JPH0680741B2

JPH0680741B2 - 超電導体装置

Info

Publication number: JPH0680741B2
Application number: JP62284630A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1987-11-11
Filing date: 1987-11-11
Publication date: 1994-10-12
Anticipated expiration: 2009-10-12
Also published as: JPH01125957A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」本発明は、セラミック系超電導材料を用いた超電導体装
置に関する。本発明は超電導体装置において特に、半導
体装置の相互配線の一部または全部を超電導材料で形成
するため、この超電導の電極・リードに密接してブロッ
キング用絶縁膜を設け、これと半導体との間に酸化珪
素、窒化珪素またはこれらを主成分とする被膜を形成す
るとともに、半導体の電極部はブロッキング用導電膜を
同時に設け、安定な半導体装置を70〜100k好ましくは77
K以上の温度で動作せしめんとするものである。

「従来の技術」従来、超電動材料はNb-Ge系（例えばNb₃Ge）等の金属材
料を線材として用い、超電動マグネットとして用いられ
るに限られていた。

また最近はセラミック材料で超電導を呈し得ることが知
られていた。しかしこれもインゴット構造であり、薄膜
の超電導材料の形成はまったく提案されていない。

いわんや、この薄膜をフォトリソグラフィ技術によりパ
ターニングする方法も、またこれをさらに半導体装置の
相互配線の一部に用いることもまったく知られていな
い。

「従来の問題点」半導体集積回路は近年益々微細化するとともに高速動作
を要求されている。また微細化とともに半導体素子の発
熱による信頼性低下また発熱部の動作速度の低下が問題
となっていた。

このため、もし半導体素子を液体窒素温度で動作させん
とすると、その素子での電子およびホールの移動度は室
温のそれに比べて３〜４倍も高めることができ、ひいて
は素子の周波数特性を向上できる。

かかる問題を解決するため、超電導体半導体装置におい
て、そのリード線はセラミック材料の超電導材料よりな
る試みがある。しかしかかる酸化物セラミック超電導材
料はきわめてイオン化傾向の大きいBa（バリウム）等を
用いているため、これらと反応し、酸化珪素、窒化珪素
またはこれらを主成分とする絶縁膜と酸化物超電導材料
とが互いに密接してリード等として集積回路を構成させ
ることができない。

「問題点を解決すべき手段」本発明はかかる問題点を解決するため、半導体装置にお
ける相互配線に極低温（20〜100k好ましくは77k以上の
温度）で超電導を呈する酸化物超電導セラミック材料を
用いるものである。その際に、かかる材料の下面にかか
る材料と基板材料または基板上の酸化珪素、窒化珪素と
の間に互いの酸−塩基反応を防ぐいわゆるブロッキング
材料を介在せしめた構造としたものである。

このブロッキング材料は、酸化ジルコニウム、YSZ（イ
ットリウム・スタビライズド・ジルコン），チタン酸ス
トロンチウム、酸化物超電導材料と同一主成分の非超電
導材料例えばアルミニウム、マグネシウムが５〜10体積
％混入した非超電導酸化物セラミック材料またはこれら
の多層膜（例えば下地の酸化珪素膜上に酸化ジルコニウ
ム、さらにその上に酸化物非超電導セラミックス、さら
にその上に上地の酸化物超電導セラミック材料構造を有
する膜）よりなる。

本発明はこれらのブロッキング用の膜を0.1〜10μｍの
厚さで形成した半導体、特に好ましくは耐熱性を有する
半導体、例えば単結晶シリコン半導体基板を用いて、こ
の半導体に複数の素子、例えば絶縁ゲイト型電界効果ト
ランジスタ、バイポーラ型トランジスタ、SIT（静電誘
導型トランジスタ）、抵抗、キャパシタを設ける。そし
てこの半導体基板上のパッシベーション被膜として一般
に用いられている酸化珪素、窒化珪素またはこれらを主
成分とする絶縁膜をコンタクト用の開口部以外に設け
る。本発明はこれら絶縁膜上にブロッキング作用を有す
る絶縁膜を主成分とする被膜を設け、この上に電気抵抗
が零または零に近くなる酸化物超電導材料を形成する。
これをフォトリソグラフィ技術により選択エッチをして
パターニングし、リード等として作用させる。このエッ
チングは混成法を用いる場合は、酸性溶液を用いればよ
い。また気相法を用いる場合は臭素または塩素を用いた
異方性プラズマエッチを行う。更にその工程の前または
後に500〜1000℃で熱アニールを特に酸素、活性酸素等
の酸化性雰囲気で１〜20時間もの長時間行うことによ
り、超電導現象を極低温で呈するようにセラミック材料
の結晶構造を改質する。これらの工程を１回または複数
回繰り返すことにより、１層または各層の相互配線を電
気抵抗が零の材料により形成する。

「作用」かくして半導体装置のリードの一部または全部に酸化物
超電導材料を用いることができた。そして半導体素子、
特にシリコン半導体素子に広く用いられる酸化珪素また
は窒化珪素等の珪素を成分とする絶縁材料と酸化物超電
導材料が直接密接しないように、その間にブロッキング
層を構成せしめることにより、酸化物超電導材料の特性
向上のための500〜1000℃の熱アニールでも下地材料へ
の反応を防ぎ耐えることができた。

かかる半導体装置を液体窒素温度で動作させると、その
電子またはホール移動度は３〜４倍に向上させることが
できる。加えて、そのリード、電極の電気抵抗を零また
は零に等しくすることが可能となる。周波数特性の遅れ
を示すCR時定数におけるＲ（抵抗）を零とすることがで
き、そのためきわめて高速動作をさせることが可能とな
る。

以下に本発明の実施例を図面に従って説明する。

「実施例１」第１図は本発明の超電導半導体装置の製造工程の実施例
を示す。

第１図（Ａ）において、シリコン半導体基板（１）上に
酸化珪素絶縁膜（２−１）を形成する。

第１図（Ａ）における半導体基板（１）内にはIGFET
（絶縁ゲイト型半導体装置）、バイポーラトランジスタ
の如きアクティブ型素子または抵抗、キャパシタの如き
パッシブ型素子が予め設けられている。そしてこれらの
アクティブ型またはパッシブ型の素子が設けられ、かか
る素子のコンタクトと連結させるための不純物領域が半
導体上部に設けられている。そしてこの不純物領域上の
絶縁膜の一部に開口（８）が形成されている。本発明の
実施例では絶縁膜として半導体上に酸化珪素を0.3μｍ
の厚さに形成した。そしてこの酸化珪素膜に所定の位置
にフォトエッチング法により電極用コンタクト・ホール
（開口）を作製した。このため、絶縁膜（2-1），（2-
2）の開口は同じ位置に同じ大きさで形成した。さらに
これらの上面に耐酸−塩基反応用ブロッキング絶縁膜
（2-2）である酸化ジルコニウムをスパッタ法で0.1〜２
μ例えば0.4μｍの厚さに形成した。そしてこれら多層
構造の絶縁膜（２）には電極用コンタクト部が前記した
電極用口（８）としている。

さらに第１図（Ａ）において、開口（８）には酸化物超
電導セラミックスと半導体とが酸−塩基反応を生じない
ようにブロッキング用導電膜（21）がブロッキング用絶
縁膜上にまでわたって設けられている。

第１図（Ｂ）においてはこれらの上面に超電導を呈すべ
き材料（３）を薄膜状に形成する。この薄膜はスパッタ
法で形成した。スクリーン印刷法、真空蒸着法または気
相法（CVD法）特に有磁場気相法で行ってもよい。

成膜した酸化物超電導材料は元素周期表IIa、IIIaおよ
び銅の酸化物よりなる化合物であり、形成された酸化物
超電導材料の化学式は一般的には（A_1-XBx）CuzOw,x＝
0.1〜1,y＝２〜４好ましくは2.5〜3.5,z＝1.0〜4.0好ま
しくは1.5〜3.5,w＝4.0〜10.0好ましくは６〜８であ
る。ＡとしてBa,Sr,Ca、ＢとしてＹまたはYb等のランタ
ノイド元素を用いる。例えばｘ＝0.67,y＝3,z＝3,w＝６
〜８で示される（YBa₂）Cu₃O₆〜_８を用いた。

スパッタに際してはその実施例として、基板温度450
℃、アルゴン雰囲気、周波数50Hz、出力100Wで行った。
かかる場合のセラミック材料の膜厚を0.2〜２μｍ、例
えば１μｍの厚さとした。この後、酸素中700℃（10時
間）でアニールを行なった。するとこの酸化物超電導セ
ラミックス（３）とその下側に予め作られている酸化珪
素（2-1）とは酸化ジルコニウム（2-2）がブロッキング
材料となり反応を防止することができた。ちなみにこの
酸化ジルコニウムが無い場合は、約20分で酸化珪素と超
電導セラミックスの薄膜とは一体化してしまうことがオ
ージェ分光の観察により明らかになった。その後この薄
膜がより結晶を成長させやすくすべくTcオンセット＝93
k（抵抗は93kより下がりはじめ、実験的には83kで抵抗
が実質的に零になった）の超電導薄膜を作ることができ
た。もちろんこのブロッキング用薄膜がない場合に超電
導特性をまったく有さないことはいうまでもない。

この後、この薄膜をフォトリソグラフィ技術で所定のパ
ターニングを行った。かくして素子の電極および入力、
出力端子との接続を含む相互配線用の電極およびリード
（５）を構成すべくフォトレジストコートし、水で希釈
した酸溶液例えば硫酸または硝酸で選択除去（エッチ）
を行い第１図（Ｃ）を得た。

この選択エッチに臭素（Br₂）ガスを用いたプラズマエ
ッチングを行ってもよい。かかる場合は、ECR（電子ス
ピン共鳴）の装置の異方性エッチングが特に有効であっ
た。

このパターニングは前記した超電導用薄膜を形成した後
に行い、さらにその後に熱アニールを行ってパターニン
グした相互作用部のみ選択的に結晶化を行うことは有効
である。

この場合は初期状態において結晶粒径が小さいためより
相互配線の微細パターンが可能である。

第１図（Ｄ）はこの後多層配線を必要に応じて行った。
このため層間絶縁物（６）をPIQ（ポリイミド樹脂）等
の有機樹脂で形成し、さらに開口を形成した後、２層目
のリード（７），（７′）を作製した。そして２層目と
して酸化物超電導セラミックスのリード（７），
（７′）を構成させた。

「実施例２」第２図は本発明の他の実施例を示す。

図面はC/MOS FET（相補型IGFET）の部分のみ拡大して示
したものである。

図面は熱アニールに十分耐え得るシリコン半導体基板
（１）を用いた。さらにＰ型井戸（15）を理置してフィ
ールド絶縁膜を例えば酸化珪素（11）で設けた。一方の
IGFET（絶縁ゲイト型電界効果半導体装置）（20）はゲ
イト電極（12）、Ｐ型の導電型の不純物領域としてのソ
ースまたはドレイン（13）およびドレインまたはソース
（14）をＰチャネルIGFETとして設けた。そしてこの不
純物領域上にはブロッキング用導電膜（21）を設けてい
る。他方のIGFET（20′）は、ゲイト電極（12′）,N型
の不純物領域としてのソースまたはドレイン（13′），
ドレインまたはソース（14′）として設け、Ｎチャネル
型IGFETとした。この不純物領域にはブロッキング用導
電膜（21）を設けている。ゲイト電極（12），（12′）
は多結晶シリコンまたは金属シリサイドとし、これらの
電気的連結その他の相互配線（５），（７）を実施例１
と同様の超電導材料で形成した。

この実施例において、超電導セラミックス（５）の下面
の絶縁膜（２）において、セラミックスに密接する側は
少なくともブロッキング性を有する絶縁膜（2-2）とそ
の下に酸化珪素（例えば（11））またはこれとは別にこ
れらの上にリンガラス、窒化珪素等の珪素を主成分とす
る絶縁膜（2-1）が形成されていてもよい。またこの超
電導材料（５）の上面を覆って他の絶縁材料（６′）も
やはりブロッキング作用を有する絶縁膜、例えば酸化ジ
ルコニウムをスパッタ法または有機樹脂を塗布法で設け
ている。

この超電導材料を気相法等で作り、下側基板に設けられ
たアクティブ素子に対し何らの損傷を与えない場合はゲ
イト電極も超電導材料で形成してもよい。

本発明の実施例においてはブロッキング用材料として酸
化ジルコニウムを主として示した。しかし他のチタン酸
ストロンチウム、YSZ であってもよい。さらにこれらの
上に超電導材料と同一主成分を有し、非超電導性を有す
る材料を積層して形成することもそれぞれの材料へ相互
の混合を防ぐため有効であった。さらに２層目の導電膜
（７）としてこの絶縁膜（６）上に超電導材料をリード
等として形成してもよい。本発明は酸化物超電導セラミ
ックスの長時間の焼成の際、この超電導材料が１μÅ以
下の厚さしかないため、互いが化合または混合して超電
導性を劣化させないために耐酸−塩基反応性のブロッキ
ング特性を有することが重要である。

「実施例３」この実施例は実施例２に示された１つのIGFET（20）等
のIGFETをさらに拡大して示したものである。

図面において、基板（１）は珪素よりなり、酸化珪素の
フィールド絶縁膜（11）、ソースまたはドレイン（1
3）、ドレインまたはソース（14）を構成する不純物領
域を有する。さらにゲイト（12）を有する。またこれら
半導体（１），（13），（14）上およびフィールド絶縁
物（11）上には酸化珪素、窒化珪素またはこれらの多層
膜（41）を有する。さらにこの上には酸化ジルコニウム
等のブロッキング作用を有する絶縁膜（40）を有する。
不純物領域（13），（14）には開口（42）が絶縁膜（4
1）の一部をブロッキング用絶縁膜（40′）が覆ってい
る。そしてさらに開口（42）を覆って不純物領域（1
3），（14）とオーム接触をする金属、例えばタングス
テン、モリブデン、チタン、白金またはこれらの珪化物
（15）が設けられ、この上にはさらに多層に白金、金、
銀（16）が設けられている。これら開口と同じ大きさに
作られたブロッキング用導体（21）とブロッキング用絶
縁膜（40）とにより、酸化物超電導材料（17），（1
7′）および酸化物非超電導材料（27）等の下面はすべ
て酸化物が直接酸化物セラミックスと接しないように覆
われている。（17），（17′）は超電導特性を有する電
極・リードである。ブロッキング用導体（21）に密接す
る領域を電極とここでは考える。そして（27）は酸化物
超電導セラミックスをイオン注入法によりアルミニウ
ム、マグネシウム等を５〜20体積％添加して非超電導特
性を有せしめたリード間のアイソレイション領域であ
る。かくしてこの充填物により、酸化物超電導の電極・
リード（17）は外部を囲まれ、かつそれらは互いに概略
同一の高さとすることができるようになった。

さらに、層間絶縁膜（28）と多層用の連結部（18），
（18′）とを同様に設けた。ここでは大部分は層間絶縁
膜（28′）として構成されている。

さらに２層目用の酸化物超電導材料の電極・リード（1
9），（19′）と充填用絶縁膜（29）とを同時に作っ
た。これらのすべてに対し、ファイナルパッシベイショ
ンとしてブロッキング用絶縁膜（30）を形成した。これ
はここで酸化ジルコニウム、YSZ をスパッタ法で0.1〜
２μｍ例えば0.3μｍの厚さに形成した。

外部引出し用電極（33）を白金のコンタクト（31）、ア
ルミニウム、金等の連結用金属（32）とにより作製し
た。ファイナルパッシベイションもこれらの酸化物超電
導材料の電極・リードをブロッキング作用を有する絶縁
膜で覆うことは高信頼性を有せしめるため有効である。
とくにこの材料は水をもブロッキングするため、超電導
セラミックスの劣化をも防ぐことができた。

「効果」本発明によりこれらの半導体装置を室温ではなく、冷却
して形成する場合において実用化が初めて可能となっ
た。

特に半導体は液体窒素温度に冷却することにより周波数
特性を向上させることができる。そして他方、低温にす
ることにより抵抗が増してしまう金属を用いることな
く、本発明は超電導材料を用いた。しかもかかる超電導
材料が有効が用いられるべくその下面に接する絶縁材料
はブロッキング用材料とし、またその材料もブロッキン
グ用導電材料とした。

そのため、本発明の技術思想を発展させることにより、
16M〜1Gビット等の超々LSI に対する応用も可能となっ
た。

本発明において、半導体はシリコンではなくGaAs等の化
合物半導体であってもよい。またシリコン半導体上にGa
As等のIII−Ｖ化合物半導体をヘテロエピタキシャル成
長をせしめ、この半導体薄膜を用いてもよい。かくする
ことにより超高速動作を指せることが可能となる。しか
しアニールの温度を下げ、アニール中に半導体基板を劣
化しないように工夫する必要がある。

本発明は超電導材料を銅の酸化物の超電導材料とした。
しかし微細パターンができる他の超電導材料を用いるこ
とも有効である。

本発明において、基板としてはアクティブ素子が設けら
れた半導体材料と、その上面に非酸化物材料が設けられ
たものを用いた。しかしYSZ（イットリューム・スタビ
ライズド・ジルコン）,SrTiO₃等の熱膨張係数の概略同
一のセラミック材料をアルミナ板等の上面に形成したも
のを基板としてもよい。すると熱膨張係数を合わせられ
るため作りやすい。しかし他方、かかる材料を用いる場
合はアクティブ素子は別途設けられなければならず、超
高集積回路化も成就しにくいという欠点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造工程を示す。第２図および第３図は本発明の他の実施例を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上部の不純物領域上の酸化珪
素、窒化珪素またはこれらを主成分とする絶縁膜と、前
記絶縁膜の上面にブロッキング用絶縁膜とを設け、前記
絶縁膜に開口を設け、前記開口の前記不純物領域上にブ
ロッキング用導電膜が設けられ、該ブロッキング用導電
膜および前記ブロッキング用絶縁膜上に酸化物超電導体
が設けられた超電導体装置であって、前記ブロッキング用絶縁膜は酸化ジルコニウム、または
YSZ（イットリウム・スタビライズド・ジルコン）、ま
たは酸化イットリウム、または酸化物超電導材料と同一
主成分を有する非超電導材料、またはこれらの多層膜よ
りなることを特徴とする超電導体装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、ブロッキ
ング用導電膜は半導体の不純物領域に密接してモリブデ
ン、チタン、タングステン、白金またはその珪化物また
は該上に白金または銀が多層に設けられたことを特徴と
する超電導体装置。