專利名稱：制作超導(dǎo)圖案的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作超導(dǎo)圖案的方法。
除了努力使集成電路更密集外，還要求工作速率高。電路的精細(xì)結(jié)構(gòu)引起了集成電路工作速度及其放熱部分可靠性下降的問題。由于這個(gè)原因，如果半導(dǎo)體器件在液態(tài)氮的沸點(diǎn)下被驅(qū)動(dòng)，電子和空穴的遷移率變成室溫下的遷移率的3-4倍那么快，結(jié)果，可以改善頻率特性。
例如根據(jù)約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)工作的存儲(chǔ)器的約瑟夫森器件被稱為起導(dǎo)電子器件。在這種器件中，可以進(jìn)行與約瑟森效應(yīng)相關(guān)的開關(guān)運(yùn)作。

圖1中示出了這樣一種器件的實(shí)例的示意圖。這種器件包括毗鄰襯底21內(nèi)形成的超導(dǎo)區(qū)的超導(dǎo)膜24，勢(shì)壘膜23則位于超導(dǎo)區(qū)和超導(dǎo)膜之間。這種器件的優(yōu)點(diǎn)具有在很高頻率下的工作性能?？墒牵@種類型的超導(dǎo)陶瓷中所含的氧比例往往會(huì)被降低。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種有效地制作超導(dǎo)圖案的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種以高產(chǎn)量制作超導(dǎo)圖案的方法。
為了達(dá)到上述和其他的目的及優(yōu)點(diǎn)，通過在陶瓷超導(dǎo)體內(nèi)添加一種元素而形成一些非超導(dǎo)區(qū)，這種元素的作用是妨礙陶瓷的超導(dǎo)結(jié)構(gòu)，且使其絕緣。非超導(dǎo)區(qū)經(jīng)過熱退火或燒制。當(dāng)在表面上形成超導(dǎo)薄膜時(shí)，晶體薄膜中的(a，b)平面平行于下表面而排列，因?yàn)檠啬莻€(gè)平面流過的電流，其密度可達(dá)沿該平面正交方向電流的100倍。
為了把超導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成絕緣的非超導(dǎo)結(jié)構(gòu)而要被加到超導(dǎo)陶瓷的一些元素的最佳實(shí)例是Si，Ge，B，Ga，P，Ta，Mg，Be，Al，F(xiàn)e，Co，Ni，Cr，Ti，Mn，Zr。根據(jù)本發(fā)明所用的超導(dǎo)陶瓷材料的最佳實(shí)例可由化學(xué)計(jì)量分子式(A-xBx)yCuzOw表示，式中A是周期表的Ⅲa族中一種或一種以上的元素，例如稀土元素或鑭系元素，B是一種或一種以上堿土金屬，即Ba，Sr和Ca，以及x＝0-1;y＝2.0-4.0，最好為2.5-3.5;z＝1.0-4.0，最好為1.5-3.5;和w＝4.0-10.0，最好為6.8-8.0。當(dāng)上述元素加到這種類型的超導(dǎo)陶瓷時(shí)，礙超導(dǎo)的非超導(dǎo)陶瓷(下文稱為非超導(dǎo)陶瓷)可由化學(xué)計(jì)量分子式〔(A′pA″1-p)1-x(B′qB″1-q)x〕y(curX1-r)zOw，式中A′是周期表的Ⅲa族中一種或一種以上的元素，例如稀土元素或鑭系元素，B′是一種或一種以上堿土金屬，即Ba，Sr和Ca，A″，B″和X則從由Mg，Be，Al，F(xiàn)e，Co，Ni，Cr，Ti，Mn和Zr組成的一組元素中選出，以及x＝0.1-1;y＝2.0-4.0，最好為2.5-3.5;z＝1.0-4.0，最好為1.5-3.5;和w＝4.0-10.0，最好為6.0-8.0。數(shù)字p，q和r被選為0.99至0.80，使得A″，B″和x的總比例為陶瓷材料原子數(shù)的1-25%，尤其是就鎂和鋁來說，這個(gè)比例可以是1-10原子%，例如5-10原子%。非超導(dǎo)陶瓷中礙超導(dǎo)元素的總濃度約為5×1018至6×1021cm-3。由于超導(dǎo)陶瓷的超導(dǎo)特性對(duì)其組分的比例甚為敏感，礙超導(dǎo)元素可從超導(dǎo)陶瓷組分中選出。當(dāng)超導(dǎo)組分被用作礙超導(dǎo)元素時(shí)，這些附加元素的總濃度為5×1019至5×1022cm-3。
圖1是表示先有技術(shù)超導(dǎo)器件的示意圖。
圖2(A)至2(C)是表示根據(jù)本發(fā)明的第一，第一和第三實(shí)施例的剖視圖。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的器件的電流電壓特性的曲線圖。
圖4(A)至4(C)是表示根據(jù)本發(fā)明的第四，第五和第六實(shí)施例的剖視圖。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2(A)至2(C)，說明根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)器件。
圖2(A)中所示的器件包括具有不導(dǎo)電上表面的襯底1，例如YSZ(氧化釔穩(wěn)定的鋯石)襯底，一對(duì)超導(dǎo)區(qū)3和5，一個(gè)在超導(dǎo)區(qū)3和5之間的居中勢(shì)壘膜4，在超導(dǎo)區(qū)3和5相對(duì)端處的絕緣膜20，在超導(dǎo)3和5的窗孔11-1和11-2處形成上層鈍化膜11，以及與超導(dǎo)區(qū)3和5電接觸的電極8和9。
現(xiàn)在描述制造這種器件的一種示范性方法。首先，利用絲網(wǎng)印制，濺射，MBE(分子束外延生長(zhǎng))，CVD化學(xué)汽相淀積和其他方法，在襯底1上形成一層陶瓷氧化膜，該氧化膜的成分與本說明書最后部分具體所述的超導(dǎo)材料成分相一致。與此同時(shí)或其后，陶瓷氧化物在600-950℃溫度下熱退火5-20小時(shí)，然后逐漸冷卻。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，所測(cè)得的臨界溫度例如為91°k。
勢(shì)壘膜4是在退火處理之前或之后形成的，其方法是利用離子注入技術(shù)添加達(dá)5×108-6×1021cm-3的諸如鋁或鎂的一種礙超導(dǎo)元素，舉例說，2×1020cm-3。這種離子注入是在50-2000v的加速電壓，用光刻膠掩膜復(fù)蓋超導(dǎo)區(qū)3和5的情況下進(jìn)行，使得勢(shì)壘膜4和絕緣膜20變成“非超導(dǎo)的”。勢(shì)壘膜4的橫向?qū)挾炔粚捰?000 ，以允許隧道電流橫向流過。
絕緣陶瓷的鈍化膜11具有與下層的超導(dǎo)陶瓷膜相似的成分，該鈍化膜形成于結(jié)構(gòu)上，接著在300-950℃(例如700℃)溫度下的氧化氣氛中氧氣，其目的是要把結(jié)構(gòu)若干種膜接合在一起，以及補(bǔ)償表面區(qū)域的氧比例。鈍化膜11是以同樣方式被礙超導(dǎo)或者是利用一種被礙超導(dǎo)的成分而形成的。這種礙超導(dǎo)元素在該氧化過程中被氧化。其次，在形成窗孔11-1和11-2之后，形成分別與超導(dǎo)區(qū)3和5歐姆接觸的引線電極8和9。電極8和9可以由超導(dǎo)陶瓷制成的。在這種情況下，電極的形成最好在退火處理以前進(jìn)行，圖3是根據(jù)本發(fā)明的器件的電壓-電流特性的實(shí)例。
在以上實(shí)例中，勢(shì)壘膜4和絕緣膜20中的礙超導(dǎo)元素的密度是相同?？墒?，膜4和20可以通過單獨(dú)進(jìn)行離子注入而形成，使得勢(shì)壘膜的密度為0.1-20原子%，這個(gè)密度是絕緣膜濃度的1/10-1/5，例如1/5。
參照?qǐng)D2(B)，說明本發(fā)明的第二實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例與上文的實(shí)施例近乎相同，只是控制電極10形成于勢(shì)壘膜4的上方，絕緣膜11則處于控制電極10和勢(shì)壘膜4之間。流過勢(shì)壘膜4的電流由控制電極10施加的電壓所控制。在這個(gè)實(shí)施例中，勢(shì)壘膜4可以是超導(dǎo)的。在這種情況下，應(yīng)該選擇器件的工作溫度，使得超導(dǎo)勢(shì)壘膜4處在超導(dǎo)態(tài)和非超導(dǎo)態(tài)之間的中間態(tài)。亦即是在從起始溫度Tc與Tco的范圍內(nèi)選擇溫度。在88年3月14日提交的NO.167，987美國專利申請(qǐng)中，本申請(qǐng)中人已將該器件的作用作了描述。
參照?qǐng)D2(C)，說明第三實(shí)施例。這個(gè)器件，除了配置了一個(gè)下層控制電極10′外與第二實(shí)施例近乎相同。由上層控制膜10和下層控制膜10′夾住勢(shì)壘膜4。
圖4(A)至4(C)分別是圖2(A)至2(C)中所示的以上諸實(shí)施例改型。除了以下詳細(xì)說明的情況之外，這些實(shí)施例都是以基本相同的方式構(gòu)成的。
圖4(A)是表示本發(fā)明第四實(shí)施例的剖視圖。襯底1″是硅半導(dǎo)體襯底的一部分，集成電路就形成在硅半導(dǎo)體襯底內(nèi)。通過復(fù)蓋陶瓷氧化膜1′使襯底1″的上表面不導(dǎo)電。在以相同的方式在襯底上絕緣形成超導(dǎo)區(qū)3和5，勢(shì)壘膜4和絕緣膜20之后，形成一層超導(dǎo)陶瓷氧化膜40，并且除了連接部分8′和9′之外，通過在其上添加礙超導(dǎo)元素使氧化膜40局部非超導(dǎo)。此外，在這種膜結(jié)構(gòu)上形成超導(dǎo)陶瓷膜50，然后除了電極8和9之外損壞該超導(dǎo)結(jié)構(gòu)。雖然制作過程與上文諸實(shí)施例的制作過程基本上相對(duì)應(yīng)，但是可以與集成電路相連接的電極8和/或9不必在不低于400℃溫度下給以熱處理，以避免由超導(dǎo)電機(jī)8和9的氧含量引起硅半導(dǎo)體氧化。
參照?qǐng)D4(B)，說明本發(fā)明的第五實(shí)施例。除了控制電機(jī)10由形成于勢(shì)壘膜4上的超導(dǎo)陶瓷制成、絕緣膜11處于控制電機(jī)10和勢(shì)壘膜4之間外，這個(gè)實(shí)施例與第四實(shí)施例近乎相同。流過勢(shì)壘膜4的電流由控制電機(jī)10施加的電壓所控制。在這個(gè)實(shí)施例中，勢(shì)壘膜4可以是超導(dǎo)的。應(yīng)該選擇器件的工作溫度，使得超導(dǎo)勢(shì)壘膜4處于超導(dǎo)態(tài)和非超導(dǎo)態(tài)之間的中間態(tài)。亦即是從起始溫度Tc與Tco的范圍內(nèi)選擇溫度。
參照?qǐng)D4(C)，說明第六實(shí)施例。除了配置下層控制電極10′之外，這種器件與第五實(shí)施例近乎相同。勢(shì)壘膜4被夾在上層控制電極10和下層控制電極10′之間。
根據(jù)本發(fā)明所用的超導(dǎo)陶瓷也可以按照化學(xué)計(jì)量分子式(A-xBx)yCuzOw來制備，式中A是周期表的Ⅲa中一種或一種以上的元素，例如稀土元素，B是周期表的Ⅱa族中一種或一種以上的元素，例如包括鈹和鎂的堿土金屬，以及x＝0-1;y＝2.0-4.0，最好為2.5-3.5;z＝1.0-4.0，最好為1.5-3.5;和w＝4.0-10.0，最好為6.0-8.0。此外，根據(jù)本發(fā)明所用的超導(dǎo)陶瓷也可以按照化學(xué)計(jì)量分子式(A1-xBx)yCuzOw來制備，式中A是周期表的Ⅴb族中一種或一種以上的元素，諸如Bi，Sb和As，B是周期表的Ⅱa族中一種或一種以上的元素，例如包括鈹和鎂的堿土金屬，以及x＝0.3-1;y＝2.0-4.0，最好為2.5-3.5;z＝1.0-4.0最好為1.5-3.5;和w＝4.0-10.0，最好為6.0-8.0。這種總分子式的實(shí)例是BiSrCaCu3Ox和Bi4Sr3Ca3Cu4Ox。按照分子式Bi4SryCa3Cu4Ox(y約為1.5)的起始溫度Tc與Tco樣本被測(cè)得為40-60°K，這并不那么高。用依照化學(xué)計(jì)量分子式Bi4Sr4Ca2Cu4Ox和Bi2Sr3Ca2Cu2Ox的樣本獲得了較高的臨界溫度。表示氧比例的數(shù)字x為6-10，例如約為8.1。這些化學(xué)材料可用絲網(wǎng)印制，真空蒸發(fā)或化學(xué)汽相淀積方法制成。
盡管對(duì)若干實(shí)施例已經(jīng)作了描述，但是本發(fā)明應(yīng)該只受所附權(quán)利要求書的限制，而不應(yīng)該受幾個(gè)特定實(shí)施例的限制。例如，本發(fā)明可應(yīng)用于超導(dǎo)量子干涉器件，甚大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)陶瓷可以具有單晶或多晶結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種制作超導(dǎo)圖案的方法包括。形成一種與所需成分一致的陶瓷膜，以具有在一不導(dǎo)電表面上的超導(dǎo)特性；以及形成一種超導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過給予其以熱處理，使它的C平面平行于所述陶瓷膜的表面；其特征在于將一種礙超導(dǎo)元素加到所述陶瓷膜的第一部分，用以除了使第二部分成為根據(jù)規(guī)定圖案的超導(dǎo)區(qū)之外，將所述成分變成與超導(dǎo)結(jié)構(gòu)不相一致的成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述第一部分是由若干隔開的毗鄰區(qū)組成的，所述第二部區(qū)以一勢(shì)壘膜的形式處于所述區(qū)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述勢(shì)壘膜的厚度是這樣的，使得隧道電流能橫向流過。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述礙超導(dǎo)元素的添加是采用離子注入技術(shù)而進(jìn)行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述表面是一種氧化釔穩(wěn)定的鋯石襯底的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述表面是通過用一種絕緣陶瓷氧化膜涂復(fù)硅半導(dǎo)體襯底而形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述陶瓷膜的上表面被一層絕緣氧化膜所復(fù)蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于還包括在所述絕緣陶瓷氧化膜上形成一種上超導(dǎo)圖案的工序。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于形成的所述上超導(dǎo)圖案與所述第一部分和所述第二部分相接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述上超導(dǎo)圖案包括分別與所述第一部分和第二部分相接觸的兩個(gè)引線電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于所述上超導(dǎo)圖案還包括一個(gè)位于所述勢(shì)壘膜正上方的控制電極，所述絕緣膜處在所述勢(shì)壘膜和所述控制電極之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于通過形成一超導(dǎo)膜，且除了所述引線電極和/或控制電極以外，使該超導(dǎo)膜的一部分不超導(dǎo)而制成所述引線電極和/或所述控制電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于超導(dǎo)特性所需要的所述成分是按照化學(xué)計(jì)量分子式(A1-xBx)yCurOw而選取的，式中A是周期表的Ⅲa族中一種或一種以上的元素，例如稀土元素或鑭系元素，B是一種或一種以上堿土金屬，亦即是Ba，Sr和Ca，以及x＝0-1;y＝2.0-4.0，z＝1.0-4，0和w＝4.0-10.0。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于所述礙超導(dǎo)元素是從由Si，Ge，B，Ga，P，Ta，Mg，Be，Al，F(xiàn)e，Co，Ni，Cr，Ti，Mn和Zr組成的一組元素中選出的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述被礙超導(dǎo)的陶瓷膜的成分與化學(xué)計(jì)量分子式[(A′pA″1-p)1-x(B′qB″1-q)x]y(CurX1-r)zOw相一致，式中A′是周期表Ⅲa族中一種或一種以上的元素，例如稀土元素或鑭系元素，B′是一種或一種以上堿土金屬，亦即是Ba、Sr和Ca，A″，B″和X是至少一種所述礙超導(dǎo)元素，以及X＝0.1-1;y＝2.0-4.0;2.5-3.5;z＝1.0-4.0和w＝4.0-10.0。
全文摘要
描述了一種約瑟夫森器件的制造方法。在一非導(dǎo)電表面上淀積一層超陶瓷膜，且該局部锝超導(dǎo)的陶瓷膜，以形成分隔兩個(gè)超導(dǎo)區(qū)的勢(shì)壘膜。這種锝超導(dǎo)是采用離子注入技術(shù)將一種锝超導(dǎo)元素加入陶瓷膜而進(jìn)行的。
文檔編號(hào)C30B29/22GK1031911SQ8810659
公開日1989年3月22日 申請(qǐng)日期1988年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月7日
發(fā)明者山崎舜平 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所