JPH04310596A - Production of oxide superconducting thin film and its multilayered element - Google Patents

Production of oxide superconducting thin film and its multilayered element

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JPH04310596A
JPH04310596A JP3072788A JP7278891A JPH04310596A JP H04310596 A JPH04310596 A JP H04310596A JP 3072788 A JP3072788 A JP 3072788A JP 7278891 A JP7278891 A JP 7278891A JP H04310596 A JPH04310596 A JP H04310596A
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JP
Japan
Prior art keywords
layer
thin film
oxide superconducting
superconducting thin
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP3072788A
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Japanese (ja)
Inventor
Naoya Isada
尚哉 諌田
Takayoshi Sowa
曽和 孝義
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

PURPOSE:To provide a multilayered thin film having a high density and strength with hardly any deterioration in superconductive characteristics for forming a thin film to be a superconducting state at the liquid nitrogen temperature on an optional substrate. CONSTITUTION:A multilayered thin film is constructed from a ground substrate 1 such as a silicon substrate, a titanium layer 2 for ensuring adhesive strength to the ground substrate 1, a platinum layer 3 for preventing diffusion of an alkali metal, etc., into a superconducting layer, a magnesium oxide layer 4 hardly causing reaction with the superconducting layer or an NdGaOx layer, an LaSrGaOx layer or an oxide superconducting layer 5.

Description

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

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は酸化物超電導薄膜をチッ
プ間配線や多層配線基板,半導体−超電導複合素子,超
電導機能素子に用いる際の基材と超電導薄膜の間の反応
抑制と密着強度確保のための薄膜積層構造に関する。
[Industrial Application Field] The present invention suppresses the reaction between the base material and the superconducting thin film and ensures adhesion strength when the oxide superconducting thin film is used for interchip wiring, multilayer wiring boards, semiconductor-superconducting composite devices, and superconducting functional devices. Regarding thin film laminated structure for.

【0002】0002

【従来の技術】従来、半導体基板と高温超電導薄膜の界
面構造にはジャーナルオブ  バキューム  サイエン
ス  アンド  テクノロジー  エー  7巻6号 
 3147頁から3171頁  (1989年)(J.
Vac.Sci.Technol.A7(6),(19
89)p.p.3147−3171)において記載され
ているように基板上に高温超電導薄膜を形成する場合に
は下地基板構成原子が酸化物超電導層に拡散するのを抑
制する拡散バリア層を形成する技術が開発されている。 しかし、この技術によって得られる酸化物超電導薄膜の
臨界温度は物質が本来もつ性質に比べて50K程度低い
ものであった。これは、拡散バリア層と高温超電導薄膜
が成膜過程または後熱処理過程で反応または相互拡散し
てしまうからであった。つまり、通常の蒸着やスパッタ
成膜法によって高温超電導薄膜を形成する場合は、薄膜
を堆積させようとする基板を450℃から800℃程度
に加熱する必要があるが、高温での成膜では下地基板構
成原子の拡散とそれに伴って起こる化学反応等が起こり
やすく、酸化物超電導物質の結晶構造の一部または全部
を破壊してしまう。これを抑制するために、各種金属か
らなる拡散バリア層の検討が現在も引き続いてなされて
いるが、前述のように未だ酸化物超電導薄膜の特性劣化
は充分避けられていない。
[Prior Art] Conventionally, the interface structure between a semiconductor substrate and a high-temperature superconducting thin film has been studied in Journal of Vacuum Science and Technology A, Vol. 7, No. 6.
pp. 3147-3171 (1989) (J.
Vac. Sci. Technol. A7 (6), (19
89) p. p. 3147-3171), when forming a high-temperature superconducting thin film on a substrate, a technology has been developed to form a diffusion barrier layer that suppresses atoms constituting the underlying substrate from diffusing into the oxide superconducting layer. There is. However, the critical temperature of the oxide superconducting thin film obtained by this technique was about 50 K lower than the inherent properties of the material. This is because the diffusion barrier layer and the high-temperature superconducting thin film react or interdiffuse during the film formation process or post-heat treatment process. In other words, when forming a high-temperature superconducting thin film by ordinary vapor deposition or sputtering film deposition, it is necessary to heat the substrate on which the thin film is to be deposited to about 450°C to 800°C, but in the case of film formation at high temperatures, the substrate Diffusion of atoms constituting the substrate and accompanying chemical reactions are likely to occur, destroying part or all of the crystal structure of the oxide superconducting material. In order to suppress this, studies on diffusion barrier layers made of various metals are still ongoing, but as mentioned above, the deterioration of the characteristics of oxide superconducting thin films has not yet been sufficiently avoided.

【0003】一方、高温超電導薄膜との反応が比較的小
さな基板材料はジャーナル  オブバキューム  サイ
エンス  アンド  テクノロジー  エー  7巻6
号  3147頁から3171頁 (1989年)(J
.Vac.Sci.Technol.A7(6),(1
989)p.p.3147−3171)に記載されてい
るように、酸化マグネシウム単結晶基板があげられる。 ところが、酸化マグネシウムは、薄膜化する場合に下地
基板との密着強度が低いことや、薄膜の割れが発生しや
すいことのために任意の下地基板上への直接成膜は困難
であった。そのため、従来は酸化物超電導薄膜を用いた
機能素子を形成するためには酸化マグネシウム単結晶を
用いた基板しか使用できなかった。酸化マグネシウム単
結晶は、高価であり、大形の単結晶を製造するのが困難
であるため、工業的応用や生産性に限界があった。
On the other hand, substrate materials that react relatively little with high-temperature superconducting thin films include Journal of Vacuum Science and Technology A, Vol. 7, 6.
No. 3147-3171 (1989) (J
.. Vac. Sci. Technol. A7 (6), (1
989) p. p. 3147-3171), a magnesium oxide single crystal substrate is mentioned. However, when magnesium oxide is made into a thin film, it has been difficult to directly form a film on any base substrate because the adhesion strength with the base substrate is low and the thin film tends to crack. Therefore, in the past, only a substrate using a magnesium oxide single crystal could be used to form a functional element using an oxide superconducting thin film. Magnesium oxide single crystals are expensive and it is difficult to produce large single crystals, so there are limits to their industrial application and productivity.

【0004】0004

【発明が解決しようとする課題】前述の従来例での課題
の一つは、下地基板からの原子の拡散に対する拡散バリ
ア層と高温超電導薄膜の反応抑制が充分でなく、超電導
特性を劣化させてしまうことである。
[Problems to be Solved by the Invention] One of the problems with the conventional example described above is that the reaction between the diffusion barrier layer and the high-temperature superconducting thin film against the diffusion of atoms from the underlying substrate is not sufficiently suppressed, which deteriorates the superconducting properties. It's about putting it away.

【0005】もう一つの課題は、酸化物超電導体との反
応が起こりにくい酸化マグネシウムは任意の下地基板上
に薄膜化できない点である。
Another problem is that magnesium oxide, which hardly reacts with oxide superconductors, cannot be formed into a thin film on any underlying substrate.

【0006】本発明の目的は、基板と高温超電導薄膜の
密着強度を保ち、加えて両者の相互の反応を抑止する薄
膜構成を提供することである。
[0006] An object of the present invention is to provide a thin film structure that maintains the adhesion strength between a substrate and a high temperature superconducting thin film, and also suppresses mutual reaction between the two.

【0007】本発明の他の目的は、下地基板として任意
の大きさの半導体基板を使用することによって、大型超
電導配線基板,超電導機能素子,半導体−超電導体複合
素子及びそれらを利用した信号処理システムを製造する
ことにある。
Another object of the present invention is to produce a large superconducting wiring board, a superconducting functional element, a semiconductor-superconductor composite element, and a signal processing system using them by using a semiconductor substrate of any size as a base substrate. The purpose is to manufacture.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、高温超電導薄膜を成膜しようとする基板上に、チタ
ン層を形成する。その後、酸化物超電導層との反応の起
こりにくい酸化マグネシウム層を形成し、最後に酸化物
超電導層を形成する。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, a titanium layer is formed on a substrate on which a high temperature superconducting thin film is to be formed. After that, a magnesium oxide layer that hardly reacts with the oxide superconducting layer is formed, and finally an oxide superconducting layer is formed.

【0009】また、さらに高い密着強度を要求されると
きには、高温超電導薄膜を成膜しようとする基板上に、
チタン層を形成した後、チタン層との密着性が良好で、
かつ、次に形成する酸化マグネシウム層とも密着強度の
高い窒化チタン層を形成する。その上に酸化マグネシウ
ム層を形成し、最後に高温超電導層を形成する。
In addition, when even higher adhesion strength is required, on the substrate on which the high temperature superconducting thin film is to be formed,
After forming the titanium layer, it has good adhesion with the titanium layer,
In addition, a titanium nitride layer having high adhesion strength is formed with the magnesium oxide layer to be formed next. A magnesium oxide layer is formed thereon, and finally a high temperature superconducting layer is formed.

【0010】また、下地基板の構成原子の拡散が著しい
場合には密着強度を向上させるためのチタン層を形成し
た後、拡散バリア層として白金層を形成し、その後チタ
ン層および窒化チタン層と酸化マグネシウム層を形成し
、最後に高温超電導層を形成する。
In addition, if the constituent atoms of the base substrate are significantly diffused, after forming a titanium layer to improve adhesion strength, a platinum layer is formed as a diffusion barrier layer, and then a titanium layer, a titanium nitride layer, and an oxide layer are formed. A magnesium layer is formed, and finally a high temperature superconducting layer is formed.

【0011】また、上記の各構成において、各薄膜の界
面近傍の化学組成を連続的に変化あるいは、中間組成の
混合層を形成することによって、より高い密着強度を得
ることができ、膜応力を低減することができ、熱処理工
程を削減することができる。熱処理工程の削減によって
、下地基板原子の拡散および酸化物超電導層との反応を
更に低減することができる。
Furthermore, in each of the above configurations, by continuously changing the chemical composition near the interface of each thin film or by forming a mixed layer with an intermediate composition, higher adhesion strength can be obtained and film stress can be reduced. The heat treatment process can be reduced. By reducing the number of heat treatment steps, diffusion of underlying substrate atoms and reaction with the oxide superconducting layer can be further reduced.

【0012】以上の構成の薄膜を代表的な半導体基板で
あるシリコン単結晶基板に適用することによって、シリ
コン単結晶基板上に形成された能動素子間の相互接続や
多層配線,更に、半導体−高温超電導体複合素子を形成
することができ、高温超電導薄膜を用いた信頼性が高く
、高い周波数成分を含んだ高速パルスを伝送することの
できる信号処理システムを構成することができる。
By applying the thin film having the above structure to a silicon single crystal substrate, which is a typical semiconductor substrate, interconnection between active elements formed on a silicon single crystal substrate, multilayer wiring, and semiconductor-high temperature A superconductor composite element can be formed, a highly reliable signal processing system using a high-temperature superconducting thin film, and capable of transmitting high-speed pulses containing high frequency components can be constructed.

【0013】[0013]

【作用】高温超電導薄膜を形成しようとする基板に直接
接するチタン層は、多くの金属,半導体基板,無機化合
物との密着強度が高く、1600℃の高温でも溶融しな
い材料である。この層によって、下地基板および下地薄
膜とその上部に形成する多層薄膜との密着強度を確保す
ることができる。また、酸化物超電導層形成の際に必要
な450℃から850℃程度の基板加熱も可能である。
[Operation] The titanium layer, which is in direct contact with the substrate on which the high-temperature superconducting thin film is to be formed, has high adhesive strength with many metals, semiconductor substrates, and inorganic compounds, and is a material that does not melt even at a high temperature of 1600°C. This layer can ensure the adhesion strength between the base substrate and base thin film and the multilayer thin film formed thereon. Further, it is also possible to heat the substrate to about 450° C. to 850° C., which is necessary when forming an oxide superconducting layer.

【0014】白金層は、アルカリ金属類の原子や半導体
基板からの珪素原子に対して特に有効な拡散バリア層と
なる。
The platinum layer serves as a particularly effective diffusion barrier layer against alkali metal atoms and silicon atoms from the semiconductor substrate.

【0015】窒化チタン層は、チタン層との密着強度が
高く、また、次に成膜する酸化マグネシウム層との密着
強度も高いので、チタン層と酸化マグネシウム層の密着
強度を向上することができる。
[0015] Since the titanium nitride layer has high adhesive strength with the titanium layer and also has high adhesive strength with the magnesium oxide layer to be formed next, it is possible to improve the adhesive strength between the titanium layer and the magnesium oxide layer. .

【0016】その上の酸化マグネシウム層は、高温超電
導薄膜との反応が起こりにくく、電気絶縁性が高く、誘
電率は比較的小さい。これによって、酸化物超電導層の
特性が劣化せず、高い周波数成分を含む高速パルス信号
の散乱を抑えることができ、また、絶縁層の誘電率起因
の伝搬遅延も抑制できる。
The magnesium oxide layer thereon is unlikely to react with the high-temperature superconducting thin film, has high electrical insulation, and has a relatively low dielectric constant. As a result, the characteristics of the oxide superconducting layer do not deteriorate, scattering of high-speed pulse signals containing high frequency components can be suppressed, and propagation delay due to the dielectric constant of the insulating layer can also be suppressed.

【0017】最後に形成する高温超電導薄膜は、臨界温
度以下の温度で電気抵抗が極めて低いかまたはゼロであ
るため、高い周波数成分を含むパルス状の信号について
も減衰を少なくでき、高速スイッチング素子の実装系と
して有効である。また、ジョセフソン接合を形成するこ
とによって、超電導量子磁束干渉素子(SQUID)を
形成したり、半導体との接合形成によって超電導トラン
ジスタ等を作製することができる。
The high-temperature superconducting thin film formed last has extremely low or zero electrical resistance at temperatures below the critical temperature, so it can reduce attenuation even for pulsed signals containing high frequency components, making it suitable for high-speed switching devices. It is effective as an implementation system. Further, by forming a Josephson junction, a superconducting quantum flux interference device (SQUID) can be formed, and a superconducting transistor or the like can be manufactured by forming a junction with a semiconductor.

【0018】以上の多層膜構成を基板上に形成すること
によって、基板との密着強度が高く、高温熱処理でも下
地基板の構成元素の拡散を抑制することができる。
By forming the above multilayer film structure on a substrate, the adhesion strength to the substrate is high, and diffusion of constituent elements of the underlying substrate can be suppressed even during high-temperature heat treatment.

【0019】更に、各薄膜の界面近くの化学組成を連続
的に変化させることによって、より薄い中間層によって
充分な密着強度を得ることができ、膜応力を低減でき、
熱処理工程を削減することができる。そのため、下地基
板からの構成原子の拡散や超電導層と酸化マグネシウム
層との間の拡散及び反応を更に抑制することができる。
Furthermore, by continuously changing the chemical composition near the interface of each thin film, sufficient adhesion strength can be obtained with a thinner intermediate layer, and film stress can be reduced.
Heat treatment steps can be reduced. Therefore, it is possible to further suppress the diffusion of constituent atoms from the underlying substrate and the diffusion and reaction between the superconducting layer and the magnesium oxide layer.

【0020】[0020]

【実施例1】本発明の実施例を図1により説明する。[Embodiment 1] An embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG.

【0021】シリコン基板1を1000℃に加熱し、熱
酸化または化学的気相蒸着法によってピンホール等の欠
陥の少ない二酸化シリコン層2を形成する。その後、膜
厚50nmのチタン層3を電子ビーム蒸着により成膜し
、基板温度を800℃にして、膜厚1μmの酸化マグネ
シウム層4を高周波マグネトロンスパッタにより膜厚1
μm成膜する。更に、酸化物超電導物質の化学量論組成
からの最大ずれ±2%以下に調節した超電導薄膜5(Y
Ba2Cu3O7)を多元同時イオンビームスパッタに
より膜厚0.5μm成膜する。その後、成膜装置内を一
気圧の酸素ガスで満たし、毎時100℃の冷却速度で、
冷却することによって、シリコン単結晶基板上に臨界温
度86K,臨界電流密度2×106A/cm2の超電導
薄膜5(YBa2Cu3O7)を形成することができた
。また、酸化マグネシウム層の代わりに、NdGaOx
層、または、LaSrGaOx層を形成した場合は、そ
の上部に堆積する酸化物超電導層との格子定数の整合性
が高く、臨界温度90K,臨界電流密度2×106A/
cm2と、より高い臨界温度を示した。
The silicon substrate 1 is heated to 1000° C., and a silicon dioxide layer 2 with few defects such as pinholes is formed by thermal oxidation or chemical vapor deposition. Thereafter, a titanium layer 3 with a thickness of 50 nm is formed by electron beam evaporation, the substrate temperature is set to 800°C, and a magnesium oxide layer 4 with a thickness of 1 μm is formed into a film with a thickness of 1 μm by high-frequency magnetron sputtering.
Deposit a μm film. Furthermore, a superconducting thin film 5 (Y
Ba2Cu3O7) is deposited to a thickness of 0.5 μm by simultaneous multi-source ion beam sputtering. After that, the inside of the film forming apparatus was filled with oxygen gas at one atmosphere, and the cooling rate was 100°C per hour.
By cooling, a superconducting thin film 5 (YBa2Cu3O7) with a critical temperature of 86 K and a critical current density of 2 x 106 A/cm2 could be formed on the silicon single crystal substrate. Also, instead of the magnesium oxide layer, NdGaOx
When a LaSrGaOx layer or a LaSrGaOx layer is formed, it has high lattice constant matching with the oxide superconducting layer deposited on top of it, with a critical temperature of 90 K and critical current density of 2 x 106 A/
cm2, which showed a higher critical temperature.

【0022】[0022]

【実施例2】本発明の実施例を図2,図3,図4により
説明する。
[Embodiment 2] An embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. 2, 3, and 4.

【0023】図2において、実施例1と同様に、シリコ
ン基板6を1000℃に加熱し、熱酸化または化学的気
相蒸着法によってピンホール等の欠陥の少ない二酸化シ
リコン層7を形成する。その後、膜厚50nmのチタン
層8を二元同時イオンビームスパッタの一方のイオン源
とターゲットを用いて成膜し、その後、徐々にチタン成
膜用イオン源の出力を下げながら、同時にもう一方のイ
オン源とターゲットを用いてチタン−白金混合層9を成
膜する。その後、引き続き白金のみを成膜し、白金層1
0を0.5μm成膜する。その後、白金層10から同様
に組成傾斜を設け、白金−チタン混合層11を形成する
。さらに、チタンのみを成膜し、チタン層12を形成す
る。その後、成膜雰囲気中に窒素ガスを徐々に供給しな
がらチタンのみを成膜することによって、チタン−窒化
チタン混合層13を堆積させる。これによって表面は化
学量論組成に近いTiNx(x=1から0.7)の窒化
チタンとなっている。この時、窒素イオンの照射を行い
ながら成膜すると更にち密な薄膜が得られる。その後、
基板を1000℃程度に加熱しながら酸化マグネシウム
層14を1μm成膜する。更に、この基板を550℃か
ら800℃に加熱しながら高温超電導物質の化学量論組
成からの最大ずれ±2%以下に調節した超電導薄膜YB
a2Cu3O715を三元同時イオンビームスパッタに
より、0.5μm形成する。その後、純酸素を成膜槽内
に導入し、毎時50℃の冷却速度で冷却することによっ
て、C軸配向した臨界温度86K,臨界電流密度2×1
06A/cm2の高温超電導薄膜(YBa2Cu3O7
)15を形成することができた。この構成によると、多
層化を三回繰返し、長時間高温に放置しても、各酸化物
超電導層の特性劣化は、みられなかった。また、酸化マ
グネシウム層の代わりに、NdGaOx層またはLaS
rGaOx層を形成した場合は、臨界温度90K,臨界
電流密度2×106A/cm2と、より高い臨界温度を
示した。
In FIG. 2, as in Example 1, a silicon substrate 6 is heated to 1000° C., and a silicon dioxide layer 7 with few defects such as pinholes is formed by thermal oxidation or chemical vapor deposition. After that, a titanium layer 8 with a film thickness of 50 nm is deposited using one ion source and target of dual simultaneous ion beam sputtering, and then, while gradually lowering the output of the ion source for titanium film deposition, the other one is simultaneously deposited. A titanium-platinum mixed layer 9 is formed using an ion source and a target. After that, only platinum is formed into a film, and platinum layer 1
A film of 0.5 μm is formed. Thereafter, a composition gradient is similarly provided starting from the platinum layer 10 to form a platinum-titanium mixed layer 11. Further, a titanium layer 12 is formed by depositing only titanium. Thereafter, a titanium-titanium nitride mixed layer 13 is deposited by forming only titanium into a film while gradually supplying nitrogen gas into the film forming atmosphere. As a result, the surface becomes titanium nitride with a TiNx (x=1 to 0.7) close to stoichiometric composition. At this time, if the film is formed while being irradiated with nitrogen ions, an even denser thin film can be obtained. after that,
A magnesium oxide layer 14 having a thickness of 1 μm is formed while heating the substrate to about 1000° C. Furthermore, while heating this substrate from 550°C to 800°C, the superconducting thin film YB was adjusted to have a maximum deviation of ±2% or less from the stoichiometric composition of the high-temperature superconducting material.
A2Cu3O715 is formed to a thickness of 0.5 μm by three-dimensional simultaneous ion beam sputtering. After that, by introducing pure oxygen into the film forming tank and cooling at a cooling rate of 50°C per hour, a critical temperature of 86K and a critical current density of 2×1
06A/cm2 high temperature superconducting thin film (YBa2Cu3O7
)15 could be formed. According to this configuration, no deterioration in the characteristics of each oxide superconducting layer was observed even after repeating multilayering three times and leaving it at high temperature for a long time. Also, instead of the magnesium oxide layer, a NdGaOx layer or a LaS
When an rGaOx layer was formed, the critical temperature was 90 K and the critical current density was 2×10 6 A/cm 2 , which was higher.

【0024】また、図3に示すように、この工程で形成
した超電導薄膜を線状にパターン化16し、酸化マグネ
シウム層17を膜厚20nm程度に成膜し、その上に酸
化物超電導薄膜YBa2Cu3O718を形成する。そ
の後、上層の超電導薄膜を下の線状の超電導薄膜YBa
2Cu3O716と直交するようにドライエッチング等
によってパターン化することによって、積層形のジョセ
フソン接合19を形成することができた。図4は、図3
中のIV−IV矢視断面図である。
Further, as shown in FIG. 3, the superconducting thin film formed in this step is patterned into a linear pattern 16, a magnesium oxide layer 17 is formed to a thickness of about 20 nm, and an oxide superconducting thin film YBa2Cu3O718 is formed on top of the magnesium oxide layer 17. form. After that, the upper superconducting thin film is replaced with the lower linear superconducting thin film YBa.
By patterning by dry etching or the like so as to be perpendicular to 2Cu3O 716, a stacked Josephson junction 19 could be formed. Figure 4 is Figure 3
It is a sectional view taken along the line IV-IV inside.

【0025】また、図3に示すようにシリコン基板6と
して能動素子を形成した基板を用いることによって超電
導機能素子と半導体機能素子との複合素子を同一の基板
上に形成することができた。この場合、成膜中の基板加
熱温度は、600℃以下で、下層の半導体のpn接合を
破壊しないよう精密に管理する必要がある。
Furthermore, as shown in FIG. 3, by using a substrate on which active elements are formed as the silicon substrate 6, a composite element of a superconducting functional element and a semiconductor functional element can be formed on the same substrate. In this case, the substrate heating temperature during film formation must be precisely controlled at 600° C. or lower so as not to destroy the pn junction of the underlying semiconductor.

【0026】本実施例中の酸化物超電導薄膜15および
18の組成としてBi2Sr2Ca1Cu2Oxを用い
た場合には臨界温度90K,臨界電流密度1×105A
/cm2,また、Bi2Sr2Ca2Cu3Oxを用い
た場合には臨界温度95K,臨界電流密度1×105A
/cm2であった。
When Bi2Sr2Ca1Cu2Ox is used as the composition of the oxide superconducting thin films 15 and 18 in this example, the critical temperature is 90K and the critical current density is 1×105A.
/cm2, and when using Bi2Sr2Ca2Cu3Ox, the critical temperature is 95K and the critical current density is 1×105A.
/cm2.

【0027】[0027]

【実施例3】本発明の実施例を図5、図6、図7により
説明する。
[Embodiment 3] An embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. 5, 6, and 7.

【0028】図5において、表面を鏡面に研磨した酸化
マグネシウム単結晶基板20の上に高温超電導層YBa
2Cu3O721を0.1μm形成する。配線として使
用する部分を残して全面にクロムイオンを打ち込み、非
超電導化部22を形成する。更にその上部に層間絶縁層
として、酸化マグネシウム層23を0.5μm成膜する
。 このプロセスによって、電気的絶縁と平坦化を図った。 次に、超電導薄膜間の接続のために、ガリウム収束イオ
ンビームエッチングを用いたビアホール加工と、レーザ
アシストCVDによって、酸化物超電導体のビアホール
24を形成した。さらに、その上部に酸化物超電導層2
5を成膜し、配線として使用する部分を残して、全面に
クロムイオンを打ち込み、非超電導化部分26を形成す
る。このようにして形成した多層配線基板27を最後に
一気圧酸素中、450℃で十二時間保持し、毎時50℃
で冷却することによって、臨界温度80K臨界電流密度
1×105A/cm2の多層配線基板27が形成できた
In FIG. 5, a high temperature superconducting layer YBa is formed on a magnesium oxide single crystal substrate 20 whose surface is polished to a mirror finish.
2Cu3O721 is formed to a thickness of 0.1 μm. Chromium ions are implanted into the entire surface, leaving only the portion to be used as wiring, to form a non-superconducting portion 22. Furthermore, a magnesium oxide layer 23 with a thickness of 0.5 μm is formed as an interlayer insulating layer thereon. This process provided electrical insulation and planarization. Next, for connection between the superconducting thin films, via holes 24 of the oxide superconductor were formed by via hole processing using gallium focused ion beam etching and laser assisted CVD. Furthermore, an oxide superconducting layer 2 is added on top of it.
5 is formed into a film, and chromium ions are implanted into the entire surface, leaving a portion to be used as wiring, to form a non-superconducting portion 26. Finally, the multilayer wiring board 27 formed in this way was held at 450°C for 12 hours in one atmosphere of oxygen, and the temperature was increased to 50°C per hour.
By cooling at a critical temperature of 80 K, a multilayer wiring board 27 with a critical current density of 1×10 5 A/cm 2 was formed.

【0029】この多層配線基板27に、高移動度トラン
ジスタおよび酸化物超電導体を用いたジョセフソン素子
等の超高速スイッチング素子28を実装することによっ
て、液体窒素中での動作が可能な、波形歪の小さい高速
パルス伝送線路を形成でき、超高速信号処理システム2
9を構築することができた。
By mounting an ultra-high-speed switching element 28 such as a high-mobility transistor and a Josephson element using an oxide superconductor on this multilayer wiring board 27, waveform distortion that can be operated in liquid nitrogen is achieved. Ultra-high-speed signal processing system 2
I was able to build 9.

【0030】図6には、銅−ポリイミド系配線材料を用
いた薄膜多層配線基板実装での高速パルス波形を投入し
た時の、過渡応答を示した。横軸は、時間で、縦軸は、
それぞれの部分での電位を表している。超高速スイッチ
ング素子28のスイッチングスレッショルド30は、簡
単のために、立上りと立下がりを同電位に設定した。入
力パルス波形31を銅−ポリイミド系配線材料を用いた
薄膜多層配線基板による信号処理システムに印加したと
ころ、超高速スイッチング素子28にパルスが到達する
までに、パルスの立ち上りや立ち下がりでの高周波成分
が減衰し、素子への入力波形32には、高い周波数成分
が含まれていない。さらに、スイッチング素子の動作波
形33は、入力波形に比べて時間ta34だけ遅れるこ
とになる。また、波形の変形も大きく、従って、この実
装系での超高速スイッチング素子28による信号処理シ
ステムは、信頼性の低いものとなる。
FIG. 6 shows a transient response when a high-speed pulse waveform is applied to a thin film multilayer wiring board using a copper-polyimide wiring material. The horizontal axis is time and the vertical axis is
It represents the potential at each part. For the sake of simplicity, the switching threshold 30 of the ultra-high-speed switching element 28 is set at the same potential for rising and falling. When the input pulse waveform 31 is applied to a signal processing system using a thin film multilayer wiring board using a copper-polyimide wiring material, high-frequency components at the rise and fall of the pulse are detected before the pulse reaches the ultra-high-speed switching element 28. is attenuated, and the input waveform 32 to the element does not contain high frequency components. Furthermore, the operating waveform 33 of the switching element is delayed by a time ta34 compared to the input waveform. In addition, the waveform deformation is large, and therefore, the signal processing system using the ultra-high speed switching element 28 in this mounting system has low reliability.

【0031】図7には、本発明による多層配線基板27
を用いた超高速信号処理システム29を用いた場合の同
様の結果を示す。入力パルス波形35を超高速信号処理
システム29に印加したところ、超高速スイッチング素
子28にパルスが到達するまでに、パルスの立ち上りや
立ち下がりでの高周波成分はほとんど減衰なく、素子へ
の入力波形36には、高周波成分が保存されている。さ
らに、高速スイッチング素子28の動作波形37は、入
力波形に比べて時間tb38だけ遅れることになるが、
銅−ポリイミド系配線材料を用いた薄膜多層実装系で得
られる実装遅延時間ta34に比べて小さく、また、波
形の変形も小さいので、本発明による実装系での超高速
スイッチング素子による信号処理システムは、信頼性の
高いものとなる。
FIG. 7 shows a multilayer wiring board 27 according to the present invention.
Similar results are shown when using an ultrahigh-speed signal processing system 29 using . When the input pulse waveform 35 is applied to the ultra-high-speed signal processing system 29, by the time the pulse reaches the ultra-high-speed switching element 28, the high frequency components at the rise and fall of the pulse are hardly attenuated, and the input waveform 36 to the element is contains high frequency components. Furthermore, the operating waveform 37 of the high-speed switching element 28 will be delayed by a time tb38 compared to the input waveform;
Since the mounting delay time ta34 obtained in a thin film multilayer mounting system using copper-polyimide wiring material is smaller and the waveform deformation is also smaller, the signal processing system using ultra-high-speed switching elements in the mounting system according to the present invention , it becomes highly reliable.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明によれば、酸化マグネシウム単結
晶基板以外の基板にも高い臨界温度を示す品質の良好な
高温超電導薄膜を形成できるので、半導体素子と超電導
素子の複合素子や超電導多層基板,ジョセフソン接合等
を形成することができる。また、液体窒素温度で動作可
能な超高速論理回路や、高速アナログ回路を構成するこ
とができる。
Effects of the Invention According to the present invention, a high-quality high-temperature superconducting thin film exhibiting a high critical temperature can be formed on substrates other than magnesium oxide single crystal substrates. , Josephson junction, etc. can be formed. Furthermore, it is possible to construct ultrahigh-speed logic circuits and high-speed analog circuits that can operate at liquid nitrogen temperatures.

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

【図1】本発明の一実施例の酸化物超電導薄膜の断面図
FIG. 1 is a cross-sectional view of an oxide superconducting thin film according to an embodiment of the present invention;

【図2】本発明の他の実施例の酸化物超電導薄膜の断面
図、
FIG. 2 is a cross-sectional view of an oxide superconducting thin film according to another embodiment of the present invention;

【図3】本発明の一実施例の酸化物超電導薄膜による積
層形ジョセフソン素子の平面図、
FIG. 3 is a plan view of a stacked Josephson device using an oxide superconducting thin film according to an embodiment of the present invention;

【図4】図4のIV−IV矢視断面図、FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 4;

【図5】本発明
の他の実施例の酸化物超電導薄膜による多層配線基板の
断面図、
FIG. 5 is a cross-sectional view of a multilayer wiring board using an oxide superconducting thin film according to another embodiment of the present invention;

【図6】銅−ポリイミド系薄膜多層配線基板によって構
成した超高速信号処理システムに高速パルス信号を印加
したときの過渡的応答のタイミングチャート、
FIG. 6 is a timing chart of a transient response when a high-speed pulse signal is applied to an ultra-high-speed signal processing system configured with a copper-polyimide thin-film multilayer wiring board;

【図7】
本発明の一実施例の酸化物超電導薄膜による多層配線基
板によって構成した超高速信号処理システムに高速パル
ス信号を印加したときの過渡的応答のタイミングチャー
ト。
[Figure 7]
1 is a timing chart of a transient response when a high-speed pulse signal is applied to an ultra-high-speed signal processing system configured with a multilayer wiring board made of an oxide superconducting thin film according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン基板、2…酸化シリコン層、3…チタン層
、4…酸化マグネシウム層または、NdGaOx層また
はLaSrGaOx層、5…酸化物超電導層。
1... Silicon substrate, 2... Silicon oxide layer, 3... Titanium layer, 4... Magnesium oxide layer or NdGaOx layer or LaSrGaOx layer, 5... Oxide superconducting layer.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酸化物超電導薄膜を成膜しようとする基板
上にチタン層,酸化マグネシウム層を、順次、成膜した
後、前記酸化物超電導薄膜を形成することを特徴とする
酸化物超電導薄膜の製造方法。
1. An oxide superconducting thin film characterized in that the oxide superconducting thin film is formed after sequentially forming a titanium layer and a magnesium oxide layer on a substrate on which the oxide superconducting thin film is to be formed. manufacturing method.
【請求項2】酸化物超電導薄膜を成膜しようとする基板
上にチタン層,窒化チタン層,酸化マグネシウム層を、
順次、成膜した後、酸化物超電導薄膜を形成することを
特徴とする酸化物超電導薄膜の製造方法。
2. A titanium layer, a titanium nitride layer, a magnesium oxide layer on a substrate on which an oxide superconducting thin film is to be formed,
1. A method for producing an oxide superconducting thin film, which comprises sequentially forming an oxide superconducting thin film.
【請求項3】酸化物超電導薄膜を成膜しようとする基板
上にチタン層,白金層,チタン層,窒化チタン層,酸化
マグネシウム層を、順次、成膜した後、酸化物超電導薄
膜を形成することを特徴とする酸化物超電導薄膜の製造
方法。
3. After sequentially forming a titanium layer, a platinum layer, a titanium layer, a titanium nitride layer, and a magnesium oxide layer on a substrate on which an oxide superconducting thin film is to be formed, an oxide superconducting thin film is formed. A method for producing an oxide superconducting thin film, characterized by:
【請求項4】請求項1,2または3において、前記酸化
物超電導層以外の層を成膜する際に、層間の界面におい
て、組成混合層を形成する酸化物超電導薄膜その製造方
法。
4. A method for producing an oxide superconducting thin film according to claim 1, wherein a mixed composition layer is formed at an interface between layers when forming layers other than the oxide superconducting layer.
【請求項5】請求項4において、成膜手段として、多元
同時イオンビームスパッタを用いることによって、層間
界面の組成を滑らかに変化させる超電導薄膜の製造方法
5. The method of manufacturing a superconducting thin film according to claim 4, wherein the composition of the interlayer interface is smoothly changed by using multi-source simultaneous ion beam sputtering as the film forming means.
【請求項6】請求項1,2,3,4または5において、
前記酸化マグネシウム層の代わりにNdGaOx層(x
は2.5から3)およびLaSrGaOx層(xは3か
ら4)を形成したのち酸化物超電導薄膜を形成すること
を特徴とする酸化物超電導薄膜の製造方法。
Claim 6: In claim 1, 2, 3, 4 or 5,
A NdGaOx layer (x
is 2.5 to 3) and a LaSrGaOx layer (x is 3 to 4), and then an oxide superconducting thin film is formed.
【請求項7】請求項1,2,3,4,5または6に記載
の前記酸化物超電導薄膜に、酸化マグネシウム層,Nd
GaOx層(xは2.5から3)およびLaSrGaO
x層(xは3から4)を絶縁層とし、さらにその上に酸
化物超電導層を形成し、トンネル型ジョセフソン接合を
構成した酸化物超電導多層素子。
7. The oxide superconducting thin film according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, comprising a magnesium oxide layer, a
GaOx layer (x from 2.5 to 3) and LaSrGaO
An oxide superconducting multilayer element in which an x layer (x is 3 to 4) is used as an insulating layer, and an oxide superconducting layer is further formed on top of the x layer to form a tunnel-type Josephson junction.
【請求項8】請求項1,2,3,4,5,6または7に
記載の前記酸化物超電導薄膜,酸化物超電導多層素子,
多層配線基板およびこれらを用いた信号処理システムを
単結晶基板上または単結晶基板上に形成された絶縁層を
介して形成する単結晶基板上の超電導機能素子。
8. The oxide superconducting thin film, oxide superconducting multilayer element, according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7,
A superconducting functional element on a single crystal substrate, in which a multilayer wiring board and a signal processing system using the same are formed on a single crystal substrate or via an insulating layer formed on the single crystal substrate.
【請求項9】請求項8に記載の前記単結晶基板上の前記
酸化物超電導薄膜,酸化物超電導多層素子,配線基板お
よびこれらを用いた信号処理システムのうち、単結晶基
板として能動素子を形成した半導体基板を用いる超電導
−半導体複合素子。
9. Of the oxide superconducting thin film, oxide superconducting multilayer element, wiring board, and signal processing system using these on the single crystal substrate according to claim 8, an active element is formed as a single crystal substrate. A superconducting-semiconductor composite device using a semiconductor substrate.
JP3072788A 1991-04-05 1991-04-05 Production of oxide superconducting thin film and its multilayered element Pending JPH04310596A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5295748A (en) * 1992-10-15 1994-03-22 Nippon Bearing Co., Ltd. Ball bearing for rectilinear sliding
US6461484B2 (en) 2000-09-13 2002-10-08 Anelva Corporation Sputtering device

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