DE68919081T2

DE68919081T2 - Einkristallscheibe mit darauf geformter supraleitender keramischer Dünnschicht.

Info

Publication number: DE68919081T2
Application number: DE68919081T
Authority: DE
Inventors: Tadashi C/O Chuo Kenkyusho Mitsubishi Ohmiya-Shi Saitama-Ken Sugihara; Takuo C/O Chuo Kenkyusho Mitsubish Ohmiya-Shi Saitama-Ken Takeshita
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1989-07-19
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2009-08-12
Also published as: DE68919081D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einkristall-Wafer mit einer darauf gebildeten supra-leitenden keramischen Dünnschicht für Halbleitervorrichtungen, wie LSI's und Josephson-Vorrichtungen.
In üblicher Weise wurden bereits Versuche unternommen, als Material für Halbleitervorrichtungen, wie LSI's und Josephson- Vorrichtungen eine Einkristall-Wafer mit einer darauf gebildeten supra-leitenden keramischen Dünnschicht zu verwenden, hiernach als "Wafer mit supra-leitender Dünnschicht" bezeichnet, welche hergestellt wird, indem man eine supra-leitende keramische Dünnschicht (hiernach bezeichnet als "eine supra-leitende Dünnschicht") herstellt, welche als eine Hauptphase eine kristalline Phase mit einer Zusammensetzung nach Atomverhältnis aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;O&sub8; und Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub1;&sub0;, und die auf einer Oberfläche einer aus Si, Ga-As oder dergleichen gebildeten Einkristall-Wafer durch Sputtern oder PVD (physikalische Dampfabscheidung) unter Verwendung eines Targets hergestellt wird, das nach seiner Zusammensetzung nach Atomverhältnis ausgewählt ist aus Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub3;O&sub1;&sub0; und Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub4;O&sub1;&sub2; ,und dann die erhaltene Wafer einer Wärmebehandlung in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 890 ºC ± 2 ºC während 20 bis 50 Stunden unterwirft, um die kristalline Orientierung der Dünnschicht zu erhalten.
Es wurden auch Versuche unternommen, als Material für Halbleitervorrichtungen, wie LSI'S und Josephson-Vorrichtungen eine Wafer mit supra-leitender Dünnschicht zu verwenden, die hergestellt wird, indem man eine supra-leitende Dünnschicht, die als Hauptphase eine kristalline Phase mit einer Zusammensetzung nach Atomverhältnis ausgewählt aus Tl&sub2;Ba&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;O&sub8;, Tl&sub2;Ba&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub1;&sub0;, Tl&sub1;Ba&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;O&sub7;, Tl&sub1;Ba&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub9; und Tl&sub1;Ba&sub2;Ca&sub3;Cu&sub4;O&sub1;&sub1; aufweist, auf einer Oberfläche einer aus Si, Ga-As oder dergleichen gebildeten Einkristall-Wafer durch Sputtern oder PVD (Physikalische Dampf-Abscheidung) unter Verwendung eines Targets bildet, das eine Zusammensetzung nach Atomverhältnis von Tl&sub2;Ba&sub2;Ca&sub1;Cu&sub3;O&sub1;&sub0;, Tl&sub2;Ba&sub2;Ca&sub2;Cu&sub4;O&sub1;&sub2;, Tl&sub1;Ba&sub2;Ca&sub1;Cu&sub3;O&sub8;, Tl&sub1;Ba&sub2;Ca&sub2;Cu&sub4;O&sub1;&sub0; oder Tl&sub1;Ba&sub2;Ca&sub3;Cu&sub5;O&sub1;&sub2; hat, und dann die erhaltenen Wafer einer Wärmebehandlung in einem Infrarot-Ofen in einer Tl enthaltenden Dampf-Atmosphäre mit einer Temperatur von 900 ºC ± 2 ºC während 10 bis 30 Minuten und anschließendes Abschrecken unterwirft, um die Kristallorientierung der Dünnschicht zu erhalten.
Es ist auch bekannt, beispielsweise aus EP-A-0 301 525 und einem Aufsatz "Formation of Y-Ba-Cu-O Superconducting Thin Films on Semiconductor Substrates" (Extended Abstracts of the 20th (1988) International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 1988, Seiten 427 bis 430), eine supra-leitende Dünnschicht mit einer hohen kritischen Temperatur von guter Qualität zu bilden, indem man eine kristalline Beschichtung, wie eine CaF&sub2;-Schicht, auf einer Oberfläche eines Einkristall-Wafer- Substrats aus Silicium oder Ga-As bildet und anschließend mittels eines Dünnschicht-Verfahrens, wie Sputtern, darauf eine supra-leitende Dünnschicht auf Y-Ba-Cu-O-Basis bildet.
Inzwischen besteht ein steigender Bedarf nach einer supra-leitenden Dünnschicht, die auf einer Einkristall-Wafer gebildet werden soll und eine noch höhere kritische Temperatur (Tc) hat, bei welcher die Schicht Supraleitung zeigt, um Anforderungen durch die neuerdings höhere Leistung und höhere Verdrahtungsdichte von Halbleitervorrichtungen zu erfüllen.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wafer mit darauf gebildeter supra-leitender Dünnschicht, die eine höhere kritische Temperatur (Tc) hat, bereitzustellen.
Um dieses Ziel zu erreichen, schafft die Erfindung eine Einkristall-Wafer mit supra-leitender keramischer Dünnschicht, welche aufweist:
eine Einkristall-Wafer;
eine keramische Dünnschicht-Zwischenschicht, die auf einer Oberfläche der Einkristall-Wafer gebildet ist; und
eine supra-leitende keramische Dünnschicht, die auf der keramischen Dünnschicht-Zwischenschicht gebildet ist, wobei die keramische Dünnschicht-Zwischenschicht als eine Hauptphase eine kristalline Phase mit einer Zusammensetzung nach Atomverhältnis von Bi&sub2;Sr&sub2;CaxOy (worin x:1 bis 2 und y: 6 bis 7)ist und die supra-leitende keramische Dünnschicht als eine Hauptphase eine kristalline Phase hat, deren Zusammensetung nach Atomverhältnis ausgewählt ist aus Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;O&sub8; und Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub1;&sub0;.
Vorzugsweise enthält die Einkristall-Wafer Si oder stattdessen Ga-As.
Vorzugsweise hat die keramische Dünnschicht-Zwischenschicht eine Dicke im Bereich von 50 bis 200 nm (500 bis 2000 Å).

Beschreibung

Unter den erwähnten Umständen wurden Untersuchungen vorgenommen, um eine supra-leitende Dünnschicht für Einkristall- Wafer zu entwickeln, die eine höhere kritische Temperatur hat, und es wurden folgende Ergebnisse erhalten.
Wenn eine keramische Dünnschicht, die als Hauptphase ei ne kristalline Phase mit einer Zusammensetung nach Atomverhältnis von Bi&sub2;Sr&sub2;CaxOy (worin x = 1 bis 2 und y = 6 bis 7) hat, und vorzugsweise eine Dicke von 50 bis 200 nm (500 bis 2000 Å) hat, als eine Zwischenschicht auf einer Oberfläche einer aus Si, Ga-As oder dergleichen gebildeten Einkristall-Wafer gebildet wird, bevor die zuerst erwähnte supra-leitende Dünnschicht darauf abgeschieden wird, hat die supra-leitende Dünnschicht der mit der supra-leitenden Dünnschicht versehenen Wafer, nachdem sie einer Wärmebehandlung zur kristallinen Orientierung der Dünnschicht unterworfen wurde, eine noch höhere kritische Temperatur.
Die Erfindung beruht auf den obigen Untersuchungsergebnissen und liefert eine Wafer mit darauf gebildeter supraleitender Dünnschicht, welch die erwähnte Struktur hat.
Die Zusammensetzungen der kristallinen Phasen, die jede die Hauptphase der Dünnschicht-Zwischenschicht der erfindungsgemäßen Wafer mit supra-leitender Dünnschicht bilden, wurden experimentell bestimmt. Wie Vergleichsversuche in Tabelle 1 verdeutlichen, zeigt die Wafer keine erwünschte hohe kritische Temperatur, wenn die Hauptphase eine kristalline Phase mit einer Zusammensetzung außerhalb des oben beschriebenen Bereichs ist.
Weiterhin ist die Dicke der Dünnschicht-Zwischenschicht der erfindungsgemäßen Wafer mit supra-leitender Dünnschicht vorzugsweise 50 bis 200 nm (500 bis 2000 Å), da wenn die Dicke geringer als 50 nm (500 Å) ist, die kritische Temperatur nicht bis auf ein gewünschtes Niveau erhöht werden kann, während wenn die Dicke größer als 200 nm (2000 Å) ist, die kritische Temperatur auf eine gewünschte Höhe gesteigert werden kann, jedoch kein größerer Effekt erreicht wird, indem man die Dicke über 200 nm (2000 Å) steigert. Es ist daher nicht wirtschaftlich, die Dünnschicht mit einer größeren Dicke zu bilden.
Beispiele der erfindungsgemäßen Wafer mit supra-leitender Dünnschicht werden im folgenden näher beschrieben.

Beispiel 1

Als Substrat wurde eine Einkristall-Wafer von Si mit einem Durchmesser von 50,0 mm und einer Dicke von 0,35 mm hergestellt. Das Substrat wurde auf einer üblichen Sputter-Vorrichtung montiert; das Sputtern wurde unter Verwendung eines Targets zur Bildung einer Dünnschicht-Zwischenschicht durchgeführt, das eine in Tabelle 1 angebene Zusammensetzung, einen Durchmesser von 127 mm und eine dicke von 6 mm hatte, unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Hochfrequenz-Leistung (13,65 MHz): 200 W
Vakuum: 2,66 Pa (20 mTorr)
Atmosphäre: O&sub2;/(Ar + O&sub2;) = 1/5 (vol/vol)
Abstand zwischen Substrat und Target: 70 mm
Substrat-Temperatur: 680 ºC
So wurde eine Dünnschicht-Zwischenschicht mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie das Target und einer durchschnittlichen Dicke wie in Tabelle 1 gezeigt, auf einer Oberfläche des Substrats gebildet.
Das Sputtern wurde dann unter Verwendung eines Targets unter Bildung einer supra-leitenden Dünnschicht, das eine Zusammensetzung wie in Tabelle 1 angegeben, einen Durchmesser von 127 mm und eine Dicke von 6 mm hatte, unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Hochfrequenz-Leistung (13,56 MHz): 200 W
Vakuum: 1,33 Pa (10 mTorr)
Atmosphäre: O&sub2;/(Ar + O&sub2;) = 1/10 (vol/vol)
Abstand zwischen Substrat und Target: 70 mm
Substrat-Temperatur: 720 ºC
So wurde auf der Dünnschicht-Zwischenschicht eine supraleitende Dünnschicht gebildet, worin die kristalline Hauptphase eine Zusammensetzung, Gehalt und durchschnittliche Dicke hat, wie in Tabelle 1 angegeben. Die erhaltene mit Dünnschicht versehene Wafer wurde weiter einer Wärmebehandlung zur kristallinen Orientierung unter einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 890 ºC während 35 Stunden unterworfen, um eine Wafer mit supra-leitender Dünnschicht zu erhalten. Auf diese Weise wurden die erfindungsgemäßen Wafers mit supra-leitender Dünnschicht Nr 1 bis 6 und die Vergleichswafers mit supra-leitender Dünnschicht Nr. 1 bis 3 hergestellt.
Die Vergleichswafers mit supra-leitender Dünnschicht Nr. 1 bis 3 enthalten jeweils eine Dünnschicht-Zwischenschicht mit einer Zusammensetzung außerhalb des Bereichs der Erfindung.
Dann wurde die kritische Temperatur (Tc) der supraleitenden Dünnschichten der erfindungsgemäßen Wafers mit supra-leitender Dünnschicht Nr. 1 bis 6 und der Vergleichs-Wafers mit supra-leitender Dünnschicht Nr. 1 bis 3 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
Aus den Ergebnissen zeigt sich, daß durch die Anwesenheit der Dünnschicht-Zwischenschicht die supra-leitenden Dünnschichten der erfindungsgemäßen Wafers mit supra-leitender Dünnschicht Nr. 1 bis 6 höhere kritische Temperaturen zeigen als die Vergleichs-Wafer Nr. 1, die keine Dünnschicht-Zwischenschicht hat, und die Vergleichswafers Nr. 2 und 3, die jeweils eine Dünnschicht-Zwischenschicht mit einer Zusammensetzung außerhalb des Bereichs der Erfindung haben.
Wie oben beschrieben, hat die erfindungsgemäße Wafer eine supra-leitende Dünnschicht mit einer deutlich höheren kritischen Temperatur. Daher können die daraus hergestellten Halbleiter- Vorrichtungen die Anforderungen nach höherer Leistung und höherer Verdrahtungsdichte von Halbleiter-Vorrichtungen voll erfüllen. Tabelle 1 Supra-leitende Dünnschicht Probe Zusammensetzung des Targets für Dünnschicht-Zwischenschicht (Atomverhältnis) Durchschnittsdicke der Dünnschicht-Zwischenschicht 0,1nm (Å) Zusammensetzung des Targets für supraleitende Dünnschicht (Atomverhältnis) Zusammensetzung der kristallinen Hauptphase (Atomverhältnis) Anteil der kristallinen Hauptphase (Volumen-%) Durchschnittsdicke (um) kritische temperatur (Tc) Erfindungsgemäße Wafer mit supra-leitender Dünnschicht Vergleichswafer mit supraleitender Dünnschicht

Claims

1. Einkristall-Wafer mit einer darauf abgeschiedenen supra-leitenden keramischen Dünnschicht, welche aufweist:

-eine Einkristall-Wafer;

-eine keramische Dünnschicht-Zwischenschicht, die auf einer Oberfläche der Einkristall-Wafer gebildet ist und

-eine supra-leitende keramische Dünnschicht, die auf der keramischen Dünnschicht-Zwischenschicht gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Dünnschicht-Zwischenschicht als eine Hauptphase eine kristalline Phase mit einer Zusammensetzung nach Atomverhältnis von Bi&sub2;Sr&sub2;CaxOy, worin x = 1 bis 2 und y = 6 bis 7, enthält und daß die supra-leitende Dünnschicht als eine Hauptphase eine kristalline Phase enthält, deren Zusammensetzung nach Atomverhältnis ausgewählt ist aus der Gruppe Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;O&sub8; und Bi&sub1;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub1;&sub0;.

2. Wafer nach Anspruch 1, worin die Einkristall-Wafer Si enthält.

3. Wafer nach Anspruch 1, worin die Einkristall-Wafer Ga-As enthält.

4. Wafer nach Anspruch 1, worin die keramische Dünnschicht- Zwischenschicht eine Dicke im Bereich von 50 bis 200 nm (500 bis 2000 Å) hat.