DE69123415T2

DE69123415T2 - Supraleitendes Bauelement mit verringerter Dicke der supraleitenden Oxydschicht und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69123415T2
Application number: DE69123415T
Authority: DE
Inventors: Michitomo Iiyama; Hiroshi Inada; Takao Nakamura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-09-06
Filing date: 1991-09-05
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2011-09-06
Also published as: CA2050731A1; CA2050731C; EP0477063A1; EP0477063B1; DE69123415D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung desselben, und insbesondere ein supraleitendes Bauelement mit einer oxidischen supraleitenden Schicht, die eine ebene Oberseite und eine teilweise verringerte Dicke aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Beschreibung des Standes der Technik

Typische Drei-Anschluß-Bauelemente, die einen Supraleiter verwenden, umfassen einen sogenannen Transistor mit supraleitender Basis und einen sogenannten Super-FET (Feldeffekttransistor). Der Transistor mit supraleitender Basis weist einen Emitter aus einem Supraleiter oder einem normalen Leiter auf, eine Tunnelschicht aus einem Isolator, eine Basis aus einem Supraleiter, einen Halbleiterisolator und einen Kollektor aus einem normalen Leiter, die in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet bzw. gestapelt sind. Dieser Transistor mit supraleitender Basis arbeitet mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Energieverbrauch unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitselektronen, die durch die Tunnelbarriere hindurchtreten.
Der Super-FET weist eine Halbleiterschicht und eine supraleitende Source-Elektrode sowie eine supraleitende Drain-Elektrode auf, die nahe zueinander auf der Halbleiterschicht gebildet sind. Ein Abschnitt der Halbleiterschicht zwischen der Supraleiter-Source-Elektrode und der Supraleiter-Drain-Elektrode weist eine stark ausgenommene oder unterschnittene Rückseite so auf, daß er eine verringerte Dicke hat. Außerdem ist eine Gate- Elektrode durch eine Gate-Isolierschicht auf der ausgenommenen oder unterschnittenen Rückseite des Abschnitts der Halbleiterschicht zwischen der supraleitende Source-Elektrode und der supraleitende Drain-Elektrode gebildet.
Ein supraleitender Strom, der durch den supraleitenden Halbleiter-Abschnitt zwischen der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode aufgrund eines supraleitenden Nachbarschaftseffekts bzw. Naheffekts fließt, wird durch eine angelegte Gate-Spannung gesteuert. Dieser Super-FET arbeitet auch mit hoher Geschwindigkeit bei niedrigem Energieverbrauch.
Außerdem ist im Stand der Technik ein supraleitendes Drei- Anschluß-Bauelement vorgeschlagen worden, das einen Kanal aus einem Supraleiter aufweist, der zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode so gebildet ist, daß ein durch den supraleitenden Kanal fließender Strom durch eine Spannung gesteuert wird, die an ein Gate angelegt wird, das über dem supraleitenden Kanal gebildet ist.
Sowohl der vorstehend genannte Transistor mit supraleitender Basis wie der Super-FET weisen einen Abschnitt auf, in welchem eine Halbleiterschicht und eine supraleitende Schicht übereinander angeordnet sind. Es ist jedoch schwierig, eine Stapelstruktur aus der Halbleiterschicht und der supraleitenden Schicht zu bilden, die aus einem oxidischen Supraleiter gebildet ist, der in jüngster Zeit zunehmend untersucht wurde. Selbst wenn es möglich ist, eine Stapelstruktur aus der Halbleiterschicht und der oxidischen supraleitenden Schicht zu bilden, ist es außerdem schwierig, eine Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht und der oxidischen supraleitenden Schicht zu steuern. Deshalb konnte bei diesen supraleitenden Bauteilen ein zufriedenstellender Betrieb nicht erzielt werden.
Da der Super-FET den supraleitenden Nachbarschaftseffekt verwendet, müssen außerdem die supraleitende Source-Elektrode und die supraleitende Drain-Elektrode nahe aneinander und unter einem Abstand angeordnet werden, der ein geringzahliges Vielfaches der Kohärenzlänge des Supraleitermaterials der supraleitenden Source-Elektrode und der supraleitenden Drain-Elektrode beträgt. Da der oxidische Supraleiter eine kurze Kohärenzlänge hat, muß insbesondere dann, wenn die supraleitende Source-Elektrode und die supraleitende Drain-Elektrode aus dem oxidischen supraleitenden Material gebildet sind, ein Abstand zwischen der supraleitende Source-Elektrode und der supraleitende Drain- Elektrode in der Größenordnung von wenigen zehn Nanometern betragen. Es ist sehr schwierig, eine Feinverarbeitung, wie beispielsweise ein Feinmuster- bzw. Feinstrukturätzen, so durchzuführen, daß der sehr kurze Trennabstand gewährleistet ist. Aufgrund dessen ist es beim Stand der Technik unmöglich, den Super-FET herzustellen, der aus dem oxidischen supraleitenden Material besteht.
Ferner ist bestätigt worden, daß das herkömmliche supraleitende Drei-Anschluß-Bauelement mit dem supraleitenden Kanal einen Modulationsbetrieb bzw. eine Modulationsarbeitsweise zeigt. Das herkömmliche supraleitende Drei-Anschluß-Bauelement mit dem supraleitenden Kanal konnte jedoch nicht einen vollständigen EIN/AUS-Schaltvorgang realisieren, weil eine Trägerdichte zu hoch ist. Da ein oxidisches supraleitendes Material eine niedrige Trägerdichte aufweist, wird in diesem Zusammenhang erwartet, daß ein supraleitendes Drei-Anschluß-Bauelement gebildet werden kann, das einen supraleitenden Kanal aufweist und das den vollständigen EIN/AUS-Schaltvorgang realisieren kann, indem der supraleitende Kanal aus dem oxidischen supraleitenden Material gebildet wird. In diesem Zusammenhang muß jedoch eine Dicke des supraleitenden Kanals in der Größenordnung von fünf Nanometern realisiert werden.
Andererseits weisen typische Zwei-Anschluß-Bauelemente, die einen Supraleiter verwenden, ein sogenanntes Josephson-Bauelement auf, das ein Paar von Supraleitern aufweist, die miteinander durch eine Tunnelgrenzschicht verbunden sind. Das Josephson-Bauelement kann ein Hochgeschwindigkeitsschalten realisieren
Das Josephson-Bauelement, das aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht gebildet ist, kann in Form eines ebenen bzw. planaren Typs realisiert sein, der in einen Dayem-Brücken(DMB)- Typ und einen Brücken-Typ mit variabler Dicke (VTB) unterteilt ist.
Das Dayem-Brücken-Typ-Josephson-Bauelement ist aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht konstanter Dicke gebildet, die auf einem Substrat gebildet ist und die in Draufsicht mit einem Muster bzw. einer Struktur versehen ist, so daß ein supraleitender Dünnschichtbereich mit sehr schmaler Breite zwischen einem Paar von supraleitenden Dünnschichtbereichen mit ausreichender Breite gebildet ist. Mit anderen Worten ist das Paar von supraleitenden Dünnschichtbereichen mit ausreichender Breite miteinander durch den supraleitenden Dünnschichtbereich verbunden, der die sehr schmale Breite hat. Eine schwache Verknüpfung bzw. Verbindung des Josephson-Übergangs in der supraleitenden Dünnschicht ist an bzw. in dem sehr schmalen Breitenbereich gebildet.
Andererseits ist das Josephson-Bauelement vom Brücken-Typ variabler Dicke aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit ausreichender Dicke gebildet, die auf einem Substrat gebildet ist und die in einer Dickenrichtung teilweise geätzt oder ausgedünnt wurde, so daß ein ausgedünnter oxidischer supraleitender Dünnschichtabschnitt zwischen einem Paar von supraleitenden Dünnschichtabschnitten mit ausreichender Dicke gebildet ist. Mit anderen Worten sind das Paar von supraleitenden Dünnschichtabschnitten mit der ausreichenden Dicke miteinander durch den ausgedünnten oxidischen supraleitenden Dünnschichtabschnitt verbunden. Demnach ist eine schwache Josephson-Übergangsverknüpfung am bzw. im Abschnitt verringerter Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht gebildet.
Wie aus Vorstehendem hervorgeht, hat eine Kennlinie des Josephson-Bauelements vom ebenen Typ eine enge Beziehung zur Breite des supraleitenden Dünnschichtbereichs mit der sehr schmalen Breite in dem Dayem-Brücken-Typ-Josephson-Bauelement und mit der Dicke des ausgedünnten oxidischen Dünnschichtabschnitts in dem Josephson-Bauelement vom Brücken-Typ variabler Breite, wobei beide die schwache Josephson-Übergangsverknüpfung bilden. Um eine gewünschte Kennlinie mit guter Wiederholbarkeit zu erzielen, ist deshalb eine hohe Präzision auf dem Submikrometer-Verarbeitungsniveau, wie beispielsweise dem Ätzen, erforderlich.
Von dem Dayem-Brücken-Typ-Josephson-Bauelement kann gesagt werden, daß es gegenüber dem Josephson-Bauelement vom Brücken-Typ variabler Dicke stärker bevorzugt ist, weil das Dayem-Brücken- Typ-Josephson-Bauelement eine relativ ebenere Oberfläche aufweist, was in einer integrierten Schaltung bevorzugt ist. Um die schwache Verknüpfung in dem Dayem-Brücken-Typ-Josephson- Bauelement zu bilden, ist es jedoch erforderlich, eine oxidische supraleitende Dünnschicht mit der Dicke in der Größenordnung von 0,5 µm bis 1,0 um in eine Breite von nicht mehr bzw. größer als 0,2 µm zu strukturieren. Es ist jedoch sehr schwierig, diese Feinstrukturierung mit guter Wiederholbarkeit auszuführen.
Andererseits ist bei dem Josephson-Bauelement vom Brücken-Typ variabler Dicke eine sehr feine Strukturierung nicht erforderlich, um die schwache Verknüpfung zu bilden. Es ist jedoch sehr schwierig, die verbleibende Dicke des ausgedünnten Abschnitts gleichmäßig zu steuern, der die schwache Verknüpfung bildet. Außerdem kann das Josephson-Bauelement vom Brücken-Typ variabler Dicke keine zufriedenstellend ebenere Oberfläche aufweisen. Dies ist für eine Anwendung bei integrierten Schaltungen nicht wünschenswert.
Außerdem offenbart die europäische Patentanmeldung Nr. 0 280 308 ein supraleitendes Bauelement mit einem Substrat 8, auf dem ein Vorsprung vorhanden ist, und eine oxidische supraleitende Dünnschicht, die auf dem Substrat gebildet ist, und deren c-Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrats verläuft und die den Vorsprung abdeckt.

Zusammenfassung der Erfindung

Demnach besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein supraleitendes Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen, welche die vorstehend genannten Nachteile der herkömmlichen Bauteile und Verfahren überwinden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein supraleitendes Bauteil vom FET-Typ zu schaffen, das einen Kanal aufweist, der aus einer oxidischen supraleitenden Schicht besteht, die eine ebene Oberseite und eine teilweise verringerte Dicke hat, und ein Verfahren zum Herstellen derselben mit guter Wiederholbarkeit unter Verwendung vorhandener etablierter Verarbeitungstechniken.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein supraleitendes Josephson-Übergangsbauelement mit schwacher Verknüpfung zu schaffen, das aus einer oxidischen supraleitenden Schicht besteht, die eine ebene Oberseite und eine teilweise verringerte Dicke aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen desselben mit guter Wiederholbarkeit unter Verwendung vorliegender etablierter Verarbeitungstechniken.
Die vorstehend genannten sowie weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch ein supraleitendes Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.
Eine Gate-Elektrode kann durch eine isolierende Grenzschicht bzw. Grenzfläche auf dem ausgedünnten Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht gebildet werden, die auf dem Vorsprung des Substrats angeordnet ist, so daß der elektrische Strom, der zwischen den ersten und zweiten Elektroden durch den ausgedünnten Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht fließt, durch eine Spannung gesteuert wird, die an die Gate-Elektrode angelegt wird. In diesem Fall bildet das supraleitende Bauelement einen Super-FET, und eine der ersten und zweiten Elektroden bildet eine Source-Elektrode und die andere bildet eine Drain-Elektrode. In diesem Zusammenhang können die ersten und zweiten Elektroden und die Gate-Elektroden aus einem supraleitenden Material gebildet werden; sie können jedoch auch aus einem anderen als dem supraleitenden Material, wie beispielsweise einem normal leitenden Material, gebildet werden.
Wie vorstehend angeführt, fließt in dem herkömmlichen Super-FET ein supraleitender Strom durch den Halbleiterkanal aufgrund des supraleitenden Nachbarschaftseffekts. In dem Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung fließt jedoch ein Hauptstrom durch den Supraleiter. Deshalb kann die Beschränkung hinsichtlich der Feinverarbeitungstechniken, die zur Herstellung des Super-FET erforderlich sind, gelockert werden.
Das vorstehend genannte supraleitende Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 8 gebildet werden.
Wie vorstehend erläutert, wird bei dem herkömmlichen supraleitenden Bauelement, nachdem die supraleitende Dünnschicht mit gleichmäßiger Dicke und flachen Ober- und Unterseiten gebildet wurde, die supraleitende Dünnschicht in Dickenrichtung teilweise abgeschliffen oder entfernt werden, um einen ausgedünnten supraleitenden Dünnschichtabschnitt zu bilden, der einen supraleitenden Kanal in dem Super-FET und eine schwache Verknüpfung in dem Josephson-Bauelement darstellt. Da jedoch die erforderliche Dicke des ausgedünnten supraleitenden Dünnschichtabschnitts sehr gering ist, ist eine hochgradige Präzision bei einer Feinverarbeitung (beispielsweise Ätzen) erforderlich gewesen, um eine gewünschte Kennlinie bzw. Eigenschaft des supraleitenden Bauelements zu erhalten.
Andererseits wird bei dem vorstehend genannten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die supraleitende Dünnschicht so gebildet, daß sie den Vorsprung abdeckt, woraufhin die gesamte Oberfläche der supraleitenden Dünnschicht abgetragen und eingeebnet wird. Deshalb ist es nicht länger erforderlich, eine hochgradige Feinverarbeitung, wie beispielsweise ein Feinätzen, auszuführen.
Da außerdem die Oberseite der supraleitenden Dünnschicht eine eingeebnete Oberseite aufweist, kann das supraleitende Bauelement sehr bequem in eine integrierte Schaltung eingebaut werden.
Bei dem Super-FET wird der supraleitende Kanal durch eine Spannung ein- und ausgeschaltet, die an die Gate-Elektrode angelegt wird. Deshalb muß eine Dicke des supraleitenden Kanals in der Größenordnung von fünf Nanometern in der Richtung eines elektrischen Felds betragen, das durch die Spannung erzeugt wird, die an die Gate-Elektrode angelegt wird. Dieser extrem dünne supraleitende Kanal kann in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deshalb leicht realisiert oder gebildet werden, weil der supraleitende Kanal aus dem oxidischen supraleitenden Dünnschichtabschnitt gebildet wird, der auf dem Vorsprung des Substrats angeordnet ist, und der durch Entfernen und Einebnen der gesamten Oberseite der oxidischen supraleitenden Dünnschicht extrem ausgedünnt wurde, die auf der Hauptfläche des Substrats gebildet ist, welche den Vorsprung aufweist.
Wenn die oxidische supraleitende Dünnschicht auf der Hauptseite des Substrats, die den Vorsprung aufweist, einfach abgeschieden oder aufgewachsen wird, ist die Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf dem Vorsprung dieselbe wie diejenige der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der Hauptfläche ohne den Vorsprung. Wie vorstehend angeführt, wird erfindungsgemäß die Gesamtheit der derart gebildeten oxidischen supraleitenden Dünnschicht so eingeebnet, daß der oxidische supraleitende Dünnschichtabschnitt auf dem Vorsprung ausgedünnt wird. Da die Gesamtheit der oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit einem hohen Grad an Steuerbarkeit leicht eingeebnet und entfernt werden kann, ist es möglich, relativ einfach bzw. problemlos die oxidische supraleitende Dünnschicht zu bilden, die eine gewünschte Dicke auf dem Vorsprung der Hauptfläche des Substrats hat.
Bei dem supraleitenden Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Substrat, auf welchem die oxidische supraleitende Dünnschicht abgeschieden ist bzw. wird, aus einem isolierenden Substrat gebildet sein, bevorzugt aus einem oxidischen einkristallinen Substrat, wie etwa MgO, SrTiO&sub3;, CdNdAlO&sub4; usw. Diese Substratmaterialien sind sehr wirksam beim Bilden oder Aufwachsen einer kristallinen Schicht mit einer hohen Orientierungs- bzw. Ausrichtungseigenschaft. Das Substrat kann jedoch auf einem Halbleitersubstrat gebildet werden, wenn eine geeignete Pufferschicht darauf abgeschieden wird.
Außerdem kann die oxidische supraleitende Dünnschicht aus unterschiedlichen oxidischen Supraleitermaterialien gebildet werden, beispielsweise aus einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, einem supraleitenden Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitenden Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxid.
Die vorstehend angeführten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in bezug auf die beiliegenden zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des supraleitenden Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A bis 2H zeigen schematische Schnittansichten zur Verdeutlichung des Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten supraleitenden Bauelements;
Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des supraleitenden Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 4A bis 4H zeigen schematische Schnittansichten zur Verdeutlichung des Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 3 gezeigten supraleitenden Bauelements.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des supraleitenden Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das gezeigte supraleitende Bauelement ist ein Super-FET.
Der Super-FET weist eine oxidische supraleitende Schicht 1 auf, die auf einer Hauptfläche eines Substrats 5 gebildet ist, die einen Vorsprung 50 hat. Die oxidische supraleitende Schicht 1 weist eine eingeebnete Oberseite auf, weshalb ein Abschnitt der oxidischen supraleitenden Schicht 1 auf dem Vorsprung dünner als der andere Abschnitt der oxidischen supraleitenden Schicht 1 ist. Dieser dünne Abschnitt der oxidischen supraleitenden Schicht 1 auf dem Vorsprung bildet einen supraleitenden Kanal 1A. Auf dem supraleitenden Kanal 1A ist eine Gate-Elektrode 4 durch einen Gate-Isolator 6 gebildet. Außerdem sind eine Source-Elektrode 2 und eine Drain-Elektrode 3 auf der oxidischen supraleitenden Schicht 1 zu beiden Seiten des supraleitenden Kanals 1A gebildet.
Nunmehr wird das Verfahren zur Herstellung des vorstehend genannten supraleitenden Bauelements in Bezug auf Fig. 2A bis 2H beschrieben.
Zunächst wird das Substrat 5 vorbereitet, wie in Fig. 2A gezeigt. Dieses Substrat 5 ist beispielsweise aus einem isolierenden Substrat, wie etwa einem MgO(100)-Substrat, einem SrTiO&sub3;(100)-Substrat oder anderen gebildet, oder aus einem Halbleitersubstrat, wie etwa einem Siliciumsubstrat, das eine Hauptfläche aufweist, die mit einer isolierenden Dünnschicht beschichtet ist. Wenn das Halbleitersubstrat verwendet wird, wird jedoch, nachdem der Vorsprung auf der Hauptfläche gebildet ist, die isolierende Dünnschicht auf der Hauptfläche gebildet.
Wie in Fig. 28 gezeigt, wird eine Photoresistmaske 8 auf einem Abschnitt der Hauptfläche des Substrats 5 entsprechend einer Vorsprungbildungsposition gebildet, und die Hauptfläche des Substrats 5 wird durch einen Trockenätzprozeß, wie beispielsweise Ar-Ionenätzen, selektiv geätzt oder ausgenommen, damit der Vorsprung 50 auf der Hauptfläche des Substrats 5 gebildet wird. Daraufhin wird die Photoresistmaske 8 entfernt.
In dem Fall, daß ein Halbleitersubstrat verwendet wird, ist eine kristalline Richtung wesentlich, weshalb der Prozeß modifiziert wird. Wenn beispielsweise ein Siliciumsubstrat verwendet wird, wird eine Photoresistmaske 8 so gebildet, daß sichergestellt ist, daß eine Gate-Längenrichtung (eine Kanalstromrichtung) parallel zu einer Si(100)-Ebene und senkrecht zu einer Si(110)-Ebene verläuft. Das Siliciumsubstrat, das teilweise mit dem Photoresist 8 maskiert ist, wird mit einer Ätzflüssigkeit, wie KOH oder APW so geätzt, daß ein Vorsprung 50 gebildet wird. Nachdem die Photoresistmaske 8 entfernt ist, wird die Hauptfläche mit dem Vorsprung 50 kontinuierlich mit MgAlO&sub4; durch CVD (chemische Dampfabscheidung) und mit BaTiO&sub3; durch einen Sputterprozeß beschichtet.
Wie in Fig. 2C gezeigt, wird daraufhin eine oxidische supraleitende Dünnschicht 1 auf der Hauptfläche des Substrats 5 durch beispielsweise Außer-Achsensputtern, reaktivem Verdampfen, MBE (Molekularstrahlepitaxie), CVD usw. abgeschieden. Das oxidische supraleitende Material ist bevorzugt beispielsweise aus einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, einem supraleitenden Bi- Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitenden Tl-Ba-Ca-Cu-O- Verbundoxid gebildet. Außerdem wird bevorzugt eine c-Achsenausgerichtete Dünnschicht abgeschieden, da die c-Achsen-ausgerichtete Dünnschicht eine große kritische Stromdichte in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche aufweist.
Die abgeschiedene oxidische supraleitende Dünnschicht 1 weist überall eine gleichmäßige Dicke auf. Deshalb ist es erforderlich, eine Oberseite der abgeschiedenen oxidischen supraleitenden Dünnschicht einzuebnen und einen oxidischen supraleitenden Dünnschichtabschnitt auf dem Vorsprung 50 auszudünnen. Zu diesem Zweck wird, wie in Fig. 5D gezeigt, eine Photoresistschicht 9 auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 derart abgeschieden, daß die abgeschiedene Photoresistschicht 9 eine ebene Oberseite hat.
Wie in Fig. 2E gezeigt, wird daraufhin ein Ar-Ionenätzen durchgeführt, bis die Oberseite der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 eingeebnet ist, und bis eine Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 auf dem Vorsprung 50 fünf Nanometer wird, um den supraleitenden Kanal 1A zu bilden.
Als nächstes wird eine Gate-Elektrode auf dem supraleitenden Kanal 1A gebildet. Diese Gate-Elektrode besteht bevorzugt aus einer isolierenden Schicht, die auf dem supraleitenden Kanal 1A gebildet ist, und einer Metallschicht, die über der isolierenden Schicht angeordnet ist. Wie in Fig. 2F gezeigt, werden zu diesem Zweck eine isolierende Schicht 6A und eine Metallschicht 7 nacheinander auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1 gebildet. Die isolierende Schicht 6A wird aus einem isolierenden Material, wie etwa MgO, gebildet, das zwischen der supraleitenden Dünnschicht 1 und der isolierenden Schicht 6A keine große Dichte an Energieniveaus bildet. Andererseits wird die Metallschicht 7 bevorzugt aus einem feuerfesten Material, wie Ti, W usw. oder Gold oder einem Silicid davon, gebildet.
Die Stapelschicht aus der Isolierschicht 6A und der Metallschicht 7 wird durch Ätzen selektiv so entfernt, daß die Gate- Elektrode 4 auflediglich dem supraleitenden Kanal 1A gebildet ist, wie in Fig. 2G gezeigt.
Wie in Fig. 2H gezeigt, werden schließlich eine Source-Elektrode 2 und eine Drain-Elektrode 3 aus Au auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht zu beiden Seiten der Gate-Elektrode 4 gebildet. Damit ist der Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung fertiggestellt.
Wenn der Super-FET gemäß der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend erläutert, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, wird die Feinverarbeitungstechnik, die zur Herstellung des Super-FET erforderlich ist, gelockert. Da außerdem die Oberseite der supraleitenden Dünnschicht eingeebnet ist, wird es leicht, in einem späteren Prozeß Leitungsverdrahtungen zu bilden. Demnach ist es leicht, den Super-FET mit guter Wiederholbarkeit herzustellen, und der hergestellte Super-FET weist ein stabiles Leistungsvermögen auf.
In Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des supraleitenden Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser zweiten Ausführungsform handelt es sich um ein Josephson-Bauelement.
Das Josephson-Bauelement weist ein Substrat 10 und eine oxidische supraleitende Dünnschicht 20 auf, die auf dem Substrat 10 gebildet ist. Das Substrat 10 weist einen Vorsprung 10A auf, der auf seiner Hauptfläche gebildet ist. Andererseits weist die oxidische supraleitende Dünnschicht 20, die auf dem Substrat 10 gebildet ist, eine eingeebnete Oberseite auf, und sie hat deshalb eine verringerte Dicke auf dem Vorsprung 10A.
Der Abschnitt verringerter Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 20 auf dem Vorsprung 10A bildet eine schwache Verknüpfung 20A des Josephson-Bauelements. Die oxidischen supraleitenden Dünnschichtabschnitte zu beiden Seiten der schwachen Verknüpfung 20A bilden ein Paar von supraleitenden Elektrodenbereichen 20B und 20C. Dadurch sind die schwache Verknüpfung 20A und die supraleitenden Elektrodenbereiche 20B und 20C aus einer einzigen oxidischen supraleitenden Dünnschicht gebildet, die integral auf dem Substrat abgeschieden ist. Außerdem kann ein Paar von normal leitenden Elektroden 30A und 30B auf den supraleitenden Elektrodenbereichen 20B und 20C gebildet werden.
Nunmehr wird ein Verfahren zum Herstellen des vorstehend genannten supraleitenden Bauelements in Bezug auf Fig. 4A bis 4H erläutert. Bei der Ausführungsform, die nachfolgend erläutert ist, wird ein supraleitendes Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid zum Bilden der oxidischen supraleitenden Dünnschicht verwendet.
Zunächst wird das Substrat 10 mit einer flachen bzw. ebenen oberen oder Hauptfläche, wie in Fig. 4A gezeigt, vorbereitet. Dieses Substrat 10 ist aus einem Siliciumsubstratwafer gebildet. Wie vorstehend erläutert, kann das Substrat jedoch aus einem isolierenden Substrat gebildet sein, wie beispielsweise einem MgO(100)-Substrat, einem CdNdAlO&sub3;(001)-Substrat oder anderen. Wenn diese Substrate verwendet werden, kann eine c- Achsen-ausgerichtete oxidische supraleitende Dünnschicht mit einer großen kritischen Stromdichte in einer Richtung parallel zu der Substratoberfläche auf dem Substrat gebildet werden.
Wie in Fig. 4B gezeigt, wird eine Photoresistschicht 12 gebildet, um die Gesamtheit der Hauptfläche des Substrats 10 abzudecken. Wie in Fig. 4C gezeigt, wird die Photoresistschicht 12 so strukturiert, um auf der Hauptfläche des Substrats 10 eine Photoresistmaske 14 zu bilden bzw. zu belassen, die in Draufsicht eine geringfügig größere Abmessung als diejenige einer Stromrichtungslänge des schwachen Verknüpfungsbereichs 20A eines endgülten oder fertiggestellten Josephson-Bauelements hat. In diesem Fall ist die Photoresistmaske 14 so gebildet, daß sichergestellt ist, daß eine Längenrichtung der Photoresistmaske 14 (eine Richtung senkrecht zur Papierfläche von Fig. 4C) parallel zu einer (110)-Ebene des Siliciumsubstrats 10 verläuft.
Wie in Fig. 4D gezeigt, wird deshalb die Hauptfläche des Substrats 10, die teilweise mit der Photoresistmaske 14 abgedeckt bzw. maskiert ist, mit einer Ätzflüssigkeit, wie etwa KOH oder APW, derart naßgeätzt, daß ein Vorsprung 10A auf der Hauptfläche des Substrats gebildet wird. Bei diesem Ätzprozeß ist es durch Fördern eines Seitenätzens möglich, den Vorsprung 10A so zu bilden, daß er eine Breite hat, die kürzer ist als die Photoresistmaske 14 in der Stromrichtungslänge des schwachen Verknüpfungsbereichs 20A des endgültigen oder vollständig hergestellten Josephson-Bauelements.
Da wie vorstehend angeführt, das Substrat 10 aus dem Siliciumwafer gebildet ist, ist es erforderlich, eine Pufferschicht auf dem Substrat 10 zu bilden, bevor die oxidische supraleitende Dünnschicht auf dem Substrat 10 abgeschieden wird. Für diesen Zweck wird die Hauptfläche mit dem Vorsprung 10A, nachdem die Photoresistmaske 14 entfernt ist, kontinuierlich mit MgAlO&sub4; durch CVD und mit BaTiO&sub3; durch einen Sputterprozeß beschichtet, so daß eine Pufferschicht 16 auf der Hauptfläche des Substrats 10 gebildet ist.
Wie in Fig. 4F gezeigt, wird daraufhin eine oxidische supraleitende Dünnschicht 20 auf der Pufferschicht 16 abgeschieden. Die abgeschiedene oxidische supraleitende Dünnschicht 20 muß eine Dicke aufweisen, die größer ist als eine Höhe des Vorsprungs 10A. Die oxidische supraleitende Dünnschicht 20 kann beispielsweise durch Außer-Achsensputtern, reaktives Verdampfen, CVD usw. abgeschieden werden. Bei diesem Beispiel wird das Außer- Achsensputtern unter der Bedingung durchgeführt, daß ein Sputtergas aus Ar und O&sub2; mit der Rate bzw. dem Verhältnis Ar : O&sub2; = 9 : 1 zusammengesetzt ist, der Sputtergasdruck 10 Pa beträgt und die Temperatur 700ºC beträgt.
Die abgeschiedene oxidische supraleitende Dünnschicht 20 hat überall eine gleichmäßige Dicke und damit einen Vorsprung entsprechend dem Vorsprung 10A des Substrats 10. Deshalb ist es erforderlich, die Oberseite der abgeschiedenen oxidischen supraleitenden Dünnschicht einzuebnen und einen oxidischen supraleitenden Dünnschichtabschnitt auf dem Vorsprung 10A auszudünnen. Wie in Fig. 4G gezeigt, wird zu diesem Zweck eine Photoresistschicht 22 auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 20 derart abgeschieden, daß die abgeschiedene Photoresistschicht 22 eine ebene Oberseite hat.
Wie in Fig. 4H gezeigt, wird daraufhin ein reaktives Ionenätzen oder ein anderer Ätzprozeß so durchgeführt, daß die Photoresistschicht 22 und die oxidische supraleitende Dünnschicht 20 rückgeätzt werden und die Oberseite der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 20 eingeebnet ist.
Mit dieser Einebnung der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 20 wird die Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 20 auf dem Vorsprung 10A dünner als diejenige der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 20 auf dem anderen Abschnitt bzw. Teil der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 20. Deshalb wird der Rückätzprozeß so gesteuert, daß sichergestellt ist, daß der dünnere Abschnitt 20A der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 20 auf dem Vorsprung 10A eine Dicke hat, durch die eine schwache Verknüpfung des Josephson-Bauelements gebildet werden kann. Insbesondere wird die Dicke des dünneren Abschnitts 20A so gesteuert, daß sie in der Größenordnung von fünf bis zehn Nanometern liegt.
Die Erfindung ist in Bezug auf die speziellen Ausführungsformen dargestellt und erläutert worden. Es wird jedoch bemerkt, daß die vorliegende Erfindung in keinster Weise auf die Einzelheiten der dargestellten Strukturen beschränkt ist; vielmehr können Abwandlungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche ausgeführt werden.

Claims

1. Supraleitendes Josephson-Bauelement mit einem Substrat (5), welches einen isolierenden Vorsprung (50) auf einer Hauptoberfläche aufweist und mit einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1), welche den Vorsprung (50) auf der Hauptoberfläche bedeckt und die eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidische supraleitende Dünnschicht (1) einen dünnen Abschnitt auf dem Vorsprung, einen ersten dicken Abschnitt an einer Seite des Vorsprungs und einen zweiten dicken Abschnitt an der anderen Seite des Vorsprungs aufweist, wobei der dünne Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünrischicht (1) auf dem Vorsprung (50) des Substrates (5) eine Dicke von 5 bis 10 Nanometern aufweist, um so einen schwachen JosephsonÜbergang zu bilden, so daß ein Supraleitungsstrom zwischen dem ersten dicken Abschnitt und dem zweiten dicken Abschnitt durch den dünnen Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht fließen kann.

2. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die oxidische supraleitende Dünnschicht (1) aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, einem supraleitenden Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitenden Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxid.

3. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 2, bei dem die oxidische supraleitende Dünnschicht (1) eine Einkristallschicht mit c-Achsorientierung ist.

4. Supraleitendes Bauteile mit einem Substrat (5) welches einen isolierenden Vorsprung (50) auf einer Hauptoberfläche aufweist und mit einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1), welche den Vorsprung (50) auf der Hauptoberfläche bedeckt und eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, wobei die oxidische supraleitende Schicht (1) einen dünnen Abschnitt auf dem Vorsprung, einen ersten dicken Abschnitt an einer Seite des Vorsprungs und einen zweiten dicken Abschnitt an der anderen Seite des Vorsprungs aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Elektrode auf dem ersten dicken Abschnitt und eine zweite Elektrode auf dem zweiten dicken Abschnitt ausgebildet ist, so daß ein Supraleitungsstrom zwischen den ersten und zweiten Elektroden durch den Abschnitt verringerter Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1) fließen kann, daß eine Gate- Elektrode (4) auf dem Abschnitt verringerter Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1) auf dem Vorsprung des Substrates (5) ausgebildet ist, so daß das supraleitende Bauteil einen Super-FET darstellt und daß der dünne Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1) auf dem Vorsprung (50) des Substrats eine Dicke in der Größenordnung von 5 bis 10 Nanometern aufweist, um so einen supraleitenden Kanal (1A) auszubilden, so daß ein Supraleitungsstrom, der zwischen der ersten und zweiten Elektrode durch den dünnen Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht fließt durch eine an die Gate-Elektrode (4) angelegte Spannung gesteuert werden kann.

Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 4, bei dem sowohl die erste als auch die zweite Elektrode und die Gate-Elektrode aus einem supraleitenden Material oder aus einem normal leitenden Material bestehen.

6. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (5) aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem MgO(100)-Substrat, einem SrTiO&sub3;(110)-Substrat, einem CdNdAlO&sub3;(001)-Substrat und einem Halbleiter-Substrat.

7. Supraleitendes Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (5) aus einem Halbleitersubstrat besteht und mit einer isolierenden Schicht bedeckt ist, die aus einer

8. MgAlO&sub4;-Schicht und aus einer BaTiO&sub3;-Schicht besteht.

9. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils, umfassend die Schritte des Herstellens eines Substrates (5), mit einem Vorsprung (50) auf einer seiner Hauptoberflächen, des Ausbildens einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1) auf dieser Hauptoberfläche des Substrats einschließlich des Vorsprungs (50), dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) bearbeitet wird durch ausgewähltes Ausbilden einer Widerstandsschicht (8) auf einem Vorsprung, der auf der Hauptoberfläche des Substrats angeordnet ist, des Ätzens der Hauptoberfläche des Substrats, wobei die Widerstandsschicht (8) als Maske dient, so daß auf der Hauptoberfläche des Substrats (5) ein Vorsprung (50) entsteht mit einer Breite&sub1; die kleiner ist als diejenige der Widerstandsmaske durch ein Seitenätzverfahren; die oxidische supraleitende Dünnschicht (1) weist dabei eine Dicke auf, die größer ist als die Höhe des Vorsprungs, wobei die gesamte obere Oberfläche der oxidischen supraleitenden Dünnschicht eine ebene Oberfläche aufweist und damit eine Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf dem Vorsprung in der Größenordnung von 5 bis 10 Nanometern, wobei diese geringer ist als die Dicke einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf den übrigen Teilen des Substrats.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem nach der Ausbildung der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1) eine Widerstandsschicht (9) auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (1) derart abgeschieden wird, daß eine ebene Oberfläche entsteht, wobei die Widerstandsschicht (9) und die oxidische supraleitende Dünnschicht (1) so lange zurückgeätzt werden, bis die oxidische supraleitende Dünnschicht eine ebene Oberfläche aufweist.