JP3193070B2

JP3193070B2 - 酸化物超電導体膜を半導体上に形成する方法

Info

Publication number: JP3193070B2
Application number: JP14185991A
Authority: JP
Inventors: 朋幸山田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1991-06-13
Filing date: 1991-06-13
Publication date: 2001-07-30
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JPH04367595A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体の下地の上側
に、酸化雰囲気中で下地を加熱して、酸化物超電導体膜
を形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、Ｓｉ等の半導体基板上に酸化
物超電導体膜を成膜する方法として、下記の文献に開示
された技術が知られている。

【０００３】文献１：ジャパニーズ・ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕ
ｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ），
２７（８），１９８８，ｐｐ．Ｌ１５２４−Ｌ１５２
６。

【０００４】文献２：アプライド・フィジックス・レタ
ーズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ
ｓ），５２（２４），１９８８，ｐｐ．２０６８−２０
７０。

【０００５】文献３：アプライド・フィジックス・レタ
ーズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ
ｓ），５３（２０），（１９８８），ｐｐ．１９６７−
１９６９。

【０００６】文献４：ジャパニーズ・ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕ
ｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ），
２７（１２），１９８８，ｐｐ．Ｌ２４４２−Ｌ２４４
４。

【０００７】これら文献には、基板上に格子定数の整合
を図る目的でスパッタ法により形成したバッファ層を介
して酸化物超電導体膜を成膜するか（文献１、２および
３）、或いは基板上にレーザアブレーション法で直接酸
化物超電導体膜を成膜する（文献４）方法が開示されて
いる。

【０００８】しかしながら、これらの公知の技術では、
スパッタ法で基板上にバッファ層を形成しこのバッファ
層上に酸化物超電導体膜を形成するか、或いはレーザア
ブレーション法で基板上に直接酸化物超電導体膜を形成
するため、電気的導電性が得られなかったり、Ｓｉ基板
と酸化物超電導体膜との界面が乱れてしまい、このた
め、良質の酸化物超電導体・半導体接合を形成すること
が出来なかった。

【０００９】そこで、この出願に係る発明者等は、半導
体上に、蒸着法により金属超薄膜を原子層のオーダでの
平坦膜として形成することによって、従来よりも接合の
改善を図れる方法を既に提案している（特願平０１−１
４５０６６号、特願平０２−１３８９１４号および特願
平０２−１３８９１５号）。

【００１０】ところが、発明者等が既に提案しているこ
れら技術は、良質の半導体・酸化物超電導体接合を得る
ことを目的とした、限定された技術である。この技術に
つき、図２を参照して簡単に説明する。この技術によれ
ば、図２の（Ａ）に示すように、例えば、半導体基板と
してのシリコン（Ｓｉ）基板８０上に、金属の超薄膜を
原子層のオーダで平坦膜８２として形成し、この平坦膜
８２上に酸化物超電導体の構成元素であるビスマス（Ｂ
ｉ）あるいはタリウム（Ｔｌ）の超薄膜８４を形成し、
次にその上側に酸化物超電導体膜８６を成長させてい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発明者
等が提案している、上述した方法では、下地に使用する
半導体の品質については何ら言及しておらず、そのた
め、良質の半導体・酸化物超電導体接合を得ることは期
待出来る。しかし、接合部分より上側の酸化物超電導体
膜部分が良質の膜を構成するかどうかは、使用する半導
体に依存するので、使用する半導体によっては期待する
通りの良質の酸化物超電導体膜が得られない場合があ
る。例えば、図２の先行例において、金属の超薄膜８２
を銀（Ａｇ）で構成する場合、下地の加熱温度を酸素
（Ｏ₂）とかオゾン（Ｏ₃）の酸化性雰囲気中で銀が超
薄膜８２中から脱離しない温度としているので、酸化物
超電導体膜が形成されない場合もあるし、品質の悪い酸
化物超電導体膜となることがあった。そのため、半導体
上に形成された酸化物超電導体膜自体の利用は図られて
いなかった。

【００１２】そこで、この発明は、上述した従来および
先行する技術が有する問題点を出来るだけ解消しようと
してなされたものであり、従って、この発明の目的は、
半導体の上側に良質の酸化物超電導体膜を形成する方法
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明の酸化物超電導体膜を半導体上に形成する
方法によれば、半導体の下地の表面上に形成された金属
の超薄膜の上側に、酸化雰囲気中で前記下地を加熱して
酸化物超電導体膜を形成するに当たり、下地の、酸化物
超電導体膜が形成される側の表面を、意図した面方位を
有する面、または当該意図した面方位からのずれが最大
でも±０．２°を越えない面方位を有する面とし、か
つ、金属の超薄膜を、少なくともＡｇ，Ｙ，Ａｕ，Ｐｔ
から選択される１つの元素を含む超薄膜とすることを特
徴とする。

【００１４】この発明の実施に当り、好ましくは、下地
としてシリコン基板を用い、かつ、意図した面方位は
（１００）面であるのが良い。また、下地を加熱したと
きの下地の温度をこの金属の超薄膜から当該金属の原子
が離脱を生じない範囲内の最高温度とするのが好適であ
る。

【００１５】

【作用】通常、下地の表面は、この表面の利用目的に適
った、意図的に指定した結晶の格子面となるように構成
する。しかしながら、現実には、下地面の加工が難しい
ため、例えばＳｉ基板（ウエハ）を用いるとすると、こ
の基板の表面に現れている格子面が意図した真の格子面
からずれている場合が多い。すなわち、ウエハの表面の
面方位が意図している真の面方位からずれている場合が
あり、そのずれは、２°〜３°にも達する場合があるこ
とが知られている。

【００１６】従って、この発明によれば、下地の、酸化
物超電導体膜が形成される側の表面を、意図した面方位
を有する面、または当該意図した面方位からのずれが最
大でも±０．２°を越えない面方位を有する面としてい
る。このようにすると、後述する実験データからも理解
出来るように、半導体からなる下地面の面方位からのず
れが小さいほど、半導体上に酸化物超電導体膜を形成す
るに当たり、下地の温度を酸化物超電導体の成膜に適し
た最高温度まで高めることができる。また、この発明に
よれば、金属の超薄膜を、少なくともＡｇ，Ｙ，Ａｕ，
Ｐｔから選択される１つの元素を含む超薄膜とすること
により、高品質の酸化膜超電導体膜を形成することが可
能となるとともに、半導体と酸化物超電導体膜との接合
も良質な接合となる。

【００１７】

【実施例】以下、図を参照して、この発明の実施例につ
き説明する。

【００１８】尚、図は、この発明が理解出来る程度に各
構成成分を概略的に示してあるにすぎない。

【００１９】図３は、この発明の実施に用いる真空蒸着
装置の一例を示す該略図である。

【００２０】先ず、この装置を用いた成膜工程の全体の
流れの一例を概略的に説明し、その後、この発明の具体
例につき説明する。＜成膜工程の概略説明＞この装置は、従来公知の真空蒸
着装置であるので、その詳細な説明は省略するが、金属
の蒸発源としてクヌーセンセル（Ｋセルともいう）を具
え、成膜中にその場で元素分析を行うオージェ分析器お
よび結晶性を観測するＲＨＥＥＤ装置を具えた構造とな
っている。

【００２１】そして、ここでは、下地として、（１０
０）面と称せられている表面を具えた市販のＳｉ基板を
用いる。従って、この表面の面方位は＜１００＞であ
る。この（１００）面の上側に、金属の超薄膜としてＡ
ｇ膜を形成し、このＡｇ膜上にＹ系酸化物超電導体薄膜
を形成する例につき説明する。前処理工程先ず、成膜室１０のサセプタ１２に半導体下地としての
Ｓｉ基板１４を取り付ける。次に、排気系１８を用いて
成膜室１０を１０^-11Ｔｏｒｒ程度にまで真空排気す
る。

【００２２】サセプタ１２により基板１４を加熱（例え
ば、約１０００℃以上に加熱）して基板のクリーニング
を行う。基板１４の清浄状態をオージェ分析器２０およ
びまたはＲＨＥＥＤ装置（電子銃を２２で示し、観察用
窓を２４で示してある）で確認する。金属の超薄膜の成膜工程次に、清浄済み基板１４上に金属の超薄膜を平坦膜とし
て成膜する。この場合、真空排気を１０^-10Ｔｏｒｒ程
度かそれよりも良い真空度にした後、金属の蒸着を、主
として次のような手順で行って成膜を行う。ここで、こ
の平坦膜とは、金属原子が規則的に配列していて原子層
のオーダで平坦な膜と見做し得る状態にある膜のことで
ある。従って、平坦膜は、原子の２次元層であっても良
く、この２次元層が数層積み重なった状態にある層であ
っても良い。

【００２３】まず、基板１４を酸化物超電導薄膜形成温
度に保持する→ビームシャッタ３６〜４４のうち所要の
ビームシャッタを開く→Ｋセル２６〜３４のうちの対応
する所要のＫセルから金属を蒸発させて基板に蒸着させ
る→ビームシャッタを閉じる→蒸着量の測定を行い（オ
ージェ分析器２０）平坦膜となっていることを確認す
る。

【００２４】また、基板を常温に保持して金属の超薄膜
を成膜する場合には、酸化物超電導薄膜形成時の温度で
成膜するときの蒸着量よりも多い蒸着量で蒸着した後、
加熱して平坦膜を形成する。

【００２５】このサイクルで得られた平坦膜は２次元層
が一層の平坦膜であってもよい。尚、平坦膜となってい
るかどうかの膜質の観察はＲＨＥＥＤ装置２２、２４で
行う。また、このサイクルを同一または異なる金属につ
き繰り返すことによってそれぞれの層が重なり合った重
畳層としての一つの平坦膜を得ることが出来る。酸化物超電導体膜の成膜次に、主として次のような手順で酸化物超電導体膜の成
膜を行う。

【００２６】Ｓｉ基板１４を、酸化ガス中で、金属超薄
膜から金属元素が離脱しない温度に加熱する（ここで
は、Ａｇが離脱しない温度）→酸化物超電導体膜を構成
する成分元素の蒸発源であるＫセルを加熱する（例え
ば、Ｙまたはタリウム（Ｔｌ）のＫセル２６、ＣｕのＫ
セル３４、ＣａのＫセル３２、ＳｒまたはＢａのＫセル
２８等）→バルブ４６を開いてソースガス源４８からノ
ズル５０を経て酸化ガスを基板１４に向けて吹き付ける
（酸素雰囲気にする）→ビームシャッタ３６、４４、４
２、３８を開き基板１４上に成膜した金属の超薄膜上に
酸化物超電導体膜の成膜を行う→ビームシャッタ３６、
４４、４２、３８を閉じる→基板の加熱を停止する→基
板温度が２００℃以下となったことを確認してから酸化
ガスの供給を停止する。＜具体的実施例の説明＞以上のような工程を経て、この
発明の酸化物超電導体膜を半導体上に形成することが出
来るが、この発明は、特に、酸化物超電導体膜の膜質
の、半導体の面方位依存性に特長を有するので、この点
を中心にして具体例を説明する。

【００２７】尚、以下の具体例では、半導体下地として
Ｓｉ基板を用い、その（１００）面上に銀（Ａｇ）の超
薄膜を成膜し、このＡｇの超薄膜上に一例としてＹ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体膜を成膜する例につき説
明する。実施例１この実施例では、Ｓｉ基板１４として、公称（１００）
面を有する、市販の基板であるが、真の面方位＜１００
＞から＋０．２°または−０．２°のずれを有する基板
とする。このような状態で基板を一定の温度に加熱しな
がら、Ａｇの超薄膜の成膜工程のサイクルを一回だけ行
ってＳｉ基板１４の（１００）面上にＡｇを蒸着させ、
よって、Ａｇの超薄膜５２である平坦膜を成膜する（図
１の（Ａ））。そして、このＡｇ膜５２の上にＹ系の酸
化物超電導体膜５４を、通常の蒸着法で、成膜する（図
１の（Ｂ））。この場合、酸化性ガスとして、純オゾン
（Ｏ₃）を用いる。このオゾンの基板１４への入射分子
数Гｏ₃を約６×１０¹⁶分子／ｃｍ²・ｓとする。

【００２８】この成膜に当り、基板１４に対する、オゾ
ン雰囲気中での加熱温度、従って、基板温度を変えてＡ
ｇの離脱を調べると、基板温度が約５５０℃以上となる
とＡｇは完全にＳｉ基板１４から脱離することが、例え
ばオージェ分析器２０での観測で、わかった。そのた
め、約５５０℃よりも高い温度では、得られた酸化物超
電導体膜５４の膜質も悪いことがわかった。なお、成膜
状態は、ＲＨＥＥＤ装置（２２，２４）およびオージェ
分析器２０で観測した。実施例２この実施例では、下地として、（１００）面を有するＳ
ｉ基板１４を使用するが、面方位＜１００＞からのずれ
が＋１°または−１°の基板を使用した。そのほかの条
件は、基板温度を除き、実施例１の場合と同様な条件と
してＡｇ膜５２の成膜、酸化物超電導体膜５４の成膜ま
で行った（図１の（Ａ）および（Ｂ））。この実施例の
場合には、基板温度を約５００℃以上とすると、Ａｇが
Ｓｉ基板１４から離脱することが確認され、酸化物超電
導体膜の膜質が悪いこともわかった。

【００２９】前述した実施例１および実施例２の結果か
らも理解できるように、酸化物超電導体膜が成膜される
べき基板表面の面方位が、意図した真の面方位（この場
合には、＜１００＞）からのずれの角度が小さくなるに
従って、金属の超薄膜５２のＡｇが基板１４から脱離を
開始する温度が高くなることがわかる。この事実は、酸
化物超電導体膜の成膜温度が高いほど、膜質が良くなる
という事実とも考え合わせると、酸化物超電導体膜を半
導体上に成膜する場合には、半導体からなる下地の成膜
面の面方位が、意図した真の面方位からのずれが小さい
程、より高温で成膜でき、従って、より膜質の良い酸化
物超電導体膜を得ることが出来る。

【００３０】従って、この発明では、下地の表面の面方
位を、意図した通りの面方位、または、それからのずれ
が最大でも±０．２°を越えない面方位とする。

【００３１】そして、このような面方位で、金属の超薄
膜から当該金属の元素が脱離しない温度範囲内の最高温
度で成膜するのが好適である。

【００３２】上述した各実施例は、この発明の単なる好
適例を示したにすぎず、従って、この発明は、上述した
実施例に限定されるものではない。

【００３３】例えば、この発明を構成する金属の超薄膜
は、蒸着により直接または蒸着と加熱処理とにより、金
属の原子層オーダでの平坦膜として成膜すれば良く、そ
の平坦膜は一層構造はもとより、同一または異種金属の
蒸着膜の二層以上の重畳層構造であっても良い。また、
上述した実施例では、Ａｇを例に上げて説明したが、Ａ
ｕ，ＰｔまたはＹであってもＡｇの場合と同様な効果を
期待出来るので、一層構造の超薄膜の場合にはＡｇの代
わりにＡｕ，ＰｔまたはＹを用いても良い。また、二層
構造の場合には、Ａｇの蒸着層の上側にＹまたはＴｌの
蒸着層を設けた構造としても良い。また、これらＡｇ，
Ｙ，Ａｕ，Ｐｔ以外の金属であってもこの発明に適して
いれば使用可能である。

【００３４】さらに、上述した実施例では、半導体下地
としてＳｉ基板とし、また、酸化物超電導体膜としてＹ
系の超電導体膜につき説明したが、これに限定されるも
のではなく、半導体下地としてＳｉ以外の他の酸素を吸
着し易い（酸化され易いことも含む。）半導体、例え
ば、ＧａＡｓ，ＧａＳｂあるいはＩｎＡｓとかを使用す
ることが出来るし、成膜面も（１００）面に限定される
ものでなく、また、Ｂｉ系、Ｔｌ系或いはその他の適当
な酸化物超電導体膜であっても良い。

【００３５】また、上述した各実施例において例示され
た種々の数値的条件およびその他の諸条件は、使用する
それぞれの材料およびまたは材質等によって変わるの
で、これらは上述した実施例に何等限定されるものでは
ない。

【００３６】また、酸化物超電導体膜の成膜法は、元素
の同時蒸着法について説明したが、それぞれの元素用の
シャッタの開閉を順次に行う、レイヤ（ｌａｙｅｒ）−
バイ（ｂｙ）−レイヤ（ｌａｙｅｒ）成長法を用いても
良い。

【００３７】上述した説明からも明らかなように、この
発明の酸化物超電導体膜を半導体上に形成する方法によ
れば、下地の表面の面方位が意図した面方位か、それか
らのずれが最大でも±０．２°を越えない面方位を有す
る面とし、かつ、金属の超薄膜を、少なくともＡｇ，
Ｙ，Ａｕ，Ｐｔから選択される１つの元素を含む超薄膜
としているので、成膜された酸化物超電導体膜の膜質は
もとより、酸化物超電導体膜と半導体との接合の品質が
従来よりも良質となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１の（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の酸
化物超電導体を半導体上に形成する方法の一実施例の説
明に供する工程図である。

【図２】図２は、先行技術の説明図である。

【図３】図３は、この発明の実施に用いる真空蒸着装
置の構造の一例を示す概略図である。

【符号の説明】１４…半導体基板５２…金属の超薄膜（Ａｇの超薄膜）５４…酸化物超電導体膜（Ｙ系酸化物超電導体膜）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体の下地の表面上に形成された金属
の超薄膜の上側に、酸化雰囲気中で前記下地を加熱して
酸化物超電導体膜を形成するに当たり、前記下地の、前記酸化物超電導体膜が形成される側の表
面を、意図した面方位を有する面、または当該意図した
面方位からのずれが最大でも±０．２°を越えない面方
位を有する面とし、かつ、前記金属の超薄膜を、少なくともＡｇ，Ｙ，Ａ
ｕ，Ｐｔから選択される１つの元素を含む超薄膜とする
ことを特徴とする酸化物超電導体膜を半導体上に形成す
る方法。
【請求項２】請求項１に記載の酸化物超電導体膜を半
導体上に形成する方法において、前記下地としてシリコ
ン基板を用い、かつ、前記意図した面方位は、（１０
０）面であることを特徴とする酸化物超電導体膜を半導
体上に形成する方法。
【請求項３】請求項１または２に記載の酸化物超電導
体膜を半導体上に形成する方法において、前記下地を加
熱したときの下地の温度を、前記金属の超薄膜から当該
金属の原子が離脱を生じない範囲内の最高温度とするこ
とを特徴とする酸化物超電導体膜を半導体上に形成する
方法。