JPH01241876A - 電子デバイス用基板 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体層と絶縁体膜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） Ｂｉ−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系の酸化物は組成に依って
は液体窒素温度以上の臨界温度Ｔｃを有する高温超伝導
材料である。従来超伝導材料として用いられているＮｂ
系合金はその冷却に高価な液体ヘリウムを必要とするの
に対し、旧−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系酸化物は安価の液
体窒素を用いることかでき、工業的実用化材料として注
目されている。

高温超伝導材料の電子デバイスへの応用には薄膜デバイ
スか検討されており、Ｂ１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−○糸材
料の薄膜化か進められている。現在の電子デバイスの主
流は／リコン半導体である。従ってＢ１−５ｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−０系の高温超伝導材料をシリコン単結晶基板上に
形成できれば成熟したシリコン半導体技術を用いて高機
能・高集積の超伝導デバイスを開発することか可能であ
る。しかしながら旧−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系高温超伝
導材料のシリコン基板上への薄膜形成の公知例は未たな
い。

（発明か解決しようとする課題） 前述の如く、シリコン基板上には種々の電子デバイスか
作製され実用になっており、超伝導体か薄膜状で作製で
きれば、これらのデバイスと共存させて使用でき実用上
の価値は極めて高い。しかしながら、衆知のように、シ
リコン基板上に酸化物の薄膜を作製すると、シリコン基
板と酸化物との熱膨張差によるクラックの発生及び剥離
の問題かある。

また、シリコン上に形成した半導体デバイス同士の配線
を超伝導材料によって行うことを考えると、シリコン基
板と超伝導配線層との間の絶縁を行う必要かあるか、こ
れまでその方法は明らかにされていなかった。

本発明は上記従来技術の問題を解決するもので、超伝導
体薄膜を具備する電子デバイス用基板を提供することを
目的とする。

（課題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絶縁体膜か形
成され、該絶縁体膜上に一般式かＡＢＯ３で表わされ、
ＡとしてＰｂ　、Ｂａ　、Ｓｒ　、Ｍｇ及び希土類元素
の群から選ばれる一種以」−の元素、ＢとしてＴｉ。

Ｚｒの一方または両方を含むペロブスカイト型結晶構造
を有する誘電体膜か形成され、該誘電体膜上に一般式か
旧ｘ（Ｓ　ｒ　＋　Ｃａ　）うＣｕＺＯδて表わされ、
それぞれの金属元素成分の組成か０．０８≦ｘ　／　（
ｘ＋ｙ＋ｚ）≦０．４１か−）０．２９≦ｙ　／　（ｘ
＋ｙ＋ｚ）≦０．４７かつ１≦Ｓｒ／Ｃａ≦３の範囲内
にある酸化物層か形成されていることを特徴とする電子
デバイス用基板である。

（作用） シリコン単結晶基板上に形成する絶縁体単結晶膜として
マグネンアスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、マグネシア（
ＭｇＯ）か考えられる。この場合、ＭｇＯは提案（特願
昭５７−２２９０３３　）されているようにシリコン単
結晶基板に直接成長するよりもシリコン基板上に成長し
たＭｇＡ　＋。０４を介した方か良質の単結晶が形成で
きる。従って絶縁体単結晶膜として２層構造゛　のもで
も良い。また、本出願人はＳｉ基板上に形成したＭｇＡ
ｌ２Ｏ４をエピタキシャル膜は成長後ＭｇＡｌ２Ｏ４膜
を通してＳｌ基板を熱酸化してＭｇＡｌ２Ｏ４／５ｉ０
２／Ｓｉ構造にすることによってその結晶性を改善でき
ることをすでに提案（特願昭５Ｇ−１０３９Ｅｉ７）さ
れている。従って、絶縁体単結晶膜としてＳｉ単結晶上
に非晶質５ｉ０２を介したような構造のものでも良い。

上記絶縁体膜上に形成される誘電体膜は一般式かＡＢＯ
３て表わされるペロブスカイト型結晶構造を有する単結
晶膜であり、その作製法は本発明者らによってすでに提
案（特開昭５９−１７３５８）されている。該誘電体単
結晶膜は一般式か旧ｘ（Ｓｒ　、Ｃａ　）ｙｃｕｚＯδ
て表わされる高温超伝導体膜を形成する場合にバッファ
ー層としての役割をもつ。一般にＡＢＯ３型のペロブス
カイト型酸化物は広い組成範囲で多種の元素による置換
固溶が可能であるために、置換固溶によって格子定数を
ある程度任意に制御できる。従って誘電体膜の格子定数
とその上に形成される超伝導体膜の格子定数との整合を
とることによって結晶性の高い超伝導体単結晶膜を作製
することができる。

また本発明における絶縁体膜及び誘電体膜は、その上に
形成されるＢｉＸ（Ｓｒ、Ｃａ）、、ＣｕｚＯδ膜とＳ
ｌ基板の間の熱膨張差から生ずるクラックの発生や膜の
ハクリを防ぐ役割も有する。該絶縁体膜及び誘電体膜の
熱膨張係数はＭｇＡｌ２Ｏ４８，８Ｘｌ０−６に一’。

Ｍｇ０１３．８Ｘ　１０−”Ｋ−’ＡＢＯ３型ペロブス
カイト型酸化物約ｌＯ〜１４Ｘ　１０−”Ｋ−’でいず
れもＳｉＯ熱膨張係数４．２　Ｘｌ０−６に一’　より
も大きい。　Ｂｉｘ（Ｓｒ、Ｃａ）１．ＣｕｚＯδの熱
膨張係数は同じ酸化物高温超伝導材料であるＹＢａ２Ｃ
ｕ３０７−δの１４〜２５Ｘ　１０−６に一１程度と考
えられる。

すなわち、熱膨張係数を徐々に変えることによりシリコ
ン基板とＢｉｘ（Ｓｒ、ＣａＬＣｕｚＯδ膜との間の熱
膨張差によって生ずる膜の内部応力を緩和し、クラック
の発生を防ぐことができる。

さらにシリコン基板上に形成される絶縁体膜か単結晶膜
であることは、その上に形成されるＢｉｘ（Ｓｒ、Ｃａ
）、Ｃｕ７０δ超伝導体膜の臨界温度Ｔｃかバルクのセ
ラミックと同等の値を有するうえに重要な意味をもつ。

高温超伝導体材料の臨界温度Ｔｃは組成敏感な特性であ
るので、薄膜の場合にバルクのセラミンクと同等の臨界
温度Ｔｃを示すためには基板との相互拡散を防くことか
重要である。多結晶膜において、粒界は高速拡散経路で
あり、その上に膜を形成した場合表面に出た粒界を通し
て相互拡散を起こしやすいことか知られている。従って
シリコン基板上に形成される絶縁体膜か単結晶膜である
ことは、その上に形成されるＢｉｘ（Ｓｒ　、Ｃａ）ｙ
ＣＩＩＺＯδ膜との相互拡散を防く有効な手段である。

本発明において高温超伝導膜はＳｉ基板上に形成される
ことから、熟成したＳｉ半導体集積回路技術を用いるこ
とによって高い機能を超伝導デバイスに持たせることが
できる。例えば、超伝導体膜をソース電極とドレイン電
極に用いた電界効果型の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（＋００）のＳｉ単結晶基板上にＭｇＡｌ２Ｏ
４をエピタキシャル成長し、その上にＢａＴ　＋０３を
エピタキシャル成長し、その上にＢｉｘ（Ｓｒ、Ｃａ）
ｙＣｕｚＯδをスパッタ法によって形成した。第１図（
ａ）、（ｂＬ（Ｃ）は本実施例の説明図で１は（１００
）Ｓｌ単結晶基板、２は気相成長法で成長したＭｇＡ　
＋２０４エピタキシヤル膜、３はスパッタ法て成長した
ＢａＴｌＯ３エピタキシャル膜である。４はスパッタ法
て作製したＢｉｘ（Ｓｒ＋Ｃａ）、Ｃｕ２Ｏδである。

ＭｇＡ１゜０４の気相成長はすてに提案（特願昭５７−
１３６０５１）されている方法で成長させた。すなわち
ＭｇＣ＋２．ＡＩとＨＣＩガスを反応させて生成したＡ
ｌＣｌ３　、ＣＯ２、Ｎ２ガスの反応ガスとＮ２ガスの
キャリアガスを用い、ＭｇＣｌ２”２ＡＩＣＩ３十４Ｃ
０２＋４Ｈ２→ＭｇＡｌ２Ｏ４＋４ＣＯ＋８ＨＣＩなる
反応テＭｇＡ１２ｏ４の生成か起る。成長温度９５０’
Ｃて成長し膜厚は０．１　μｍとした。Ｘ線回折及び電
子線回折で（＋００）方位のＭｇＡｌ２Ｏ４かエピタキ
シャル成長していることを確認した。ＢａＴｉＯ３のエ
ピタキシャル膜はすてに提案（特開昭５９−１７３５８
号）している方法で作製した。すなわち、高周波マグネ
トロンスパッタ法によりＢａＴｉＯ３粉末をターゲット
に用い、１０％０２−Ａｒ混合ガス中で基板温度ｅｏｏ
’ｃて行った。膜厚は０．４μｍとした。ＭｇＡｌ２Ｏ
４と同様にＸ線回折及び電子線回折によって（＋００）
方位にエピタキシャル成長した膜であることを確認した
。ＢｉＸ（Ｓｒ＋Ｃａ）ｙ　ＣｕｚＯδ膜は高周波マグ
ネトロンスパッタリング法で膜厚１μｍのものを作製し
た。第１表に示す組成となるように各酸化物を混合し９
５０″Ｃて予焼した粉末をターゲットに用い、Ａｒ−０
２混合カス中で、基板温度７００°Ｃて行った。成膜後
、四端子法によりＥｌｉｘ（Ｓｒ　、Ｃａ）、、Ｃｕｚ
Ｏδ膜の電気抵抗の温度変化を測定し、第１表の臨界温
度の超伝導特性を得た。

第１表 上記の組成範囲にある旧ｘ（Ｓｒ、Ｃａ）ｙＣｕｚＯδ
膜は超伝導物質と非超伝導物質が混在しているが超伝導
物質の体積比率か大きいために膜全体として超伝導特性
を再現性良く示す。しかしながらＢｉｘ（Ｓｒ、Ｃａ）
ｙＣｕｚＯδ膜の組成か上記の範囲にない場合は非超伝
導物質の体積比率か大きくなり、半導体あるいは絶縁体
的電気特性を表わすようになる。従って旧ｘ（Ｓｒ、Ｃ
ａ）１．ＣｕｚＯδ膜の組成は０．０８≦Ｘ／（ｘ＋ｙ
＋ｚ）　　≦０．４１かつ０．２９≦Ｖ　／　（ｘ十ｙ
十ｚ）　　≦０．４７かつ１≦Ｓｒ／Ｃａ≦３であるこ
とか望ましい。

（実施例２） 実施例１においてＢａＴｉＯ３の代わりに（Ｂａ、５ｒ
）ＴｉＯ３膜をエピタキンヤル成長した。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い、膜厚を
０．４　μｍとした。ターゲット（Ｂａｘ、ｓｒ＋−ｘ
）Ｔｉ０３粉末を用い、組成はｘ：０．２５，０．５０
，０．７５の３種類を用いた。上記の（Ｂａ、５ｒ）Ｔ
ｉＯ３のエピタキシャル膜上に実施例１と同様にＢｉｘ
（Ｓｒ、Ｃａ）、ＣｕｚＯδ膜を高周波マグネトロンス
パッタ法により成長した。いずれの組成においても実施
例１と同様な超伝導特性を示した。

（実施例３） （＋００）Ｓｉ単結晶基板上にエピタキシャル成長した
ＭｇＡｌ２Ｏ４膜を通してＳｉ基板を熱酸化し、ＭｇＡ
ｌ２Ｏ４膜と８１基板の間にＳｉＯ３を形成したあとて
ＭｇＡｌ２Ｏ４エピタキンヤル膜上にＢａＴｉＯ３膜を
エピタキシャル成長させ、その上にＰｉｘ（Ｓｒ、Ｃａ
）、ＣｕｚＯδを成長させた。

第２図は本実施例の工程図である。５はＳｉ基板、６は
ＭｇＡ　ｌ。０４エピタキンヤル膜、７は５１０２．８
はＢａＴ　＋０３　ｘピタキンヤル膜、９はＢｊｘ（ｓ
ｒ＋ｃａ）−Ｃｕ２０δ膜で、（ａ）はＭｇＡｌ２Ｏ４
の成長工程、（ｂ）は熱酸化によるＳｉＯ２の形成工程
、（ｃ）はＢａＴ　＋０３の成長工程、（ｄ）はＢ　＋
　ｘ　（Ｓ　ｒ　＋　Ｃａ　）　ｙ　Ｃｕ　ｚ　Ｏδの
成長工程である。熱酸化の条件は１１００°Ｃての水上
無酸化である。Ｍ　Ｍ　化によってＭｇＡｌ２Ｏ４の単
結晶性は損なわれなかった。むしろ、Ｘ線ロッキングカ
ーブの半値幅は３０％はと減少し結晶性は改善された。

ＭｇＡ１゜０４、ＢａＴｉＯ３、Ｂｊｘ（Ｓｒ、Ｃａ）
、ＣｕｚＯδの成長は実施例１と同様の方法によった。

いずれの組成においても実施例１と同様な超伝導特性か
得られた。

（実施例４） （１００）Ｓｉ単結晶基板上に膜厚０．１　μｍのＭｇ
Ａｌ２Ｏ４膜をエピタキンヤル成長しその上にさらに膜
厚０．１　μｍのＭｇＯをエピタキンヤル成長したのち
実施例１と同様に膜厚０．４μｍのＢａＴｉＯ３をエピ
タキシャル成長し、その上に膜厚１μｍのＢ　＋　ｘ　
（Ｓ　ｒ　＋Ｃａ　）　、、Ｃｕ　ｚ　Ｏδを成長した
。第３図に本実施例にょって成る膜の構成を示す。１０
はＳｉ単結晶基板、ｌｌはＭｇＡｌ２Ｏ４エピタキンヤ
ル膜、１２はＭｇＯエピタキンヤル膜、１３はＢａＴｉ
Ｏ３エピタキ／ヤル膜、１４はＢｉＸ（Ｓｒ、Ｃａ）１
．ＣｕｚＯδ膜である。いずれの組成においても実施例
１と同様な超伝導特性か得られた。

なおこの場合Ｓｉ単結晶とＭｇＡｌ２Ｏ４の間に８１０
２層を形成してもよい。

（発明の効果） 以上のように本発明によって、超伝導体Ｂｉｘ（Ｓｒ、
Ｃａ）、ＣｕｚＯδ膜を容易にシリコン単結晶基板上に
形成することが可能となった。／リコン単結晶基板は大
口径で良質のものか低価格に入手てきること、及び超伝
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。

を示す図。

１．５．１０・・・・・・Ｓｉ単結晶基板、２．Ｂ、Ｉ
Ｉ・・・・・・ＭｇＡｌ２Ｏ４エピタキンヤル膜、４，
９．１４・・・・・・Ｂｉｘ（Ｓｒ、Ｃａ）ｙＣｕｚ０
δ膜、７・・・・・・ＳｉＯ３，１２・・・・・・Ｍｇ
Ｏエピタキンヤル膜。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン単結晶基板上に絶縁体膜が形成され、該
   絶縁体膜上に一般式がＡＢＯ＿３で表わされ、Ａとして
   Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ及び希土類元素の群から選ばれ
   る一種以上の元素、ＢとしてＴｉ、Ｚｒの一方または両
   方を含む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かＢｉ＿ｘ（Ｓｒ、Ｃ
   ａ）＿ｙＣｕ＿ｚＯ＿δで表わされ、それぞれの金属元
   素成分の組成が０．０８≦ｘ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）≦０．４
   １かつ０．２８≦ｙ／（ｘ＋ｙ＋ｚ）≦０．４７かつ１
   ≦Ｓｒ／Ｃａ≦３の範囲内にある酸化物層が形成されて
   いることを特徴とする電子デバイス用基板。
2. （２）シリコン単結晶基板上に形成される絶縁体膜がマ
   グネシウムアルミネートスピネル（ＭｇＡｌ＿２Ｏ＿４
   ）エピタキシャル膜である特許請求の範囲第１項記載の
   電子デバイス用基板。
3. （３）シリコン単結晶基板上に形成される絶縁体膜かマ
   グネシウムアルミネートスピネル（ＭｇＡｌ＿２Ｏ＿４
   ）エピタキシャル膜と、さらにその上に形成されるマグ
   ネシウム（ＭｇＯ）エピタキシャル膜である特許請求の
   範囲第１項記載の電子デバイス用基板。
4. （４）シリコン単結晶基板上に形成される絶縁体膜は該
   シリコン基板表面に形成される二酸化シリコン（ＳｉＯ
   ＿２）層とこの上に形成される絶縁体エピタキシャル膜
   とからなる特許請求の範囲第１項記載の電子デバイス用
   基板。