JPH08236823A

JPH08236823A - 超伝導放射線検出装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08236823A
Application number: JP7067386A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Morohashi; 信一諸橋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1996-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】超伝導放射線検出装置及びその製造方法に関
し、エネルギー分解能の優れたＴａ超伝導放射線検出装
置を再現性良く形成すると共に、製造工程を複雑化する
ことなく位置分解能の優れたＴａ超伝導放射線検出装置
を形成する。【構成】単結晶シリコン基板１上にＴａとＮｂのエネ
ルギーギャップΔ_TaとΔ _Nbとの関係がΔ_Ta＜Δ_Nbとなる
Ｎｂベース層２、Ｔａベース層３、及び、Ａｌ層４から
なる下部電極を設け、ＡｌＯ_xバリア層５を介して、Ｔ
ａとＮｂのエネルギーギャップの関係がΔ_Ta＞Δ_Nbとな
るＮｂカウンタ層６及びＴａカウンタ層７からなる上部
電極を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超伝導放射線検出装置及
びその製造方法に関するものであり、特に、物性分析分
野或いは医療分野において用いるエネルギー分解能及び
放射線収集能力を高めた超伝導放射線検出装置及びその
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、Ｘ線を代表とする放射線は、物性
分析分野或いは医療分野等において広く用いられてお
り、その際に、Ｘ線検出装置としてはシリコンを代表と
する半導体放射線検出装置が使用されている。

【０００３】しかしながら、シリコンを用いた半導体放
射線検出装置のエネルギー分解能は、６ｋｅＶの入射Ｘ
線に対して最大１５０ｅＶであり、より微細な物性分析
を行うには限界に達している。

【０００４】このエネルギー分解能（相対分解能Ｐ）
は、電子−正孔対の生成に必要なエネルギーεに依存
し、Ｅを入射Ｘ線のエネルギー、Ｆをファノ因子とする
と、Ｐ＝２．３５５×（ε×Ｆ×Ｅ）^1/2 ・・・式（１）で表される。なお、ファノ因子Ｆは、エネルギーＥのＸ
線を入射させた場合に生成する電子−正孔対の数をＮと
し、＜＞で囲まれたものをその平均値とした場合、＜
（Ｎ−＜Ｎ＞）²＞／＜Ｎ＞で定義され、励起された電
子の数のゆらぎがポワソン分布のゆらぎより小さくなる
程度を示すパラメータであり、ポワソン分布に従う場合
は、Ｆ＝１、従わない場合には、Ｆ＜１となる（合志陽
一、佐藤公隆編，「エネルギー分散型Ｘ線分析」，日本
分光学会，学会出版センタ）。また、電子−正孔対の生
成に必要なエネルギーεは、Ｅ_gを放射線検出装置を構
成する半導体の禁制帯幅とすると、 ε＝２．８×Ｅ_g＋（０．５〜１．０）ｅＶ・・・式（２）で表される（Ｃ．Ａ．Ｋｌｅｉｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．，ｖｏｌ．３９，ｐ．２０９０，１９６８）。

【０００５】例えば、Ｅ_g＝１．１６ｅＶのシリコンの
ｐｎ接合を用いた放射線検出装置においては電子−正孔
対の生成に必要なエネルギーεは数ｅＶ（３．７４８〜
４．２４８ｅＶ、実測値３．７６ｅＶ）となるため、６
ｋｅＶの入射Ｘ線で励起される電子−正孔対の数Ｎ
₁は、Ｎ₁＝６０００／３．７６≒１．６×１０³個となり、かなり少ないものであるが、半導体放射線検出
装置の場合には、ｐｎ接合に外部から電界を印加するこ
とによって略１００％に近い値で電子及び正孔を収集で
きるため、エネルギー分解能としては１５０ｅＶ（６ｋ
ｅＶにおいて）が達成されており、このエネルギー分解
能１５０ｅＶは、ファノ因子Ｆの実測値０．０８におけ
る理論限界（略１００ｅＶ）に近づいている。

【０００６】したがって、エネルギー分解能Ｐは上記の
式（１）に示したように、ε^1/2に比例するので、エネ
ルギー分解能を高めるためには、εの小さな材料を用い
る必要がある。そして、εを小さくするためには上記の
式（２）に示したようにＥ_gを小さくすれば良いが、Ｅ
_gを小さくしても、εを付加定数項の０．５〜１．０ｅ
Ｖ以下にすることはできないため、エネルギー分解能Ｐ
の向上には限界がある。

【０００７】一方、超伝導技術分野においては、ジョセ
フソン接合におけるエネルギーギャップが、半導体のバ
ンド・ギャップに比べて約３桁程度小さいことが知られ
ており、この超伝導体を用いて放射線検出装置を構成し
た場合には、数ｅＶのエネルギー分解能、即ち、半導体
放射線検出装置に対して１０倍の分解能が期待されるた
め、この超伝導体を用いた各種の放射線検出装置が提案
されている。

【０００８】超伝導放射線検出装置においては、半導体
放射線検出装置における電子−正孔対の代わりにクーパ
ー対が励起されて準粒子が生成されることになり、一個
の準粒子の生成に必要なエネルギーεは、上記の式
（２）では表されないが、高エネルギー分解能の超伝導
放射線検出装置を実現するためには、半導体放射線検出
装置の場合と同様に、（１）生成される準粒子の数が多
いこと、及び、（２）生成された準粒子が途中でロスす
ることなしに収集できること、の二つが必要である。

【０００９】例えば、ジョセフソン接合を用いた放射線
検出装置の場合には、６ｋｅＶの入射Ｘ線で励起される
準粒子の数は、励起に要するエネルギーεを３．０ｍｅ
Ｖとすると、Ｎ₁＝６０００／３．０ｍｅＶ＝２．０×１０⁶個となり、シリコンを用いた半導体放射線検出装置に比べ
て３桁程度多くなることが理論的に期待される。

【００１０】しかし、超伝導体として錫（Ｓｎ）を用い
た超伝導放射線検出装置の場合には、６ｋｅＶの入射Ｘ
線に対して３７ｅＶのエネルギー分解能、即ち、シリコ
ン半導体放射線検出装置の約５倍のエネルギー分解能が
得られているだけであり、理論的に期待される数ｅＶの
エネルギー分解能の１／１０程度しか得られていない
（Ｗ．Ｒｏｔｈｍｕｎｄ．ｅｔ．ａｌ．，“Ｘ−ＲＡＹ
ＤＥＴＥＣＴＩＯＮＢＹＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴ
ＩＮＧＴＵＮＮＥＬＪＵＮＣＴＩＯＮＳ”，ｅｄｉ
ｔｅｄｂｙＡ．Ｂａｒｏｎｅ（ＷｏｒｌｄＳｃｉ
ｅｎｔｉｆｉｃ，Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ），ｐｐ．６３，
１９９１）。

【００１１】この錫を用いた超伝導放射線検出装置にお
いて、期待された値が得られない理由としては、超伝導
体では電界が進入できないため、半導体のように電界を
印加して準粒子を収集することができず、したがって、
準粒子の生成数が多いにもかかわらず、準粒子の収集効
率が悪いことが原因として考えられる。

【００１２】そして、この錫を用いた超伝導放射線検出
装置は、そのエネルギー分解能が理論的予測値より遙に
劣るだけでなく、８０年代前半までジョセフソン集積回
路接合材料として用いられていた鉛（Ｐｂ）接合と同様
に、経時変化、及び、室温−極低温−室温の熱サイクル
に弱い、即ち、熱サイクルによってバリアが劣化してシ
ョートするという致命的欠陥を有しているため、実用的
な放射線検出装置とは言えなかった。

【００１３】また、超伝導デジタル集積回路において広
く用いられている経時変化及び熱サイクルに対して安定
なＮｂ／ＡｌＯ_X−Ａｌ／Ｎｂ接合を用いて、放射線検
出装置を構成する実験が多くの研究機関で行われている
が、錫を用いた放射線検出装置のエネルギー分解能より
低い値しか得られていない。

【００１４】近年、この様な錫やＮｂを用いた超伝導放
射線検出装置の有する欠点を改善するために、各種の提
案がなされているが、生成された準粒子が途中でロスな
しに収集されるためには準粒子の寿命が長い方が有利で
あると考えられるので、各種の代表的な超伝導材料の準
粒子寿命を調べてみた。その結果を表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】なお、表１には、Ｘ線吸収能、即ち、放射
線阻止能も合わせて示しており、表においては、１０ｋ
ｅＶの入射Ｘ線を９０％吸収するために必要な層厚を示
しているものであり、この値が小さければ小さいほど、
Ｘ線吸収能が大きいことを示している。この、Ｘ線吸収
能は、単結晶シリコン基板の裏面からＸ線を入射させる
場合に、必要となる特性であり、以下におけるＸ線吸収
能の評価は表１に示した膜厚の逆数で行うものである。

【００１７】ここで、表１を参照して、各種の超伝導材
料の準粒子寿命を検討することにする。表１から明らか
なように、Ａｌの準粒子寿命τ₀は４３８ｎｓ（１０^-9
ｓｅｃ）で、他の材料に比べて２桁程度長いものの、Ｘ
線吸収能は３００μｍで他の材料より１桁低いものであ
り、また、Ｓｎ（錫）の準粒子寿命τ₀は２．３０ｎｓ
で、０．１４９のＮｂに比べて約１桁大きく、且つ、Ｘ
線吸収能もＮｂの略１．５倍であるため、この点から
は、超伝導放射線検出装置として最適の材料ではある
が、上述のように熱サイクル、即ち、熱的安定性に弱い
という致命的欠陥があるものである。

【００１８】一方、熱的安定性に強い材料としてはＴａ
があり、且つ、Ｔａの準粒子寿命τ ₀は、１．７８ｎｓ
とＮｂやＰｂ等の他の材料と比較して大きく、且つ、Ｘ
線吸収能が高いため、超伝導体として、この準粒子寿命
の長く、且つ、熱的に安定なＴａを用いた超伝導放射線
検出装置が試みられている。

【００１９】この従来の超伝導放射線検出装置を図１３
を参照して説明する。図１３参照この従来の超伝導放射
線検出装置は、単結晶シリコン基板２７上にＴａベース
層２８、バリア層２９、及び、Ｔａカウンタ層３０をス
パッタリング法によって堆積させたのちパターニングす
ることにより、所定面積のジョセフソン接合を形成し
て、ＳｉＯ₂等の保護絶縁膜３１で被覆し、次いで、Ｔ
ａベース層２８及びＴａカウンタ層３０と電気的に接続
するＴａ配線層３２を設けたものである。この様に、Ｔ
ａを用いた超伝導放射線検出装置は、熱的安定性が良好
で、また、準粒子寿命も比較的長いので、Ｔａを用いる
ことによってエネルギー分解能が高く、且つ、実用性の
ある超伝導放射線検出装置が得られる。

【００２０】さらに、物性分析或いは医療応用の検出装
置としては、高エネルギー分解能のみならず、位置分解
能も重要な要因であるため、放射線検出素子をアレイ化
して位置検出能力をもたせることも期待されており、こ
の様な位置検出能力を有する従来の超伝導放射線検出装
置を図１４及び図１５を参照して説明する。

【００２１】図１４（ａ）参照先ず、単結晶シリコン基板２７の裏面にＴａ放射線阻止
膜３３をスパッタリング法で堆積させたのち、単結晶シ
リコン基板２７表面側に、Ｔａベース層２８、バリア層
２９、及び、Ｔａカウンタ層３０を同じくスパッタリン
グ法によって堆積させる。

【００２２】図１４（ｂ）参照次いで、第１のフォトレジストマスク３１をマスクとし
て、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によって、Ｔ
ａ放射線阻止膜３３をパターニングしたのち、このＴａ
放射線阻止膜３３からなるパターンをマスクとしてＫＯ
Ｈ水溶液で単結晶シリコン基板２７をエッチングして、
Ｘ線が入射するＸ線入射孔３５を形成する。

【００２３】図１４（ｃ）参照次いで、第２のフォトレジストマスク３６を用いて、ま
ず、Ｔａカウンタ層３０をＲＩＥ法によってエッチング
し、次いで、バリア層２９をＡｒを用いたイオンミーリ
ング法によってエッチングすることによって、ジョセフ
ソン接合の面積を所定の大きさに画定する。

【００２４】図１５（ｄ）参照次いで、第３のフォトレジストマスク３７を用いてＴａ
ベース層２８を再びＲＩＥ法によってエッチングして、
Ｔａベース層２８の大きさを画定する。図１５（ｅ）参照次いで、ＳｉＯ₂膜を保護絶縁膜３８として用いてジョ
セフソン接合を被覆する。

【００２５】図１５（ｆ）参照次いで、第４のフォトレジストマスク（図示せず）を用
いて、Ｔａベース層２８及びＴａカウンタ層３０に対す
るコンタクトホールを形成したのち、Ｔａ層を全面にス
パッタリング法によって堆積させ、次いで、第５のフォ
トレジストマスク（図示せず）を用いてパターニングし
てＴａ配線層３９を形成して、位置検出能力を有するＴ
ａ放射線検出装置が完成する。

【００２６】なお、単結晶シリコン基板２７の裏面に設
けたＴａ放射線阻止膜３３の残部は、表１に示したよう
にＴａはＸ線吸収能が非常に高いためＸ線遮蔽膜として
作用し、Ｘ線入射孔３５においてのみＸ線を透過させる
ので、ジョセフソン接合部にＸ線入射孔３５以外からの
Ｘ線が入射することがなく、位置検出精度が高まるもの
である。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１３
に示した従来のＴａ超伝導放射線検出装置においては、
再現性良く、良好な素子特性を有する放射線検出装置が
得られないという問題がある。即ち、上記の表１に示し
たＴａは体心立方晶（ｂｃｃ）構造をもち、相転移温度
（Ｔ_c）は４．４７°Ｋであるが、Ｔａの結晶構造は下
地基板の影響を受けやすく、通常の堆積工程において
は、相転移温度（Ｔ_c）が０．５°Ｋの正方晶（Ｔｅｔ
ｒａｇｏｎａｌ）構造の薄膜が形成されやすい。

【００２８】この、正方晶構造のＴａは相転移温度（Ｔ
_c）が０．５°Ｋで、液体ヘリウム温度４．２°Ｋより
低いため、超伝導放射線検出装置として動作させるため
の極低温環境を形成することが困難であった。また、正
方晶構造のＴａの形成を避けるためには、基板温度を３
００℃程度に加熱すれば良いが、基板を加熱することに
よって接合界面の乱れが生じるので、良好な素子特性を
得ることができなかった。

【００２９】また、従来のジョセフソン接合構造では、
生成した準粒子を閉じ込めておく機構が存在しないた
め、準粒子寿命が長いわりにはエネルギー分解能が向上
しないという欠点があった。

【００３０】一方、図１４及び図１５に示した従来の他
の超伝導放射線検出装置においては、充分な集積度を得
ることができないため、位置分解能を充分に高めること
ができないという問題がある。即ち、位置分解能は、隣
接するＸ線入射孔の間隔に依存するが、従来において
は、単結晶シリコン基板の面方位を充分に意識せずに使
用していたため、一般には（１００）面方位の単結晶シ
リコン基板を用いていた。

【００３１】図１６（ａ）参照この単結晶シリコン基板にＸ線入射孔を形成するために
ＫＯＨ液を用いてエッチングした場合、所謂エッチピッ
トと呼ばれる面方位に依存した形状のエッチング孔が形
成され、例えば、通常用いている厚さ４００μｍの（１
００）面方位単結晶シリコン基板４０においては、１０
０×１００μｍ²のジョセフソン接合に合わせた開口を
形成するためには、Ｔａ放射線阻止膜との界面におい
て、９００×９００μｍ²の開口部を設けておく必要が
あり、位置分解能のためにはデッドスペースになり、位
置分解能が向上しないという問題がある。

【００３２】この問題を解決するには、単結晶シリコン
基板の厚さを薄くすれば良いが、あまり薄くしすぎる
と、ハンドリングの際の基板の損傷が問題となり、ま
た、現在の通常の研磨技術からは薄層化は１００μｍ程
度が限度であるので、１００μｍの厚さの（１００）面
方位単結晶シリコン基板４０に１００×１００μｍ²の
ジョセフソン接合に合わせた開口を形成するためには、
Ｔａ放射線阻止膜との界面において、３００×３００μ
ｍ²の開口部を設けることが必要となり、依然として位
置分解能の不確定性は大きいものである。

【００３３】また、他の手段として、ＫＯＨ液を用いた
ウェット・エッチングの代わりに、異方性エッチング特
性を有するドライ・エッチングを用いれば、略垂直な壁
面を有する開口部の形成が可能であるため、位置分解能
の問題は一応解決されるが、エッチング速度の遅いドラ
イ・エッチングを用いて、１００〜４００μｍの厚さを
有する単結晶シリコン基板を貫通するＸ線入射孔を形成
するためには、膨大な時間を必要とし、非現実的な手段
である。

【００３４】したがって、本発明は、エネルギー分解能
の優れたＴａ超伝導放射線検出装置を再現性良く形成す
ると共に、製造工程を複雑化することなく位置分解能の
優れたアレイ化したＴａ超伝導放射線検出装置を形成す
ることを目的とする。

【００３５】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、図１を参照して、本発明における課
題を解決するための手段を説明する。なお、図１（ａ）
は、本発明の超伝導放射線検出装置の基本的素子構造の
断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’の
一点鎖線に沿ったエネルギーギャップ構造を示すもので
ある。

【００３６】図１（ａ）及び（ｂ）参照本発明は、超伝導放射線検出装置において、基板１上に
Ｎｂベース層２、Ｔａベース層３、及び、Ａｌ層４から
なる下部電極を設け、ＡｌＯ_xバリア層５を介して、Ｎ
ｂカウンタ層６及びＴａカウンタ層７からなる上部電極
を設けると共に、下部電極におけるＴａとＮｂのエネル
ギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係がΔ_Ta＜Δ_Nbであり、
また、上部電極におけるＴａとＮｂのエネルギーギャッ
プの関係がΔ_Ta＞Δ_Nbであることを特徴とする。なお、
図１（ａ）における符号１０は保護絶縁膜である。

【００３７】また、本発明は、上部電極構造として、バ
リア層５側から順次Ａｌ層、Ｎｂカウンタ層６、及び、
Ｔａカウンタ層７を積層させた三層構造を用いることを
特徴とする。

【００３８】また、本発明は、超伝導放射線検出装置に
おいて、基板１上にＮｂベース層２、Ｔａベース層３、
及び、Ａｌ層４からなる下部電極を設け、ＡｌＯ_xバリ
ア層５を介して、Ｗカウンタ層及びＴａカウンタ層７か
らなる上部電極を設けると共に、下部電極におけるＴａ
とＮｂのエネルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係がΔ _Ta
＜Δ_Nbであることを特徴とする。

【００３９】また、本発明は、上部電極構造として、バ
リア層５側から順次Ａｌ層、Ｗカウンタ層、及び、Ｔａ
カウンタ層７を積層させた三層構造を用いることを特徴
とする。

【００４０】また、本発明は、配線層１２としてＴａベ
ース層３及びＴａカウンタ層７とのエネルギーギャップ
の関係がΔ_Ta＜Δ_NbであるＮｂ層を用いたことを特徴と
する。

【００４１】また、本発明は、超伝導放射線検出装置の
製造方法において、単結晶シリコン基板１上に相転移温
度が９．２５°Ｋになる成膜条件で下部電極のＮｂ層２
をスパッタリングすると共に、上部電極のＮｂ層６を下
部電極のＮｂ層２よりも低印加電力密度で、且つ、遅い
堆積速度でスパッタリングして、上部電極のＮｂ層６の
エネルギーギャップが下部電極のＮｂ層２のエネルギー
ギャップよりも小さくなるようにしたことを特徴とす
る。

【００４２】また、本発明は、超伝導放射線検出装置に
おいて、基板の表面上にＮｂベース層、Ｔａベース層、
及び、Ａｌ層からなる下部電極を設け、ＡｌＯ_xバリア
層を介して、Ｎｂカウンタ層及びＴａカウンタ層からな
る上部電極を設け、且つ、下部電極におけるＴａとＮｂ
のエネルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係をΔ_Ta＜Δ _Nb
とし、また、上部電極におけるＴａとＮｂのエネルギー
ギャップの関係をΔ_Ta＞Δ_Nbとすると共に、基板の裏面
に放射線阻止膜を設け、この放射線阻止膜及び基板に放
射線入射孔を設けたことを特徴とする。

【００４３】また、本発明は、超伝導放射線検出装置に
おいて、基板の表面上にＮｂベース層、Ｔａベース層、
及び、Ａｌ層からなる下部電極を設け、ＡｌＯ_xバリア
層を介して、Ｗカウンタ層及びＴａカウンタ層からなる
上部電極を設け、且つ、下部電極におけるＴａとＮｂの
エネルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係をΔ_Ta＜Δ_Nbと
すると共に、基板の裏面に放射線阻止膜を設け、この放
射線阻止膜及び基板に放射線入射孔を設けたことを特徴
とする。

【００４４】また、本発明は、Ｎｂベース層及びＴａベ
ース層からなる一つの下部電極に対して一つのジョセフ
ソン接合を形成すること、或いは、Ｎｂベース層及びＴ
ａベース層からなる一つの下部電極に対して複数のジョ
セフソン接合を形成することを特徴とする。

【００４５】また、本発明は、基板として面方位が（１
１０）面の単結晶シリコン基板を用いると共に、放射線
阻止膜としてＴａ膜を用い、且つ、Ｔａ膜をＡｌ膜で被
覆し、さらに、下部電極、バリア層、及び、上部電極を
シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜で順次被覆したこと
を特徴とする。

【００４６】

【作用】基板上にＮｂベース層２を介してＴａベース層
３を設けることによって、また、Ｎｂカウンタ層６を介
してＴａカウンタ層７を設けることによって、体心立方
晶構造を有する相転移温度が４．４７°ＫのＴａベース
層３及びＴａカウンタ層７を再現性良く形成することが
でき、また、Ａｌ層４を介してＡｌＯ_xバリア層５を設
けることにより、良好な界面特性を有するバリア層を形
成することがでる。

【００４７】また、下部電極におけるＴａとＮｂのエネ
ルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係をΔ_Ta＜Δ_Nbとし、
且つ、上部電極におけるＴａとＮｂのエネルギーギャッ
プの関係をΔ_Ta＞Δ_Nbとすることによって、エネルギー
・バリアによる閉じ込め機構が形成されるので、準粒子
の収集効率を高めることができる。

【００４８】この様子を図２を参照して説明する。図２参照図２は、図１（ｂ）に示す構造をバイアスした状態にお
いてＸ線が入射した場合のエネルギーバリア構造を示し
たもので、Ｔａベース層３において入射Ｘ線１３によっ
て電子対１４が励起されて準粒子１５が生成され、生成
された準粒子はＡｌＯ_xバリア層５をトンネルして、Ｔ
ａカウンタ層７を介してＮｂ配線層１２から取り出され
る。

【００４９】この場合、Ｎｂベース層２の方向に向かう
準粒子１５は、Ｎｂベース層２とＴａベース層３とのエ
ネルギーギャップの差に起因するエネルギーバリアによ
って跳ね返されてＡｌＯ_xバリア層５側に向かい、Ａｌ
Ｏ_xバリア層５をトンネルして、Ｔａカウンタ層７を介
してＮｂ配線層１２から取り出されることになり、準粒
子１５の収集効率が高まる。

【００５０】また、上部電極構造としてバリア層５側か
ら順次Ａｌ層、Ｎｂカウンタ層６、及び、Ｔａカウンタ
層７を積層させた三層構造を用いることにより、バリア
をさらに高品質に保つことができる。

【００５１】また、基板１上にＮｂベース層２を介して
Ｔａベース層３を設けることによって、また、Ｗカウン
タ層を介してＴａカウンタ層７を設けることによって、
体心立方晶構造を有する相転移温度が４．４７°ＫのＴ
ａベース層３及びＴａカウンタ層７を再現性良く形成す
ることができ、また、Ａｌ層４を介してＡｌＯ_xバリア
層５を設けることにより、良好な界面特性を有するバリ
ア層を形成することがでる。

【００５２】また、下部電極におけるＴａとＮｂのエネ
ルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係はΔ_Ta＜Δ_Nbとな
り、且つ、上部電極におけるＴａとＷのエネルギーギャ
ップの関係はΔ_Ta＞Δ_Wとなるので、エネルギー・バリ
アによる閉じ込め機構が形成されて準粒子の収集効率を
高めることができる。

【００５３】また、上部電極構造としてバリア層５側か
ら順次Ａｌ層、Ｗカウンタ層、及び、Ｔａカウンタ層７
を積層させた三層構造を用いることにより、バリアをさ
らに高品質に保つことができる。

【００５４】また、配線層１２としてエネルギーギャッ
プの関係がΔ_Ta＜Δ_NbであるＮｂ層を用いたことによ
り、準粒子の閉じ込めをさらに効率的に行うことができ
る。

【００５５】また、下部電極のＮｂベース層２と、上部
電極のＮｂカウンタ層６の堆積条件を変えることによっ
て、Ｎｂ層のエネルギーギャップを変え、同じ材料を使
用して効率的な準粒子の閉じ込め構造を形成することが
できる。

【００５６】また、基板の裏面に放射線阻止膜を設け、
この放射線阻止膜及び基板に放射線入射孔を設けること
により、別の位置に入射した放射線の散乱光を誤って検
出することがないので、アレイ化した場合の超伝導放射
線検出装置の位置検出能を高めることができる。

【００５７】また、一つの下部電極に対して一つのジョ
セフソン接合を形成することよって、位置検出能を高く
することができ、一方、一つの下部電極に対して複数の
ジョセフソン接合を形成することによって、複数のジョ
セフソン接合からの出力を利用できるため、放射線の収
集効率を高めることができる。

【００５８】図１６（ｂ）参照また、基板として面方位が（１１０）面の単結晶シリコ
ン基板４１を用いることによって、ＫＯＨ液を用いてエ
ッチングした場合にも、図１６（ｂ）に示すように放射
線入射孔の壁面を略垂直にできるので、放射線入射孔を
設ける密度を高めることができ、したがって、アレイ化
した場合の超伝導放射線検出装置の位置検出能を高める
ことができる。

【００５９】また、放射線阻止膜としてジョセフソン接
合を形成するＴａ膜と同じＴａ膜を用いることによっ
て、堆積装置の構成を簡素化することができ、さらに、
下部電極、バリア層、及び、上部電極をシリコン酸化膜
及びシリコン窒化膜で順次被覆することによって、シリ
コン酸化膜及びシリコン窒化膜が、放射線入射孔形成の
際の耐エッチング保護膜として機能すると共に、配線層
形成の際の表面保護膜としても機能する。

【００６０】

【実施例】図３乃至図５は本発明の第１の実施例の製造
工程の説明図である。図３（ａ）参照まず、（１１０）面の単結晶シリコン基板１上に、ＤＣ
マグネトロンスパッタリング法を用いて、印加電流１．
５Ａ、印加電圧３００Ｖ、Ａｒガス圧を１．３Ｐａとし
た条件で、２．５ｎｍ／秒の堆積速度で５０ｎｍのＮｂ
ベース層２を堆積させたのち、２００ｎｍのＴａベース
層３、及び、２０ｎｍのＡｌ層４からなる下部電極を堆
積させる。

【００６１】この場合、Ｎｂベース層２の堆積条件は、
その相転移温度が９．２５°Ｋになる条件を選択して、
相転移温度の大きな、即ち、エネルギーギャップの大き
なＮｂ層を得るものであり、また、その厚さは、単なる
バッファ層として用いる場合には、２〜５ｎｍ程度でも
良いが、Ｎｂの超伝導性を積極的に利用して準粒子の閉
じ込め構造を形成するためには１０〜１００ｎｍの厚さ
が必要であり、さらに、１００〜３００ｎｍにしても良
い。また、Ｔａベース層３の厚さは５０ｎｍ以上あれば
良く、上限はＴａベース層３においてＸ線を吸収するも
のである以上、検出対象とするＸ線のエネルギーにより
決定され、例えば、高エネルギーの場合には１０μｍに
しても良い。さらに、Ａｌ層４の厚さは５〜５０ｎｍの
範囲であれば良いが、５０〜１００ｎｍの範囲であって
も問題はない。

【００６２】次いで、Ａｌ層４の表面を酸化することに
よって、約１０Å（１ｎｍ）の厚さのＡｌＯ_xバリア層
５を形成したのち、同じく、ＤＣマグネトロンスパッタ
リング法を用いて、印加電流０．３Ａ、印加電圧２５０
Ｖ、Ａｒガス圧１．３Ｐａ、及び、堆積速度０．５ｎｍ
／秒とした条件で、相転移温度が３．０°ＫのＮｂカウ
ンタ層６を５ｎｍ堆積させ、次いで、２０ｎｍの厚さの
Ｔａカウンタ層７を堆積させて上部電極を形成する。

【００６３】なお、このＡｌＯ_xバリア層５はＡｌ層４
の酸化により形成したため、ピンホールのない均一なバ
リア層となり、また、Ｎｂカウンタ層６の堆積条件は、
Ｎｂベース層２のエネルギーギャップより小さく、且
つ、Ｔａカウンタ層７より小さくなる低堆積速度の条件
を選択することにより、相転移温度が低い、即ち、エネ
ルギーギャップの小さなＮｂ層を形成して、体心立方晶
のＴａ成膜のためのバッファ層としては作用するもの
の、準粒子に対するエネルギーバリアとはならないよう
にする必要がある。エネルギーギャップが小さい材料は
相転移温度が低いため、このＮｂカウンタ層６は液体Ｈ
ｅ温度では超伝導体とならないため、近接効果等の素子
特性に与える影響を少なくするために、その厚さは１０
ｎｍ以下にすることが望ましく、さらに、Ｔａカウンタ
層７の厚さは１０〜５００ｎｍの範囲であれば良い。

【００６４】図３（ｂ）参照次いで、第１のフォトレジストマスク８をマスクとし
て、ＣＦ₄＋５％Ｏ₂ガスを用いた７Ｐａの圧力、及
び、印加電力５０Ｗの条件下でＲＩＥ（反応性イオンエ
ッチング）を行うことによって、Ｔａカウンタ層７及び
Ｎｂカウンタ層６をエッチングしたのち、Ａｒを用いた
イオンミーリングによって、ＡｌＯ_xバリア層５及びＡ
ｌ層４をエッチングし、ジョセフソン接合の接合面積を
決定する。

【００６５】図４（ｃ）参照次いで、第１のフォトレジストマスクを除去したのち、
新たに設けた第２のフォトレジストマスク９をマスクと
して、同じく、ＣＦ₄＋５％Ｏ₂ガスを用いた７Ｐａの
圧力、及び、印加電力５０Ｗの条件下で反応性イオンエ
ッチングを行うことによって、Ｔａベース層３及びＮｂ
ベース層２をエッチングして、ベース層の大きさを決定
する。

【００６６】図４（ｄ）参照次いで、第２のフォトレジストマスクを除去したのち、
ＲＦスパッタリング法によって、６００ｎｍ以上の厚さ
のＳｉＯ₂膜からなる保護絶縁膜１０を堆積させる。な
お、この保護絶縁膜として、ＳｉＯ₂膜以外にシリコン
窒化膜を用いても良いし、また、ＳｉＯ₂膜とシリコン
窒化膜の２層膜を用いても良い。

【００６７】図５（ｅ）参照次いで、新たに設けた第３のフォトレジストマスク１１
をマスクとして、ＣＨＦ₃＋３０％Ｏ₂ガスを用いた７
Ｐａの圧力、及び、印加電力５０Ｗの条件下で反応性イ
オンエッチング法によって保護絶縁膜１０をエッチング
して、上部電極及び下部電極に対するコンタクトホール
を形成する。

【００６８】図５（ｆ）参照次いで、第３のフォトレジストマスクを除去したのち、
Ｎｂ層を堆積させ、新たなフォトレジストマスク（図示
せず）をマスクとして反応性イオンエッチング法によっ
てエッチングすることによって、８００ｎｍの厚さのＮ
ｂ配線層１２を形成して、超伝導放射線検出装置が完成
する。

【００６９】ここで、Ｔａ層を堆積させる下地バッファ
層としてＮｂ層を用いる理由を説明するが、発明が解決
しようとする課題において触れたように、堆積させたＴ
ａ層の結晶構造は下地依存性が強いものであるので、先
ず、調べた各種のバッファ層に対する下地依存性を説明
する。

【００７０】（１００）面方位の単結晶シリコン基板上
に、直接、Ａｌ（面心立方晶構造：ｆｃｃ）バッファ層
を介して、Ｚｒ（六方最密構造：ｈｃｐ）を介して、Ｎ
ｂ（体心立方晶構造：ｂｃｃ）を介して、及び、Ｗ（ｂ
ｃｃ）を介して、２００ｎｍのＴａ膜をＤＣマグネトロ
ンスパッタリング法を用いて堆積させる。なお、バッフ
ァ層の厚さは、全て１０ｎｍとする。

【００７１】次いで、これらの試料のＸ線回折試験を行
うと、基板に直接Ｔａを堆積させた場合には、ダイアモ
ンド構造のシリコンと体心立方晶構造のＴａの格子定数
の差が大きいため正方晶構造（Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）
のＴａ膜が得られ、一方、バッファ層を介した場合に
は、体心立方晶構造のＴａ膜が得られていることが分か
った。しかし、Ｘ線回折強度からは、回折強度の弱いＡ
ｌバッファ層を用いた場合には、４．２°Ｋ（液体Ｈｅ
温度）における電気抵抗の測定で超伝導性を示さず、Ｚ
ｒバッファ層、Ｎｂバッファ層、及び、Ｗバッファ層の
場合に、４．２°Ｋにおいて超伝導性を示した。

【００７２】したがって、単にバッファ層として用いる
だけであるのならば、Ｚｒ或いはＷを用いても良いが、
図１（ｂ）に示すように準粒子を閉じ込めるためのエネ
ルギーバリア構造を形成するためには、下部電極として
は、Ｚｒ（相転移温度：０．５５°Ｋ）及びＷ（相転移
温度：０．０１２°Ｋ）に比べてエネルギーギャップの
大きなＮｂ（相転移温度：９．２５°Ｋ）を用いること
が必要となる。即ち、ＢＣＳ理論からは、超伝導体のエ
ネルギーギャップΔは、Ｔ_cを相転移温度及びｋ_Bをボ
ルツマン定数とすると、Δ＝１．７６ｋ_B・Ｔ_cである
ので、相転移温度が大きいほど、エネルギーギャップが
大きくなるためである。

【００７３】一方、上部電極においても閉じ込め構造を
形成するためには、Ｔａカウンタ層７の下地膜として、
エネルギーギャップの小さな下地膜が必要であるが、Ｎ
ｂ膜は結晶構造及び相転移温度に顕著な下地依存性は見
られないが、堆積条件によって、得られる膜のエネルギ
ーギャップが異なるものであるため、この特性を利用し
て、Ｔａカウンタ層７の下地膜としても、下部電極のＴ
ａベース層３の下地膜と同じＮｂを用いることによっ
て、スパッタリング装置の構成簡素化することができ
る。

【００７４】また、配線層１２として、相転移温度が
９．２５°ＫのＮｂ膜を用いることによって、上部電極
のＴａカウンタ層７に対してエネルギーギャップの大き
なＮｂ配線層１２がエネルギーバリアとなるため、準粒
子の閉じ込め効果をさらに高めることができる。

【００７５】なお、上記の第１の実施例においては、基
板として、（１１０）面の単結晶シリコン基板１を用い
ているが、この場合には、（１００）面の単結晶シリコ
ン基板でも良いし、或いは、ガラス等の他の基板でも良
いものである。また、上部電極として、ＡｌＯ_xバリア
層５とＮｂカウンタ層６との間に４０〜５０Å程度のＡ
ｌ層を介在させて、Ａｌ／Ｎｂ／Ｔａの三層構造として
も良く、この場合には、バリアの界面特性がさらに高ま
る。

【００７６】次に、図６を参照して、本発明の第２の実
施例を説明する。なお、図６（ａ）は第２の実施例の超
伝導放射線検出装置の断面図であり、また、図６（ｂ）
は図６（ａ）のＡ−Ａ’を結ぶ一点鎖線に沿ったエネル
ギーギャップ構造を示すもので、さらに、図６（ｃ）
は、第２の実施例の超伝導放射線検出装置のＩ−Ｖ特性
（電流−電圧特性）を示すものである。

【００７７】図６（ａ）参照この第２の実施例は、第１の実施例におけるＮｂカウン
タ層６をＷカウンタ層１６に置き換えた点、及び、各層
の厚さが異なる点で相違するのみで、その他の製造条件
及び製造工程順等は図３乃至図５の工程と同じであるの
で簡単に説明する。

【００７８】まず、（１１０）面の単結晶シリコン基板
１上に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて、
印加電流１．５Ａ、印加電圧３００Ｖ、Ａｒガス圧を
１．３Ｐａとした条件で、２．５ｎｍ／秒の堆積速度で
１００ｎｍのＮｂベース層２を堆積させたのち、３００
ｎｍのＴａベース層３、及び、５０ｎｍのＡｌ層４から
なる下部電極を堆積させる。なお、Ｎｂベース層２の厚
さは、１０〜３００ｎｍ、Ｔａベース層３の厚さは５０
ｎｍ以上、また、Ａｌ層４の厚さは５〜１００ｎｍの範
囲であれば良い。

【００７９】次いで、Ａｌ層４の表面を酸化することに
よって、約１０Å（１ｎｍ）の厚さのＡｌＯ_xバリア層
５を形成したのち、同じく、ＤＣマグネトロンスパッタ
リング法を用いて、印加電流１．５Ａ、印加電圧３００
Ｖ、Ａｒガス圧を１．３Ｐａとした条件で、２．５ｎｍ
／秒の堆積速度でＷカウンタ層１６を２０ｎｍ堆積さ
せ、次いで、２００ｎｍの厚さのＴａカウンタ層７を堆
積させて上部電極を形成する。その後のエッチング工
程、成膜工程等は第１の実施例と同じに行い、超伝導放
射線検出装置を完成する。

【００８０】この場合、ＷはＮｂと同様に結晶構造に顕
著な下地依存性が見られないので、Ｗカウンタ層１６は
体心立方晶のＴａ成膜のためのバッファ層として作用す
るものであるが、その相転移温度が０．０１２°Ｋと非
常に低いため、したがって、そのエネルギーギャップの
小さいため、準粒子に対するエネルギーバリアとはなら
ない。また、Ｗカウンタ層１６はＴａ成膜のためのバッ
ファ層であるので薄い方が、例えば、１０ｎｍ以下であ
ることが望ましいが、Ｗは抵抗率が非常に小さいため多
少厚くしても接合特性に悪影響を及ぼさないので、２０
ｎｍ以下、さらには１００ｎｍ以下であっても良い。

【００８１】図６（ｂ）参照この第２の実施例の超伝導放射線検出装置のエネルギー
ギャップ構造は、第１の実施例の超伝導放射線検出装置
のエネルギーギャップ構造とほとんど同等であり、上部
電極側のＮｂカウンタ層６がよりエネルギーギャップの
小さなＷカウンタ層１６に置き換わっているだけで、接
合特性は略同じである。

【００８２】図６（ｃ）参照図６（ｃ）は、ジョセフソン接合の面積を５０×５０μ
ｍ²としたＴａ／Ｗ／ＡｌＯ_x−Ａｌ／Ｔａ／Ｎｂ構造
の超伝導放射線検出装置のＩ−Ｖ特性を０．５°Ｋにお
いて測定したものであり、ギャップ電圧の立ち上がりが
急峻で、しかも、暗電流も非常に小さことがわかり、良
好なジョセフソン接合が形成されているのが確認され
た。

【００８３】次に、図７乃至図１０を参照して、本発明
の第３の実施例である位置検出能力を有する超伝導放射
線検出装置を説明する。なお、図においては、一つのジ
ョセフソン接合部を示しているが、実際には、これらが
アレイ化して設けられているものである。

【００８４】図７（ａ）参照まず、（１１０）面の単結晶シリコン基板１の裏面上
に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて、５μ
ｍのＴａ放射線阻止膜１７及び５０ｎｍのＡｌ保護膜１
８を堆積させる。なお、Ｔａは表１から明らかなように
Ｘ線吸収能が高いため良好な放射線阻止膜となるもので
あり、このＴａ放射線阻止膜１７の厚さは、検出対象と
する放射線のエネルギーによって適当な厚さを選択する
ものであるが、一般的には１〜１０μｍの範囲であれば
良く、また、Ａｌ保護膜１８は、後工程における厚さ１
〜１０μｍのＴａ放射線阻止膜１７にＸ線入射孔を形成
する際の、数十分かかる反応性イオンエッチング工程に
おいてフォトレジストマスクが消失してＴａ放射線阻止
膜１７がエッチングされるのを防ぐためのものであり、
１０〜１００ｎｍの厚さであれば良い。

【００８５】次いで、単結晶シリコン基板１の反対側の
表面上に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用い
て、印加電流１．５Ａ、印加電圧３００Ｖ、Ａｒガス圧
を１．３Ｐａとした条件で、２．５ｎｍ／秒の堆積速度
で５０ｎｍのＮｂベース層２を堆積させたのち、２００
ｎｍのＴａベース層３、及び、２０ｎｍのＡｌ層４から
なる下部電極を堆積させる。

【００８６】この場合、Ｎｂベース層２の堆積条件も、
その相転移温度が９．２５°Ｋになる条件を選択するも
のであり、また、その厚さは、単なるバッファ層として
用いる場合には、２〜５ｎｍ程度でも良いが、Ｎｂの超
伝導性を積極的に利用して準粒子の閉じ込め構造を形成
するめには１０〜１００ｎｍの厚さが必要であり、さら
に、１００〜３００ｎｍにしても良い。また、Ｔａベー
ス層３の厚さは５０ｎｍ以上あれば良く、上限はＴａベ
ース層３においてＸ線を吸収するものである以上、検出
対象とするＸ線のエネルギーにより決定され、例えば、
高エネルギーの場合には１０μｍにしても良い。さら
に、Ａｌ層４の厚さは５〜５０ｎｍの範囲であれば良い
が、５０〜１００ｎｍにしても問題はない。

【００８７】次いで、Ａｌ層４の表面を酸化することに
よって、約１ｎｍの厚さのＡｌＯ_xバリア層５を形成し
たのち、同じく、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を
用いて、印加電流０．３Ａ、印加電圧２５０Ｖ、Ａｒガ
ス圧を１．３Ｐａとした条件で、０．５ｎｍ／秒の堆積
速度で５ｎｍのＮｂカウンタ層６、及び、２００ｎｍの
厚さのＴａカウンタ層７からなる上部電極を堆積させ
る。

【００８８】なお、この場合の、Ｎｂカウンタ層６の堆
積条件も、Ｎｂベース層２のエネルギーギャップより、
且つ、Ｔａカウンタ層７より小さくなる低堆積速度の条
件を選択すれば良く、また、その厚さは素子特性を良好
にするために１０ｎｍ以下にすることが望ましく、Ｔａ
カウンタ層７の厚さは１０〜５００ｎｍの範囲であれば
良い。

【００８９】図７（ｂ）参照次いで、第１のフォトレジストマスク８をマスクとし
て、ＣＦ₄＋５％Ｏ₂ガスを用いた７Ｐａの圧力、及
び、印加電力５０Ｗの条件下で反応性イオンエッチング
を行うことによって、Ｔａカウンタ層７及びＮｂカウン
タ層６をエッチングしたのち、Ａｒを用いたイオンミー
リングによって、ＡｌＯ_xバリア層５及びＡｌ層４をエ
ッチングし、ジョセフソン接合の接合面積を決定する。

【００９０】図８（ｃ）参照次いで、第１のフォトレジストマスクを除去したのち、
新たに設けた第２のフォトレジストマスク９をマスクと
して、同じく、ＣＦ₄＋５％Ｏ₂ガスを用いた７Ｐａの
圧力、及び、印加電力５０Ｗの条件下で反応性イオンエ
ッチングを行うことによって、Ｔａベース層３及びＮｂ
ベース層２をエッチングして、ベース層の大きさを決定
する。

【００９１】図８（ｄ）参照次いで、第２のフォトレジストマスクを除去したのち、
ＲＦスパッタリング法によって、６００ｎｍの厚さのＳ
ｉＯ₂膜１９及び２００ｎｍのシリコン窒化膜２０を堆
積させる。なお、ＳｉＯ₂膜１９は６００ｎｍ以上の厚
さがあれば良いものであり、また、シリコン窒化膜２０
は、後工程における単結晶シリコン基板１にＸ線入射孔
を形成するためのＫＯＨ液を用いたウェット・エッチン
グ工程においてＳｉＯ₂膜１９がエッチングされること
を防ぐ保護マスクとして機能する程度の厚さであれば良
く、ここでは、１０〜３００ｎｍの厚さであれば良い。

【００９２】図９（ｅ）参照次いで、基板の裏面側に第３のフォトレジストマスク２
１を設けて、Ａｒを用いたイオンミーリング法によって
Ａｌ保護膜１８にＸ線入射孔２２を形成するための開口
を形成し、次いで、このＡｌ保護膜１８をマスクとし
て、ＣＦ₄＋５％Ｏ₂ガスを用いた５０Ｐａの圧力、及
び、印加電力１００Ｗの条件下で反応性イオンエッチン
グを行うことによって、Ｔａ放射線阻止膜１７をエッチ
ングしてＸ線入射孔２２を形成するための開口を形成す
る。なお、この時のエッチングレートは１００ｎｍ／分
である。

【００９３】図９（ｆ）参照ついで、基板全体をＫＯＨ液中に浸漬することによっ
て、単結晶シリコン基板１に壁面が略垂直なＸ線入射孔
２２が形成される。この場合、壁面が略垂直であるた
め、アレイ化した超伝導放射線検出装置のＸ線入射孔２
２を接近して設けることができ、位置検出能が向上す
る。

【００９４】図１０（ｇ）参照次いで、第４のフォトレジストマスク２３をマスクとし
て、ＣＨＦ₃＋３０％Ｏ₂ガスを用いた２５Ｐａの圧
力、及び、印加電力１００Ｗの条件下で反応性イオンエ
ッチング法によって、３０ｎｍ／分のエッチングレート
でシリコン窒化膜２０及びＳｉＯ₂膜１９をエッチング
して、上部電極及び下部電極に対するコンタクトホール
２４を形成する。

【００９５】図１０（ｈ）参照次いで、第４のフォトレジストマスクを除去したのち、
Ｎｂ層を堆積させ、新たなフォトレジストマスク（図示
せず）をマスクとして反応性イオンエッチング法によっ
てエッチングすることによって、８００ｎｍの厚さのＮ
ｂ配線層２５を形成して、高い位置検出能を有する超伝
導放射線検出装置が完成する。

【００９６】なお、上記の第３の実施例においても、上
部電極として、ＡｌＯ_xバリア層５とＮｂカウンタ層６
との間に４０〜５０Å程度のＡｌ層を介在させて、Ａｌ
／Ｎｂ／Ｔａの三層構造としても良く、この場合には、
バリアの界面特性がさらに高まる。また、配線層２５と
して、相転移温度が９．２５°ＫのＮｂ膜を用いること
によって、上部電極のＴａカウンタ層７に対してエネル
ギーギャップの大きなＮｂ配線層２５がエネルギーバリ
アとなるため、準粒子の閉じ込め効果をさらに高めるこ
とができる。

【００９７】また、上記第３の実施例においても、第１
の実施例と同様の下部電極、バリア層、及び、上部電極
からなるジョセフソン接合を形成しているが、この場合
には、Ｘ線を吸収する下部電極のみにＴａ膜を用い、上
部電極をバリア層側から５〜５０ｎｍ、好適には２０ｎ
ｍのＡｌ層、及び、１０〜５００ｎｍ、好適には２０ｎ
ｍのＮｂカウンタ層を順次堆積させた２層構造としても
良い。

【００９８】次に、図１１を参照して、本発明の第４の
実施例であるＡｌＯ_xバリア層とＴａカウンタ層との間
にＷカウンタ層を設けた位置検出能力を有する超伝導放
射線検出装置を説明する。なお、図においては、一つの
ジョセフソン接合部を示しているが、実際には、これら
がアレイ化して設けられているものである。

【００９９】図１１参照この第４の実施例は、第３の実施例におけるＮｂカウン
タ層６をＷカウンタ層１６に置き換えた点、及び、各層
の厚さが異なる点で相違するのみで、その他の製造条件
及び製造工程順等は図７乃至図１０の工程と同じである
ので簡単に説明する。

【０１００】図１１参照まず、（１１０）面の単結晶シリコン基板１の裏面上
に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて、５μ
ｍのＴａ放射線阻止膜１７及び５０ｎｍのＡｌ保護膜１
８を堆積させる。なお、この場合も、Ｔａ放射線阻止膜
１７の厚さは一般的には１〜１０μｍの範囲であれば良
く、また、Ａｌ保護膜１８は１０〜１００ｎｍの厚さで
あれば良い。

【０１０１】次いで、単結晶シリコン基板１の反対側の
表面上に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用い
て、印加電流１．５Ａ、印加電圧３００Ｖ、Ａｒガス圧
を１．３Ｐａとした条件で、２．５ｎｍ／秒の堆積速度
で１００ｎｍのＮｂベース層２を堆積させたのち、３０
０ｎｍのＴａベース層３、及び、５０ｎｍのＡｌ層４か
らなる下部電極を堆積させる。なお、Ｎｂベース層２の
厚さは、１０〜３００ｎｍ、Ｔａベース層３の厚さは５
０ｎｍ以上、また、Ａｌ層４の厚さは５〜１００ｎｍの
範囲であれば良い。

【０１０２】次いで、Ａｌ層４の表面を酸化することに
よって、約１ｎｍの厚さのＡｌＯ_xバリア層５を形成し
たのち、同じく、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を
用いて、印加電流１．５Ａ、印加電圧３００Ｖ、Ａｒガ
ス圧を１．３Ｐａとした条件で、２．５ｎｍ／秒の堆積
速度で２０ｎｍのＷカウンタ層１６、及び、２００ｎｍ
の厚さのＴａカウンタ層７からなる上部電極を堆積させ
る。なお、Ｗカウンタ層１６の厚さは素子特性を良好に
するために１００ｎｍ以下、より好適には２０ｎｍ以下
にすることが望ましく、また、Ｔａカウンタ層７の厚さ
は１０〜５００ｎｍの範囲であれば良い。

【０１０３】次いで、図７（ｂ）乃至図１０（ｈ）の工
程と同じ工程を経て高い位置検出能力を有する超伝導放
射線検出装置が完成する。

【０１０４】なお、上記の第４の実施例においても、上
部電極として、ＡｌＯ_xバリア層５とＷカウンタ層１６
との間に４０〜５０Å程度のＡｌ層を介在させてＡｌ／
Ｗ／Ｔａの三層構造としても良く、この場合には、バリ
アの界面特性がさらに高まる。また、配線層２５とし
て、相転移温度が９．２５°ＫのＮｂ膜を用いることに
よって、上部電極のＴａカウンタ層７に対してエネルギ
ーギャップの大きなＮｂ配線層２５がエネルギーバリア
となるため、準粒子の閉じ込め効果をさらに高めること
ができる。

【０１０５】また、上記第４の実施例においても、第２
の実施例と同様の下部電極、バリア層、及び、上部電極
からなるジョセフソン接合を形成しているが、この場合
には、Ｘ線を吸収する下部電極のみにＴａ膜を用い、上
部電極をバリア層側から５〜１００ｎｍ、好適には５０
ｎｍのＡｌ層、及び、１０〜５００ｎｍ、好適には２０
０ｎｍのＮｂカウンタ層を順次堆積させた２層構造とし
ても良い。

【０１０６】次に、図１２を参照して本発明の第５の実
施例を説明する。図１２参照図１２は、一つの下部電極に対して複数のジョセフソン
接合を形成することによって、Ｘ線収集効率を高めた超
伝導放射線検出装置の素子断面図であり、図１２におい
ては、一つの放射線検出素子部を示しているが、実際に
は、これらがアレイ化して設けられているものであり、
また、その製造工程及び用いている材料は第３の実施例
と略同様である。

【０１０７】即ち、まず、（１１０）面の単結晶シリコ
ン基板１の裏面上に、ＤＣマグネトロンスパッタリング
法を用いて、１〜１０μｍ、好適には５μｍのＴａ放射
線阻止膜１７及び１０〜１００ｎｍ、好適には５０ｎｍ
のＡｌ保護膜１８を堆積させる。次いで、反対側の単結
晶シリコン基板１の表面上に、ＤＣマグネトロンスパッ
タリング法を用いて、印加電流１．５Ａ、印加電圧３０
０Ｖ、Ａｒガス圧を１．３Ｐａとした条件で、２．５ｎ
ｍ／秒の堆積速度で１０〜１００ｎｍ、好適には５０ｎ
ｍのＮｂベース層２を堆積させたのち、５０ｎｍ〜１０
μｍ、好適には２００ｎｍのＴａベース層３、及び、５
〜５０ｎｍ、好適には２０ｎｍのＡｌ層４からなる下部
電極を堆積させる。

【０１０８】次いで、Ａｌ層４の表面を熱酸化すること
によって、約１ｎｍの厚さのＡｌＯ _xバリア層５を形成
したのち、同じく、ＤＣマグネトロンスパッタリング法
を用いて、印加電流０．３Ａ、印加電圧２５０Ｖ、Ａｒ
ガス圧を１．３Ｐａとした条件で、０．５ｎｍ／秒の堆
積速度で１０ｎｍ以下、好適には５ｎｍのＮｂカウンタ
層６、及び、１０〜５００ｎｍ、好適には２０ｎｍの厚
さのＴａカウンタ層７からなる上部電極を堆積させる。

【０１０９】次いで、第１のフォトレジストマスクをマ
スクとして、ＣＦ₄＋５％Ｏ₂ガスを用いた７Ｐａの圧
力、及び、印加電力５０Ｗの条件下で反応性イオンエッ
チングを行うことによって、Ｔａカウンタ層７及びＮｂ
カウンタ層６をエッチングしたのち、Ａｒを用いたイオ
ンミーリングによって、ＡｌＯ_xバリア層５及びＡｌ層
４をエッチングし、所定面積の複数のジョセフソン接合
を形成する。

【０１１０】次いで、第１のフォトレジストマスクを除
去したのち、新たに設けた第２のフォトレジストマスク
をマスクとして、同じく、ＣＦ₄＋５％Ｏ₂ガスを用い
た７Ｐａの圧力、及び、印加電力５０Ｗの条件下で反応
性イオンエッチングを行うことによって、Ｔａベース層
３及びＮｂベース層２をエッチングして、複数のジョセ
フソン接合部に対して共通のベース層の大きさを決定す
る。

【０１１１】次いで、第２のフォトレジストマスクを除
去したのち、ＲＦスパッタリング法によって、６００ｎ
ｍ以上の厚さのＳｉＯ₂膜１９及び１０〜３００ｎｍ、
好適には２００ｎｍのシリコン窒化膜２０を堆積させ
る。次いで、基板の裏面側にジョセフソン接合に対応す
る複数の開口部を有する第３のフォトレジストマスクを
設けて、Ａｒを用いたイオンミーリング法によってＡｌ
保護膜１８にＸ線入射孔２２を形成するための開口を形
成し、次いで、このＡｌ保護膜１８をマスクとして、Ｃ
Ｆ₄＋５％Ｏ₂ガスを用いた５０Ｐａの圧力、及び、印
加電力１００Ｗの条件下で反応性イオンエッチングを行
うことによって、Ｔａ放射線阻止膜１７をエッチングし
てＸ線入射孔２２を形成するための開口を形成する。

【０１１２】次いで、基板全体をＫＯＨ液中に浸漬する
ことによって、単結晶シリコン基板１に壁面が略垂直な
Ｘ線入射孔２２を形成する。次いで、第４のフォトレジ
ストマスクをマスクとして、ＣＨＦ₃＋３０％Ｏ₂ガス
を用いた２５Ｐａの圧力、及び、印加電力１００Ｗの条
件下で反応性イオンエッチング法によって、約３０ｎｍ
／分のエッチングレートでシリコン窒化膜２０及びＳｉ
Ｏ₂膜１９をエッチングして、上部電極及び下部電極に
対するコンタクトホールを形成する。

【０１１３】次いで、第４のフォトレジストマスクを除
去したのち、８００ｎｍの厚さのＮｂ層を堆積させ、新
たなフォトレジストマスクをマスクとして反応性イオン
エッチング法によってエッチングすることによって、Ｎ
ｂ配線層２５を形成して、高いＸ線収集効率を有する超
伝導放射線検出装置が完成する。

【０１１４】この一つのベース層、即ち、下部電極に対
して複数のジョセフソン接合及び対応するＸ線入射孔２
２を有する２次元アレイの超伝導放射線検出装置を構成
すると１方向の位置分解能は低下するものの、複数のジ
ョセフソン接合においてＸ線を検出することができるた
め、一つの下部電極に対する入射Ｘ線２６の照射量が大
きくなるため、Ｘ線収集効率、即ち、感度が高まるもの
である。

【０１１５】この場合、Ｘ線収集効率を高めるために
は、原理的には複数のジョセフソン接合を設けることな
く、一つの大きなジョセフソン接合を設ければ良いが、
そうすると、このような大面積に対してピンホールのな
い均一なバリア層を形成することが困難になるので、小
さい面積のジョセフソン接合を複数個設けて、合計の接
合面積を大きくするものである。

【０１１６】なお、上記第５の実施例においても、第３
の実施例と同様の下部電極、バリア層、及び、上部電極
からなるジョセフソン接合を形成しているが、この場合
にも、Ｘ線を吸収する下部電極のみにＴａ膜を用い、上
部電極をバリア層側から５〜５０ｎｍ、好適には２０ｎ
ｍのＡｌ層、及び、１０〜５００ｎｍ、好適には２０ｎ
ｍのＮｂカウンタ層を順次堆積させた２層構造としても
良い。

【０１１７】また、この第５の実施例においても、第２
或いは第４の実施例のように、Ｎｂカウンタ層６をＷカ
ウンタ層に置き換えても良く、その場合の、置き換えに
伴う各条件の変更は第２或いは第４の実施例の場合と同
じである。

【０１１８】また、上記各実施例において、第２の実施
例以外はジョセフソン接合の面積に言及しておらず、原
理的大きさに制限はないものであるが、実際には、５０
×５０μｍ²〜１００×１００μｍ²程度の大きさにす
るものである。さらに、上記各実施例においては単結晶
シリコン基板の厚さに言及していないが、通常は４００
μｍのシリコンウェハを用いるものであり、必要に応じ
て研磨により１００μｍ程度まで薄層化しても良いもの
である。

【０１１９】また、上記第３及び第５の実施例において
は、ジョセフソン接合部をパターニングしたのち、Ｘ線
入射孔を開口しているが、従来例と同様に、Ｘ線入射孔
を開口してからジョセフソン接合部をパターニングして
も良く、その場合には、シリコン窒化膜は必ずしも必要
としないものである。

【０１２０】

【発明の効果】本発明によれば、Ｔａ層の下地層として
Ｎｂ層或いはＷ層を用いたことにより、４．４７°Ｋの
相転移温度を有するＴａ膜を再現性良く得ることができ
るので、エネルギー分解能に優れた超伝導放射線検出装
置を提供することができ、また、基板として（１１０）
面の単結晶シリコン基板を用いることにより、アレイ化
した場合の素子密度、即ち、Ｘ線入射孔密度を高めるこ
とができるので、位置分解能の優れたアレイ化した超伝
導放射線検出装置を提供することができ、さらに、一つ
の下部電極に対して複数のジョセフソン接合を設けるこ
とによって、Ｘ線収集効率の高いアレイ化した超伝導放
射線検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の作用の説明図である。

【図３】本発明の第１の実施例の途中までの製造工程の
説明図である。

【図４】本発明の第１の実施例の図３以降の途中までの
製造工程の説明図である。

【図５】本発明の第１の実施例の図４以降の製造工程の
説明図である。

【図６】本発明の第２の実施例の説明図である。

【図７】本発明の第３の実施例の途中までの製造工程の
説明図である。

【図８】本発明の第３の実施例の図７以降の途中までの
製造工程の説明図である。

【図９】本発明の第３の実施例の図８以降の途中までの
製造工程の説明図である。

【図１０】本発明の第３の実施例の図９以降の製造工程
の説明図である。

【図１１】本発明の第４の実施例の超伝導放射線検出装
置の断面図である。

【図１２】本発明の第５の実施例の超伝導放射線検出装
置の断面図である。

【図１３】従来の超伝導放射線検出装置の断面図であ
る。

【図１４】従来の他の超伝導放射線検出装置の途中まで
の製造工程の説明図である。

【図１５】従来の他の超伝導放射線検出装置の図１４以
降の製造工程の説明図である。

【図１６】Ｘ線入射孔の断面形状の面方位依存性の説明
図である。

【符号の説明】

１単結晶シリコン基板２Ｎｂベース層３Ｔａベース層４Ａｌ層５ＡｌＯ_xバリア層６Ｎｂカウンタ層７Ｔａカウンタ層８第１のフォトレジストマスク９第２のフォトレジストマスク１０保護絶縁膜１１第３のフォトレジストマスク１２Ｎｂ配線層１３入射Ｘ線１４電子対１５準粒子１６Ｗカウンタ層１７Ｔａ放射線阻止膜１８Ａｌ保護膜１９ＳｉＯ₂膜２０シリコン窒化膜２１第３のフォトレジストマスク２２Ｘ線入射孔２３第４のフォトレジストマスク２４コンタクトホール２５Ｎｂ配線層２６入射Ｘ線２７単結晶シリコン基板２８Ｔａベース層２９バリア層３０Ｔａカウンタ層３１保護絶縁膜３２Ｔａ配線層３３Ｔａ放射線阻止膜３４第１のフォトレジストマスク３５Ｘ線入射孔３６第２のフォトレジストマスク３７第３のフォトレジストマスク３８保護絶縁膜３９Ｔａ配線層４０（１００）面単結晶シリコン基板４１（１１０）面単結晶シリコン基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にＮｂベース層、Ｔａベース層、
及び、Ａｌ層からなる下部電極を設け、ＡｌＯ_xバリア
層を介して、Ｎｂカウンタ層及びＴａカウンタ層からな
る上部電極を設けると共に、前記下部電極におけるＴａ
とＮｂのエネルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係がΔ_Ta
＜Δ_Nbであり、また、前記上部電極におけるＴａとＮｂ
のエネルギーギャップの関係がΔ_Ta＞Δ_Nbであることを
特徴とする超伝導放射線検出装置。
【請求項２】上記上部電極構造として、上記バリア層
とＮｂカウンタ層との間にＡｌ層を介在させたことを特
徴とする請求項１記載の超伝導放射線検出装置。
【請求項３】基板上にＮｂベース層、Ｔａベース層、
及び、Ａｌ層からなる下部電極を設け、ＡｌＯ_xバリア
層を介して、Ｗカウンタ層及びＴａカウンタ層からなる
上部電極を設けると共に、前記下部電極におけるＴａと
ＮｂのエネルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係がΔ_Ta＜
Δ_Nbであることを特徴とする超伝導放射線検出装置。
【請求項４】上記上部電極構造として、上記バリア層
とＷカウンタ層との間にＡｌ層を介在させたことを特徴
とする請求項３記載の超伝導放射線検出装置。
【請求項５】配線層として、上記Ｔａベース層及びＴ
ａカウンタ層とのエネルギーギャップの関係がΔ_Ta＜Δ
_NbであるＮｂ層を用いたことを特徴とする請求項１乃至
４のいずれか１項に記載の超伝導放射線検出装置。
【請求項６】単結晶シリコン基板上に相転移温度が
９．２５°Ｋになる成膜条件で上記下部電極のＮｂベー
ス層をスパッタリングすると共に、上記上部電極のＮｂ
カウンタ層を前記Ｎｂベース層よりも低印加電力密度
で、且つ、遅い堆積速度でスパッタリングして、前記Ｎ
ｂカウンタ層のエネルギーギャップが前記Ｎｂベース層
のエネルギーギャップ及び上記Ｔａカウンタ層のエネル
ギーギャップよりも小さくなるようにしたことを特徴と
する請求項１記載の超伝導放射線検出装置の製造方法。
【請求項７】基板の表面上にＮｂベース層、Ｔａベー
ス層、及び、Ａｌ層からなる下部電極を設け、ＡｌＯ_x
バリア層を介して、Ｎｂカウンタ層及びＴａカウンタ層
からなる上部電極を設け、且つ、前記下部電極における
ＴａとＮｂのエネルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係を
Δ_Ta＜Δ_Nbとし、また、前記上部電極におけるＴａとＮ
ｂのエネルギーギャップの関係をΔ_Ta＞Δ_Nbとすると共
に、基板の裏面に放射線阻止膜を設け、この放射線阻止
膜及び基板に放射線入射孔を設けたことを特徴とする超
伝導放射線検出装置。
【請求項８】基板の表面上にＮｂベース層、Ｔａベー
ス層、及び、Ａｌ層からなる下部電極を設け、ＡｌＯ_x
バリア層を介して、Ｗカウンタ層及びＴａカウンタ層か
らなる上部電極を設け、且つ、前記下部電極におけるＴ
ａとＮｂのエネルギーギャップΔ_TaとΔ_Nbとの関係をΔ
_Ta＜Δ_Nbとすると共に、基板の裏面に放射線阻止膜を設
け、この放射線阻止膜及び基板に放射線入射孔を設けた
ことを特徴とする超伝導放射線検出装置。
【請求項９】上記Ｎｂベース層及びＴａベース層から
なる一つの下部電極に対して一つのジョセフソン接合を
形成することを特徴とする請求項７または８記載の超伝
導放射線検出装置。
【請求項１０】上記Ｎｂベース層及びＴａベース層か
らなる一つの下部電極に対して複数のジョセフソン接合
を形成することを特徴とする請求項７または８記載の超
伝導放射線検出装置。
【請求項１１】上記基板として面方位が（１１０）面
の単結晶シリコン基板を用いると共に、上記放射線阻止
膜としてＴａ膜を用い、且つ、前記Ｔａ膜をＡｌ膜で被
覆し、さらに、上記下部電極、バリア層、及び、上部電
極をシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜で順次被覆した
ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記
載の超伝導放射線検出装置。