JPH04165682A - 超電導素子の作製方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、超電導素子およびその作製方法に関する。よ
り詳細には、新規な構成の超電導素子およびその作製方
法に関する。

従来の技術 超電導を利用した代表的な素子に、ジョセフソン素子が
ある。ジョセフソン素子は、一対の超電導体をトンネル
障壁を介して結合した構成であり、高速スイッチング動
作が可能である。しかしながら、ジョセフソン素子は２
端子の素子であり、論理回路を実現するた約には複雑な
回路構成になってしまう。

一方、超電導を利用した３端子素子としては、超電導ベ
ーストランジスタ、超電導ＦＥＴ等がある。第３図に、
超電導ベーストランジスタの概念図を示す。第３図の超
電導ベーストランジスタは、超電導体または常電導体で
構成されたエミッタ２１、絶縁体で構成されたトンネル
障壁２２、超電導体で構成されたベース２３、半導体ア
イソレータ２４および常電導体で構成されたコレクタ２
５を積層した構成になっている。この超電導ベーストラ
ンジスタは、トンネル障壁２２を通過した高速電子を利
用した低電力消費で高速動作を行う素子である。

第４図に、超電導ＦＥＴの概念図を示す。第４図の超電
導Ｆ　Ｅ？　′丁は、超電導体で構成されている超電導
ソース電極４１および超電導ドレイン電極４２が、半導
体層４３上に互いに近接して配置されている。超電導ソ
ース電極４１および超電導ドレイン電極４２の間の部分
の半導体層４３は、下側が大きく削られ厚さが薄くなっ
ている。また、半導体層４３の下側表面にはゲート絶縁
膜４６が形成され、ゲート絶縁膜４６上にゲート電極４
４が設けられている。

超電導ＦＥＴは、近接効果で超電導ソース電極４１およ
び超電導ドレイン電極４２間の半導体層４３を流れる超
電導電流を、ゲート電圧で制御する低電力消費で高速動
作を行う素子である。

さらに、ソース電極、ドレイン電極間に超電導体でチャ
ネルを形成し、この超電導チャネルを流れる電流をゲー
ト電極に印加する電圧で制御する３端子の超電導素子も
発表されている。

発明が解決しようとする課題 上記の超電導ベーストランジスタおよび超電導ＦＥＴは
、いずれも半導体層と超電導体層とが積層された部分を
有する。ところが、近年研究が進んでいる酸化物超電導
体を使用して、半導体層と超電導体層との積層構造を作
製することは困難である。また、この構造が作製できて
も半導体層と超電導体層の間の界面の制御が難しく、素
子として満足な動作をしなかった。

また、超電導ＦＥＴは、近接効果を利用するため、超電
導ソース電極４１および超電導ドレイン電極４２を、そ
れぞれを構成する超電導体のコヒーレンス長の数倍程度
以内に近接させて作製しなければならない。特に酸化物
超電導体は、コヒーレンス長が短いので、酸化物超電導
体を使用した場合には、超電導ソース電極４１および超
電導ドレイン電極４２間の距離は、数ＩＱｎｍ以下にし
なければならない。このような微細加工は非常に困難で
あり、従来は酸化物超電導体を使用した超電導ＦＥＴを
再現性よく作製できなかった。

さらに、従来の超電導チャネルを有する超電導素子は、
変調動作は確認されたが、キャリア密度が高いため、完
全なオン／オフ動作ができなかった。酸化物超電導体は
、キャリア密度が低いので、超電導チャネルに使用する
ことにより、完全なオン／オフ動作を行う上記の素子の
実現の可能性が期待されている。しかしながら、超電導
チャネルを５ｎｍ程度の犀さにしなければならず、その
ような構成を実現することは困難であった。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
た、新規な構成の超電導素子およびその作製方法を提供
することにある。

課題を解決するための手段 本発明に従うと、酸化物超電導体で形成された超電導チ
ャネルと、該超電導チャネルの両側に配置され、前記超
電導チャネルを構成する酸化物超電導体で構成された超
電導ソース領域および超電導ドレイン領域と、前記超電
導ソース領域および前記超電導ドレイン領域上に配置さ
れ、超電導チャネルに電流を流すソース電極およびドレ
イン電極と、前記超電導チャネル上にゲート絶縁層を介
して配置されて該超電導チャネルに流れる電流を制御す
るゲート電極を具備する超電導素子において、前記超電
導チャネルが、下方に配置された前記超電導チャネルを
構成する酸化物超電導体と同じ構成元素を有し、前記酸
化物超電導体よりも酸素量が少ない酸化物による絶縁領
域により画成されていることを特徴とする超電導素子が
提供される。

また、本発明では、上記の超電導素子を作製する方法と
して、前記酸化物超電導体と同じ構成元素を有し、前記
酸化物超電導体よりも酸素量が少ない酸化物の薄膜を成
膜し、該酸化物薄膜上に前記ゲート電極を形成した後、
酸素イオンを注入して前記超電導ソース領域および前記
超電導ドレイン領域を形成する工程および酸素雰囲気中
で前記デー１−電極に通電して発熱させ、前記酸化物薄
膜中に酸素を拡散させて前記ゲート電極の下方に超電導
チャネルを形成する工程を含むことを特徴とする超電導
素子の作製方法が提供される。

作用 本発明の超電導素子は、酸化物超電導体による超電導チ
ャネルと、超電導チャネル両端に配置された酸化物超電
導体による超電導ソース領域および超電導ドレイン領域
と、超電導チャネルに電流を流すソース電極およびドレ
イン電極と、超電導チャネルを流れる電流を制御するゲ
ート電極とを具備する。本発明の超電導素子では、超電
導チャネルが下方に配置されていて超電導チャネルを構
成する酸化物超電導体と同じ構成元素を有し、前記酸化
物超電導体よりも酸素量が少ない酸化物による絶縁領域
により画成されている。

超電導チャネルは、ゲート電極に印加された電圧で開閉
させるために、ゲート電極により発生される電界の方向
で、草さが５ｎｍ程度でなければならない。

上記の極薄の超電導チャネルを形成するため、酸化物超
電導体と同じ構成元素を有し、酸化物超電導体よりも酸
素量が少ない酸化物の薄膜を成膜し、その薄膜を酸素雰
囲気中で熱処理し、表面から酸素を拡散させて、この酸
化物薄膜の表面に近い部分を超電導体に変える方法があ
る。酸化物超電導体は、結晶中の酸素原子の数が不安定
であり、熱処理等により変化させることが可能である。

また、酸化物超電導体は、結晶中の酸素数によりその特
性が変化しやすく、特に酸素数が適正な値より小さい場
合には、臨界温度が大幅に低下したり、超電導性を失う
。

上記の方法では、結晶中の酸素数が小さい酸化物超電導
体、実際には、酸化物超電導体と同じ構成元素を有し、
前記酸化物超電導体よりも酸素量が少ない酸化物の薄膜
を形成し、酸素雰囲気中で熱処理して酸素を拡散させて
超電導体とする。また、より深い部分まで超電導体に変
えるには、酸素イオンを注入する。この場合、酸素分圧
、処理温度、処理時間、酸素イオンの加速電圧等を加減
することにより、形成する酸化物超電導体を任意の厚さ
にすることが可能である。

本発明の方法では、さらにその方法を改良し、上記の熱
処理の際の加熱を、ゲート電極を発熱させることにより
行う。即ち、上記の酸化物薄膜上の適当な位置にゲート
絶縁層およびゲート電極を作製し、このゲート電極に通
電して発熱させることにより、酸化物薄膜のゲート電極
直下の部分を局所的に加熱する。本発明の方法によれば
、酸化物薄膜の、ゲート電極直下の部分のみが局所的に
加熱され、その部分のみに酸素が拡散されて、酸化物超
電導体となる。従って、超電導チャネルの位置は、自動
的にゲート電極直下に決定する。

本発明の方法では、最初に約２００ｎｍ程度の厚さの酸
化物超電導体と同じ構成元素を有し、酸化物超電導体よ
りも酸素量が少ない酸化物の薄膜を成膜する。この酸化
物薄膜は基板上に形成することが好ましく、厚さは、超
電導ソース領域および超電導ドレイン領域に十分な厚さ
とする。

この酸化物薄膜に酸素イオンを注入して、超電導ソース
領域および超電導ドレイン領域を形成する。超電導ソー
ス領域および超電導ドレイン領域を形成したら、上記の
熱処理を行い、超電導チャネルを形成する。また、酸化
物超電導体は結晶のＣ軸と垂直な方向の酸素の拡散係数
が大きく、その方向に酸素が動きやすいので、超電導チ
ャネルとなる部分の結晶のＣ軸に平行な側面が露出する
よう加工して熱処理することも好ましい。

本発明の超電導素子はＮ１ｇ○（１００）基板、ＳｒＴ
ｉＯ２（１００）基板、ＣｄＮｄＡ１０．　（ＯＯ１）
基板等の酸化物単結晶基板上に作製されていることが好
ましい。これらの基板上には、配向性の高い結晶からな
る上記の酸化物薄膜を成長させることが可能であるので
好ましい。また、表面にλＩｇＡｌｓｏ＜およびＢａＴ
ｉＯ３が被覆されているＳｉ基板を使用することも好ま
しい。

本発明の超電導素子には、Ｙ　−Ｂａ、−Ｃｕ　−０系
酸化物超電導体、Ｔ３】−３ｒ−Ｃａ−ＣＵ−０系酸化
物超電導体、Ｔ１−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−○系酸化物超電
導体等任意の酸化物超電導体を使用することができる。

以下、本発すを実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例 第１図に、本発明の超電導素子の断面図を示す。

第１図の超電導素子は、基板５上に成膜された酸化物超
電導体と同じ構成元素を有し、酸化物超電導体よりも酸
素量が少ない低温で絶縁性を示す非超電導性の酸化物の
薄膜１中に形成された超電導チャネル１０、超電導ソー
ス領域１２および超電導ドレイン領域１３を有する。超
電導チャネル１０の下側には絶縁領域５０があり、超電
導チャネル１０ｃＤ摩さは約５ｎｍである。

超電導チャネル１０の上にはＭｇＯ１ＳｉＮ等のゲート
絶縁層６を介してゲート電極４が形成されている。超電
導チャネル１０の両側の部分には、摩さ約２００ｎｍの
超電導ソース領域１２および超電導ドレイン領域１３が
形成されている。超電導ソース領域１２および超電導ド
レイン領域１３の上には、それぞれソース電極２および
ドレイン電極３が設けられている。ソース電極２、ドレ
イン電極３およびゲート電極４は、いずれも八Ｕまたは
Ｔ１、Ｗ等の高融点金属、またはこれらのシＩＪ　”Ｉ
Ｉイドで形成されている。

第２図を参照して、本発明の超電導素子を本発明の方法
で作製する手順を説明する。まず、第２図（ａ）に示す
ような基板５の表面に第２図（ｂ）に示すよう約２００
ｎｍ程度のＹ、Ｂａ２（：ｕ＋０７−Ｙ酸化物薄膜１を
オファクシススバッタリング法で形成する。

￥１．Ｂａ２ＣＴｏ０，１酸化物は、Ｙ　、Ｂａ、２Ｃ
ｕ＋　Ｃｈ−ｘ酸化物超電導体と比較すると、ｙ＞ｘで
絶縁性を示し、結晶構造等は等しい。オファクシススバ
ッタリング法で酸化物薄膜１を形成する場合の成膜条件
を以下に示す。

スパッタリングガス　　　Ａｒ　　：９０％０２：１０
％ 圧　　　　力　　　　　　　　　　１０　　Ｐａ基板温
度　　７００℃ 基板５としては、Ｍｇ０（１００）基板、５ｒＴｉ０３
（１００）基板、ＣｄＮｄＡｌ０．　　（００１）等の
絶縁体基板、または表面に絶縁膜を有するＳｉ等の半導
体基板が好まし７い。この８１基板の表面にはＣＶＤ法
で＆１ｇＡ１□０．膜が形成され、その上にＢａＴ　ｉ
　Ｏ３膜がスパッタリング法で積層されていることが好
ましい。

酸化物超電導体としては、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系酸化物
超電導体の他Ｂｉ　−３ｒ　−Ｃａ−Ｃｕ−０系酸化物
超電導体、ＴＩ　−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−〇系酸化物超電
導体が好ましく、Ｃ軸配向の薄膜とすることが好ましい
。

これは、Ｃ軸配向の酸化物超電導薄膜は、基板と平行な
方向の臨界電流密度が大きいからである。

次に、第２図（Ｃ）に示すよう酸化物薄膜１上にＭｇＯ
３ｉＮ等の絶縁膜１６を形成する。絶縁膜１６の厚さは
約ＩＱｎｍ以上のトンネル電流が無視できる厚さにする
。また、絶縁膜１６は、酸化物超電導薄膜との界面で大
きな準位を作らない絶縁体を用いることが好ましく、機
械的応力の減少の点から、酸化物超電導体と組成の近い
絶縁膜を連続形成することも好ましい。

絶縁膜１６上に第２図（ｄ）に示すようゲート電極用の
金属膜１４を積層する。上述のようにこの金属膜１４は
、ＡｕまたはＴ１、Ｗ等の高融点金属、またはこれらの
シリサイドで形成する。金属膜１４および絶縁膜１６を
反応性イオンエツチング、Ａｒイオンミリング等でエツ
チングし、第２図（ｅ）に示すようゲート電極４および
絶縁層６を形成する。絶縁膜１６をエツチングする場合
には、必要に応じてサイドエッチを促進し、絶縁層６の
長さを減少させる。

ゲート電極４および絶縁層６を形成したら、第２図（ｆ
）に示すよう酸化物薄膜１に酸素イオンを注入し、超電
導ソース領域１２および超電導ドレイン領域１３を形成
する。酸素イオンの注入条件を以下に示す。

加速電圧　　　　４０ｋＶ ドーズ量　　１×１０′５〜１×１０′６個／ｃｒｌ超
電導ソース領域１２および超電導ドレイン領域１３を形
成したら、第２図（ｇ）に示すようＡｒイオンミリング
等で異方性エツチングを行い、酸化物超電導体の超電導
ソース領域１２および超電導ドレイン領域１３上をエツ
チングして、酸化物薄膜１のゲート絶縁層６の下の部分
１１の側面を露出させる。次いで、酸素雰囲気中で、ゲ
ート電極４に通電して発熱させ、酸化物薄膜１のゲート
絶縁層６の下の部分１１に酸素を拡散させて第２図（社
）に示すよう超電導チャネル１０を形成する。この場合
、必要に応じて酸化物薄膜１全体も加熱する。熱処理条
件を以下に示す。

加熱温度　　　３５０℃ 酸素分圧　ｌＸ１０’Ｐａ 保持時間　　　１　時間 最後に第２図（ｉ）に示すようゲート電極４と同様の材
料を用いて、超電導ソース領域１２および超電導ドレイ
ン領域１３それぞれの上にソース電極２およびドレイン
電極３を形成して、本発明の超電導素子が完成する。

本発明の超電導素子を本発明の方法で作製すると、超電
導ＦＥＴを作製する場合に要求される微細加工技術の制
限が緩和される。また、従って、作製が容易であり、素
子の性能も安定しており、再現性もよい。

発明の詳細 な説明したように、本発明の超電導素ｒ・は、超電導チ
ャネル中を流れる超電導電流をゲート電圧で制御する構
成となっている。従って、従来の超電導ＦＥＴのように
、超電導近接効果を利用していないので、微細加工技術
が不要である。すなわぢ、本発明の超電導素子では、超
電導近接効果が生じる距離（酸化物超電導体の場合は数
ＩＱｎｍ以下）に近接させて配置した一対の超電導体電
極を作製する微細加工技術が不要である。また、ジョセ
フンン素子を作製するときに必要な、極薄のトンネル障
壁層を超電導体層間に配置する工程も不要である。さら
に、超電導体と半導体を積層する必要もないので、酸化
物超電導体を使用して高性能な素子が作製できる。

本発明の超電導素子で、最も制度が要求される加工は、
超電導チャネル、ゲート絶縁層の作製、配置であるが、
本発明の方法によれば、ゲート電極の下にゲート絶縁層
および超電導チャネルが自動的に配置されるセルファラ
イン効果が利用できるので、微細加工は必要ない。また
、ゲート絶縁層は、酸素拡散で酸素を抜いて形成するた
め、制御性よく作製することが可能である。

本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用がさ
らに促進される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超電導素子の概略図であり、第２図
は、本発明の方法により本発明の超電導素子を作製する
場合の工程を示す概略図であり、第３図は、超電導ベー
ストランジスタの概略図であり、 第４図は、超電導ＦＥＴの概略図である。 〔主な参照番号〕 １・・・酸化物薄膜、 ２・・・ソース電極、 ３・・・ドレイン電極、 ４・・・ゲート電極、　　５・・・基板特許出願人　、
住友電気工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化物超電導体で形成された超電導チャネルと、
   該超電導チャネルの両側に配置され、前記超電導チャネ
   ルを構成する酸化物超電導体で構成された超電導ソース
   領域および超電導ドレイン領域と、前記超電導ソース領
   域および前記超電導ドレイン領域上に配置され、超電導
   チャネルに電流を流すソース電極およびドレイン電極と
   、前記超電導チャネル上にゲート絶縁層を介して配置さ
   れて該超電導チャネルに流れる電流を制御するゲート電
   極を具備する超電導素子において、前記超電導チャネル
   が、下方に配置された前記超電導チャネルを構成する酸
   化物超電導体と同じ構成元素を有し、前記酸化物超電導
   体よりも酸素量が少ない酸化物による絶縁領域により画
   成されていることを特徴とする超電導素子。（２）請求
   項１に記載の超電導素子を作製する方法において、前記
   酸化物超電導体と同じ構成元素を有し、前記酸化物超電
   導体よりも酸素量が少ない酸化物の薄膜を成膜し、該酸
   化物薄膜上に前記ゲート電極を形成した後、酸素イオン
   を注入して前記超電導ソース領域および前記超電導ドレ
   イン領域を形成する工程および酸素雰囲気中で前記ゲー
   ト電極に通電して発熱させ、前記酸化物薄膜中に酸素を
   拡散させて前記ゲート電極の下方に超電導チャネルを形
   成する工程を含むことを特徴とする超電導素子の作製方
   法。