JP2641865B2 - 電子デバイス用基板 - Google Patents

電子デバイス用基板

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JP2641865B2 JP62137274A JP13727487A JP2641865B2 JP 2641865 B2 JP2641865 B2 JP 2641865B2 JP 62137274 A JP62137274 A JP 62137274A JP 13727487 A JP13727487 A JP 13727487A JP 2641865 B2 JP2641865 B2 JP 2641865B2
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正吾 松原
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    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • H10N60/0268Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0296Processes for depositing or forming superconductor layers
    • H10N60/0408Processes for depositing or forming superconductor layers by sputtering

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は半導体層と絶縁体層、及び超伝導体層とから
なる電子デバイス用基板に関するものである。
(従来の技術) Ba−Y−Cu−O系あるいはSr−La−Cu−O系に代表さ
れる多層状ペロブスカイト構造を有する超伝導体セラミ
ックスは超伝導状態となる臨海温度Tcが従来用いられて
いるNb系合金のTcに比べて極めて高く、Ba−Y−Cu−O
系セラミックスはTcが液体窒素温度以上示す高温超伝導
材料で工業的実用化材料として注目されている。これら
高温超伝導材料を電子デバイスへ応用する場合にはバル
ク並みのTcを有し、かつ特性の信頼性を高めるために欠
陥の少ない膜が必要である。これらの要求を満たすには
単結晶膜を作製することが望ましい。単結晶膜を得る方
法としては適当な単結晶基板上へエピタキシャル成長さ
せる方法があり、従来、ジャパニーズジャーナルオブア
プライトフィジクス(Japanese Journal of Applied Ph
ysics)第26巻4号L524〜L525頁に約20KのTcを有する
(La1-xSrx2CuO4の単結晶膜を作製した報告がある。
また、転移温度が80K〜90Kを示す材料として、1987年
3月発行のフィジカル・レビューレターズ誌第58巻第90
8ページ〜第910ページ所載の論文にあるごとく、Y−Ba
−Cu−O化合物が知られてはいるが、薄膜化の公知例は
未だない。
(発明が解決しようとする問題点) (La1-xSrx2CuO4膜は(100)方位のSrTiO3単結晶基
板上にエピタキシャル成長によって形成されている。し
かし、良質のSrTiO3単結晶基板を大口径かつ安価に製造
することは極めて困難であり、SrTiO3単結晶基板を用い
るとデバイス作製コストが高くなる問題がある。より安
価で大面積の基板で容易に入手できるものとして、シリ
コン基板がある。
シリコン基板上には、種々の電子デバイスが作成され
実用になっており、超伝導体が薄膜状で作成できれば、
これらのデバイスと共存させて使用でき実用上の価値は
極めて高い。しかしながら、衆知のように、シリコン基
板上に、酸化物の薄膜を作製すると、シリコン基板と酸
化物との熱膨張差により剥離してしまう、かつ、単結晶
膜としてシリコン上に成膜することが困難である等の問
題があった。
また、シリコン上に形成した半導体デバイス同志の配
線を超伝導材料によって行うことを考えると、シリコン
基板と、超伝導配線層との間の絶縁を行う必要がある
が、これまでその方法は明らかにされていなかった。
本発明者は特開昭60−161635号公報(特願昭59−1735
8号明細書)においてシリコン単結晶基板上に絶縁体膜
が形成され、該絶縁体膜上にペロブスカイト構造を有す
る誘電体層が形成された電子デバイス用基板を報告して
おり、本発明ははそれをさらに発展応用したものであ
る。
本発明は上記従来技術の問題を解決するもので、多層
状ペロブスカイト型結晶構造を有する超伝導体薄膜を具
備する電子デバイス用基板を提供することを目的とす
る。
(問題点を解決するための手段) すなわち本発明はシリコン単結晶基板上に絶縁体膜が
形成され、該絶縁体膜上に一般式がA2BO4およびA3B3O
7−δで表わされ、Aとして、Ba,Sr及び希土類元素の
群から選ばれる一種以上の元素、BとしてCuを含む層状
ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物エピタキシャ
ル層が形成されている構造を有する基板であって、該絶
縁体膜が、マグネシウムアルミネートスピネル(MgAl2O
4)エピタキシャル膜、あるいはマグネシウムアルミネ
ートスピネル(MgAl2O4)エピタキシャル膜の上にマグ
ネシア(MgO)エピタキシャル膜が形成された積層エピ
タキシャル膜、あるいは該シリコン基板表面に形成され
る二酸化シリコン(SiO2)層の上に該マグネシウムアル
ミネートスピネル(MgAl2O4)エピタキシャル膜または
該積層エピタキシャル膜が形成された積層絶縁体膜のい
ずれかであることを特徴とする電子デバイス用基板であ
る。
(作用) シリコン単結晶基板上に形成する絶縁体単結晶膜とし
て、マグネシアスピルネル(MgAl2O3)、マグネシア(M
gO)が考えられる。この場合、MgOは本出願人が特開昭5
9−123245号公報(特願昭57−229033号明細書)にて提
案しているようにシリコン単結晶基板に直接成長するよ
りもシリコン基板上に成長したMgAl2O3を介して形成し
た方が良質の単結晶が形成できる。従って絶縁体単結晶
膜として2層構造のものでも良い。また、本出願人はSi
基板上に形成したMgAl2O3エピタキシャル膜は成長後MgA
l2O3膜を通してSi基板を熱酸化し、MgAl2O4/SiO2/Si構
造にすることによってその結晶性を改善できることをす
でに特開昭58−6147号公報(特願昭56−103967号明細
書)にて提案している。従って絶縁体単結晶膜としてSi
単結晶基板上に非晶質SiO2を介したような構造のもので
も良い。
このように良質な結晶性を有する絶縁体単結晶膜上に
一般式がそれぞれA2BO4,A3B3O7−δで表わされる層状
ペロブスカイト構造を有する高温超伝導体単結晶膜をエ
ピタキシャル成長することができる。これら異種構造の
材料がエピタキシャル成長する原因は明らかではない
が、結晶を構成するイオンの配置の周期性が類似してい
ることが考えられる。
前述の如く、本発明者は特開昭60−161635号公報(特
願昭59−17358号明細書)においてシリコン単結晶基板
上に絶縁体膜が形成され、該絶縁体膜上にペロブスカイ
ト構造を有する誘導体層が形成された電子デバイス用基
板をすでに報告している。しかしながら、同じペロブス
カイト構造を有しても本発明におけるA2BO4,A3B3O
7−δ型化合物のように構成元素が異なり、特殊な規則
構造を有する場合には、通常同種の基板上に単結晶膜は
ほとんど得られないのが当業者の常識である。
本発明者は前記化合物単結晶をマグネシアピネルなど
の上に成長せしめることを初めて試み、これに成功し、
良好な結果を得た。
本発明においてMgAl2O4,MgO単結晶膜の膜厚は1000Å
程度でよく、かつ、基板として良質で大口径のものが安
価に入手できるSiを用いているために、SrTiO3単結晶基
板を用いる場合に比べてデバイス作製コストを低く抑え
ることができる。しかも、Si基板を用いていることか
ら、熟成したSi半導体集積回路技術を用いることによっ
て高い機能を超伝導デバイスに持たせることができる。
例えば、超伝導膜をソース電極とドレイン電極に用いた
電解効果型の超伝導トランジスタや超伝導配線によるLS
Iの開発が可能となる等、本発明の波及効果は甚大であ
る。
(実施例1) 面方位が(100)のSi単結結晶基板上にマグネシアス
ピネルをエピタキシャル成長し、その上に(La0.97Sr
0.032CuO4をスパッター法において形成した。第1図
(a),(b)は本発明の説明図で1は(100)Si単結
晶基板2は気相成長法で成長したMgAl2O3エピタキシャ
ル膜である。3はスパッタ法で作成した(La,Sr)2CuO4
の単結晶膜である。MgAl2O4の気相成長は本出願人がす
に提案(特願昭57−136051)している方法で成長した。
すなわち反応ガスとしてMgCl2,AlにHClガスを反応させ
て生成したAlCl3,CO2,H2ガスを用い、キャリアガスとし
てN2ガスを用いた。MgAl2O4の生成反応は MgCl2+2AlCl3+4CO2+4H2→MgAl2O4+4CO+8HClで表わ
される。成長温度950℃で成長し、X線回折及び電子線
回折で(100)方位のMgAl2O4がエピタキシャル成長して
いることを確認した。(La0.97Sr0.032CuO4エピタキ
シャル膜は高周波マグネトロンスパッタリング法で作製
した。上記(La0.97Sr0.032CuO4となるように、各酸
化物ないし炭酸の形で混合し、更に酸化銅(CuO)を5
モル%だけ過剰に含ませ95℃で予焼した粉末をターゲッ
トに用い、Ar−O2混合ガス中で、基板温度700℃で行な
った。MgAl2O4と同様にX線回折と電子回折によって(0
01)方向に配向したエピタキシャル膜であることを確認
した。また、Laの代わりに他の希土類元素を用いた場合
でも同様に多層状ペロブスカイト構造を有する膜が同様
にエピタキシャル成長することを確認した。
(実施例2) (100)Si単結晶基板上にエピタキシャル成長したMgA
l2O4膜を通してSi基板を熱酸化し、MgAl2O4膜とSi基板
の間にSiO2を形成したあとでMgAl2O4エピタキシャル膜
上に(La,Sr)2CuO4をエピタキシャル成長させた。
第2図は本実施例の工程図である。4はSi基板、5は
(MgAl2O4エピタキシャル膜、6はSiO27は(La,Sr)2Cu
O4をエピタキシャル膜で(a)はMgAl2O4のエピタキシ
ャル成長工程(b)は熱酸化によるSiO2bの形成(c)
は(La,Sr)2CuO47のエピタキシャル成長工程を示す。
熱酸化の条件は1100℃での水蒸気酸化である。熱酸化に
よってMgAl2O4の単結晶性は害なわれなかった。むし
ろ、X線ロッキングカーブの半値幅は30%ほど減少し結
晶性は改善されたMgAl2O4及び(La,Sr)2CuO4のエピタ
キシャル成長は実施例1と同様の方法によった。
(実施例3) 実施例1において、(La,Sr)2CuO4の代わりに(Y,B
a)3Cu3O7膜をエピタキシャル成長した。YとBaの比が
1:2となるものを成長した。成長は実施例1と同様にマ
グネトロンスパッター法により行なった。ターゲットは
セラミックス粉末原料を用いた。またYの代わりに希土
類元素を用いた場合にも同様の結果が得られた。
(実施例4) (100)Si単結晶基板上に膜厚800ÅのMgAl2O4をエピ
タキシャル成長しその上さらに膜厚0.5μmのMgOをエピ
タキシャル成長したのち実施例1と同様に膜厚2μmの
(La,Sr)2CuO4をエピタキシャル成長した。エピタキシ
ャル温度は700℃であった。第3図に本実施によって成
るエピタキシャル膜の構成を示す。8はSi単結晶基板、
9はMgAl2O4エピタキシャル膜、10はMgOエピタキシャル
膜、11は(La,Sr)2CuO4エピタキシャル膜である。
以上のように本発明によって、層状ペロブスカイト構
造を有する膜を容易にシリコン単結晶基板上に形成する
ことが可能となった。シリコン単結晶基板は大口径で良
質のものが低価格に入手できること、及び超伝導体機能
素子とシリコンICとを一体化できるという利点を考えれ
ば本発明の工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1〜3図は本発明による基板の製造プロセスを示す
図。 1,4,8……Si単結晶基板、2,5,9……MgAl2O4エピタキシ
ャル膜、3,7,11……(La,Sr)2CuO4エピタキシャル膜、
6……SiO2、10……MgOエピタキシャル膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 正畑 伸明 東京都港区芝5丁目33番1号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−161635(JP,A) 特開 昭60−52069(JP,A) 電子情報通信学会技術研究報告SCE 87−4 87〔29〕(1987)P.19−23 (昭62−5−20電子情報通信学会発行)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン単結晶基板上に絶縁体膜が形成さ
    れ、該絶縁体膜上に一般式がA2BO4で表され、AとしてB
    a,Sr,Yおよび希土類元素の群から選ばれる一種以上の元
    素、BとしてCuを含む層状ペロブスカイト型結晶構造を
    有する化合物エピタキシャル層が形成されている構造を
    有する基板であって、該絶縁体膜が、マグネシウムアル
    ミネートスピネル(MgAl2O4)エピタキシャル膜、ある
    いはマグネシウムアルミネートスピネル(MgAl2O4)エ
    ピタキシャル膜の上にマグネシア(MgO)エピタキシャ
    ル膜が形成された積層エピタキシャル膜、あるいは該シ
    リコン基板表面に形成される二酸化シリコン(SiO2)層
    の上に該マグネシウムアルミネートスピネル(MgAl
    2O4)エピタキシャル膜または該積層エピタキシャル膜
    が形成された積層絶縁体膜のいずれかであることを特徴
    とする電子デバイス用基板。
  2. 【請求項2】シリコン単結晶基板上に絶縁体膜が形成さ
    れ、該絶縁体膜上に一般式がA3B3O7−δで表され、A
    としてBa,Sr,Yおよび希土類元素の群から選ばれる一種
    以上の元素、BとしてCuを含む層状ペロブスカイト型結
    晶構造を有する化合物エピタキシャル層が形成されてい
    る構造を有する基板であって、該絶縁体膜が、マグネシ
    ウムアルミネートスピネル(MgAl2O4)エピタキシャル
    膜、あるいはマグネシウムアルミネートスピネル(MgAl
    2O4)エピタキシャル膜の上にマグネシア(MgO)エピタ
    キシャル膜が形成された積層エピタキシャル膜、あるい
    は該シリコン基板表面に形成される二酸化シリコン(Si
    O2)層の上に該マグネシウムアルミネートスピネル(Mg
    Al2O4)エピタキシャル膜または該積層エピタキシャル
    膜が形成された積層絶縁体膜のいずれかであることを特
    徴とする電子デバイス用基板。
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