專利名稱：制作超導圖案的方法
技術領域：
本發明涉及一種制作超導圖案的方法。
除了努力使集成電路更密集外，還要求工作速率高。電路的精細結構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。由于這個原因，如果半導體器件在液態氮的沸點下被驅動，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，結果，可以改善頻率特性。
例如根據約瑟夫森(Josephson)效應工作的存儲器的約瑟夫森器件被稱為超導電子器件。在這種器件中，可以進行與約瑟森效應相關的開關運作。
圖1中示出了這樣一種器件的實例的示意圖。這種器件包括毗鄰襯底21內形成的超導區的超導膜24，勢壘膜23則位于超導區和超導膜之間。這種器件的優點具有在很高頻率下的工作性能。可是，這種類型的超導陶瓷中所含的氧比例往往會被降低。
因此，本發明的一個目的是提供一種有效地制作超導圖案的方法。
本發明的另一個目的是提供一種以高產量制作超導圖案的方法。
為了達到上述和其他的目的及優點，通過在陶瓷超導體內添加一種元素而形成一些非超導區，這種元素的作用是妨礙陶瓷的超導結構，且使其絕緣。非超導區經過熱退火或燒制。當在表面上形成超導薄膜時，晶體薄膜中的(a，b)平面平行于下表面而排列，因為沿那個平面流過的電流，其密度可達沿該平面正交方向電流的100倍。
為了把超導結構轉變成絕緣的非超導結構而要被加到超導陶瓷的一些元素的最佳實例是Si，Ge，B，Ga，P，Ta，Mg，Be，Al，Fe，Co，Ni，Cr，Ti，Mn，Zr。根據本發明所用的超導陶瓷材料的最佳實例可由化學計量分子式(A1-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。當上述元素加到這種類型的超導陶瓷時，礙超導的非超導陶瓷(下文稱為非超導陶瓷)可由化學計量分子式〔(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，Fe，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的1-25%，尤其是就鎂和鋁來說，這個比例可以是1-10原子%，例如5-10原子%。非超導陶瓷中礙超導元素的總濃度約為5×1018至6×1021cm-3。由于超導陶瓷的超導特性對其組分的比例甚為敏感，礙超導元素可從超導陶瓷組分中選出。當超導組分被用作礙超導元素時，這些附加元素的總濃度為5×1019至5×1022cm-3。
圖1是表示先有技術超導器件的示意圖。
圖2(A)至2(C)是表示根據本發明的第一，第一和第三實施例的剖視圖。
圖3是表示根據本發明的器件的電流電壓特性的曲線圖。
圖4(A)至4(C)是表示根據本發明的第四，第五和第六實施例的剖視圖。
現在參照圖2(A)至2(C)，說明根據本發明的超導器件。
圖2(A)中所示的器件包括具有不導電上表面的襯底1，例如YSZ(氧化釔穩定的鋯石)襯底，一對超導區3和5，一個在超導區3和5之間的居中勢壘膜4，在超導區3和5相對端處的絕緣膜20，在超導3和5的窗孔11-1和11-2處形成上層鈍化膜11，以及與超導區3和5電接觸的電極8和9。
現在描述制造這種器件的一種示范性方法。首先，利用絲網印制，濺射，MBE(分子束外延生長)，CVD化學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材料成分相一致。與此同時或其后，陶瓷氧化物在600-950℃溫度下熱退火5-20小時，然后逐漸冷卻。根據實驗，所測得的臨界溫度例如為91°k。
勢壘膜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添加達5×108-6×1021cm-3的諸如鋁或鎂的一種礙超導元素，舉例說，2×1020cm-3。這種離子注入是在50-2000v的加速電壓，用光刻膠掩膜復蓋超導區3和5的情況下進行，使得勢壘膜4和絕緣膜20變成“非超導的”。勢壘膜4的橫向寬度不寬于1000
，以允許隧道電流橫向流過。
絕緣陶瓷的鈍化膜11具有與下層的超導陶瓷膜相似的成分，該鈍化膜形成于結構上，接著在300-950℃(例如700℃)溫度下的氧化氣氛中氧氣，其目的是要把結構若干種膜接合在一起，以及補償表面區域的氧比例。以同樣方式或者是利用一種礙超導的成分使鈍化膜11礙超導。這種礙超導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，形成分別與超導區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行，圖3是根據本發明的器件的電壓-電流特性的實例。
在以上實例中，勢壘膜4和絕緣膜20中的礙超導元素的密度是相同。可是，膜4和20可以通過單獨進行離子注入而形成，以便勢壘膜的密度為0.1-20原子%，這個密度是絕緣膜密度的1/10-1/5，例如1/5。
參照圖2(B)，說明本發明的第二實施例。這個實施例與上文的實施例近乎相同，只是控制電極10形成于勢壘膜4的上方，絕緣膜11則處于控制電極10和勢壘膜4之間。流過勢壘膜4的電流由控制電極10施加的電壓所控制。在這個實施例中，勢壘膜4可以是超導的。在這種情況下，應該選擇器件的工作溫度，使得超導勢壘膜4處在超導態和非超導態之間的中間態。亦即是在從起始溫度Tc與Tco的范圍內選擇溫度。在88年3月14日提交的NO.167，987美國專利申請中，本申請人已將該器件的作用作了描述。
參照圖2(C)，說明第三實施例。這個器件，除了配置了一個下層控制電極10′外與第二實施例近乎相同。由上層控制膜10和下層控制膜10′夾住勢壘膜4。
圖4(A)至4(C)分別是圖2(A)至2(C)中所示的以上諸實施例改型。除了以下詳細說明的情況之外，這些實施例都是以基本相同的方式構成的。
圖4(A)是表示本發明第四實施例的剖視圖。襯底1″是硅半導體襯底的一部分，集成電路就形成在硅半導體襯底內。通過復蓋陶瓷氧化膜1′使襯底1″的上表面不導電。在以相同的方式在襯底上絕緣形成超導區3和5，勢壘膜4和絕緣膜20之后，形成一層超導陶瓷氧化膜40，并且除了連接部分8′和9′之外，通過在其上添加礙超導元素使氧化膜40局部非超導。此外，在這種膜結構上形成超導陶瓷膜50，然后除了電極8和9之外損壞該超導結構。雖然制作過程與上文諸實施例的制作過程基本上相對應，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，以避免由超導電機8和9的氧含量引起硅半導體氧化。
參照圖4(B)，說明本發明的第五實施例。除了控制電極10由形成于勢壘膜4上的超導陶瓷制成、絕緣膜11處于控制電極10和勢壘膜4之間外，這個實施例與第四實施例近乎相同。流過勢壘膜4的電流由控制電極10施加的電壓所控制。在這個實施例中，勢壘膜4可以是超導的。應該選擇器件的工作溫度，使得超導勢壘膜4處于超導態和非超導態之間的中間態。亦即是從起始溫度Tc與Tco的范圍內選擇溫度。
參照圖4(C)，說明第六實施例。除了配置下層控制電極10′之外，這種器件與第五實施例近乎相同。勢壘膜4被夾在上層控制電極10和下層控制電極10′之間。
根據本發明所用的超導陶瓷也可以按照化學計量分子式(A1-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，根據本發明所用的超導陶瓷也可以按照化學計量分子式(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樣品被測得為40-60°K，這并不那么高。用依照化學計量分子式Bi4Sr4Ca2Cu4Ox和Bi2Sr3Ca2Cu2Ox的樣品獲得了較高的臨界溫度。表示氧比例的數字x為6-10，例如約為8.1。這些化學材料可用絲網印制，真空蒸發或化學汽相淀積方法制成。
盡管對若干實施例已經作了描述，但是本發明應該只受所附權利要求書的限制，而不應該受幾個特定實施例的限制。例如，本發明可應用于超導量子干涉器件，甚大規模集成電路和超大規模集成電路。根據本發明的超導陶瓷可以具有單晶或多晶結構。
權利要求
1.一種制作超導圖案的方法包括形成一種與所需成分一致的陶瓷薄膜，以在一不導電襯底表面上具有超導特性；以及對該陶瓷薄膜進行熱處理，使其形成一種超導結構，它的C平面平行于所述陶瓷薄膜的表面；其特征在于除了使第二部分根據規定圖案成為超導區之外，將一種礙超導元素加到所述陶瓷膜的第一部分，以使所述成分變成與超導區不相一致的成分；所述第一部分包括與所述第二部分相鄰的分隔區，它以勢壘膜形式存在于兩部分之間，所說勢壘膜具有一個允許隧道電流通過的厚度；以及所述陶瓷薄膜的上表面覆有一層鈍化膜。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于它還包括在所述絕緣陶瓷氧化膜上形成一上層超導圖案，所述上層超導圖案與所述第一部分和第二部分接觸，所述超導圖案包括兩個分別與所述第一部分和第二部分接觸的引線電極，以及一個位于所述勢壘膜之上的控制電極，勢壘膜與控制電極之間有一鈍化膜;其中的所述引線電極和/或控制電極是通過形成一超導薄膜和除所述引線電極和/或控制電極外阻礙一部分超導薄膜而制成的。
全文摘要
描述了一種約瑟夫森器件的制造方法。在一非導電表面上淀積一層超導陶瓷薄膜，且該局部礙超導的陶瓷薄膜，形成分隔兩個超導區的勢壘膜。這種礙超導效應是采用離子注入技術將一種礙超導元素加入陶瓷膜而進行的。
文檔編號H01L39/22GK1052574SQ9110027
公開日1991年6月26日 申請日期1988年9月7日 優先權日1987年9月7日
發明者山崎舜平 申請人:株式會社半導體能源研究所