DE69210523T2

DE69210523T2 - Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Schichten aus supraleitendem Oxyd in denen nicht-supraleitende Gebiete vorkommen und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements welches solche Schichten enthält

Info

Publication number: DE69210523T2
Application number: DE69210523T
Authority: DE
Inventors: Michitomo Iiyama; So Tanaka
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-08-28
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: CA2077047C; EP0534811A3; CA2077047A1; EP0534811A2; EP0534811B1; US5462919A; DE69210523D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils und einer supraleitenden Dünnschicht und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht mit einem nicht- supraleitenden Bereich, z. B. einer isolierenden Schicht in ihr, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils, welches diese supraleitende Dünnschicht enthält sowie eine dafür hergestellte supraleitende Dünnschicht.

Beschreibung des verwandten Gebietes

Zur Herstellung supraleitender Bauteile, welche einen oxidischen Supraleiter aufweisen, ist es erforderlich, eine oxidische, supraleitende Dünnschicht herzustellen. So ist z. B. zur Herstellung einer Josephson-Tunnelanordnung, welche einen SIS (Supraleiter-Isolator-Supraleiter)-Übergang aufweist, notwendig, einen Aufbau zu verwenden, welcher eine erste oxidische supraleitende Dünnschicht, eine darauf angeordnete isolierende Dünnschicht und eine zweite oxidische supraleitende Dünnschicht auf der isolierenden Schicht aufweist. Die Dicke der isolierenden Dünnschicht dieses SIS-Übergangs wird durch die Kohärenzlänge des Supraleiters bestimmt. Da ein oxidischer Supraleiter eine äußerst kurze Kohärenzlänge aufweist, beträgt die Dicke der isolierenden Dünnschicht eines SIS-Übergangs unter Verwendung eines oxidischen Supraleiters vorzugsweise nur eine wenige Nanometer.
Es wurde bereits ein supraleitendes Bauteil mit drei Anschlüssen vorgeschlagen, welches einen supraleitenden Kanal aufweist zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain- Elektrode, so daß der durch den supraleitenden Kanal fließende Strom durch eine an eine Gate-Elektrode oberhalb des supraleitenden Kanals angelegte Spannung gesteuert werden kann.
Zur Steuerung des durch den supraleitenden Kanal fließenden Stromes durch die an die Gate-Elektrode anlegte Spannung sollte der supraleitende Kanal des oben erwähnten supraleitenden Bauteils mit drei Anschlüssen, ein sogenannter Super-FET, eine äußerst dünne supraleitende Schicht sein. Die Dicke dieser äußerst dünnen supraleitenden Dünnschicht beträgt vorzugsweise 5 Nanometer, sofern der supraleitende Kanal aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht besteht. Oftmals ist ein Gate-Isolator zwischen dem supraleitenden Kanal und der Gate- Elektrode vorgesehen.
Sowohl die Josephson-Tunnelanordnung als auch der Super-FET weisen einen Bereich auf, in dem eine supraleitende Schicht und eine isolierende Schicht übereinander angeordnet sind. Wird die isolierende Schicht auf einem Abschnitt der supraleitenden Schicht abgeschieden, so wird üblicherweise eine Fotowiderstandsschicht verwendet, um bestimmte Bereiche zu maskieren, auf denen die isolierende Schicht nicht abgeschieden werden soll. Anschließend wird die Fotowiderstandsschicht entfernt, wobei jedoch Reste der Fotowiderstandsschicht zurückbleiben können, wodurch die Oberfläche der supraleitenden Schicht beeinträchtigt wird. Im Falle einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht kann das Entfernungsmittel für die Fotowiderstandsschicht mit der oxidischen supraleitenden Dünnschicht derart reagieren, daß die Oberfläche der oxidischen supraleitenden Dünnschicht nicht nur die Supraleitfähigkeit verliert, sondern auch aufgerauht wird.
Sofern eine andere Dünnschicht auf der kontaminierten Oberfläche der oben erwähnten oxidischen supraleitenden Dünnschicht abgeschieden wird, ist es schwierig, eine kristalline Dünnschicht auf einer derart kontaminierten Oberfläche abzuscheiden. Das bedeutet, daß eine Übereinanderlagerung, bei der Dünnschichten aufeinander folgend, auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht abgeschieden werden, nicht die erwünschten Eigenschaften aufweist, so daß es schwierig wird, einen derartigen Aufbau mit einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht für supraleitende Bauteile einzusetzen.
Die Veröffentlichung JP-A-1-11378 beschreibt die Umwandlung eines Oberflächenabschnitts einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht in einen nicht-supraleitenden Zustand, im wesentlichen durch Sauerstoffentzug in einem Edelgasstrom.
Die ältere europäische Patentanmeldung EP-A-0 488 857 beschreibt ein supraleitendes Bauteile mit drei Anschlüssen, welches einen auf der Oberfläches eines Substrats abgeschiedenen dünnen supraleitenden Kanal, zwei dicke supraleitende Bereiche auf dem supraleitenden Kanal, eine nicht-supraleitenden Schicht auf dem supraleitenden Kanal und eine metallische Elektrode auf der nicht-supraleitenden Schicht aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist demzufolge ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile der herkömmlichen Schichten überwunden werden.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile der herkömmlichen Bauteile überwunden werden.
Dieses sowie weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren erreicht zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht gemäß dem Anspruch 1.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die oxidische supraleitende Dünnschicht auf eine Temperatur im Bereich von 350 bis 400ºC aufgeheizt, um ihren Oberflächenabschnitt in eine nicht-supraleitenden Schicht umzuwandeln. Sauerstoff aus oxidischen supraleitenden Kristallen dringen am besten in einem Temperaturbereich von 350 bis 400ºC ein. Aus diesem Grunde wird die oxidische supraleitende Dünnschicht auf eine Temperatur im Bereich von 350 bis 400ºC aufgeheizt, um so die Verarbeitungszeit abzukürzen. Wird die oxidische supraleitende Dünnschicht auf eine Temperatur von mehr als 400ºC aufgeheizt, so kann sich der oxidische Supraleiter zersetzen, so daß er keine Supraleitfähigkeit mehr aufweist, wenn Sauerstoff zugeführt wird. Wird hingegen die Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 350 bis 400ºC durchgeführt, so ist es einfach, die Dicke der nicht-supraleitenden Schicht über die Zeit zu steuern. Der bevorzugte Druck während der Wärmebehandlung beträgt nicht mehr als 1,333 x 10&supmin;&sup7; Pa (1x10&supmin;&sup9; Torr).
Vorzugsweise wird die nicht-supraleitenden Schicht auf eine Temperatur im Bereich von 350 bis 400ºC aufgeheizt, um den Abschnitt der nicht-supraleitenden Schicht in einen oxidischen Supraleiter umzuwandeln. In diesem Fall wird der Druck des O&sub2; vorzugsweise aus einem Bereich ausgewählt, der zwischen 0,01333 bis 13,33 Pa (0,1 bis 100 mTorr) liegt.
Andererseits kann die Supraleitfähigkeit wieder hergestellt werden, wenn eine oxidische supraleitende Dünnschicht auf der nicht-supraleitenden Schicht ausgebildet wird. Dies bedeutet, daß die Ausbildung einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der nicht-supraleitenden Schicht die gleiche Auswirkung hat, wie die oben erwähnte Wärmebehandlung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die oxidische supraleitende Dünnschicht eine oxidische supraleitende Dünnschicht, mit c-Achsorientierung, da eine derartige Dünnschicht eine große kritische Stromdichte in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche aufweist.
Es ist wunschenwert, daß der oxidische Supraleiter ein oxidischer Supraleiter mit hoher Tc (hoher kritischer Temperatur) ist. Derartige oxidische Supraleiter mit hoher Tc wurden seit ihrer Entdeckung durch Bednorz und Müller 1986 von vielen Forschern untersucht, insbesondere oxidische Supraleiter mit einer kritischen Temperatur von nicht weniger als 30º. Von besonderem Interesse sind dabei oxidische Supraleiter mit hoher Tc vom Kupfer-Verbundoxid, beispielsweise supraleitende Y-Ba- Cu-O-Verbundoxide, supraleitende Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxide und supraleitende Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxide.
Das Substrat auf dem die oxidische supraleitende Schicht abzuscheiden ist, kann aus einem isolierendem Substrat, vorzugsweise einem oxidischen Einkristall-Substrat wie z. B. aus MgO, SrTiO&sub3;, CdNdAlO&sub4; und dgl. bestehen. Diese Substratmaterialien sind äußerst wirksam bei der Ausbildung oder dem Aufwachsen einer kristallinen Schicht mit hochqualitativer Supraleitfähigkeit. Supraleitende Schichten können auch auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden, wenn eine geeignete Pufferschicht darauf abgeordnet wird. Die Pufferschicht auf einem Halbleitersubstrat kann z. B. aus einer Doppelbeschichtung bestehen, aus MgAlO&sub4; und BaTiO&sub3;, wenn Silizium als Substrat verwendet wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils, wobei das Verfahren die Schritte aufweist des Ausbildens auf einer Substratoberfläche einer ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht, des Aufheizens der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht in einem Hochvakuum, so daß Sauerstoff aus den oxidischen supraleitenden Kristallen aus der Oberfläche der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht austritt und ein Oberflächenabschnitt der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit nicht unerheblicher Dicke in eine nicht-supraleitende Schicht aus einem Verbundoxid umgewandelt wird, welche aus den gleichen Bestandselementen besteht wie diejenigen des oxidischen Supraleiters, jedoch einen Sauerstoffgehalt aufweist, der geringer ist als derjenige des oxidischen Supraleiters, wobei ein dünner supraleitender Kanal unterhalb der nicht-supraleitenden Schicht entsteht, des Ausbildens einer metallischen Elektrode auf einem Bereich der nicht-supraleitenden Schicht und des Ausbildens einer zweiten oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf dem oxidischen Supraleiter auf dem freiliegenden Abschnitt der nicht- supraleitenden Schicht, so daß Sauerstoff in die nicht- supraleitenden Schicht von der freigelegten Oberfläche eindringt und das Verbundoxid des freigelegten Abschnitts der nicht-supraleitenden Schicht in einen supraleitenden Abschnitt des oxidischen Supraleiters umgewandelt wird, so daß die zweite oxidische supraleitende Dünnschicht elektrisch mit dem supraleitenden Kanal verbunden wird mittels des wieder umgewandelten supraleitenden Bereichs.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt des Ausbildens auf eine Substratoberfläche, einer c- achsorientierten oxidischen supraleitenden Dünnschicht, des Aufheizens der c-achsorientierten oxidischen supraleitenden Dünnschicht in einem Hochvakuum, so daß Sauerstoff aus dem oxidischen supraleitenden Kristallen aus der Oberfläche der c- achsorientierten oxidischen supraleitenden Dünnschicht austritt und ein Oberflächenabschnitt der ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht mit einer erheblichen Dicke in eine nicht-supraleitenden Schicht aus einem Verbundoxid umgewandelt wird, welche aus den gleichen Bestandselementen besteht wie diejenigen des oxidischen Supraleiters, jedoch einen Sauerstoffgehalt aufweist, der geringer ist als derjenige des oxidischen Supraleiters und wobei ein dünner supraleitender Kanal unter der nicht-supraleitenden Schicht ausgebildet wird, des Ausbildens einer isolierenden Schicht und einer Metallschicht, die auf der isolierenden Schicht angeordnet sind, des Ätzens der Metallschicht und der isolierenden Schicht, so daß eine Gate-Elektrode auf einem Gate-Isolator ausgebildet wird in einem Mittenabschnitt der nicht- supraleitenden Schicht, des Ausbildens von isolierenden Bereichen zu beiden Seiten der Gate-Elektrode und des Ausbildens einer a-achsorientierten oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf dem freigelegten Abschnitt der nicht- supraleitenden Schicht, so daß Sauerstoff in die nicht- supraleitenden Schicht von den freigelegten Oberflächen eindringt und das Verbundoxid des freigelegten Abschnitts der nicht-supraleitenden Schicht in supraleitende Bereiche des oxidischen Supraleiter umgewandelt wird, während die a- achsorientierte oxidische supraleitende Dünnschicht abgeschieden wird, so daß ein supraleitender Source-Bereich und ein supraleitender Drain-Bereich, welche von der Gate-Elektrode isoliert sind und die elektrisch miteinander über die abgeschiedenen supraleitenden Bereiche miteinander verbunden sind sowie ein supraleitender Kanal unterhalb der Gate- Elektrode ausgebildet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine supraleitende Dünnschicht auf einem Substrat geschaffen, mit wenigstens einem supraleitenden Bereich aus einem oxidischen Supraleiter, mit wenigstens einem isolierendem Bereich aus einem Verbundoxid, welches aus den gleichen Bestandselementen besteht, wie diejenigen des oxidischen Supraleiters, jedoch einen Sauerstoffgehalt aufweist, der geringer ist als derjenige des oxidischen Supraleiters bei und in der Nähe eines Oberflächenabschnitts mit einer erheblichen Dicke sowie mit einem supraleitenden Kanal aus dem oxidischen Supraleiter unterhalb des nicht-supraleitenden Oberflächenabschnitts.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die supraleitenden Bereiche in Form eines supraleitenden Pfades oder einer supraleitenden Schaltung ausgestaltet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein supraleitendes Bauteil geschaffen mit einem Substrat, einem äußerst dünnen supraleitenden Kanal, der auf einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der Hauptoberfläche des Substrats ausgebildet ist, mit drei supraleitenden Bereichen von relativ großer Dicke bestehend aus dem oxidischen Supraleiter auf dem supraleitenden Kanal, wobei sie voneinander getrennt sind, elektrisch jedoch über den supraleitenden Kanal verbunden sind, so daß ein Supraleitungsstrom durch den supraleitenden Kanal fließen kann zwischen einem Paar supraleitender Bereiche und mit zwei Gate-Elektroden oberhalb von Gate-Isolatoren aus den gleichen Bestandselementen wie der Supraleiter, wobei sie auf dem supraleitenden Kanal derart angeordnet sind, daß sie den durch den supraleitenden Kanal fließenden Supraleitungsstrom steuern.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein supraleitendes Bauteil geschaffen, mit einem Substrat, mit einem äußerst dünnen supraleitenden Kanal bestehend aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der Hauptoberfläche des Substrats, mit einem supraleitenden Source-Bereich und mit einem supraleitenden Drain-Bereich mit relativ großer Dicke aus dem oxidischern Supraleiter auf dem supraleitenden Kanal, die voneinander getrennt sind, jedoch elektrisch über den supraleitenden Kanal verbunden sind, so daß ein Supraleitungsstrom durch den supraleitenden Kanal fließen kann zwischen dem supraleitenden Source-Bereich und dem supraleitenden Drain-Bereich und mit einer Gate-Elektrode und einem Gate-Isolator bestehend aus den gleichen Bestandsatomen wie der Supraleiter und auf dem supraleitenden Kanal ausgebildet zur Steuerung des durch den supraleitenden Kanal fließenden Supraleitungsstromes und mit einem isolierenden Bereich, welcher die Gate-Elektrode dergestalt umgibt, daß die Gate-Elektrode elektrisch vom supraleitenden Kanal isoliert ist sowie von dem supraleitenden Source-Bereich und dem supraleitenden Drain-Bereich.
Diese und andere Ziele, Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung besser hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1A bis 1E zeigen schematische Schnitte zur Darstellung eines ersten Ausführungsbeipiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht,
Figur 2A bis 2E zeigen schematische Schnitte zur Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils und
Figur 3A bis 3H zeigen schematische Schnitte zur Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Super-FET.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiel 1

Figur 1A bis 1E zeigt ein erstes Ausführungssbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der supraleitenden Dünnschicht.
Aus Figur 1A geht hervor, daß ein Substrat 1 mit einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ auf seiner Hauptoberfläche beschichtet wurde. Dabei wird vorzugsweise eine Dünnschicht mit c-Achsorientierung abgeschieden, da eine Dünnschicht mit c-Achsorientierung eine große kritische Stromdichte in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche ermöglicht.
Die Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ weist eine Dicke von beispielsweise 400 Nanometern auf und ist auf der Hauptoberfläche des Substrats 1 z. B. durch eine achsversetzte Zerstäubung, eine reaktive Verdampfung, ein MBE-Verfahren (Molekularstrahl-Epitaxie), ein CVD-Verfahren oder dgl. abgeschieden. Die Bedingungen zur Ausbildung der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ mit c- Achsorientierung durch die achsversetzte Zerstäubung lauteten wie folgt:
Zerstäubungsgas Ar: 90 %
O&sub2;: 10 %
Gesamtdruck 6,665 Pa
(5 x 10&supmin;² Torr)
Substrattemperatur 700ºC
Danach wird die oxidische supraleitende Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ auf eine Temperatur von 375ºC im Hochvakuum aufgeheizt, bei einem Kammerdruck von weniger als 1,333 x 10&supmin;&sup7; Pa (1 x 10&supmin;&sup9; Torr). Dabei lauteten die Bedingungen für die Wärmebehandlung:
Druck ≤ 1,333 x 10&supmin;&sup7; Pa (≤1 x 10&supmin;&sup9; Torr)
Substratemperatur 375ºC
Heizdauer 10 Minuten
Nach der Wärmbehandlung hatte sich gemäß Figur 1B ein Oberflächenabschnitt mit einer Dicke von 15 Nanometern der oxidischen supraleitenden Dünnschicht aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ in eine nicht-supraleitende Schicht 21 aus nicht-supraleitendem Oxid aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-&epsi; (δ< &epsi;< 7) umgewandelt. Der untere Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ wird dabei zu einem supraleitenden Kanal 20.
Gemäß Figur 1C werden anschließend Fotowiderstandsschichten 41 42 und 43 oberhalb der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ ausgebildet, nämlich auf der nicht- supraleitenden Schicht 21, getrennt voneinander. Danach wird die oxidische supraleitende Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ auf eine Temperatur von 375ºC in einer Sauerstoffatrnosphäre aufgeheizt. Dabei lauteten die Bedingungen für die Wärmebehandlung:
O&sub2; Druck 1,333 Pa ( 1x10&supmin;² Torr)
Substratemperatur 375ºC
Heizdauer 10 Minuten
Während dieser Wärmebehandlung dringt Sauerstoff in die freiliegenden Oberflächenabschnitte 25 und 26 der nicht- supraleitenden Schicht 21 ein, so daß das nicht-supraleitende Oxid aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-&epsi; dieser Abschnitte in einen oxidischen Supraleiter Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ umgewandelt wird. Nach der Wärmebehandlung verbleiben die Abschnitte 211, 212 und 213 unter den Fotowiderstandsschichten 41, 42 und 43 im nicht- supraleitenden Zustand und die supraleitenden Oberflächenabschnitte 25 und 26 sind mit dem supraleitenden Kanal 20 gemäß Figur 1D verbunden. Die so erhaltenen supraleitenden Abschnitte 25 und 26 werden in beliebige Gestalt gebracht durch entsprechende Ausgestaltung der Fotowiderstandsschichten 41, 42 und 43, so daß die oxidische supraleitende Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ einen supraleitenden Kontaktbereich an ihrer Oberfläche aufweist.
Schließlich werden gemäß Figur 1E die Fotowiderstandsschichten 41, 42 und 43, sofern erforderlich, entfernt, wodurch die supraleitende Dünnschicht vollendet wird. In diesem Zusammenhang sei betont, daß es vorteilhaft ist, wenn das Verfahren zur Entfernung der Fotowiderstandsschichten 41, 42 und 43 nicht den oxidischen Supraleiter aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ angreift, so daß beispielsweise ein Trockenätzverfahren angewendet wird.
Die erfindungsgemäß hergestellten supraleitenden Oberflächenabschnitte 25 und 26 der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ sind nicht beeinträchtigt, da keine Fotowiderstandsschicht auf ihnen ausgebildet wurde Dies bedeutet, daß sowohl der supraleitende Kanal 20 als auch die supraleitenden Oberflächenabschnitte 25 und 26 der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ eine hochqualitative Supraleitfähigkeit aufweisen.
Wie oben ausgeführt, kann bei der erfindungsgemäßen Herstellung der supraleitenden Dünnschicht ein supraleitendes Muster erhalten werden, ohne die Supraleitfähigkeit des oxidischen Supraleiters zu beeinträchtigen. Es ist daher leicht, ein gutes reproduzierbares supraleitendes Muster herzustellen, welches stabile Eigenschaften aufweist.

Ausführungsbeispiel 2

Im Zusammenhang mit Figuren 2A bis 2B wird ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils beschrieben.
Gemäß Figur 2A wird ein Substrat 1 hergestellt, mit einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ, ähnlich dem Substrat 1 und der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ gemäß dem Ausführungsbeispiel 1. Die oxidische supraleitende Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ weist beispielsweise eine Dicke von 20 Nanometern auf und wird auf der Hauptoberfläches des Substrats 1, z. B. durch eine achsversetzte Zerstäubung abgeschieden. Die achsversetzte Zerstäubung erfolgt dabei unter den gleichen Bedingungen wie im Ausführungsbeispiel 1.
Danach wird die oxidische supraleitende Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ auf eine Temperatur von 375ºC im Hochvakuum von weniger als 1,333 x 10&supmin;&sup7; Pa (1 x 10&supmin;&sup9; Torr ) aufgeheizt. Die Bedingungen der Wärmebehandlung sind die gleichen wie im Ausführungsbeispiel 1.
Nach der Wärmebehandlung hat sich ein Oberflächenabschnitt mit einer Dicke von 15 Nanometern der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ in eine nicht-supraleitende Schicht 21 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ ((8(E(7) in Form eines nicht- supraleitenden Oxids gemäß Figur 28 umgewandelt. Der untere Teil der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ wird ein supraleitenden Kanal 20.
Gemäß Figur 2C werden Fotowiderstandsschichten 41, 42 und 43 oberhalb der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ abgeschieden, d. h. auf der nicht-supraleitenden Schicht 21 getrennt voneinander.
Danach wird eine Goldschicht auf der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ durch eine Vakuumverdampfung abgeschieden. Danach werden die Fotowiderstandsschichten 41, 42 und 43 entfernt, so daß Gate-Elektroden 51 und 52 auf der nicht-supraleitenden Schicht 21 gebildet werden, wie es in Figur 2D dargestellt ist. Die nicht-supraleitenden Schicht 21 wird nur geringfügig beeinträchtigt durch den Entwickler der Fotowiderstandsschicht und den Entferner der Fotowiderstandsschicht während des Verfahrens.
Schließlich wird eine oxidische supraleitende Dünnschicht aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ auf der nicht-supraleitenden Schicht 21 durch eine achsversetzte Zerstäubung derart abgeschieden, daß supraleitende Bereiche 31, 32 und 33 gemäß Figur 2E entstehen. Vorzugsweise weist die oxidische supraleitende Dünnschicht aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ eine a-Achsorientierung auf. Während der Abscheidung der oxidischen supraleitenden Dünnschicht aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ dringt Sauerstoff in Bereiche der nicht-supraleitenden Schicht 21 ein, mit Ausnahme der Abschnitte unterhalb der Gate- Elektroden 51 und 52. Die Abschnitte 31, 32 und 33 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-&epsi; der nicht-supraleitenden Schicht 21, in welche der Sauerstoff eindringt, werden in einen oxidischen Supraleiter aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ umgewandelt, so daß Gate-Isolatoren nur unterhalb der Gate-Elektroden 51 und 52 bestehen und die supraleitenden Bereiche 31, 32 und 33 elektrisch mit dem supraleitenden Kanal20 verbunden sind.
Danach werden die auf den Gate-Elektroden 51 und 52 befindlichen oxidischen supraleitenden Dünnschichten aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ entfernt, so daß das supraleitende Bauteil gegebenenfalls eine ebene Oberfläche aufweist.
Bei dem nach dem oben erwähnten Verfahren hergestellten supraleitenden Bauteil fließt der Supraleitungsstrom durch den supraleitenden Kanal 20 zwischen dem supraleitenden Bereich 31 und dem supraleitenden Bereich 32, wobei er durch eine eine Gate-Elektrode 51 angelegte Spannung gesteuert wird, während der durch den supraleitenden Kanal 20 zwischen den supraleitenden Bereichen 32 und 33 fließende Supraleitungsstrom durch eine an die Gate-Elektrode 52 angelegte Spannung gesteuert wird. Dadurch bildet dieses supraleitende Bauteil eine Art Super-FET.
Wie oben ausgeführt, ist es leicht, bei dem erfindungsgemäß hergestellten Super-FET einen Aufbau zu erhalten, bei dem der Gate-Isolator oberhalb des supraleitenden Kanals aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht angeordnet ist. Da außerdem die obere Oberfläche der supraleitenden Dünnschicht eingeebnet wird, ist es leicht möglich, Leitungsdrähte in einem späteren Verfahrensschritt einzubringen. Dies bedeutet, daß ein Super-FET mit guter Reproduzierbarkeit und stabilen Leistungen problemlos hergestellt werden kann.

Ausführungsbeispiel 3

In den Figur 3A bis 3H ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Super-FET dargestellt.
Wie Figur 3A zeigt, wird ein Substrat 1, ähnlich dem Substrat 1 des Ausführungsbeispiels 1 hergestellt.
Gemäß Figur 3B wird eine oxidische supraleitende Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ mit einer Dicke von beispielsweise 20 Nanometern auf der Hauptoberfläche des Substrats 1, z. B. durch eine achsversetzte Zerstäubung abgeschieden. Die Bedingungen für die achsversetzte Zerstäubung sind die gleichen wie diejenigen im Ausführungsbeispiel 1.
Danach wird die oxidische supraleitende Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ auf eine Temperatur von 375ºC in einem Hochvakuum von weniger als 1,333 x 10&supmin;&sup7; Pa (1 x 10&supmin;&sup9; Torr) aufgeheizt. Die Bedingungen der Wärmebehandlung sind die gleichen wie diejenigen im Ausführungsbeispiel 1.
Nach der Wärmebehandlung hat sich ein Oberflächenabschnitt mit einer Dicke von 15 Nanometern der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ in eine nicht-supraleitende Schicht 21 umgewandelt, die aus einem nicht-supraleitenden Oxid aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-&epsi; (δ< &epsi;< 7) besteht gemäß Figur 30. Der untere Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ wird zum supraleitenden Kanal 20.
Danach wird gemäß Figur 3D eine Dünnschicht 90 aus Si&sub3;N&sub4; oberhalb der oxidischen supraleitenden Schicht 2 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ abgeschieden, d. h. auf der nicht-supraleitenden Schicht 21. Während des Abscheidens der Dünnschicht 90 aus Si&sub3;N&sub4; diffundiert Si in die nicht-supraleitende Schicht 21 ein. Die Menge an diffundierendem Si ist jedoch gering, so daß das eindiffundierte Si die nicht-supraleitende Schicht 21 nicht beeinträchtigt. Anstelle von Si&sub3;N&sub4; kann auch SiO&sub2; verwendet werden.
Danach wird eine Au Schicht 50 auf der Dünnschicht 90 aus Si&sub3;N&sub4; durch ein Vakuumverdampfungsverfahren gemäß Figur 3E abgeschieden. Die Au Schicht 50 und die Dünnschicht 90 aus Si&sub3;N&sub4; werden stellenweise weggeätzt, so daß die gesamte Au- Schicht 50 und die Dünnschicht 90 aus Si&sub3;N&sub4; mit Ausnahme eines Abschnitts entfernt werden, welcher die Gate-Elektrode 5 und einen Gate-Isolator bildet mittels eines anisotropen Ätzverfahrens, beispielsweise eines reaktiven Ionen- Ätzverfahrens oder eines Ionen-Abtrageverfahrens unter Verwendung von Ar-Ionen, wie es in Figur 3F schematisch dargestellt ist.
Danach werden seitliche isolierende Teile 91 und 92 aus Si&sub3;N&sub4; zu beiden Seiten der Gate-Elektrode 5 gemäß Figur 3G ausgebildet. Schließlich wird eine oxidische supraleitende Dünnschicht aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ mit a-Achsorientierung und einer Dicke von 800 Nanornetern auf der nicht-supraleitenden Schicht 21 durch eine achsversetzte Zerstäubung abgeschieden, so daß ein supraleitender Source-Bereich 3 und ein supraleitender Drain-Bereich 4 gemäß Figur 3A gebildet werden.
Die Bedingungen der Ausbildung dieser oxidischen supraleitenden Dünnschicht aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ mit a-Achsorientierung durch die achsversetzte Zerstäubung lauten wie folgt:
Zerstäubungsgas Ar: 90 %
O&sub2;: 10 %
Gesamtdruck 6,665 Pa (5x10&supmin;² Torr)
Substrattemperatur: 630ºC
Während der Abscheidung der oxidischen supraleitenden Dünnschicht aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ mit der a-Achsorienterierung dringt Sauerstoff in Abschnitte der nicht-supraleitenden Schicht 21, mit Ausnahme der Abschnitte unterhalb der Gate-Elektrode 5 ein. Die Abschnitte aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-&epsi; mit der c-Achsorientierung der nicht-supraleitenden Schicht 21, in welche der Sauerstoff eindringt werden in einen oxidischen Supraleiter aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ umgewandelt, so daß die Gate-Isolatoren ausschließlich unterhalb der Gate-Elektrode 5 ausgebildet sind und der supraleitende Source-Bereich 3 und der supraleitende Drain- Bereich 4 elektrisch mit dem supraleitenden Kanal 20 verbunden werden.
Danach werden oxidische supraleitende Dünnschichten aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-δ mit a-Achsorientierung auf der Gate-Elektrode 5 entfernt, so daß gegebenenfalls das supraleitende Bauteil eine ebene Oberfläche aufweist.
Wie oben ausgeführt, ist es leicht, mit der erfindungsgemäßen Herstellung eines Super-FET einen Aufbau zu verwirklichen, bei dem der Gate-Isolator auf dem supraleitenden Kanal angeordnet ist, welcher aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht besteht. Da die obere Oberfläche der supraleitenden Dünnschicht eben ist, ist es auch leicht, in einem späteren Verfahrensschritt Leitungsdrähte anzuschließen. Dadurch wird es möglich, einen Super-FET mit guter Reproduzierbarkeit und einer stabilen Leistung problemlos herzustellen.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die oxidische supraleitende Dünnschicht nicht nur aus einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid bestehen, sondern auch aus einem anderen oxidischen supraleitenden Material mit hoher Tc (hoher kritischer Temperatur) insbesondere aus supraleitenden Verbundoxiden vom Kupferoxid-Typ, wie z. B. aus supraleitendem Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitendem Tl-Ba-Ca-Cu- O-Verbundoxid.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsbeispielen erläutert wurde, sei betont, daß sie in keiner Weise darauf beschränkt ist, sondern alle Äquivalente im Rahmen der beigefügten Ansprüche umfaßt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Dünnschicht (2) mit wenigstens einem nicht-supraleitendem Bereich (211, 212, 213) an und in der Nähe ihres Oberflächenabschnitts, wobei das Verfahren die Schritte aufweist des Ausbildens einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) auf einer Oberfläche eines Substrates (1), des Umwandelns eines Oberflächenabschnitts der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) in eine nicht- supraleitende Schicht (21) aus einem Verbundoxid, das aus den gleichen Bestandselementen besteht wie die oxidische supraleitende Dünnschicht (2), jedoch einen Sauerstoffgehalt aufweist, der geringer ist als derjenige der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) sowie der Wiederherstellung der Supraleitfähigkeit wenigstens eines Abschnitts (25, 26) der nicht-supraleitenden Schicht (21) dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Umwandlung eines Oberflächenbereichs der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) in eine nicht- supraleitende Schicht (21) durchgeführt wird durch Heizen der oxidischen supraleitenden Schicht (2) im Hochvakuum, so daß Sauerstoff der oxidischen supraleitenden Kristalle der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) aus der Oberfläche der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) austritt und der Oberflächenabschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) mit erheblicher Dicke in die nicht-supraleitende Schicht (21) umgewandelt wird, dergestalt, daß ein dünner supraleitender Kanal (20) unterhalb der nicht-supraleitenden Schicht (21) entsteht und daß der Schritt der Wiederherstellung der Supraleitfähigkeit wenigstens eines Abschnitts (25, 26) der nicht-supraleitenden Schicht (21) durchgeführt wird durch selektives Maskieren eines Abschnitts (211, 212, 213) der nicht-supraleitenden Schicht (21), welcher der nicht-supraleitende Bereich wird und Heizen der nicht- supraleitenden Schicht (21) in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, so daß Sauerstoff in die freiliegenden Oberflächenabschnitte (25, 26) der nicht-supraleitenden Schicht (21) eindringt, dergestalt, daß das Verbundoxid der freiliegenden Abschnitte (25, 26) der nicht- supraleitenden Schicht (21) in ein supraleitenden Oxid umgewandelt wird, das elektrisch mit dem supraleitenden Kanal verbunden ist.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidische supraleitende Dünnschicht auf eine Temperatur aufgeheizt wird im Bereich von 350 bis 400º C, um ihren Oberflächenabschnitt in die nicht-supraleitende Schicht umzuwandeln.

3, Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidische supraleitende Dünnschicht bei einem Druck von weniger als 1,333 x 10&supmin;&sup7; Po (1 x 10&supmin;&sup9; Torr) aufgeheizt wird, um ihren Oberflächenabschnitt in die nicht-supraleitende Schicht umzuwandeln.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-supraleitende Schicht auf eine Temperatur im Bereich von 350 bis 400º C aufgeheizt wird, um in einem Abschnitt der nicht-supraleitenden Schicht die Supraleitfähigkeit wiederherzustellen.

5. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-supraleitende Schicht in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre aufgeheizt wird, in der der Partialdruck des O&sub2; so gewählt ist, daß er innerhalb eines Bereichs von 0,0133 bis 13,13 Pa (0,1 bis 100 mTorr) liegt.

6. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidische supraleitende Dünnschicht eine supraleitende Dünnschicht mit einem c- achs-orientiertem Oxid ist.

7. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Oxid ein supraleitendes Oxid mit hoher Tc (hoher kritischer Temperatur) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Oxid aus einem supraleitenden Verbundoxid vom Kupferoxid-Typ mit hoher Tc besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Oxid aus einem supraleitenden Oxidmaterial 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.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem MgO(100)-Substrat, einem SrTiO&sub3;(100)-Substrat, einem CdNdAlO&sub4;(001)-Substrat und einem Halbleiter- Substrat.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Siliciumsubstrat besteht und daß eine der Hauptoberflächen des Siliciumsubstrats mit einer isolierenden Materialschicht bedeckt ist, welche aus einer MgAl&sub2;O&sub4;-Schicht und aus einer BaTiO&sub3;-Schicht besteht.

12. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauteils, mit einem supraleitenden Kanal (20) auf einer Oberfläche eines Substrates (1), mit wenigstens einem dicken supraleitenden Bereich (31, 32, 33) auf dem supraleitenden Kanal (20), mit wenigstens einer nicht- supraleitenden Schicht (22, 23) auf dem supraleitenden Kanal (20) und mit einer Metallelektrode (51, 52) auf der nicht-supraleitenden Schicht (22, 23), dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte aufweist des Ausbildens auf einer Oberfläche des Substrats (1) einer ersten oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2), des Aufheizens der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) im Hochvakuum, so daß Sauerstoff aus den oxidischen supraleitenden Kristallen der oxidischen supraleitenden Dünnschicht (2) aus der Oberfläche austritt, so daß der Oberflächenabschnitt mit erheblicher Dicke in eine nicht- supraleitende Schicht (21) umgewandelt wird, dergestalt, daß ein dünner supraleitender Kanal (20) unterhalb der nicht-supraleitenden Schicht (21) entsteht, des Ausbildens einer Metallelektrode (51, 52) auf wenigstens einem Abschnitt (22, 23) der nicht-supraleitenden Schicht (21) und des Ausbildens einer zweiten oxidischen supraleitenden Dünnschicht (31, 32, 33) auf der nicht- supraleitenden Schicht (21), so daß Sauerstoff in die frei liegende Oberfläche der nicht-supraleitenden Schicht (21) eindringt und das Verbundoxid des freiliegenden Abschnitts der nicht-supraleitenden Schicht (21) seine Supraleitfähigkeit wieder gewinnt und dadurch elektrisch mit der zweiten oxidischen supraleitenden Dünnschicht (31, 32, 33) verbunden wird, dergestalt, daß der supraleitende Kanal (20) und die nicht-supraleitende Schicht (22, 23) unterhalb der Metallelektrode (51, 52) verbleiben.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste oxidische supraleitende Dünnschicht (2) eine c- achs-orientierte oxidische supraleitende Dünnschicht ist, und daß die zweite oxidische supraleitende Dünnschicht (31, 32, 33) eine a-achs-orientierte oxidische supraleitende Dünnschicht ist.