(57)【要約】【課題】ダメージの抑制と膜厚の制御性を向上させたバリア誘電体から成る酸化防止膜を備え、ＴＨｚ帯の受信器及び発振器に有用に利用できる超伝導多層構造体、並びに、その製造方法及び製造装置を提供すること。【解決手段】第一超伝導体層と、その第一超伝導体層の上面に、酸素ガスの混入された放電ガスを用いたイオンビームスパッタリングにより形成されたバリア誘電体層とを設ける。バリア誘電体層の上面に、直流反応性スパッタリングにより形成された第二超伝導体層を設け、第一超伝導体層を、誘電体から成る基板誘電体層の上面に直流反応性スパッタリングにより形成してもよい。誘電体層を酸化マグネシウム、超伝導体層を窒化ニオブとし、放電ガスをアルゴン：酸素≒４９：１の混合ガスとしてもよい。誘電体層を単結晶とし、その上部の超伝導体層を、誘電体層の結晶方位に応じてエピタキシャル成長した結晶構造のものとしてもよい。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一超伝導体層と、
その第一超伝導体層の上面に、酸素ガスの混入された放電ガスを用いたイオンビームスパッタリングにより形成されたバリア誘電体層と
を備えることを特徴とする超伝導多層構造体。
【請求項２】
バリア誘電体層の上面に、直流反応性スパッタリングにより形成された第二超伝導体層を備える
請求項１に記載の超伝導多層構造体。
【請求項３】
第一超伝導体層が、誘電体から成る基板誘電体層の上面に直流反応性スパッタリングにより形成された
請求項１または２に記載の超伝導多層構造体。
【請求項４】
誘電体層が、酸化マグネシウムで構成された
請求項１ないし３に記載の超伝導多層構造体。
【請求項５】
超伝導体層が、窒化ニオブで構成された
請求項１ないし４に記載の超伝導多層構造体。
【請求項６】
放電ガスが、アルゴン：酸素≒４９：１の比の混合ガスである
請求項１ないし５に記載の超伝導多層構造体。
【請求項７】
誘電体層が単結晶であり、その上部の超伝導体層が、誘電体層の結晶方位に応じてエピタキシャル成長した結晶構造を有する
請求項１ないし６に記載の超伝導多層構造体。
【請求項８】
第一超伝導体層の上面に、酸素ガスの混入された放電ガスを用いて、イオンビームスパッタリングによってバリア誘電体層を形成する
ことを特徴とする超伝導多層構造体の製造方法。
【請求項９】
放電ガスが、アルゴン：酸素≒４９：１の比の混合ガスである
請求項８に記載の超伝導多層構造体の製造方法。
【請求項１０】
第一超伝導体層の上面にバリア誘電体層を形成する、酸素ガスの混入された放電ガスを用いたイオンビームスパッタリング手段
を備えることを特徴とする超伝導多層構造体の製造装置。
【請求項１１】
第一超伝導体層の形成にはニオブをターゲットとして有し、バリア誘電体層の形成には酸化マグネシウムをターゲットとして有し、
前室と成膜室とを備えるロードロック式スパッタリング装置を設けた
請求項１０に記載の超伝導多層構造体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダメージの抑制と膜厚の制御性を向上させたバリア誘電体から成る酸化防止膜を備える超伝導多層構造体、並びに、その製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境計測や電波天文学の分野において、ＴＨｚ帯での受信器及び発振器の開発が望まれている。
これらを構成する導体材料には、極低損失特性が要求される。
従来から利用されているニオブ（Ｎｂ）超伝導材料の場合、ギャップ周波数ｆｇは約７００ＧＨｚであり、ＴＨｚ帯では高損失のために難がある。
Ｎｂに代わる超伝導材料として、以前から、より高いギャップ周波数１．４ＴＨｚを有する窒化ニオブ（ＮｂＮ）が期待されてきた。しかし、優れた高周波特性をもつＮｂＮ薄膜のデバイスヘの導入には、良好な結晶性を保ちながらデバイスを作製するプロセス技術が必要で、このことがＮｂＮを用いたデバイス化を困難なものにしてきた。
【０００３】
誘電体材料としては、従来からＳｉＯやＳｉＯ２等が多く用いられてきたが、これらの材料はＮｂＮとの格子整合性が芳しくなく、ＳｉＯやＳｉＯ２上に直接成膜したＮｂＮ薄膜は、多結晶となる。そのため、その薄膜中に存在する結晶粒界によると考えられるＴｃ（超伝導転移温度）の低下や抵抗率の上昇が生じ、ＴＨｚ周波数領域での抵抗損も増大すると考えられている。
近年、これらを解決する一手段として、ＳｉＯやＳｉＯ２等の誘電体上においても高い転移温度と低い抵抗率を示すＮｂＴｉＮ（Ｔｃ＝１５．２Ｋ、ρ２０Ｋ＝７５μΩｃｍ、ｆｇ＝１．２ＴＨｚ）が研究され、良好な結果が報告されている。しかし、転移温度及び抵抗率は、ともにエピタキシャルＮｂＮ薄膜の方が超伝導材料として優れていることから、ＮｂＮ及び誘電体材料によるエピタキシャル多層膜デバイス作製プロセスが確立された場合、ＮｂＴｉＮで構成したデバイス以上の高周波化と低損失化が期待されている。
【０００４】
本発明者は、エピタキシャル多層膜に用いる誘電体材料として、低損失でＮｂＮとの格子整合性の良いＭｇＯを検討してきた。
図１に示すように、エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮトンネル型ジョセフソン接合は、ギャップ電圧が高く（ＶＧＡＰ≒５．７ｍＶ）、リーク電流が小さい極めて良好な電流−電圧特性を有する。しかし、従来のＮｂ系トンネル型ジョセフソン接合のトンネルバリアが、金属の自然酸化膜を用いていることに対し、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮトンネル型ジョセフソン接合は、トンネルバリアであるＭｇＯを直接成膜する必要があり、このことが素子特性の制御を困難なものにしていた。
【０００５】
トンネル型ジョセフソン接合を流れるゼロ電圧電流、すなわち超伝導臨界電流ＩＣは、単位面積当たりに流れる臨界電流密度ＪＣと接合面積との積により決定される。ここで、ジョセフソン接合のＩＣと接合抵抗Ｒｎとの積は、材料により決定される一定の値を示すことが分かっていて、ＮｂＮ系接合ではＩＣ・Ｒｎ≒３．５ｍＶである。応用上、任意の素子抵抗値が必要な場合が多く、回路設計における接合パラメータを決定するには、ＪＣをコントロールすることが必要である。
しかし、ＪＣはトンネルバリアをトンネリングする確率に起因するため、バリア膜厚をコントロールすることが必要である。
【０００６】
従来のＮｂ系トンネル型ジョセフソン接合では、最も一般的な接合として、Ｎｂ／Ａｌ＋ＡｌＯｘ／Ｎｂトンネル型ジョセフソン接合が用いられている。Ｎｂ下部電極上に十分制御可能な数ｎｍのアルミ金属薄膜を成膜し、その表面を自然酸化し、酸化膜上にＮｂを成膜することにより、トンネル型構造を作製して、酸化膜は、酸化雰囲気と酸化時間により、安定した接合特性の再現性を得ていた。しかし、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮトンネル型ジョセフソン接合では、良好な接合特性を得るために、三層構造をエピタキシャル成長させる必要があり、まず金属薄膜を成膜して、次に自然酸化させる手法を用いることはできない。現在、ＭｇＯバリア膜厚はおよそ０．８ｎｍ程度であり、極めて微妙な制御が必要とされていて、その結果ＪＣの再現性が保たれていない。
【０００７】
図２は、ＭｇＯトンネルバリア膜厚に対する接合臨界電流ＪＣの変化を示すものである。ここで、ＭｇＯトンネルバリアはＲｆマグネトロンスパッタリング法を用いて成膜している。またトンネルバリア膜厚は、長時間（３０分程度）成膜したときの平均したＭｇＯ成膜速度と成膜時間から算出したものであり、必ずしも実際の膜厚を意味するものではない。
図２から、ＭｇＯ膜厚に対しＪＣが安定していない、すなわち成膜速度が安定していないため、実際のトンネル膜厚が平均成膜速度と成膜時間との積で決定できていなことがわかる。
このことはＲｆマグネトロンスパッタリングにおけるスパッタ時間では、ＪＣの正確な制御が困難であることを意味している。
その原因としては、Ｒｆマグネトロンスパッタリング法では成膜開始当初、スパッタ装置のシャッター駆動や、チャンバー内壁への膜付着などにより、チャンバー内の電位分布や、プラズマの状態が変化し、平衡状態に到達するまでの数十秒〜数十分間、成膜速度が安定しないことが考えられる。
【０００８】
図３は、成膜時におけるＭｇＯカソードの電位ＶＳＥＬＦの時間変化を示すものである。
成膜速度はＶＳＥＬＦにより依存するが、成膜開始から２０分以内はターゲット電位が安定しない。特に、成膜開始時のカソード電位は、現在の装置では制御が困難である。この不安定性は、チャンバー内側面の電気的状態に左右され、ＭｇＯ成膜前のチャンバー内の状態すなわち金属成膜後と誘電体薄膜成膜後とでは、ＭｇＯの初期成膜速度が異なっているためと考えられる。
【０００９】
図４（イ）（ロ）は、異なる成膜時間で、トンネルバリアを成膜したＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮトンネル型ジョセフソン接合の電流−電圧特性を示すものである。
成膜中のＭｇＯ電極電位ＶＳＥＬＦが異なることで、成膜速度が異なり、同じ電極間投入電力下において、接合面積が異なっているが、異なる成膜時間でもほぼ同様な臨界電流密度を示していることがわかる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の通り、従来の技術によると、ＭｇＯなどのバリア誘電体層の成膜速度が不安定であり、所望の製品が製造できなかった。
そこで、本発明は、ダメージの抑制と膜厚の制御性を向上させたバリア誘電体から成る酸化防止膜を備え、ＴＨｚ帯の受信器及び発振器に有用に利用できる超伝導多層構造体、並びに、その製造方法及び製造装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の超伝導多層構造体は、次の構成を備える。
すなわち、第一超伝導体層と、その第一超伝導体層の上面に、酸素ガスの混入された放電ガスを用いたイオンビームスパッタリングにより形成されたバリア誘電体層とを備えることを特徴とする。
【００１２】
ここで、バリア誘電体層の上面に、直流反応性スパッタリングにより形成された第二超伝導体層を設けてもよい。
【００１３】
第一超伝導体層を、誘電体から成る基板誘電体層の上面に直流反応性スパッタリングにより形成してもよい。
【００１４】
誘電体層を、酸化マグネシウムで構成してもよい。
【００１５】
超伝導体層を、窒化ニオブで構成してもよい。
【００１６】
放電ガスを、アルゴン：酸素≒４９：１の比の混合ガスとしてもよい。
【００１７】
誘電体層を単結晶とし、その上部の超伝導体層を、誘電体層の結晶方位に応じてエピタキシャル成長した結晶構造を有するもので構成してもよい。
【００１８】
このような超伝導多層構造体を製造する方法は、第一超伝導体層の上面に、酸素ガスの混入された放電ガスを用いて、イオンビームスパッタリングによってバリア誘電体層を形成することを特徴とする。
【００１９】
ここで、放電ガスとして、アルゴン：酸素≒４９：１の比の混合ガスを用いてもよい。
【００２０】
このような超伝導多層構造体を製造する装置は、第一超伝導体層の上面にバリア誘電体層を形成する、酸素ガスの混入された放電ガスを用いたイオンビームスパッタリング手段を備えることを特徴とする。
【００２１】
ここで、第一超伝導体層の形成にはニオブをターゲットとして有し、バリア誘電体層の形成には酸化マグネシウムをターゲットとして有し、前室と成膜室とを備えるロードロック式スパッタリング装置を設けてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
本発明者は、ＮｂＮ／ＭｇＯエピタキシャル多層膜を用いたＴＨｚ帯デバイスの研究開発を試み、既に良好な結果を報告してきた。
ＳＩＳ接合など素子作成に当たり、高周波スパッタリングによるＭｇＯ薄膜が、下地のＮｂＮ薄膜表面にダメージを与えることがわかった。
ＭｇＯ被膜のないＮｂＮの超伝導特性に比べ、ＭｇＯ被膜のあるＮｂＮの方が、転移温度も抵抗率も劣化する。この劣化の原因は、高周波スパッタリングの際のイオン衝撃であると考え、ＮｂＮ薄膜表面へのダメージ低減を目的として、イオンビームスパッタリングによるＭｇＯ成膜を行った。
イオンビームスパッタリングによる成膜は、高周波スパッタ法に比べて、放電成膜中に電極電位が反転せず、イオンによるサンプルへのダメージや、表面の加熱が少ないと考えられる。
ＭｇＯ被膜を施しても、転移温度も抵抗率も殆ど劣化しなかったので、イオンビームスパッタリングによるＭｇＯ成膜は、サンプルへのダメージ防止に好適な手段であると判明した。
【００２３】
ＭｇＯ被膜は、超伝導材料素子の酸化防止膜として有用である。
例えば、ホットエレクトロンボロメータは、超伝導ギャップ周波数を克服する低雑音ミクサ素子として注目されている。ホットエレクトロンボロメータは、Ａｕなどから成る二つの金属電極と、その間に配設されたＮｂＮなどから成る超伝導薄膜ストリップとを備え、外部からの電磁波を効率よく入射させるために、Ａｌなどから成る金属薄膜アンテナの間に配設される。そのＮｂＮ薄膜ストリップの超伝導転移温度付近における抵抗値の高い非線形性を利用して、ヘテロダイミクシングが行なわれる。
このようなホットエレクトロンボロメータの性能は、極薄の超伝導薄膜に大きく依存するので、その超伝導薄膜に、イオンビームスパッタリングで誘電体層を形成すると、ボロメータの安定性と高耐久性に寄与する。
【００２４】
一方、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮトンネル型ジョセフソン接合において、接合特性の再現性を向上させるためには、極薄のＭｇＯトンネルバリアをシャッター駆動などの影響を受けず、安定した成膜速度で成膜する必要がある。
イオンビームスパッタリング法では、チャンバー内に配置したイオンソース内でのみ放電が生じ、イオンソースの外では電気的に中性である。従って、誘電体膜の付着などによるチャンバー内壁の表面状態や、シャッター駆動などイオンソース外の駆動系に影響されず、安定した成膜速度を確保することができると考えた。
また、プラズマがイオンソース外に出てこないため、一般的な水晶発振式膜厚計を使用することができ、リアルタイムで成膜速度、膜厚を観測することが可能な利点もある。
【００２５】
トンネル型ジョセフソン接合を構成するＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ多層膜の作成には、ロードロック式スパッタリング装置を用いた。
ＮｂＮ薄膜はＮｂターゲットを用いた反応性直流（ＤＣ）スパッタリングにより作成し、またＭｇＯ薄膜は８インチＭｇＯ焼結ターゲット（９９．９％）を用いたイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）により成膜した。
イオンビーム電流・電圧は、１００ｍＡ、１００−５００Ｖとし、基板にはＭｇＯ単結晶の（１００）面を利用した。
同様に作成したＮｂＮ（２００ｎｍ）／ＩＢＳ−ＭｇＯ  （０．８５ｎｍ）／ＮｂＮ（５ｎｍ）の多層膜のＸ線回折結果から、ＩＢＳ−ＭｇＯ薄膜がエピタキシャル成長していることを確認している。
【００２６】
図５は、Ａｒガスのみを使用したＩＢＳ−ＭｇＯ薄膜を用いたＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮトンネル型ジョセフソン接合の電流−電圧特性を示すものである。
トンネル型ジョセフソン接合の非線形特性を示したが、Ｒｆスパッタ法で成膜したＭｇＯトンネルバリアを用いたジョセフソン接合の方が電流−電圧特性の非線形性が強く、トンネル型ジョセフソン接合としてより理想的であることがわかる。
【００２７】
この特性劣化について、ＭｇＯトンネルバリア内にある酸素欠損が原因であると仮定し、若干の酸素（約１〜１０％）を放電ガスに混入させ、成膜することを試みた。
図６は、放電ガス（Ａｒ：Ｏ２＝４９：１）を用いた時のＩＢＳ−ＭｇＯをトンネルバリアに用いたジョセフソン接合の電流−電圧特性を示したものである。
非線形特性は明らかに改善され、Ｒｆスパッタ法を用いたトンネル接合に劣らない非線形性が得られた。
【００２８】
図７は、ＩＢＳ−ＭｇＯをトンネルバリアに用いた時のトンネルバリア膜厚に対する接合臨界電流ＪＣの変化を示すものである。
図２に比べ、明らかにトンネルバリア膜厚によるＪＣの制御性が向上していることがわかる。
以上のように、イオンビームスパッタ法によるＭｇＯトンネルバリア成膜は、ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮトンネル型ジョセフソン接合作製におけるＪＣ制御性の向上に有効な手段であると判明した。
なお、ここでは、誘電体層としてＭｇＯを挙げ、超伝導体層としてＮｂＮを挙げて説述したが、格子接合性の好ましい物質が適宜利用できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の超伝導多層構造体とその製造法及び装置によると、ＮｂＮ等の超伝導体層の上面に、イオンビームスパッタリングによりＭｇＯ等の誘電体層を形成するので、ＮｂＮに対するダメージを抑えて酸化防止膜を設けることができる。そして、酸素ガスの混入された放電ガスを用いるので、バリア誘電体層の膜厚制御性が芳しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】エピタキシャルＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮトンネル型ジョセフソン接合の電流−電圧特性をを示すグラフ
【図２】ＭｇＯトンネルバリア膜厚に対する接合臨界電流の変化を示すグラフ
【図３】Ｒｆマグネトロンスパッタリング放電時におけるＭｇＯカソードの電位ＶＳＥＬＦの時間変化を示すグラフ
【図４】ＭｇＯカソードの電位による接合臨界電流密度の変化を示すグラフ
【図５】Ａｒガスのみで成膜したＩＢＳ−ＭｇＯトンネルバリアに用いたジョセフソン接合の電流−電圧特性を示すグラフ
【図６】Ａｒ＋Ｏ２ガスで成膜したＩＢＳ−ＭｇＯトンネルバリアに用いたジョセフソン接合の電流−電圧特性を示すグラフ
【図７】ジョセフソン接合臨界電流とＩＢＳ−ＭｇＯトンネルバリア膜厚との関係を示すグラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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