JP2747557B2 - 超電導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は酸化物セラミック系超電導材料を用いた超電
導装置に関する。本発明は、超電導体装置において特
に、半導体装置の相互配線の一部または全部を金属また
は金属半導体化物とその上に酸化物超電導材料とを重ね
合わせたリードで形成するとともに、このリードの金属
または金属半導体化物を有する導体の上面と半導体装置
の電極とを金属または金属半導体化物の連結部で構成せ
しめ、この半導体装置を70〜300K好ましくは77K以上の
温度で動作せしめんとするものである。 「従来の技術」 従来、超電導材料はNb−Ge系（例えばNb₃Ge）等の金
属材料を線材として用い、超電導マグネットとして用い
られるに限られていた。 また最近はセラミック材料で超電導を呈し得ることが
知られている。しかしこれもインゴット構造であり、薄
膜の超電導材料の形成はまったく提案されていない。 いわんや、この薄膜をフォトリソグラフィ技術により
パターニングする方法も、またこれをさらに半導体装置
の相互配線の一部に用いることもまったく知られていな
い。 他方、半導体集積回路を含めた複数の素子を同一基板
に設けた半導体装置が知られている。しかしこの半導体
装置を液体窒素温度（77K）の如き低温で動作させる試
みはまったく知られてない。 「従来の問題点」 半導体集積回路は近年益々微細化するとともに高速動
作を要求されている。また微細化とともに半導体素子の
発熱による信頼性低下また発熱部の動作速度の低下が問
題となっていた。 このため、もし半導体素子を液体窒素温度で動作させ
んとすると、その素子での電子およびホールの移動度は
室温のそれに比べて３〜４倍も高めることができ、ひい
ては素子の周波数特性も向上できる。 かかる問題を解決するため、本発明人の出願（昭和62
年３月９日出願 超伝導半導体装置 特願昭62−05372
4）を用いんとしたものである。 かかる超電導体半導体装置において、そのリード線は
セラミック材料の超電導材料よりなる。かかる材料は被
形成面上に材料を形成した後、酸化雰囲気で長時間の酸
化をしなければならない。そのため、半導体素子の電極
部においては、その素子を構成する半導体の酸化物が電
極部に形成されてしまう。そしてこの酸化物は一般に絶
縁物であり、例えば半導体がシリコン集積回路において
はその電極部には酸化珪素絶縁膜が形成されてしまうこ
とが判明した。 「問題を解決すべき手段」 本発明はかかる問題点を解決するため、半導体装置に
おける相互配線に（70〜300Kの温度）で超電導を呈する
材料を用いるものである。その際、超電導材料と重ね合
わせて金属または金属半導体化物を設け、半導体素子の
電極部との連結にはこの金属または金属半導体を密接
し、かつ半導体とも酸化物を作らない金属または合金の
半導体化物により構成せしめている。 本発明は半導体特に好ましくは耐熱性を有する半導
体、例えば単結晶シリコン半導体基板を用いて、この半
導体に複数の素子、例えば絶縁ゲイト型電界効果トラン
ジスタ、バイポーラ型トランジスタ、SIT（静電誘導型
トランジスタ）、抵抗、キャパシタを設ける。そしてそ
の上面の絶縁膜を耐熱性絶縁材料特に好ましくは耐熱性
窒化珪素または酸化珪素を設ける。この絶縁表面を有す
る基板上に銅、銀、金、アルミニウム、WSi₂,MoSi₂等の
金属の半導体化物を単層または多層に形成し、導体を形
成する。そしてこの導体上に電気抵抗が零または零に近
い酸化物超電導材料の薄膜材料を形成する。次にこの超
電導材料と金属または金属の半導体化物の導体と超電導
材料とをともにフォトリソグラフィ技術により選択エッ
チをしてパターニングをする。 本発明においては、絶縁物基板上に金属または金属半
導体化物の導体を設け、さらにその上に酸化物超電導材
料を形成している。かかるリードの導体上にフリップチ
ップ法またはワイヤボンド法によりバンプまたはワイヤ
の連結部を用い、半導体集積回路装置、抵抗等を設けて
もよい。またその接触面での酸化反応による絶縁膜形成
を防ぎ得る構造で、このフリップチップ用バンプまたは
ワイヤボンド用のワイヤに超電導材料を用いてもよい。 「作用」 かかる半導体装置を液体窒素温度とすると、その電子
またはホール移動度は３〜４倍に向上させることができ
る。加えて、そのリード、電極の電気抵抗を零または零
に等しくすることが可能となる。周波数特性の遅れを示
すCR時定数におけるＲ（抵抗）を零とすることができ、
そのためきわめて高速動作をさせることが可能となる。 以下に本発明の実施例を図面に従って説明する。 「実施例１」 第１図は絶縁ゲイト型電界効果半導体装置の実施例を
示す。 第１図（Ａ）において、シリコン半導体基板（１）を
構成せしめた。さらにアクティブ素子を構成せしめる領
域を除き、絶縁表面を有するフィールド絶縁膜（２）を
選択酸化法で形成する。さらにゲイト絶縁膜（３）を約
200Åの厚さで高温酸化法により形成せしめる。次にそ
の表面にきわめて薄く、窒化珪素膜を構成せしめた。こ
のブロッキング用膜（４）は酸化珪素膜とアンモニア等
で反応せしめる固相−気相反応と、５〜20Åの厚さとす
る。 次にスパッタ法によりこの基板上全体に金属または金
属半導体化物を形成した。TiSi₂を0.1〜0.5μｍ例えば
0.3μｍの厚さに形成した。この導体（６）の一部とし
てSiのかわりにリンまたはホウ素が添加された基板と同
一主成分材料の珪素であっても、またタングステン等の
非酸化性耐熱性金属であっても、さらにWSi₂等の金属半
導体化物であってもよい。この実施例では耐熱性を必要
とするとともに、半導体中に際結合中心を作らない材料
を用いた。 次にこの上面に同装置を用いてスパッタ法により多層
導体膜（６）を形成した。ここでは銅、銀または金で10
0〜10000Åの導体を形成した。この材料は酸化物，超電
導材料との界面の酸化物絶縁物を作らない材料を用い
た。そしてそれらの上に基板全体を700℃としてスパッ
タ法により酸化物超電導材料を構成せしめた。この場合
はターゲットとしてYBa₂Cu_3.6O₆〜_８を用いた。そして
形成される薄膜（５）は熱アニールをすることなしに超
電導特性を呈するYBa₂Cu₃O₆〜_８とし、Tcoは84Kを得る
プロセスとした。 この酸化物超電導材料（５）の厚さは0.1〜２μｍ例
えば0.5μｍとした。 かくして第１図（Ａ）におけるリード形成用多層膜
（７）を形成した。 さらにこれに第１図（Ｂ）に示す如く、フォトレジス
ト（８）を選択的に設け、このフォトレジストのない部
分の導体（６）および酸化物超電導材料（５）をエッチ
ング法により除去した。導体（６）の選択的除去は公知
のプラズマエッチングを用いて行った。この酸化物超電
導材料は酸例えば硫酸または塩酸によりエッチングが可
能である。 この後フォトレジスト（８）を除去した。 かくして得られた第１図（Ｂ）においては、フィール
ド絶縁膜（２）上のリード（10）（半導体素子の電極
（コンタクトを構成する半導体表面）と連結するための
リード），酸化物超電導材料を用いたリード（10′），
ゲイト（11）が設けられた酸化物超電導材料を用いたゲ
イト電極（９）とを有する。 さらにこの後イオン注入法および熱アニールによりソ
ース（12），ドレイン（13）を構成した。この熱アニー
ルは超電導材料の特性を向上させるべく950℃で行う。
その後徐冷し、さらに500〜600℃での１〜２時間の追加
アニールを行った。この追加アニールにより酸化物超電
導材料は正方晶形より斜方晶形を有する変形ペロブスカ
イト構造となり、超電導特性が向上する。 この後これら全体に気相法により層間絶縁膜（14）
（例えば酸化珪素）を0.3〜１μｍの厚さに形成し、さ
らに公知のフォトエッチング法により開穴部（15），
（16）を構成せしめた。開穴部（15）はその一部におい
て多層のリード（10）の上部の導体を露呈せしめ、その
他部において半導体素子の電極部（15−２）を構成せし
める。この時この開穴部をそのまま用いてリードの電極
部における酸化物超電導材料を除去し、その下側の金属
または金属半導体また半導体の導体（（15−１）の部
分）を露呈せしめた。次に２層目のリード（18）を作
り、同時にリード（10）の下面（15−１）の導体と電極
（15−２）との連結部（19）を構成する。 これはアルミニウムを0.3〜１μｍの厚さに形成し、
そのフォトエッチングにおいて第１図（Ｄ）に示す如く
に構成せしめた。 かくして抵抗零のリード（10）と半導体素子の電極部
（15−２）との電気的連結（19）は酸化物超電導体材料
が間接的に導体（19）を介してこの連結をせしめ、熱処
理により材料の酸化物が電極部に形成されやすい絶縁膜
の生成を防ぎつつ互いに連結させることができた。 第１図（Ｄ）において、（18）は金属リードのみであ
るため、材料を選択し、これを抵抗材料として作用せし
めることも可能である。 また、（18）の２層目の配線をタングステンまたはア
ルミニウムの金属膜を0.1〜0.3μｍの厚さに設けて、そ
の上に非反応性金属（例えば銀）を0.05〜0.2μｍの厚
さに形成して導体（18−１），（19−１）とし、さらに
その上に酸化物超電導材料（18−２），（19−２）を構
成せしめ、これらをフォトエッチングをしてリード（1
8），連結部（19）を構成する場合、２層目も抵抗零の
リードとすることが可能である。 即ち、１層目の配線用リードが酸化物超電導材料とそ
の下に導体（金属、半導体または金属半導体化物）を設
け、２層目の配線においては半導体とオーム接触し、か
つ酸化物超電導材料と反応しない導体を設け、その導体
の上に酸化物超電導材料を設けることにより、ともに抵
抗を零として、連結部において金属導体同志を互いに密
接せしめるようにした。 本発明において、超電導セラミックスに密接して銅、
銀または金を用いた。しかし、金属は半導体にとっては
侵入型原子となるため、半導体に密接せしめるのはアル
ミニウム、WSi₂,MoSi₂またはSiとして良好なオーム接触
をせしめた。 かくして第１図（Ｄ）に示す如き電界効果半導体装置
を複数ケ同一基板に設け、超LSIを得ることが可能とな
った。 第１図（Ａ）において、酸化物超電導材料はスパッタ
法で形成した。しかしスクリーン印刷法、真空蒸着法ま
たは気相法（CVD法）その他の薄膜形成方法を用いても
よい。 スパッタに際してはその実施例として、基板温度700
℃に、アルゴン・酸素雰囲気、周波数50Hz、出力300Wで
行った。かかる場合のセラミック材料の膜厚を0.2〜２
μｍ、例えば１μｍの厚さとして、被膜形成と同時に薄
膜がより超電導を呈する結晶を成長させやすくすべくTc
オンセット＝95K（抵抗は95Kより下がりはじめ、実験的
には79Kで抵抗は実質的に零になった）の超電導薄膜を
作ることができた。 本発明の酸化物超電導材料は（A_1-XBx）yCuzOw（Ａは
元素周期表III a族より選ばれた１種または複数種の元
素、Ｂは元素周期表II a族より選ばれた１種または複数
種の元素で、ｘ＝0.1〜1,y＝2.0〜4.0好ましくは2.5〜
3.5,z＝1.0〜4.0好ましくは1.5〜3.5,w＝4.0〜10.0好ま
しくは６〜８を主成分とする）を用いている。 「実施例２」 第２図（Ａ）は第１図（Ｄ）の実施例の変形である。 第２図（Ａ）において、酸化物超電導材料を有するリ
ード（10）は下側に第１の金属のリード（６−２）を設
け、その上に酸化物超電導材料のリード（５）を、その
上に酸化物超電導材料と反応をして絶縁物を作らない導
体（６−１）とを有する３層構造のリード（10）を設け
ている。さらにこのリード（10）の電極部（15−１）は
下側の導体（６−２）の上面を露呈せしめ、それと半導
体の電極（15−２）とを導体の連係部（19）を構成する
導体により互いを連結せしめた。 かかる構造において、バンプは酸化物超電導材料であ
っても、また超電導ワイヤを用いてもよい。 かかる連結部（19）はそれぞれと十分抵抗の低いオー
ム接触をさせることが重要である。例えばタングステ
ン、チタン等の選択成長法を用いている。するとその他
の連結部（19′）をも有する。そのため、このリード
（18）はその下面を酸化物超電導材料（21）、さらにそ
れに密接して金属の導体（22）との多層構造とせしめ得
る。 「実施例３」 第２図（Ｂ）はその実施例を示す。第２図（Ｂ）にお
ける基板は耐熱性絶縁基板（１）であり、例えば熱膨張
係数を合わせたアルミナ基板、YSZ（イットリウム・ス
タビライズド・ジルコン），チタン酸ストロンチウムで
ある。この上に導体を銅、銀を用いて設け、この上に酸
化物超電導材料を実施例１と同様にして設けた。これら
プリント配線用基板上に半導体装置等のチップ（20）を
フェイスダウン方式にバンプ（21）（連結部）を用いて
連結した。 かかる構造においては、基板内に熱処理に敏感なアク
ティブ素子がない等の熱処理条件が容易になる特長を有
する。しかし精密なパターニングを行いにくいという欠
点を有する。 「効果」 本発明により半導体装置を室温ではなく、冷却して形
成する場合において実用化が初めて可能となった。 特に半導体は液体窒素温度に冷却することにより周波
数特性を向上させることができる。そして、本発明は超
電導材料を用い、かかる超電導材料が有効に用いられる
べくその下面に接する絶縁材料を非酸化物材料とした。 そのため、本発明の技術思想を発展させることによ
り、16M〜1Gビット等の超々LSIに対する応用も可能とな
った。 本発明において、基板はシリコンではなくセラミック
ス等の耐熱性を有する材料であってもよい。 本発明において、基板としてはアクティブ素子が設け
られた半導体材料と、その上面に非酸化物材料が設けら
れたものを用いた。しかしこの基板としてYSZ（イット
リューム・スタビライズド・ジルコン）,TiSrO₃等の熱
膨張係数の概略同一のセラミック材料を用いたものを基
板としてもよい。すると熱膨張係数を合わせられるため
作りやすい。しかし他方、かかる材料を用いる場合はア
クティブ素子は別途設けられなければならず、超高密度
集積回路化も成就しにくいという欠点を有する。 本発明は超電導材料を銅の酸化物の超電導材料とし
た。しかし微細パターンができる他の超電導材料を用い
ることも有効である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の製造工程を示す。 第２図は本発明の他の実施例を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−25553（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−154613（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−27244（ＪＰ，Ａ) ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｌ ＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．58，Ｎｏ９，Ｐ Ｐ．908−910 （２．Ｍａｒｃｈ 1987)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．半導体と、 酸化物超電導材料と当該酸化物超電導材料に密接して設
   けられた銀材料とから構成されたリード配線と、 一方が前記リード配線における銀材料のみと密接し、他
   方が前記半導体と密接するアルミニウム、WSi₂、MoS
   i₂、または不純物が添加された珪素導体からなる連結部
   と、 を有することを特徴とする超電導体装置。