JPH01106481A

JPH01106481A - 超伝導材料構造

Info

Publication number: JPH01106481A
Application number: JP62264112A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yamawaki; 秀樹山脇; Takaaki Kimura; 記村　隆章; Kazuto Ikeda; 和人池田; Masaru Ihara; 賢井原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-10-20
Filing date: 1987-10-20
Publication date: 1989-04-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔目　次〕概要産業上の利用分野従来の技術発明が解決しようとする問題点問題点を解決するための手段作用実施例本発明の一実施例　　（第１．２図）発明の効果〔概　要〕セラミックス系の超伝導材料構造に関し、セラミックス
系超伝導材料を多層化する際の特性に優れ、インターフ
ェイスの結晶性を改善できる超伝導材料構造の提供を目
的とし、少なくとも２層のセラミックス系の超伝導材料層の間に
酸化イツトリウム（ＹｉＯｚ）よりなる層を形成するよ
うに構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、超伝導材料構造に係り、詳しくは複数のセラ
ミックス系の超伝導材料層の間に層間絶縁膜を介在させ
た超伝導材料構造に関する。

近年、コンピュータの高速化はめざましく、この高速化
のアプローチとしてプロセッサのマルチ化、デバイスの
スイッチング速度の向上、およびこれらデバイスを高密
度に実装して配線距離を短くすることが行われている。

高密度に配線するためには、微細な配線パターンで回路
を作成することが必要となり、このような微細化を図る
と、配線に用いる導体の断面積が減少する反面、配線の
電気抵抗が増加する。そのため、伝播する電気信号の減
少、波形の歪が起こる。

そこで、超伝導物質を銅などの常伝導体に代えて配線材
料として用いることができれば、これらの問題は大きく
改善される。また、超伝導物質によりジョセフソン素子
を構成し、集積化すれば高速・低電力性と微小実装部品
技術の活用により超高速のコンピュータシステムを実現
できる。

従来の超伝導体は超伝導状態に転移する温度が低く、冷
却のために液体ヘリウムや液体水素を用いなければなら
なかった。しかし、これらの冷却媒体は取り扱いが難し
く、コストもかかるので、超伝導配線材料の実現化は困
難であった。

ところが、近時Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系セラミックスに代
表される、いわゆる高温超伝導体が出現し、超伝導配線
の実用化の可能性が大きく広がりつつある。

〔従来の技術〕

セラミックス系の酸化物高温超伝導体は液体窒素の沸点
（７７°Ｋ）以上の比較的高温で超伝導状態になること
から、ＩＣなどの半導体デバイス、各種装置の部品、装
置内の配線など応用範囲が広く、その要求も大きい。こ
れらの要求に応えるためには品質の良い薄膜を効率よく
形成する必要がある。例えばジョセフソン接合を含め半
導体、集積回路の構成素子は、すべて薄膜素子からなる
全薄膜集積回路という特質がある。このため、薄膜の結
晶粒径、配向性等の結晶性に基づく薄膜の性質、均一性
、再現性が素子ひいては超伝導集積回路の歩留り、信頼
性の重要な因子となる。

このようにセラミックス系の高温超伝導材料を実装配線
に適用するためには、まず薄膜技術の確立を図る必要が
あり、それもできるだけ低いプロセス温度で成膜できる
ことが要求される。電流密度も微細化することを考える
と、１０’Ａ／ｃｍ”以上は必要である。

従来のセラミックス系超伝導材料の薄膜を形成する方法
としては、主にスパッタ法、ＥＢ藩春着法どが用いられ
る。スパッタ法では、成長を行う物質として同程度の組
成のターゲットを用い、これをイオンスパッタにより気
化し基板上に成長させている。また、ＥＢＢ着法では、
薄膜を形成する物質（蒸発源）をＥＢガンを用いて蒸発
させ、基板上に蒸着させている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来のセラミックス系超伝導
材料、例えばその１つであるＹＢａ２Ｃｕ３　ｏ、−Ｘ
の結晶についてみると、次のような欠点がある。

（イ）大気中の水分を吸着したり水と反応したりし易い
ので、眉間物質を介在させて多層化する場合、大気に接
触することを避ける必要があり、連続成膜が望ましい。

（ロ）セラミックス系超伝導材料においては、Ｙ。

Ｂａ、Ｃｕの他に酸素の組成比を適正に制御する必要が
あり、酸素の割合は７より少し少ないが、酸素の入り込
み方が十分でないと、高温超伝導体にはならない、した
がって、結晶における酸素の組成比を制御するため、酸
素雰囲気中で高温アニールを行う必要がある。

（ハ）結晶の一成分であるＢａ’ＰＣｕの酸化物は比較
的低融点の物質であり、しかも化学的に活性なため、半
導体素子の一般的な材料である５ｉＳｓｉｏ□、Ａ１．
Ｏ，などの　物質と相互に拡散してアロイを形成し易い
。

したがって、超伝導材料を多層化して半導体素子を製造
する場合には、層間物質の選択や導入方法に工夫が必要
である。

このように、上記（イ）〜（ハ）の欠点があるため、Ｙ
Ｂａ、Ｃｕ、Ｏ，、の高温超伝導体材料を用いて半導体
装置をつ（る場合には、多層化やジョセフソン素子への
適用が困難であった。例えば、ジョセフソン素子のトン
ネル障壁（トンネルバリア）用絶縁膜は平均値として約
５ｎｍ±０．１ｎｍの制御性、均一化が要求されるので
、安定な薄膜が欠かせない。また、薄膜の結晶粒径、配
向性等を初めとするインターフェイスの結晶性（他の物
質と境界面における接合特性や電流密度等）も高品質の
ものが要求される。

そこで本発明は、セラミックス系超伝導材料を多層化す
る際の特性に優れ、インターフェイスの結晶性を改善で
きる超伝導材料構造を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による超伝導材料構造は上記目的達成のため、少
なくとも２層のセラミックス系の超伝導材料層の間に、
酸化インドリウムよりなる層（層間絶縁膜）を形成して
いる。

〔作　用〕

本発明では、複数のセラミックス系の超伝導材料層の間
に、酸化イツトリウム（ｙ、　Ｃｈ）よりなる層が形成
されており、Ｙ２Ｏ，はセラミックス系の超伝導材料層
の一成分であるとともに、高温で極めて安定な絶縁物質
である。

したがって、超伝導材料が多層化された際の特性が向上
するとともに、インターフェイスの結晶性が改善される
。

【実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１．２図は本発明に係る超伝導材料構造の一実施例を
示す図であり、本発明の超伝導材料構造を基板上に形成
した例である。

第１図は超伝導材料構造を示す断面図であり、第１図に
おいて、１は成長基板である。成長基板１としては、例
えばＳ　ｉ　％　Ｍ　ｇ　Ｏ％サファイア、スピネル等
が用いられる。、このような素材を基板ｌとして用いる
のは、薄膜素子からなる超伝導集積回路実現に不可欠な
磁気的不純物を含まず、清浄で良好な平坦性の基板を得
ることが可能だからである。２および３はそれぞれＹ　
Ｂ　ａ　ｚｃ　ｕ　５ｃ）ｙ−ｘなる組成を有するセラ
ミックス系の超伝導材料層であり、超伝導材料層２と超
伝導材料層３との間にはＹ２Ｏ１層４が形成されていう
。超伝導材料層２．３は何れも同様の方法で形成される
。すなわち、基板１上に、まずＹＢａｔ　Ｃｕｓ　０ｔ
−ｘの組成を有するセラミックス系の超伝導材料層２を
スパッタ法、ＥＢ蒸着法あるいはＣＶＤ法により３００
〜１０００℃の温度条件下で形成し、次いで同一チャン
バ内で４００〜１０００℃の温度条件下で酸素熱処理を
する。これにより、酸素の入り込みが適切に調整されて
高温超伝導体となる。その後、超伝導材料層２の上にス
パッタ法、ＥＢ蒸着法あるいはＣＶＤ法により同一チャ
ンバ内で３００〜１０００℃の温度条件下でＹ２Ｏ３層
４を形成する。次いで、超伝導材料層２の形成プロセス
と同様のプロセスを用いて超伝導材料層３をＹｚＯｘ層
４の上に形成する。

このような構造はスパッタ法、ＥＢ蒸着法、ＣＶＤ法の
何れの方法によっても製造可能であるが、その中でも最
も特性の良い薄膜が得られるＣＶＤ法を本願出願人は先
に開発しており、この方法による例を第２図を参照して
説明する。

第２図は化学気相成長法（ＣＶＤ法）を実施するための
装置（ＣＶＤ装置）の概略図である。第２図において、
１１は円筒状で石英を素材とする耐熱性の反応管である
。反応管１１の周囲には４つの抵抗加熱炉１２ａ〜、１
２ｄが配設されており、抵抗加熱炉１２ａ〜１２ｄは電
流の通電により発熱して反応管１１の各部を加熱する。

一方、反応管１１の内部にはソースチェンバ１３が設け
られており、ソースチェンバ１３内には３つのソースポ
ート１４ａ〜１４ｃが配置される。ソースポート１４ａ
〜１４ｃにはそれぞれＢａＣ１ｘ　、ＹＣｌ３　、Ｃｕ
Ｃ１が入っており、ソースポート１４ａ〜１４ｃは１２
ａ〜１２ｄにより加熱されると、それぞれＢａＣ１，ガ
ス、ＹＣｌ、ガス、ＣｕＣｌガスを発生させる。すなわ
ち、本実施例ではセラミックス系の酸化物高温超伝導体
の材料としてＹ　％　Ｂ　ａ　ｓ　Ｃｕが用いられるた
め、これらがガス化されるようになっている。

ソースチェンバ１３の一端側には小径のガス導入部１３
ａが設けられ、ガス導入部１３ａからはキャリアガスＨ
ｅの他に必要に応じてＣｏ２やＨ２が導入される。また
、ソースチャンバ１３の他端側は開口し、その側方には
所定距離を隔てて基板支持台１５が配置されている。基
板支持台１５は耐熱性のグラファイトや石英などからな
り、その上面には成長基板１が載置されている。一方、
反応管１１の一端側にも同様に小径のガス導入口１１ａ
が設けられ、他端側には排気口１１ｂが設けらる。排気
口１１ｂは真空ポンプ（図示路）に接続され、反応管１
１内のガスを排出する。

以上の構成において、まず、成長基板ｌ上にＹＢａｚ　
Ｃｕｉ　ｏｔ−Ｘなる組成を有するセラミックス系酸化
物超伝導材料層２を形成する工程について説明する。

基板支持台１５上に前記成長基板１を載置するとともに
、ソースポート１４ａ〜１４ｃにそれぞれＢａＣ１ｔ　
、Ｙ　Ｃ１３、Ｃｕ　Ｃ１を入れる。次イテ、反応管１
１を抵抗加熱炉１２ａ−１２ｄにより加熱してソースボ
ー）　１４３〜１４ｃからそれぞれＢａＣ１□ガス、Ｙ
ＣＩ、ガス、ＣｕＣｌガスを発生させるとともに、ガス
導入部１３ａよりキャリアガスＨｅを導入し、発生した
ガスを成長基板１上に送る。

また、ガス導入口１１ａよりキャリアガスＨｅを導入す
るとともに、Ｃｏ、　、Ｈ，を導入し、これらのガスを
ソースチェンバ１３の外側を通して成長基板１上に送る
。このとき、成長基板１も抵抗加熱炉１２ａにより加熱
する。この結果、成長基板１上あるいは成長基板１の周
辺で酸化・還元反応が起こり、成長基板１上に式■で示
す化学反応が生じてＹＢａｔ　Ｃｕ、ｏｔ−ｘなる高温
超伝導体の薄膜が成長する。

ＹＣＩ、＋２ＢａＣ１ｔ＋３ＣｕＣ１＋７ＣＯ□＋５８゜ＹＢ　ａｇ　Ｃｕ３０７−Ｘ　＋　７　Ｃｏ　＋１０Ｈ
Ｃｌ・・・・・・■ 上記の成長条件として下記の範囲で行った。

成長基板温度（Ｔ、。）・・・・・・８５０〜１２００
ＣＢａＣ１，温度（Ｔ□）・・・・・・８ｏｏ〜１１５
０℃ＹＣ１ｆｆ温度（ＴＶ）・・・・旧・・７ｏｏ〜１
１５０℃ＣｕＣ１温度（ＴＣＬＩ）　””・”３５０〜
１１００”ＣＣＯ２濃度（対Ｈｅ　）　＝０．０１〜１
０％Ｈ２濃度（対Ｈｅ）・旧・・・旧・・０．０１〜２
０％成長基板＝　（１００）　Ｓ　ｉ　、　（１００）
　Ｍ　ｇ　０（１１０２）サファイ？（Ａ　ｌ　ｚ　Ｏ
３＞（１００）　ｘピネル（ＭｇＯ−Ａ１２０、）成長膜厚・・・・・・０．２〜５μｍこのようにして基板上に成長した超伝導材料の薄膜、を
同一装置内で、酸素雰囲気中において抵抗加熱炉を用い
て４００〜１０００ｔで約８時間アニールした後、その
まま酸素雰囲気中で徐冷を行う。次に、同一装置内で成
長材料としてＹＣｌｌ、酸化剤としてｏｘ　、ｔ−ｉｚ
　Ｏを用いた以外は前記と同様にしてＹ２Ｏ３層４を形
成させる。

成長基板温度（Ｔ、Ｕｌ）・・・・・・７５０〜１２０
０℃ＹＣｔ、温度（Ｔ７）・・・・・・・・・７００〜
１１５０℃Ｏｚ？’ｆｇ度（対Ｈｅ）・・・・・・・・
・・・・θ〜３０％バブル温度　　　　・・・・・・・
・・・・・０〜１００℃（水をキャリアーガスＨｅの一
部もしくは全部でバブル）成長膜厚・・・・・・０．１〜５μｍこの場合の化学反応は弐〇で示される。

２　ＹＣＩ　３　”　３　、）Ｉｚ　Ｏ→Ｙｚ　０３　
＋６　ＨＣ１・・・・・・■ さらに、超伝導材料層３を前記超伝導材料層２と同様に
して同一装置内においてＹ２Ｏ３層４上に形成させ、再
度同一装置内で酸素雰囲気中で４００〜１０００℃で約
８時間アニールした後、そのまま酸素雰囲気中で徐冷を
行う。

このようにして、基板１上に形成した２層の超伝導材料
Ｎ２．３の間にＹｚＯｚ層４を介在させた超伝導材料構
造が得られ暮。

次に、かかる構成の超伝導材料構造について、その効果
を考察する。まず、眉間物質として超伝導材料層２およ
び超伝導材料層３の間に介在させたＹｚＯｚ層４の結晶
は立方晶（格子定数；ａ＝１０．６０４人）、融点２４
１０℃であり、高温でも安定な絶縁物質であるとともに
、本実施例におけるセラミックス系超伝導材料（ＹＢ　
ａ　ｚ　Ｃｕｉ　０７−Ｘ　）の組成の一部でもある。

このため、Ｙ２Ｏ３結晶を層間絶縁物質やジョセフソン
素子のトンネルバリヤ−としてＹＢａｚ　Ｃｕ＊　０７
−Ｘなる組成のセラミックス系超伝導材料と接合させた
場合、（イ）高温で安定な物質であること、（ロ）結合する物質が相互に構成物質の組成を有してい
るため、熱による相互拡散が小さいこと、などの利点があることから、極薄い（数ｎｍ）Ｙ。

０３層を超伝導材料に接合させても層間の相互作用が極
めて少ない。したがって、超伝導材料を多層化した構造
の半導体集積回路にあっては、その特性を優れたものと
することができるとともに、インターフェイスの結晶性
を改善することができる。

例えば、ジョセフソン素子の集積回路では、電極材料で
決まる一定動作電圧をもち、安定した特性を示すトンネ
ル接合が用いられ、これはいわゆるＳＩＳ構造のもので
あるが、ＩＮはバリア層とも呼ばれ、通常数ｎｍの非常
に薄い絶縁膜である。

この場合の接合の電流密度は回路の動作レベルを決定し
、接合の容量はスイッチング速度と密接に関連するため
、接合形成技術は超伝導集積回路製作において最も重要
な工程の一つである。このような背景下、本実施例では
インターフェイスの結晶性を改善できるから、上記の要
求を満たす特性の良いジョセフソン素子をつくることが
可能となる。

なお、上記実施例ではＣＶＤ法により超伝導材料構造を
つくる例を詳細に説明したが、前述のスパッタ法やＥＢ
蒸着法によっても製造でき、この詳細例は省略している
。この場合、本発明においては大気中の水分の影響をな
くすため、何れの方法による場合でも、超伝導材料の薄
膜の形成後アニールも含めて、多層化構造を得るための
すべての工程を同一装置内で行うことが望ましい。

また、上記実施例では超伝導材料層が２層の例について
説明したが、これに限らず、２層以上、３層、４層ある
いはそれ以上の層であっても各層の間の必要な部分にＹ
ｔ　０３１１を存在させ−ることにより同様の効果を得
ることができる。

さらに、上記実施例は超伝導材料層を基板上に形成した
例であるが、本発明の適用はこれに限るものではない。

例えば、複数の超伝導材料を単独に成長させ、それらの
間にＹ、０１層を介在させるような例であってもよい。

また、上記実施例においては、セラミックス系の超伝導
材料としてＹ　Ｂ　ａ　ｔ　Ｃｕ　３０　？−Ｘなる組
成のものを用いた場合について説明したが、超伝導材料
としては、例えばＹがＧｄその他のランタン系元素で置
換されたもの、ＢａがＳｒなど他のアルカリ土類金属で
置換されたもの、０の一部がハロゲンで置換されたもの
など他の組成の超伝導材料を用いても同様の効果が得ら
れる。

次に、そのような置換例を示す。

ＬｎＢａｚ　Ｃｕ＝　０７−Ｘ　　（Ｌｎ　：ランタン
系元素）の場合Ｌｎとしては、Ｎｄ　（ネオジウム）。

Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）、Ｇｄ（ガ
ドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシ
ウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔ
ｍ（ツリウム）、　Ｙｂ　（イッテルビウム）がある。

また、これらの酸化物を２種以上混合して成長しても、
高温超伝導体となる。

なお、成長材料としては、これらの金属の塩化物、臭化
物あるいはヨウ化物を用いる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、少なくとも２層のセラミックス系の超
伝導材料層の間に、酸化イツトリウムよりなる層を形成
しているので、超伝導材料を多層化した際の安定性およ
び特性を優れたものとすることができる止ともに、イン
ターフェイスの結晶性を改善することができる。

したがって、本発明をジョセフソン素子のトンネルバリ
アに適用した場合や半導体集積回路の眉間絶縁膜に適用
した場合に、極めて特性の良い高品質の素子をつくるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は本発明による超伝導材料構造の一実施例を
示す図であり、第１図はその構成を示す断面図、第２図はそのＣＶＤ装置を示す構成図である。ｌ・・・・・・成長基板、２．３・・・・・・超伝導材料層、４・・・・・・Ｙ２０！層（層間絶縁膜）。一実施例の構成を示す断面図第１図１：成長幕板２．３：超伝導材料層４・Ｙ２０５層（層間絶縁膜）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも２層のセラミックス系の超伝導材料層
の間に、酸化イットリウムよりなる層を形成したことを
特徴とする超伝導材料構造。
（２）前記超伝導材料層が基板上に形成されたものであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超伝導
材料構造。
（３）前記超伝導材料層がＹＢａ＿２Ｃｕ＿３Ｏ＿７＿
−＿ｘなる組成を有するものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項または第２項記載の超伝導材料構造
。