(57)【要約】【課題】作製する回路パターンの制限を大幅に緩和することができるようにする。また、使用する金属材料の制限を大幅に緩和することができるようにする。【解決手段】基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体を形成し、集束イオンビームを用いて上記３層構造体を深さ方向に切削加工して幅の狭い壁部を形成し、集束イオンビームを用いて、上記壁部に幅方向に貫通する穴を少なくとも１つ以上穿設するとともに、上記壁部の上面を深さ方向に切削加工して上記穴に隣接して位置する凹所を少なくとも１つ以上形成し、上記穴は第２の金属に入り込んだ位置から上記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、上記凹所は上記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されたものである。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体を形成し、
集束イオンビームを用いて前記３層構造体を深さ方向に切削加工して幅の狭い壁部を形成し、
集束イオンビームを用いて、前記壁部に幅方向に貫通する穴を少なくとも１つ以上穿設するとともに、前記壁部の上面を深さ方向に切削加工して前記穴に隣接して位置する凹所を少なくとも１つ以上形成し、
前記穴は第２の金属に入り込んだ位置から前記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、前記凹所は前記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されたことを特徴とする微小トンネル接合回路の作製方法。
【請求項２】
基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体を形成し、
集束イオンビームを用いて前記３層構造体を深さ方向に切削加工して幅の狭い壁部を形成し、
集束イオンビームを用いて、前記壁部に幅方向に貫通する穴を穿設するとともに、前記壁部の上面を深さ方向に切削加工して前記穴を挟むように隣接して位置する２箇所の凹所を形成し、
前記穴は第２の金属に入り込んだ位置から前記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、前記２箇所の凹所は前記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されたことを特徴とする微小トンネル接合回路の作製方法。
【請求項３】
請求項２に記載の微小トンネル接合回路の作製方法において、
集束イオンビームを用いて前記３層構造体を深さ方向に切削加工して、前記壁に隣接するとともに前記穴および前記２箇所の凹所に対向する位置に突起物を形成することを特徴とする微小トンネル接合回路の作製方法。
【請求項４】
請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の微小トンネル接合回路の作製方法において、
前記第１の金属および前記第２の金属はニオブであることを特徴とする微小トンネル接合回路の作製方法。
【請求項５】
請求項４に記載の微小トンネル接合回路の作製方法において、
前記集束イオンビームを用いた加工の際にフッ化キセノンガスを導入することを特徴とする微小トンネル接合回路の作製方法。
【請求項６】
基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体よりなる幅の狭い壁部と、
前記壁部に幅方向に貫通して穿設された少なくとも１つ以上の穴と、
前記壁部の上面に前記穴に隣接して形成された少なくとも１つ以上の凹所と
を有し、
前記穴は第２の金属に入り込んだ位置から前記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、前記凹所は前記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されていることを特徴とする微小トンネル接合回路。
【請求項７】
基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体よりなる幅の狭い壁部と、
前記壁部に幅方向に貫通して穿設された穴と、
前記壁部の上面に前記穴を挟むように隣接して形成された２箇所の凹所と
を有し、
前記穴は第２の金属に入り込んだ位置から前記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、前記２箇所の凹所は前記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されていることを特徴とする微小トンネル接合回路。
【請求項８】
請求項７に記載の微小トンネル接合回路において、さらに、前記３層構造体よりなり、前記壁に隣接するとともに前記穴および前記２箇所の凹所に対向する位置に配置された突起物とを有することを特徴とする微小トンネル接合回路。
【請求項９】
請求項６、請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の微小トンネル接合回路において、
前記第１の金属および前記第２の金属はニオブであることを特徴とする微小トンネル接合回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小トンネル接合回路の作製方法および微小トンネル接合回路に関し、さらに詳細には、単電子トランジスタなどの微小トンネル接合素子を製造する際に用いて好適な微小トンネル接合回路の作製方法および微小トンネル接合回路に関する。
【０００２】
【発明の背景ならびに従来の技術】
一般に、電荷測定や量子計算を実現するための電子素子として、単電子トランジスタなどのような微小トンネル接合回路を備えた電子素子が知られている。
【０００３】
［金属／絶縁体／金属］構造のように金属で絶縁体を挟み込んだサンドイッチ構造におけるトンネル接合のサイズを小さくすると、電子一個による帯電効果が重要になり、クーロン・ブロッケイド現象によって電子を一つ一つ制御するような、従来のものとは全く動作原理の異なる素子が実現できると期待されており、上記したように、トンネル接合のサイズを小さくした微小トンネル接合回路を用いた単電子トランジスタが既に開発されている。
【０００４】
こうした微小トンネル接合回路に用いる金属としては、常伝導体、超伝導体、強磁性体などを用いることができる。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｖ．Ａｖｅｒｉｎ  ａｎｄ  Ｋ．Ｋ．Ｌｉｋｈａｒｅｖ，  ｉｎ  “Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ  ｉｎ  Ｓｏｌｉｄｓ，”  ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｂ．Ｌ．Ａｌｔｓｈｕｌｅｒ，  Ｐ．Ａ．Ｌｅｅ，  ａｎｄ  Ｒ．Ａ．Ｗｅｂｂ  （Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｂ．Ｖ．，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，  １９９１），Ｃｈａｐ．６．
【０００６】
【非特許文献２】
Ｇ．−Ｌ．Ｉｎｇｏｌｄ  ａｎｄ  Ｙ．Ｖ．Ｎａｚａｒｏｖ，  ｉｎ  “Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，”  ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙＨ．Ｇｒａｂｅｒｔ  ａｎｄ  Ｍ．Ｈ．Ｄｅｖｏｒｅｔ  （Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  １９９２），  Ｃｈａｐ．２．
ここで、図１には、微小トンネル接合によるクーロン・ブロッケイド現象の原理が示されており、第１の金属１００と第２の金属１０２とによって絶縁体１０４を挟み込んで微小トンネル接合１０６を構成した場合に、
ＥＣ≡ｅ２／２Ｃ≫ｋＢＴ
ＥＣ：帯電エネルギー
ｅ：素電荷
Ｃ：微小トンネル接合の静電容量
ｋＢ：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
であるならば、電子一個による帯電効果が重要になり、電子のトンネルが抑制されるクーロン・ブロッケイド現象が生じる。
【０００７】
ここで、微小トンネル接合１０６の接合面積が、０．１×０．１μｍ２の微小トンネル接合であるならば、ＥＣは１Ｋオーダーとなる。
【０００８】
図２（ａ）には、上記したような微小トンネル接合により構成された微小トンネル接合回路を備えた単電子トランジスタの原理構成図が示されており、図２（ｂ）には図２（ａ）の等価回路が示されている。
【０００９】
図２（ａ）を参照しながら説明すると、この単電子トランジスタは、第１の金属２００と第２の金属２０２とによって絶縁体２０４を挟み込んで第１の微小トンネル接合２０６を構成するとともに、第２の金属２０２と第３の金属２０８とによって絶縁体２１０を挟み込んで第２の微小トンネル接合２１２を構成している。また、第１の金属２００にプラスのバイアス電圧Ｖを印加する第１の電圧源２１４と、第３の金属２０８にマイナスのバイアス電圧Ｖを印加する第２の電圧源２１６とを備えている。
【００１０】
さらに、第２の金属２０２に隣接して、第２の金属２０２との間で平行平板コンデンサ２１８を構成するようにゲート電極２２０が配設されている。また、ゲート電極２２０にゲート電圧Ｖｇを印加する第３の電圧源２２２が配設されている。
【００１１】
次に、図２（ｂ）を参照しながら上記した単電子トランジスタの等価回路を説明すると、この単電子トランジスタは、第１の微小トンネル接合２０６と、第２の微小トンネル接合２１２と、第２の金属２０２と、ゲート電極２２０と、平行平板コンデンサ２１８と、第１の電圧源２１４と、第２の電圧源２１６と、第３の電圧源２２２とを有して構成されている。
【００１２】
以上の構成において、はじめに、第１の微小トンネル接合２０６と第２の微小トンネル接合２１２との両方でクーロン・ブロッケイドが作用するように、第１の電圧源２１４、第２の電圧源２１６ならびに第３の電圧源２２２によってバイアス電圧Ｖとゲート電圧Ｖｇとを設定しておく。従って、こうした状態においては、この単電子トランジスタには電流Ｉは流れない。
【００１３】
次に、ゲート電圧Ｖｇを増加させていくと、はじめに第２の微小トンネル接合２１２のクーロン・ブロッケイドが解除されて電子が第２の金属２０２へトンネルする。これと同時に、第１の微小トンネル接合２０６のクーロン・ブロッケイドが解除されて、この単電子トランジスタに電流Ｉが流れる。
【００１４】
即ち、この二重の微小トンネル接合（第１の微小トンネル接合２０６および第２の微小トンネル接合２１２）とゲート電極２２０とを有して構成されている単電子トランジスタにおいては、
ＥＣ＝ｅ２／２（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃｇ）
ＥＣ：帯電エネルギー
ｅ：素電荷
Ｃ１：第１の微小トンネル接合２０６の静電容量
Ｃ２：第２の微小トンネル接合２１２の静電容量
Ｃｇ：平行平板コンデンサ２１８の静電容量
と定義する。
【００１５】
ここで、バイアス電圧Ｖを一定に保つとともにゲート電圧Ｖｇを変化させると、単電子トランジスタに流れる電流Ｉは周期的に変動する。
【００１６】
この変動の周期は、
ＣｇＶｇ＝ｅ
であり、また、低温、即ち、「ｋＢＴ／ＥＣ」（ｋＢ：ボルツマン定数，Ｔ：絶対温度，ＥＣ：帯電エネルギー）が小さいほど変動が幅が大きくなる。
【００１７】
従来、上記したような単電子トランジスタを構成するような微小トンネル接合回路を製造するに際しては、一般には電子線リソグラフィーと斜め蒸着法とを組み合わせた手法を用いていた。
【００１８】
【特許文献１】
特開平１０−１０７３４０号公報
【００１９】
【非特許文献３】
Ｎ．Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ，．  “Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｎｂ  ｗｉｒｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｃｏｎｖｅｎｔｉｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，”  Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｂ  ２０，  ３８６−３８８（２００２）．
【００２０】
【非特許文献４】
Ｐ．Ｄｕｂｏｓ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｔｈｅｒｍｏｓｔａｂｌｅ  ｔｒｉｌａｙｅｒ  ｒｅｓｉｓｔ  ｆｏｒ  ｎｉｏｂｉｕｍ  ｌｉｆｔ−ｏｆｆ，”Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｂ  １８，  １２２−１２６（２０００）．
ここで、電子線リソグラフィーと斜め蒸着法とを組み合わせた手法について説明すると、この手法は、図３に示すように、基板３００上で中空に懸架されたマスク３０４を用いて、このマスク３０４に形成されたパターンの開口部３０４ａに斜めの異なる２方向から蒸着を行うようにするものである。
【００２１】
より詳細には、この手法では、基板３００上にスペーサー３０２を介して、パターンの開口部３０４ａを形成されたマスク３０４を配置する。これにより、スペーサー３０２により基板３００上に持ち上げられて、部分的に中空に浮いたマスク３０４が準備されることになる。
【００２２】
次に、マスク３０４の開口部３０４ａを通して、ある角度を持った斜めの方向から第一の金属膜の蒸着３０６を行った後に、第一の金属膜表面を酸化して第一の金属膜上に酸化膜バリアを形成する。さらに、マスク３０４の開口部３０４ａを通して第一の金属膜の蒸着３０６とは異なる角度を持った斜めの方向より第２の金属膜の蒸着３０８を行う。この第２の金属膜の蒸着３０８は、酸化膜バリアを介して第一の金属膜と２ヵ所において部分的に重複するように行う。
【００２３】
上記のように、斜めの異なる２方向から同じマスク３０４の開口部３０４ａを用いて第一の金属膜の蒸着３０６と第２の金属膜の蒸着３０８とを順次に行い、これら２度の蒸着工程の間に金属膜の酸化を行って第一の金属膜上に酸化膜バリアを形成することにより、第１の金属膜と第２の金属膜とが重複する２ヵ所に微小トンネル接合が形成される。
【００２４】
しかしながら、上記した電子線リソグラフィーと斜め蒸着法とを組み合わせた手法を用いた微小トンネル接合回路の作製方法においては、作製することのできる回路パターンに制限があるとともに、使用することのできる金属材料に制限があるという問題点があった。
【００２５】
即ち、電子線リソグラフィーと斜め蒸着法とを組み合わせた手法を用いた微小トンネル接合回路の作製方法によっては、微細かつ複雑な回路パターンを作製することは困難であるという問題点があった。
【００２６】
また、斜め蒸着法において蒸着する金属がアルミニウム（Ａｌ）である場合には、アルミニウムが比較的軽い金属であるため問題ないが、斜め蒸着法において蒸着する金属としてアルミニウムよりも重い金属を用いる場合には、蒸着中にマスクの中空に浮いた部分が、蒸着された金属の重さでつぶれてしまうことがあった。
【００２７】
さらに、ニオブ（Ｎｂ）などについては、蒸着中の不純物（例えば、マスクから出てくる。）による、品質劣化が著しいという問題点があった。
【００２８】
なお、アルミニウムの超伝導転移温度（Ｔｃ）は１．２Ｋであるが、ニオブの超伝導転移温度（Ｔｃ）は９．２Ｋであるので、微小トンネル接合回路を構成する金属としてニオブを用いることへの強い要求がある。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような発明の背景ならびに従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、作製する回路パターンの制限を大幅に緩和することができるようにした微小トンネル接合回路の作製方法および微小トンネル接合回路を提供しようとするものである。
【００３０】
また、本発明の目的とするところは、使用する金属材料の制限を大幅に緩和することができるようにした微小トンネル接合回路の作製方法および微小トンネル接合回路を提供しようとするものである。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体を形成し、集束イオンビームを用いて上記３層構造体を深さ方向に切削加工して幅の狭い壁部を形成し、集束イオンビームを用いて、上記壁部に幅方向に貫通する穴を少なくとも１つ以上穿設するとともに、上記壁部の上面を深さ方向に切削加工して上記穴に隣接して位置する凹所を少なくとも１つ以上形成し、上記穴は第２の金属に入り込んだ位置から上記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、上記凹所は上記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されたものである。
【００３２】
従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、上記穴と上記凹所との間に微小トンネル接合を形成することができる。
【００３３】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体を形成し、集束イオンビームを用いて上記３層構造体を深さ方向に切削加工して幅の狭い壁部を形成し、集束イオンビームを用いて、上記壁部に幅方向に貫通する穴を穿設するとともに、上記壁部の上面を深さ方向に切削加工して上記穴を挟むように隣接して位置する２箇所の凹所を形成し、上記穴は第２の金属に入り込んだ位置から上記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、上記２箇所の凹所は上記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されたものである。
【００３４】
従って、本発明のうち請求項２に記載の発明によれば、上記穴と上記２箇所の凹所との間にそれぞれ微小トンネル接合を形成することができる。
【００３５】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、集束イオンビームを用いて上記３層構造体を深さ方向に切削加工して、上記壁に隣接するとともに上記穴および上記２箇所の凹所に対向する位置に突起物を形成するものである。
【００３６】
従って、本発明のうち請求項３に記載の発明によれば、２箇所の微小トンネル接合に隣接して電極を形成することができる。
【００３７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記第１の金属および上記第２の金属としてニオブを用いるようにしたものである。
【００３８】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記集束イオンビームを用いた加工の際にフッ化キセノンガスを導入するようにしたものである。
【００３９】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体よりなる幅の狭い壁部と、上記壁部に幅方向に貫通して穿設された少なくとも１つ以上の穴と、上記壁部の上面に上記穴に隣接して形成された少なくとも１つ以上の凹所とを有し、上記穴は第２の金属に入り込んだ位置から上記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、上記凹所は上記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されているものである。
【００４０】
従って、本発明のうち請求項６に記載の発明によれば、上記穴と上記凹所との間に微小トンネル接合を形成した微小トンネル接合回路を得ることができる。
【００４１】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、基板上に第１の金属と絶縁体と第２の金属とを順次に積層した３層構造体よりなる幅の狭い壁部と、上記壁部に幅方向に貫通して穿設された穴と、上記壁部の上面に上記穴を挟むように隣接して形成された２箇所の凹所とを有し、上記穴は第２の金属に入り込んだ位置から上記基板へ入り込んだ位置へ至る貫通孔であり、上記２箇所の凹所は上記壁部の上面から第１の金属に入り込むように形成されているようにしたものである。
【００４２】
従って、本発明のうち請求項７に記載の発明によれば、上記穴と上記２箇所の凹所との間にそれぞれ微小トンネル接合を形成した微小トンネル接合回路を得ることができる。
【００４３】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、さらに、上記３層構造体よりなり、上記壁に隣接するとともに上記穴および上記２箇所の凹所に対向する位置に配置された突起物を有するようにしたものである。
【００４４】
従って、本発明のうち請求項８に記載の発明によれば、２箇所の微小トンネル接合に隣接して電極を形成することができる。
【００４５】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項６、請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の発明において、上記第１の金属および上記第２の金属としてニオブを用いるようにしたものである。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による微小トンネル接合回路の作製方法および微小トンネル接合回路の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。なお、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
【００４７】
また、以下に説明する実施の形態においては、金属としてニオブを用いたニオブ系のジョセフソン素子（非常に薄い絶縁膜（厚さがナノメーターオーダーである。）を２枚の超伝導体薄膜でサンドイッチにした構造の素子をジョセフソン素子という。）よりなる単電子トランジスタを作製する場合について説明する。作製されたニオブ系の単電子トランジスタにおいては、後述するように、単電子トランジスタとして正しく動作すること、そして、ニオブが劣化していないことが確認された。
【００４８】
以下、本発明による微小トンネル接合回路の作製方法により、金属としてニオブを用いたニオブ系のジョセフソン素子よりなる単電子トランジスタを作製する場合について具体的に説明する。
【００４９】
まず、はじめに、厚さｔ１が６５０μｍのシリコン（Ｓｉ）基板１２上に、酸化膜として厚さｔ２が０．３μｍのＳｉＯ２膜１４を形成した基板１０を準備する（図４（ａ）参照）。
【００５０】
次に、スパッタリングの手法を用いて、基板１０のＳｉＯ２膜１４上に厚さｔ３が０．３μｍのニオブ層１６を形成し、ニオブ層１６の上に厚さｔ４が０．０１μｍのアルミニウム酸化物層１８を形成し、アルミニウム酸化物層１８の上に厚さｔ５が０．３μｍのニオブ層２０を形成する（図４（ｂ）参照）。なお、アルミニウム酸化物層１８については、厚さが０．００１μｍのＡｌ２Ｏ３層を含むアルミニウムにより構成されている。
【００５１】
これにより、基板１０のＳｉＯ２膜１４上に、［厚さ０．３μｍのニオブ層１６／厚さ０．０１μｍのアルミニウム酸化物層１８（厚さ０．００１μｍのＡｌ２Ｏ３を含む。）／厚さ０．３μｍのニオブ層２０］の３層構造体２２が形成されることになる。
【００５２】
なお、ニオブ層１６とニオブ層２０とは微小トンネル接合における金属として機能し、アルミニウム酸化物層１８は微小トンネル接合における絶縁体として機能する。
【００５３】
次に、フォトリソグラフィーとＡｒイオン・ミリングとの手法を用いて、１０μｍスケールで３層構造体２２に対して矢印Ａ方向（深さ方向）に切削加工を行う。即ち、フォトリソグラフィーとＡｒイオン・ミリングとの手法により基板１０に形成された３層構造体２２をシリコン基板１０に到達するまで切削加工して、１０μｍスケールで大まかな立体構造を形成する。
【００５４】
次に、公知の集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）を用いて、集束イオンビーム装置から出射された集束イオンビームを１０μｍスケールで大まかに形成された立体構造に照射して、集束イオンビームにより１０μｍスケールで大まかに形成された立体構造を０．１μｍスケールで精密に切削加工する。
【００５５】
ここで、上記したフォトリソグラフィーとＡｒイオン・ミリングとの手法や集束イオンビームの照射により３層構造体２２に対して切削加工を行って形成する立体構造とは、壁部７０と突起部７２とを備えた図５（ｃ）に示す立体構造である。また、図４（ｃ）には、図５（ｃ）に示す立体構造をＡ方向から見た場合の概略図が示されている。
【００５６】
なお、この実施の形態において用いた集束イオンビーム装置は、ガリウムイオン源からイオンビームを取り出して５〜１０ｎｍに集束させた上で、集束させたイオンビーム、即ち、集束イオンビームを試料（この実施の形態においては、３層構造体２２を形成された基板１０である。）に照射することのできる装置である。イオンビームと試料の相互作用によって、「観る機能」と「削る機能」と「付ける機能」との三種類の機能が実現される。
【００５７】
上記した実施の形態においては、上記機能のうち「削る機能」を利用している。この「削る機能」について説明すると、「観る機能」として用いるときよりもイオンビームのエネルギーを増やして試料に照射し、試料に照射されるイオンビームの照射位置を走査することによって、イオンビームにより試料を自由に削ることが可能となる。試料の加工したい部分にだけイオンビームを走査させることで、マスクを使わずに自由な形状の加工が可能となる。そして、「観る機能」と併用することによって、観察しながら好きな部分を削るといった作業が可能となる。
【００５８】
なお、「観る機能」について説明すると、ガリウムイオンビームを試料に照射すると、試料が励起されて二次電子が放出されることになり、イオンビームを試料上で走査させながら発生する二次電子を捉えることによって、試料の表面状態を観察することができるものである。
【００５９】
ここで、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）および図６（ａ）に示す電子顕微鏡写真ならびに図７（ａ）に示す立体構造の概念図を参照しながら、１０μｍスケールで大まかに形成された立体構造を、集束イオンビームにより０．１μｍスケールで切削加工する処理の詳細について説明する。なお、図５（ａ）ならびに図５（ｂ）は、図４（ｃ）と同様に図５（ｃ）に示す立体構造をＡ方向から見た場合の電子顕微鏡写真であり、また、図５（ｃ）は立体構造の上方斜視における電子顕微鏡写真であり、また、図６（ａ）は図５（ｃ）における壁部７０と突起部７２とを拡大して示した電子顕微鏡写真であり（図６（ｂ）は壁部７０と突起部７２とより構成される微小トンネル接合回路の等価回路である。）、また、図７（ａ）は壁部７０と突起部７２とより構成される微小トンネル接合回路により構成した単電子トランジスタの概念構成説明図である（図７（ｂ）は図７（ａ）の等価回路である。）。
【００６０】
まず、切削加工する際における壁部７０の上面７０ａや突起部７２の上面７２ａの損傷を防止するために、立体構造の壁部７０や突起部７２が形成される３層構造体２２の上面の領域Ｂ（図４（ｃ）参照）にカーボン保護膜５０を堆積させ、その後に荒削りを行う（図５（ａ）参照）。この荒削りによりシリコン基板１２に到達するまで切削加工して、壁部７０を形成するとともに、壁部７０に隣接して突起部７２を形成する。なお、この荒削りの際における集束イオンビームのイオン電流値は、例えば、１．３ｎＡである。
【００６１】
次に、壁部７０の幅ｔ６を狭くするように切削加工を行い、壁部７０の幅ｔ６を０．１μｍスケールの薄さとする（図５（ｂ）参照）。なお、この切削加工の際における集束イオンビームのイオン電流値は、例えば、９ｐＡである。
【００６２】
次に、壁部７０に対して、幅ｔ６方向に貫通する穴８０を穿設するとともに、壁部７０の上面７０ａを矢印Ａ方向に切削加工して２箇所の凹所８２，８４を形成する（図５（ｃ）、図６（ａ）ならびに図７（ａ）参照）。なお、この切削加工の際における集束イオンビームのイオン電流値は、例えば、９ｐＡである。
【００６３】
具体的には、穴８０ならびに凹所８２，８４は突起部７２と対向する位置に形成されており、穴８０はニオブ層２０に入り込んだ位置からＳｉＯ２層へ入り込んだ位置へ至る貫通孔である。また、凹所８２，８４は穴８０を挟むようにして穴８０に隣接して位置しており、いずれの凹所８２，８４も、壁部７０の上面７０ａからニオブ層１６に入り込むように形成されている。
【００６４】
ここで、穴８０と凹所８２との間においては、金属であるニオブ層１６とニオブ層２０とによって絶縁体であるアルミ酸化物層１８を挟み込んだ第１微小トンネル接合９０が形成されており、穴８０と凹所８４との間においては、金属であるニオブ層１６とニオブ層２０とによって絶縁体であるアルミ酸化物層１８を挟み込んだ第２微小トンネル接合９２が形成されていて、ジョセフソン素子が構成されている。図６（ｂ）には、上記した第１微小トンネル接合９０と第２微小トンネル接合９２との等価回路が示されている。
【００６５】
従って、例えば、図７（ａ）に示すように、壁部７０の凹所８２側の端部に対してニオブ層１６にプラスのバイアス電圧Ｖを印加する第１の電圧源２１４を接続し、また、壁部７０の凹所８４側の端部に対してニオブ層１６にマイナスのバイアス電圧Ｖを印加する第２の電圧源２１６を接続し、また、突起部７２に対してニオブ層１６にゲート電圧Ｖｇを印加する第３の電圧源２２２を接続することにより、図７（ｂ）の等価回路に示す単電子トランジスタを構成できる。なお、壁７０に対して間隙を開けて形成される突起部７２は、ゲート電極として機能することになり、壁７０と突起部７２とにより平行平板コンデンサ２１８が構成されることになる。
【００６６】
なお、上記したフォトリソグラフィーとＡｒイオン・ミリングとの手法や集束イオンビームの照射により３層構造体２２に対して切削加工を行って壁７０や突起物７２を形成したり、壁７０に穴８０や凹所８２、８４を形成する際に出る切削カスが、ジョセフソン結合たる第１微小トンネル接合９０と第２微小トンネル接合９２とを短絡する恐れがある。
【００６７】
このため、この実施の形態においては、微小トンネル接合たるジョセフソン接合を短絡する可能性がある上記した切削カスを陽極酸化して絶縁体とし、当該切削カスが電気伝導へ寄与することがないようにしている。なお、切削カスの陽極酸化には、従来より公知の技術を適用することができる。
【００６８】
次に、図７（ａ）に示すようにして形成された単電子トランジスタを用いて行った測定結果について説明する。
【００６９】
作製された単電子トランジスタの電流電圧特性を測定したところ（図８参照）、超伝導ギャップ（中央の平らな部分）が見られ、その幅はニオブの微小トンネル接合２つ分に対応する。従って、作製された単電子トランジスタには、第１微小トンネル接合９０と第２微小トンネル接合９２との二重超伝導トンネル接合ができていることがわかる。
【００７０】
また、バイアス電圧を固定してゲート電圧を変化させたときに、電流が周期的に変動する（図９参照）。従って、作製された単電子トランジスタにおいては、ゲートが機能していることがわかる。
【００７１】
これらのことより、金属としてニオブを用いた単電子トランジスタができていることが確認された。
【００７２】
なお、上記の測定には、簡易的な冷凍機を用いた。簡易的な冷凍機の最低温度（３．２Ｋ）では、ｋＢＴとＥＣは同程度である。そのため観測されたゲート変調の変調幅が小さいものとなっている。
【００７３】
ここで、劣化したニオブの超伝導転移温度（ＴＣ）や超伝導ギャップは、バルクのニオブの値よりも小さくなることが知られている。このような劣化は、電子線リソグラフィーと斜め蒸着法とを組み合わせた手法を用いて作製されたニオブ膜について報告されている。
【００７４】
そこで、作製された単電子トランジスタの温度依存性を調べることにより、作製された単電子トランジスタの品質を評価する（図１０参照）。
【００７５】
即ち、最低温度での超伝導ギャップは、微小トンネル接合１個につき３ｍＶ弱である。この値は、フォトリソグラフィーで作製された高品質な微小トンネル接合の値と同程度である。
【００７６】
また、微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）を吟味することにより得られた超伝導転移温度（ＴＣ）は９．１±０．２Ｋである（図１１（ａ）（ｂ）参照）。これは誤差の範囲内で、バルクの超伝導転移温度（ＴＣ）の値である９．２Ｋと一致する。
【００７７】
これらのことより、作製された単電子トランジスタにおいては、作製の途中での劣化がない高品質なニオブが得られていることがわかる。
【００７８】
ところで、微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）に関する解析の詳細は、次の通りである。即ち、図１１（ａ）（ｂ）は、９．０２Ｋ（図１１（ａ））と９．１８Ｋ（図１１（ｂ））での微分抵抗−電圧のグラフである。二つの図に質的違いがあることは明らかであるので、９．０２Ｋと９．１８Ｋの間に超伝導転移温度（ＴＣ）があると考え、さらに温度計の誤差を考慮すると、
ＴＣ＝９．１±０．２Ｋ
と結論することができる。
【００７９】
さらに、図１２は、超伝導転移温度（ＴＣ）を境に低温側ではサブギャップ抵抗、高温側ではゼロバイアス抵抗を温度の関数としてプロットしたものである。図１０（ａ）（ｂ）を参照しての超伝導転移温度（ＴＣ）の決定が、理にかなったものであることが裏付けられている。なお、ここで、サブギャップ抵抗は、Ｖ／Ｉの最大値として定義した。なお、ゼロバイアス抵抗は、Ｖ＝０での微分抵抗と考えればよい。
【００８０】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように適宜に変形してもよい。
【００８１】
（１）上記した実施の形態においては、穴８０を挟むようにして２箇所の凹所８２，８４を形成したが、凹所は２箇所に限られものではなく、凹所８２または凹所８４のいずれか１箇所のみ形成するようにしてもよい。なお、凹所８２のみを形成した場合には、例えば、第１の電圧源２１４はニオブ層１６に接続するとともに第２の電圧源２１６はニオブ層２０に接続すればよく、一方、凹所８４のみを形成した場合には、例えば、第１の電圧源２１４はニオブ層２０に接続するとともに第２の電圧源２１６はニオブ層１６に接続すればよい。
【００８２】
要するに、壁部７０に穴８０のように形成した穴に隣接して、凹所８２や凹所８４のような凹所を形成することにより、穴と凹所との間に微小トンネル接合が形成されることになるので、本発明においては、穴や凹所の数は特に限定されるものではない。例えば、壁に複数の穴を形成する場合には、それぞれの穴に対して当該穴に隣接して凹所を１つ形成したり、あるいは、それぞれの穴に対して当該穴を挟んで隣接して凹所を２つ形成することができる。なお、３層構造体２２に各電圧源を接続する際には、その接続する層は適宜変更すればよい。
【００８３】
（２）上記した実施の形態においては、微小トランジスタ接合における金属としてニオブを用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、アルミニウムなどの他の金属を用いるようにしてよいことは勿論である。
【００８４】
（３）上記した実施の形態においては、微小トランジスタ接合における絶縁体としてアルミニウム酸化物を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、他の金属酸化物などを用いるようにしてよいことは勿論である。
【００８５】
（４）上記した実施の形態においては、微小トランジスタ接合回路の一例として単電子トランジスタについて説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、種々の微小トンネル接合回路を作製することができる。
【００８６】
（５）上記した実施の形態においては、フォトリソグラフィーとＡｒイオン・ミリングとの手法や集束イオンビームの照射により３層構造体２２に対して切削加工を行って壁７０や突起物７２を形成したり、壁７０に穴８０や凹所８２、８４を形成する際に出る切削カスを陽極酸化して絶縁体とすることにより、当該切削カスによる微小トンネル接合たるジョセフソン接合の短絡の可能性を排除するようにしたが、集束イオンビームの照射による切削加工を行っている際にフッ化キセノン（ＸｅＦ２）ガスを導入するようにした場合には、陽極酸化により絶縁体としなければならないニオブの厚さを小さくすることができるようになり、その結果、微小トンネル接合の精度を向上することができるようになる。
【００８７】
なお、集束イオンビームの照射による切削加工を行っている際におけるフッ化キセノンガスを導入は、例えば、切削カスを陽極酸化する工程の直前などに行うようにすることができる。
【００８８】
以下に説明する本願発明者の実験結果から明らかなように、フッ化キセノンガスを導入しながら集束イオンビームの照射による切削加工を行うと、ニオブ（Ｎｂ）の加工速度が著しく速くなる（具体的には、フッ化キセノンガスを導入しない場合の１００倍またはそれ以上の速さとなる。）のに対して、アルミニウム（Ａｌ）の加工速度はほとんど変わらない。この理由は、フッ化キセノンガスがニオブと化学的に反応し、ニオブを取り除いたためと考えられる。
【００８９】
従って、上記したように切削カスを陽極酸化する前に、微小トンネル接合の近傍をフッ化キセノンガスを導入しながら、非常に弱い集束イオンビームの照射により僅かに切削加工することにより、微小トンネル接合を短絡する切削カスの大部分を取り除くことが可能となる。
【００９０】
このことによって、陽極酸化により絶縁体としなければならないニオブの厚さを小さくすることができるようになり、その結果、微小トンネル接合の精度を向上することができるようになる。
【００９１】
なお、本願発明者の実験は、以下の通りである。即ち、上記した実施の形態において用いたニオブ／アルミニウム／ニオブの３層構造体２２と同様な３層構造体を用意し、その一部である「５μｍ×５μｍ」の領域に対して、イオン電流値９ｐＡの集束イオンビームを５分間照射して切削加工を行った。なお、イオン電流値９ｐＡの集束イオンビームの５分間照射は、フッ化キセノンガスを導入しない場合とフッ化キセノンガスを導入した場合との２つの場合について行った。
【００９２】
まず、フッ化キセノンガスを導入しない場合について説明すると、イオン電流値９ｐＡという電流値は非常に弱いため、集束イオンビームを照射された３層構造体の表面、即ち、ニオブの層にはほとんど変化がなかった（図１３の左図（ガスなし）参照。）。
【００９３】
一方、フッ化キセノンガスを導入しながら切削加工を行った場合には、３層構造体の表面のニオブの層が完全に除去されて、アルミニウムの層が表面に出ていた（図１３の右図（ガスあり）参照。）。アルミニウムの層はニオブの層に比べて非常に薄いが、アルミニウムの層にはほとんど変化が見られない。
【００９４】
このことから、集束イオンビームの照射の際にフッ化キセノンガスを導入すると、ニオブの切削速度は著しく大きくなるが、その一方で、アルミニウムはほとんど変化しないことが判る。
【００９５】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００９６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、作製する回路パターンの制限を大幅に緩和することができるようにした微小トンネル接合回路の作製方法および微小トンネル接合回路を提供することができるという優れた効果を奏する。
【００９７】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、使用する金属材料の制限を大幅に緩和することができるようにした微小トンネル接合回路の作製方法および微小トンネル接合回路を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】微小トンネル接合によるクーロン・ブロッケイド現象の原理の説明図である。
【図２】（ａ）は微小トンネル接合により構成された微小トンネル接合回路を備えた単電子トランジスタの原理構成図であり、（ｂ）は（ａ）の等価回路である。
【図３】電子線リソグラフィーと斜め蒸着法とを組み合わせた微小トンネル接合の作製の手法の説明図である。
【図４】本発明による微小トンネル接合回路の作製方法の説明図であり、（ａ）は基板の構成を示し、（ｂ）は基板上に形成された３層構造体の構成を示し、（ｃ）は図５（ｃ）に示す立体構造を（ｂ）のＡ方向から見た場合の概略図である。
【図５】（ａ）ならびに（ｂ）は図４（ｂ）のＡ方向から立体構造の電子顕微鏡写真であり、（ｃ）は立体構造の上方斜視における電子顕微鏡写真である。
【図６】（ａ）は図５（ｃ）における壁部と突起部とを拡大して示した電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は壁部と突起部とより構成される微小トンネル接合回路の等価回路である。
【図７】（ａ）は壁部と突起部とより構成される微小トンネル接合回路により構成した単電子トランジスタの概念構成説明図であり、（ｂ）は（ａ）の等価回路である。
【図８】本発明により作製された単電子トランジスタの電流電圧特性の測定結果を示すグラフである。
【図９】本発明により作製された単電子トランジスタにおいて、バイアス電圧を固定してゲート電圧を変化させたときにおけるゲート変調の測定結果を示すグラフである。
【図１０】本発明により作製された単電子トランジスタの温度依存性を示すための電流電圧特性の測定結果を示すグラフである。
【図１１】本発明により作製された単電子トランジスタについて、（ａ）は９．０２Ｋのときの微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）の変化を示すグラフであり、（ｂ）は９．１８Ｋのときの微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）の変化を示すグラフである。
【図１２】本発明により作製された単電子トランジスタの低温電気伝導測定の測定結果を示すグラフである。
【図１３】ニオブ／アルミニウム／ニオブの３層構造体を試料として用い、試料の一部である「５μｍ×５μｍ」の領域に対して、イオン電流値９ｐＡの集束イオンビームを５分間照射して切削加工を行った実験の実験結果を示す顕微鏡写真であり、試料を６０度傾けて撮影したものである。左図（ガスなし）は、イオン電流値９ｐＡの集束イオンビームの５分間照射の際にフッ化キセノンガスを導入しない場合である。右図（ガスあり）は、イオン電流値９ｐＡの集束イオンビームの５分間照射の際にフッ化キセノンガスを導入した場合である。
【符号の説明】
１０      基板
１２      シリコン（Ｓｉ）基板
１４      ＳｉＯ２膜
１６      ニオブ層
１８      アルミニウム酸化物層
２０      ニオブ層
２２      ３層構造体
５０      カーボン保護膜
７０      壁部
７０ａ    上面
７２      突起部
７２ｓ    上面
８０        穴
８２        凹所
８４        凹所
９０        第１微小トンネル接合
９２        第２微小トンネル接合
【図１】
2005056938.tif 000003
【図２】
2005056938.tif 000004
【図３】
2005056938.tif 000005
【図４】
2005056938.tif 000006
【図５】
2005056938.tif 000007
【図６】
2005056938.tif 000008
【図７】
2005056938.tif 000009
【図８】
2005056938.tif 000010
【図９】
2005056938.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2005056938.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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