット、５３…Ｃｕターゲット、５４ａ、５４ｂ…マッチングボックス、５５ａ、５５ｂ…ＲＦ電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a superconducting element.
[0002]
[Prior art]
The SFQ circuit (Single Flux Quantum) formed by superconductors has the characteristics that it can operate in a frequency range exceeding 100 GHz, so it is an elemental technology for the creation of ultra-high-speed logic circuits in the near future. Expected. As application fields of the SFQ circuit, a high-speed A / D converter for a mobile communication base, a communication infrastructure such as an Internet router, an arithmetic circuit for an ultra-high-throughput computer taking advantage of ultra-high speed, and the like are considered.
[0003]
Obviously, in forming the SFQ circuit, it is advantageous to use a high-temperature oxide superconductor rather than a low-temperature superconductor. That is, a conventional SFQ circuit using a low-temperature superconductor represented by an Nb system requires a refrigerant such as liquid helium and can only operate at 4.2K. In contrast, an SFQ circuit using a high-temperature oxide superconductor can be expected to have a performance of about 500 GHz even at 30 to 40K, and can be cooled by a cryocooler such as a GM cooler, so the cooling cost is extremely low. .
[0004]
However, in order to realize the high-speed operation as described above, the I_cR_nOptimized values etc., junction I according to circuit scale_cControl the dispersion of values, set the inductance (hereinafter referred to as L) and capacitance (hereinafter referred to as C) of the wiring part of the junction within the desired range, and circuit design such as wiring length, wiring width, wiring layer thickness, etc. It is necessary to improve the margin. Among these, regarding the reduction of the C value, the dielectric constant (hereinafter, ε) under the operating conditions of the insulator layer (that is, the substrate and the interlayer insulating layer) disposed adjacent to the superconducting layer._rCan be achieved by reducing as much as possible.
[0005]
On the other hand, I_cRegarding the reduction of the dispersion of values, it is required to achieve uniformization of the junction critical current density at the junction interface portion. As for inductance control, the London magnetic field penetration length (hereinafter referred to as λ)_LAbbreviated to a bulk value and long λ during thin film growth_LIt is demanded to suppress the orientation having.
[0006]
Hereinafter, in order to realize the ultra-high speed operation of the SFQ circuit, the conditions to be satisfied by the superconducting junction part, the wiring part, and the insulating layer part will be described in detail by item.
[0007]
(I) Design conditions
In order to operate the SFQ, a single flux quantum (Single Flux Quantum) is carried on a ring portion constituted by a superconducting junction and a wiring portion. At this time, it is important to satisfy the following design conditions. That is, junction I_cAnd the inductance L of the wiring part forming the ring must satisfy the following equation (1).
0.5φ₀<LI_c<1.5φ₀  ... (1)
Where φ₀Is the flux quantum.
[0008]
Further, the wiring inductance L and the wiring inductance L □ based on the unit square in the strip line of the superconducting wiring formed with the interlayer insulating layer sandwiched on the ground plane layer are expressed by the following formulas (2) and (2 ′). expressed.
L = L □ · d · (1 / w) (2)
L □ = μ₀{T_iso+ Λ_{L (GP)}coth (t_GP/ Λ_{L (GP)}) + Λ_{L (S)}coth (t_S/ Λ_{L (S)})} ... (2 ')
Where t_iso, T_GP, T_S, Λ_{L (GP)}, Λ_{L (S)}Represents the thickness of the insulating layer, the thickness of the ground plane layer, the thickness of the strip line, the London magnetic field penetration length of the ground plane layer, and the London magnetic field penetration length of the strip line, respectively. From equation (2 '), it can be seen that if the thickness of the ground plane layer or strip line is thin or the London magnetic field penetration length is long, L □ increases and adversely affects circuit operation.
[0009]
To satisfy the above conditions, L and I_cIt can be seen that the design of the absolute value of and the process controllability are important.
[0010]
Next, in order to form an SFQ circuit having no hysteresis, the critical current value I of the junction I_cHowever, the following formula (3) must be satisfied.
[0011]
β = I_c・ R_n ²・ C_J/ Φ₀<1 (3)
Where R_nIs the junction resistance, C_JIs a junction capacitance, and β is a quantity called a McCamber parameter. In addition, it is necessary in the design to avoid malfunction of the SFQ circuit due to thermal noise at a service temperature of about several tens of kilometres. To satisfy equation (3) and avoid thermal noise, I_cThe value is required to be approximately 1 mA. I_cIs approximately 1 mA, L □ is 1 × 10^-12H (Henry) or less is required.
[0012]
Next, for high speed operation, each junction has a high I_c・ R_nIt is necessary to have a product. I_c・ R_nFrom the values, the phase velocity v and the frequency ω of the electromagnetic wave passing through the strip line are determined as in the following equations (4) and (4 ′).
[0013]
v = ω · λＬ (L · C)^-1/2  (4)
ω = I_c・ R_n/ Φ₀  ... (4 ')
Where L and C are the inductance and capacitance of the wiring part, λ is the wavelength of the electromagnetic wave, φ₀Represents magnetic flux quantum.
[0014]
At this time, the strip line d needs to satisfy the following formula (5).
[0015]
d <λ (5)
This is because when the length of the strip line is about the wavelength of the electromagnetic wave, a local phenomenon of the electromagnetic wave occurs, and the electromagnetic wave cannot pass through the strip line. This condition determines the upper limit of the wiring length d in Expression (2). The lower limit of d is determined from the process accuracy and the design value of L □. Through such a process, a designable range of d is determined.
[0016]
As described above, the range of design values for L and d is limited. For this reason, wiring length d, wiring width w, wiring layer thickness t_sIn order to secure a margin of design values such as the above, it is important to reduce L □ in Formula (2) as much as possible by devising material selection and process technology.
[0017]
D, w, t_sThe design value is also related to the capacitance of the wiring portion. The capacity C of the strip line is expressed by the following formula (6).
[0018]
C = ε_r・ Ε₀・ W ・ d ・ (1 / t_s(6)
Where ε_rIs the relative dielectric constant of the interlayer insulating layer sandwiched between the ground plane layer and the strip line, ε₀Is the dielectric constant of the vacuum. In the SFQ circuit, as in other circuits, when the capacitance increases, the phase speed of the electromagnetic wave decreases and dissipation increases, making it unsuitable for high-speed operation. Therefore, it is desirable to reduce the capacitance C as much as possible. Thus, d, w, t from the viewpoint of capacity design_sIt is important to secure a design margin.
As discussed above, it is desirable to reduce the L □ value of the wiring part as much as possible.
[0019]
(II) Junction I_cProcess conditions related to the distribution of
As explained in (I), the junction I is 4.2K._cIs required to be about 1 mA. However, a superconducting circuit is formed in a form in which several hundreds to thousands of junctions are integrated, and I-Is in a wafer and between many wafers manufactured under the same conditions._cThere is a problem of large variation (dispersion) in value. For example, in a superconducting circuit of 1000 junction scale, I_cAlthough the standard deviation is required to be 5% or less, the standard deviation is actually in the range of 10% to 30%.
[0020]
Junction I_cIn order to equalize the bonding area and the bonding critical current density (hereinafter referred to as bonding J_cIt is necessary to achieve both of the equalization). For this purpose, both the improvement of patterning accuracy in photolithography and the uniform current density of the superconducting current flowing through the junction are required.
[0021]
However, since the patterning accuracy of photolithography is determined by external factors such as an exposure apparatus, a resist material, a baking temperature, a mask pattern, etc., it is considered difficult to obtain an accuracy higher than the current level. For this reason, the controllable process parameter is the junction J per unit area._cIt becomes uniform.
[0022]
Assuming that the electrode layer is extremely thin, t in Equations (2) and (2 ')_s→ It is equivalent to 0, and it can be seen that the inductance increases in inverse proportion to the film thickness (that is, L∝1 / t_s). This suggests that the inductance locally increases in the thinnest part of the lower electrode layer of the lamp edge type junction. As shown in the following formula (7), the increase in inductance causes an increase in impedance component with respect to the passage of electromagnetic waves.
[0023]
Z = R + i (ωL−1 / ωC) (7)
(Here, Z, R, i, and ω represent total impedance, resistance component, imaginary unit, and electromagnetic wave frequency, respectively).
[0024]
Due to the increase in inductance at the thin edge portion, current is shunted at the edge portion, and the current density at the bottom of the lower electrode layer is lowered. This is due to factors such as variations in inductance of the thinnest layer between the junctions and variations in lamp angle._cResulting in non-uniformity in the wafer and as a result I_cIncrease the variance.
[0025]
As discussed above, junction I_cIn order to achieve uniformization,_cIt is important to suppress the dispersion of the above.
[0026]
(III) Process conditions for wiring
From the discussion of (I) (formula (2 ′)), L □ is decreased (specifically, 1 × 10 at 4.2K)^-12To be less than or equal to H)_LIs short. However, for example, when the substrate temperature is low, YBa₂Cu_ThreeO₇Grow λ_LLong (100) alignment film. For this reason, YBa is used under conditions where the substrate temperature is high.₂Cu_ThreeO₇Grow λ_LIt is conceivable to use a short (001) orientation film. However, the film thickness of the wiring layer tends to increase under conditions where the substrate temperature is high._cThe film thickness cannot be increased too much because it affects the absolute value of. In addition, when a bond is formed under a condition where the substrate temperature is high, I_cThe value tends to increase away from the desired value. Therefore, even when the substrate temperature is low, λ_LIt is desirable that the growth of a long (100) alignment film can be suppressed.
[0027]
As described above, the conventional superconducting circuit has various problems, and it has been required to comprehensively solve these problems.
[0028]
Conventionally, in an artificial barrier type lamp edge junction in which a barrier layer is formed immediately before the growth of the upper electrode layer, the composition of the Y site or Cu site is similar to the composition of the lower electrode layer and the upper electrode layer as the barrier layer. Attempts have been made to control the electrical characteristics of the junction by controlling the resistivity of the barrier layer using a changed insulating layer (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). However, with such a technique, it is not possible to obtain effects such as controlling the inductance of the wiring portion and ensuring a margin for circuit design.
[0029]
[Non-Patent Document 1]
A. Flett et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, V.5, p.2973, 1995
[0030]
[Non-Patent Document 2]
Q.X.Jia et al.IEEE Transactions on Applied Superconductivity, V.5, p.2103, 1995
[0031]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to reduce the inductance of the wiring portion and to reduce the I_cAn object of the present invention is to provide a superconducting element exhibiting good characteristics by suppressing the dispersion of.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
A superconducting element according to the present invention comprises a substrate, a lower electrode layer of an oxide superconductor, an insulating barrier layer, and an upper electrode layer of an oxide superconductor that are stacked on the substrate to form a Josephson junction. It has a structure including.
[0033]
In the superconducting device according to the first aspect of the present invention, the upper electrode layer is represented by the following formula (A), the initial growth layer in which the composition is continuously changed, and the following formula (B). And a main growth layer having a composition.
[0034]
YbBa₂Cu_wO_y  ... (A)
YbBa₂Cu_ThreeO_{y '}  ... (B)
(Here, 3.0 <w ≦ 3.45, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8).
[0035]
In the superconducting element according to the second aspect of the present invention, the lower electrode layer is represented by the following formula (C), the initial growth layer in which the composition is continuously changed, and the following formula (D). And a main growth layer having a composition.
[0036]
YBa₂Cu_xO_y  ... (C)
YBa₂Cu_ThreeO_{y '}  ... (D)
(Here, 2.65 ≦ x <3.0, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8).
[0037]
In the superconducting device according to the third aspect of the present invention, the lower electrode layer is represented by the following formula (E), the initial growth layer in which the composition is continuously changed, and the following formula (F): And a main growth layer having a composition.
[0038]
L1_1-aM1_aBa₂Cu_ThreeO_y  ... (E)
L1Ba₂Cu_ThreeO_{y '}  ... (F)
(Here, L1 is at least one metal element selected from the group consisting of Yb, Y, Eu, Sm, Nd and La, M1 is at least one metal element selected from the group consisting of Ce and Pr, 0 <a ≦ 0.2, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8).
[0039]
In the superconducting device according to the fourth aspect of the present invention, at least one of the lower electrode layer and the upper electrode layer is represented by the following formula (G), and an initial growth layer in which the composition is continuously changed, And a main growth layer having a composition represented by the following formula (H).
L2Ba_2-bM2_bCu_ThreeO_y  ... (G)
L2Ba₂Cu_ThreeO_{y '}  ... (H)
(Here, the combination of L2 and M2 is one of Yb and Nd, Y and Nd, Y and La, Y and Pr, Sm and Nd, Nd and La, and 0 <b ≦ 0.15, 6 ≦ y. ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8).
[0040]
A superconducting element according to another aspect of the present invention includes a substrate, an oxide superconductor ground plane layer formed on the substrate, an interlayer insulating film formed on the ground plane layer, and a laminate on the interlayer insulating film. The oxide superconductor lower electrode layer, the insulating barrier layer, and the oxide superconductor upper electrode layer that form a Josephson junction may be included.
[0041]
In the superconducting element having this structure, the ground plane layer is represented by the following formula (I), and has an initial growth layer whose composition is continuously changed, and a composition represented by the following formula (J). It is preferable to have a main growth layer.
[0042]
L3Ba_2-bM3_bCu_ThreeO_y  ... (I)
L3Ba₂Cu_ThreeO_{y '}  ... (J)
(Here, L3 is at least one metal element selected from the group consisting of Y and Yb, M3 is at least one metal element selected from the group consisting of Pr, La and Nd, and 0 <b ≦ 0. 10, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8).
[0043]
Further, the ground plane layer has an initial growth layer represented by the following formula (K) and a composition continuously changing, and a main growth layer having a composition represented by the following formula (N). It may be.
[0044]
L4Ba₂Cu_xO_y  ... (K)
L4Ba₂Cu_ThreeO_{y '}  ... (N)
(Here, L4 is at least one metal element selected from the group consisting of Y, Sm and Nd, and 2.65 ≦ x <3.0, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8. ).
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The material used for the superconducting element according to the present invention will be described.
[0046]
As the substrate, SrTiO_ThreeMgO, La-Sr-Al-Ta-O-based oxide, NdGaO_ThreeLaAlO_ThreeYSZ (yttria stabilized zirconia) or the like is used.
[0047]
As an upper electrode layer, a lower electrode layer, and a ground plane layer, typically LnBa₂Cu_ThreeO_zA copper-based oxide superconductor represented by (Ln is at least one metal element selected from the group consisting of yttrium and rare earth metals, 6.0 ≦ z ≦ 8.0), so-called 123-based superconductor is used. An interlayer insulating layer is provided between the superconducting layers. These layers are formed by sputtering, laser ablation, vapor deposition, CVD, or the like.
[0048]
As the form of the Josephson junction, there are a laminated type, a ramp edge type, a grain boundary junction type, a step edge type, and the like. A process is used in which the superconducting layer is etched to form an interface.
[0049]
The barrier layer is Y_1-xPr_xBa₂Cu_ThreeO₇, YBa₂Cu_3-xCo_xO₇May be grown (artificial barrier lamp edge bonding), or may be formed by modifying the interface of the lower electrode layer without growing a separate barrier layer (interface modified lamp edge). Bonding).
[0050]
A superconducting element according to the present invention will be described with reference to FIGS. Each of these superconducting elements has a lamp edge junction.
[0051]
FIG. 1 shows a superconducting element according to the first embodiment of the present invention. A lower electrode layer 12 and an interlayer insulating film 13 are formed on the substrate 11, and these layers are processed so as to form a lamp edge. A barrier layer 14 is formed on the surface of the lower electrode layer 12. An upper electrode layer 15 having an initial growth layer 15a and a main growth layer 15b is formed thereon.
[0052]
In the superconducting device according to the first aspect, the upper electrode layer 15 has an initial growth layer 15a of the formula (A) YbBa₂Cu_wO_y(3.0 <w ≦ 3.45), which has a continuously changing composition, and the main growth layer 15b is represented by the formula (B) YbBa₂Cu_ThreeO_{y '}It has the composition represented by these. That is, the main growth layer 15b has a stoichiometric composition, but the Cu composition is controlled so that the initial growth layer 15a has a higher Cu composition (Cu rich) than the main growth layer 15b. When the composition of the initial growth layer 15a of the upper electrode layer 15 is Cu-rich, λ_LGeneration of long (100) oriented grains can be suppressed, and the inductance of the upper electrode layer 15 can be reduced.
[0053]
Note that y and y 'representing the oxygen composition in the initial growth layer 15a and the main growth layer 15b may be the same or different. For example, when Cu is deficient, the oxygen composition may change. Further, in FIG. 1, the initial growth layer 15a and the main growth layer 15b are illustrated separately, but the Cu composition of the initial growth layer 15a is gradually decreased to obtain the composition (stoichiometric composition) of the main growth layer 15b. Both layers are not always clearly distinguishable. These points are the same in other embodiments.
[0054]
FIG. 2 shows a superconducting element according to the second and third aspects of the present invention. A lower electrode layer 12 having an initial growth layer 12a and a main growth layer 12b and an interlayer insulating film 13 are formed on the substrate 11, and these layers are processed so as to form a lamp edge. A barrier layer 14 is formed on the surface of the lower electrode layer 12. An upper electrode layer 15 is formed thereon.
[0055]
In the superconducting device according to the second aspect, the lower electrode layer 12 has an initial growth layer 12a of the formula (C) YBa₂Cu_xO_y(2.65 ≦ x <3.0), which has a continuously changing composition, and the main growth layer 12b has the formula (D) YBa₂Cu_ThreeO_{y '}It has the composition represented by these. That is, the main growth layer 15b has a stoichiometric composition, but the Cu composition is controlled so that the initial growth layer 12a has a lower Cu composition (Cu poor) than the main growth layer 12b. Even when the composition of the initial growth layer 12a of the lower electrode layer 12 is Cu poor, λ_LGeneration of long (100) oriented grains can be suppressed. Further, the initial growth layer 12a itself has poor crystallinity and high inductance, but only the inductance of the initial growth layer 12a increases, and the junction I_cConcentrate on the main growth layer 12b having a stoichiometric composition. Since both the initial growth layer 12a and the main growth layer 12b can be formed with good control, the I_cCan be reduced.
[0056]
In the lower electrode layer 12 in the superconducting device according to the third aspect, the initial growth layer 12a has the formula (E) L1_1-aM1_aBa₂Cu_ThreeO_y(0 <a ≦ 0.2, M1 is Ce and Pr), has a continuously changing composition, and the main growth layer 12b has the formula (F) L1Ba₂Cu_ThreeO_{y '}It has the composition represented by these. That is, a part of the L1 (Yb, Y, Eu, Sm, Nd, La) site is replaced with Ce or Pr only in the initial growth layer 12a. Even when a part of the L1 site of the initial growth layer 12a of the lower electrode layer 12 is replaced by Ce or Pr, λ_LGeneration of long (100) oriented grains can be suppressed. Further, the initial growth layer 12a itself has poor crystallinity and high inductance, but only the inductance of the initial growth layer 12a increases, and the junction I_cConcentrate on the main growth layer 12b. Since both the initial growth layer 12a and the main growth layer 12b can be formed with good control, the I_cCan be reduced.
[0057]
Further, as shown in FIG. 3, the lower electrode layer 12 having the initial growth layer 12a and the main growth layer 12b is formed by combining the first to third aspects, and the initial growth layer 15a and the main growth layer 15b are provided. The upper electrode layer 15 may be formed. Thus, if the compositions of both the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 are optimized, a much better effect can be obtained.
[0058]
At least one of the lower electrode layer and the upper electrode layer in the superconducting element (shown in any of FIGS. 1 to 3) according to the fourth aspect of the present invention has an initial growth layer of the formula (G) L2Ba_2-bM2_bCu_ThreeO_y(0 <b ≦ 0.15), which has a continuously changing composition, and the main growth layer has the formula (H) L2Ba₂Cu_ThreeO_{y '}(The combination of L2 and M2 is as described above). That is, a part of the Ba site is replaced only by the initial growth layer 12a. Also in this case, the same effect as the first aspect or the second or third aspect described above can be obtained.
[0059]
In the superconducting element according to another aspect of the present invention, the composition of the ground plane layer may be controlled in addition to controlling the composition of the lower electrode layer and the upper electrode layer as described above.
[0060]
FIG. 4 shows a superconducting element according to these embodiments. On the substrate 11, a ground plane layer 21 and an interlayer insulating layer 22 having an initial growth layer 21a and a main growth layer 21b are formed. A lower electrode layer 12 and an interlayer insulating film 13 are formed on the interlayer insulating layer 22, and these layers are processed so as to form a lamp edge. A barrier layer 14 is formed on the surface of the lower electrode layer 12. An upper electrode layer 15 is formed thereon. Although not shown in FIG. 4, the upper electrode layer 15 has a structure having an initial growth layer 15a and a main growth layer 15b as shown in FIG. 1, or the lower electrode layer 12 is in an initial state as shown in FIG. The structure has a growth layer 12a and a main growth layer 12b, or both the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 have a structure having an initial growth layer and a main growth layer as shown in FIG.
[0061]
For example, in the ground plane layer 21, the initial growth layer 21a has the formula (I) L3Ba._2-bM3_bCu_ThreeO_y(0 <b ≦ 0.10), and the main growth layer 21b has the formula (J) L3Ba₂Cu_ThreeO_{y '}(L3 and M3 are as described above). That is, a part of the Ba site is replaced only by the initial growth layer 21a.
[0062]
The ground plane layer 21 has an initial growth layer 21a of the formula (K) L4Ba.₂Cu_xO_y(2.65 ≦ x <3.0), which has a continuously changing composition, and the main growth layer 21b has the formula (N) L4Ba₂Cu_ThreeO_{y '}(L4 is as described above). That is, the main growth layer 21b has a stoichiometric composition, but the Cu composition is controlled so that the initial growth layer 21a has a lower Cu composition (Cu poor) than the main growth layer 21b.
[0063]
When the composition of the ground plane layer 21 is controlled as described above, the flatness of the entire initial growth layer 21a and the ground plane layer 21 is remarkably improved, and the lower electrode layer 12 and the interlayer insulating layer 13 grown on the ground plane layer 21. Also, the flatness of the upper electrode layer 15 is improved. As a result, I_cContributes to lower dispersion.
[0064]
Therefore, controlling the composition of all of the ground plane layer, the lower electrode layer, and the upper electrode layer can achieve a higher effect, ensure a circuit design margin, ensure stable circuit operation, and ensure high speed. A superconducting circuit can be realized.
[0065]
In each aspect of the present invention, the film thickness of the initial growth layer is preferably 1 to 10% of the total film thickness of the layer whose composition is to be controlled (upper electrode layer, lower electrode layer or ground plane layer). If it is less than 1%, the above-mentioned effect of the initial growth layer cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 10%, the surface roughness of the layer growing on the top increases, the precipitate density increases, and the quality of the entire laminated film formed on the top deteriorates significantly. The portion of the stoichiometric composition is reduced, making it difficult to obtain a layer having the desired electrical properties. For example, when a Cu-rich superconducting layer is thicker than a certain film thickness, impurities such as copper oxide are deposited to deteriorate the surface properties and affect electrical characteristics.
[0066]
Hereinafter, a method for controlling the superconducting layer so as to continuously change the composition will be described.
[0067]
First, a method for controlling the Cu composition of the superconducting layer will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b). FIG. 5A is a schematic diagram of an RF sputtering apparatus used for forming a Yb—Ba—Cu—O superconducting layer. In FIG. 5A, the substrate 11 is installed on a substrate holder in which a heater 51 is built. On the other hand, as a target, YbBa₂Cu_ThreeO₇A target 52 and a Cu target 53 are provided. Matching boxes 54a and 54b and RF power supplies 55a and 55b are connected to each target. YbBa₂Cu_ThreeO₇The reason why the Cu target 53 is used in addition to the target 52 is as follows. That is, YbBa₂Cu_ThreeO₇The composition of the layer formed of particles flying only from the target is almost YbBa₂Cu_2.5O₇Thus, Cu is lost about several tens of percent. For this reason, Cu is replenished from the Cu target 53 so that a superconducting layer having a desired composition can be obtained.
[0068]
When using such an RF sputtering apparatus to form an upper electrode layer having an initial growth layer with a Cu-rich and continuously changing composition as in the first embodiment, as shown in FIG. The RF power input to the Cu target is initially set high, and continuously reduced to the RF power at which a stoichiometric composition is obtained. In this way, only the Cu composition of the upper electrode layer can be continuously changed.
[0069]
On the contrary, when the lower electrode layer having the Cu poor initial growth layer is formed as in the third aspect, the RF power to be input to the Cu target is initially set low, and the RF power at which the stoichiometric composition can be obtained. Increase continuously.
[0070]
Also, as in the fourth aspect, YBa₂Cu_ThreeO₇In the case of forming a superconducting layer having an initial growth layer in which the Ba site is replaced with La, for example, YBa as a target_2.5Cu_3.5O₇And LaBaO_2.5Is used to appropriately control the RF power and pressure conditions applied to each target.
[0071]
【Example】
Example 1
As shown in FIG. 1, a superconducting element in which the composition of the upper electrode layer is controlled will be described. In this example, the Cu composition of the upper electrode layer was controlled.
[0072]
YBa on the substrate 11₂Cu_ThreeO₇The lower electrode layer 12 having a thickness of about 200 nm represented by the following formula was formed by sputtering. YBa constituting the lower electrode layer 12₂Cu_ThreeO₇Λ_LIs about 150 nm in a good state without oxygen deficiency and (100) oriented grains. Therefore, for inductance control, the thickness of the lower electrode layer needs to be at least 150 nm or more. Conversely, if the thickness of the lower electrode layer is too thick, the junction I_cIs unfavorable because it increases in proportion to the film thickness. For these reasons, usually YBa₂Cu_ThreeO₇The film thickness of the superconducting portion of the lower electrode layer 12 is set to about 200 nm. An interlayer insulating layer 13 was formed on the lower electrode layer 12 by sputtering. A resist was applied on the interlayer insulating layer 13, and a resist pattern was formed by photolithography. Using this resist pattern as a mask, the first-stage ion etching was performed on the interlayer insulating layer 13. After removing the resist pattern residue, second-stage ion etching was performed on the lower electrode layer 12. By these ion etching, the pattern of the interlayer insulating layer 13 and the lower electrode layer 12 forming the lamp edge was formed. By this ion etching, an altered layer serving as a barrier layer is formed on the surface of the lower electrode layer 12.
[0073]
Next, the formula (A) YbBa₂Cu_wO_yAnd an initial growth layer 15a having a thickness of about 20 nm and a composition represented by formula (B) YbBa₂Cu_ThreeO_{y '}An upper electrode layer 15 having a main growth layer 15b with a film thickness of about 200 nm having a composition represented by: When the upper electrode layer 15 was formed, the RF power supplied to the Cu target was controlled as shown in FIG. 5B using the sputtering apparatus shown in FIG.
[0074]
FIG. 6 shows a change in the composition of Cu in the film thickness direction of the upper electrode layer 15. By continuously changing the Cu composition (w) of the initial growth layer from 3.15 on the substrate side to 3.0 on the main growth layer side, the initial growth layer 15a becomes Cu richer than the main growth layer 15b. I did it.
[0075]
A ramp-edge type Josephson bond was formed as described above. A resist was applied on the upper electrode layer 15, and a resist pattern (not shown) was formed by photolithography. The upper electrode layer 15 was ion-etched using the resist pattern as a mask to form the upper electrode layer pattern. Thereafter, the resist pattern residue was removed. Moreover, formation of a metal electrode, annealing in an oxidizing atmosphere, etc. were performed.
[0076]
As a result of structural analysis of the upper electrode layer using a field emission TEM (transmission electron microscope) having atomic resolution, it was found that the composition and the crystal structure were continuously changed.
[0077]
FIG. 7 shows the Cu composition dependence of the crystal orientation for the Yb—Ba—Cu—O superconducting layer. In FIG. 7, the horizontal axis represents the Cu composition (2.7 to 3.3), and the vertical axis represents the (100) orientation volume fraction and (001) X-ray diffraction (005) as the crystal orientation. The full width at half maximum (FWHM) of the peak is shown.
[0078]
As shown in FIG. 7, in the Cu-rich Yb—Ba—Cu—O thin film, the generation of (100) -oriented grains is remarkably suppressed, and (001) orientation is preferential and crystallinity is improved (FWHM). Decreases). For this reason, the crystallinity of the main growth layer formed on the initial growth layer is also improved.
[0079]
The electrical characteristics of 1000 junctions in one chip obtained in this example were analyzed. Average value, I_c= 0.96 mA, R_n= 2.12Ω was obtained. I_cThe standard deviation σ was 4.3%. Equivalent I formed without the composition control of the upper electrode layer_cFor junctions with I_cCompared with the standard deviation σ of 18.5%, very good characteristics were exhibited.
[0080]
The wiring inductance per unit area of the upper electrode layer is L □ = 0.67 × 10^-12H and L □ = 1.1 × 10 of the upper electrode layer formed without controlling the composition^-12It was good compared with H.
[0081]
Example 2
As shown in FIG. 2, a superconducting element in which the composition of the lower electrode layer is controlled will be described. In this example, the Cu composition of the lower electrode layer was controlled.
[0082]
Specifically, the formula (C) YBa₂Cu_xO_yAn initial growth layer 12a having a film thickness of about 20 nm and a composition represented by formula (D) YBa₂Cu_ThreeO_{y '}A lower electrode layer 12 having a main growth layer 12b with a thickness of about 200 nm having a composition represented by the following formula was formed by sputtering.
[0083]
FIG. 8 shows a change in the composition of Cu in the thickness direction of the lower electrode layer 12. By continuously changing the Cu composition (x) of the initial growth layer from 2.9 on the substrate side to 3.0 on the main growth layer side, the initial growth layer 12a becomes Cu poorer than the main growth layer 12b. I did it.
[0084]
From structural analysis by TEM or the like, it was found that the composition of copper was unidirectionally and continuously changed at the interface between the initial growth layer and the main growth layer.
[0085]
FIG. 9 shows the junction J in the film thickness direction of the lower electrode layer 12._cShows changes. As shown in this figure,_cGradually increases inside the initial growth layer 12a and changes to the value of the main growth layer 12b.
[0086]
FIG. 10 shows the Cu composition dependence of the crystal orientation for the Y—Ba—Cu—O superconducting layer. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the Cu composition, and the vertical axis indicates the (100) orientation volume fraction and the (001) X-ray diffraction (005) peak full width at half maximum (FWHM) as the crystal orientation. ing.
[0087]
As shown in FIG. 10, in the Cu-poor Y—Ba—Cu—O thin film, generation of (100) oriented grains is remarkably suppressed, and (001) orientation becomes preferential. In this way, since the generation of (100) oriented grains is remarkably suppressed in the initial growth layer, the generation of (100) oriented grains is suppressed in the entire lower electrode layer. However, in a Cu poor Y—Ba—Cu—O thin film, the crystallinity deteriorates (FWHM increases). For this reason, only the inductance of the portion of the initial growth layer formed with good control increases, and the junction I_cAlmost everything is concentrated in the main growth layer. As a result, I between each junction_cThe dispersion of values can be reduced.
[0088]
The electrical characteristics of 1000 junctions in one chip obtained in this example were analyzed. Average value, I_c= 1.01 mA, R_n= 1.9Ω was obtained. I_cThe standard deviation σ was 3.3%. Equivalent I formed without lower electrode layer composition control_cFor junctions with I_cCompared with the standard deviation σ = 13.33%, very good characteristics were exhibited.
[0089]
Example 3
As shown in FIG. 2, a superconducting element in which the composition of the lower electrode layer is controlled will be described. In this example, control for replacing a part of the lower electrode layer with Pr was performed.
[0090]
Specifically, the formula (E ′) Y_1-aPr_aBa₂Cu_ThreeO_yAn initial growth layer 12a having a composition represented by (0 <a ≦ 0.10) and having a film thickness of about 20 nm, and a formula (F ′) YBa₂Cu_ThreeO_{y '}A lower electrode layer 12 having a main growth layer 12b with a thickness of about 200 nm having a composition represented by the following formula was formed by sputtering. Where Y_1-aPr_aBa₂Cu_ThreeO_yWhen the Pr composition (a) exceeds 0.1, the solid solution limit is exceeded. Therefore, Pr is not substantially dissolved, and the density of precipitates is remarkably increased. For this reason, the Pr composition of the initial growth layer 12a is set to 0.1 or less.
[0091]
FIG. 11 shows changes in the Pr composition in the film thickness direction of the lower electrode layer 12. The Pr composition (a) of the initial growth layer was continuously changed from 0.10 on the substrate side to 0 on the main growth layer side.
[0092]
In FIG._1-aPr_aBa₂Cu_ThreeO_yIt shows the Pr composition dependence of crystal orientation for the superconducting layer. In FIG. 12, the horizontal axis indicates the value of a as the Pr composition. The vertical axis shows the volume fraction of (100) orientation and the full width at half maximum (FWHM) of the (005) peak of (001) orientation X-ray diffraction as the crystal orientation.
[0093]
As shown in FIG. 12, when an initial growth layer in which Pr is dissolved is used, generation of (100) oriented grains is remarkably suppressed, and (001) orientation is given priority, and crystallinity is improved (FWHM). Decreases). For this reason, the crystallinity of the main growth layer formed on the initial growth layer is also improved. In addition, the superconducting property is suppressed by the solid solution of Pr, and the initial growth layer λ_LBecomes longer. As a result, only the inductance of the initial growth layer formed with good control increases, and the junction I_cAlmost everything is concentrated in the main growth layer. As a result, I between each junction_cThe dispersion of values can be reduced.
[0094]
The electrical characteristics of 1000 junctions in one chip obtained in this example were analyzed. Average value, I_c= 0.93 mA, R_n= 3.7Ω was obtained. I_cThe standard deviation σ was 4.5%. Equivalent I formed without lower electrode layer composition control_cFor junctions with I_cCompared with the standard deviation σ = 20.9%, very good characteristics were exhibited. FIG. 13 shows typical IV characteristics of the junction obtained in this example.
[0095]
The lower electrode layer is T_cIs 90K zero resistance, J as the macroscopic critical current density of the wiring part_cIs 5 × 10 at 4.2K⁷Acm^-2And T by the initial growth layer_cAnd J_cThere was no effect of lowering.
[0096]
The wiring inductance per unit area of the lower electrode layer is L □ = 0.9 × 10^-12H and L □ = 1.5 × 10 of the upper electrode layer formed without controlling the composition^-12It was good compared with H.
[0097]
In this embodiment, yttrium (Y) is used as L1 and praseodymium (Pr) is used as M1, but the same effect as described above has been confirmed in examples using other metal elements.
[0098]
Example 4
As shown in FIG. 1, a superconducting element in which the composition of the upper electrode layer is controlled will be described. In this example, control was performed to replace a part of the Ba site of the upper electrode layer with Nd.
[0099]
Specifically, the formula (G ′) YBa_2-bNd_bCu_ThreeO_yAn initial growth layer 15a having a composition represented by (0 <b ≦ 0.09) and a film thickness of about 20 nm; and a formula (H ′) YBa₂Cu_ThreeO_{y '}An upper electrode layer 15 having a main growth layer 15b with a film thickness of about 200 nm having a composition represented by: Where YBa_2-bNd_bCu_ThreeO_yWhen the Nd composition (b) exceeds 0.09, the T of the upper electrode layer_cBegins to decline, and J near the joint interface_cAt the same time, the superconducting characteristics represented by_cAnd joint R_nThis is not preferable for controllability. For this reason, the Nd composition of the initial growth layer 15a is set to 0.09 or less.
[0100]
FIG. 14 shows the Nd composition change in the film thickness direction of the upper electrode layer 15. The Nd composition (b) of the initial growth layer was continuously changed from 0.09 on the substrate side to 0 on the main growth layer side.
[0101]
In FIG. 15, YBa_2-bNd_bCu_ThreeO_yCrystal orientation and critical temperature T for superconducting layers_cThe Nd composition dependence of is shown. In FIG. 15, the horizontal axis indicates the value of b as the Nd composition. The vertical axis shows the volume fraction of (100) orientation as the crystal orientation, and the critical temperature T_cIs shown.
[0102]
As shown in FIG. 15, when Nd is dissolved in the initial growth layer, the volume fraction of (100) oriented grains decreases monotonously. However, when b ≧ 0.10, T_cThe superconducting characteristics represented by In this example, the initial growth layer has YBa in the range of 0 <b ≦ 0.90._2-bNd_bCu_ThreeO_yBy using the superconducting layer, the crystallinity of the entire upper electrode layer can be improved.
[0103]
The electrical characteristics of 1000 junctions in one chip obtained in this example were analyzed. Average value, I_c= 0.96 mA, R_n= 2.12Ω was obtained. I_cThe standard deviation σ was 4.3%. Equivalent I formed without the composition control of the upper electrode layer_cFor junctions with I_cCompared with the standard deviation σ of 18.5%, very good characteristics were exhibited.
[0104]
The wiring inductance per unit area of the upper electrode layer is L □ = 0.67 × 10^-12H and L □ = 1.1 × 10 of the upper electrode layer formed without controlling the composition^-12It was good compared with H.
[0105]
Example 5
As shown in FIG. 3, a superconducting element in which composition control of the lower electrode layer and the upper electrode layer is performed will be described. In this example, control was performed to replace part of the Ba sites of the lower electrode layer and the upper electrode layer with Nd.
[0106]
Specifically, the formula (G ′) YBa_2-bNd_bCu_ThreeO_yAn initial growth layer 12a having a film thickness of about 20 nm having a composition represented by (0.10 ≦ b ≦ 0.20), and a formula (H ′) YBa₂Cu_ThreeO_{y '}A lower electrode layer 12 having a main growth layer 12b with a thickness of about 200 nm having a composition represented by the following formula was formed by sputtering. Further, the upper electrode layer 15 having the initial growth layer 15a and the main growth layer 15b similar to those in Example 4 was formed by sputtering.
[0107]
Where YBa_2-bNd_bCu_ThreeO_yWhen forming the lower electrode layer, T_cI_cAnd joint R_nIt is not necessary to consider the influence on the upper electrode layer. YBa_2-bNd_bCu_ThreeO_yIn the case of Nd, the crystallinity of the initial growth layer and the main growth layer grown thereon is improved as the Nd composition increases. For this reason, it is preferable to make the Nd composition of the initial growth layer 12a of the lower electrode layer 12 higher than the Nd composition (0 <b ≦ 0.90) of the initial growth layer 15a of the upper electrode layer 15. Therefore, in this embodiment, the Nd composition of the initial growth layer 12a of the lower electrode layer 12 is set to 0.10 ≦ b ≦ 0.20.
[0108]
As shown in FIG. 15, the generation of (100) -oriented grains is suppressed even in the composition region where Nd ≧ 0.10 or more, but in the composition region where Nd ≧ 0.10 or more, T_cAs represented by a monotonic decrease in superconductivity, the superconducting properties are significantly reduced, and the initial growth layer λ_LBecomes longer. As a result, only the inductance of the initial growth layer 12a formed with good control increases, and the junction I_cAlmost everything is concentrated in the main growth layer. As a result, I between each junction_cThe dispersion of values can be reduced.
[0109]
The electrical characteristics of 1000 junctions in one chip obtained in this example were analyzed. Average value, I_c= 0.85 mA, R_n= 3.22Ω was obtained. I_cThe standard deviation σ was 2.9%. Equivalent I formed without the composition control of the upper electrode layer_cFor junctions with I_cCompared with the standard deviation of σ = 25.0%, very good characteristics were exhibited. FIG. 16 shows typical IV characteristics of the junction obtained in this example.
[0110]
The wiring inductance per unit area of the lower electrode layer is L □ = 0.75 × 10^-12H, the wiring inductance per unit area of the upper electrode layer is L □ = 0.56 × 10^-12H and L □ = 1.5 × 10 of the lower electrode layer formed without controlling the composition^-12H, L □ of upper electrode layer = 1.1 × 10^-12It was good compared with H.
[0111]
Example 6
As shown in FIG. 4, a superconducting element in which the composition control of the ground plane layer is performed will be described. In this example, control was performed to replace a part of the Ba site of the ground plane layer with Nd.
[0112]
Specifically, the formula (I ′) YBa_2-bNd_bCu_ThreeO_yAn initial growth layer 21a having a film thickness of about 20 nm having a composition represented by (0 <b ≦ 0.09), and a formula (J ′) YBa₂Cu_ThreeO_{y '}A ground plane layer 21 having a main growth layer 21b with a film thickness of about 200 nm having a composition represented by: FIG. 17 shows the composition change of Nd in the film thickness direction of the ground plane layer 21. The Nd composition (b) of the initial growth layer was continuously changed from 0.05 on the substrate side to 0 on the main growth layer side. The lower electrode layer and the upper electrode layer forming the junction were formed in the same manner as in Example 5.
[0113]
When the outermost surface of the ground plane layer 21 formed in this example was observed with an atomic force microscope (AFM), it was found that the flatness was remarkably improved. That is, the surface roughness Ra (average roughness) of the ground plane layer 21 was 0.9 nm, and the flatness was remarkably improved as compared to Ra = 3 nm when formed without performing composition control. It was also found that the flatness of the lower electrode layer, the interlayer insulating layer, and the upper electrode layer formed thereon is significantly improved as the flatness of the ground plane layer 21 is improved.
[0114]
The electrical characteristics of 1000 junctions in one chip obtained in this example were analyzed. Average value, I_c= 0.95 mA, R_n= 3.6Ω was obtained. I_cThe standard deviation σ was 2.5%.
[0115]
FIG. 18 shows I junction of 20 junctions in one wafer when the composition control is performed according to this embodiment and when the composition control is not performed at all._cThe result of comparing the variations is shown. The standard deviation when the composition control is performed according to the present example is σ = 1.0%, which is remarkably improved as compared with 21% when the composition control is not performed.
[0116]
In addition, the operation of the SQUID circuit pattern configured appropriately suppresses the generation of (100) oriented grains in the ground plane layer and improves the structural quality of the thin film such as flatness and crystallinity at the same time. Λ of layer_LIt became clear that it could be reduced. Thereby, the inductance of the lower electrode layer and the upper electrode layer can be further reduced.
[0117]
The wiring inductance per unit area of the lower electrode layer is L □ = 0.55 × 10.^-12H, wiring inductance per unit area of upper electrode layer is L □ = 0.47 × 10^-12H.
[0118]
Example 7
As shown in FIG. 4, a superconducting element in which the composition control of the ground plane layer is performed will be described. In this example, the Cu composition of the ground plane layer was controlled.
[0119]
Specifically, the formula (K ′) YBa₂Cu_xO_yAn initial growth layer 21a having a composition represented by (2.65 ≦ b <3.0) and a film thickness of about 20 nm; and a formula (N ′) YBa₂Cu_ThreeO_{y '}A ground plane layer 21 having a main growth layer 21b with a film thickness of about 200 nm having a composition represented by: The Cu composition (x) of the initial growth layer was continuously changed from 2.91 on the substrate side to 3.0 on the main growth layer side. The lower electrode layer and the upper electrode layer forming the junction were formed in the same manner as in Example 5.
[0120]
When the outermost surface of the ground plane layer 21 formed in this example was observed with an atomic force microscope (AFM), Ra = 1.0 nm, which was significantly improved compared to the case where the composition was not controlled. did.
[0121]
The electrical characteristics of 1000 junctions in one chip obtained in this example were analyzed. Average value, I_c= 0.83 mA, R_n= 3.45Ω was obtained. I_cThe standard deviation σ was 2.3%.
[0122]
In addition, when the composition control is performed according to the present embodiment and when no composition control is performed, I between 10 wafers_cAs a result of comparing the variations, in this example, I_cIt was also found that there was an effect in reducing variation.
[0123]
The wiring inductance per unit area of the lower electrode layer is L □ = 0.59 × 10^-12H, wiring inductance per unit area of the upper electrode layer is L □ = 0.50 × 10^-12H.
[0124]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the inductance of the wiring portion is reduced and I between the junctions is reduced._cThus, it is possible to provide a superconducting element exhibiting good characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a superconducting element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a superconducting element according to second and third aspects of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a superconducting element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a superconducting element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram of an RF sputtering apparatus and a diagram showing a change in RF power input to a target.
6 is a graph showing a change in Cu composition in the film thickness direction of the upper electrode layer in the superconducting element of Example 1. FIG.
FIG. 7 is a graph showing the Cu composition dependence of crystal orientation in a Yb—Ba—Cu—O superconducting layer.
8 is a graph showing a change in Cu composition in the film thickness direction of the lower electrode layer in the superconducting element of Example 2. FIG.
9 shows a junction J in the film thickness direction of the lower electrode layer in the superconducting element of Example 2. FIG._cFIG.
FIG. 10 is a graph showing the Cu composition dependency of crystal orientation in a Y—Ba—Cu—O superconducting layer.
11 is a graph showing changes in Pr composition in the thickness direction of the lower electrode layer in the superconducting element of Example 3. FIG.
FIG. 12 Y_1-aPr_aBa₂Cu_ThreeO_yThe figure which shows the Pr composition dependence of crystal orientation about a superconducting layer.
13 is a graph showing typical IV characteristics of the junction obtained in Example 3. FIG.
FIG. 14 is a view showing a change in Nd composition in the film thickness direction of the upper electrode layer in the superconducting element of Example 4.
FIG. 15 YBa_2-bNd_bCu_ThreeO_yCrystal orientation and critical temperature T for superconducting layers_cThe figure which shows Nd composition dependence of A.
16 is a graph showing typical IV characteristics of the junction obtained in Example 5. FIG.
FIG. 17 is a view showing a composition change of Nd in the film thickness direction of the ground plane layer in the superconducting element of Example 6.
FIG. 18 shows I junction of 20 junctions in one wafer when the composition control is performed according to Example 6 and when the composition control is not performed at all._cThe figure which shows the result of having compared the variation.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Substrate, 12 ... Lower electrode layer, 12a ... Initial growth layer, 12b ... Main growth layer, 13 ... Interlayer insulating film, 14 ... Barrier layer, 15 ... Upper electrode layer, 15a ... Initial growth layer, 15b ... Main growth layer , 21 ... ground plane layer, 21a ... initial growth layer, 21b ... main growth layer, 22 ... interlayer insulation layer, 51 ... heater, 52 ... YbBa₂Cu_ThreeO₇Target, 53 ... Cu target, 54a, 54b ... Matching box, 55a, 55b ... RF power source.

Claims (6)

基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記上部電極層が、下記式（Ａ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｂ）で表される組成を有する主成長層と
ＹｂＢａ₂Ｃｕ_wＯ_y …（Ａ）
ＹｂＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｂ）
（ここで、３．０＜ｗ≦３．４５、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする超電導素子。A substrate and an oxide superconductor lower electrode layer, an insulating barrier layer, and an oxide superconductor upper electrode layer stacked on the substrate to form a Josephson junction, the upper electrode layer comprising: An initial growth layer represented by the following formula (A) whose composition is continuously changed, a main growth layer having a composition represented by the following formula (B), and YbBa ₂ Cu _w O _y (A)
YbBa ₂ Cu ₃ O _{y ′} (B)
(Here, 3.0 <w ≦ 3.45, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8)
A superconducting element comprising: 基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記下部電極層が、下記式（Ｃ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｄ）で表される組成を有する主成長層と
ＹＢａ₂Ｃｕ_xＯ_y …（Ｃ）
ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｄ）
（ここで、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする超電導素子。A lower electrode layer of an oxide superconductor, an insulating barrier layer, and an upper electrode layer of an oxide superconductor stacked on the substrate to form a Josephson junction, the lower electrode layer comprising: An initial growth layer represented by the following formula (C), the composition of which continuously changes, a main growth layer having a composition represented by the following formula (D), and YBa ₂ Cu _x O _y (C)
YBa ₂ Cu ₃ O _{y ′} (D)
(Here, 2.65 ≦ x <3.0, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8)
A superconducting element comprising: 基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記下部電極層が、下記式（Ｅ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｆ）で表される組成を有する主成長層と
Ｌ１_1-aＭ１_aＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y …（Ｅ）
Ｌ１Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｆ）
（ここで、Ｌ１はＹｂ、Ｙ、Ｅｕ、Ｓｍ、ＮｄおよびＬａからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ１はＣｅおよびＰｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ａ≦０．２、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする超電導素子。A lower electrode layer of an oxide superconductor, an insulating barrier layer, and an upper electrode layer of an oxide superconductor stacked on the substrate to form a Josephson junction, the lower electrode layer comprising: An initial growth layer represented by the following formula (E) whose composition is continuously changed, a main growth layer having a composition represented by the following formula (F), and L1 _1-a M1 _a Ba ₂ Cu ₃ O _y ... (E)
L1Ba ₂ Cu ₃ O _{y ′} (F)
(Here, L1 is at least one metal element selected from the group consisting of Yb, Y, Eu, Sm, Nd and La, M1 is at least one metal element selected from the group consisting of Ce and Pr, (0 <a ≦ 0.2, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8)
A superconducting element comprising: 基板と、基板上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記下部電極層および上部電極層のうち少なくとも一方が、下記式（Ｇ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｈ）で表される組成を有する主成長層と
Ｌ２Ｂａ_2-bＭ２_bＣｕ₃Ｏ_y …（Ｇ）
Ｌ２Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｈ）
（ここで、Ｌ２とＭ２の組み合わせはＹｂとＮｄ、ＹとＮｄ、ＹとＬａ、ＹとＰｒ、ＳｍとＮｄおよびＮｄとＬａのいずれかであり、０＜ｂ≦０．２０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする超電導素子。A lower electrode layer of an oxide superconductor, an insulating barrier layer, and an upper electrode layer of an oxide superconductor, which are stacked on the substrate to form a Josephson junction, the lower electrode layer and the upper electrode layer At least one of the electrode layers is represented by the following formula (G), an initial growth layer whose composition is continuously changing, a main growth layer having a composition represented by the following formula (H), and L2Ba _{2− b} M2 _b Cu ₃ O _y (G)
L2Ba ₂ Cu ₃ O _{y ′} (H)
(Here, the combination of L2 and M2 is one of Yb and Nd, Y and Nd, Y and La, Y and Pr, Sm and Nd, Nd and La, and 0 <b ≦ 0.20, 6 ≦ y. ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8)
A superconducting element comprising: 基板と、基板上に形成された酸化物超電導体のグランドプレーン層と、グランドプレーン層上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｉ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｊ）で表される組成を有する主成長層と
Ｌ３Ｂａ_2-bＭ３_bＣｕ₃Ｏ_y …（Ｉ）
Ｌ３Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｊ）
（ここで、Ｌ３はＹおよびＹｂからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素、Ｍ３はＰｒ、ＬａおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、０＜ｂ≦０．１０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導素子。A substrate, an oxide superconductor ground plane layer formed on the substrate, an interlayer insulating film formed on the ground plane layer, and an oxide superconductor layered on the interlayer insulating film to form a Josephson junction The ground plane layer is represented by the following formula (I), and the composition is continuously changing in the initial stage, including the lower electrode layer of the body, the insulating barrier layer, and the upper electrode layer of the oxide superconductor. and growth layer, the main growth layer and _{L3Ba 2-b M3 b Cu 3} O y having a composition represented by the following formula (J) ... (I)
L3Ba ₂ Cu ₃ O _{y ′} (J)
(Here, L3 is at least one metal element selected from the group consisting of Y and Yb, M3 is at least one metal element selected from the group consisting of Pr, La and Nd, and 0 <b ≦ 0. (10, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8)
The superconducting element according to claim 1, wherein the superconducting element is provided. 基板と、基板上に形成された酸化物超電導体のグランドプレーン層と、グランドプレーン層上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に積層されてジョセフソン接合を形成する、酸化物超電導体の下部電極層、絶縁性のバリア層、および酸化物超電導体の上部電極層とを含み、前記グランドプレーン層が、下記式（Ｋ）で表され、組成が連続的に変化している初期成長層と、下記式（Ｎ）で表される組成を有する主成長層と
Ｌ４Ｂａ₂Ｃｕ_xＯ_y …（Ｋ）
Ｌ４Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y' …（Ｎ）
（ここで、Ｌ４はＹ、ＳｍおよびＮｄからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、２．６５≦ｘ＜３．０、６≦ｙ≦８、６≦ｙ’≦８である。）
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超電導素子。A substrate, an oxide superconductor ground plane layer formed on the substrate, an interlayer insulating film formed on the ground plane layer, and an oxide superconductor layered on the interlayer insulating film to form a Josephson junction The ground plane layer is represented by the following formula (K), and the composition is continuously changing, including the lower electrode layer of the body, the insulating barrier layer, and the upper electrode layer of the oxide superconductor. A growth layer, a main growth layer having a composition represented by the following formula (N), and L4Ba ₂ Cu _x O _y (K)
L4Ba ₂ Cu ₃ O _{y ′} (N)
(Here, L4 is at least one metal element selected from the group consisting of Y, Sm and Nd, and 2.65 ≦ x <3.0, 6 ≦ y ≦ 8, 6 ≦ y ′ ≦ 8. .)
The superconducting element according to claim 1, wherein the superconducting element is provided.

Images