JPH04226090A - Silicon substrate having epitaxial superconductive layer, and its manufacture - Google Patents

Silicon substrate having epitaxial superconductive layer, and its manufacture

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JPH04226090A
JPH04226090A JP3086497A JP8649791A JPH04226090A JP H04226090 A JPH04226090 A JP H04226090A JP 3086497 A JP3086497 A JP 3086497A JP 8649791 A JP8649791 A JP 8649791A JP H04226090 A JPH04226090 A JP H04226090A
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JP
Japan
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layer
ysz
substrate
silicon substrate
silicon
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JP3086497A
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Japanese (ja)
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George A N Connell
ジョージ アレン ネーヴィル コーネル
David B Fenner
ディヴィッド ブリテイン フェナー
James B Boyce
ジェイムズ バックリー ボイス
David K Fork
ディヴィッド カートランド フォーク
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Leland Stanford Junior University
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Leland Stanford Junior University
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Abstract

PURPOSE: To provide a silicon substrate which has characteristics required for actual use and has a high temperature super-conductive layer which in made epitaxial growth, and its manufacturing method. CONSTITUTION: A surface of a silicon substrate 10 is purified by using a spin- etching method, in order to generate a surface which is automatically purified and ends in an atomic layer of elements like hydrogen which does not act on silicon. This surface is contaminated and can be carried to an accumulation chamber. Hydrogen is evaporated in the accumulation chamber, and next a YSZ layer 12 is made epitaxial growth by laser ablation. Thereafter, a HTSC material 14 like YBCO is made epitaxial growth by laser ablation. This structure is next cooled by the oxygen atmosphere.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には半導体及び
超伝導技術に関し、具体的には超伝導層を有する集積回
路などのシリコン基板に関する。さらに、本発明は、電
子素子及び電子回路に良い技術特性を有する超伝導層に
シリコンにエピタキシャル成長法に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to semiconductor and superconducting technology, and specifically to silicon substrates, such as integrated circuits, having superconducting layers. Furthermore, the invention relates to a method for epitaxially growing superconducting layers on silicon that have good technical properties for electronic devices and circuits.

【0002】0002

【従来の技術】多くの研究が、比較的高い超伝導遷移温
度(Tc)を有するランタン、イットリウム、バリウム
、タリウム、鉛、ビスマス、カルシウム、プラセオジム
、及びストロンチウムなどと結合した酸化銅の新しいク
ラスのセラミック材に関する超伝導性の分野で行われて
いる。イットリウム、バリウム、及び酸化銅材(Y1B
a2Cu3O7)は1−2−3化合物と呼ばれており、
ここではYBCOとして表す。
BACKGROUND OF THE INVENTION Many studies have focused on a new class of copper oxides combined with lanthanum, yttrium, barium, thallium, lead, bismuth, calcium, praseodymium, and strontium, etc., which have relatively high superconducting transition temperatures (Tc). This research is being carried out in the field of superconductivity related to ceramic materials. Yttrium, barium, and copper oxide materials (Y1B
a2Cu3O7) is called a 1-2-3 compound,
Here, it is expressed as YBCO.

【0003】最近、スタンフォード大学の研究が、超伝
導材の臨界電流密度を最大に活用するために行われてい
る。素材は、イットリウム、バリウム、酸化銅のペロブ
スカイト化合物である。この素材は77°K において
良好な超伝導特性を有し、最終的に液体窒素冷却と組合
せて使用される。この素材の薄膜構造は、真空蒸着、す
なわち電子線蒸着あるいはマグネトロン・スパッタリン
グにより製作出来る。これらのプレーナ膜の多くは、そ
のほかに、ランダムあるいは不適切な結晶方位と粒界の
影響、及び周囲との位置の影響により、臨界電流密度が
制約を受ける。膜が最適であるように選択された結晶方
位の単結晶の酸化チタン・ストロンチウムに蒸着される
場合、蒸着された膜は方位を有しており、熱処理後、酸
化チタンストロンチウム基板にエピタキシャル成長する
。 この膜は、異常な程よく4.2Kにおいて平方センチメ
ータ当り1.0〜1.5×106 アンペアの臨界電流
密度を呈する。
Recently, research at Stanford University has been conducted to maximize the critical current density of superconducting materials. The material is a perovskite compound of yttrium, barium, and copper oxide. This material has good superconducting properties at 77°K and will eventually be used in conjunction with liquid nitrogen cooling. Thin film structures of this material can be fabricated by vacuum evaporation, ie electron beam evaporation or magnetron sputtering. Many of these planar films also have critical current density constraints due to random or inappropriate crystal orientation and grain boundary effects, as well as position relative to the surroundings. If the film is deposited on a single crystal titanium strontium oxide with an optimally selected crystal orientation, the deposited film will have an orientation and, after heat treatment, will be epitaxially grown on the titanium strontium oxide substrate. This film exhibits an unusually reasonable critical current density of 1.0 to 1.5 x 10 6 amps per square centimeter at 4.2K.

【0004】シリコン基板上の高温超伝導体の成長は、
数年間研究者らにより認められた目標であった。シリコ
ン集積回路は、超伝導温度(現在125°K 程度)に
おいて動作可能である。超高速半導体ICを実現する場
合の制約は、半導体の基板の各種回路の相互結線に存在
する。一般に、これは、半導体基板の表面上の金属相互
結線層により達成される。相互結線の金属被覆の抵抗を
減少することにより、回路の動作速度は高くなる。
The growth of high temperature superconductors on silicon substrates is
This has been a goal acknowledged by researchers for several years. Silicon integrated circuits are capable of operating at superconducting temperatures (currently on the order of 125°K). A constraint in realizing an ultra-high-speed semiconductor IC is the interconnection of various circuits on a semiconductor substrate. Generally, this is accomplished with a metal interconnect layer on the surface of the semiconductor substrate. By reducing the resistance of the interconnect metallization, the operating speed of the circuit is increased.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】シリコンとYBCOと
の化学反応が素材の超伝導性を完全に破壊するか、ある
いは超伝導遷移温度をかなり低下するので、YBCOな
どの超伝導材は、シリコンに直接に蒸着することが出来
ない。化学反応を防止し、しかも高超伝導温度で非常に
方位した高温半導体膜の成長を可能とするために、多く
の試みが、シリコンと超伝導材との間に障壁層の使用に
行われた。従来使用された障壁層は、シリコン、ジルコ
ニウム、マグネシウム、ストロンチウムとチタン、マグ
ネシウムとアルミニウム、アルミニウム、ランタンとア
ルミニウムなどの酸化物より成っている。酸化イットリ
ウム添加の酸化ジルコニウム(YSZ)が、障壁層とし
て提案された。しかし、この障壁を使用している超伝導
材には、実際の使用に必要な技術特性がなかった。この
障壁を使用する場合に出合う諸問題のうちの二つは、処
理中に発生するシリコン基板による汚染とシリコン基板
の酸化にある。
[Problem to be Solved by the Invention] Superconducting materials such as YBCO cannot be used in silicon because the chemical reaction between silicon and YBCO either completely destroys the superconductivity of the material or significantly lowers the superconducting transition temperature. It cannot be deposited directly. Many attempts have been made to use barrier layers between the silicon and the superconducting material to prevent chemical reactions and yet enable the growth of highly oriented high temperature semiconductor films at high superconducting temperatures. Barrier layers conventionally used consist of oxides such as silicon, zirconium, magnesium, strontium and titanium, magnesium and aluminum, aluminum, lanthanum and aluminum. Zirconium oxide doped with yttrium oxide (YSZ) has been proposed as a barrier layer. However, the superconducting materials used in this barrier lacked the technical properties necessary for practical use. Two of the problems encountered when using this barrier are contamination by the silicon substrate and oxidation of the silicon substrate that occurs during processing.

【0006】本発明は、実際の使用に必要な特性を有す
る、エピタキシャル成長した高温超伝導層を有するシリ
コン基板を提供する。
The present invention provides a silicon substrate with an epitaxially grown high temperature superconducting layer having the properties necessary for practical use.

【0007】[0007]

【発明の目的】以上の点から、本発明の目的は、シリコ
ン基板と、その上に成長した実際の使用に必要な特性を
有する高温超伝導層とより成る構造である。本発明のほ
かの目的は、超伝導材のエピタキシャル成長を容易にす
る障壁を使用して、シリコン基板上に高温超伝導層を製
作する方法である。
OBJECTS OF THE INVENTION In view of the above, the object of the present invention is a structure consisting of a silicon substrate and a high temperature superconducting layer grown thereon which has the properties necessary for practical use. Another object of the invention is a method of fabricating high temperature superconducting layers on silicon substrates using barriers that facilitate epitaxial growth of superconducting materials.

【0008】本発明のもう一つの目的は、1.0°K 
に以下の超伝導遷移幅(10−90%)で、少なくとも
85°K の抵抗ゼロの遷移温度を呈し、300°K 
において300 マイクロ−オーム−センチメータ以下
の抵抗率と3.0±0.2の抵抗比(300°K /1
00°K で)とを有するシリコン集積回路の高温超伝
導相互結線である。本発明のそのほかの目的は、ボロメ
ータの赤外線検出器配列などの高温超伝導素子配列の信
号処理と制御のシリコン集積回路を使用している赤外線
傑出器配列と信号/制御のエレクトロニクスなどの電子
集積回路である。
Another object of the present invention is to
exhibits a zero-resistance transition temperature of at least 85°K, with a superconducting transition width (10-90%) of less than or equal to 300°K.
with a resistivity of less than 300 micro-ohm-centimeter and a resistance ratio of 3.0 ± 0.2 (300 °K /1
High temperature superconducting interconnections of silicon integrated circuits with 00°K). Other objects of the invention include electronic integrated circuits such as infrared detector arrays and signal/control electronics using silicon integrated circuits for signal processing and control of high temperature superconducting element arrays such as infrared detector arrays in bolometers. It is.

【0009】本発明のさらにほかの目的は、高温超伝導
相互結線及び/あるいは超伝導マイクロウェーブ素子/
共振子を使用しているシリコン集積回路である。
Still another object of the present invention is to provide high temperature superconducting interconnections and/or superconducting microwave devices/
It is a silicon integrated circuit that uses a resonator.

【0010】0010

【課題を解決するための手段】手短かに言えば、本発明
により構造を製作する場合、主表面を有する単結晶シリ
コン基板が提供されている。主表面は、スピン・エッチ
ング法を使用して清浄化されて、表面の結晶化を破壊す
るようにシリコンと反応せず、またシリコンを加熱する
ことにより容易に除去される元素の原子層で仕上げられ
た原子的に清浄な表面が形成される。
SUMMARY OF THE INVENTION Briefly, in fabricating structures in accordance with the present invention, a single crystal silicon substrate is provided having a major surface. The main surface is cleaned using a spin-etching method and finished with an atomic layer of an element that does not react with the silicon to destroy the crystallization of the surface and is easily removed by heating the silicon. An atomically clean surface is formed.

【0011】その後、基板は蒸着室へ送られて、加熱さ
れ、シリコン基板の表面からその元素が蒸発され、次に
、YSZの緩衝層が主表面に形成され、基板は蒸着室に
残される。YSZが主表面よエピタキシャル成長する。 それから、高温超伝導材が緩衝層上に蒸着され、基板は
蒸着室にそのまま置かれて、高温超伝導材がYSZの緩
衝層上にエピタキシャル成長する。
[0011] The substrate is then sent to a deposition chamber and heated to evaporate the elements from the surface of the silicon substrate, and then a buffer layer of YSZ is formed on the main surface and the substrate is left in the deposition chamber. YSZ grows epitaxially from the main surface. Then, a high temperature superconducting material is deposited on the buffer layer, and the substrate is left in the deposition chamber to epitaxially grow the high temperature superconducting material on the YSZ buffer layer.

【0012】好適な実施例では、高温超伝導材はYBC
Oより構成されている。元素の構成比が1−2−3また
は2−4−8のY−Ba−Cuのほかに、ほかの酸化物
超伝導体が作成出来る。すべての希土類元素は、上記化
合物でYの代りに置き換えられる。また、構成している
Baの一部またはすべてが、CaまたはSrと置換可能
である。さらに、Cuの一部は、遷移金属により、また
ZnとGaにより置換される。蒸着されるほかの酸化物
超伝導材には、多くのBi−Ca−Sr−Cu及びTl
−Ba−Ca−Cuとその変形がある。Ba(Pb,B
i)O3 、(Ba,K)BiO3 及びn形超伝導体
、例えば、Nd2−x Cex CuO4−y も製作
可能である。YBCO及びYSZの素材は、レーザ溶発
、スパッタ法、電子線蒸着、真空蒸着、分子ビームエピ
タキシー、あるいは化学蒸着の形で蒸着出来る。
In a preferred embodiment, the high temperature superconducting material is YBC.
It is composed of O. In addition to Y-Ba-Cu with an elemental composition ratio of 1-2-3 or 2-4-8, other oxide superconductors can be created. All rare earth elements are substituted for Y in the above compounds. Further, part or all of the constituent Ba can be replaced with Ca or Sr. Furthermore, some of the Cu is replaced by transition metals and by Zn and Ga. Other oxide superconducting materials deposited include many Bi-Ca-Sr-Cu and Tl
-Ba-Ca-Cu and its variations. Ba(Pb,B
i) O3, (Ba,K)BiO3 and n-type superconductors such as Nd2-x Cex CuO4-y can also be produced. YBCO and YSZ materials can be deposited by laser ablation, sputtering, electron beam evaporation, vacuum evaporation, molecular beam epitaxy, or chemical vapor deposition.

【0013】本発明の一実施例により、1−0−0の結
晶学上の方位を有するシリコン基板が使用されて、YS
Zの緩衝層がその上に立方晶構造を形成する。そこに成
長したYBCO膜は、電子素子及びその回路に必要とさ
れるように、下のシリコン結晶と優れた結晶エピタキシ
ー状態にある。この工程は容易に行われ、生成した構造
は、シリコン集積技術と一致する。本発明と、その目的
と特質は、図面に関連して、次の詳細説明と付属図面か
ら一層容易に明らかになるであろう。
According to one embodiment of the present invention, a silicon substrate with a 1-0-0 crystallographic orientation is used to
A buffer layer of Z forms a cubic crystal structure thereon. The YBCO film grown thereon is in excellent crystal epitaxy with the underlying silicon crystal, as required for electronic devices and their circuits. This process is easy to perform and the resulting structure is consistent with silicon integration technology. The invention, its objects and characteristics, will become more readily apparent from the following detailed description and accompanying drawings taken in conjunction with the drawings.

【0014】[0014]

【実施例】図面に関して、図1Aは、モノリシックなシ
リコン基板10の斜視図であり、その上には、本発明の
一実施例により、エピタキシャルに異成分接合したYS
Zの障壁層12とYBCOのエピタキシャル蒸着層14
が形成されている。本発明による工程を採用することに
より、生成されたYBCOの超伝導層は、少なくとも8
5°K の抵抗ゼロの遷移温度と、1.0°K 以下の
遷移幅(10〜90%)を呈している。300°K に
おける超伝導材の固有抵抗は300マイクロ−オーム−
センチメータ以下であり、抵抗比(300°K /10
0°K )は3.0±0.2である。従って、超伝導層
は、図1Bの等角図に示すように、シリコン基板の集積
回路に相互結合パターンを形成するのに適している。相
互結線パターンを形成する場合、YBCOが、写真平版
マスキングとエッチングにより、硝酸、塩酸、燐酸、臭
素及びアルコールを使用して、あるいはエッチング試薬
としてレーザ溶発を使用して、選択的にエッチングされ
る。下に形成されたYSZは、イオン・ミーリング、プ
ラズマ・エッチング、あるいはレーザ溶発により選択的
に除去される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the drawings, FIG. 1A is a perspective view of a monolithic silicon substrate 10 on which an epitaxially heterogeneously bonded YS
Z barrier layer 12 and YBCO epitaxially deposited layer 14
is formed. By employing the process according to the invention, the superconducting layer of YBCO produced has at least 8
It exhibits a zero-resistance transition temperature of 5°K and a transition width (10-90%) of 1.0°K or less. The resistivity of superconducting material at 300°K is 300 micro-ohms.
less than a centimeter, and the resistance ratio (300°K/10
0°K) is 3.0±0.2. The superconducting layer is therefore suitable for forming interconnect patterns in integrated circuits in silicon substrates, as shown in the isometric view of FIG. 1B. To form the interconnect pattern, YBCO is selectively etched by photolithographic masking and etching using nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, bromine and alcohol, or using laser ablation as the etching reagent. . The underlying YSZ is selectively removed by ion milling, plasma etching, or laser ablation.

【0015】図2Aと2Bは、シリコン基板24の凹ん
だ部分22の上方に本発明により形成されたHTSC材
20により成るうボーロメータの赤外線検出器のほかの
図示実施例の斜視図と断面図である。集積回路26が、
基板24の端部に形成されている。シリコン基板に形成
した超伝導材の優れた特性は、シリコン基板上の障壁層
と超伝導層とを形成する独自の工程より産まれる。図3
は、緩衝層としてYSZを、またYSZ上の超伝導層と
してYBCOを使用して、本発明を実施する工程段階の
流れ図である。
FIGS. 2A and 2B are perspective and cross-sectional views of another illustrative embodiment of a bolometer infrared detector comprising an HTSC material 20 formed in accordance with the present invention above a recessed portion 22 of a silicon substrate 24. be. The integrated circuit 26 is
It is formed at the end of the substrate 24. The excellent properties of superconducting materials formed on silicon substrates are due to the unique process of forming barrier layers and superconducting layers on silicon substrates. Figure 3
1 is a flowchart of process steps for practicing the invention using YSZ as a buffer layer and YBCO as a superconducting layer on top of YSZ.

【0016】最初に、結晶学上の方位1−0−0を有す
る単結晶シリコン基板が製作される。シリコン基板は、
例えば集積回路より構成されている。基板の主表面は、
すべての酸化物、意図的に生成した酸化物あるいは固有
の酸化物が次の工程で除去される。標準的脱脂作業の後
に、流動窒素中でスピン・エッチング処理が行われる。 この処理では、シリコンウエハが回転され、高純度アル
コールの数滴で洗浄され、次に、すべて高純度のふ化水
素、エタノール、及び水の混合液(1:10:1)の数
滴でエッチングされる。スピン・エッチング法により、
水素の単一原子層で仕上げられた原子的に清浄な表面が
形成される。従って、表面は、空気中でも、汚染あるい
は再酸化に対し非常に不活性であり、シリコンウエハは
、高度に理想的な表面を有する膜蒸着の段階になる。
First, a single crystal silicon substrate having a crystallographic orientation of 1-0-0 is fabricated. The silicon substrate is
For example, it is composed of an integrated circuit. The main surface of the board is
All oxides, intentionally formed or native oxides, are removed in the next step. A standard degreasing operation is followed by a spin etching process in flowing nitrogen. In this process, a silicon wafer is spun, cleaned with a few drops of high-purity alcohol, and then etched with a few drops of a mixture of hydrogen fluoride, ethanol, and water (1:10:1), all of high purity. Ru. By spin etching method,
An atomically clean surface finished with a single atomic layer of hydrogen is formed. The surface is therefore highly inert to contamination or re-oxidation even in air, and the silicon wafer becomes a stage for film deposition with a highly ideal surface.

【0017】基板の表面を清浄化し、仕上げるスピン・
エッチング法は、フエナー他著、“水素仕上げによるシ
リコン表面の不活性化:前処理法の比較研究”、応用物
理誌66(1) 、1989年7月、419〜424頁
に記載されている。それに述べられているように、ウエ
ハ表面の酸化物は、室温で流動窒素の雰囲気においてふ
っ化水素−アルコールの試薬を使用して、エッチングさ
れ、ウエハは回転している。
Spin cleaning to clean and finish the surface of the substrate
The etching method is described in Fuener et al., "Passivation of Silicon Surfaces by Hydrogen Finishing: A Comparative Study of Pretreatment Methods," Journal of Applied Physics 66(1), July 1989, pp. 419-424. As described therein, the oxide on the wafer surface is etched using a hydrogen fluoride-alcohol reagent in an atmosphere of flowing nitrogen at room temperature while the wafer is rotating.

【0018】その後、基板は蒸着室に移動し、水素が表
面から蒸発する適度の真空(例えば、10−6Torr
)において約800℃に加熱される。好適には、基板は
、最初に約250℃に高められ、基板を約800℃に加
熱する前に、弱く結合して吸着された不純物を除去する
。次に、YSZ層が、レーザ溶発、スパッタリング、電
子線蒸着、熱蒸着、分子線エピタキシー、あるいは化学
蒸着の形により、基板表面にエピタキシャルに蒸着され
る。 レーザ融解法は、フォーク他著、“応用物理レター”、
53,337(1988年)に述べられている。要約す
ると、レーザビームは押しつけられたYSZターゲット
に集る。よく使用されるレーザは、紫外領域で強烈なパ
ルスを発生するエキシマーレーザである。3ネオジム:
YAGなどのほかの紫外線レーザ、及びパルス発生のC
O2 レーザなどの電磁スペクトのほかの領域において
光のパルスを出射するレーザも使用出来る。使用するタ
ーゲットは、ZrO2 とY2O3 の混合をめのうと
乳鉢と乳棒で粉にすり砕いて、50,000psiの圧
力で直径0.5インチの円板に押し成形して、製作され
る。次に、円板は、流動している酸素中で1,000℃
において36時間焼結する。YSZ膜は、同様に押し成
形された混合のZrO2 とY2O3 のターゲットか
ら製作され、それらに所要の比率でパルスを与える。Y
SZの押し成形ペレットから製作された膜は、現在の方
法で混合のZrO2 とY2O3 から製作された膜と
比較して、滑らかな特徴のない膜に出来あがる。このタ
ーゲットの表面をレーザで加熱すると、近くの基板に付
着した羽毛状のY、Zr、Oの原子が形成される。膜は
パルス印加によりパルス毎に成長する。数百から数千パ
ルスが、厚さ250nmの薄膜を成長するのに必要であ
る。YSZの緩衝膜と同等の最初の数個の層を蒸着した
後に、酸素ガスが、5×10−4Torr程度の低圧で
室に送られる。非常に組織配列された(100)立方結
晶の蛍石(CaF2)が構成されたYSZ膜は、図4A
と図4Bに示すように、単結晶シリコン表面上にエピタ
キシャルに成長する。
The substrate is then moved to a deposition chamber and placed under a moderate vacuum (eg 10-6 Torr) where hydrogen evaporates from the surface.
) is heated to about 800°C. Preferably, the substrate is first elevated to about 250°C to remove weakly bound and adsorbed impurities before heating the substrate to about 800°C. A YSZ layer is then epitaxially deposited on the substrate surface by a form of laser ablation, sputtering, electron beam evaporation, thermal evaporation, molecular beam epitaxy, or chemical vapor deposition. The laser melting method is described in Falk et al., “Applied Physics Letters”,
53, 337 (1988). In summary, the laser beam focuses on the pressed YSZ target. A commonly used laser is an excimer laser, which generates intense pulses in the ultraviolet region. 3 Neodymium:
Other UV lasers such as YAG and pulsed C
Lasers that emit pulses of light in other regions of the electromagnetic spectrum can also be used, such as O2 lasers. The target used is prepared by grinding a mixture of ZrO2 and Y2O3 into a powder in an agate mortar and pestle and pressing it into a 0.5 inch diameter disk at a pressure of 50,000 psi. The disk was then heated to 1,000°C in flowing oxygen.
Sinter for 36 hours. YSZ films are fabricated from similarly extruded mixed ZrO2 and Y2O3 targets, which are pulsed at the desired ratio. Y
Membranes made from extruded pellets of SZ result in smooth featureless membranes compared to membranes made from mixed ZrO2 and Y2O3 using current methods. When the surface of this target is heated with a laser, feather-like Y, Zr, and O atoms are formed that adhere to nearby substrates. The film grows with every pulse applied. Hundreds to thousands of pulses are required to grow a 250 nm thick film. After depositing the first few layers equivalent to a buffer film of YSZ, oxygen gas is delivered to the chamber at a low pressure on the order of 5 x 10-4 Torr. A YSZ film composed of highly ordered (100) cubic crystal fluorite (CaF2) is shown in Figure 4A.
and as shown in FIG. 4B, it grows epitaxially on the surface of single crystal silicon.

【0019】緩衝膜が蒸着された直後に、シリコンは約
750℃へ冷却され、さらに酸素の圧力は約200mm
Torrに昇圧され、YBCO膜はレーザ融解法により
蒸着される。シリコン基板の温度と酸素の圧力が変化す
ると、YBCOは、スパッタリング、電子線蒸着、真空
蒸着、分子線エピタキシー、あるいは化学蒸着により付
着される。YBCOのレーザ溶発は、コーレン他著“高
方位づけられた、SrTiO3 ジルコニア、及びシリ
コン基板上のY1Ba2Cu3O3 の蒸着超伝導性レ
ーザ溶発による薄膜”、応用物理レター53(23)、
1988年12月5日に記載されている。YBCO化合
物は、1−2−3、2−4−8、あるいは溶発法のパル
スの変形によるほかの組合せである。
Immediately after the buffer film is deposited, the silicon is cooled to about 750° C. and the oxygen pressure is increased to about 200 mm.
The pressure is increased to Torr, and the YBCO film is deposited by laser melting. As the temperature and oxygen pressure of the silicon substrate changes, YBCO is deposited by sputtering, electron beam evaporation, vacuum evaporation, molecular beam epitaxy, or chemical vapor deposition. Laser ablation of YBCO is described in Koren et al., “Vapour-deposited superconducting laser ablated thin films of highly oriented SrTiO3 zirconia and Y1Ba2Cu3O3 on silicon substrates,” Applied Physics Letters 53 (23);
Written on December 5, 1988. The YBCO compound can be 1-2-3, 2-4-8, or other combinations with pulse variations of the ablation process.

【0020】組合せ比が1−2−3あるいは2−4−8
のY−Ba−Cu以外のほかの酸化物の超伝導体も製作
出来る。希土類元素はすべて、上記の化合物のYと置換
される。また、Baの一部またはすべては、Caまたは
Srにより置換される。そのほかに、Cuの一部は、遷
移金属、及びZnとGaにより置換される。蒸着された
ほかの酸化物の超伝導体には、多くのBi−Ca−Sr
−CuとTl−Ca−Cuとの系及びその変形がある。 Ba(Pb,Bi) O3 、(Ba,K)BiO3 
、及びNd2−x CeX CuO4などのn形超伝導
体も製作可能である。
[0020] Combination ratio is 1-2-3 or 2-4-8
Superconductors of oxides other than Y-Ba-Cu can also be produced. All rare earth elements are substituted for Y in the above compounds. Further, part or all of Ba is replaced with Ca or Sr. In addition, some of the Cu is replaced by transition metals and Zn and Ga. Other oxide superconductors deposited include many Bi-Ca-Sr
-Cu and Tl-Ca-Cu systems and their variations. Ba(Pb,Bi)O3, (Ba,K)BiO3
, and n-type superconductors such as Nd2-xCeXCuO4 can also be fabricated.

【0021】YBCO膜が所望の厚さに蒸着された後に
、基板は、膜の減少を防止するために、酸素の雰囲気中
で制御された速度で冷却される。YBCO膜は、優れた
電気抵抗特性を有する高品質の超伝導体である。図4A
は、YSZ上のYBCOの同一平面エピタキシャル方位
を示しており、この場合、YBCOの同一平面の方向(
100)は、YSZ上の前述のYBCOの結晶の高品質
に結びつくYSZの同一平面(100)方向と平行であ
る。図4Aはまた、シリコン上のYSZの同一平面のエ
ピタキシャル方位を示しており、この場合、YSZの同
一平面(100)の方向は、シリコン上の前述のYSZ
の結晶の高品質に結びつくシリコンの同一平面(100
)の方向と平行である。図4Bは、金属の結晶学上の方
位を示す。従って、YSZの緩衝膜とYBCOの膜は、
いずれもシリコン結晶との優れた結晶エピタキシーを有
する。
After the YBCO film is deposited to the desired thickness, the substrate is cooled at a controlled rate in an oxygen atmosphere to prevent film reduction. YBCO film is a high quality superconductor with excellent electrical resistance properties. Figure 4A
indicates the coplanar epitaxial orientation of YBCO on YSZ, where the coplanar direction of YBCO (
100) is parallel to the coplanar (100) direction of the YSZ, which is associated with the high quality of the aforementioned YBCO crystals on the YSZ. Figure 4A also shows the coplanar epitaxial orientation of YSZ on silicon, where the coplanar (100) orientation of YSZ is similar to that of the aforementioned YSZ on silicon.
Coplanarity of silicon (100
) is parallel to the direction of FIG. 4B shows the crystallographic orientation of the metal. Therefore, the YSZ buffer film and the YBCO film are
Both have excellent crystal epitaxy with silicon crystal.

【0022】透過電子顕微鏡写真は、シリコン上の高度
に組織配列された(100)立方結晶の蛍石を構成した
YSZと、YSZ上の高度なC軸方位のYBCOの一致
した成長を明らかにした。膜のX線回折は、立方結晶の
蛍石構造だけ有するYSZとC軸方位を有するYBCO
とについて、高度な同一平面のエピタキシャル方向を示
している。300°K における固有抵抗と固有抵抗比
と共に、ゼロ抵抗遷移温度と遷移幅は、この超伝導材が
、集積回路とほかの超伝導環境の用途としてよい技術特
性を有していたことを証明している。
Transmission electron micrographs revealed the congruent growth of highly textured (100) cubic crystal fluorite-structured YSZ on silicon and highly C-axis oriented YBCO on YSZ. . X-ray diffraction of the film shows that YSZ has only a cubic crystal fluorite structure and YBCO has a C-axis orientation.
and shows a highly coplanar epitaxial orientation. The zero-resistance transition temperature and transition width, along with the resistivity and resistivity ratio at 300°K, demonstrated that this superconducting material had good technical properties for applications in integrated circuits and other superconducting environments. ing.

【0023】本発明は特定の実施例に関して説明されて
いるが、この説明は本発明を示すもので、本発明を限定
するものとして解釈されるものではない。例えば、YS
Z膜は、ほかの結晶学上の方位(例えば、111)を有
するシリコンの表面にレーザ溶発により成長する。さら
に、ほかの超伝導材は、本発明による工程を採用して蒸
着される。
Although the invention has been described with respect to specific embodiments, this description is illustrative of the invention and is not to be construed as limiting the invention. For example, Y.S.
Z films are grown by laser ablation on silicon surfaces having other crystallographic orientations (eg, 111). Additionally, other superconducting materials may be deposited using the process according to the present invention.

【0024】構成比が1−2−3あるいは2−4−8の
Y−Ba−Cuを除くほかの酸化物超伝導材も製作出来
る。 希土類元素は、すべて上記化合物のYと置換可能である
。また、Baの一部あるいはすべては、CaあるいはS
rにより置換される。そのほかに、Cuの一部は、遷移
金属、及びZnとGaにより置き換えられる。蒸着され
るほかの酸化物超伝導体には、多くのBi−Ca−Sr
−Cu系とTl−Ba−Ca−Cu系、及び変形がある
。Ba(Pb,Bi)O3、(Ba,K)BaO3 及
びNd2−x CeX CuO4−Y などのn形超伝
導体も製作出来る。
Other oxide superconducting materials other than Y-Ba-Cu having a composition ratio of 1-2-3 or 2-4-8 can also be produced. All rare earth elements can be substituted for Y in the above compounds. Also, some or all of Ba may be Ca or S.
Replaced by r. Besides, some of the Cu is replaced by transition metals and Zn and Ga. Other oxide superconductors deposited include many Bi-Ca-Sr
-Cu system, Tl-Ba-Ca-Cu system, and variations. N-type superconductors such as Ba(Pb,Bi)O3, (Ba,K)BaO3 and Nd2-xCeXCuO4-Y can also be fabricated.

【0025】従って、各種の修正とその用途は、付属請
求の範囲により定義された本発明の本来の精神と範囲を
逸脱することなく、本分野の精通者には考えられるもの
である。
Accordingly, various modifications and uses thereof may occur to those skilled in the art without departing from the original spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】図1Aはシリコン基板、緩衝層、及びその上に
形成された高温超伝導体層より成る、本発明による構造
の斜視図である。図1Bはシリコン基板が集積回路を構
成している図1の構造の斜視図であって、高温導電体層
が選択的にエッチングされて、回路の相互結線パターン
を形成している。
FIG. 1A is a perspective view of a structure according to the invention consisting of a silicon substrate, a buffer layer, and a high temperature superconductor layer formed thereon. FIG. 1B is a perspective view of the structure of FIG. 1 in which the silicon substrate constitutes an integrated circuit, with the high temperature conductor layer selectively etched to form the interconnection pattern of the circuit.

【図2】図2Aは信号処理と高温素子配列の制御のシリ
コン回路素子を使用している集積電子回路の斜視図であ
る。図2Bは回路の断面図である。
FIG. 2A is a perspective view of an integrated electronic circuit using silicon circuitry for signal processing and control of a high temperature device array. FIG. 2B is a cross-sectional view of the circuit.

【図3】本発明により構造を組立てる段階を示す流れ図
である。
FIG. 3 is a flow diagram illustrating the steps of assembling a structure according to the present invention.

【図4】図4Aは好適な実施例の境界面における結晶シ
リコンとYSZの構造の結晶格子モデルである。図4B
は素材の結晶学上の方位を示す上面図である。
FIG. 4A is a crystal lattice model of the structure of crystalline silicon and YSZ at the interface of a preferred embodiment. Figure 4B
is a top view showing the crystallographic orientation of the material.

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  シリコン基板上に高温超伝導層を形成
する方法にして、 (1) 主表面を有する単結晶シリコン基板を形成する
ことと、 (2) 表面の結晶化を破壊するようにシリコンと反応
してない元素の原子層で仕上げられた原子的に清浄な表
面を生成するために、スピン・エッチング法を使用して
前記主表面を清浄化することと、 (3) 前記元素を蒸発するために蒸着室で前記基板を
加熱することと、 (4) YSZの緩衝層を前記主表面上に蒸着するが、
前記基板は前記蒸着室に残り、前記YSZが単結晶の前
記主表面上にエピタキシャルに形成することと、(5)
 高温超伝導材を前記緩衝層上に蒸着するが、前記基板
が前記蒸着室内に残り、前記高温超伝導材がYSZの前
記緩衝層上にエピタキシャルに形成することの段階より
成ることを特徴とする前記の方法。
Claim 1: A method for forming a high temperature superconducting layer on a silicon substrate, comprising: (1) forming a single crystal silicon substrate having a main surface; (3) cleaning said major surface using a spin etching method to produce an atomically clean surface finished with an atomic layer of the element that has not reacted with the element; and (3) evaporating said element. (4) depositing a buffer layer of YSZ on the main surface;
(5) the substrate remains in the deposition chamber, and the YSZ is epitaxially formed on the main surface of the single crystal;
depositing a high temperature superconducting material on the buffer layer, the substrate remaining in the deposition chamber, and forming the high temperature superconducting material epitaxially on the buffer layer of YSZ. The method described above.
【請求項2】  前記YSZがエピタキシャルに形成し
、前記YSZ層の同一平面(100)方向が前記単結晶
シリコンの同一平面(100)方向と平行であることを
特徴とする「請求項1」に記載の方法。
2. The YSZ is epitaxially formed, and the coplanar (100) direction of the YSZ layer is parallel to the coplanar (100) direction of the single crystal silicon. Method described.
【請求項3】  前記元素が水素であることを特徴とす
る「請求項1」に記載の方法。
3. The method according to claim 1, wherein the element is hydrogen.
【請求項4】  「請求項1」の段階(3) が前記基
板を約800℃に約10−6Torrの真空で加熱する
ことより成ることを特徴とする請求項3に記載の方法。
4. The method of claim 3, wherein step (3) of claim 1 comprises heating the substrate to about 800° C. in a vacuum of about 10 −6 Torr.
【請求項5】  前記基板を約800℃に加熱する前に
弱く結合吸着された不純物を除去するために、「請求項
1」の段階(3) がさらに前記基板を約250℃に加
熱することにより成ることを特徴とする請求項4に記載
の方法。
5. Step (3) of claim 1 further comprises heating the substrate to about 250° C. to remove weakly bound adsorbed impurities before heating the substrate to about 800° C. 5. The method according to claim 4, characterized in that the method comprises:
【請求項6】  「請求項1」の段階(4) が最初に
約10−6Torrの前記真空中でYSZを蒸着し、次
に酸素を前記室に導入することより成っていることを特
徴とする「請求項5」に記載の方法。
6. Step (4) of claim 1 comprising first depositing YSZ in said vacuum at about 10 −6 Torr and then introducing oxygen into said chamber. The method according to claim 5.
【請求項7】  酸素の導入が約5×10−4Torr
の圧力において行われることを特徴とする「請求項6」
に記載の方法。
Claim 7: The introduction of oxygen is approximately 5×10-4 Torr.
"Claim 6" characterized in that the process is carried out at a pressure of
The method described in.
【請求項8】  シリコンの前記主表面が結晶学的方位
1−0−0を有し、緩衝層を蒸着する前記段階が立方体
構造を有するYSZを形成することを特徴とする「請求
項7」に記載の方法。
8. Claim 7, wherein the main surface of silicon has a crystallographic orientation of 1-0-0 and the step of depositing a buffer layer forms a YSZ with a cubic structure. The method described in.
【請求項9】  「請求項1」の段階5が前記シリコン
基板の温度を約750℃に低下し、酸素の圧力を約20
0ミリTorrに高め、次にYBCOの高温超伝導材を
蒸着することより成ることを特徴とする「請求項8」に
記載の方法。
9. Step 5 of claim 1 includes lowering the temperature of the silicon substrate to about 750° C. and lowering the oxygen pressure to about 20° C.
9. The method of claim 8, further comprising increasing the temperature to 0 mTorr and then depositing a high temperature superconducting material of YBCO.
【請求項10】  同一平面のYBCO(100)の方
向が同一平面のシリコンの方向(110)と平行である
ことを特徴とする「請求項8」に記載の方法。
10. A method according to claim 8, characterized in that the coplanar YBCO direction (100) is parallel to the coplanar silicon direction (110).
【請求項11】  主表面を有する単結晶シリコン基板
と、前記主表面にエピタキシャルに形成された酸化イッ
トリウム添付の酸化ジルコニウムの層と、前記の酸化イ
ットリウム添加の酸化ジルコニウムの層にエピタキシャ
ルに形成された高温超伝導材の層とより成り、前記の高
温超伝導材の層が少なくとも85°Kの抵抗ゼロの遷移
温度を有し、超伝導遷移に対し抵抗性のある発端におけ
る抵抗値の10%から90%への遷移が 1.0°K 
以下の遷移温度幅内で発生することを特徴とする構造。
11. A single crystal silicon substrate having a main surface, a layer of zirconium oxide added with yttrium oxide epitaxially formed on the main surface, and a layer of zirconium oxide added with yttrium oxide epitaxially formed on the layer of zirconium oxide added with yttrium oxide. a layer of high-temperature superconducting material, said layer of high-temperature superconducting material having a zero-resistance transition temperature of at least 85° K and resistant to superconducting transition from 10% of its initial resistance value to Transition to 90% is 1.0°K
A structure characterized by occurring within the following transition temperature range.
【請求項12】  前記の高温超伝導材の層が、さらに
300マイクロオーム・センチメータ以下の300°K
 における固有抵抗と、3.0±0.4の300°K 
における固有抵抗の100°K における固有抵抗に対
する比とを有することを特徴とする「請求項11」に記
載の構造。
12. The layer of high temperature superconducting material further has a temperature of 300°K of less than 300 microohm centimeters.
with a resistivity of 3.0±0.4 at 300°K
12. The structure of claim 11, having a ratio of resistivity at 100°K to resistivity at 100°K.
【請求項13】  前記高温超伝導材がイットリウム・
バリウム・銅の酸化物であることを特徴とする「請求項
12」に記載の方法。
13. The high temperature superconducting material is yttrium.
13. The method according to claim 12, wherein the oxide is barium-copper oxide.
【請求項14】  前記の酸化イットリウム添加の酸化
ジルコニウムの同一平面(100)方向が前記単結晶シ
リコン基板の同一平面(100)方向と平行であること
を特徴とする「請求項13」に記載の構造。
14. The coplanar (100) direction of the yttrium oxide-doped zirconium oxide is parallel to the coplanar (100) direction of the single crystal silicon substrate. structure.
JP3086497A 1990-04-18 1991-04-18 Silicon substrate having epitaxial superconductive layer, and its manufacture Withdrawn JPH04226090A (en)

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