JPS60140885A - 超電導素子集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は超電導素子集積回路に係り、特に高速・動作お
よび高集積化に好適な超電導素子集積回路。

の作製方法およびその構造に関する。

〔発明の背景〕１５ 液体ヘリウム温度で動作するジョセフソン集積。

回路用の抵抗体として、信頼性を高める観点から、従来
ｐｂ合金材料を使って作られた集積回路に一般。

的に用いられているＡｕ■１］２化合物薄膜に替えて、
。

純へ４０薄膜を使用することはよく知られている。２゜
しかし、この純Ｍｏ薄膜は、液体ヘリウム温度での抵抗
率が高々数μΩ−ｃｍにすぎず、この小さな抵抗率のた
めに、集積回路中で必要な５０Ω等の抵抗を作製するた
めには、大きな面積を占有し、回路の高集積化の点から
不都合であった。

まだ、従来の超電導素子集積回路、すなわちジ゛ヨセフ
ソン素子あるいは準粒子注入素子を用いた。

集積回路においては、抵抗薄膜と超電導体薄膜と。

はそれぞれ別々に製膜して微細加工を行なってい。

た。この場合、製作工程が長くなることに加えて１２抵
抗体薄膜の表面に汚染あるいは変質が生じると。

とがあった。さらに、超電導体薄膜にＮｂ、Ｎｂ　Ｎ　
、。

ＭｏＮなどの材料を用い、かつこれらをエツチング。

法によって加工する際には、抵抗体の損傷を小さ。

くする目的で、絶縁物等より々る保護膜が通常は１）抵
抗体薄膜上に設けられる。この場合にも工程が。

長く々ることに加え、抵抗体の占有面積が大きく。

ガるという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、信頼性が高く、かつ高集積化２１゜に
好適な薄膜抵抗材料を使用することによって、。

故障が少なく、かつ集積度の高いジョセフソン集積回路
を提供し、１だ、高速動作および高集積化゛に好適外超
電導素子集積回路を提供することにあ。

る。　５ 〔発明の概要〕 第１図は、ＭＯＮｘ薄膜中のＮとＭｏの割合による。

ＭＯＮｘ薄膜の抵抗率の変化を示したものである。。

ＭＯＮｘ薄膜はＡｒとＮ２の混合ガスを用いたＤＣマ。

グネトロンスパッタリング法によって形成した。１０Ｘ
の値はＡｒとＮ２の混合の割合を変えることによ。

り容易に制御することができた。第１図から明ら。

かなようにＸが小さいうちは、抵抗率ρはＸの１゜次に
比例して増大している。このことは薄膜抵抗。

体の抵抗値を種々に変化させ、しかもこれを制御１５性
良く、捷だ高い再現性で実現するためには非常。

に好都合である。このρとＸとの直線関係はＸが。

０．２５〜０．６の付近まで続くが、Ｘがそれ以上の領
。

域では、ρはＸの値によって大きく変化する。こ。

れはＸが０．２５以下の領域ではＮがＭｏ多結晶薄膜、
。

・　６　・ 中に主として不純物として含壕れ、この不純物原子によ
る電子の散乱が抵抗率ρの増大を与えているためである
。一方、ρが０．２５以上の領域では、ＭＯとＮとの間
に外殻電子の相互作用が著るしくな゛す、化学結合が生
じてＭ　Ｏ２Ｎが形成されはじめる５ためである。この
ため、材料の電子構造自体に変“化が生じ、抵抗率ρは
Ｘとともに大きく変化する°。

また、Ｍ　Ｏ２Ｎは一般に４．２に以上の超電導転移温
度をもつ。このため、第２図に示したように、Ｘ”が０
．２５を越えて、Ｍ　Ｏ２Ｎが形成されはじめると、１
０薄膜の超電導転移温度は上昇し、４．２Ｋを越す。。

このため、液体ヘリウム温度（４，２Ｉ（）で動作す。

る回路においては抵抗体としては機能しない。し。

たがって、本発明の目的を満足するようなＭｏＮｘ。

におけるＸの範囲は０より大きく、０．２５以下で８゜
ることになり、このＸの範囲にあるＭＯＮｘを抵抗。

体として使用した点に本発明の特徴がある。

また、ＭｏがＮを含有する場合において、Ｎの量。

により、液体ヘリウム温度における導電性を超電。

導および常電導に制御できることから、同一装置、。

・　４　・ 内で、抵抗体薄膜と超電導体薄膜を形成した後、これを
加工して抵抗体および超電導配線の一部分とすることに
よって、工程数を減少させ、かつ抵抗体の占有面積を減
少させて、集積回路の高集積。

化を図った点に特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する≧第６図
は本発明の第１の実施例によるジョセフ゛ソン素子から
なる超電導素子集積回路の断面図で。

ある。　１０ Ｓ＋基板１上・に厚さ約２００１ｍのＳｉＯより成る。

絶縁膜２を蒸着し、さらにその上に厚さ約２００゜ｎ　
ｍ　（Ｄ　Ｍ　ｏ　Ｎ　膜３をＤＣマグネトロンスパッ
タリング。

法で形成する。ついで、４　ａｔ８％のＮを不純物と。

して含んだ、厚さ約３００　ｎｍのＭｏ−Ｎ膜と厚さ約
、５１０００ｍ）ＭｏＮ膜の２層膜をＤＣスパッタリン
グ。

法によって形成する。このときの基板温度は約　。

１ １１０℃であり、Ａｒ　＋　Ｎ２混合ガスの圧力は２Ｘ
１０゜Ｐａであった。また、ＭｏＮ膜作製時の混合ガス
中。

のＮ２の割合は８０〜１００チの範囲であり、４ａｔ％
、。

のＮ２を含んだＭｏ−Ｎ薄膜を作製するときのＮ２゜の
割合は約１５％とした。このようにして作製しだ“Ｍｏ
−Ｎ薄膜は、液体ヘリウム温度（４，２Ｉ（）では。

常電導状態にあり、従って、超電導集積回路にお。

いては抵抗体として使用できる。このＭｏ−Ｎ薄膜の抵
抗率は液体ヘリウム温度で１２〜１４μΩ−ｃｍであっ
た。この値は純Ｍｏ薄膜の場合の約２倍であ。

る。従って、抵抗体の小形化が図れ、不純物Ｎの。

量を制御することにより、同じ膜厚、同じ寸法で。

あれば２倍〜１０倍大きな抵抗値を持った薄膜抵抗１）
）体を得ることができる。ついで、Ａｒイオンビーム・
エツチングにより加工して、４　ａｔ　％　Ｎを含むＭ
ｏ。

−Ｎ薄膜からなる抵抗体４とＭｏＮ薄膜からなる。

接続電極５を形成する。以上の記述から明らかな。

ように、この場合、抵抗体４の加工の際の保護膜１）は
不要であると共に抵抗体表面の汚染あるいは変、質等は
一切生じない。つぎに、全面に厚さ約４００　。

ｎｍの８ｉ０膜を全面上に蒸着によって被着し、す。

フトオフ法によって絶縁膜６を形成する。さらに１、全
面上に厚さ約２００１ｍのＭｏＮ膜をＤＣマグネト５．
。

ロンスパッタリング法によって形成した後、Ａｒイオン
ビームエツチング法によって加工して下部電極７とする
。次に、接合面積を決める下部電極７に達する開孔部を
有する絶縁膜８を全面上に設。

け、前記開孔部内に露出している下部電極７上に５Ｍｏ
の酸化物からなる障壁層９と障壁層９上から。

絶縁膜８上に延びる所定パターンを有するＭｏＮ膜膜よ
り成る上部電極配線１０を形成する。以上の工。

程によって本発明によるジョセフソン集積回路を。

実現することができる。第６図は第４図に示したＩＯ集
積回路の一部分に対応する回路図であり、直結・型の論
理ゲートが構成されている。本実施例にお。

いては、製造工程において抵抗体の保護膜が不要。

になり、従って、それに伴なうプロセス工程が簡。

酪化されるとともに、回路の高集積化が可能とな１５す
、かつ回路の配線長を短かくできるので、回路。

の付加的なインダクタンスを小さくし、従って、。

回路動作の高速化を実現できる利点がある。

本発明の第２の実施例を第５図〜第７図を用い。

て説明する。本実施例も、ジョセフソン素子によ２゜・
　７　・ る超電導素子集積回路に関する。

８１基板１上に厚さ約２００口ｍのＳｉＯより成る　。

絶縁膜２を蒸着により形成する。つぎに、その上。

に厚さ約３００１ｍの４　ａｔ、％のＮを含んだＭｏ膜
４゜と厚さ約２０［］　ｎｍのＭｏＮ膜７′とからなる
２層膜を５形成し、捷ず、この２層膜を抵抗体パターン
に従。

つて加工し、表面上に４　ａｔ、％Ｎ−Ｍｏ膜７′をも
っ。

た抵抗体４を形成する（第５図）。ついで、との。

抵抗体４上の４　ａｔ、　％　Ｎ　−Ｍｏ膜７′を下部
電極パタ゛−ンに従って加工し、下部電極７を形成する
（第１０６図）。つぎに、全面上に絶縁膜８を形成し、
と。

の絶縁膜に下部電極７に通じ、かつ接合面積を決。

める開孔を設けると同時にその不要部分を除去し。

て層間絶縁膜８を形成し、つづいて、前記開孔内。

の下部電極７上にトンネル障壁層９を設け、トンｌ）ネ
ル障壁層９上から層間絶縁層上に延びる上部電。

極１０を第１の実施例と同様に形成するととにより、本
発明のジョセフソン素子集積回路を実現するこ。

とができる（第７図）。本実施例においては、抵。

抗体としてその抵抗値の絶対値の精度がそれほど９、。

・　８　・ 厳しくない用途に用いられる。ただし、抵抗体間。

の抵抗値のばらつき、あるいは分布は十分に小さ。

くすることができる。この場合、抵抗膜と下部型。

極を同一工程で形成してしまうので、工程数を減。

少させることかでき、また、抵抗体と下部電極の５界面
には汚染あるいは変質等が全く生じないので°、抵抗体
形成工程の再現性、歩留りは極めて良好で。

あった。

本発明の第６の実施例を第８図を用いて説明す・る。作
製手順は第６図に示しだ超電導素子集積回ｌ。

路と同じであり、また同一部分は同一記号で示し。

である。この場合、ＭｏＮ膜６からの信号により。

ＭｏＮ膜７、トンネル障壁層９、上部電極１０によ。

つて構成されるジョセフソン接合素子に準粒子が。

トンネル注入されてスイッチング動作が起る。本１５実
施例においては、準粒子を発生させるだめの抵抗体４を
下部電極７の直下に容易に配量できるので、回路の入力
信号に対する感度を大きくし、かつ回路の占有面積を小
さくすることができる。

以上３つの実施例においては、抵抗体にＭｏ　−Ｎ、超
電導電極にＭｏＮを用いたが、超電導電極゛にＮ１）Ｎ
を用いても同様の効果を得ることができた。

〔発明の効果〕

以」二述べたように、本発明によれば、従来技術５の欠
点を解決して、 （１）作製工程数を減少させることができる。　。

（２）抵抗体とこれに接触する超電導配線の一部。

分を連続して形成するので、抵抗体表面に汚染お゛よび
変質の生じる心配はなく、抵抗値の再現性に１０優れて
いる。

（６）抵抗体の保護膜が不要に々るので、基板上。

に形成する膜の層数が低減され、かつ占有面積も。

減少して、回路の高集積化が可能になるとともに。

配線の長さが短かく々るので高速動作に好適であ１゜る
。

（４）抵抗体をＭｏ−Ｎ、超電導配線をＭｏＮある。

いはＮｂＮで構成してあり、構成元素であるＭＯあ。

るいばＮｂは高融点金属であるため、材料が物理。

的安定性に優れており、集積度の高い回路の作製、。

が容易になる。

などの長所があるので、高速動作および高集積可。

能な超電導素子集積回路を実現できる効果がある≧

【図面の簡単な説明】

第１図はＭｏＮＸ薄膜中のＮとＭ　ｏの割合による５Ｍ
０ＮＸ薄膜の抵抗率の変化を示す線図、第２図は。 ＭｏＮＸ薄膜中のＮとＭｏの割合によるＭＯＮｘ薄膜の
゛超電導転移温度の変化を示す線図、第６図は不発゛明
の第１の実施例による超電導素子集積回路の一部を示す
断面図、第４図は第１の実施例によって１０作製された
回路の回路図、第５図〜第７図は不発。 明の第２の実施例による超電導素子集積回路の作。 製工程を示す断面図、第８図は本発明の第５の実。 施例による超電導素子集積回路の一部を示す断面。 図である。　１゜ 図において、 １・・・８１基板　２・・・絶縁膜 ろ・・・ＭｏＮ膜 ４・・・４　ａｔ、　％　Ｎ　−Ｍｏ膜からなる抵抗体
５・・ＭｏＮ膜からなる接続電極 ・１１　・ ６・・・絶縁膜 ７・・・ＭｏＮ膜から彦る下部電極 ８・・・層間絶縁膜　９・・・トンネル障壁層１０・・
・ＭｏＮ膜からなる上部電極 １１・・・抵抗 １２・・・ジョセフソン接合素子 代理人弁理士　中村純之助　。 ｊ ・１２・ ′４Ｐ　１　図 Ｍ（ＩＮχ中のＮ／Ｍ、の零弓令χ ４Ｐ２　図 ＭｏＮｚ中ａ＞Ｎ／Ｍｏの＄１后χ オ′３図 七４戸　４　図 矛５図 十６図 十７図 才８図 ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）複数の超電導素子と抵抗体とを含み、液体ヘリウ
   ム温度において動作する超電導素子集積回路において、
   前記抵抗体の一部又は全部がＭｏＮ　。 （０〈Ｘ≦０．２５）なる組成をもつ材料からなるこ゛
   とを特徴とする超電導素子集積回路。 （２、特許請求の範囲第１項記載の超電導素子集積回路
   回路において、前記超電導素子の電極・配線に・用いる
   超電導材料はＭｏＮ又はＮｂＮであることを・特徴とす
   る超電導素子集積回路。 （３）特許請求の範囲第１項又は第２項記載の超・電導
   素子集積回路において、前記超電導素子がジ１］ヨセフ
   ソン効果を用いて動作する素子又はジョセ。 フソン接合に抵抗体あるいはジョセフソン接合床。 子からの準粒子をトンネル注入することにょるそ。 の特性の変化を利用してスイッチ動作を行なう素子であ
   ることを特徴とする超電導素子集積回路。、。 （４）特許請求の範囲第１項、第２項又は第６項記載の
   超電導素子集積回路において、前記抵抗体と該抵抗体の
   少なくとも一部と接触して該抵抗体と接続される前記超
   電導素子の少なくとも一方の“電極側に接続された配線
   の一部とは、前記抵抗材料層と該抵抗材料層の上面又は
   下面に設けた前記゛超電導材料層とからなる２層膜を形
   成した後、該。 ２層膜の微細加工によって作製したものであるこ。 とを特徴とする超電導素子集積回路。