JP3448260B2 - 打込みによってパターン形成した超伝導装置及び超伝導膜の間接イオン注入方法 - Google Patents
打込みによってパターン形成した超伝導装置及び超伝導膜の間接イオン注入方法Info
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
- H10N60/0268—Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に、酸化物超伝
導材料に打込みによってパターン形成するという分野に
関し、より詳細には、パッシベーション層を通して超伝
導膜にイオン注入することで、打込みによってパターン
形成した超伝導装置を製造する方法に関する。
導材料に打込みによってパターン形成するという分野に
関し、より詳細には、パッシベーション層を通して超伝
導膜にイオン注入することで、打込みによってパターン
形成した超伝導装置を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】高臨界
温度酸化物超伝導（ＨＴＳ）膜に基づいた集積回路を製
造する方法は、過去数年にわたって急速に発展した。し
かし、特に多層装置のためのエピタキシャル絶縁層を得
ること及び高信頼性パターン形成プロセスを提供するこ
とが困難なために、ＨＴＳ電子装置の製造技術のさらな
る改良がなお必要である。
温度酸化物超伝導（ＨＴＳ）膜に基づいた集積回路を製
造する方法は、過去数年にわたって急速に発展した。し
かし、特に多層装置のためのエピタキシャル絶縁層を得
ること及び高信頼性パターン形成プロセスを提供するこ
とが困難なために、ＨＴＳ電子装置の製造技術のさらな
る改良がなお必要である。
【０００３】パターン形成は、従来のフォトリソグラフ
ィ及びドライエッチングのような任意の適切なプロセス
によって成し遂げることができる。ＹＢａＣｕＯ（ＹＢ
ＣＯ）の及び同様のＨＴＳ集積回路を製造するために
は、現在の技術は、フォトレジストを用いてＹＢＣＯ膜
をパターン形成し、続いて膜のうちのフォトレジストに
よって被覆されていない領域をイオンミリングして材料
を除去し、ＹＢＣＯの線のような様々な構造を形成する
ことを含む。フォトレジストを除去し、さらに膜を堆積
し、フォトレジストを用いてさらにパターン形成し、イ
オンミリングする等によって複雑な三次元構成を作り上
げる。
ィ及びドライエッチングのような任意の適切なプロセス
によって成し遂げることができる。ＹＢａＣｕＯ（ＹＢ
ＣＯ）の及び同様のＨＴＳ集積回路を製造するために
は、現在の技術は、フォトレジストを用いてＹＢＣＯ膜
をパターン形成し、続いて膜のうちのフォトレジストに
よって被覆されていない領域をイオンミリングして材料
を除去し、ＹＢＣＯの線のような様々な構造を形成する
ことを含む。フォトレジストを除去し、さらに膜を堆積
し、フォトレジストを用いてさらにパターン形成し、イ
オンミリングする等によって複雑な三次元構成を作り上
げる。
【０００４】打込み済みパターン領域を作製するための
他の適切なパターン形成方法は、プレーナ拡散技術（pl
anar diffusion technique）及びイオン注入プロセスに
よって不純物を超伝導体中に導入することを含む。超伝
導体へのイオン打込みは、上に配したマスクを通してま
たはイオンビームを予め定められたパターン内で走査す
ることによって行ってよい。拡散プロセスと対照してみ
ると、イオン注入プロセスにおいては、イオン源のタイ
プ及び加速エネルギー等の外部システムパラメータによ
って、打込まれるイオンの数を制御する。侵入の深さ
は、不純物イオンの運動エネルギー、結晶構造、及び受
容原子（recipient atom）の質量の関数である。さらに
打込みは、拡散プロセスを実行できないような低温で実
行してよい。イオン注入プロセスは、予め拡散済みの装
置構造と組合せて、しかもこうした前の構造に影響する
こと無く使用できる。
他の適切なパターン形成方法は、プレーナ拡散技術（pl
anar diffusion technique）及びイオン注入プロセスに
よって不純物を超伝導体中に導入することを含む。超伝
導体へのイオン打込みは、上に配したマスクを通してま
たはイオンビームを予め定められたパターン内で走査す
ることによって行ってよい。拡散プロセスと対照してみ
ると、イオン注入プロセスにおいては、イオン源のタイ
プ及び加速エネルギー等の外部システムパラメータによ
って、打込まれるイオンの数を制御する。侵入の深さ
は、不純物イオンの運動エネルギー、結晶構造、及び受
容原子（recipient atom）の質量の関数である。さらに
打込みは、拡散プロセスを実行できないような低温で実
行してよい。イオン注入プロセスは、予め拡散済みの装
置構造と組合せて、しかもこうした前の構造に影響する
こと無く使用できる。
【０００５】イオン注入は最近、ＹＢＣＯ材料等のＨＴ
Ｓ材料に対して使用されており、これは、Ｓｉ等の反応
性不純物を導入して酸化物超伝導体から酸素（Ｏ）を除
去することによって、打込みによってパターン形成した
ＹＢＣＯ膜を得るためである。ＳｉイオンをＹＢＣＯ
ＨＴＳ材料中に導入することでＣｕ−Ｏ化学結合を切断
し、Ｓｉそれ自体は酸化されて絶縁性の酸化物化合物を
形成する。酸化物超伝導体としては、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ
−Ｏ、Ｃａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂ
ｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔｈ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−
Ｏ、Ｈｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｋ−Ｂａ−
Ｏ、Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ等が挙げられる。反応性不純
物は、酸化物超伝導体中の元素（例えばＣｕ、Ｂａ）よ
りも酸素との反応性が高い元素の群の中の元素の任意の
１つとしてよい。元素として例えばＳｉ、Ｔｈ、Ａｌ、
Ｍｇ、Ｓｒ、Ｎｉ、Ｂ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｆｅ、Ｚｒ、また
はＮｂ、及び、化合物として例えばＳｉ3Ｎ4、ＳｉＦ2
またはＳｉＦ3は、適切な反応性不純物である。
Ｓ材料に対して使用されており、これは、Ｓｉ等の反応
性不純物を導入して酸化物超伝導体から酸素（Ｏ）を除
去することによって、打込みによってパターン形成した
ＹＢＣＯ膜を得るためである。ＳｉイオンをＹＢＣＯ
ＨＴＳ材料中に導入することでＣｕ−Ｏ化学結合を切断
し、Ｓｉそれ自体は酸化されて絶縁性の酸化物化合物を
形成する。酸化物超伝導体としては、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ
−Ｏ、Ｃａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂ
ｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔｈ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−
Ｏ、Ｈｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｋ−Ｂａ−
Ｏ、Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ等が挙げられる。反応性不純
物は、酸化物超伝導体中の元素（例えばＣｕ、Ｂａ）よ
りも酸素との反応性が高い元素の群の中の元素の任意の
１つとしてよい。元素として例えばＳｉ、Ｔｈ、Ａｌ、
Ｍｇ、Ｓｒ、Ｎｉ、Ｂ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｆｅ、Ｚｒ、また
はＮｂ、及び、化合物として例えばＳｉ3Ｎ4、ＳｉＦ2
またはＳｉＦ3は、適切な反応性不純物である。
【０００６】研究によると、打込まれたＳｉイオンとＹ
ＢＣＯ材料との間の化学反応及び結果として起きるＳｉ
酸化物の形成は、ＨＴＳ膜の超伝導特性を抑制し、これ
によって、影響された膜の部分は以前の超伝導特性の代
わりに電気絶縁特性を獲得することが明らかにされてい
る。従ってシリコンを使用して、膜の選択された部分に
おける超伝導を局所的に抑制することによってＨＴＳ
ＹＢＣＯ膜にパターン形成できる。
ＢＣＯ材料との間の化学反応及び結果として起きるＳｉ
酸化物の形成は、ＨＴＳ膜の超伝導特性を抑制し、これ
によって、影響された膜の部分は以前の超伝導特性の代
わりに電気絶縁特性を獲得することが明らかにされてい
る。従ってシリコンを使用して、膜の選択された部分に
おける超伝導を局所的に抑制することによってＨＴＳ
ＹＢＣＯ膜にパターン形成できる。
【０００７】しかしながら、従来の打込みしたＹＢＣＯ
層上に良好な品質の超伝導膜を安定して成長させること
には成功していない。多層ＹＢＣＯ装置のための成功し
たイオン注入パターン形成プロセスを開発する際に直面
する１つの問題は、互いから電気的に絶縁分離され、同
時に、追加の堆積に関連する高温アニールにさらした後
に絶縁分離とパターンの解像度とを維持するような、ミ
クロンレベルの超伝導の線をパターン形成できないこと
である。加えて従来の技術の場合には、イオン打込みし
たＹＢＣＯ膜の上にエピタキシャル超伝導ＹＢＣＯ膜を
効果的に成長させることは困難であり、というのは、追
加の成長のために必要な、打込みしたＹＢＣＯ膜表面の
結晶テンプレートは、イオン注入プロセスの最中にしば
しば破壊され、新たに成長する層は多量の結晶損傷を有
するからである。各イオンが加速されてＹＢＣＯ膜中に
入り、結晶格子を通って走行する際に、これは数百から
数千の空孔及び格子間欠陥を作り出し得る。この一般的
な形態の打込み損傷に加えて、ＹＢＣＯは、双晶化を特
徴とするひずみドメイン（strain domain）を生じる傾
向を有する。さらに、ＹＢＣＯ膜のイオン注入はひずみ
ドメインを膜の面の内側に移動させることがあり、これ
は極端な場合にはマイクロクラッキングを生じ得る。ま
たＹＢＣＯ材料は、打込まれたイオン種と共に望ましく
ない第二相（secondary phase）を容易に形成し、これ
は表面の曲がり（surface buckling）を生じ得る。
層上に良好な品質の超伝導膜を安定して成長させること
には成功していない。多層ＹＢＣＯ装置のための成功し
たイオン注入パターン形成プロセスを開発する際に直面
する１つの問題は、互いから電気的に絶縁分離され、同
時に、追加の堆積に関連する高温アニールにさらした後
に絶縁分離とパターンの解像度とを維持するような、ミ
クロンレベルの超伝導の線をパターン形成できないこと
である。加えて従来の技術の場合には、イオン打込みし
たＹＢＣＯ膜の上にエピタキシャル超伝導ＹＢＣＯ膜を
効果的に成長させることは困難であり、というのは、追
加の成長のために必要な、打込みしたＹＢＣＯ膜表面の
結晶テンプレートは、イオン注入プロセスの最中にしば
しば破壊され、新たに成長する層は多量の結晶損傷を有
するからである。各イオンが加速されてＹＢＣＯ膜中に
入り、結晶格子を通って走行する際に、これは数百から
数千の空孔及び格子間欠陥を作り出し得る。この一般的
な形態の打込み損傷に加えて、ＹＢＣＯは、双晶化を特
徴とするひずみドメイン（strain domain）を生じる傾
向を有する。さらに、ＹＢＣＯ膜のイオン注入はひずみ
ドメインを膜の面の内側に移動させることがあり、これ
は極端な場合にはマイクロクラッキングを生じ得る。ま
たＹＢＣＯ材料は、打込まれたイオン種と共に望ましく
ない第二相（secondary phase）を容易に形成し、これ
は表面の曲がり（surface buckling）を生じ得る。
【０００８】従って、超伝導材料のイオン注入によっ
て、高い製造歩留りで超伝導パターンを作製するための
効果的な方法が必要である。この方法は、超伝導材料の
結晶構造の劣化を伴わずに、多数の層の超伝導材料を有
する装置の効果的な製造を可能にするべきである。
て、高い製造歩留りで超伝導パターンを作製するための
効果的な方法が必要である。この方法は、超伝導材料の
結晶構造の劣化を伴わずに、多数の層の超伝導材料を有
する装置の効果的な製造を可能にするべきである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】従来技術の上述の欠点及
び他の欠点は、本発明の様々な実施例によって取り組み
また解決されるものであり、これは、超伝導であり打込
みによってパターン形成した装置と、パッシベーション
層を通した間接イオン注入によって超伝導パターン、回
路及び装置を作製する方法とからなる。
び他の欠点は、本発明の様々な実施例によって取り組み
また解決されるものであり、これは、超伝導であり打込
みによってパターン形成した装置と、パッシベーション
層を通した間接イオン注入によって超伝導パターン、回
路及び装置を作製する方法とからなる。
【００１０】本発明の１実施例は、酸化物超伝導材料に
打込みによってパターン形成して、本発明の改良された
超伝導装置を形成する方法である。この説明する方法に
よれば、酸化物超伝導層を基板上に形成し、パッシベー
ション層を酸化物超伝導層の上に作り、酸化物超伝導層
の選択された部分に、パッシベーション層を通して化学
的不純物を打込む。このことは、酸化物超伝導層の選択
された部分の導電率を修正し、酸化物超伝導層の選択さ
れていない部分から選択された部分を電気的に絶縁分離
する。
打込みによってパターン形成して、本発明の改良された
超伝導装置を形成する方法である。この説明する方法に
よれば、酸化物超伝導層を基板上に形成し、パッシベー
ション層を酸化物超伝導層の上に作り、酸化物超伝導層
の選択された部分に、パッシベーション層を通して化学
的不純物を打込む。このことは、酸化物超伝導層の選択
された部分の導電率を修正し、酸化物超伝導層の選択さ
れていない部分から選択された部分を電気的に絶縁分離
する。
【００１１】パッシベーション層は、酸化物超伝導層よ
りも打込み損傷を被りやすくない材料で作り、酸化物超
伝導層の抑制を可能にし、同時にパッシベーション層の
上面の結晶構造を保護する。生成した構造は平坦化され
たままであり、その後のエピタキシャル成長を可能にす
る。パッシベーション層は好ましくは、酸化物超伝導層
のものと同様の面内結晶格子構造（in-plane crystal l
attice structure）を有する誘電体材料である。
りも打込み損傷を被りやすくない材料で作り、酸化物超
伝導層の抑制を可能にし、同時にパッシベーション層の
上面の結晶構造を保護する。生成した構造は平坦化され
たままであり、その後のエピタキシャル成長を可能にす
る。パッシベーション層は好ましくは、酸化物超伝導層
のものと同様の面内結晶格子構造（in-plane crystal l
attice structure）を有する誘電体材料である。
【００１２】本発明の方法は、後に続く層の材料の結晶
構造を劣化させないので、多数の層の酸化物超伝導材料
を有する装置の製造に特に効果的である。本発明のこの
実施例においては、酸化物超伝導材料の１つ以上の追加
のエピタキシャル層をパッシベーション層の上に成長さ
せる。各エピタキシャル層は酸化物超伝導層と同構造
（isostructural）及びエピタキシャルであり、酸化物
超伝導層の格子サイトと結晶学的に同一の複数の格子サ
イトを有する。
構造を劣化させないので、多数の層の酸化物超伝導材料
を有する装置の製造に特に効果的である。本発明のこの
実施例においては、酸化物超伝導材料の１つ以上の追加
のエピタキシャル層をパッシベーション層の上に成長さ
せる。各エピタキシャル層は酸化物超伝導層と同構造
（isostructural）及びエピタキシャルであり、酸化物
超伝導層の格子サイトと結晶学的に同一の複数の格子サ
イトを有する。
【００１３】超伝導構造を絶縁性の非超伝導構造に転換
するために超伝導層に添加する元素は好ましくはＧｅ、
Ｓｉ、Ｓｉ++、Ｂ、Ａｒ、Ｇａ、Ｐ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｂ
ｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｔ
ｈ、Ｎｅ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｚｒ、これらの混合物、Ｓｉ3
Ｎ4、ＳｉＦ2またはＳｉＦ3の化合物、及び他の化学的
不純物である。酸化物超伝導体としては、Ｌａ−Ｓｒ−
Ｃｕ−Ｏ、Ｃａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−
Ｏ、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔｈ−Ｂａ−Ｃａ−
Ｃｕ−Ｏ、Ｈｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｋ−Ｂ
ａ−Ｏ、Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、及び他の材料が挙げら
れる。
するために超伝導層に添加する元素は好ましくはＧｅ、
Ｓｉ、Ｓｉ++、Ｂ、Ａｒ、Ｇａ、Ｐ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｂ
ｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｔ
ｈ、Ｎｅ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｚｒ、これらの混合物、Ｓｉ3
Ｎ4、ＳｉＦ2またはＳｉＦ3の化合物、及び他の化学的
不純物である。酸化物超伝導体としては、Ｌａ−Ｓｒ−
Ｃｕ−Ｏ、Ｃａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−
Ｏ、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔｈ−Ｂａ−Ｃａ−
Ｃｕ−Ｏ、Ｈｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｋ−Ｂ
ａ−Ｏ、Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、及び他の材料が挙げら
れる。
【００１４】本発明の別の実施例は、超伝導であり打込
みによってパターン形成し、改良された、酸化物超伝導
材料の装置であり、超伝導回路を間接打込みによってパ
ターン形成するための説明する方法によって製造され
る。
みによってパターン形成し、改良された、酸化物超伝導
材料の装置であり、超伝導回路を間接打込みによってパ
ターン形成するための説明する方法によって製造され
る。
【００１５】本発明の前述の及び追加の特徴及び利点
は、以下の詳細な説明及び後に続く添付図面からさらに
明瞭になろう。図及び書面による説明においては、図面
及び書面による説明の全体にわたって符号数字は本発明
の様々な特徴を示し、同様の符号数字は同様の特徴を意
味する。
は、以下の詳細な説明及び後に続く添付図面からさらに
明瞭になろう。図及び書面による説明においては、図面
及び書面による説明の全体にわたって符号数字は本発明
の様々な特徴を示し、同様の符号数字は同様の特徴を意
味する。
【００１６】
【実施例】以下の説明を、当業者が本発明を作製及び使
用できるように提供し、また以下の説明は、本発明者ら
がその発明を実施するに当っての最良の形態と考えるも
のを記載する。しかしながら、本発明の一般原理は本明
細書において具体的に定義されているので、様々な修正
は、当業者には依然として容易に明白であろう。
用できるように提供し、また以下の説明は、本発明者ら
がその発明を実施するに当っての最良の形態と考えるも
のを記載する。しかしながら、本発明の一般原理は本明
細書において具体的に定義されているので、様々な修正
は、当業者には依然として容易に明白であろう。
【００１７】先に言及したように、ＹＢＣＯ及び他の酸
化物超伝導材料は、幾つかのタイプのイオン注入損傷を
被りやすい。このことは、そのような材料に、その後の
多層処理において打込みによってパターン形成し、また
さらにエピタキシャル膜を成長させることをきわめて困
難にする。この課題の解決策として本発明は、高臨界温
度酸化物超伝導（ＨＴＳ）材料上に先に堆積したパッシ
ベーション層を通した不純物イオンの打込みによって、
ＨＴＳ膜または単結晶の選択された部分の超伝導特性を
抑制する方法を提供する。本方法は膜表面の結晶構造を
保持し、それによってＨＴＳ多層構造のエピタキシャル
成長を可能にする。
化物超伝導材料は、幾つかのタイプのイオン注入損傷を
被りやすい。このことは、そのような材料に、その後の
多層処理において打込みによってパターン形成し、また
さらにエピタキシャル膜を成長させることをきわめて困
難にする。この課題の解決策として本発明は、高臨界温
度酸化物超伝導（ＨＴＳ）材料上に先に堆積したパッシ
ベーション層を通した不純物イオンの打込みによって、
ＨＴＳ膜または単結晶の選択された部分の超伝導特性を
抑制する方法を提供する。本方法は膜表面の結晶構造を
保持し、それによってＨＴＳ多層構造のエピタキシャル
成長を可能にする。
【００１８】図１、２及び３は、従来のイオンミリング
によってパターン形成する方法及び本発明のイオン打込
みによってパターン形成する方法を用いて得られた結果
を比較する。図１は、従来技術による、イオンミリング
によってパターン形成したＹＢＣＯ多層プロセスの結果
の拡大断面図を示す。第１のＹＢＣＯ層４を基板２上に
成長させ、ＳｒＴＩＯ3（ＳＴＯ）パッシベーション層
５を第１のＹＢＣＯ層４の上に成長させ、第２のＳＴＯ
パッシベーション層６を、第１のＳＴＯパッシベーショ
ン層５の上に、及び、第１のＹＢＣＯ層４と第１のＳＴ
Ｏ層５とによって形成された傾斜したエッジ７を覆って
成長させる。第２のＹＢＣＯ層８を第２のＳＴＯ層６の
一部の上に成長させ、第３のＳＴＯ層９を第２のＹＢＣ
Ｏ層８の上に成長させる。
によってパターン形成する方法及び本発明のイオン打込
みによってパターン形成する方法を用いて得られた結果
を比較する。図１は、従来技術による、イオンミリング
によってパターン形成したＹＢＣＯ多層プロセスの結果
の拡大断面図を示す。第１のＹＢＣＯ層４を基板２上に
成長させ、ＳｒＴＩＯ3（ＳＴＯ）パッシベーション層
５を第１のＹＢＣＯ層４の上に成長させ、第２のＳＴＯ
パッシベーション層６を、第１のＳＴＯパッシベーショ
ン層５の上に、及び、第１のＹＢＣＯ層４と第１のＳＴ
Ｏ層５とによって形成された傾斜したエッジ７を覆って
成長させる。第２のＹＢＣＯ層８を第２のＳＴＯ層６の
一部の上に成長させ、第３のＳＴＯ層９を第２のＹＢＣ
Ｏ層８の上に成長させる。
【００１９】図２は、本発明による、保護ＳＴＯパッシ
ベーション層を通したＨＴＳ材料の間接イオン注入の方
法を示す。ＨＴＳ材料の膜または単結晶である酸化物超
伝導層１０を好ましくはＹＢＣＯ材料で作り、基板１２
上に置き、パッシベーション層１４を用いて保護する。
パッシベーション層１４を好ましくは、チタン酸ストロ
ンチウム（strontium tritanate）ＳｒＴｉＯ3（ＳＴ
Ｏ）のような打込み損傷をより被りやすくない材料で作
る。イオン注入１８をパッシベーション層１４を通して
実行し、下に配したＹＢＣＯ層１０を抑制する。パッシ
ベーション層１４は、露出したＹＢＣＯ層単独よりも打
込み損傷を被りやすくないので、パッシベーション層１
４の表面上にさらにエピタキシャル膜を成長させること
はより容易である。パッシベーション層１４は好ましく
は、適切な誘電体材料（例えばＳｒＴｉＯ3、ＣｅＯ2、
ＬａＡｌＯ3等）から作られた誘電体膜であり、ＹＢＣ
Ｏ層１０において用いられるＨＴＳ材料のものと適合す
る面内格子構造を有する。
ベーション層を通したＨＴＳ材料の間接イオン注入の方
法を示す。ＨＴＳ材料の膜または単結晶である酸化物超
伝導層１０を好ましくはＹＢＣＯ材料で作り、基板１２
上に置き、パッシベーション層１４を用いて保護する。
パッシベーション層１４を好ましくは、チタン酸ストロ
ンチウム（strontium tritanate）ＳｒＴｉＯ3（ＳＴ
Ｏ）のような打込み損傷をより被りやすくない材料で作
る。イオン注入１８をパッシベーション層１４を通して
実行し、下に配したＹＢＣＯ層１０を抑制する。パッシ
ベーション層１４は、露出したＹＢＣＯ層単独よりも打
込み損傷を被りやすくないので、パッシベーション層１
４の表面上にさらにエピタキシャル膜を成長させること
はより容易である。パッシベーション層１４は好ましく
は、適切な誘電体材料（例えばＳｒＴｉＯ3、ＣｅＯ2、
ＬａＡｌＯ3等）から作られた誘電体膜であり、ＹＢＣ
Ｏ層１０において用いられるＨＴＳ材料のものと適合す
る面内格子構造を有する。
【００２０】図３は、本発明による、間接打込みによっ
てパターン形成するＹＢＣＯ多層プロセスを用いて形成
したＨＴＳ材料の拡大断面図を示す。ＳＴＯパッシベー
ション層１４を通した第１のＹＢＣＯ層１０のイオン注
入１８によって、ＳＴＯパッシベーション層１４を通し
て第１のＹＢＣＯ層１０を超伝導性から絶縁性に修正す
る能力が生じ、また、第２のＹＢＣＯ層１５のような後
に堆積する超伝導層１５が平坦なままであることが可能
になり、それによって、従来の方法によって得られる傾
斜したエッジ７（図１）を覆って堆積したＹＢＣＯ膜中
にしばしば見い出される低臨界電流と電気的不連続性と
が除去されることが分かる。
てパターン形成するＹＢＣＯ多層プロセスを用いて形成
したＨＴＳ材料の拡大断面図を示す。ＳＴＯパッシベー
ション層１４を通した第１のＹＢＣＯ層１０のイオン注
入１８によって、ＳＴＯパッシベーション層１４を通し
て第１のＹＢＣＯ層１０を超伝導性から絶縁性に修正す
る能力が生じ、また、第２のＹＢＣＯ層１５のような後
に堆積する超伝導層１５が平坦なままであることが可能
になり、それによって、従来の方法によって得られる傾
斜したエッジ７（図１）を覆って堆積したＹＢＣＯ膜中
にしばしば見い出される低臨界電流と電気的不連続性と
が除去されることが分かる。
【００２１】本発明の方法実施例は、超伝導層１０内部
の選択された深さにおいて絶縁性の打込み層１３を作る
ための、超伝導層１０の選択された部分における超伝導
の抑制を提供する。説明する方法はさらに、打込みした
パターン１３が、絶縁、金属、または弱い超伝導体特性
等の酸化物超伝導層１０のものとは異なる電気的特性を
有するべきである時にはいつでも、及び、絶縁性、導電
性またはわずかに超伝導性の材料の非常に薄い層を電極
等の２つの要素の間に置かなければならない時にはいつ
でも適用可能である。さらに本発明の好ましい方法を使
用して、比較的に高いまたは低い抵抗値が必要な薄い抵
抗、例えば図５の抵抗２１、２３を作製してよい。多く
の電子回路においてはあるパターンの抵抗の精密な制御
は重要であるが、抵抗値を製造中に制御することは困難
である。本発明においては、イオンビームを用いた照射
によって超伝導薄膜中にイオンを打込むので、イオンが
入る深さを制御することによって抵抗を制御することが
可能である。これを成し遂げるためには、イオンの加速
エネルギーを制御し、また、打込まれる気体状要素のタ
イプとドーズ量（dosage）とを変化させる。
の選択された深さにおいて絶縁性の打込み層１３を作る
ための、超伝導層１０の選択された部分における超伝導
の抑制を提供する。説明する方法はさらに、打込みした
パターン１３が、絶縁、金属、または弱い超伝導体特性
等の酸化物超伝導層１０のものとは異なる電気的特性を
有するべきである時にはいつでも、及び、絶縁性、導電
性またはわずかに超伝導性の材料の非常に薄い層を電極
等の２つの要素の間に置かなければならない時にはいつ
でも適用可能である。さらに本発明の好ましい方法を使
用して、比較的に高いまたは低い抵抗値が必要な薄い抵
抗、例えば図５の抵抗２１、２３を作製してよい。多く
の電子回路においてはあるパターンの抵抗の精密な制御
は重要であるが、抵抗値を製造中に制御することは困難
である。本発明においては、イオンビームを用いた照射
によって超伝導薄膜中にイオンを打込むので、イオンが
入る深さを制御することによって抵抗を制御することが
可能である。これを成し遂げるためには、イオンの加速
エネルギーを制御し、また、打込まれる気体状要素のタ
イプとドーズ量（dosage）とを変化させる。
【００２２】本発明は、少なくとも１種の希土類（Ｒ
ｅ）元素を有し、高臨界温度で超伝導するような高Ｔｃ
酸化物超伝導材料に適用可能である。図２に戻って参照
すると、本発明の方法の場合は、化学的不純物イオン１
８を酸化物超伝導層１０の選択された部分に打込んだ際
に、酸化物超伝導層１０の選択された部分にその電気伝
導率を失わせ、しかもパッシベーション材料の結晶構造
を劣化することが無い。従って本方法は、高い製造レベ
ルでありかつ著しい損傷の無いエピタキシャル膜１５
（図３）を抑制された部分の上に成長させることを可能
にし、それによって多層ＨＴＳ装置及び回路をパターン
形成する有効な方法を提供する。本方法を用いれば、パ
ッシベーション層１４のどちらの面の表面にでも、約１
元素の格子定数（one elementary lattice constant）
の距離以内まで正しい結晶構造（rightcrystal structu
re）を有する装置を得ることが可能である。
ｅ）元素を有し、高臨界温度で超伝導するような高Ｔｃ
酸化物超伝導材料に適用可能である。図２に戻って参照
すると、本発明の方法の場合は、化学的不純物イオン１
８を酸化物超伝導層１０の選択された部分に打込んだ際
に、酸化物超伝導層１０の選択された部分にその電気伝
導率を失わせ、しかもパッシベーション材料の結晶構造
を劣化することが無い。従って本方法は、高い製造レベ
ルでありかつ著しい損傷の無いエピタキシャル膜１５
（図３）を抑制された部分の上に成長させることを可能
にし、それによって多層ＨＴＳ装置及び回路をパターン
形成する有効な方法を提供する。本方法を用いれば、パ
ッシベーション層１４のどちらの面の表面にでも、約１
元素の格子定数（one elementary lattice constant）
の距離以内まで正しい結晶構造（rightcrystal structu
re）を有する装置を得ることが可能である。
【００２３】本発明はさらに、改良された多層超伝導装
置と効果的な多層ＨＴＳ装置構造を作製する方法とを提
供する。図４は、本発明による、２つの層のＳＴＯ材料
１４と２つの層のＨＴＳ超伝導材料１０、１６とを有す
る多層構造の断面図である。図５は、本発明による、完
全に処理済みの、打込みによってパターン形成した多層
ＨＴＳ超伝導構造の断面図である。
置と効果的な多層ＨＴＳ装置構造を作製する方法とを提
供する。図４は、本発明による、２つの層のＳＴＯ材料
１４と２つの層のＨＴＳ超伝導材料１０、１６とを有す
る多層構造の断面図である。図５は、本発明による、完
全に処理済みの、打込みによってパターン形成した多層
ＨＴＳ超伝導構造の断面図である。
【００２４】図２、４、及び５を参照すると、パターン
形成済みの多層ＨＴＳ装置及び回路を製造するための模
範的な方法においては、スクリーン印刷、スパッタ、分
子線エピタキシャル（ＭＢＥ）、ＣＶＤ、ＰＬＤ、また
は超伝導層１０を堆積するための従来技術において周知
の任意の他の方法によって、超伝導層１０を基板１２上
に最初に堆積する。酸化物超伝導層１０は、ＨＴＳ膜ま
たは単結晶としてよい。この実施例におけるパッシベー
ション層１４は、酸化物超伝導層１０を覆って形成さ
れ、好ましくは絶縁材料であり、下に配した超伝導層１
０と同様の面内結晶構造を有する。イオン注入工程のた
めに、不純物イオンが選択された部分を通過するのを防
ぐパターンを有するマスク（図示せず）を、パッシベー
ション層１４に施用してよい。パッシベーション層１４
を次に不純物イオン１８の衝撃にさらして、選択された
深さにとって十分なエネルギーレベルで不純物イオン１
８を超伝導層１０の選択された部分に打込む。このよう
にして、酸化物超伝導層１０のイオン注入をパッシベー
ション層１４を通して実行する。
形成済みの多層ＨＴＳ装置及び回路を製造するための模
範的な方法においては、スクリーン印刷、スパッタ、分
子線エピタキシャル（ＭＢＥ）、ＣＶＤ、ＰＬＤ、また
は超伝導層１０を堆積するための従来技術において周知
の任意の他の方法によって、超伝導層１０を基板１２上
に最初に堆積する。酸化物超伝導層１０は、ＨＴＳ膜ま
たは単結晶としてよい。この実施例におけるパッシベー
ション層１４は、酸化物超伝導層１０を覆って形成さ
れ、好ましくは絶縁材料であり、下に配した超伝導層１
０と同様の面内結晶構造を有する。イオン注入工程のた
めに、不純物イオンが選択された部分を通過するのを防
ぐパターンを有するマスク（図示せず）を、パッシベー
ション層１４に施用してよい。パッシベーション層１４
を次に不純物イオン１８の衝撃にさらして、選択された
深さにとって十分なエネルギーレベルで不純物イオン１
８を超伝導層１０の選択された部分に打込む。このよう
にして、酸化物超伝導層１０のイオン注入をパッシベー
ション層１４を通して実行する。
【００２５】本発明の方法をさらに使用して、相互接続
済みの多層ＨＴＳ構造を得ることができ、この構造にお
いて、第１の抑制された領域が第２の抑制された領域と
接触するように、または、超伝導層の非抑制領域が別の
超伝導層の非抑制領域と接続するように、各超伝導層中
の第１と第２の抑制された領域を選択する。図５は、第
１の酸化物超伝導層１０、第２の酸化物超伝導層１６、
及び第３の酸化物超伝導層２０を含む、この実施例に従
って作製された多層ＨＴＳ構造を示す。第１の酸化物超
伝導層１０は、超伝導領域及び幾つかの絶縁性のすなわ
ち抑制された打込み領域１３、１５からなり、領域１
３、１５は、図２に関して上記に説明したように、ＳＴ
Ｏパッシベーション層１４を通してパターン形成する不
純物イオン注入によって作られる。打込み領域１３、１
５の作製後に、第１の超伝導層１０へのコンタクトをＳ
ＴＯパッシベーション層１４を通してミリングによって
形成（mill）してから、第２の酸化物超伝導層１６をＳ
ＴＯパッシベーション層１４の上にエピタキシャル成長
させる。このＨＴＳ層１６を、絶縁領域１５によって超
伝導層１０から絶縁分離する。この特定のサンプルにお
いては、ＨＴＳ層１６をイオンミリングによってパター
ン形成して、超伝導層２０と共にＳＮＳエッジ接合（ed
ge junction）１９を形成する。低値抵抗２１及び高値
抵抗２３を選択的イオン注入によって作製し、ここで高
値抵抗２３はどの超伝導層の中にでも形成できる。
済みの多層ＨＴＳ構造を得ることができ、この構造にお
いて、第１の抑制された領域が第２の抑制された領域と
接触するように、または、超伝導層の非抑制領域が別の
超伝導層の非抑制領域と接続するように、各超伝導層中
の第１と第２の抑制された領域を選択する。図５は、第
１の酸化物超伝導層１０、第２の酸化物超伝導層１６、
及び第３の酸化物超伝導層２０を含む、この実施例に従
って作製された多層ＨＴＳ構造を示す。第１の酸化物超
伝導層１０は、超伝導領域及び幾つかの絶縁性のすなわ
ち抑制された打込み領域１３、１５からなり、領域１
３、１５は、図２に関して上記に説明したように、ＳＴ
Ｏパッシベーション層１４を通してパターン形成する不
純物イオン注入によって作られる。打込み領域１３、１
５の作製後に、第１の超伝導層１０へのコンタクトをＳ
ＴＯパッシベーション層１４を通してミリングによって
形成（mill）してから、第２の酸化物超伝導層１６をＳ
ＴＯパッシベーション層１４の上にエピタキシャル成長
させる。このＨＴＳ層１６を、絶縁領域１５によって超
伝導層１０から絶縁分離する。この特定のサンプルにお
いては、ＨＴＳ層１６をイオンミリングによってパター
ン形成して、超伝導層２０と共にＳＮＳエッジ接合（ed
ge junction）１９を形成する。低値抵抗２１及び高値
抵抗２３を選択的イオン注入によって作製し、ここで高
値抵抗２３はどの超伝導層の中にでも形成できる。
【００２６】本発明の前述の方法実施例の全てを、任意
の厚さのＨＴＳ膜または単結晶構造に適用できる。こう
した実施例において使用される酸化物超伝導材料は好ま
しくはＹＢＣＯ材料であるが、本発明をＹＢＣＯ型の酸
化物超伝導体に適用することは、単に一例として提出す
るものであり、本発明は、（Ｒｅ）Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｌ
ａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｃａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｓ
ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔｈ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｈ
ｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｋ−Ｂａ−Ｏ、Ｎｄ
−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ及び他のそのような材料に適用可能で
ある。
の厚さのＨＴＳ膜または単結晶構造に適用できる。こう
した実施例において使用される酸化物超伝導材料は好ま
しくはＹＢＣＯ材料であるが、本発明をＹＢＣＯ型の酸
化物超伝導体に適用することは、単に一例として提出す
るものであり、本発明は、（Ｒｅ）Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｌ
ａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｃａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｓ
ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔｈ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｈ
ｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｋ−Ｂａ−Ｏ、Ｎｄ
−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ及び他のそのような材料に適用可能で
ある。
【００２７】本発明においては、打込み層１３を形成す
るためのイオン注入は好ましくは、打込み種としてＧ
ｅ、Ｓｉ、Ｓｉ++、Ｂ、Ａｒ、Ｇａ、Ｐ、Ｔａ、Ｍｇ、
Ｂｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｔ
ｉ、Ｎｅ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｚｒ、これらの混合物、Ｓｉ3
Ｎ4、ＳｉＦ2若くはＳｉＦ3の化合物、または他の化学
的不純物を用いて実行し、図２、４及び５に示すよう
に、これらをパッシベーション層１４の上から打ち出
し、パッシベーション層１４と酸化物超伝導層１０、１
６、２０とを通す。酸化物超伝導層１０、１６、２０
を、予め選択された加速エネルギーで照射する。エネル
ギーレベルが高い程、イオン注入深さは大きくなる。広
い範囲の深さにわたって均一な濃度の不純物を得るため
には、多数回のイオン衝撃工程を使用し、各工程では各
々異なるイオンエネルギーレベルを用いなければならな
いかもしれない。
るためのイオン注入は好ましくは、打込み種としてＧ
ｅ、Ｓｉ、Ｓｉ++、Ｂ、Ａｒ、Ｇａ、Ｐ、Ｔａ、Ｍｇ、
Ｂｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｔ
ｉ、Ｎｅ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｚｒ、これらの混合物、Ｓｉ3
Ｎ4、ＳｉＦ2若くはＳｉＦ3の化合物、または他の化学
的不純物を用いて実行し、図２、４及び５に示すよう
に、これらをパッシベーション層１４の上から打ち出
し、パッシベーション層１４と酸化物超伝導層１０、１
６、２０とを通す。酸化物超伝導層１０、１６、２０
を、予め選択された加速エネルギーで照射する。エネル
ギーレベルが高い程、イオン注入深さは大きくなる。広
い範囲の深さにわたって均一な濃度の不純物を得るため
には、多数回のイオン衝撃工程を使用し、各工程では各
々異なるイオンエネルギーレベルを用いなければならな
いかもしれない。
【００２８】超伝導層１０の打込みした部分１３は、選
択された深さにおいてその超伝導特性を失うが、そのよ
うな特性は、超伝導層１０のうち、マスクが超伝導層１
０を不純物イオンから防護した部分においては保持され
る。このようにしてＨＴＳ材料の結晶構造を保持し、従
って抑制された材料の上に追加の層をエピタキシャル成
長できる。
択された深さにおいてその超伝導特性を失うが、そのよ
うな特性は、超伝導層１０のうち、マスクが超伝導層１
０を不純物イオンから防護した部分においては保持され
る。このようにしてＨＴＳ材料の結晶構造を保持し、従
って抑制された材料の上に追加の層をエピタキシャル成
長できる。
【００２９】本発明に従って実行する、ＹＢＣＯ材料等
の酸化物超伝導材料の間接イオン注入パターン形成の主
要な利点としては、パターン形成済みの膜の平坦化、よ
り鮮明な形状の解像度（feature definition）、パター
ン形成済みの構造エッジの化学的安定性、及びパターン
形成済みの層の電気的性質の効果的な制御が挙げられ
る。さらに、ＳＴＯパッシベーション層１４は強弾性材
料ではないので、これは双晶化せず、ＳＴＯパッシベー
ション層１４は、打込み最中のＹＢＣＯ層１０の面内ひ
ずみに容易に抵抗できる。ＳＴＯ層１４は、超伝導層１
０への打込みを可能にし、同時にさらに堆積するための
より良好なテンプレートになる。加えて、ＳＴＯパッシ
ベーション層１４における打込みの最中にはＹＢＣＯ層
１０におけるよりも形成される空孔が少ないので、ＳＴ
Ｏパッシベーション層１４中には結晶損傷がより少な
い。また打込みしたＳＴＯパッシベーション層１４は、
ＹＢＣＯ層１０と同程度に再結晶して第二相を形成する
ことがない。
の酸化物超伝導材料の間接イオン注入パターン形成の主
要な利点としては、パターン形成済みの膜の平坦化、よ
り鮮明な形状の解像度（feature definition）、パター
ン形成済みの構造エッジの化学的安定性、及びパターン
形成済みの層の電気的性質の効果的な制御が挙げられ
る。さらに、ＳＴＯパッシベーション層１４は強弾性材
料ではないので、これは双晶化せず、ＳＴＯパッシベー
ション層１４は、打込み最中のＹＢＣＯ層１０の面内ひ
ずみに容易に抵抗できる。ＳＴＯ層１４は、超伝導層１
０への打込みを可能にし、同時にさらに堆積するための
より良好なテンプレートになる。加えて、ＳＴＯパッシ
ベーション層１４における打込みの最中にはＹＢＣＯ層
１０におけるよりも形成される空孔が少ないので、ＳＴ
Ｏパッシベーション層１４中には結晶損傷がより少な
い。また打込みしたＳＴＯパッシベーション層１４は、
ＹＢＣＯ層１０と同程度に再結晶して第二相を形成する
ことがない。
【００３０】図１に戻って参照すると、従来技術のイオ
ンミリング法によるＹＢＣＯ材料のドライエッチングは
傾斜したエッジ７を生じ、これは幅０．１μm〜１μm
で、貴重なチップ面積を無駄に使い、回路の寄生インダ
クタンスを増大させる。それに反して、本発明を用いて
得られる、打込みによって規定される領域は、図２にお
いて示すように典型的には鮮明な境界を有し、しかも幅
０．１μm未満であり、より多くの要素が所定のチップ
上にパターン形成されることを可能にし、寄生インダク
タンスを低減する。さらに、本発明の打込みした界面
は、水蒸気及び化学薬品のような、フォトリソグラフィ
に関連し、腐食性の可能性のある外部雰囲気にさらされ
ないので、より大きな化学的安定性を有し、これはＹＢ
ＣＯ回路の長期的な信頼性にとって重要である。加えて
本発明においては、打込みのタイプとドーズ量とを選択
して、打込みしたＹＢＣＯ層の電気的性質を広範囲の導
電率にわたって制御できる。例えば、低ドーズ量のＮｉ
打込みを使用して、Ａｇ／ＹＢＣＯ二重層表面に、集積
化された高値抵抗及び低値抵抗２１、２３（図５）を作
製できるかもしれない。
ンミリング法によるＹＢＣＯ材料のドライエッチングは
傾斜したエッジ７を生じ、これは幅０．１μm〜１μm
で、貴重なチップ面積を無駄に使い、回路の寄生インダ
クタンスを増大させる。それに反して、本発明を用いて
得られる、打込みによって規定される領域は、図２にお
いて示すように典型的には鮮明な境界を有し、しかも幅
０．１μm未満であり、より多くの要素が所定のチップ
上にパターン形成されることを可能にし、寄生インダク
タンスを低減する。さらに、本発明の打込みした界面
は、水蒸気及び化学薬品のような、フォトリソグラフィ
に関連し、腐食性の可能性のある外部雰囲気にさらされ
ないので、より大きな化学的安定性を有し、これはＹＢ
ＣＯ回路の長期的な信頼性にとって重要である。加えて
本発明においては、打込みのタイプとドーズ量とを選択
して、打込みしたＹＢＣＯ層の電気的性質を広範囲の導
電率にわたって制御できる。例えば、低ドーズ量のＮｉ
打込みを使用して、Ａｇ／ＹＢＣＯ二重層表面に、集積
化された高値抵抗及び低値抵抗２１、２３（図５）を作
製できるかもしれない。
【００３１】ＳＴＯ材料は幾つかのさらなる利点を有
し、というのはこれは立方晶系材料であり、それ故、マ
イクロクラッキングを生じ得る応力ドメインを形成せ
ず、また、ＹＢＣＯ程容易に第二相を形成しないからで
ある。これは全て、ＳＴＯのような打込み損傷に対して
耐性がある材料は、打込みしたＹＢＣＯのみの膜と比較
して、さらに膜を成長させるためのより良好な結晶テン
プレートになることを示す。計算によると、打込みエネ
ルギーの関数として、Ｓｉイオン当りでより少ない数の
空孔が、密度がＹＢＣＯ材料の密度よりも低い材料中
に、例えば本発明のＳＴＯ膜中に形成されることが明ら
かであり、ＳＴＯはイオン注入による損傷がより少ない
ことを示す。このことは、ＳＴＯ材料はその結晶構造を
より良好に保持し、それ故さらにエピタキシャル成長さ
せるために必要な表面テンプレートをより良好に保持す
ることを示唆する。図６及び７は、ＳＴＯ層はＹＢＣＯ
層よりもイオン注入による損傷が少ないことを示す。図
６は、成長したままの（as grown）ＳＴＯのみの膜及び
打込みしたＳＴＯのみの膜の代表的な回折図形を示し、
総ドーズ量＝（１×１０16／cm2；Ｅ1＝１５０Kev、Ｅ2
＝２５０Kev）である。弱い（２００）ＳＴＯピークが
残り、ＳＴＯはイオン注入後になお若干の結晶秩序（cr
ystalline order）を持つことを示す。図７は、ＳＴＯ
のみの膜（図６）と同じドーズ量及びエネルギーで打込
んだ後の、成長したままのＹＢＣＯのみの膜と打込みし
たままのＹＢＣＯ／ＳＴＯ膜とを示す。しかしながら、
打込みしたＹＢＣＯ／ＳＴＯの場合、図６におけるもの
と同じ（２００）ＳＴＯピークが存在し、一方ＹＢＣＯ
膜は、全ての（００ｌ）回折ピークが無いことによって
示されるように、その結晶化度の全てを失っており、こ
こでｌ＝３〜７である。このことは、ＳＴＯはＹＢＣＯ
よりも打込み損傷を被りやすくないことを示す。
し、というのはこれは立方晶系材料であり、それ故、マ
イクロクラッキングを生じ得る応力ドメインを形成せ
ず、また、ＹＢＣＯ程容易に第二相を形成しないからで
ある。これは全て、ＳＴＯのような打込み損傷に対して
耐性がある材料は、打込みしたＹＢＣＯのみの膜と比較
して、さらに膜を成長させるためのより良好な結晶テン
プレートになることを示す。計算によると、打込みエネ
ルギーの関数として、Ｓｉイオン当りでより少ない数の
空孔が、密度がＹＢＣＯ材料の密度よりも低い材料中
に、例えば本発明のＳＴＯ膜中に形成されることが明ら
かであり、ＳＴＯはイオン注入による損傷がより少ない
ことを示す。このことは、ＳＴＯ材料はその結晶構造を
より良好に保持し、それ故さらにエピタキシャル成長さ
せるために必要な表面テンプレートをより良好に保持す
ることを示唆する。図６及び７は、ＳＴＯ層はＹＢＣＯ
層よりもイオン注入による損傷が少ないことを示す。図
６は、成長したままの（as grown）ＳＴＯのみの膜及び
打込みしたＳＴＯのみの膜の代表的な回折図形を示し、
総ドーズ量＝（１×１０16／cm2；Ｅ1＝１５０Kev、Ｅ2
＝２５０Kev）である。弱い（２００）ＳＴＯピークが
残り、ＳＴＯはイオン注入後になお若干の結晶秩序（cr
ystalline order）を持つことを示す。図７は、ＳＴＯ
のみの膜（図６）と同じドーズ量及びエネルギーで打込
んだ後の、成長したままのＹＢＣＯのみの膜と打込みし
たままのＹＢＣＯ／ＳＴＯ膜とを示す。しかしながら、
打込みしたＹＢＣＯ／ＳＴＯの場合、図６におけるもの
と同じ（２００）ＳＴＯピークが存在し、一方ＹＢＣＯ
膜は、全ての（００ｌ）回折ピークが無いことによって
示されるように、その結晶化度の全てを失っており、こ
こでｌ＝３〜７である。このことは、ＳＴＯはＹＢＣＯ
よりも打込み損傷を被りやすくないことを示す。
【００３２】本発明の方法を使用して、ＨＴＳ材料の薄
膜及び結晶のパターン形成のために現在利用可能なフォ
トリソグラフィ技術の小さな修正によって、高い製造歩
留りで超伝導パターン及び超伝導装置を容易に作製でき
る。本方法を、ディジタル回路、ＲＦ用途、磁力計、集
積回路、及びその他の装置を製造するために使用でき
る。本発明の好ましい方法の利点は、１５層ものエピタ
キシャル層を必要とすることがあるＨＴＳ ＳＱＵＩＤ
磁力計のような多層装置を製造する際に特に重要であ
る。
膜及び結晶のパターン形成のために現在利用可能なフォ
トリソグラフィ技術の小さな修正によって、高い製造歩
留りで超伝導パターン及び超伝導装置を容易に作製でき
る。本方法を、ディジタル回路、ＲＦ用途、磁力計、集
積回路、及びその他の装置を製造するために使用でき
る。本発明の好ましい方法の利点は、１５層ものエピタ
キシャル層を必要とすることがあるＨＴＳ ＳＱＵＩＤ
磁力計のような多層装置を製造する際に特に重要であ
る。
【００３３】本発明をその好適な実施例に関連して説明
してきたが、その範囲は、請求の範囲の組とその全ての
同等物とによって定義される限りにおいてのみ限定され
る。上記の説明を、制限のためのものではない例として
単に提出したことは全く明白である。ディジタル値は、
単に説明のために提出したものである。当業者であれ
ば、説明した好適な実施例の様々な改作及び修正を、本
発明の範囲及び精神から逸脱すること無く構成できるこ
とは了解されよう。従って、添付の請求の範囲内で、本
発明を本明細書において具体的に説明したものとは異な
って実施してよいことは理解されるはずである。
してきたが、その範囲は、請求の範囲の組とその全ての
同等物とによって定義される限りにおいてのみ限定され
る。上記の説明を、制限のためのものではない例として
単に提出したことは全く明白である。ディジタル値は、
単に説明のために提出したものである。当業者であれ
ば、説明した好適な実施例の様々な改作及び修正を、本
発明の範囲及び精神から逸脱すること無く構成できるこ
とは了解されよう。従って、添付の請求の範囲内で、本
発明を本明細書において具体的に説明したものとは異な
って実施してよいことは理解されるはずである。
【図１】従来技術による、イオンミリングによってパタ
ーン形成したＹＢＣＯ多層処理の結果の拡大断面図を示
す。
ーン形成したＹＢＣＯ多層処理の結果の拡大断面図を示
す。
【図２】本発明による、保護ＳＴＯパッシベーション層
を通したＹＢＣＯの間接イオン注入の方法を示す。
を通したＹＢＣＯの間接イオン注入の方法を示す。
【図３】本発明による、間接打込みによってパターン形
成したＹＢＣＯ多層処理の結果の拡大断面図を示す。
成したＹＢＣＯ多層処理の結果の拡大断面図を示す。
【図４】本発明による、２つの層のＳＴＯと２つの層の
ＨＴＳ超伝導材料とを有する多層構造の断面図である。
ＨＴＳ超伝導材料とを有する多層構造の断面図である。
【図５】本発明による、完全に処理済みの、打込みによ
ってパターン形成した多層ＨＴＳ超伝導構造の断面図で
ある。
ってパターン形成した多層ＨＴＳ超伝導構造の断面図で
ある。
【図６】成長したままの及び打込みしたＳＴＯのみの膜
のＸ線回折図形を示す。
のＸ線回折図形を示す。
【図７】成長したままのＹＢＣＯのみの膜及び打込みし
たＹＢＣＯ１／ＳＴＯ膜のＸ線回折図形を示す。
たＹＢＣＯ１／ＳＴＯ膜のＸ線回折図形を示す。
１０ 第１の酸化物超伝導層
１２ 基板
１３ 打込み領域
１４ パッシベーション層
１５ 第２の酸化物超伝導層
１５ 打込み領域
１６ 第２の酸化物超伝導層
１８ イオン注入
１９ ＳＮＳエッジ接合
２０ 第３の酸化物超伝導層
２１ 抵抗
２３ 抵抗
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 クレイレ・エル・ペチエット−ホール
アメリカ合衆国カリフォルニア州90505,
トーランス，カレ・デ・アーボルズ
5518
(72)発明者 ジェイムズ・エム・マーダック
アメリカ合衆国カリフォルニア州90278,
リダンド・ビーチ，ブレイズデル・アベ
ニュー 3000
(72)発明者 ヒューゴ・ダブリュー−ケイ・チャン
アメリカ合衆国カリフォルニア州94539,
フレモント，センチネル・ドライブ
46850
(56)参考文献 特開 昭64−67984（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−275010（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−317381（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−167577（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−206279（ＪＰ，Ａ)
Ｂ．Ｈ．Ｍｏｅｃｋｌｙ ａｎｄ
Ｋ．Ｃｈａｒ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ−ｅｎｇｉｎ
ｅｅｒｅｄ ｈｉｇｈ Ｔｃ Ｊｏｓｅ
ｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，Ａｐ
ｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ，米国，1997年10月27日，ｖｏ
ｌ．71 ｎｏ．17，ｐｐ．2526−2528
Claims (13)
- 【請求項１】 酸化物超伝導層を基板上に形成する工程
と； パッシベーション層を前記酸化物超伝導層の上に堆積す
る工程と； 前記酸化物超伝導層の選択された部分に、前記パッシベ
ーション層を通して化学的不純物を打込むことで、前記
酸化物超伝導層の前記選択された部分の導電率を修正し
て、前記酸化物超伝導層の選択されていない部分から前
記酸化物超伝導層の前記選択された部分を電気的に絶縁
分離する工程と； を含む、超伝導材料に打込みによってパターン形成する
方法。 - 【請求項２】 酸化物超伝導層を形成する前記工程は、
結晶構造表面の上面を有する酸化物超伝導層を基板上に
形成する工程を含み、 パッシベーション層を前記酸化物超伝導層の上に堆積す
る前記工程は、前記酸化物超伝導層のものと適合する結
晶構造を有する誘電体材料で作られ、前記酸化物超伝導
層の抑制を可能にし、同時に前記パッシベーション層の
上面の結晶構造を保護しかつ平坦化された状態に保つよ
うなパッシベーション層を前記酸化物超伝導層の上に堆
積する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 化学的不純物を打込む前記工程は、イオ
ン注入によって化学的不純物を打込む工程をさらに含
む、請求項２に記載の方法。 - 【請求項４】 化学的不純物を打込む前記工程は、Ｓ
ｉ、Ｇｅ、Ｂ、Ａｒ、Ｇａ、Ｐ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａ
ｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎ
ｅ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｚｒ、これらの混合物、並びにＳｉ3
Ｎ4、ＳｉＦ2及びＳｉＦ3の化合物からなる群から選択
される化学的不純物を打込む工程をさらに含む、請求項
３に記載の方法。 - 【請求項５】 前記誘電体材料は、前記酸化物超伝導層
のものと同様の面内結晶格子構造を有する、請求項２に
記載の方法。 - 【請求項６】 酸化物超伝導層を基板上に形成する前記
工程は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、
Ｃａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、（Ｒｅ）ＢａＣｕＯ、Ｂｉ−Ｓ
ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｔｈ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｈ
ｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｋ−Ｂａ−Ｏ、及び
Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏからなる群から選択される酸化物
超伝導層を基板上に形成する工程をさらに含む、請求項
４に記載の方法。 - 【請求項７】 （ａ）酸化物超伝導層を基板上に形成す
る工程と； （ｂ）パッシベーション層を前記酸化物超伝導層の上に
堆積する工程と； （ｃ）前記酸化物超伝導層の選択された部分に、前記パ
ッシベーション層を通して化学的不純物を打込むこと
で、前記酸化物超伝導層の前記選択された部分の導電率
を修正して、前記酸化物超伝導層の選択されていない部
分から前記選択された部分を電気的に絶縁分離する工程
と； （ｄ）追加の層を前記パッシベーション層の上に形成す
るために工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返す工程と； を含む、打込みによってパターン形成した多層超伝導装
置を製造する方法。 - 【請求項８】 前記追加の層がエピタキシャルである、
請求項７に記載の方法。 - 【請求項９】 基板上に形成され、ある結晶構造と高い
超伝導転移温度とを有する酸化物超伝導材料の第１の層
と； 酸化物超伝導材料の該第１の層に対して重畳するエピタ
キシャルパッシベーション層であって、酸化物超伝導材
料の前記第１の層の選択された部分の、前記パッシベー
ション層を通し化学的不純物を用いたイオン打込みによ
るパターン形成を容易にすることで、酸化物超伝導材料
の前記第１の層の前記選択された部分の導電率を修正し
て、酸化物超伝導材料の前記第１の層の選択されていな
い部分から前記選択された部分を電気的に絶縁分離する
ためのパッシベーション層と； を備える、打込みによってパターン形成した多層超伝導
装置。 - 【請求項１０】 前記パッシベーション層の上に形成さ
れた酸化物超伝導材料の第２の層をさらに備える、請求
項９に記載の装置。 - 【請求項１１】 酸化物超伝導材料の前記第１の層は上
面を有し、前記パッシベーション層は、酸化物超伝導材
料の前記第１の層のものと適合する結晶構造を有する誘
電体材料で作られ、酸化物超伝導材料の前記第１の層の
抑制を可能にし、同時に前記パッシベーション層の材料
の上面の結晶構造を保護しかつ平坦化された状態に保
つ、請求項１０に記載の装置。 - 【請求項１２】 前記化学的不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、
Ｂ、Ａｒ、Ｇａ、Ｐ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｆｅ、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｅ、Ｎｂ、Ｍ
ｎ、Ｚｒ、これらの混合物、並びにＳｉ3Ｎ4、ＳｉＦ2
及びＳｉＦ3の化合物からなる群から選択される、請求
項１１に記載の装置。 - 【請求項１３】 酸化物超伝導材料の前記第１の層は、
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ、Ｃａ−Ｓ
ｒ−Ｃｕ−Ｏ、（Ｒｅ）ＢａＣｕＯ、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ
−Ｃｕ−Ｏ、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｈｇ−Ｂａ
−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｋ−Ｂａ−Ｏ、及びＮｄ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−Ｏからなる群から選択される、請求項１２に
記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/314772 | 1999-05-19 | ||
| US09/314,772 US6147032A (en) | 1999-05-19 | 1999-05-19 | Method for indirect Ion implantation of oxide superconductive films |
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|---|---|
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| JP3448260B2 true JP3448260B2 (ja) | 2003-09-22 |
Family
ID=23221376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000148216A Expired - Fee Related JP3448260B2 (ja) | 1999-05-19 | 2000-05-19 | 打込みによってパターン形成した超伝導装置及び超伝導膜の間接イオン注入方法 |
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|---|---|
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| US7226894B2 (en) * | 2003-10-22 | 2007-06-05 | General Electric Company | Superconducting wire, method of manufacture thereof and the articles derived therefrom |
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| US4470190A (en) * | 1982-11-29 | 1984-09-11 | At&T Bell Laboratories | Josephson device fabrication method |
| US4536781A (en) * | 1983-02-22 | 1985-08-20 | Sperry Corporation | Fabrication of superconductive tunneling junction resistors and short circuits by ion implantation |
| US4544937A (en) * | 1983-04-01 | 1985-10-01 | Sperry Corporation | Formation of normal resistors by degenerate doping of substrates |
| JPH0634418B2 (ja) * | 1987-09-07 | 1994-05-02 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 超電導素子の作製方法 |
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| US5137868A (en) * | 1987-05-06 | 1992-08-11 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method for preparing a superconducting device |
| US4916116A (en) * | 1987-05-06 | 1990-04-10 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Method of adding a halogen element into oxide superconducting materials by ion injection |
| CA1336149C (en) * | 1987-07-06 | 1995-07-04 | Saburo Tanaka | Superconducting thin film and a method for preparing the same |
| FR2626715B1 (fr) * | 1988-02-02 | 1990-05-18 | Thomson Csf | Dispositif en couches minces de materiau supraconducteur et procede de realisation |
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| US5227364A (en) * | 1990-06-29 | 1993-07-13 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Method of forming patterned oxide superconducting films and Josephson junction devices by using an aqueous alkaline solution |
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-
1999
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-
2000
- 2000-05-19 JP JP2000148216A patent/JP3448260B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2000-09-07 US US09/657,203 patent/US6335108B1/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｂ．Ｈ．Ｍｏｅｃｋｌｙ ａｎｄ Ｋ．Ｃｈａｒ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｈｉｇｈ Ｔｃ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，米国，１９９７年１０月２７日，ｖｏｌ．７１ ｎｏ．１７，ｐｐ．２５２６−２５２８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6147032A (en) | 2000-11-14 |
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