JPS63245975A - 超電導体装置 - 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】 「発明の利用分野」 本発明はセラミック系超電導材料を用いた超電導装置に
関する。本発明は超半導体装置において特に、半導体装
置の相互配線の一部または全部を超ＴＬ導材料で形成す
るとともに、この半導体装置を７０〜１００に好ましく
は７７に以上の温度で動作せしめんとするものである。

「従来の技術」 従来、超電導材料はＮｂ−Ｇｅ系（例えばＮｂｚＧｅ）
等の金属材料を線材として用い、超電導マグネフトとし
て用いられるに限られていた。

また最近はセラミック材料で超電導を呈し得ることが知
られていた。しかしこれもインゴット構造であり、薄膜
の超電導材料の形成はまったく提案されていない。

いわんや、との薄膜をフォトリソグラフィ技術によりパ
ターニングする方法も、またこれをさらに半導体装置の
相互配線の一部に用いることもまったく知られていない
。

他方、半導体集積回路を含めた複数の素子を同、１板に
設けた半導体装置が知られている。しかしこの半導体装
置を液体窒素温度（７７Ｋ）の如き低温で動作させる試
みはまったく知られてない。

「従来の問題点」 半導体集積回路は近年益々微細化するとともに高速動作
を要求されている。また微細化とともに半導体素子の発
熱による信頼性低下また発熱部の動作速度の低下が問題
となっていた。

このため、もし半導体素子を液体窒素温度で動作させん
とすると、その素子での電子およびホールの移動度は室
温のそれに比べて３〜４倍も高めることができ、ひいて
は素子の周波数特性を向上できる。

またかかる問題を解決するため、本発明人の出願（昭和
６２年３月９日出願　超伝導半導体装置）を用いんとし
たものである。かかる超電導体半導体装置において、そ
のリード線はセラミック材料の超電導材料よりなる。か
かる材料は被形成面上に材料を形成した後、酸化物雰囲
気で長時間の酸化をしなければならない。そのため、そ
の下地の絶縁物を酸化物特に酸化珪素絶縁膜とすると、
この酸化珪素と酸化反応を起こしてしまうことが判明し
た。

「問題を解決すべき手段」 本発明はかかる問題点を解決するため、半導体装置にお
ける相互配線に極低温（２０〜１００に好ましくは７７
に以上の温度）で超電導を呈するセラミック材料を用い
るものである。その際、かかる材料の下面は非酸化物特
に好ましくは耐熱性の窒化物を設けたものである。

本発明は半導体特に好ましくは耐熱性を有する半導体、
例えば単結晶シリコン半導体基板を用いて、この半導体
に複数の素子、例えば絶縁ディト型電界効果トランジス
タ、バイポーラ型トランジスタ、５ＩＴ（静電誘導型ト
ランジスタ）、抵抗、キャパシタを設ける。そしてこの
上に、またその上面の絶縁膜を耐熱非酸化物絶縁材料特
に好ましくは耐熱性窒化物を設け、この窒化物上に電気
抵抗が零または零に近くする超電導材料を形成する。

これをフォトリソグラフィ技術により選択エッチをして
パターニングをする。更にその工程の前または後に５０
０〜１０００’Ｃで熱アニールを特に酸素、窒素等の酸
化性雰囲気で１〜２０時間もの長時間行うことにより、
超電導現象を極低温で呈するようにセラミック材料の結
晶構造を変成する。これらの工程を１回または複数回繰
り返すことにより、１層または各層の相互配線を電気抵
抗が零の材料により形成する。

「作用」 かかる半導体装置を液体窒素温度とすると、その電子ま
たはホール移動度は３〜４倍に向上させることができる
。加えて、そのリード、電極の電気抵抗を零または零に
等しくすることが可能となる。周波数特性の遅れを示す
ＣＲ時定数におけるＲ（抵抗）を零とすることができ、
そのためきわめて高速動作をさせることが可能となる。

かかる半導体装置において、液体窒素温度以上の温度で
動作させる材料を用いる際、本発明の耐熱性絶縁材料、
特に窒化物によりセラミック材料を３０μｍ以下好まし
くは０．１〜１μｍの厚さでも超電導を呈する材料とす
ることが可能である。

以下に本発明の実施例を図面に従って説明する。

「実施例１」 第１図は本発明の超電導半導体装置の製造工程の実施例
を示す。

第１図（＾）において、シリコン半導体基板（１）上に
絶縁膜（２）を形成し、ここにフォトリソグラフィ技術
により開穴（８）を形成する。

第１図（Ａ）における半導体基板（１）内にはＩＧＦＥ
Ｔ（絶縁ディト型半導体装Ｗ）１．バイポーラトランジ
スタの如きアクティブ型素子または抵抗、キャパシタの
如きパッシブ型素子が予め設けられている。そしてこれ
らのアクティブ型またはパッシブ型の素子が設けられ、
その下面には絶縁膜が設けられている。本発明の実施例
では絶縁膜として半導体上に酸化珪素を形成し、さらに
その上に耐熱性非酸化物である窒化珪素を形成した。そ
してこの絶縁膜には電極用コンタクト部が前記した開穴
に対応して設けられている。

第１図（Ｂ）においてはこれらの上面に超電導を呈すべ
き材料を薄膜状に形成する。この薄膜はスパッタ法で形
成した。スクリーン印刷法、真空蒸着法または気相法（
ＣＶＤ法）で行ってもよい。

スパッタ装置はターゲットとして元素周期表■ａ、ｍａ
および銅の酸化物よりなる化合物であり一般的には（＾
＋−ｘＢｘ）ＣｕｚＯｗ、ｘ＝　Ｏ〜Ｌｙ　＝　２〜４
好ましくは２．５〜３．５．ｚ　＝１．Ｏ〜４．０好ま
しくは１．５〜３．５．ｗ　＝４．０〜１０．０好まし
くは６〜８である。ＡとしてＢ　ａ　＋　Ｓ　ｒ　＋　
Ｃａ　ｓ　ＢとしてＹまたはＹｂ等のランタノイド元素
を用いる。例えばｘ　＝０．６１．ｙ＝３、ｚ　＝３．
ｗ　＝６〜８で示される（ＹＢａｚ）ＣｕｓＯｂ〜ｅを
用いた。

スパッタに際してはその実施例として、基板温度４５０
℃、アルゴン雲囲気、周波数５０１１ｚ、出力１００Ｗ
で行った。かかる場合のセラミック材料の膜厚を０．２
〜２μｍ、例えば１μｍの厚さとして、この後酸素中７
００℃（１０時間）でアニールを行い、その後この薄膜
がより結晶を成長させやすくすべ（Ｔｃオンセント＝　
９５Ｋ　（抵抗は９５により下がりはしめ、実験的には
７９にで抵抗は実質的に零になった）の超電導薄膜を作
ることができた。

この後、この薄膜をフォトリングラフィ技術で所定のパ
ターニングを行った。かくして素子の電極および入力、
出力端子との接続を含む相互配線用の電極およびリード
を構成すべくフォトレジストコートし、酸溶液例えば硫
酸または硝酸で選択除去（エッチ）を行い第１図（Ｃ）
を得た。

このパターニングは前記した超電導用薄膜を形成した後
に行い、さらにその後に熱アニールを行ってパターニン
グした相互作用部のみ選択的に結晶化を行うことは有効
である。

この場合は初期状態において結晶粒径が小さいためより
相互配線の微細パターンが可能である。

第１図（Ｄ）はこの後多層配線を必要に応じて行った。

特に半導体装置との外部のリードの接合のためにはセラ
ミック超電導体より金属が連結をしやすい。このため層
間′４ｔＡ縁物（６）を酸化珪素、ＰＩＱ（ポリイミド
樹脂）で形成し、アルミニュームで（７）、（７”）を
形成した。

即ち、本発明は素子の相互配線の１層または多層配線を
超電導材料で形成した。さらに外部引き出電極はその密
着性をよくするため金属パッドを設けこれを用いた。も
ちろんこの外部引き出し電極との密着性を向上できる場
合はこのパッド部も超電導材料を用いてもよい。

「実施例２」 第２図は本発明の他の実施例を示す。

図面はＣ／Ｉ’ｌＯＳ　（相補型ＩＧＩ’ＥＴ）の部分
のみ拡大して示したものである。

図面は熱アニールに十分耐え得るシリコン半導体基板（
１）を用いた。さらにＰ型井戸（１５）を埋置して酸化
珪素（１１）を設け、一方のＩＧＦＥＴ　（２０）はゲ
イト電極（１２）、ソース（１３）、ドレイン（１４）
をＰチャネルＩＧＦＥＴとして設けた。他方のＩＧＦＥ
Ｔ＜２１）　　はゲイト電極（１２’）　、ソース（１
３’）　、ドレイン（１４’）として設け、Ｎチャネル
型ＩＧＦＥＴとした。ゲイト電極（１２）　、　（１２
’　）は多結晶シリコンまたはシリサイドとし、これら
の連絡その他の相互配線（５）　、　（７）を実施例１
と同様の超電導材料で形成した。

この実施例において超電導セラミックス（５）の下面の
絶縁膜（６）においてセラミックスに密接する側は少な
くとも非酸化物材料特に窒化珪素または炭化珪素よりな
っている。またこの超電導材料（５）の上面を覆って他
の絶縁材料（６゛）も非酸化物材料により設けている。

またこの層間絶縁膜（６゛）もその上の他の超電導材料
（７）の下面に密着し、耐熱性非酸化物材料よりなって
いる。

この超電導材料を気相法等で作り、下側基板に設けられ
たアクティブ素子に対し何らの損傷を与えない場合はゲ
イト電極も超電導材料で形成してもよい。

本発明の実施例においては窒化珪素を主として示した。

しかし他の窒化物であるＡＩＮ、　ＴｉＮ等を用いても
よい。また炭化物であるＳｉＣ，ＴｉＣ等を用いてもよ
い。本発明は酸化物セラミックスの長時間の焼成の際、
下地材料と１０００Å以下の厚さしかないため、互いが
化合または混合しあわない耐熱性の非酸化物であること
が重要である。

「効果」 本発明によりこれらを半導体装置を室温ではなく、冷却
して形成する場合において実用化が初めて可能となった
。

特に半導体は液体窒素温度に冷却することにより周波数
特性を向上させることができる。そして他方、低温にす
ることにより抵抗が増してしまう金属を用いることなく
、本発明は超電導材料を用いた。しかもかかる超電導材
料が有効が用いられるべくその下面に接する絶縁材料は
非酸化物材料とした。

そのため、本発明の技術思想を発展させることにより、
１６Ｍ〜ＩＧビット等の超々ＬＳＩに対する応用も可能
となった。

本発明において、半導体はシリコンではな（ＧａＡｓ等
の化合物半導体であってもよい。またシリコン半導体上
にＧａＡｓ等のｍ−ｖ化合物半導体をヘテロエピタキシ
ャル成長をせしめ、この半導体薄膜を用いてもよい。か
くすることにより超高速動作を指せることが可能となる
。しかしアニールの温度を下げ、アニール中に半導体基
板を劣化しないように工夫する必要がある。

本発明は超電導材料を銅の酸化物の超電導材料とした。

しかし微細パターンができる他の超電導材料を用いるこ
とも有効である。

本発明において、基板としてはアクティブ素子が設けら
れた半導体材料と、その上面に非酸化物材料が設けられ
たものを用いた。しかしこの基板としてＹＳＺ（イット
リューム・スタビライズド・ジルコン）等の熱膨張係数
の概略同一のセラミック材料を用い、その上面に５０〜
５０００人の厚さの窒化珪素膜を用いたものを基板とし
てもよい。すると熱膨張係数を合わせられるため作りや
すい。しがし他方、かかる材料を用いる場合はアクティ
ブ素子は別途膜けられなければならず、超高集積回路化
も成就しにくいという欠点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造工程を示す。 第２図は本発明の他の実施例を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上にセラミック材料の超電導体を設けるに際し
   、該超電導体の下面は非酸化物材料に密接して設けられ
   たことを特徴とする超半導体装置。 ２、半導体基板内に複数の半導体素子を設けるともに、
   前記半導体素子間または前記半導体素子と外部電気信号
   の入力および出力端子との電気的連結をセラミック材料
   の超電導体を用いて連結するとともに、前記超電導体の
   下面は非酸化物材料に密接して設けられたことを特徴と
   する超電導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、非酸化物材料は窒
   化物材料よりなることを特徴とする超半導体装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、非酸化物材料は炭
   化物材料よりなることを特徴とする超電導体装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、セラミック材料の
   超電導体は元素周期表におけるIIａ族およびIIIａ族の
   元素を含む銅酸化物よりなることを特徴とする超半導体
   装置。