JP2646683B2 - 電子デバイス用基板 - Google Patents

電子デバイス用基板

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JP2646683B2 JP63193816A JP19381688A JP2646683B2 JP 2646683 B2 JP2646683 B2 JP 2646683B2 JP 63193816 A JP63193816 A JP 63193816A JP 19381688 A JP19381688 A JP 19381688A JP 2646683 B2 JP2646683 B2 JP 2646683B2
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正吾 松原
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は半導体、絶縁体層、誘電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) Y1Ba2Cu3O7−δ、Bi(Tl)2Sr2Ca1Cu2Ox、Bi(Tl)2
Sr2Ca2Cu3Oxに代表される層状ペロブスカイト構造を有
する超伝導セラミックスは超伝導状態となる臨界温度Tc
が液体窒素温度以上を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事が望ましい。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
ルオブアプライドフィジクス(Japanese Journal of Ap
plied Physics)第27巻1号L91〜L93頁に約90Kのゼロ抵
抗温度を有するY1Ba2Cu3O7−δ単結晶膜を作製した報
告がある。
更に、Si基板上にこれらの単結晶膜を作製することに
より、従来のSiデバイスと超伝導体との融合が可能とな
り、応用面での用途が拡大される。
この融合を可能とする技術としてシリコン単結晶基板
上にMgAl2O4絶縁体膜が形成され、その絶縁体膜上にBaT
iO3あるいはSrTiO3で示されるペロブスカイト型結晶構
造を有する誘電体膜が形成され、その誘電体膜上に一般
式がY1Ba2Cu3O7−δで表わされる層状ペロブスカイト
型結晶構造を有する超伝導化合物が形成されている構造
を提案されている(特願昭62−208708)。
又、臨界温度が80K〜130Kを示す材料としてジャパニ
ーズジャーナルオブアプライドフィジクス(Japanese J
ournal of Applied Physics)第27巻3号L365〜L368頁
所載の論文にあるごとくBi2Sr2Ca1Cu2Ox、Bi2Sr2Ca2Cu3
Ox、Tl2BaCa1Cu2Ox、Tl2Ba2Ca2Cu3Ox、が知られている
が、単結晶薄膜化の公知例は未だない。
(発明が解決しょうとする問題点) 従来シリコン単結晶基板上にMgAl2O4絶縁体膜が形成
され、その絶縁体膜上にBaTiO3あるいはSrTiO3で示され
る誘電体膜形成され、その誘電体膜上にY1Ba2Cu3O
7−δ超伝導体膜がエピタキシャル成長によって形成さ
れている。しかし、誘電体膜としてBaTiO3を用いた場合
BaTiO3とY1Ba2Cu3O7−δ超伝導膜との格子定数のずれ
により、又誘電体膜としてSrTiO3を用いた場合MgAl2O4
絶縁体膜とSrTiO3との格子定数のずれによりY1Ba2Cu3O
7−δ超伝導体膜の結晶性、表面平坦性に問題が生じ
る。本発明は上記従来技術の問題を解決するもので、良
好な結晶性、表面平坦性を有するエピタキシャル成長し
た層状ペロブスカイト型結晶構造の超伝導膜を具備せる
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MgAl2O4
絶縁体膜が形成され、該絶縁体膜上にBaSr1-xTiO3で示
されるペロブスカイト型結晶構造を有する誘電体膜形成
され、該誘電体膜上に層状ペロブスカイト型結晶構造を
有する超伝導化合物層が形成されている構造において、
該誘電体膜BaxSr1-xTiO3のBa組成xが該絶縁体膜との界
面で1とし連続的に減少し該超伝導化合物との界面で0
となる事を特徴とする電子デバイス用基板である。
(作用) 従来シリコン単結晶基板上にMgAl2O4絶縁体膜が形成
され、その絶縁体膜上にBaTiO3あるいはSrTiO3で示され
る誘電体膜が形成され、その誘電体膜上にY1Ba2Cu3O
7−δ超伝導体膜がエピタキシャル成長によって形成さ
れる。しかし誘電体膜としてBaTiO3を用いた場合、BaTi
O3膜の結晶性、表面平坦性は良好であるが超伝導膜の結
晶性、表面平坦性はBaTiO3誘電体膜のそれらと比べかな
り劣る事がX線回折法、反射電子線回折法、走査型電子
顕微鏡により確認された。一方誘電体膜としてSrTiO3
用いた場合SrTiO3の結晶性、表面平坦性は良好ではない
が、超伝導膜の結晶性、表面平坦性は、SrTiO3誘電体膜
のそれらと同等である事が上記評価手法により確認され
た。
これらの事実は、下地に用いた膜とその上にエピタキ
シャル成長した膜の格子定数のミスマッチにより説明で
きる。MgAl2O4、BaTiO3、SrTiO3、Y1Ba2Cu3O7−δの格
子定数dは、それぞれ8.06Å(d/2=4.03Å)、3.99〜
4.01Å、3.90Å、3.82〜3.90Åである。誘電体膜として
BaTiO3を用いた場合BaTiO3膜とY1Ba2Cu3O7−δ膜との
格子定数のミスマッチが大きく又誘電体膜としてSrTiO3
を用いた場所MgAl2O4膜とSrTiO3膜との格子定数のミス
マッチが大きくそれらの界面での結晶性の乱れが超伝導
膜の結晶性、表面平坦性の劣化を引き起こしていると考
えられる。
本発明では、BaxSr1-xTiO3膜が全域固溶する事を利用
しその誘電体膜をMgAl2O4膜との界面においてはBaTiO3
に又Y1Ba2Cu3O7−δとの界面においてSrTiO3にそれぞ
れし絶縁体膜及び超伝導体膜と誘電体膜との界面で格子
定数の一致をはかり、又誘電体膜内部においては、膜内
部にひずみが残留しない様に徐々にBaとSrとの比率を変
化させた。
本発明においてMgAl2O4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を用いるために、SrTiO3などの各種単結晶
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
える事ができる。しかもSi基板を用いて良質な超伝導膜
を形成していることからSi半導体集積回路技術との融合
化が計れ、高い機能を持つ超伝導デバイスを作製でき
る。例えば、超伝導膜をソース電極とドレイン電極に用
いた電界効果型超伝導トランジスタや超伝導配線による
LSI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単結晶基板上にMgAl2O4をエピタ
キシャル成長し、その上にBaxSr1-xTiO3をエピタキシャ
ル成長し、その上にY1Ba2Cu3O7−δをスパッタ法によ
って形成した。第1図(a),(b),(c)は本実施
例の説明図で1はSi(100)単結晶基板、2は気相成長
法で成長したMgAl2O4エピタキシャル膜、3は反応性蒸
着法で成長したBaxSr1-xTiO3エピタキシャル膜である。
4はスパッタ法で作製したY1Ba2Cu3O7−δ単結晶膜で
ある。MgAl2O4の気相成長はすでに提案(特願昭57−136
051)されている方法で成長させた。すなわちMgAl2、Al
とHClガスを反応させて生成したAlCl3,CO2,H2ガスの反
応ガスとH2ガスのキャリアを用い、 MgCl2+2AlOl3+4CO2+4H2 →MgAl2O4+4CO+8HCl なる反応でMgAl2O4の生成が起こる。成長温度950℃で成
長し膜厚は0.1μmとした。X線回折法で(100)方位の
MgAl2O4がエピタキシャル成長している事を確認した。B
axSr1-xTiO3のエピタキシャル膜は反応性共蒸着法によ
り基板付近での酸素分圧1〜4×10-3(Torr)、基板温
度600℃で行った。その誘電体膜作製初期には、Sr蒸着
用のセルは用いずBa蒸着用のセル及びTi蒸着用E−gun
のみで蒸着を行い、時間の経過とともにTi蒸着速度は一
定に保ったまま徐々にSrの蒸着速度をはやめ、又Baの蒸
着温度をおそくし、成膜終了時にBa蒸着用のセルは用い
ずSr蒸着用のセル及びTi蒸着用E−gunのみで蒸着が行
なわれている様、各元素の蒸着速度を制御した。膜厚は
0.4μmとした。MgAl2O4と同様にX線回折法及び電子線
回折法により(100)方位にエピタキシャル成長した良
質な結晶性の膜である事を確認した。Y1Ba2Cu3O7−δ
エピタキシャル膜は高周波マグネトロンスパッタ法で膜
厚0.5μmのものを作製した。上記Y1Ba2Cu3O7−δ組成
の膜を得る為にY1Ba2.5Cu5.0Ox組成の950℃で焼結させ
たセラミックターゲットを用いO2−Ar混合ガス中で基板
温度640℃で行った。X線回折法、電子線回折法及び走
査型電子顕微鏡により(001)方位に配向した層状ペロ
ブスカイト構造を有する結晶性、表面平坦性にすぐれた
良質なエピタキシャル膜であることを確認した。又この
膜の抵抗−温度特性を4端子法で測定することによりゼ
ロ抵抗温度が86kであることがわかった。又Yの代わり
に他の希土類元素を用いた場合でも同様なエピタキシャ
ル成長することを確認した。
(実施例2) 実施例1においてY1Ba2Cu3O7−δの代わりにBi2Sr2C
a1Cu2Ox膜をエピタキシャル成長した。成長は実施例1
と同様にマグネトロンスパッタ法により行った。基板温
度は700℃とした。X線回折法及び電子線回折法により
(001)方向に配向した層状ペロブスカイト構造を有す
る結晶性、平坦性にすぐれた良質なエピタキシャル膜で
あることを確認した。この膜の抵抗−温度特性を4端子
法で測定する事によりゼロ抵抗温度が85kである事がわ
かった。又Bi2Sr2Ca1Cu2Oxの代わりにTl2Ba2Ca1Cu2Ox
用いた場合も同様なエピタキシャル成長することを確認
した。
(実施例3) 実施例1においてY1Ba2Cu3O7−δの代わりにBi2Sr2C
a2Cu3Ox膜をエピタキシャル成長した。成長は実施例1
と同様にマグネトロンスパッタ法により行った。基板温
度は750℃とした。X線回折法及び電子回折法により(0
01)方向に配向した層状ペトブスカイト構造を有する結
晶性、表面平坦性にすぐれた良質なエピタキシャル膜で
あることを確認した。この膜の抵抗−温度特性4端子法
で測定することによりゼロ抵抗−温度特性を4端子で測
定することによりゼロ抵抗温度が107kであることがわか
った。又Bi2Sr2Ca2Cu3Oxの代わりにTl2Ba2Ca2Cu3Oxを用
いた場合も同様なエピタキシャル成長することを確認し
た。
(発明の効果) 以上の様に本発明によって層状ペロブスカイト構造を
有する良質なエピタキシャル超伝導膜を容易にSi単結晶
基板上に形成することが可能となった。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図は本発明の実施例を説明する図。図において、 1……Si単結晶基板 2……MgAl2O4膜 3……BaxSr1-xTiO3膜 4……Y1Ba2Cu3O7−δ
───────────────────────────────────────────────────── 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63−279515(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン単結晶基板上にMgAl2O4絶縁体膜
    が形成され、該絶縁体膜上にBaxSr1-xTiO3で示されるペ
    ロブスカイト型結晶構造を有する誘電体膜が形成され、
    該誘電体上に一般式がA1Ba2Cu3O7−δで表わされ、A
    としてY及び希土類元素の群から選ばれる一種の元素を
    含む層状ペロブスカイト型結晶構造を有する超伝導化合
    物層が形成されている構造を備えた電子デバイス用基板
    において、該誘電体膜BaxSr1-xTiO3のBa組成xが該絶縁
    体膜との界面で1とし連続的に減少し該超伝導化合物と
    の界面で0とな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MgAl2O4絶縁体膜
    が形成され、該絶縁体膜上にBaxSr1-xTiO3で示されるペ
    ロブスカイト型結晶構造を有する誘電体膜が形成され、
    該誘電体膜上に一般式がA2B2Ca1Cu2Oxで表わされ、Aと
    してBi及びTlから選ばれる一種の元素、BとしてSr及び
    Baから選ばれる一種の元素を含む層状ペロブスカイト型
    結晶構造を有する超伝導化合物層が形成されている構造
    を備えた電子デバイス用基板において、該誘電体膜BaxS
    r1-xTiO3のBa組成xが該絶縁体膜との界面で1とし連続
    的に減少し該超伝導化合物との界面で0となることを特
    徴とする電子デバイス用基板。
  3. 【請求項3】シリコン単結晶基板上にMgAl2O4絶縁体膜
    が形成され、該絶縁体膜上にBaxSr1-xTiO3で示されるペ
    ロブスカイト型結晶構造を有する誘電体膜が形成され、
    該誘電体膜上に一般式がA2B2Ca2Cu3Oxで表わされ、Aと
    してBi及びTlから選ばれる一種の元素、BとしてSr及び
    Baから選ばれる一種の元素を含む層状ペロブスカイト型
    結晶構造を有する超伝導化合物層が形成されている構造
    を備えた電子デバイス用基板において、該誘電体膜BaxS
    r1-xTiO3のBa組成xが該絶縁体膜との界面で1とし連続
    的に減少し該超伝導化合物との界面で0となることを特
    徴とする電子デバイス用基板。
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