NL9402037A - Werkwijze voor het vervaardigen van een hoogtemperatuur supergeleidende veldeffekttransistor met een dikke supergeleidende kanaallaag. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze voor het vervaardigen van een hoog- temperatuur supergeleidende veldeffekttransistor meteen dikke supergeleidende kanaallaag.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op eenwerkwijze voor het maken van een hoog-temperatuursupergeleidende veldeffekttransistor met een dikkesupergeleidende kanaallaag.

In het algemeen wordt een supergeleidende transistor opruime schaal toegepast als een actieve inrichting, met alskarakteristieken een hoge rekensnelheid, een hoge gegevens-verwerkingssnelheid en een laag verbruik aan energie, en welkekan worden opgenomen in een signaalverwerkend apparaat, zoalseen systeem voor het verwerken van videosignalen, eenwerkstation met hoge prestaties, een systeem voor hetverwerken van satellietsignalen, een supercomputer, endergelijke.

De uitvinding beoogt een bekende supergeleidendeveldeffekttransistor te verbeteren.

Meer in het bijzonder beoogt de onderhavige uitvindingeen werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van eenhoog-temperatuur supergeleidende veldeffekttransistor met eendikke supergeleidende kanaallaag waarin de dikte van desupergeleidende kanaallaag ongeveer zes maal zo dik is als dievan een bekende supergeleidende veldeffekttransistor, en tochgebruikt kan worden als een kanaal daarvan.

Meer in het bijzonder beoogt de onderhavige uitvindingeen werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van eenhoog-temperatuur supergeleidende veldeffekttransistor welkeeen relatief dikke supergeleidende kanaallaag heeft invergelijking met die van de bekende veldeffekttransistorteneinde de opbrengst van transistoren te verbeteren.

Voor het bereiken van deze doelstellingen omvat dewerkwijze voor het vervaardigen van een hoog-temperatuursupergeleidende veldeffekttransistor met een dik supergeleidend kanaal volgens de onderhavige uitvinding destappen van: het verschaffen van een oxydekristalsubstraat; het neerslaanvan een sjabloonlaag op een hoofdvlak van het oxydekristal¬substraat; het vormen van een YBa2Cu307-x laag op de sjabloon¬laag; het vormen van een patroon in de YBa2Cu307-x laag om eenvan een patroon voorziene YBa2Cu307-x laag te vormen met daarineen opening, en een oppervlakgedeelte van de sjabloonlaagbloot te leggen; het neerslaan van een YBa2Cu307-x kanaallaagop het oppervlakgedeelte van de sjabloonlaag en over de vaneen patroon voorziene YBa2Cu3C>7-x laag, welke YBa2Cu3(>7-xkanaallaag een dikte heeft van 60 tot 100 ran; het opeenvolgendvormen van een beschermende SrTi03 laag en een isolerendeSrTiC>3 laag op de YBa2Cu307-x kanaallaag; het droogetsen vanruggedeelten van de isolerende en beschermende lagen ondergebruikmaking van een etsmasker teneinde oppervlakgedeeltenvan de YBa2Cu307-x kanaallaag bloot te leggen; het vormen vansource/drain-elektroden op beide oppervlakgedeelten van deYBa2Cu307-x kanaallaag en het vormen van een poortelektrode opde isolerende SrTiÜ3 laag in de opening.

in een voorkeursuitvoeringsvorm bestaat het oxydekristal¬substraat uit één van de materialen van een oxyde-klasse vansupergeleiders, zoals SrTiC>3, LaAlC>3, MgO, NdGa03, LaSrAl04, enLaSrGa04, waarbij genoemde sjabloonlaag bestaat uit PrBa2Cu3C>7 - X ·

In een uitvoeringsvorm omvat de werkwijze verder de stapvan het bevestigen van het oxydekristalsubstraat aan eensubstraatverwarmingsplaat van een pulslaser-neerslagapparaatonder gebruikmaking van een zilverpasta.

In een uitvoeringsvorm wordt de stap van het neerslaanvan de sjabloonlaag uitgevoerd in het temperatuurgebied van600 °C tot 650 °C, en onder een zuurst of druk van ongeveer 100mTorr teneinde de sjabloonlaag met een dikte van 50 tot 200 nmte vormen.

In een uitvoeringsvorm wordt de stap van het vormen van deYBa2Cu307-x laag uitgevoerd in het temperatuurgebied van 7 20 °Ctot 780 °C, en onder een zuurstofdruk van ongeveer 100 mTorr teneinde de YBa2Cu307-x laag met een dikte van ongeveer 500 nmte vormen.

In een uitvoeringsvorm wordt de stap van het neerslaanvan de YBa2Cu307-x kanaallaag uitgevoerd in hettemperatuurgebied van 7 20 °C tot 7 80 °C, en onder eenzuurstofdruk van 100 mTorr, en wordt de stap van het vormenvan de isolerende laag uitgevoerd in het temperatuurgebied van650 °C tot 7 50 °C, waarbij genoemde beschermende laag eendikte heeft van 10 tot 50 nm en genoemde isolerende laag eendikte heeft van 100 tot 500 nm.

In een uitvoeringsvorm wordt, tijdens het uitvoeren vande stap van het vormen van de beschermende SrTi03 laag, deYBa2Cu307-x kanaallaag tussen de beschermende SrTi03 laag enhet oppervlakgedeelte van de sjabloonlaag gespannen door eenspanning om veranderd te worden naar een spanningsveranderdelaag.

In een uitvoeringsvorm wordt, tijdens het uitvoeren vande stap van het vormen van de YBa2Cu307-x laag, de YBa2Cu3<>7-xlaag gegroeid op een dusdanige manier dat de a-as van deYBa2Cu307-x laag loodrecht staat op het substraat door middelvan de sjabloonlaag.

Aangezien de volgens de werkwijze van de onderhavigeuitvinding vervaardigde supergeleidende FET in vergelijkingmet bekende supergeleidende FET's een relatief zeer dikkeYBa2Cu307.x laag heeft van 60 nm of meer, welke kan dienen alseen kanaal, is het mogelijk om de opbrengst van super¬geleidende FET's in een produktielijn te verbeteren en om eeneigenschap van de supergeleidende FET te verbeteren.

De bovengenoemde en andere aspecten, kenmerken, doelen envoordelen van de onderhavige uitvinding zullen nader wordenverduidelijkt door de hierna volgende beschrijving van eenvoorkeursuitvoeringsvorm onder verwijzing naar de tekening,waarin: fig. 1 een dwarsdoorsnede toont van de constructie vaneen bekende supergeleidende veldeffekttransistor welke bestaatuit een drielaagsstructuur van metaal-isolator-supergeleider; fig. 2 een dwarsdoorsnede toont van de constructie vaneen andere bekende supergeleidende veldeffekttransistor welkbestaat uit een geïnverteerde drielaagsstructuur; en de figuren 3A t/m 3D dwarsdoorsneden tonen welke destappen voor het maken van een hoog-temperatuursupergeleidende veldeffekttransistor volgens eenuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding illustreren.

Fig. l toont een constructie van een bekendesupergeleidende veldeffekttransistor (in het hierna volgendeaangeduid als "FET") met een extreem dun supergeleidendkanaal. In fig. l omvat de bekende supergeleidende FET eensubstraat 11 dat uit YBa2Cu307-x bestaat, een uit een dunnesupergeleidende oxydelaag bestaand extreem dun supergeleidendkanaal 12 op het hoofdoppervlak van het substraat 11, en eenop het supergeleidende kanaal 12 gevormde isolatielaag 13. DeFET omvat verder source/drain-elektroden 15 en 16 welke vaneen metaal zijn gevormd op beide uiteinden van desupergeleidende kanaallaag 12, en een poortelektrode 14 welkevan een metaal is gevormd op de isolatielaag 13. In deze FET-structuur is de isolatielaag 13 gemaakt van SrTiC>3, en bestaathet supergeleidende kanaal 12 uit een hoog-temperatuursupergeleider. Deze supergeleidende FET bestaat uit eendrielaagsstructuur waarin opeenvolgend een metaallaag, eenisolatielaag, en een hoog-temperatuur supergeleidende laagzijn gevormd op het substraat 11, zoals beschreven in deEuropese octrooiaanvrage 0.533.519.

Fig. 2 toont een constructie van een andere bekendesupergeleidende FET met een geïnverteerde drielaagsstructuur.De supergeleidende FET van fig. 2 omvat een met Nb gedoteerdSrTiC>3 substraat 21, een op een hoofdvlak van het substraat 21gevormde platinalaag 22, en een boven de platinalaag 22gevormde supergeleidende kanaallaag 24, met daartussen eenisolatielaag 23. De supergeleidende FET van fig. 2 omvatverder metalen source/drain-elektroden 25 en 26 welke gevormdzijn op de supergeleidende kanaallaag 24 en elektrisch vanelkaar geïsoleerd zijn, en een poortelektrode 27 die gevormdis op het achtervlak van het substraat 21. Deze supergeleidende FET van fig. 2 heeft een geïnverteerdedrielaagsstructuur in vergelijking met de supergeleidende FETvan fig. 1, en is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift5.278.138.

Deze bekende supergeleidende FET's hebben echter hetserieuze probleem, dat het elektrische veldeffekt metverscheidene procenten is verlaagd aangezien als poort eenhoog-temperatuur supergeleidende film wordt gebruikt.

Ook kunnen in de bekende supergeleidende FET's geen hogeelektrische veldeffekten worden bereikt. Een van de redenendaarvoor is dat een uitra-dunne film met een dikte van 100A ofminder wordt gebruikt als de hoog-temperatuur supergeleidendekanaallaag van de FET. Bij de praktische vervaardiging van dehoog-temperatuur supergeleidende laag rijzen diverseproblemen.

Ten eerste, in het geval van het maken van een extreemdunne YBa2Cu307-x supergeleidende laag, deze verliest desupergeleidende karakteristieken daarvan aangezien desupergeleidende laag chemisch reageert met vocht in de luchten met grote snelheid uiteenvalt in ander materiaal.

Ten tweede, bij het vervaardigen van de supergeleidendetransistor wordt de chemische stabiliteit van een extreemdunne supergeleidende laag aanzienlijk verminderd aangezien erdiverse stappen van etsprocessen moeten worden uitgevoerd.

Ten slotte wordt de reproduktie van een supergeleidendelaag aanzienlijk verminderd wanneer de dikte van een extreemdunne supergeleidende laag verder wordt verminderd, aangeziener een limiet bestaat van een optimaal gebied vanf ilmvormingsomstandigheden.

Thans wordt verwezen naar fig. 3A, welke een oxyde-kristalsubstraat 30 toont, waarop een sjabloonlaag 32 en eenYBa2Cu307 -x laag 34 opeenvolgend zijn gevormd, waarna eenpatroonvormend proces wordt uitgevoerd. De vormende processenvan de sjabloonlaag 32 en de YBa2Cu307-x laag 34 kunnen wordenuitgevoerd in een pulslaser-neerslagapparaat zoals op ditgebied welbekend is.

Eerst wordt het oxydekristalsubstraat 30 onder gebruik¬making van bijvoorbeeld een zilverpasta bevestigd aan eensubstraatverwarmingsplaat in het pulslaser-neerslagapparaat.

In deze toestand wordt de sjabloonlaag 32 neergeslagen op eenhoofdvlak van het oxydekristalsubstraat 30, bij voorkeur bijeen temperatuur van 600 °C tot 650 °C en onder eenzuurstofdruk van ongeveer 100 mTorr. Als resultaat heeft desjabloonlaag 32 een dikte van 50 tot 200 nm. Hetoxydekristalsubstraat 30 kan bestaan uit één van de materialenvan een oxyde-klasse van supergeleiders, zoals SrTi03, LaAlC>3,Mgo, NdGaC>3, LaSrAl04, en LaSrGaC>4. De sjabloonlaag 32 kanbestaan uit PrBa2CU3C>7-x.

Het vormingsproces van de YBa2Cu307-x laag 34 wordt bijvoorkeur uitgevoerd in het temperatuurgebied van 720 °C tot780 °C, en onder een zuurstofdruk van ongeveer 100 mTorr,waardoor de YBa2Cu307 -x laag 34 een dikte heeft van ongeveer500 nm. Dan wordt door middel van een etsproces een opening 35gevormd, zoals getoond in fig. 3A, zodat de laag 34 een vaneen patroon voorziene YBa2Cu307-x laag 34 wordt. Door deopening 35 wordt een blootliggend oppervlakgedeelte van desjabloonlaag 32 gedefinieerd.

In deze uitvoeringsvorm is de sjabloonlaag 32 verschaftom de YBa2Cu307-x laag te laten groeien, waarvan de a-asloodrecht op het substraat komt te staan.

Vervolgens worden neerslagprocessen opeenvolgenduitgevoerd voor een YBa2Cu3C>7-x kanaallaag 36, een beschermendeSrTi03 laag 38 en een isolerende SrTi03 laag 40, zoals getoondin fig. 3B.

Eerst wordt het neerslagproces voor de YBa2Cu307-xkanaallaag 36 uitgevoerd. Daarbij wordt, bij voorkeur bij eentemperatuur in het gebied van 7 20 °C tot 7 80 °C en onder eenzuurstof druk van 100 mTorr, de YBa2Cu307-x kanaallaag 36 meteen dikte van 60 tot 100 nm gevormd. Vervolgens wordt debeschermende SrTiC>3 laag 38 met een dikte van'10 tot 50 nmneergeslagen op de YBa2Cu3(>7-x kanaallaag 36. Dan wordt hetneerslaan van de isolerende SrTi03 laag 40 uitgevoerd, bijvoorkeur in het gebied van 650 °C tot 7 50 °C. Deze isolatielaag 40 heeft een dikte van 100 tot 500 nm. Deresulterende structuur is getoond in fig. 3B.

in deze uitvoeringsvorm wordt, tijdens het uitvoeren vanhet neerslagproces van de beschermende SrTi03 laag 38, de bijeen grensvlak tussen de beschermende SrTi03 laag 38 en hetoppervlakgedeelte van de sjabloonlaag 32 gevormde YBa2Cu307-xkanaallaag gespannen door een spanning om veranderd te wordennaar een spanningsveranderde YBa2Cu307-x laag 36a.

Vervolgens wordt een droog-etsproces uitgevoerd, waardoorgedeelten van de isolerende en beschermende lagen weggeëtstworden, zoals getoond in fig. 3C. Bijvoorbeeld worden deisolerende en beschermende lagen selectief verwijderd ondergebruikmaking van een etsmasker. Als resultaat wordenoppervlakgedeelten van de YBa2Cu3(>7-x kanaallaag 36blootgelegd.

Ten slotte worden op beide blootgelegde oppervlak¬gedeelten van de YBa2Cu307-x kanaallaag 36 source/drain-elektroden 44 en 46 aangebracht, en, bij voorkeur tegelijker¬tijd, wordt een poortelektrode 42 aangebracht op de SrTi03isolatielaag 40 in de opening 35, zoals getoond in fig. 3D.Hiermee zijn de processen voor het maken van de hoog-temperatuur supergeleidende FET voltooid.

De YBa2Cu3<>7-x laag van de supergeleidende fet heeftsupergeleidende karakteristieken waarvan de eigenschapaanzienlijk is veranderd langs respectieve kristalassenvanwege de kristallijne structuur daarvan, welke ook eenspanningsafhankelijkheid heeft volgens de supergeleidendekarakteristieken welke bepaald wordt volgens asrichtingen.

In het geval dat een YBa2Cu3C>7-x laag wordt gegroeid opeen substraat op een zodanige manier, dat de a-as van deYBa2Cu307.x laag loodrecht staat op het oppervlak van hetsubstraat, beïnvloedt een trekspanning een gebied in denabijheid van een grensvlak daartussen vanwege rooster-misaanpassing daartussen en thermische expansie-coëfficiëntendaartussen, en daardoor worden veel puntfouten gegenereerd indat gebied. Aangezien deze puntfouten dienen alsverstrooiïngscentra, botsen supergeleidende elektronparen met de puntfouten en veroorzaken daardoor dat de supergeleidendeeigenschap verloren gaat in de YBa2CU307-x laag. Bijgevolgtreedt een dergelijke supergeleidende eigenschap niet op ineen gebied tot een dikte van ongeveer 25 nm vanaf hetoppervlak van de YBa2Cu3(>7-x laag, welke gebied door detrekspanning kan worden beïnvloed.

Zoals bovenbeschreven, als de supergeleidende FET wordtgefabriceerd volgens het bovengenoemde proces, heeft degespannen YBa2Cu3(>7-x kanaallaag een centraal gebied vanongeveer 10 tot 50 nm in dikte waarin de spanning volledigafwezig is, aangezien een spanningseffekt dat optreedt bij eengrensvlak tussen het substraat en de YBa2Cu307-x kanaallaagwaarvan de a-as loodrecht staat op het substraat, zelfsoptreedt in gebieden in de nabijheid van beide oppervlakkenvan YBa2Cu307-x kanaallaag.

Meer gedetailleerd, in de supergeleidende FET volgens deonderhavige uitvinding wordt de YBa2Cu307-x kanaallaag met eendikte van 60 tot 100 nm gevormd tussen het substraat en deSrTi03 lagen. Zelfs wanneer de YBa2Cu307~x kanaallaag wordtbeïnvloed door de spanning tot een diepte van ongeveer 25 nmgerekend vanaf elk oppervlak daarvan, waardoor de totalediepte van aldus beïnvloede oppervlakgebieden van de YBasCu^Cb-x kanaallaag ongeveer 50 nm bedraagt, heeft de YBa2Cu307-xkanaallaag een supergeleidend centrumgebied van 10 tot 50 nmin dikte waarin de spanning volledig geëlimineerd is.

Aangezien de volgens de werkwijze van de onderhavigeuitvinding vervaardigde supergeleidende FET een relatief dikkeYBa2Cu3<>7-x laag van 60 nm en meer kan hebben om te dienen alseen kanaal, is het in vergelijking met bekende supergeleidendeFET's mogelijk om de opbrengst aan supergeleidende FET’s ineen produktielijn te verbeteren en daarbij een eigenschap vande supergeleidende FET te verbeteren.

Het zal voor een deskundige duidelijk zijn dat diversemodificaties mogelijk zijn zonder af te wijken van de geest enomvang van de onderhavige uitvinding. Bijgevolg is het niet debedoeling dat de omvang van de bijgevoegde conclusies beperktwordt tot de voorgaande beschrijving maar dat de conclusies worden uitgelegd als omvattende al de kenmerken vanoctrooieerbare nieuwheid die in de onderhavige uitvindingaanwezig is, inclusief alle kenmerken die door deskundigenbehandeld zouden worden als equivalenten daarvan.

Claims (10)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een hoog-temperatuursupergeleidende veldeffekttransistor met een diksupergeleidend kanaal, welke werkwijze de stappen omvat van: het verschaffen van een oxydekristalsubstraat;het neerslaan van een sjabloonlaag op een hoofdvlak vanhet oxydekristalsubstraat; het vormen van een YBa2Cu307-x laag op de sjabloonlaag;het vormen van een patroon in de YBa2Cu307-x laag om eenvan een patroon voorziene YBa2Cu307-x laag te vormen met daarineen opening, en een oppervlakgedeelte van de sjabloonlaagbloot te leggen; het neerslaan van een YBa2Cu3<>7-x kanaallaag op hetoppervlakgedeelte van de sjabloonlaag en over de van eenpatroon voorziene YBa2Cu307~x laag, welke YBa2Cu307-x kanaallaageen dikte heeft van 60 tot 100 nm; het opeenvolgend vormen van een beschermende SrTi03 laagen een isolerende SrTi03 laag op de YBa2Cu307-x kanaallaag; het droogetsen van ruggedeelten van de isolerende enbeschermende lagen onder gebruikmaking van een etsmaskerteneinde oppervlakgedeelten van de YBa2Cu3C>7-x kanaallaag blootte leggen; het vormen van source/drain-elektroden op beideoppervlakgedeelten van de YBa2Cu307-x kanaallaag; en het vormen van een poortelektrode op de isolerende SrTi03laag in de opening.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, datgenoemd oxydekristalsubstraat bestaat uit één van dematerialen van een oxyde-klasse van supergeleiders.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, datgenoemde oxyde-klasse van supergeleiders omvat: SrTi03, LaA103/ MgO, NdGaC>3, LaSrAlC>4, en LaSrGa04.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, datgenoemde sjabloonlaag bestaat uit PrBa2Cu307-x.

5. Werkwijze volgens conclusie l, met het kenmerk, datgenoemde werkwijze verder de stap omvat van het bevestigen vanhet oxydekristalsubstraat aan een substraatverwarmingsplaatvan een pulslaser-neerslagapparaat onder gebruikmaking van eenzilverpasta.

6. Werkwijze volgens conclusie l, met het kenmerk, dat destap van het neerslaan van de sjabloonlaag wordt uitgevoerd inhet temperatuurgebied van 600 ° tot 650 °C, en onder eenzuurstofdruk van ongeveer 100 mTorr teneinde de sjabloonlaagmet een dikte van 50 tot 200 nm te vormen.

7. Werkwijze volgens conclusie l, met het kenmerk, dat destap van het vormen van de YBa2Cu307-x laag wordt uitgevoerd inhet temperatuurgebied van 7 20 °C tot 7 80 °C, en onder eenzuurstofdruk van ongeveer 100 mTorr teneinde de YBa2Cu307 -xlaag met een dikte van ongeveer 500 nm te vormen.

8. Werkwijze volgens conclusie l, met het kenmerk, dat destap van het neerslaan van de YBa2Cu307-x kanaallaag wordtuitgevoerd in het temperatuurgebied van 7 20 °C tot 7 80 °C, enonder een zuurstofdruk van 100 mTorr, en dat de stap van hetvormen van de isolerende laag wordt uitgevoerd in hettemperatuurgebied van 650 °C tot 7 50 °C, en dat genoemdebeschermende laag een dikte heeft van 10 tot 50 nm en datgenoemde isolerende laag een dikte heeft van 100 tot 500 nm.

9. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dattijdens het uitvoeren van de stap van het vormen van debeschermende SrTi03 laag, de YBa2Cu307-x kanaallaag tussen debeschermende SrTiC>3 laag en het oppervlakgedeelte van desjabloonlaag wordt gespannen door een spanning om veranderd teworden naar een spanningsveranderde laag.

10. Werkwijze volgens conclusie l, het het kenmerk, dattijdens het uitvoeren van de stap van het vormen van deYBa2Cu307-x laag, de YBa2Cu307-x laag wordt gegroeid op eendusdanige manier, dat de a-as van de YBa2Cu30v-x laag loodrechtstaat op het substraat door middel van de sjabloonlaag.