JPH08340136A - Oxide thin film element manufacturing method, superconducting element manufacturing method and superconducting element - Google Patents
Oxide thin film element manufacturing method, superconducting element manufacturing method and superconducting elementInfo
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 リソグラフィ工程を減少をさせることによっ
て、製造効率の向上を図ると共に、リソグラフィ工程に
よる膜特性の劣化等を防止した酸化物薄膜素子、特に超
電導素子の製造方法を提供する。
【構成】 真空槽内で、有機金属化合物と活性酸素とを
基板に供給して酸化物薄膜を作製する際に、基板上にお
ける有機金属化合物の分子供給密度と活性酸素の供給密
度との比を空間的に変化させる。これによって、 1度の
成膜で同一薄膜層内に、例えば結晶性がよくエピタキシ
ャル成長した酸化物薄膜、結晶性が悪くエッチングされ
易い酸化物薄膜、カーボンを 10at%以上含む導電性を有
する薄膜等の電気特性や結晶性が異なる複数の部分を作
り込む。
(57) [Summary] [Problem] To provide a method for manufacturing an oxide thin film element, particularly a superconducting element, in which manufacturing efficiency is improved by reducing the number of lithography steps and deterioration of film characteristics due to the lithography steps is prevented. To do. [Structure] When a metal oxide compound and active oxygen are supplied to a substrate in a vacuum chamber to form an oxide thin film, the ratio of the molecule supply density of the organometallic compound to the active oxygen supply density on the substrate is Change spatially. As a result, in a single thin film layer, for example, an oxide thin film that has been epitaxially grown with good crystallinity, an oxide thin film that has poor crystallinity and is easily etched, or a conductive thin film that contains carbon at 10 at% or more, etc. Create multiple parts with different electrical properties and crystallinity.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物薄膜素子の製造
方法、超電導素子の製造方法および超電導素子に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing an oxide thin film element, a method for manufacturing a superconducting element and a superconducting element.
【0002】[0002]
【従来の技術】超電導素子の製造工程においては、基板
上にバッファ層、絶縁層、抵抗層、超電導層等のそれぞ
れの機能を持った薄膜を積層するが、その途中で薄膜成
長とは別個に各薄膜をパターニングする工程が必要であ
る。パターニングは、フォトレジストを塗布して露光・
現像し、ウェットエッチングやイオンビームエッチン
グ、あるいはリフトオフにより不要部分を除去すること
により行われる。また、メタルマスクを用いたイオンビ
ームエッチングによってもパターニングすることができ
る。2. Description of the Related Art In the process of manufacturing a superconducting element, a thin film having a buffer layer, an insulating layer, a resistance layer, a superconducting layer, etc. is laminated on a substrate. A step of patterning each thin film is required. For patterning, apply photoresist and expose /
It is performed by developing and removing unnecessary portions by wet etching, ion beam etching, or lift-off. It is also possible to perform patterning by ion beam etching using a metal mask.
【0003】従来のジョセフソン接合を用いた論理演算
素子やメモリ素子の構造を図34(S.Kosaka, in “Adva
nces in Cryogenic Engineering Materials ”Volume 3
2,Edited by R.P.Reed and A.F.Clark, (Plenum press,
New York,1986) pp.507-516 参照)に示す。図34に
示されるジョセフソン集積回路において、1は基板であ
り、この基板1上に形成されたグランドプレーンとなる
超電導層2上には、層間絶縁層3を介してジョセフソン
接合4を形成する超電導層5、6や抵抗膜7が形成され
ている。このようなラッチ型のロジックを用いたジョセ
フソン集積回路では、接合数と同程度の数の抵抗が必要
である。一方、rapid single-flux-quantum(RSFQ)
素子(K.K.Likharev andV.K.Semenov, IEEE Trans. App
l.Supercond. vol.1, pp.3-28参照)においても集積回
路中に抵抗が必要である。上記ジョセフソン集積回路を
例として従来の製造工程を説明すると、まず基板1上に
グランドプレーンとなる超電導層2を堆積した後、層間
絶縁層3を堆積し、レジストのフォトリソグラフィとエ
ッチングにより層間絶縁層3にコンタクトホール8を形
成する。次いで、抵抗膜7を堆積した後に、フォトリソ
グラフィにより抵抗膜7の必要な部分だけを残し、その
上に超電導層5、6や絶縁層9等を積層してパターニン
グする。また、抵抗膜7と隣接した超電導層6との間や
絶縁層9と隣接した超電導層5との間には溝が生じるた
め、その溝をスピン・オン・ガラス(SOG)10等の
手法で埋めて平坦化する。このように従来技術では、多
数回のリソグラフィ工程と平坦化工程が必要であった。
さらに、超電導層5、6としてNbや NbN等を用いた場
合、 SiO等からなる絶縁層3、9等と接する部分におい
て、超電導層5、6に酸素が拡散して超電導特性が劣化
し易いという問題があった。FIG. 34 (S. Kosaka, in “Adva.
nces in Cryogenic Engineering Materials ”Volume 3
2, Edited by RPReed and AFClark, (Plenum press,
New York, 1986) pp.507-516). In the Josephson integrated circuit shown in FIG. 34, reference numeral 1 is a substrate, and a Josephson junction 4 is formed on the superconducting layer 2 serving as a ground plane formed on the substrate 1 with an interlayer insulating layer 3 interposed therebetween. Superconducting layers 5 and 6 and a resistance film 7 are formed. A Josephson integrated circuit using such a latch type logic requires as many resistors as the number of junctions. On the other hand, rapid single-flux-quantum (RSFQ)
Element (KK Likharev and V.K.Semenov, IEEE Trans. App
l.Supercond. vol.1, pp.3-28) also requires a resistor in the integrated circuit. The conventional manufacturing process will be described by taking the Josephson integrated circuit as an example. First, a superconducting layer 2 to be a ground plane is deposited on a substrate 1, and then an interlayer insulating layer 3 is deposited, and interlayer insulating is performed by photolithography and etching of a resist. Contact holes 8 are formed in the layer 3. Then, after depositing the resistance film 7, only the necessary portions of the resistance film 7 are left by photolithography, and the superconducting layers 5 and 6, the insulating layer 9 and the like are laminated and patterned. Further, since a groove is formed between the resistance film 7 and the adjacent superconducting layer 6 or between the insulating layer 9 and the adjacent superconducting layer 5, the groove is formed by a method such as spin-on-glass (SOG) 10. Fill and flatten. As described above, the conventional technique requires a large number of lithography steps and flattening steps.
Furthermore, when Nb, NbN, or the like is used as the superconducting layers 5 and 6, oxygen is diffused into the superconducting layers 5 and 6 at the portions in contact with the insulating layers 3 and 9 made of SiO or the like, and the superconducting characteristics are likely to deteriorate. There was a problem.
【0004】また、酸化物超電導体を用いた受動マイク
ロ波素子の従来例を図35に示す。基板としてサファイ
ヤ基板11を用い、その上に CeO2 等からなる基板11
と超電導層12との反応を防ぐバッファ層13を堆積
し、その上に超電導層12を堆積する。そして、フォト
リソグラフィにより超電導層12の必要な部分だけを残
すことによって、ストリップラインやフィルタが形成さ
れる。このような従来の受動マイクロ波素子において
は、超電導層12を堆積した後のリソグラフィ工程で、
超電導層12の臨界温度Tc や表面抵抗等の特性の劣化
が避けられないという問題があった。Further, a conventional example of a passive microwave element using an oxide superconductor is shown in FIG. A sapphire substrate 11 is used as a substrate, and a substrate 11 made of CeO 2 or the like is formed thereon.
A buffer layer 13 for preventing a reaction between the superconducting layer 12 and the superconducting layer 12 is deposited, and the superconducting layer 12 is deposited thereon. Then, a strip line or a filter is formed by leaving only a necessary portion of the superconducting layer 12 by photolithography. In such a conventional passive microwave device, in the lithography process after depositing the superconducting layer 12,
There has been a problem that deterioration of characteristics such as the critical temperature T c and surface resistance of the superconducting layer 12 cannot be avoided.
【0005】銅酸化物超電導体では、一般に高い特性を
持った積層型ジョセフソン接合が作りにくい。そこで、
bi-epitaxialジョセフソン接合と呼ばれる接合が比較的
よい特性を示し、かつ基板上の任意の位置に接合を形成
できることから注目されている。従来のbi-epitaxialジ
ョセフソン接合の構造および製造工程の一例を図36に
示す。図36(f)に示すように、 MgO基板14上の一
部に CeO2 膜15を堆積し、その上に銅酸化物超電導体
16を堆積すると、 MgO基板14上と CeO2 膜15上と
で銅酸化物超電導体16の結晶方位が異なる。その結
果、両者の境界(図36(f)中破線で示す)が粒界接
合となる。このような接合を作製する場合、 CeO2 膜1
5を堆積した後に、その一部を残して他を除去する方法
が重要な課題となっていた(例えば、R.P.J.IJsselstei
jn, J.W.M.Hilgenkamp, D.Terps-tra, J.Flokstra, and
H.Rogalla, in“Advances in Cryogenic EngineeringM
aterials ”Volume 40,Edited by R.P.Reed, F.R.Ficke
tt, L.T.Summers, andM.Stieg,(Plenum press,New Yor
k, 1994) pp.353-360参照)。In a copper oxide superconductor, it is generally difficult to form a laminated Josephson junction having high characteristics. Therefore,
The bi-epitaxial Josephson junction has attracted attention because it has relatively good characteristics and can form the junction at any position on the substrate. FIG. 36 shows an example of the structure and manufacturing process of a conventional bi-epitaxial Josephson junction. As shown in FIG. 36 (f), when a CeO 2 film 15 is deposited on a part of the MgO substrate 14 and a copper oxide superconductor 16 is deposited on it, the MgO substrate 14 and the CeO 2 film 15 are separated from each other. Therefore, the crystal orientation of the copper oxide superconductor 16 is different. As a result, the boundary between them (shown by the broken line in FIG. 36 (f)) becomes a grain boundary junction. When making such a bond, the CeO 2 film 1
After depositing 5, there was an important issue how to remove some of them and leave others (eg RPJIJsselstei
jn, JWMHilgenkamp, D.Terps-tra, J.Flokstra, and
H. Rogalla, in “Advances in Cryogenic EngineeringM
aterials ”Volume 40, Edited by RPReed, FRFicke
tt, LTSummers, and M.Stieg, (Plenum press, New Yor
k, 1994) pp.353-360).
【0006】CeO2 膜の一部を除去する一つの方法とし
て、基板全面に亘って CeO2 膜を堆積し、その上にレジ
ストを塗布して露光・現像し、Arイオンビームでエッチ
ングする方法が挙げられる。しかし、この方法では CeO
2 膜を除去した後の MgO基板表面がイオンビームのダメ
ージで荒れてしまい、 MgO基板上の銅酸化物超電導体の
結晶方位が揃わなくなることから、特性のよい粒界接合
が作れないという問題があった。そこで、図36に示す
煩雑な工程がとられていた。すなわち、まずレジスト1
7の塗布および露光・現像によりパターンを作り(図3
6(a))、その上に CaO膜18を堆積する(図36
(b))。片側の CaO膜18をリフトオフし(図36
(c))、残った CaO膜18上を含めて CeO2 膜15を
堆積する(図36(d))。次に、 CaO膜18が水に溶
けることを利用して、片側の CeO2 膜15をリフトオフ
し(図36(e))、その上から YBa2 Cu3 O 7-δ等の
銅酸化物超電導体16を堆積する。従来の製造方法で
は、このような繁雑な工程を経なければ粒界接合を形成
することができない。As one method of removing a part of the CeO 2 film, there is a method of depositing a CeO 2 film over the entire surface of the substrate, applying a resist on the CeO 2 film, exposing / developing, and etching with an Ar ion beam. Can be mentioned. But with this method CeO
(2 ) After removing the film, the surface of the MgO substrate becomes rough due to the damage of the ion beam, and the crystal orientation of the copper oxide superconductor on the MgO substrate is not aligned. there were. Therefore, the complicated process shown in FIG. 36 has been taken. That is, first, the resist 1
A pattern is created by applying and exposing / developing No. 7 (see FIG.
6 (a)), and the CaO film 18 is deposited thereon (FIG. 36).
(B)). The CaO film 18 on one side is lifted off (see FIG. 36).
(C)) The CeO 2 film 15 is deposited including the remaining CaO film 18 (FIG. 36D). Next, using the fact that the CaO film 18 dissolves in water, the CeO 2 film 15 on one side is lifted off (FIG. 36 (e)), and copper oxide superconductivity such as YBa 2 Cu 3 O 7-δ is applied from above. The body 16 is deposited. In the conventional manufacturing method, the grain boundary junction cannot be formed without going through such complicated steps.
【0007】一方、半導体素子においては高集積化が進
むにつれて、誘電体膜として従来のシリコン酸化膜やシ
リコン酸化膜と窒化膜との積層膜に代って、ペロブスカ
イト型の高誘電率材料が用いられるようになってきた。
しかしながら、Ba0.5 Sr0.5TiO3 等のペロブスカイト型
誘電体は、パターニングの際のエッチングが難しいとい
う欠点を有している(柴野照夫、西川和康、応用物理、
第63巻、pp.1139-1142(1994)参照)。半導体デバイスの
ドライエッチングにおいては、ハロゲンプラズマによる
化学的なエッチングが通常用いられるが、ペロブスカイ
ト型誘電体に対してはうまく働かない。これはBaやSrの
ハロゲン化合物は沸点が高く蒸気圧が低いためである。
そのため、シリコン酸化膜とのエッチングの選択性が得
にくいと共に、蒸気圧の低い反応生成物が残って特性の
悪化を招く等といった欠点を有していた。On the other hand, in semiconductor devices, as the degree of integration increases, a perovskite type high dielectric constant material is used as a dielectric film in place of a conventional silicon oxide film or a laminated film of a silicon oxide film and a nitride film. It has become possible to be.
However, perovskite-type dielectrics such as Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 have the drawback that etching during patterning is difficult (Shibano, Kazuyasu Nishikawa, Applied Physics,
63, pp.1139-1142 (1994)). Chemical etching with halogen plasma is usually used in dry etching of semiconductor devices, but it does not work well for perovskite type dielectrics. This is because the halogen compounds of Ba and Sr have high boiling points and low vapor pressures.
Therefore, there are drawbacks such that it is difficult to obtain etching selectivity with respect to the silicon oxide film, and reaction products having a low vapor pressure remain to cause deterioration of characteristics.
【0008】また磁気抵抗素子として、例えば磁性膜の
巨大磁気抵抗効果を利用した、高密度磁気ディスク読出
し用の磁気ヘッドが知られている。例えば、金属多層膜
を用いた磁気抵抗効果ヘッドがよく知られているが(C.
Tsang et al., IEEE Trans.Mag., vol.30, pp.3801-380
6(1994)参照)、このような金属多層膜より磁気抵抗効
果が大きく、より高出力な磁気ヘッド材料として、ペロ
ブスカイト型結晶構造を持つLa1-x AEx MnO3 (AE:Ca、
SrまたはBa)が提案されている(Y.Tokura etal., J.Ph
ys. Soc. Japan, Vol63, pp.3931-3935(1994)参照)。
しかし、この物質の薄膜は金属磁性膜に比べてエッチン
グしにくく、磁気ヘッド形状へのパターニングが難しい
という欠点を有している。As a magnetoresistive element, for example, a magnetic head for reading a high density magnetic disk utilizing a giant magnetoresistive effect of a magnetic film is known. For example, a magnetoresistive head using a metal multilayer film is well known (C.
Tsang et al., IEEE Trans.Mag., Vol.30, pp.3801-380
6 (1994)), as a magnetic head material having a larger magnetoresistive effect and higher output than such a metal multilayer film, La 1-x AE x MnO 3 (AE: Ca, which has a perovskite type crystal structure,
Sr or Ba) has been proposed (Y.Tokura et al., J.Ph.
ys. Soc. Japan, Vol63, pp.3931-3935 (1994)).
However, a thin film of this substance is more difficult to etch than a metal magnetic film, and has a drawback that patterning into a magnetic head shape is difficult.
【0009】さらに、複合酸化物薄膜の成膜技術の進歩
に伴って、ペロブスカイト基の酸化物材料で、絶縁体、
半導体、金属、超電導体、強誘電体、圧電体、磁性体、
透光性、光学機能等の多用な物性を集積して利用する方
向が研究されている。すなわち、性質の異なる複数種の
物質をエピタキシャルに積層して、新機能素子を得よう
とする試みが行われている。この場合も、ペロブスカイ
ト基の複合酸化物は化学エッチングがしにくく、実際に
素子形状を作製しにくいという欠点がある。Further, with the progress of the technique for forming a composite oxide thin film, an oxide, a perovskite-based oxide, an insulator,
Semiconductors, metals, superconductors, ferroelectrics, piezoelectrics, magnetics,
Studies have been conducted on the direction in which various physical properties such as translucency and optical function are integrated and utilized. That is, attempts have been made to obtain a new functional device by epitaxially stacking a plurality of types of substances having different properties. Also in this case, the complex oxide of perovskite group has a drawback that it is difficult to chemically etch and it is difficult to actually form the element shape.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の超電導素子の製造工程では、多数回のリソグラフィ工
程や平坦化工程が必要であり、製造工程が繁雑であると
共に、超電導体の特性劣化等が生じやすいというような
問題があった。また、ペロブスカイト型の誘電体を半導
体素子に用いる場合には、エッチングの選択性が得にく
く、残滓が残り易いという問題があった。さらに、磁気
抵抗素子等のペロブスカイト基の酸化物を用いた素子に
おいては、エッチングしにくいために、実際の素子形状
の作製が困難であるという問題があった。As described above, the conventional superconducting element manufacturing process requires many lithography steps and flattening steps, which complicates the manufacturing process and deteriorates the characteristics of the superconductor. However, there is a problem in that such things are likely to occur. Further, when a perovskite type dielectric is used for a semiconductor device, it is difficult to obtain etching selectivity and residues tend to remain. Further, in an element using a perovskite-based oxide such as a magnetoresistive element, there is a problem that it is difficult to manufacture an actual element shape because it is difficult to etch.
【0011】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、リソグラフィ工程等を減少させるこ
とによって、製造効率の向上を図ることを可能にした酸
化物薄膜素子の製造方法および超電導素子の製造方法を
提供することを目的としており、また本発明の超電導素
子の製造方法の他の目的は、リソグラフィ工程による超
電導体薄膜の特性劣化を防ぐことにある。また本発明の
他の目的は、例えばペロブスカイト基の酸化物薄膜のパ
ターン形成性を向上させた酸化物薄膜素子の製造方法を
提供することにある。さらに、製造工数の削減を図った
上で、酸素の拡散等による超電導特性の劣化を防止した
超電導素子を提供することを目的としている。The present invention has been made to address such a problem, and a method of manufacturing an oxide thin film element and a superconducting device capable of improving manufacturing efficiency by reducing the number of lithography steps and the like. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an element, and another object of the method for manufacturing a superconducting element of the present invention is to prevent characteristic deterioration of a superconductor thin film due to a lithography process. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an oxide thin film element in which the pattern formability of a perovskite-based oxide thin film is improved. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a superconducting element in which deterioration of superconducting characteristics due to diffusion of oxygen or the like is prevented, while reducing the number of manufacturing steps.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明の酸化物薄膜素子
の製造方法は、請求項1に記載したように、真空槽内
で、有機金属化合物と活性酸素とを基板に供給して酸化
物薄膜を作製する工程を有する酸化物薄膜素子の製造方
法において、前記酸化物薄膜の作製工程で、前記基板上
における前記有機金属化合物の分子供給密度と前記活性
酸素の供給密度との比を空間的に変えることを特徴とし
ている。According to the method of manufacturing an oxide thin film element of the present invention, as described in claim 1, an oxide is prepared by supplying an organic metal compound and active oxygen to a substrate in a vacuum chamber. In the method for producing an oxide thin film element having a step of producing a thin film, in the step of producing the oxide thin film, the ratio of the molecule supply density of the organometallic compound and the supply density of the active oxygen on the substrate is spatially changed. It is characterized by changing to.
【0013】上記した本発明の酸化物薄膜素子の製造方
法は、特に請求項2に記載したように、前記酸化物薄膜
の作製工程で、結晶性がよくエピタキシャル成長した酸
化物薄膜、結晶性が悪くエッチングされ易い酸化物薄
膜、およびカーボンを 10at%以上含む導電性を有する薄
膜から選ばれる 2種以上の部分を有する薄膜を作製する
ことを特徴としている。According to the method for producing an oxide thin film element of the present invention described above, in particular, in the process of producing the oxide thin film, the oxide thin film epitaxially grown with good crystallinity and the crystallinity poor A feature of the present invention is that an oxide thin film which is easily etched and a thin film having two or more kinds of portions selected from a conductive thin film containing 10 at% or more of carbon are produced.
【0014】また、本発明の超電導素子の製造方法は、
請求項3に記載したように、真空槽内で、Ceのβ- ジケ
トン錯体と活性酸素とを基板に供給してCeの酸化物薄膜
を作製する工程と、前記Ceの酸化物薄膜上に超電導体薄
膜を積層形成する工程とを有する超電導素子の製造方法
において、前記Ceの酸化物薄膜の作製工程で、前記基板
上における前記Ceのβ- ジケトン錯体の分子供給密度と
前記活性酸素の供給密度との比を空間的に変えることを
特徴としている。The method for manufacturing a superconducting element of the present invention is
As described in claim 3, a step of producing a Ce oxide thin film by supplying a β-diketone complex of Ce and active oxygen to a substrate in a vacuum chamber, and superconducting on the Ce oxide thin film. In the method for manufacturing a superconducting element having a step of stacking a body thin film, in the step of producing the Ce oxide thin film, the molecular supply density of the β-diketone complex of Ce on the substrate and the supply density of the active oxygen. It is characterized by spatially changing the ratio with.
【0015】上記した本発明の超電導素子の製造方法
は、特に請求項4に記載したように、前記Ceの酸化物薄
膜の作製工程で、結晶性がよくエピタキシャル成長した
CeO2絶縁膜、結晶性が悪くエッチングされ易い CeO2
絶縁膜、および導電性を有するCeと Cと Oとを主成分と
する薄膜から選ばれる 2種以上の部分を有する薄膜を作
製することを特徴としている。According to the method for producing a superconducting element of the present invention described above, particularly, in the step of producing the Ce oxide thin film, epitaxial growth is performed with good crystallinity.
CeO 2 insulating film, poor crystallinity and easy to etch CeO 2
It is characterized by producing an insulating film and a thin film having two or more kinds of portions selected from a conductive thin film containing Ce and C and O as main components.
【0016】さらに、本発明の超電導素子は、超電導層
と、前記超電導層と接して形成された絶縁層とを具備す
る超電導素子において、前記絶縁層はAl、Siおよび希土
類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を含む酸化物
結晶からなり、かつ前記超電導層と接する前記絶縁層の
周辺部に1at%以上の炭素が含まれていることを特徴とし
ている。Further, the superconducting element of the present invention is a superconducting element comprising a superconducting layer and an insulating layer formed in contact with the superconducting layer, wherein the insulating layer is at least 1 selected from Al, Si and rare earth elements. It is characterized in that 1 at% or more of carbon is contained in the peripheral portion of the insulating layer which is made of an oxide crystal containing a seed element and is in contact with the superconducting layer.
【0017】[0017]
【作用】本発明の製造方法においては、基板上でのβ-
ジケトン金属錯体等の有機金属化合物の分子線供給密度
と原子状酸素やオゾン等の活性酸素の供給密度との比を
空間的に変えている。ここで、図1は有機金属分子線エ
ピタキシー法(metalor-ganic molecular-beam epitaxy
method;以下MOMBE法と略記する)によって、有機
金属化合物の一例として用いたβ- ジケトン金属錯体の
分子線供給量と活性酸素の供給量を変化させた際に得ら
れる薄膜の状態をまとめたものである。これは薄膜の成
長過程を反射高速電子線回折(RHEED)観察すると
共に、成膜後にX線回折、抵抗率測定、エッチング実験
を行った結果である。In the manufacturing method of the present invention, β-on the substrate
The ratio of the molecular beam supply density of an organometallic compound such as a diketone metal complex to the supply density of active oxygen such as atomic oxygen or ozone is spatially changed. Here, FIG. 1 shows the metalor-ganic molecular-beam epitaxy.
method; hereinafter abbreviated as MONBE method), the state of the thin film obtained when the molecular beam supply amount and the active oxygen supply amount of the β-diketone metal complex used as an example of the organometallic compound are changed. Is. This is the result of observing the growth process of the thin film by reflection high-energy electron diffraction (RHEED) and conducting X-ray diffraction, resistivity measurement, and etching experiment after film formation.
【0018】本発明においては、例えば図1に示す
(A)、(B)、(C)の 3種類の領域に応じて、以下
に示すような薄膜を作り分けることができる。すなわ
ち、(A)有機金属分子フラックスに対して原子状酸素
フラックスやオゾンフラックス等の活性酸素フラックス
が十分に多い領域(図1では10倍以上)では、エピタキ
シャル成長した結晶性のよい酸化物薄膜が得られ、この
膜は塩酸等でエッチングされにくいという特性を有す
る。また、(C)有機金属分子フラックスに対して活性
酸素フラックスが十分ではない領域(図1では 4倍未
満)では、カーボンを10at% 以上含む酸化物薄膜とな
り、この膜は非晶質膜または多結晶膜であって、抵抗率
1Ωcm未満の導電性を有すると共に、塩酸等でエッチン
グされにくいという特性を有する。(B)上記した
(A)領域と(C)領域との間の領域(図1では有機金
属分子フラックスに対して活性酸素フラックスが 4倍以
上10倍未満)では、エピタキシャル成長しない結晶性の
悪い酸化物薄膜となり、この膜は塩酸等でエッチングさ
れ易いという特性を有する。また、(B)領域で得られ
る膜は、(A)領域や(C)領域で得られる膜に比べ
て、Arイオンミリング等によってもエッチングされ易
い。In the present invention, for example, the following thin films can be formed according to the three types of regions (A), (B) and (C) shown in FIG. That is, in the region (A) where the active oxygen flux such as atomic oxygen flux or ozone flux is sufficiently higher than the organometallic molecular flux (10 times or more in FIG. 1), an epitaxially grown oxide thin film with good crystallinity is obtained. This film has the property that it is difficult to etch with hydrochloric acid or the like. In the region (C) where the active oxygen flux is insufficient with respect to the organometallic molecular flux (less than 4 times in FIG. 1), the oxide thin film contains carbon at 10 at% or more. Crystal film with resistivity
It has a conductivity of less than 1 Ωcm and is not easily etched by hydrochloric acid or the like. (B) In the region between the above-mentioned regions (A) and (C) (in FIG. 1, the active oxygen flux is 4 times or more and less than 10 times the organometallic molecule flux), there is no epitaxial growth and oxidation with poor crystallinity It becomes a thin film and has the property of being easily etched by hydrochloric acid or the like. Further, the film obtained in the region (B) is more easily etched by Ar ion milling or the like than the film obtained in the region (A) or the region (C).
【0019】このように、基板上での有機金属化合物の
分子供給密度と活性酸素の供給密度との比を空間的に変
えることによって、例えば同一薄膜層内に電気特性や結
晶性が異なる複数の部分を有する薄膜を作製することが
できる。そこで、例えば空間的に活性酸素の供給密度を
変化させて、有機金属化合物の分子供給密度と活性酸素
の供給密度との比を空間的に変化させることによって、
同一薄膜層内に(A)領域による薄膜、(B)領域によ
る薄膜、および(C)領域による薄膜の少なくとも 2種
以上の部分を作り込むことができる。従って、本発明の
製造方法によれば、例えばフォトリソグラフィ工程が不
要のパターン形成法が実現でき、また不要部分をエッチ
ングし易い酸化物薄膜を得ることができる。As described above, by spatially changing the ratio of the molecule supply density of the organometallic compound to the supply density of the active oxygen on the substrate, for example, a plurality of electric characteristics and crystallinities different in the same thin film layer can be obtained. A thin film having a portion can be manufactured. Therefore, for example, by spatially changing the supply density of active oxygen, by spatially changing the ratio of the molecular metal supply density of the organometallic compound and the active oxygen supply density,
In the same thin film layer, at least two or more portions of the thin film of the (A) region, the thin film of the (B) region, and the thin film of the (C) region can be formed. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, for example, a pattern forming method that does not require a photolithography step can be realized, and an oxide thin film that easily etches an unnecessary portion can be obtained.
【0020】上述したように薄膜の性質が変化する理由
は以下の通りである。(A)領域は基板への有機金属分
子供給密度に対する活性酸素供給密度が十分に多い領域
であり、このように活性酸素を十分に供給することによ
って、カーボン不純物の混入が2次イオン質量分析器
(SIMS)の検出限界以下となる。従って、結晶性が
よく下地に対してエピタキシャルに成長した酸化物薄膜
が得られ、この膜は酸、イオンミリング、プラズマエッ
チング等でエッチングされにくい。(C)領域は基板へ
の有機金属分子供給密度に対する活性酸素供給密度が少
ない領域であり、このような場合には有機金属分子の配
位子を膜中から十分に除去しきれないために、カーボン
が例えば10〜 50at%の範囲で膜中に取り込まれると共
に、金属元素の酸化が不十分となる。従って、金属に近
い電子状態をもつ原子を含むために、抵抗率 1Ωcm未満
の導電性を有する薄膜が得られる。The reason why the properties of the thin film change as described above is as follows. The region (A) is a region in which the active oxygen supply density is sufficiently high relative to the organometallic molecule supply density to the substrate. By sufficiently supplying the active oxygen in this manner, the contamination of carbon impurities is prevented by the secondary ion mass spectrometer. It is below the detection limit of (SIMS). Therefore, an oxide thin film having good crystallinity and grown epitaxially on the base is obtained, and this film is not easily etched by acid, ion milling, plasma etching or the like. The region (C) is a region where the active oxygen supply density is low relative to the organometallic molecule supply density to the substrate. In such a case, the ligands of the organometallic molecules cannot be sufficiently removed from the film, For example, carbon is incorporated into the film in the range of 10 to 50 at% and the oxidation of the metal element becomes insufficient. Therefore, a thin film having conductivity having a resistivity of less than 1 Ωcm can be obtained because it contains atoms having an electronic state close to that of a metal.
【0021】(B)領域は、(A)領域と(C)領域の
中間の領域であり、このような場合には例えば 10at%以
下1at%以上のカーボンが不純物として膜中に混入すると
共に、金属イオンに通常の酸化物中よりも価数の低いも
のが混在する。その結果、エピタキシャル成長せずに、
結晶性の悪い酸化物薄膜となり、酸、イオンミリング、
プラズマエッチング等でエッチングされ易い膜となる。
従って(B)の領域を有効に利用するためには、通常の
酸化物内での価数状態よりも低い価数状態をとり得る金
属イオンを用いることが望ましい。このようなイオンの
例としては、Ti4+(Ti3+)、 V4+(V3+, V2+)、Cr
3+(Cr2+)、Mn3+(Mn2+)、Fe3+(Fe2+)、Co3+(C
o2+)、Ni3+(Ni2+)、Cu2+(Cu1+)、Nb5+(Nb3+)、M
o4+(Mo3+,Mo2+)、Ru4+(Ru3+,Ru2+)、Re6+(R
e4+,Re2+)、 W5+(W4+, W3+, W2+)等の遷移金属元
素イオンや、Ce4+(Ce3+)、Pr4+(Pr3+)、Sm3+(S
m2+)、Eu3+(Eu2+)、Tb4+(Tb3+)、Tm3+(Tm2+)、Y
b3+(Yb2+)等の希土類元素イオンが例示される。な
お、括弧内に通常の酸化物内より低い価数状態を示して
いる。このような金属イオンを含む酸化物を用いること
によって、上述した性質の異なる薄膜をより安定に作製
することが可能となる。The region (B) is a region intermediate between the regions (A) and (C). In such a case, carbon of 10 at% or less and 1 at% or more is mixed in the film as an impurity, and A metal ion having a valence lower than that of an ordinary oxide is mixed. As a result, without epitaxial growth,
It becomes an oxide thin film with poor crystallinity, acid, ion milling,
The film is easily etched by plasma etching or the like.
Therefore, in order to effectively use the region (B), it is desirable to use a metal ion that can have a valence state lower than the valence state in a normal oxide. Examples of such ions are Ti 4+ (Ti 3+ ), V 4+ (V 3+ , V 2+ ), Cr
3+ (Cr 2+ ), Mn 3+ (Mn 2+ ), Fe 3+ (Fe 2+ ), Co 3+ (C
o 2+ ), Ni 3+ (Ni 2+ ), Cu 2+ (Cu 1+ ), Nb 5+ (Nb 3+ ), M
o 4+ (Mo 3+ , Mo 2+ ), Ru 4+ (Ru 3+ , Ru 2+ ), Re 6+ (R
e 4+ , Re 2+ ), W 5+ (W 4+ , W 3+ , W 2+ ), and other transition metal element ions, Ce 4+ (Ce 3+ ), Pr 4+ (Pr 3+ ). , Sm 3+ (S
m 2+ ), Eu 3+ (Eu 2+ ), Tb 4+ (Tb 3+ ), Tm 3+ (Tm 2+ ), Y
Examples are rare earth element ions such as b 3+ (Yb 2+ ). In addition, a valence state lower than that in a normal oxide is shown in parentheses. By using such an oxide containing a metal ion, it becomes possible to more stably manufacture the above-mentioned thin films having different properties.
【0022】次に、本発明の超電導素子の製造方法にお
ける作用をより具体的に述べる。なお、超電導体として
銅酸化物超電導体を用いる場合、絶縁膜としては格子整
合性のよい CeO2 を組合せることが望ましい。Next, the operation of the method for manufacturing a superconducting element of the present invention will be described more specifically. When a copper oxide superconductor is used as the superconductor, it is desirable to combine CeO 2 with good lattice matching as the insulating film.
【0023】(i) 1度の成膜で同一薄膜層内に、
(C)領域によるCeと Cと Oとを主成分とする例えば抵
抗体として機能する膜と、(A)領域による分離用の C
eO2 絶縁膜とを任意の平面形状で作り込むことができ
る。この膜は全域に亘って平坦表面が得られる。(I) In the same thin film layer by one film formation,
For example, a film containing Ce, C, and O as main components in the region (C), which functions as a resistor, and C for separation in the region (A).
The eO 2 insulating film can be formed in any planar shape. A flat surface is obtained over the entire area of this film.
【0024】(ii) 1度の成膜で同一薄膜層内に、
(A)領域による結晶性がよくエピタキシャル成長した
CeO2 絶縁膜と、(B)領域による結晶性が悪い CeO2
絶縁膜または(C)領域によるCeと Cと Oとを主成分と
する膜とを任意の平面形状で作り込むことができる。そ
の上に炭酸基を含まない酸化物超電導体薄膜を積層形成
することによって、(A)領域による膜上では超電導性
が得られ、(B)または(C)領域による膜上ではエピ
タキシャル成長しないこととカーボンの混入により、超
電導性を示さない膜を得ることができる。(Ii) In the same thin film layer by one film formation,
The crystallinity of the (A) region was good and epitaxial growth was performed.
And CeO 2 insulating film, (B) CeO poor crystallinity due to area 2
An insulating film or a film containing Ce and C and O as main components by the (C) region can be formed in an arbitrary plane shape. By laminating an oxide superconductor thin film containing no carbonic acid group thereon, superconductivity can be obtained on the film of the (A) region, and epitaxial growth does not occur on the film of the (B) or (C) region. By mixing carbon, a film that does not exhibit superconductivity can be obtained.
【0025】(iii) 1度の成膜で同一薄膜層中に、
(A)領域による結晶性がよくエピタキシャル成長した
CeO2 絶縁膜と、(B)領域による結晶性が悪く酸等に
溶け易いCeO2 膜とを任意の平面形状で作り込むことが
できる。これを酸等でエッチングすることによって、レ
ジストの塗布、露光、現像のプロセスを経ることなく、
CeO2 絶縁膜をパターニングすることができる。(Iii) In the same thin film layer by one film formation,
The crystallinity of the (A) region was good and epitaxial growth was performed.
And CeO 2 insulating film, it is possible to fabricate the easy CeO 2 film soluble in (B) Crystalline poor acid by the area of any planar shape. By etching this with acid etc., without going through the process of resist coating, exposure and development,
The CeO 2 insulating film can be patterned.
【0026】(iv) 1度の成膜で同一薄膜層中に、
(C)領域によるCeと Cと Oとを主成分とする抵抗膜
と、(B)領域による結晶性が悪く酸等に溶け易い CeO
2 膜とを任意の平面形状で作り込むことができる。これ
を酸等でエッチングすることによって、レジストの塗
布、露光、現像のプロセスを経ることなく、Ceと Cと O
とを主成分とする抵抗膜をパターニングすることができ
る。(Iv) In the same thin film layer by one film formation,
A resistive film containing Ce and C and O as main components in the (C) region, and CeO having poor crystallinity in the (B) region and easily dissolved in an acid or the like.
The two films can be made in any planar shape. By etching this with acid etc., Ce, C and O can be obtained without going through resist coating, exposure and development processes.
It is possible to pattern the resistance film mainly composed of and.
【0027】さらに、本発明の超電導素子では、超電導
層と接する絶縁層の周辺部に1at%以上の炭素を含有させ
ることで、特にNb、 NbN、炭酸基を含む酸化物超電導体
等で超電導層を形成した場合に、超電導層への酸素の拡
散による超電導特性の劣化が抑えられる。ただし、絶縁
層の周辺部における炭素の含有量があまり多いと、絶縁
層の絶縁性が損われるおそれがあるので、ここでの炭素
含有量は 50at%以下、さらには 10at%以下に設定される
ことが好ましい。また、絶縁層の絶縁性の観点からは、
絶縁層の中央部の炭素含有量は1at%未満に設定されるこ
とが好ましいが、本発明の製造方法によれば上述した
(iii)の作用に基いて、このような炭素量の濃度勾配を
有する絶縁層が容易に形成され得る。Further, in the superconducting element of the present invention, carbon is contained at 1 at% or more in the peripheral portion of the insulating layer in contact with the superconducting layer, so that the superconducting layer is made of an oxide superconductor containing Nb, NbN or a carbonic acid group. In the case of forming, the deterioration of superconducting characteristics due to the diffusion of oxygen into the superconducting layer can be suppressed. However, if the carbon content in the periphery of the insulating layer is too high, the insulating property of the insulating layer may be impaired, so the carbon content here is set to 50 at% or less, and further 10 at% or less. It is preferable. Also, from the viewpoint of the insulating property of the insulating layer,
The carbon content in the central portion of the insulating layer is preferably set to less than 1 at%, but according to the manufacturing method of the present invention,
Based on the action of (iii), the insulating layer having such a carbon concentration gradient can be easily formed.
【0028】[0028]
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【0029】まず、上述した (i)〜(iv)の作用を超電導
素子の製造に具体的に適用した例について述べる。図2
は、本発明の製造方法を適用した一実施例の超電導素
子、具体的にはジョセフソン集積回路を示す図である。
図2に示すジョセフソン集積回路においては、基板21
上にグランドプレーンとなる超電導層22が形成されて
おり、その上には分離用絶縁層23と抵抗膜24、さら
にはコンタクトホール25となる部分とが 1度の成膜で
同一の薄膜層26内に形成されている。First, an example in which the above-mentioned actions (i) to (iv) are specifically applied to the manufacture of a superconducting element will be described. Figure 2
FIG. 3 is a diagram showing a superconducting element of one embodiment to which the manufacturing method of the present invention is applied, specifically a Josephson integrated circuit.
In the Josephson integrated circuit shown in FIG.
A superconducting layer 22 serving as a ground plane is formed on the insulating layer 23 for separation, a resistance film 24, and a portion to be a contact hole 25 formed on the same thin film layer 26 by one film formation. Is formed inside.
【0030】すなわち、上記薄膜層26を形成する際
に、例えば活性酸素の供給密度を変えることによって、
分離用絶縁層23に相当する部分では活性酸素の供給量
を有機金属化合物の分子供給量に対して十分に多く設定
し((A)領域)、エピタキシャル成長した結晶性のよ
い絶縁性酸化物薄膜を形成する。抵抗膜24に相当する
部分では、活性酸素の供給量を有機金属化合物の分子供
給量に対して少なくして((C)領域)、抵抗体として
機能するカーボンを10at% 以上含む薄膜を形成する。ま
た、コンタクトホール25となる部分では、活性酸素の
供給量を上記 2種類の薄膜形成時の中間とし、結晶性の
悪いエッチングされ易い酸化物薄膜を形成する。That is, when the thin film layer 26 is formed, for example, by changing the supply density of active oxygen,
In the portion corresponding to the isolation insulating layer 23, the supply amount of active oxygen is set to be sufficiently larger than the supply amount of molecules of the organometallic compound ((A) region), and an insulating oxide thin film with good crystallinity grown epitaxially is formed. Form. In the portion corresponding to the resistance film 24, the supply amount of active oxygen is set to be smaller than the supply amount of molecules of the organometallic compound (region (C)) to form a thin film containing 10 at% or more of carbon functioning as a resistor. . In addition, in the portion to be the contact hole 25, the supply amount of active oxygen is set to an intermediate level between the above two types of thin film formation, and an oxide thin film having poor crystallinity and easily etched is formed.
【0031】薄膜層26の具体な構成としては、例えば
薄膜作製原料の有機金属化合物としてCeを含む有機物質
を用いることによって、分離用絶縁層23としてエピタ
キシャル成長させた CeO2 絶縁膜を作製すると共に、抵
抗膜24としてCe-C-Oを主成分とする膜を作製する。ま
た、コンタクトホール25となる部分には、結晶性の悪
い CeO2 絶縁膜を作製する。ただし、薄膜層26の構成
材料は CeO系に限られるものではなく、Al、Siおよび希
土類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を含む酸化
物であればよく、例えば薄膜作製原料としてAlを含む有
機物質を用いて、分離用絶縁層23としてAl2 O 3 薄膜
を、また抵抗膜24としてAl-C-O系薄膜を形成したり、
また薄膜作製原料としてSiを含む有機物質を用いて、分
離用絶縁層23として SiO2 薄膜を、また抵抗膜24と
してSi-C-O系薄膜を形成することができる。As a specific structure of the thin film layer 26, an CeO 2 insulating film epitaxially grown as the isolation insulating layer 23 is prepared by using an organic substance containing Ce as an organic metal compound as a thin film forming raw material, and A film containing Ce-CO as a main component is formed as the resistance film 24. In addition, a CeO 2 insulating film having poor crystallinity is formed in the portion to be the contact hole 25. However, the constituent material of the thin film layer 26 is not limited to the CeO-based material, and may be an oxide containing at least one element selected from Al, Si and a rare earth element. By using a substance, an Al 2 O 3 thin film is formed as the isolation insulating layer 23, and an Al—CO based thin film is formed as the resistance film 24.
Further, by using an organic substance containing Si as a thin film forming material, a SiO 2 thin film can be formed as the separation insulating layer 23 and a Si—CO based thin film can be formed as the resistance film 24.
【0032】上述した 3種類の酸化物薄膜は、例えば原
子状酸素やオゾン等の活性酸素を含むガスの吹き出し口
と基板との間にマスクを設けたり、また吹き出し口を非
常に指向性の強いノズルにすると共にノズルの向きを可
動とし、細く絞った活性酸素を含むガスのビームで基板
上をスキャンすることで、活性酸素の供給量を各薄膜の
形成領域に応じて空間的に変化させ、これにによって 1
度の成膜で連続的に同一の薄膜層26内に形成すること
ができる。The above-mentioned three kinds of oxide thin films are provided with a mask between a substrate and a gas outlet containing a gas containing active oxygen such as atomic oxygen or ozone, and the outlet has a very strong directivity. By changing the direction of the nozzle while making it a nozzle and scanning the substrate with a beam of a gas containing active oxygen that has been narrowed down, the supply amount of active oxygen is spatially changed according to the formation region of each thin film, By this 1
The same thin film layer 26 can be continuously formed by forming the film once.
【0033】抵抗膜24は、薄膜層26を形成した時点
で所望形状にパターニングされていると共に、周囲の分
離用絶縁層23と表面が連続した平坦面とされている。
従って、従来の製造方法では必要であった抵抗膜のリソ
グラフィ工程、すなわちレジストの塗布・露光・現像工
程と抵抗膜のエッチング工程が不要となる。さらに、図
34に示した従来例では必要であった抵抗膜周囲の溝を
スピン・オン・ガラス(SOG)等で平坦化する工程も
不要となる。これらによって、製造工数を大幅に削減す
ることができる。これが前述した (i)の作用を具体化し
た例である。The resistance film 24 is patterned into a desired shape when the thin film layer 26 is formed, and is a flat surface continuous with the surrounding isolation insulating layer 23.
Therefore, the lithography process of the resistance film, that is, the resist coating / exposure / development process and the etching process of the resistance film, which are required in the conventional manufacturing method, are unnecessary. Further, the step of flattening the groove around the resistance film by spin-on-glass (SOG) or the like, which is necessary in the conventional example shown in FIG. 34, is also unnecessary. With these, the number of manufacturing steps can be significantly reduced. This is an example of embodying the action of (i) described above.
【0034】また、上記薄膜層26を形成した後に、塩
酸等でエッチングを行うことによって、エッチングされ
易い酸化物薄膜部分のみが除去されて、グランドプレー
ンとなる超電導層22へのコンタクトホール25が形成
される。この際、分離用絶縁層23および抵抗膜24は
容易には塩酸でエッチングされない。従って、レジスト
の塗布・露光・現像工程と絶縁層のエッチング工程を行
うことなく、コンタクトホール25を形成することがで
きる。これが前述した (iii)の作用を具体化した例であ
る。Further, after forming the thin film layer 26, etching is performed with hydrochloric acid or the like to remove only the oxide thin film portion which is easily etched to form a contact hole 25 to the superconducting layer 22 which becomes a ground plane. To be done. At this time, the isolation insulating layer 23 and the resistance film 24 are not easily etched with hydrochloric acid. Therefore, the contact hole 25 can be formed without performing the resist coating / exposure / development process and the insulating layer etching process. This is an example of embodying the action of (iii) described above.
【0035】そして、上述したジョセフソン集積回路に
おいては、コンタクトホール25の形成後に超電導層2
7を積層形成して、コンタクトホール25内を超電導層
27で埋め込むと共に、さらに分離用絶縁層28および
超電導層29を形成することによって、ジョセフソン接
合30が形成されている。この場合、超電導層22、2
7、29は酸化物超電導体膜でもよいし、Nbや NbN等の
金属系超電導体膜でもよい。薄膜層26は酸化物薄膜で
あり、絶縁層23等とエピタキシャルに積層できること
を考えると、超電導層22、27、29には銅酸化物超
電導体膜を用いることが望ましい。In the Josephson integrated circuit described above, the superconducting layer 2 is formed after the contact hole 25 is formed.
A Josephson junction 30 is formed by laminating 7 and filling the inside of the contact hole 25 with the superconducting layer 27, and further forming the isolation insulating layer 28 and the superconducting layer 29. In this case, the superconducting layers 22, 2
7 and 29 may be an oxide superconductor film or a metal superconductor film such as Nb or NbN. Considering that the thin film layer 26 is an oxide thin film and can be epitaxially stacked with the insulating layer 23 and the like, it is desirable to use a copper oxide superconductor film for the superconducting layers 22, 27 and 29.
【0036】上記実施例のジョセフソン集積回路(超電
導素子)は、上述した製造工程上の利点に加えて、以下
に示す構造上の利点を有している。第1に、(A)領域
に対応する分離用絶縁層23と(B)領域に対応するコ
ンタクトホール25となる部分との界面や(A)領域に
対応する分離用絶縁層23と(C)領域に対応する抵抗
膜24との界面では、活性酸素供給密度が有限の距離内
で変化するために、膜中のカーボン濃度が変化する遷移
領域が存在する。この遷移領域の幅はパターン最小幅の
1/10〜1/1000程度である。これらの遷移領域では膜質が
徐々に変化すると共に、各膜の構成元素が似ていること
から、それぞれの界面は温度サイクルを与えても熱応力
が発生しにくく、クラック等が生じにくいという利点が
得られる。これに対して、例えば超電導体としてNbや N
bNを用いた従来の超電導素子では、主として抵抗膜とし
てMo、また絶縁層として SiO2 が用いられており、抵抗
膜と絶縁層の材質が全く異なるために、両者の熱膨張係
数が著しく異なり、素子作製時の温度(例えば700K)か
ら素子動作時の温度(例えば4.2K)までの温度サイクル
で抵抗膜と絶縁層との間にクラックが入ったり、ここか
ら膜が剥離し易い等の欠点を有していた。上記実施例の
超電導素子は、これらの欠点を克服したものである。The Josephson integrated circuit (superconducting element) of the above-mentioned embodiment has the following structural advantages in addition to the advantages of the manufacturing process described above. First, the interface between the isolation insulating layer 23 corresponding to the (A) region and the portion to be the contact hole 25 corresponding to the (B) region, and the isolation insulating layer 23 corresponding to the (A) region and (C). At the interface with the resistance film 24 corresponding to the region, there is a transition region where the carbon concentration in the film changes because the active oxygen supply density changes within a finite distance. The width of this transition area is the minimum pattern width
It is about 1/10 to 1/1000. In these transition regions, the film quality gradually changes, and since the constituent elements of each film are similar, thermal stress is less likely to occur at each interface even if a temperature cycle is applied, and cracks and the like are less likely to occur. can get. On the other hand, for example, Nb or N
In a conventional superconducting element using bN, Mo is mainly used as a resistance film, and SiO 2 is used as an insulating layer.Since the materials of the resistance film and the insulating layer are completely different, the thermal expansion coefficients of the two are significantly different, Defects such as cracks between the resistance film and the insulating layer or easy peeling of the film from the temperature during the device fabrication (for example, 700K) to the temperature during device operation (for example, 4.2K). Had. The superconducting device of the above embodiment overcomes these drawbacks.
【0037】第2に、コンタクトホール25の周囲の絶
縁層23には、エッチング後も遷移領域として例えば1a
t%以上程度の若干のカーボンを含む領域が残っている。
また、抵抗膜24もカーボンを含んでいる。このこと
は、超電導電極にNbを用いた場合に以下の利点となる。
すなわち、Nbが酸化物と接する場合、Nbに酸素が拡散し
て超電導特性が劣化するという問題があった。これに対
して、上記コンタクトホール25にNbを堆積させた場合
には、コンタクトホール25の周囲の絶縁層23が遷移
領域として若干のカーボンを含む層を有しているため、
言い換えるとNb超電導体と接する絶縁層23の周辺部が
若干のカーボンを含むため、絶縁体と超電導体との界面
にNb-C-Oができ、これによって超電導電極への酸素の拡
散が抑制されるために、コンタクトホール25内の超電
導電極の特性劣化を防止することができる。さらに、同
様にカーボンを含む抵抗膜24上にNb超電導体を積層し
た場合にも界面にNb-C-Oができるため、超電導電極への
酸素の拡散が抑制されて、超電導特性の劣化を防止する
ことができる。なお、酸化物とNbとが接する場合に、そ
の間に 2.5〜 3nm程度の厚さの結晶質 NbC0.25O 0.75膜
が介在すると、超電導電極への酸素の拡散が抑制され
て、超電導特性の劣化が抑制されることは、既にS.I.Ra
ider, R.W.Johnson, T.S.Kuan, R.E.Drake, and R.A.Po
llak, IEEE Transon Magnetics, MAG-19, 803(1983) に
記載されている。Second, the insulating layer 23 around the contact hole 25 has, for example, 1a as a transition region even after etching.
A region containing some carbon of about t% or more remains.
The resistance film 24 also contains carbon. This has the following advantages when Nb is used for the superconducting electrode.
That is, when Nb is in contact with the oxide, there is a problem that oxygen is diffused into Nb and the superconducting property is deteriorated. On the other hand, when Nb is deposited in the contact hole 25, the insulating layer 23 around the contact hole 25 has a layer containing some carbon as a transition region.
In other words, since the peripheral portion of the insulating layer 23 that is in contact with the Nb superconductor contains some carbon, Nb-CO is formed at the interface between the insulator and the superconductor, which suppresses the diffusion of oxygen to the superconducting electrode. In addition, it is possible to prevent the characteristic deterioration of the superconducting conductive electrode in the contact hole 25. Similarly, when Nb superconductor is laminated on the resistance film 24 containing carbon as well, Nb-CO is formed at the interface, so that diffusion of oxygen to the superconducting electrode is suppressed and deterioration of superconducting characteristics is prevented. You can When the oxide and Nb are in contact with each other, if a crystalline NbC 0.25 O 0.75 film having a thickness of about 2.5 to 3 nm is interposed between them, diffusion of oxygen to the superconducting electrode is suppressed, and deterioration of superconducting characteristics is caused. To be suppressed is already SIRa
ider, RWJohnson, TSKuan, REDrake, and RAPo
llak, IEEE Transon Magnetics, MAG-19 , 803 (1983).
【0038】また、超電導電極に NbNを用いた場合には
以下の利点が生じる。コンタクトホール25の周囲や抵
抗膜24がカーボンを含むことから、そこから超電導体
に向けて若干のカーボンの拡散が起こり、 NbN超電導体
の超電導特性の向上あるいは超電導特性の劣化防止に役
立つ。 NbN薄膜に若干のカーボンが混入するとTc が向
上することは、例えばE.J.Cukaukas, W.L.Carter, and
S.B.Qadri, J.Appl.Phys. 57, 2538(1985)に既に記載さ
れている。他に、超電導電極に例えば(Ba1-x Srx )2
Cu1+y O 2+2y+5(CO3 )1-y や Y1-x Cax Sr2 Cu
2+y (CO3 )1-yOz 等の炭酸基を含む層状銅酸化物超電
導体を用いた場合にも、上記と同様にカーボンの存在が
超電導特性の向上あるいは超電導特性の劣化防止に役立
つ。ただし、ここでこのような酸素の拡散を十分に抑え
る上では、1at%以上のカーボンを含む領域の幅は 2nm以
上であることが好ましい。Further, when NbN is used for the superconducting electrode, the following advantages occur. Since the periphery of the contact hole 25 and the resistance film 24 contain carbon, a slight amount of carbon diffuses from there to the superconductor, which helps improve the superconducting property of the NbN superconductor or prevent deterioration of the superconducting property. That some of the carbon in the NbN film is improved to the T c is mixed, for example EJCukaukas, WLCarter, and
SBQadri, J. Appl. Phys. 57 , 2538 (1985). Besides, for example, (Ba 1-x Sr x ) 2
Cu 1 + y O 2 + 2y + 5 (CO 3 ) 1-y and Y 1-x Ca x Sr 2 Cu
Even when a layered copper oxide superconductor containing a carbonate group such as 2 + y (CO 3 ) 1-y O z is used, the presence of carbon also improves the superconducting properties or prevents the deterioration of the superconducting properties as described above. Be useful. However, in order to sufficiently suppress such oxygen diffusion, the width of the region containing 1 at% or more of carbon is preferably 2 nm or more.
【0039】図3は、本発明の製造方法を適用した他の
実施例の超電導素子、具体的には炭酸基を含まない酸化
物超電導体を用いた受動マイクロ波素子を示す図であ
る。なお、基本的な構造は図35と同様である。この場
合、誘電損失が少なく、かつ大面積基板が容易に得られ
るサファイヤを基板31として用いることが望ましい。
図3に示す受動マイクロ波素子において、サファイヤ基
板31上には、(A)領域による結晶性のよいエピタキ
シャルした絶縁層32と(C)領域による層33とが 1
度の成膜で同一の薄膜層34内に形成されている。この
薄膜層34上には酸化物超電導体35が堆積されている
が、(A)領域による絶縁層32上には超電導性を示す
酸化物超電導体膜36が形成されているのに対し、
(C)領域による層33上ではエピタキシャル成長しな
いこととカーボンの混入によって、超電導性を示さない
膜37が形成されている。従って、従来の製造方法では
必要であった超電導体膜堆積後のリソグラフィ工程が不
要となる。これは前述した(ii)の作用を具体化した例で
ある。FIG. 3 is a view showing a superconducting device of another embodiment to which the manufacturing method of the present invention is applied, specifically, a passive microwave device using an oxide superconductor containing no carbonate group. The basic structure is the same as in FIG. In this case, it is desirable to use, as the substrate 31, sapphire that has a small dielectric loss and can easily obtain a large-sized substrate.
In the passive microwave device shown in FIG. 3, on the sapphire substrate 31, an epitaxial insulating layer 32 having good crystallinity by the (A) region and a layer 33 by the (C) region are provided.
The thin film layer 34 is formed in the same thin film layer 34 once. The oxide superconductor 35 is deposited on the thin film layer 34, while the oxide superconductor film 36 having superconductivity is formed on the insulating layer 32 formed by the region (A).
A film 37 that does not exhibit superconductivity is formed on the layer 33 of the region (C) because it does not grow epitaxially and carbon is mixed. Therefore, the lithography process after the superconducting film deposition, which is necessary in the conventional manufacturing method, is not necessary. This is an example in which the above-mentioned action (ii) is embodied.
【0040】同じく、サファイヤ基板上に酸化物超電導
体を堆積した受動マイクロ波素子において、 (iii)の作
用を具体化した実施例について述べる。図4は、この実
施例の受動マイクロ波素子の製造工程を示す図である。
まず、図4(a)に示すように、 1度の成膜で同一薄膜
層38中に、(A)領域による結晶性のよいエピタキシ
ャルした絶縁層39と(B)領域による結晶性が悪く酸
に溶け易い絶縁層40とを作り込む。次いで、結晶性が
悪い絶縁層40を塩酸でエッチングして、エピタキシャ
ル成長した絶縁層39の部分だけを残す(図4
(b))。その上に銅酸化物超電導体を堆積すると、エ
ピタキシャル成長した絶縁層39上には超電導性を示す
酸化物超電導体膜41が形成され、サファイヤ基板31
上に直接堆積した部分42は基板との反応により超電導
性を示さない。従って、超電導体膜堆積後のパターニン
グ工程を行うことなく、受動マイクロ波素子を作製する
ことができる。また、基板としてSi基板を用いた場合に
も、基板と超電導体膜との反応が起きるために同じ効果
が得られる。Similarly, in the passive microwave device in which the oxide superconductor is deposited on the sapphire substrate, an embodiment in which the action (iii) is embodied will be described. FIG. 4 is a diagram showing the manufacturing process of the passive microwave element of this embodiment.
First, as shown in FIG. 4A, an epitaxial insulating layer 39 having good crystallinity due to the (A) region and a crystallinity having poor crystallinity due to the (B) region are formed in the same thin film layer 38 by one film formation. And an insulating layer 40 that is easily melted. Then, the insulating layer 40 having poor crystallinity is etched with hydrochloric acid to leave only the portion of the insulating layer 39 epitaxially grown (FIG. 4).
(B)). When a copper oxide superconductor is deposited thereon, an oxide superconductor film 41 exhibiting superconductivity is formed on the epitaxially grown insulating layer 39, and the sapphire substrate 31 is formed.
The portion 42 deposited directly on it does not exhibit superconductivity due to reaction with the substrate. Therefore, the passive microwave element can be manufactured without performing the patterning process after the deposition of the superconductor film. Also, when a Si substrate is used as the substrate, the same effect can be obtained because the reaction between the substrate and the superconductor film occurs.
【0041】他方、基板として SrTiO3 や LaAlO3 等の
銅酸化物超電導体と反応せず、格子整合性に優れた基板
を用いた場合は、基板上に直接堆積した銅酸化物超電導
体も超電導性を示す。この場合には、超電導体膜よりも
エピタキシャル絶縁層の方を厚くすることによって、上
段と下段の超電導体膜を空間的にかつ電気的に分離する
ことができる。この技術は受動マイクロ波素子や超電導
集積回路の超電導配線に有効である。ストリップライン
遅延線の場合、限られた面積の基板上にどれだけ長い超
電導線を描けるかが重要である。図5に示すように、上
段の超電導線43と下段の超電導線44とを基板中央で
接続用超電導体45で接続すれば、面積利用効率の高い
遅延線を容易に作製することができる。[0041] On the other hand, it does not react with SrTiO 3 and LaAlO 3 as copper oxide superconductor as the substrate, in the case of using a substrate having excellent lattice matching, copper oxide superconductor deposited directly on the substrate also superconducting Shows sex. In this case, the upper and lower superconducting films can be spatially and electrically separated by making the epitaxial insulating layer thicker than the superconducting film. This technology is effective for superconducting wiring of passive microwave devices and superconducting integrated circuits. In the case of a stripline delay line, it is important how long a superconducting wire can be drawn on a substrate with a limited area. As shown in FIG. 5, by connecting the upper superconducting wire 43 and the lower superconducting wire 44 with the connecting superconductor 45 at the center of the substrate, a delay line with high area utilization efficiency can be easily manufactured.
【0042】図6は、 (iii)の作用を応用したbi-epita
xialジョセフソン接合の製造工程を示す図である。すな
わち、まず図6(a)に示すように、 MgO基板46上に
1度の成膜で同一薄膜層47中に、結晶性がよくエピタ
キシャル成長した絶縁層48と結晶性が悪く酸に溶け易
い絶縁層49とを作り込む。次いで、結晶性が悪い絶縁
層49のみを塩酸でエッチングして、エピタキシャル絶
縁層48だけ残す(図6(b))。その上に YBa2 Cu3
O 7 等の銅酸化物超電導体膜50を堆積することによっ
て、bi-epitaxialジョセフソン接合を形成することがで
きる。これは図36に示した従来例に比べて、レジスト
の塗布・露光・現像工程、 CaOの堆積工程および 2回の
リソグラフィ工程が不要となり、製造効率が大幅に向上
する。FIG. 6 is a bi-epita to which the action (iii) is applied.
It is a figure which shows the manufacturing process of a xial Josephson junction. That is, first, as shown in FIG.
An insulating layer 48 having good crystallinity and epitaxially grown and an insulating layer 49 having poor crystallinity and easily soluble in acid are formed in the same thin film layer 47 by one film formation. Then, only the insulating layer 49 having poor crystallinity is etched with hydrochloric acid to leave only the epitaxial insulating layer 48 (FIG. 6B). On top of that YBa 2 Cu 3
A bi-epitaxial Josephson junction can be formed by depositing a copper oxide superconductor film 50 such as O 7 . Compared with the conventional example shown in FIG. 36, this eliminates the need for resist coating / exposure / development, CaO deposition, and two lithography steps, resulting in a significant improvement in manufacturing efficiency.
【0043】前述した(iv)の作用は、ジョセフソン集積
回路の抵抗膜のパターニング等に適用することができ
る。また、 LaAlO3 基板上に銅酸化物超電導体を堆積し
た受動マイクロ波素子にも応用できる。 LaAlO3 基板上
に(iv)の作用に準じてパターニングしたCe-C-O系薄膜等
を作製し、その上に銅酸化物超電導体を堆積すると、La
AlO3 上に堆積した部分は超電導性を示し、Ce-C-O系薄
膜上に堆積した部分はエピタキシャル成長しないことと
カーボンの混入により超電導性を示さない。従って、従
来の製造工程では必要であった超電導膜堆積後のリソグ
ラフィ工程が不要となる。The function (iv) described above can be applied to patterning of the resistance film of the Josephson integrated circuit. It can also be applied to a passive microwave device in which a copper oxide superconductor is deposited on a LaAlO 3 substrate. When a Ce-CO-based thin film patterned according to the action of (iv) is produced on a LaAlO 3 substrate and a copper oxide superconductor is deposited on it, La
The portion deposited on AlO 3 exhibits superconductivity, and the portion deposited on the Ce-CO thin film does not exhibit superconductivity because it does not grow epitaxially and contains carbon. Therefore, the lithography process after the superconducting film deposition, which was necessary in the conventional manufacturing process, becomes unnecessary.
【0044】次に、本発明のより詳細な実施例について
述べる。Next, more detailed examples of the present invention will be described.
【0045】実施例1 まず、以下の実施例で用いた成膜装置について、図7を
参照して説明する。図7に示すMBE成膜装置は、成膜
室51内に例えば鉛系層状銅酸化物超電導体の原料とな
るPb、Sr、Ca、Dy、Cu等がそれぞれ収容された 5本のク
ヌーセン・セル52、53、54、55、56、および
ガスソースノズル57が配置されている。また、成膜室
51内には、ECRガン58が設置されており、基板ホ
ルダ59にセットされた基板60に対して活性酸素を照
射することを可能にしている。成膜室51への活性酸素
含有ガスの供給量は例えば 0.7〜 4.0sccmとし、またプ
ラズマへの入射電力は100Wとした。このMBE成膜装置
では、(Pb2 Cu)Sr2 (Dy,Ca)Cu2 O 8+δ超電導体膜を
エピタキシャルに層状成長させることができる。Example 1 First, the film forming apparatus used in the following examples will be described with reference to FIG. The MBE film forming apparatus shown in FIG. 7 has five Knudsen cells each containing, for example, Pb, Sr, Ca, Dy, and Cu, which are raw materials for lead-based layered copper oxide superconductors, in the film forming chamber 51. 52, 53, 54, 55, 56 and a gas source nozzle 57 are arranged. Further, an ECR gun 58 is installed in the film forming chamber 51, and it is possible to irradiate the substrate 60 set on the substrate holder 59 with active oxygen. The supply amount of the active oxygen-containing gas to the film forming chamber 51 was, for example, 0.7 to 4.0 sccm, and the incident power on the plasma was 100 W. With this MBE film forming apparatus, a (Pb 2 Cu) Sr 2 (Dy, Ca) Cu 2 O 8 + δ superconductor film can be epitaxially grown in a layered manner.
【0046】成膜室51は、例えば図示を省略した排気
速度 2000l/sのクライオポンプで排気され、成膜室51
内の圧力はイオンゲージ61で測定される。この実施例
の成膜では、成膜室51内の圧力は 1.2〜 5.6×10-3Pa
であった。成膜室51は、さらに差動排気した電子銃6
2と蛍光スクリーン63とを有し、成長過程のRHEE
D観察を可能にしている。この実施例では電子加速電圧
は25〜30kVとした。The film forming chamber 51 is evacuated by a cryopump (not shown) having an evacuation speed of 2000 l / s, and the film forming chamber 51 is evacuated.
The internal pressure is measured by the ion gauge 61. In the film formation of this embodiment, the pressure in the film formation chamber 51 is 1.2 to 5.6 × 10 −3 Pa.
Met. The film forming chamber 51 is further provided with an electron gun 6 which is differentially evacuated.
2 and a fluorescent screen 63, RHEE in the growth process
D observation is possible. In this example, the electron acceleration voltage was 25 to 30 kV.
【0047】基板60としては、単結晶 SrTiO3 の (10
0)面と (110)面を用い、図示を省略した加熱ヒータで 3
50〜 850℃に加熱した。また図示を省略したが、基板6
0の直下に水晶振動子式膜圧計がセットされており、ク
ヌーセン・セル52、53、54、55、56やガスソ
ースノズル57からの分子線強度がモニタできるように
構成されている。As the substrate 60, a single crystal SrTiO 3 (10
Using the (0) plane and (110) plane, a heater (not shown)
Heated to 50-850 ° C. Although not shown, the substrate 6
A crystal oscillator type film pressure gauge is set immediately below 0, and is configured so that the molecular beam intensity from the Knudsen cells 52, 53, 54, 55, 56 and the gas source nozzle 57 can be monitored.
【0048】ガスソースノズル57は、成膜室51外に
設置された酸化物薄膜の作製源となる有機金属ガスソー
ス源64に接続されている。有機金属ガスソース源64
は、例えば成膜室51の側壁に設けられたφ70のICF
フランジ(図示せず)から1/4インチのガス供給パイプ
65を介してガスソースノズル57に接続されている。
すなわち、有機金属ガスソース源64は、成膜室51に
φ70のICFフランジを 1個設けておくことによって簡
単に設置できる。The gas source nozzle 57 is connected to an organic metal gas source source 64, which is provided outside the film formation chamber 51 and serves as a source for producing an oxide thin film. Organic metal gas source source 64
Is, for example, a φ70 ICF provided on the side wall of the film forming chamber 51.
It is connected to a gas source nozzle 57 from a flange (not shown) via a gas supply pipe 65 of 1/4 inch.
That is, the organometallic gas source source 64 can be easily installed by providing one φ70 ICF flange in the film forming chamber 51.
【0049】有機金属化合物原料としては、Ceのβ- ジ
ケトン錯体を用いた。具体的な化合物としては、tetrak
is[2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato]cerium
(略称:Ce(thd)4 )、tris[2,2,6,6-tetramethyl-3,5-
heptanedionato]cerium(略称:Ce(thd)3 )、tetrakis
[6,6,6-trifluoro-2,2-dimethyl-3,5-hexanedionato]c
erium(略称:Ce(fdh)4 )、1,10-phenanthrolinetris
[2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato]cerium(略
称:Ce(thd)3 phen)、1,10-phenanthrolinetris[6,6,6
-trifluoro-2,2-dimethy1-3,5-hexanedionato]cerium
(略称:Ce(fdh)3phen)等を使用することができる。こ
れらCeのβ- ジケトン錯体は、 100〜 300℃の間で十分
な蒸気圧をもち、かつ酸素ガスが存在する中で 300℃以
上で分解してCeが堆積することから、MOMBE法の原
料に適している。As the organometallic compound raw material, a β-diketone complex of Ce was used. Specific compounds include tetrak
is [2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato] cerium
(Abbreviation: Ce (thd) 4 ), tris [2,2,6,6-tetramethyl-3,5-
heptanedionato] cerium (abbreviation: Ce (thd) 3 ), tetrakis
[6,6,6-trifluoro-2,2-dimethyl-3,5-hexanedionato] c
erium (abbreviation: Ce (fdh) 4 ), 1,10-phenanthrolinetris
[2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato] cerium (abbreviation: Ce (thd) 3 phen), 1,10-phenanthrolinetris [6,6,6
-trifluoro-2,2-dimethy1-3,5-hexanedionato] cerium
(Abbreviation: Ce (fdh) 3 phen) or the like can be used. These β-diketone complexes of Ce have a sufficient vapor pressure between 100 and 300 ° C, and decompose at temperatures above 300 ° C in the presence of oxygen gas to deposit Ce. Is suitable.
【0050】Ce(thd)4 やCe (thd)3 phenを真空中で加
熱した場合の蒸気成分の質量分析結果では、[Ce(th
d)3 ]+ (M=689) が最も多い。そこで、最初から原料に
Ce(thd)3 を使用すれば、不要な配位子成分を少なくで
きる。本発明の製造方法においては、原料としてCeの有
機金属化合物の代わりに、例えばPr、Dy、Eu等の他の希
土類元素やAl、Si等のβ- ジケトン錯体を使用すること
もできる。ただし、エピタキシャル成長した酸化膜と銅
酸化物超電導体との格子整合等の相性を考えると、Ceの
β- ジケトン錯体を用いて、 CeO2 が主成分の絶縁膜を
作製することが望ましい。The mass analysis results of the vapor components when Ce (thd) 4 and Ce (thd) 3 phen were heated in vacuum showed that [Ce (th
d) 3 ] + (M = 689) is the most common. Therefore, from the beginning to raw materials
If Ce (thd) 3 is used, unnecessary ligand components can be reduced. In the production method of the present invention, other rare earth elements such as Pr, Dy, and Eu, and β-diketone complexes such as Al and Si can be used as the raw material instead of the organometallic compound of Ce. However, considering the compatibility such as lattice matching between the epitaxially grown oxide film and the copper oxide superconductor, it is desirable to use Ce β 2 -diketone complex to form an insulating film containing CeO 2 as a main component.
【0051】次に、具体的な薄膜作製例について述べ
る。以下の薄膜作製例で用いた有機金属化合物原料は C
e(thd)3 、別名tris(dipivaloymethanate)ceriumであ
り、以下では Ce(dpm)3 と略記する。その構造式を図8
に示す。化学式は(C11H 19O 2 )3 Ceであり、分子量は
689.9である。TG−DTAカーブによると、融点は 2
00℃であり、約 160℃から昇華による重量減少が始ま
り、 320℃付近に残った原料の分解によると思われる発
熱ピークがある。従って、原料温度は劣化を防ぐため
に、 150℃以上 200℃以下とすることが望ましい。ま
た、ガス輸送経路の配管内での分解を防ぐために、配管
温度は 320℃以下とすることが望ましい。Next, a specific example of thin film production will be described. The organometallic compound raw material used in the following thin film preparation examples is C
e (thd) 3 , also known as tris (dipivaloymethanate) cerium, is abbreviated below as Ce (dpm) 3 . Its structural formula is shown in FIG.
Shown in The chemical formula is (C 11 H 19 O 2 ) 3 Ce, and the molecular weight is
689.9. According to the TG-DTA curve, the melting point is 2
The temperature is 00 ° C, and the weight loss due to sublimation begins at about 160 ° C, and there is an exothermic peak near 320 ° C, which is thought to be due to the decomposition of the raw material. Therefore, the raw material temperature is preferably 150 ° C or higher and 200 ° C or lower to prevent deterioration. Moreover, in order to prevent decomposition in the pipe of the gas transportation route, it is desirable that the pipe temperature is 320 ° C or lower.
【0052】図9に、有機金属ガスソース源64および
ガスソースノズル57付近の詳細図を示す。原料容器6
41に収容された有機金属化合物原料は、成膜室51外
に設けたヒータ642を有するオーブン643内で 150
〜 190℃の一定温度に加熱され、昇華した気体は 3つの
ヒータ651a、651b、651cで加熱されたガス
供給パイプ65により基板60付近まで導かれ、ガスソ
ースノズル57から基板60に向けて照射される。輸送
経路の圧力を制御してガス供給量を制御するために、 2
つのバリアブルリークバルブVLV1、VLV2が設けられてい
る。ガス供給時には、バルブV1とバリアブルリークバル
ブVLV1を全開にすると共に、他のバルブV2、V3、VLV2を
閉め、またガス供給量の制御はオーブン643の温度を
制御することにより行った。FIG. 9 shows a detailed view of the vicinity of the organometallic gas source 64 and the gas source nozzle 57. Raw material container 6
The organometallic compound raw material stored in 41 is stored in an oven 643 having a heater 642 provided outside the film formation chamber 51.
The gas that has been heated to a constant temperature of 190 ° C and sublimated is guided to the vicinity of the substrate 60 by the gas supply pipe 65 heated by the three heaters 651a, 651b, and 651c, and is irradiated from the gas source nozzle 57 toward the substrate 60. It In order to control the pressure of the transportation route and the gas supply amount, 2
Two variable leak valves VLV1 and VLV2 are provided. At the time of gas supply, the valve V1 and the variable leak valve VLV1 were fully opened, the other valves V2, V3, and VLV2 were closed, and the gas supply amount was controlled by controlling the temperature of the oven 643.
【0053】原料ガス圧は、絶対圧計644(この実施
例ではMKS社製バラトロン Type315(10Torr Head)(20
0℃まで使用可)とType 270-4(Elctronics Unit)とを
組合せて使用)で測定した。バリアブルリークバルブVL
V1、VLV2やバラトロン絶対圧計644への原料の凝集を
防ぐために、オーブン643内では原料容器641が最
も温度が低く、バリアブルリークバルブVLV1、VLV2やバ
ラトロン絶対圧計644はそれよりも約10℃高く設定さ
れている。オーブン643の外側に配置された1/4イン
チのガス供給パイプ65は、ヒータ651a、651
b、651cによって、 3領域に分けて加熱されてい
る。ガス供給パイプ65の先端は、半径0.11mmの穴を空
けたノズル57となっており、このガスソースノズル5
7の先には基板60への分子線束を遮るシャッタ66が
設けられている。The raw material gas pressure was measured by an absolute pressure gauge 644 (in this embodiment, MKS Co., Ltd. Baratron Type315 (10 Torr Head) (20
It can be used up to 0 ° C) and Type 270-4 (Elctronics Unit) in combination). Variable leak valve VL
The raw material container 641 has the lowest temperature in the oven 643 and the variable leak valves VLV1, VLV2 and Baratron absolute pressure gauge 644 are set about 10 ° C higher than that in order to prevent the raw material from aggregating to V1, VLV2 and Baratron absolute pressure gauge 644. Has been done. The 1 / 4-inch gas supply pipe 65 arranged outside the oven 643 has heaters 651 a and 651.
It is divided into three regions and heated by b and 651c. The tip of the gas supply pipe 65 is a nozzle 57 having a hole with a radius of 0.11 mm.
A shutter 66 for blocking the molecular beam flux to the substrate 60 is provided at the tip of 7.
【0054】ここで、安定にガス供給を行うためには、
ガス供給パイプ65を均一に加熱することが重要であ
る。例えば、オーブン643と成膜室51との間のパイ
プ65にベローズバルブやVCR継ぎ手等を配置すると
温度が局所的に低下し、原料が粉状となって堆積し、さ
らには配管詰り等を起こして、基板60上に微量のCe酸
化物しか堆積することができなくなる。そこで、オーブ
ン643と成膜室51との間のガス供給パイプ65に
は、温度低下の要因となるベローズバルブやVCR継ぎ
手等は設置していない。また、ヒータ651aには均熱
を保ちやすいテープヒータを用いた。Here, in order to stably supply the gas,
It is important to heat the gas supply pipe 65 uniformly. For example, if a bellows valve, a VCR joint, or the like is arranged in the pipe 65 between the oven 643 and the film forming chamber 51, the temperature is locally lowered, the raw material is deposited as powder, and the pipe is clogged. Therefore, only a trace amount of Ce oxide can be deposited on the substrate 60. Therefore, the gas supply pipe 65 between the oven 643 and the film forming chamber 51 is not provided with a bellows valve, a VCR joint or the like which causes a temperature decrease. In addition, a tape heater is used as the heater 651a because it is easy to maintain uniform heating.
【0055】また、ガスソースノズル57近傍の温度制
御が不十分であると、 700〜 800℃に基板60を加熱し
た際に、その輻射でノズル57先端から50mm程度の温度
が上がりすぎたり、また下がりすぎたりするために、パ
イプ内壁への原料の吸着と脱離が起きて、原料ガス圧力
が変動する。そこで、ガスソースノズル57近傍部分だ
け独立に温度制御し得るように、ヒータ651cと熱電
対TC4 と図示を省略した温度コントローラとを設けた。
さらに、ガスソース用のシャッタ66は、開状態の際に
も基板60とノズル57付近との間の熱遮蔽板の役割を
兼ねる形状としてた。そのため、シャッタ66の軸回転
は14°± 0.5°の精度で制御する必要が生じたために、
シャッタ66の開閉には従来の圧空式アクチュエータに
代えてステッピングモータと制御器を用いた。If the temperature control in the vicinity of the gas source nozzle 57 is insufficient, when the substrate 60 is heated to 700 to 800 ° C., the radiation raises the temperature by about 50 mm from the tip of the nozzle 57, or the temperature rises too much. Since the pressure drops too much, adsorption and desorption of the raw material on the inner wall of the pipe occur and the raw material gas pressure fluctuates. Therefore, a heater 651c, a thermocouple TC4, and a temperature controller (not shown) are provided so that the temperature can be controlled independently in the vicinity of the gas source nozzle 57.
Further, the gas source shutter 66 has a shape that also serves as a heat shield plate between the substrate 60 and the vicinity of the nozzle 57 even in the open state. Therefore, the shaft rotation of the shutter 66 needs to be controlled with an accuracy of 14 ° ± 0.5 °.
A stepping motor and a controller were used to open and close the shutter 66 instead of the conventional pneumatic actuator.
【0056】上記したガスソースノズル57の先端温度
制御と上述したようなシャッタ66の設置によって、基
板60の加熱(800℃まで)の有無やガスソース用のシャ
ッタ66の開閉にかかわらず、ガスソースノズル57の
温度を設定温度(250℃)に対して±10℃〜-2℃の変動に
抑制することができた。ヒータ651cを設けない場合
は40〜 240℃で変動した。最初にノズル57の温度を 2
00℃、 250℃、 300℃と変えて実験した結果、わずかで
はあるが 250℃の場合が堆積速度が大であったので、オ
ーブン643外のガス供給パイプ65からガスソースノ
ズル57までを250℃に設定して成膜を行った。By controlling the tip temperature of the gas source nozzle 57 and installing the shutter 66 as described above, the gas source is heated regardless of whether the substrate 60 is heated (up to 800 ° C.) or the shutter 66 for the gas source is opened or closed. The temperature of the nozzle 57 could be suppressed within a range of ± 10 ° C to -2 ° C with respect to the set temperature (250 ° C). When the heater 651c was not provided, the temperature fluctuated at 40 to 240 ° C. First, set the temperature of the nozzle 57 to 2
As a result of changing the temperature to 00 ° C, 250 ° C, and 300 ° C, the deposition rate was high at 250 ° C, although it was small. Was set and the film was formed.
【0057】作製した薄膜試料は、Cu-Kα線を用いたX
線回折を行い、またCe堆積量をICP発光分光法で測定
した。また、試料の溶解試験は塩酸中で30分間行った。
ただし、結晶性のよい CeO2 膜はこの方法では溶けず、
堆積量の測定ができない。その場合には、同じ成膜条件
でクヌーセンセルからSrを供給して塩酸に溶け易いSr-C
e-O系非晶質膜を作製し、上記の方法で分析した。同じ
成膜条件であれば、CeO2 膜と Sr-Ce-O系非晶質膜とでC
e堆積量に大きな差はない。さらに、一部の試料はSE
MとFE−SEMで表面モフォロジーを調べた。その結
果、上記の成膜法で CeO2 膜の実用上十分な堆積速度(1
分間に 2原子層)が得られた。また、ガス放出分布の解
析から膜厚分布の均一化を図った。そして、 CeO2 膜を
SrTiO3 基板上にエピタキシャル成長させることができ
た。さらに、有機金属分子フラックスに対する原子状酸
素フラックスまたはオゾンフラックスの比を制御するこ
とによって、前述の(A)領域による薄膜、(B)領域
による薄膜、および(C)領域による薄膜の 3種類の薄
膜を作り分けることができた。The prepared thin film sample was X-ray using Cu-Kα ray.
Line diffraction was performed, and the amount of deposited Ce was measured by ICP emission spectroscopy. The dissolution test of the sample was conducted in hydrochloric acid for 30 minutes.
However, CeO 2 film with good crystallinity is not melted by this method,
The amount of deposit cannot be measured. In that case, Sr-C, which easily dissolves in hydrochloric acid, is supplied by supplying Sr from the Knudsen cell under the same film forming conditions.
An eO-based amorphous film was prepared and analyzed by the above method. If the film formation conditions are the same, the CeO 2 film and the Sr-Ce-O system amorphous film form C
e There is no big difference in the amount of deposition. In addition, some samples are SE
The surface morphology was examined by M and FE-SEM. As a result, a practically sufficient deposition rate of CeO 2 film in a film forming method (1
2 atomic layers per minute) were obtained. Moreover, the film thickness distribution was made uniform by analyzing the gas release distribution. And the CeO 2 film
Epitaxial growth was possible on the SrTiO 3 substrate. Furthermore, by controlling the ratio of atomic oxygen flux or ozone flux to the organometallic molecule flux, three types of thin films, the thin film according to the (A) region, the thin film according to the (B) region, and the thin film according to the (C) region, are controlled. Could be made differently.
【0058】CeO2 膜は、 Y-Ba-Cu-O系酸化物超電導体
を用いたジョセフソン接合のバリヤ層、基板と銅酸化物
超電導体膜との間のバッファ層、Nd2-x Cex Cu O4 超電
導体の構成元素、SOI(silicon-on-insulator)基板、
シリコンデバイスのキャパシタ等、色々な用途のために
研究されており、従来、スパッタリング法、電子ビーム
蒸着法、レーザーアブレーション法、MOCVD法によ
る成膜例は報告されているが、MOMBE法で作製した
例はない。The CeO 2 film is a barrier layer of a Josephson junction using a Y-Ba-Cu-O-based oxide superconductor, a buffer layer between the substrate and the copper oxide superconductor film, and Nd 2-x Ce. x Cu O 4 superconductor constituent element, SOI (silicon-on-insulator) substrate,
It has been researched for various uses such as capacitors for silicon devices, and it has been reported that sputtering method, electron beam evaporation method, laser ablation method, and MOCVD method have been used for film formation. There is no.
【0059】一般に、蒸気圧の低い金属元素の酸化膜を
MBE法で成長する場合、クヌーセン・セルからの蒸発
は難しい。また、電子ビーム蒸着は遅い蒸発速度で制御
することが難しい。たとえ分子線強度をフィードバック
しても、蒸発速度が秒のオーダーの周期で振動する等の
問題がある。従って、既存のMBEチャンバに付加して
低蒸気圧金属を簡便に導入でき、分子線束の安定してい
るMOMBE法は CeO2 に限らず、多元酸化物を原子層
毎に成長する場合に非常に有効である。しかしながら、
これまで有機金属原料を成膜室とは別室に置いたMOM
BE法による酸化膜の成長は報告例が少なかった。Generally, when an oxide film of a metal element having a low vapor pressure is grown by the MBE method, it is difficult to evaporate from the Knudsen cell. Also, electron beam evaporation is difficult to control at a slow evaporation rate. Even if the molecular beam intensity is fed back, there is a problem that the evaporation rate oscillates in a cycle of the order of seconds. Therefore, the MOMBE method, in which a low vapor pressure metal can be easily introduced in addition to the existing MBE chamber and the molecular beam flux is stable, is not limited to CeO 2 and is very useful when a multi-component oxide is grown for each atomic layer. It is valid. However,
Until now, MOM has placed the metalorganic raw material in a room separate from the deposition room.
There have been few reports of oxide film growth by the BE method.
【0060】特開平 3-60408号公報、特開平 4-16595号
公報、K.Endo, S.Saya, S.Misawa,and S.Yoshida, Thin
Solid Films, 206, 143(1991)、K.Endo, S.Misawa,
S.Yoshida, and K.Kajimura, in Advances in Supercon
ductivity V, edited byY.Bando and H.Yamauchi,(Spri
nger,Tokyo,1993),p.973、L.L.H.King, K.Y.Hsieh,D.J.
Lichtenwalner, and A.I.Kingon, Appl. Phys. Lett.5
9, 3045(1991)の 5つの文献には、有機金属原料をその
ままクヌーセン・セルから蒸発させて、 YBa2Cu3 O
7-δ超電導体膜を作製した例が記載されている。しか
し、これらの方法では、成膜室の真空を破らずに原料を
交換できるというガスソースMBE法の利点を活かせな
いし、成膜室のべーキングもできない。また、特開平 3
-50104号公報、S.J.Duray, D.B.Buchholz, S.N.Song,
D.S.Richeson, J.B.Ketterson, T.J.Marks, and R.P.H.
Chang, Appl.Phys. Lett.59, 1503(1991)、K.Kanehori,
S.Saito, N.Sugii, and K.Imagawa, J.Vac. Sci.Techn
ol.A 12, 130(1994)の 3つの文献には、有機金属原料
を成膜室の外で加熱し、その蒸気を(Duray らはキャリ
アガスも含む)酸素分圧 1.3×10-2〜 1.3Paと通常のM
OCVD法よりかなり低い圧力の成膜室にパイプで導い
て、 YBa2 Cu3 O 7-δ超電導体膜を作製したことが報告
されている。Japanese Patent Laid-Open Nos. 3-60408, 4-16595, K. Endo, S. Saya, S. Misawa, and S. Yoshida, Thin
Solid Films, 206, 143 (1991), K. Endo, S. Misawa,
S. Yoshida, and K. Kajimura, in Advances in Supercon
ductivity V, edited by Y.Bando and H.Yamauchi, (Spri
nger, Tokyo, 1993), p.973, LLHKing, KYHsieh, DJ
Lichtenwalner, and AIKingon, Appl. Phys. Lett. 5
In the five references of 9, 3045 (1991), YBa 2 Cu 3 O was prepared by evaporating an organometallic raw material as it was from a Knudsen cell.
An example of producing a 7-δ superconductor film is described. However, these methods cannot utilize the advantage of the gas source MBE method that the raw materials can be exchanged without breaking the vacuum of the film forming chamber, and the film forming chamber cannot be baked. In addition, Japanese Patent Laid-Open No.
-50104, SJ Duray, DBBuchholz, SNSong,
DSRicheson, JBKetterson, TJMarks, and RPH
Chang, Appl. Phys. Lett. 59 , 1503 (1991), K. Kanehori,
S.Saito, N.Sugii, and K.Imagawa, J.Vac.Sci.Techn
ol.A 12 , 130 (1994), the organic metal raw material is heated outside the deposition chamber, and its vapor (including Duray et al. carrier gas) has an oxygen partial pressure of 1.3 × 10 -2 〜. 1.3Pa and normal M
It has been reported that a YBa 2 Cu 3 O 7-δ superconducting film was produced by guiding the film to a film forming chamber at a pressure considerably lower than that of the OCVD method.
【0061】この実施例による成膜方法は、成膜室の酸
素圧力が 1.2〜 5.6×10-3Paと上記よりも低い。本発明
における有機金属分子の平均自由行程は、基板−ノズル
間隔よりも長く、分子線エピタキシー法と呼んでよい条
件になっている。酸素ガス分子、オゾン分子、原子状酸
素の平均自由行程も、酸素源ノズル−基板間隔よりも十
分長い。従って、酸素源ノズルと基板との間にマスクを
設けたり、細く絞った活性酸素含有ガスのビームで基板
上をスキャンする等の空間的な活性酸素供給密度を変え
る手段が十分有効に働き、急峻な境界を持ったパターン
が形成できる。さらに、成膜室の酸素圧力が低いことか
ら、クヌーセン・セルを用いたMBE成長と同時に成膜
室外から導いた有機金属ガスソースを用いることができ
る。従って、本発明による成膜方法は、初めての多元酸
化膜の成膜に適したMOMBE法であるといえる。In the film forming method according to this embodiment, the oxygen pressure in the film forming chamber is 1.2 to 5.6 × 10 −3 Pa, which is lower than the above. The mean free path of the organometallic molecule in the present invention is longer than the substrate-nozzle interval, which is a condition that can be called a molecular beam epitaxy method. The mean free path of oxygen gas molecules, ozone molecules, and atomic oxygen is also sufficiently longer than the oxygen source nozzle-substrate distance. Therefore, a means for changing the spatial active oxygen supply density, such as providing a mask between the oxygen source nozzle and the substrate or scanning the substrate with a narrowly focused beam of the active oxygen-containing gas, works sufficiently effectively to provide a sharp slope. Patterns with various boundaries can be formed. Furthermore, since the oxygen pressure in the film forming chamber is low, it is possible to use an organometallic gas source introduced from the outside of the film forming chamber at the same time as MBE growth using a Knudsen cell. Therefore, it can be said that the film forming method according to the present invention is a MONBE method suitable for forming the first multi-component oxide film.
【0062】以下では薄膜堆積実験の詳細について述べ
る。まず、膜厚分布の均一化を図った実験例について述
べる。膜厚分布を測定する試料は、 SrTiO3 (100) 基板
にメタルマスクを重ねて、結晶性のよい CeO2 膜が得ら
れる条件で長時間(4〜 6時間)成長させたものである。
成長条件は、原料温度 178℃、基板温度 730℃、酸素流
量2.58sccmとした。まず、 3種類のノズル位置について
実験した。図10に基板60とガスソースノズル57の
相対位置(位置a、位置b、位置c)を示す。作製した
試料の膜厚分布を、触針式膜厚計(TENCOR社製alpha-st
ep 100 profiler)で測定し、堆積速度(nm/hr) に換算し
て図11に示す。横軸xは、ノズル57の延長線方向の
基板60面上の位置であり、基板60の中心を原点とし
ている。この実施例の成膜法は分子線エピタキシー法で
あるため、メタルマスクを用いるだけで十分急峻な段差
が形成され、膜厚が精度よく測れた。The details of the thin film deposition experiment will be described below. First, an experimental example in which the film thickness distribution is made uniform will be described. The sample for measuring the film thickness distribution is a SrTiO 3 (100) substrate overlaid with a metal mask and grown for a long time (4 to 6 hours) under the condition that a CeO 2 film with good crystallinity can be obtained.
The growth conditions were a raw material temperature of 178 ° C., a substrate temperature of 730 ° C., and an oxygen flow rate of 2.58 sccm. First, we conducted experiments on three types of nozzle positions. FIG. 10 shows relative positions (position a, position b, position c) between the substrate 60 and the gas source nozzle 57. The thickness distribution of the prepared sample is measured by a stylus type film thickness meter (alpha-st manufactured by TENCOR).
ep 100 profiler) and converted into a deposition rate (nm / hr), which is shown in FIG. The horizontal axis x is the position on the surface of the substrate 60 in the extension line direction of the nozzle 57, and the center of the substrate 60 is the origin. Since the film forming method of this embodiment is a molecular beam epitaxy method, a sufficiently steep step is formed only by using a metal mask, and the film thickness can be accurately measured.
【0063】最初の測定では膜厚分布よりも膜が堆積す
るか否かを重視したため、図11のaに示すようにノズ
ル57を基板中心に向けた。この場合はノズル57に近
い方が厚く、ノズル57から遠ざかるにつれて膜厚が減
少し、急峻な膜厚分布を有している(図11中○で示
す)。これに対して、ノズル57の穴からあらゆる方向
に均一に気体分子が放出され、余弦法則に従うと仮定し
て、基板60内でなるべく膜厚が均一になるように、ノ
ズル57の角度と位置を設定したのが位置bである。ノ
ズル位置bでは膜厚分布を±15% に抑制できたが、まだ
右上がりの分布を持っている(図11中▲で示す)。こ
れはガス放出分布に指向性があることを示している。す
なわち、ノズル57の穴が有限な厚みを持って円柱状に
なっているために、指向性を持ったと考えられる。In the first measurement, since the importance of whether or not the film is deposited is more important than the film thickness distribution, the nozzle 57 was directed toward the center of the substrate as shown in FIG. In this case, the thickness closer to the nozzle 57 is thicker, and the film thickness decreases as the distance from the nozzle 57 increases, and the film thickness has a steep distribution (indicated by ◯ in FIG. 11). On the other hand, assuming that gas molecules are uniformly discharged from the holes of the nozzle 57 in all directions and follow the cosine law, the angle and position of the nozzle 57 are set so that the film thickness in the substrate 60 is as uniform as possible. The position b is set. At the nozzle position b, the film thickness distribution could be suppressed to ± 15%, but it still has a rising distribution (indicated by ▲ in FIG. 11). This indicates that the gas emission distribution has directivity. That is, it is considered that the nozzle 57 has a directivity because the hole of the nozzle 57 has a cylindrical shape with a finite thickness.
【0064】この問題を考えるために、まずノズル57
内部での有機金属ガスの平均自由行程を見積もる。原料
温度 178℃の場合、バラトロン絶対圧計で測定したガス
圧力pB は 8.9Paである。これに 1/4インチ配管(長さ
0.6m)での圧力降下(ただし粘性流領域)と、バラトロ
ン絶対圧計とノズルの温度差(188℃と 250℃の差)を考
慮すると、ノズル内部の圧力pN は 7.6Paと推定され
る。一方、 Ce(dpm)3 分子の直径dは、結晶内での Ce
(dpm)4 の占める体積の 3/4から 1nmと推定される。従
って、平均自由度行程λ=kB T/(21/2 πd2 pN )
= 0.214mmとなり、ノズル穴の半径や長さ(後述する)
と同程度である。従って、ノズル穴より手前の配管内は
粘性流領域であるが、ノズル穴内から基板へは分子流領
域での単純な気体分子運動論で扱ってよいと考えられ
る。以下ではノズルからのガス放出分布を、分子流を仮
定した単純な気体分子運動論で考える。To consider this problem, first, the nozzle 57
Estimate the mean free path of the organometallic gas inside. When the raw material temperature is 178 ° C., the gas pressure p B measured by the Baratron absolute pressure gauge is 8.9 Pa. 1/4 inch pipe (length
The pressure p N inside the nozzle is estimated to be 7.6 Pa, considering the pressure drop at 0.6 m (however, viscous flow region) and the temperature difference between the Baratron absolute pressure gauge and the nozzle (difference between 188 ° C and 250 ° C). On the other hand, the diameter d of the Ce (dpm) 3 molecule is
It is estimated to be 3/4 to 1 nm of the volume occupied by (dpm) 4 . Therefore, the average degree of freedom stroke λ = k B T / (2 1/2 πd 2 p N )
= 0.214 mm, the nozzle hole radius and length (described later)
Is about the same. Therefore, it is considered that the inside of the pipe before the nozzle hole is a viscous flow region, but the gas flow from the nozzle hole to the substrate may be treated by simple gas molecule kinetics in the molecular flow region. Below, the gas discharge distribution from the nozzle will be considered by a simple gas molecule kinetic theory assuming a molecular flow.
【0065】一般に、ノズル穴面積SN から出射角θの
方向へ立体角dωの範囲内で単位時間に放出される気体
分子数dq は、In general, the number of gas molecules dq released per unit time within the range of the solid angle dω from the nozzle hole area S N in the direction of the emission angle θ is
【数1】 で表されることが、B.B.Dayton, in 1956 Natl.Symp.Va
c.Technol.Trans.(Pergamon,1957)p.5に記載されてい
る。ここで、nは分子密度[m-3]、νは平均速度(今の
場合 126[m/s])である。L=0 を仮定し、Tが常に 1
となるのが余弦法則の場合である。有限の長さLを持っ
た半径Rの円柱上の穴からの場合は、以下で表されるT
(L/R,θ)の因子が掛かる。[Equation 1] BB Dayton, in 1956 Natl.Symp.Va
c.Technol. Trans. (Pergamon, 1957) p.5. Here, n is the molecular density [m -3 ] and ν is the average velocity (in this case 126 [m / s]). Assuming L = 0, T is always 1
Is the case of the cosine law. In the case of a hole on a cylinder of radius R with a finite length L, T represented by
The factor of (L / R, θ) is applied.
【0066】[0066]
【数2】 [Equation 2]
【数3】 (Equation 3)
【数4】 以下では実際の基板とノズルの位置関係(図10)で考
える。基板中心とノズル穴中心の距離を、高さ方向にZ
0 、水平方向にX0 とし、基板の法線とノズルパイプの
延長線のなす角度をノズル角度φ0 とする。基板上のあ
る位置とノズル穴を結んだ距離がr、その線がノズルパ
イプ延長線となす角度が出射角θである。基板上のある
位置xで分子線と基板法線のなす角度は、φ0 −θ=tan
-1[(X0+x)/Z0 ]である。ある立体角dωの中に
はいる基板面上の面積をSとすると、 dSは基板面上の
位置xの関数であり、dω=cos(φ0 −θ)/r2 dS
=cos(φ0 −θ)3 /Z0 2 dSで表される。従っ
て、基板のある位置に単位面積当たり単位時間当たりに
到達する分子数は以下の式で表される。[Equation 4] Below, consideration will be given to the actual positional relationship between the substrate and the nozzle (FIG. 10). The distance between the center of the substrate and the center of the nozzle hole is Z in the height direction.
0, and X 0 in the horizontal direction, the angle between an extended line of a normal line and the nozzle pipe of the substrate and the nozzle angle phi 0. The distance between a certain position on the substrate and the nozzle hole is r, and the angle formed by the line with the nozzle pipe extension line is the emission angle θ. The angle between the molecular beam and the substrate normal at a certain position x on the substrate is φ 0 −θ = tan
−1 [(X 0 + x) / Z 0 ]. Supposing the area on the substrate surface within a solid angle dω as S, dS is a function of the position x on the substrate surface and dω = cos (φ 0 −θ) / r 2 dS
= Cos (φ 0 −θ) 3 / Z 0 2 dS. Therefore, the number of molecules that reach a certain position on the substrate per unit area per unit time is represented by the following formula.
【0067】[0067]
【数5】 これを用いて、図11のaとbの実験結果はノズル穴の
肉厚Lが半径R(=0.11mm)と同じと考えると説明できる
ことが分かった。これはノズル製作上容易な値である。
そこで、 (5)式のL=Rの場合に従うと仮定して、基板
内でなるべく膜厚が均一になるようノズル角度と位置を
設定したのがcである。ノズル位置cの場合、φ0 = 63
°、X0 = 22mm、Z0 = 38mmである。その膜厚分布の測
定結果が図11の●印である。測定のばらつきも含め
て、直径20mmの基板60上で分布が±5%以内に抑えられ
た。図11中の 3本の曲線は、nνSN に共通の値を入
れて(5)式を実験点にフィッティングした結果であり、
ほぼ実験結果を再現している。cの測定結果の方が堆積
速度が若干小さいのは、原料の経時変化に起因すると思
われる。(Equation 5) Using this, it was found that the experimental results of FIGS. 11A and 11B can be explained by assuming that the wall thickness L of the nozzle hole is the same as the radius R (= 0.11 mm). This is a value that is easy to manufacture a nozzle.
Therefore, assuming that the case of L = R in the equation (5) is followed, the nozzle angle and position are set so that the film thickness is as uniform as possible within the substrate. For nozzle position c, φ 0 = 63
°, X 0 = 22 mm, Z 0 = 38 mm. The measurement result of the film thickness distribution is indicated by a black circle in FIG. The distribution was suppressed to within ± 5% on the substrate 60 having a diameter of 20 mm, including variations in measurement. The three curves in FIG. 11 are the results of fitting the equation (5) to the experimental points by inserting a common value for nνS N ,
The experimental results are almost reproduced. The slightly lower deposition rate in the measurement result of c is considered to be due to the change with time of the raw material.
【0068】以上の実験により、MOMBE法のノズル
の位置と角度の設定においては、分子流を仮定した気体
分子運動論の式(1) 〜(5) を使えばほぼ最適値に設定で
きることが分かった。しかし図11を詳しく見ると、理
論曲線と実際の実験データには若干のずれがあり、これ
は分子流を仮定した気体分子運動論の式よりも若干指向
性が強いことを示している。従って、式(1) 〜(5) を使
って最適値に設計した後に、それよりも少し指向性が強
いことを考慮してノズル57の位置と角度を微調整(角
度にして 4〜 5度程度)することが望ましい。From the above experiments, it was found that the optimum position can be set in the setting of the nozzle position and angle in the MOMBE method by using the equations (1) to (5) of the gas molecule kinetic theory assuming the molecular flow. It was However, looking at FIG. 11 in detail, there is a slight discrepancy between the theoretical curve and the actual experimental data, which indicates that the directivity is slightly stronger than the equation of gas molecule kinetic theory assuming molecular flow. Therefore, after designing to the optimum value using equations (1) to (5), the position and angle of the nozzle 57 are finely adjusted (4 to 5 degrees in angle) in consideration of the fact that the directivity is slightly stronger than that. It is desirable to
【0069】上述した膜厚分布の均一化実験に基いてガ
スソースノズル57の位置を決定した。以下では、原料
温度、基板温度、基板方位、酸素圧力等の成膜パラメー
タに対する依存性について説明する。ガスソースノズル
57の位置は図10中cとし、ガス供給パイプ65から
ガスソースノズル57までの温度を 250℃に設定し、Sr
TiO3 基板60に30分程度成長した結果である。The position of the gas source nozzle 57 was determined on the basis of the above-described uniform film thickness distribution experiment. In the following, the dependence on the film forming parameters such as the raw material temperature, the substrate temperature, the substrate orientation, and the oxygen pressure will be described. The position of the gas source nozzle 57 is c in FIG. 10, the temperature from the gas supply pipe 65 to the gas source nozzle 57 is set to 250 ° C., and Sr
This is the result of growing the TiO 3 substrate 60 for about 30 minutes.
【0070】まず、原料オーブン温度に対する依存性に
ついて述べる。必要な堆積速度は、層状銅酸化物のc軸
配向膜の成長に用いている、 2原子層/ 1分=3.78×10
-7[mol m-2 s-1]である。ガスソースノズル57からの
ガス供給速度を水晶振動子式膜厚計で評価した。ここで
は、水冷した基板(この場合は水晶に金電極を付けたも
の)に吸着した有機物の重量を、水晶振動子の周波数の
1分毎の変化α=Δf/Δt[Hz/min]で測定した。ま
た、 700℃に加熱した SrTiO3 基板に CeO2 膜を堆積
し、その堆積量をICP発光分光法で調べた。成膜中の
酸素流量は 4.0sccmである。図12に原料オーブン温度
に対する成膜速度およびCe堆積量の依存性を示す。First, the dependence on the temperature of the raw material oven will be described. The required deposition rate is 2 atomic layers / 1 min = 3.78 × 10 used for the growth of the c-axis oriented film of layered copper oxide.
-7 [mol m -2 s -1 ]. The gas supply rate from the gas source nozzle 57 was evaluated by a crystal oscillator film thickness meter. Here, the weight of organic substances adsorbed on a water-cooled substrate (in this case, a crystal with gold electrodes attached)
It was measured by a change of 1 minute α = Δf / Δt [Hz / min]. In addition, a CeO 2 film was deposited on a SrTiO 3 substrate heated to 700 ° C., and the deposited amount was examined by ICP emission spectroscopy. The oxygen flow rate during film formation is 4.0 sccm. FIG. 12 shows the dependence of the deposition rate and the amount of Ce deposition on the temperature of the raw material oven.
【0071】原料温度 188℃以上で、必要な堆積速度(1
分間に CeO2 を 2分子層)を超えた。ガス供給速度も C
eO2 堆積速度も、活性化エネルギー18300Kの熱活性化型
を示している。従って、配管やノズルの壁からの脱離ガ
スで膜が堆積しているのではなく、期待通りにオーブン
での原料の昇華過程が膜堆積を律速していることが分か
る。図12でデータが若干ばらついているのは、有機金
属原料に昇華量が除々に低下する経時変化があるためと
考えられる。同じ原料温度(188℃)に設定しても、10日
間の実験の後には 1割近く原料ガス圧力や堆積速度が低
下した。 1日の実験の中でも、原料温度を所定の温度ま
で上昇した後に除々に原料ガスが低下する。原料温度が
所望の温度付近になってから 1.5時間後は、30分の膜成
長の間に1.5%程度原料ガス圧力が低下したが、 6時間後
には30分の膜成長の間のガス圧力変化は0.3%以下であっ
た。この実施例のガスソースは、秒〜分のオーダーでの
分子線束は安定しているが、 2時間以上の長時間成長を
行う場合には、原料温度上昇後に 6時間以上待つ等の注
意を要する。At a raw material temperature of 188 ° C. or higher, the required deposition rate (1
(CeO 2 bilayer) per minute. Gas supply rate is also C
The eO 2 deposition rate also shows a thermal activation type with an activation energy of 18300K. Therefore, it is understood that the film is not deposited by the desorbed gas from the wall of the pipe or the nozzle, but the sublimation process of the raw material in the oven controls the film deposition as expected. The slight variation in the data in FIG. 12 is considered to be due to the change over time in which the amount of sublimation gradually decreases in the organometallic raw material. Even at the same source temperature (188 ℃), after 10 days of experiment, the source gas pressure and deposition rate decreased by nearly 10%. Even in the one-day experiment, the raw material gas gradually decreases after the raw material temperature is raised to a predetermined temperature. 1.5 hours after the raw material temperature was around the desired temperature, the raw material gas pressure decreased by about 1.5% during the 30-minute film growth, but after 6 hours, the gas pressure change during the 30-minute film growth. Was less than 0.3%. In the gas source of this example, the molecular beam flux on the order of seconds to minutes is stable, but when growing for a long time of 2 hours or more, it is necessary to wait 6 hours or more after raising the raw material temperature. .
【0072】次に、原料ガス供給速度を見積もる。一般
に水晶振動子の周波数変化Δf[Hz]は、単位面積当たり
に付着した膜の重量Δm[kg m-2]に比例する。用いた
水晶振動子の固有振動数と基板との相対位置を考慮する
と、基板への入射分子線強度Γ[mol m-2 s-1]は、水晶
振動子の 1分毎の周波数変化α[Hz/min]から以下の式で
求められる。Next, the raw material gas supply rate is estimated. Generally, the frequency change Δf [Hz] of the crystal oscillator is proportional to the weight Δm [kg m −2 ] of the film attached per unit area. Considering the natural frequency of the crystal unit used and the relative position with respect to the substrate, the incident molecular beam intensity Γ [mol m -2 s -1 ] on the substrate is [Hz / min] is calculated by the following formula.
【0073】 Γ= 0.4/(8.135×106 × 689.9×10-3×60)α=1.19×10-9α ……(6) 一方、有機金属を基板に吸着させてICP発光分光法で
Ceを分析する方法でも、有機金属ガス供給速度を求め
た。真空中で -10℃に冷却した SrTiO3 基板に吸着さ
せ、これを硝酸で溶かして分析した。原料温度 188℃の
場合、入射分子線強度Γは3.52×10-7[mol m-2 s-1]で
あった。このデータは図13に□印でプロットしてあ
る。この時のΓとαの関係は、 Γ=1.13×10-9α ……(7) となり、 (6)式とほぼ一致した。 (7)式を用いて図12
のαを換算した結果、基板へのガス供給量の 90%以上
が、 700℃に加熱した基板上に CeO2 として堆積してい
ることが分かった。Γ = 0.4 / (8.135 × 10 6 × 689.9 × 10 −3 × 60) α = 1.19 × 10 −9 α (6) On the other hand, by adsorbing an organic metal on the substrate, ICP emission spectroscopy
The organometallic gas supply rate was also obtained by the method of analyzing Ce. It was adsorbed on a SrTiO 3 substrate cooled to −10 ° C. in vacuum, dissolved in nitric acid, and analyzed. The incident molecular beam intensity Γ was 3.52 × 10 -7 [mol m -2 s -1 ] when the raw material temperature was 188 ° C. This data is plotted by □ in FIG. At this time, the relationship between Γ and α was Γ = 1.13 × 10 -9 α (7), which was almost in agreement with Eq. (6). Using equation (7), FIG.
As a result of converting α of the above, it was found that 90% or more of the gas supply amount to the substrate was deposited as CeO 2 on the substrate heated to 700 ° C.
【0074】分子流領域での単純な気体分子運動論を用
いて有機金属ガス供給速度を評価すると、以下のように
なる。原料温度 188℃の場合、バラトロン絶対圧計で測
定したガス圧力pB は14.1Paであり、配管での圧力降下
とバラトロン絶対圧計とノズルの温度差を考慮すると、
ノズル内部でpN =13Pa、分子密度n=pN /kB T=
1.81×1021となる。一方、ノズル穴のコンダクタンスを
Arガスを用いて測定したところ、3.24×10-6[m3 s-1]
であった。この値より、ノズル穴の半径R=ノズル穴の
肉厚L=0.114mm と考えられる。これを (5)式に代入す
ると、ガス供給速度は3.71×10-7[mol m-2 s-1]と評価
された。これは前述のガス供給速度測定値とよく一致し
た。すなわち、MOMBE法の分子線強度は、ノズル穴
以降で分子流であると仮定して気体分子運動論を用いれ
ば、ほぼ設計できることが分かった。When the organometallic gas supply rate is evaluated by using the simple gas molecule kinetic theory in the molecular flow region, it is as follows. When the raw material temperature is 188 ° C, the gas pressure p B measured by the Baratron absolute pressure gauge is 14.1 Pa. Considering the pressure drop in the piping and the temperature difference between the Baratron absolute pressure gauge and the nozzle,
Inside the nozzle, p N = 13 Pa, molecular density n = p N / k B T =
It is 1.81 x 10 21 . On the other hand, the conductance of the nozzle hole
3.24 × 10 -6 [m 3 s -1 ] when measured using Ar gas
Met. From this value, it is considered that the radius R of the nozzle hole = the wall thickness L of the nozzle hole L = 0.114 mm. Substituting this into Eq. (5), the gas supply rate was estimated to be 3.71 × 10 -7 [mol m -2 s -1 ]. This is in good agreement with the above-mentioned measured value of gas supply rate. That is, it was found that the molecular beam intensity of the MOMBE method can be almost designed by using gas molecule kinetic theory on the assumption that there is a molecular flow after the nozzle hole.
【0075】次いで、堆積速度の基板温度依存性を調べ
た。原料温度は 188℃、酸素流量は4.0sccmに固定して
行った実験結果が図13である。図中、左端の□印は前
述したように、冷却した基板に有機金属分子を吸着させ
た場合であり、ガス供給速度を表すと考えられる。基板
温度が 350℃から上昇するにつれて堆積速度が増し、基
板温度 700℃以上で供給量の 9割以上が CeO2 として堆
積している。図13はECRプラズマによる活性酸素を
照射して実験した結果である。ECR放電をせずに O2
ガスを流して基板温度 700℃で実験した結果、プラズマ
有りの場合に比べて少なくとも 3/4以上の堆積速度が得
られた。堆積速度が基板温度に強く依存していること
は、現状では活性酸素による分解よりも基板加熱による
熱分解がCe堆積に支配的であることを示唆している。Next, the dependency of the deposition rate on the substrate temperature was investigated. FIG. 13 shows the result of an experiment conducted with the raw material temperature fixed at 188 ° C. and the oxygen flow rate fixed at 4.0 sccm. In the figure, the mark □ at the left end is, as described above, the case where organometallic molecules are adsorbed on the cooled substrate, which is considered to represent the gas supply rate. The deposition rate increases as the substrate temperature rises from 350 ° C, and at a substrate temperature of 700 ° C or higher, 90% or more of the supplied amount is deposited as CeO 2 . FIG. 13 shows the result of an experiment conducted by irradiating active oxygen with ECR plasma. O 2 without ECR discharge
As a result of conducting an experiment at a substrate temperature of 700 ° C by flowing a gas, a deposition rate of at least 3/4 or more was obtained compared with the case with plasma. The strong dependence of the deposition rate on the substrate temperature suggests that the thermal decomposition by heating the substrate is more dominant in the Ce deposition than the decomposition by active oxygen at present.
【0076】Ce(dpm)4 を用いた CeO2 のMOCVD成
長では、基板温度 500℃以上で堆積速度が急速に低下す
ることが報告されている。これは基板上ではなく、酸素
を含んだ圧力2000〜3000Paの反応管内の気相中で熱分解
が起きるからである。本発明によるMOMBE法では、
酸素ガスを導入しても基板周辺での有機金属分子の平均
自由行程は基板−ノズル間距離よりも長く、ノズル以降
でほとんど気体分子間の衝突がない。そのために、高温
成長時の堆積速度低下の現象や気相での分解反応は観測
されない。In MOCVD growth of CeO 2 using Ce (dpm) 4 , it has been reported that the deposition rate rapidly decreases at a substrate temperature of 500 ° C. or higher. This is because thermal decomposition occurs not in the substrate but in the gas phase in the reaction tube containing oxygen at a pressure of 2000 to 3000 Pa. In the MONBE method according to the present invention,
Even if oxygen gas is introduced, the mean free path of organometallic molecules around the substrate is longer than the substrate-nozzle distance, and there is almost no collision between gas molecules after the nozzle. Therefore, the phenomenon of the decrease in deposition rate during high temperature growth and the decomposition reaction in the gas phase are not observed.
【0077】SrTiO3 (100) 基板上に堆積した場合のX
線回折パターンの基板温度依存性を調べた。基板温度 5
50℃以上で (100)配向した CeO2 膜が得られた。図14
に主ピークである CeO2 (200) ピークの高さを、成長温
度の関数として示す。基板温度が 650℃以上で結晶性の
よい CeO2 膜が得られた。X when deposited on SrTiO 3 (100) substrate
The substrate temperature dependence of the line diffraction pattern was investigated. Substrate temperature 5
A CeO 2 film with (100) orientation was obtained at 50 ° C or higher. 14
The height of the main peak, CeO 2 (200), is shown as a function of growth temperature. A CeO 2 film with good crystallinity was obtained at a substrate temperature of 650 ° C or higher.
【0078】さらに、得られた薄膜のX線回折とRHE
ED観察の結果について述べる。図15ないし図17に
X線回折図形を、また図18にRHEED回折図形を示
す。SrTiO3 (100)面基板上の CeO2 膜は、X線回折
(図15)より(100)配向であり、他の(111)配向、
(311)配向、(331)配向は認められない。図15の CeO
2(200)ピークの反値幅は0.23°であり、 SrTiO3 基板
(100) ピークの反値幅0.10°に近く、結晶性がよいこと
が分かる。また、RHEEDで見ると成長の初期過程の
みストリークである。成長が進むと 4〜 7層の堆積でス
トリークに節が現れ、やがて斜めに並んだスポットパタ
ーンに変化していく。10層以上の堆積では、図18
(b)に示すように完全なスポットパターンになり、島
状成長を物語っている。すなわち、Stranski-Krastanov
型の成長形態であった。スポットの水平方向の間隔は、
基板ストリーク間隔(格子間隔0.39nmに対応)とほぼ同
じである。従って、 CeO2 (100)//SrTiO3 (100) 、 CeO
2 [011(バー)]// SrTiO3 [001] の方位関係を持って、
基板に対してエピタキシャルに CeO2 が成長している。
スポットとスポットをつなぐように斜めのストリークが
現れる場合もあり、 {111}面がファセットになっている
と考えられる。Further, X-ray diffraction and RHE of the obtained thin film
The results of ED observation will be described. 15 to 17 show X-ray diffraction patterns, and FIG. 18 shows RHEED diffraction patterns. The CeO 2 film on the SrTiO 3 (100) plane substrate has a (100) orientation according to X-ray diffraction (FIG. 15), and another (111) orientation,
(311) orientation and (331) orientation are not recognized. CeO in Figure 15
2 The (200) peak has an inversion width of 0.23 °, which means that the SrTiO 3 substrate
It can be seen that the crystallinity is good because the inverse value width of the (100) peak is close to 0.10 °. Also, when seen by RHEED, streaks are only in the initial stage of growth. As the growth progresses, nodules appear in the streak due to the accumulation of 4 to 7 layers, and eventually the spot pattern changes into a diagonal array. For deposits of 10 layers or more,
As shown in (b), the spot pattern becomes perfect, which shows island-like growth. That is, Stranski-Krastanov
It was a mold growth form. The horizontal spacing between spots is
It is almost the same as the substrate streak spacing (corresponding to a lattice spacing of 0.39 nm). Therefore, CeO 2 (100) // SrTiO 3 (100), CeO 2
2 [011 (bar)] // With SrTiO 3 [001] orientation relation,
CeO 2 is grown epitaxially on the substrate.
An oblique streak may appear so as to connect the spots, and it is considered that the {111} plane is a facet.
【0079】SrTiO3 (110) 面基板上の CeO2 膜は、図
16のX線回折図形より(111)配向であることが判明し
た。RHEED観察の結果、図18(a)、(e)に示
すように、成長終了(30層分)までストリークパターン
になり、(111)配向 CeO2 膜がエピタキシャルに層状成
長していることが確認された。成長過程においては、基
板の(110)面間隔(0.276nm)に対応するストリークが成
長開始と共に薄くなっていき、 1〜 2層堆積でほぼスト
リークが消失し、その後 3〜 4層堆積したあたりから新
たな周期のストリークが現れ、成長と共に強くなる。新
たな周期は、格子間隔にして 0.334± 0.004nmに対応す
る。従って、方位関係は CeO2 (111)//SrTiO 3 (110)
、 CeO2 [11(バー)0] //SrTiO3 [001] 、 CeO2 [1
(バー) 1(バー) 2]// SrTiO3 [1(バー)10] である。
CeO2 (111) 配向膜が SrTiO3 (110)面上に層状成長する
ことは、従来報告例が無く、本発明で初めて見いだされ
たものである。The CeO 2 film on the SrTiO 3 (110) plane substrate was found to have (111) orientation from the X-ray diffraction pattern of FIG. As a result of RHEED observation, as shown in FIGS. 18 (a) and 18 (e), it was confirmed that a streak pattern was formed until the end of growth (30 layers), and the (111) -oriented CeO 2 film was epitaxially grown in a layered manner. Was done. During the growth process, the streak corresponding to the (110) plane spacing (0.276 nm) of the substrate became thinner with the start of growth, the streak almost disappeared in 1 to 2 layer deposition, and then from 3 to 4 layer deposition. A new cycle of streaks appears and grows stronger with growth. The new period corresponds to a lattice spacing of 0.334 ± 0.004 nm. Therefore, the orientation relationship is CeO 2 (111) // SrTiO 3 (110)
, CeO 2 [11 (bar) 0] // SrTiO 3 [001], CeO 2 [1
(Bar) 1 (bar) 2] // SrTiO 3 [1 (bar) 10].
The layered growth of the CeO 2 (111) oriented film on the SrTiO 3 (110) surface has been found for the first time in the present invention, without any reports in the past.
【0080】なお、少し成長条件がずれると、 SrTiO3
(110) 面基板上では別の配向も見られる。例えば、基板
温度が低い場合、酸素流量が多い場合、基板表面にステ
ップが多い場合等である。これらの場合には、図17に
X線回折パターンを示すように、(110)配向した CeO2
膜が得られる。この場合のRHEED図形を図18
(f)に示す。ストリーキーではあるが、上下方向に回
折強度が変調を受けており、成長表面に若干の凹凸があ
ることが分かる。この場合もやはり{111}面がファセッ
トになっていると考えられる。RHEED図形から、方
位関係は CeO2(110)//SrTiO3 (110) 、 CeO2 [11(バー)
0]//SrTiO3 [001] 、 CeO2 [001]//SrTiO3 [1(バー)1
0]であることが分かった。If the growth conditions are slightly shifted, SrTiO 3
Another orientation is also observed on the (110) plane substrate. For example, the substrate temperature is low, the oxygen flow rate is high, and the substrate surface has many steps. In these cases, as shown in the X-ray diffraction pattern in FIG. 17, (110) -oriented CeO 2
A film is obtained. FIG. 18 shows the RHEED figure in this case.
(F). Although it is a striker, the diffraction intensity is modulated in the vertical direction, and it can be seen that the growth surface has some irregularities. In this case as well, the {111} plane is considered to be faceted. From the RHEED pattern, the orientation relationship is CeO 2 (110) // SrTiO 3 (110), CeO 2 [11 (bar)
0] // SrTiO 3 [001], CeO 2 [001] // SrTiO 3 [1 (bar) 1
It was found to be 0].
【0081】超電導素子の製造においては、 CeO2 絶縁
層または CeO2 バッファ層の表面平坦性が最重要である
場合がある。その場合は、(111)配向 CeO2 エピタキシ
ャル成長膜を用いると、層状成長し易いために好適であ
る。これは、(111)面には陽イオンまたは陰イオンが稠
密に並び、表面エネルギーが低いためである。(111)配
向の CeO2 エピタキシャル成長膜を得るには、例えば S
rTiO3 (110) 面等の基板面を選べばよい。In manufacturing a superconducting device, the surface flatness of the CeO 2 insulating layer or the CeO 2 buffer layer may be the most important factor. In that case, it is preferable to use a (111) -oriented CeO 2 epitaxial growth film because layered growth is easy. This is because cations or anions are densely arranged in the (111) plane and the surface energy is low. To obtain a (111) -oriented CeO 2 epitaxial growth film, for example, S
A substrate surface such as rTiO 3 (110) surface may be selected.
【0082】(100)配向した CeO2 膜で平坦な表面を得
たい場合には、 3価の希土類元素REの酸化物RE2 O 3 を
添加することが有効である。RE元素としては、例えば
Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Y
b、Lu等を使用することができる。RE2 O 3 の結晶構造
は C型希土類構造であり、蛍石型結晶構造から規則的に
酸素が欠損した結晶構造を持っている。従って、(111)
面が表面エネルギーの非常に低い面ではない。この理由
により、 CeO2 にRE2 O 3 を添加することによって、
(111)面をファセットとした成長が起きにくくなる。そ
の結果、Ce1-x REx O2-2x+1.5xは、 CeO2 に比べて島
状成長しにくくなる。この原理から考えて、REの価数が
3価と限らなくとも、 4価よりも小さければ上記効果は
生じる。In order to obtain a flat surface with a (100) -oriented CeO 2 film, it is effective to add an oxide RE 2 O 3 of a trivalent rare earth element RE. As the RE element, for example,
Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Y
b, Lu, etc. can be used. The crystal structure of RE 2 O 3 is a C-type rare earth structure, and has a crystal structure in which oxygen is regularly depleted from the fluorite type crystal structure. Therefore, (111)
The surface is not a surface with a very low surface energy. For this reason, by adding RE 2 O 3 to CeO 2 ,
Growth with facets on the (111) plane is less likely to occur. As a result, Ce 1-x RE x O 2-2x + 1.5x is less likely to grow in an island shape than CeO 2 . Considering this principle, the valence of RE is
Even if it is not trivalent, the above effect will occur if it is less than tetravalent.
【0083】実際に成膜実験した結果について述べる
と、Ceを有機金属ガスソースから供給しながら、同時に
クヌーセンセルからDyを蒸発させて、 SrTiO3 (100)面
基板上にCe0.7 Dy0.3 O 1.85を作製したところ、X線回
折より(100)配向であることが確認された。成長過程を
RHEED観察した結果、12層堆積してもストリークパ
ターンのままであった。前述の CeO2 の場合は10層以上
で完全なスポットパターンになったことに比べると、層
状成長しやすくなったと言える。層状成長しやすくする
ためには、 xを 0.1以上とすることが望ましい。ただ
し、 xをあまり大きくしすぎると、銅酸化物超電導体と
格子整合がよい、よい絶縁体である等の CeO2 の利点が
失われてしまうので、 xは 0.7以下とすることが望まし
い。The results of the actual film forming experiment will be described. While supplying Ce from the organometallic gas source, Dy was evaporated from the Knudsen cell at the same time, and Ce 0.7 Dy 0.3 O 1.85 was formed on the SrTiO 3 (100) surface substrate. Was prepared, it was confirmed by X-ray diffraction that it had a (100) orientation. As a result of RHEED observation of the growth process, a streak pattern remained even after 12 layers were deposited. In the case of CeO 2 described above, it can be said that the layered growth is easier than in the case where a complete spot pattern is formed with 10 or more layers. In order to facilitate layered growth, x is preferably 0.1 or more. However, if x is made too large, the advantages of CeO 2 such as good lattice matching with a copper oxide superconductor and a good insulator will be lost, so x is preferably 0.7 or less.
【0084】上述したような成膜実験の過程で、堆積速
度が速いかあるいは酸素流量が少ないと、エピタキシャ
ル成長しない場合があることを見出した。その際のRH
EEDパターンは、図18(c)に示すように、面内配
向がランダムになったことを示すリングパターンがスト
リークに重畳している。極端な場合には CeO2 ではな
く、非晶質でかつ導電性を有する黒っぽい膜になる。そ
の場合のRHEEDパターンが図18(d)であり、リ
ングのみの図形になっている。In the course of the film formation experiment as described above, it was found that epitaxial growth may not occur if the deposition rate is high or the oxygen flow rate is low. RH at that time
In the EED pattern, as shown in FIG. 18C, a ring pattern indicating that the in-plane orientation is random is superimposed on the streak. In an extreme case, it is not CeO 2 but an amorphous and conductive blackish film. The RHEED pattern in that case is shown in FIG. 18D, which is a figure of only the ring.
【0085】そこで、有機金属ガス供給速度と酸素流量
の両方をパラメータとして膜成長を行い、RHEED観
察とX線回折からエピタキシャル成長する条件を探し
た。有機金属原料の温度は 178℃から 190℃まで変化さ
せた。酸素流量は、従来、銅酸化物超電導体を成長して
いた条件(1.25sccm)の 0.6〜 3.2倍の範囲で変化させ
た。基板温度を 700℃に固定して30分成長を行った。成
膜結果をまとめたのが図19である。○印はRHEED
で見て成長終了までエピタキシャル成長した場合であ
り、X線回折で結晶性のよい膜が得られた成長条件(酸
素流量と有機金属ガス供給速度の条件)である。×印は
図18(c)に記したように、エピタキシャル成長を示
すRHEEDパターンに成長途中でリングが重畳してき
た成長条件である。両者の境を一点鎖線で表した。Therefore, film growth was performed using both the organometallic gas supply rate and the oxygen flow rate as parameters, and the conditions for epitaxial growth were searched for by RHEED observation and X-ray diffraction. The temperature of the organometallic raw material was changed from 178 ℃ to 190 ℃. The oxygen flow rate was changed in the range of 0.6 to 3.2 times the condition (1.25 sccm) where the copper oxide superconductor was conventionally grown. The substrate temperature was fixed at 700 ° C and growth was performed for 30 minutes. FIG. 19 summarizes the film formation results. ○ indicates RHEED
In the case of epitaxial growth until the end of the growth, the growth conditions (conditions of oxygen flow rate and organometallic gas supply rate) were obtained by X-ray diffraction to obtain a film with good crystallinity. As shown in FIG. 18C, the mark X indicates a growth condition in which a ring overlaps the RHEED pattern indicating epitaxial growth during the growth. The boundary between the two is represented by a dashed line.
【0086】図20および図21に酸素流量を変えた場
合のX線回折結果を比較して示す。図20は Ce(dpm)3
フラックス量が 3.5×10-7[mol m-2 s-1]の場合の CeO
2(200) ピークの酸素流量依存性であり、図21は Ce(d
pm)3 フラックス量が 1.9×10-7[mol m-2 s-1]の場合
である。図19の一点鎖線より低酸素流量側では、RH
EEDパターンにリングが重畳するのみならず、同時に
X線回折パターンのCeO2 ピークが急に弱くなった。す
なわちエピタキシャル成長していない。図19のΔ印は
図18(d)に示したように、エピタキシャル成長を示
すRHEEDパターンはまったく見えず、完全にリング
パターンになった場合である。この試料はX線回折の結
果、ほとんど何のピークも観測されなかった。従って、
非晶質または微結晶の集合した多結晶体であることが分
かる。20 and 21 show the results of X-ray diffraction when the oxygen flow rate was changed, for comparison. Figure 20 shows Ce (dpm) 3
CeO when the amount of flux is 3.5 × 10 -7 [mol m -2 s -1 ]
2 (200) peak oxygen flow rate dependence, and Fig. 21 shows Ce (d
pm) 3 The flux amount is 1.9 × 10 -7 [mol m -2 s -1 ]. On the low oxygen flow rate side from the alternate long and short dash line in FIG.
Not only was the ring superimposed on the EED pattern, but at the same time, the CeO 2 peak of the X-ray diffraction pattern suddenly weakened. That is, it is not epitaxially grown. As shown in FIG. 18D, the Δ mark in FIG. 19 shows the case where the RHEED pattern showing the epitaxial growth is completely invisible and the ring pattern is completely formed. As a result of X-ray diffraction, almost no peak was observed in this sample. Therefore,
It can be seen that it is a polycrystalline body in which amorphous or microcrystalline is aggregated.
【0087】種々の条件で堆積した試料の酸によるエッ
チング試験を行ったところ、膜質によってエッチング速
度が大きく変化することが分かった。一例として、濃塩
酸から 5倍程度に薄めた塩酸に30分入れてエッチング試
験を行った。図19の○印の試料(A)は結晶性のよい
CeO2 エピタキシャル膜であるが、これは塩酸に溶けな
かった。図19の×印の試料(B)は結晶性の悪いエピ
タキシャル成長しなかった CeO2 膜であるが、塩酸に溶
けた。図19のΔ印の試料(C)は、後に述べるよう
に、Ceと Cと Oとを主成分とする膜であり、導電性を有
する膜であるが、これは塩酸に溶けなかった。この膜の
抵抗率は、室温で 0.2Ωcmであった。これよりも、さら
に有機金属分子供給密度に対する活性酸素供給密度の比
を減らせば、さらに抵抗率の低い膜が得られる。When an etching test was conducted on the samples deposited under various conditions with an acid, it was found that the etching rate greatly changed depending on the film quality. As an example, an etching test was performed by placing the hydrochloric acid diluted with concentrated hydrochloric acid about 5 times for 30 minutes. The sample (A) marked with a circle in FIG. 19 has good crystallinity.
Although it is a CeO 2 epitaxial film, it was not soluble in hydrochloric acid. The sample (B) indicated by x in FIG. 19 is a CeO 2 film with poor crystallinity that did not grow epitaxially, but was dissolved in hydrochloric acid. As will be described later, the sample (C) marked with Δ in FIG. 19 is a film containing Ce, C, and O as main components and a conductive film, but it was not soluble in hydrochloric acid. The resistivity of this film was 0.2 Ωcm at room temperature. If the ratio of the active oxygen supply density to the organometallic molecule supply density is further reduced than this, a film having a lower resistivity can be obtained.
【0088】以上の実験結果から、 CeO2 のエピタキシ
ャル成長に必要な成長条件が把握できた。前述した必要
堆積速度の場合、酸素流量4.00sccmでエピタキシャル成
長させることができた。この流量は、従来クヌーセン・
セルを用いて銅酸化物超電導体を成長していたよりも 3
倍高い値であるが、まだ層状銅酸化物を成長できる範囲
内である。ところで、活性酸素源としてECRプラズマ
活性酸素源の代わりに純オゾン源を使うこともできる。
ここで、純オゾン源とは放電によるオゾナイザーで作製
したオゾン含有酸素ガスを77〜100Kの低温に保持したオ
ゾン室に導き、オゾンのみを液化して溜め、そこから蒸
発してくる 70%以上のオゾンを含むガスを基板に導く方
法である。実験した結果、この場合ガス中の活性酸素濃
度がECRプラズマ酸素源よりも高いため、成膜室の酸
素圧力がもっと低い条件までエピタキシャル成長させる
ことができた。しかし、活性酸素供給密度(この場合は
オゾン分子の供給密度)で比較すると、ERCプラズマ
活性酸素源と同じ実験結果が得られた。From the above experimental results, the growth conditions necessary for the epitaxial growth of CeO 2 could be understood. With the required deposition rate described above, epitaxial growth could be performed with an oxygen flow rate of 4.00 sccm. This flow rate is
Rather than growing copper oxide superconductors using cells 3
Although it is twice as high, it is still within the range where layered copper oxide can be grown. By the way, a pure ozone source may be used as the active oxygen source instead of the ECR plasma active oxygen source.
Here, the pure ozone source is an ozone-containing oxygen gas produced by discharge by an ozonizer that is introduced into an ozone chamber maintained at a low temperature of 77 to 100 K, where only the ozone is liquefied and stored, and 70% or more of which evaporates from it. This is a method of introducing a gas containing ozone to the substrate. As a result of an experiment, in this case, the active oxygen concentration in the gas was higher than that of the ECR plasma oxygen source, and therefore epitaxial growth could be performed up to the condition where the oxygen pressure in the film forming chamber was lower. However, when comparing the active oxygen supply density (in this case, the supply density of ozone molecules), the same experimental result as that of the ERC plasma active oxygen source was obtained.
【0089】活性酸素供給密度が小さい場合にエピタキ
シャル成長しない原因を探るために、膜の分析を行っ
た。四重極型の2次イオン質量分析器(SIMS)を用
いて、膜中のカーボン分析を行った。試料は、図19中
(A)の条件でエピタキシャル成長した CeO2 膜と、図
19中(C)の条件で成長した導電性を有する黒色系の
薄膜試料である。それぞれの実験結果を、図22
((A)の結果)および図23((C)の結果)にCeと
Cと Oの深さ方向の分布データとして示す。 CeO2 エピ
タキシャル膜(A)中のカーボン量は SrTiO3 基板中と
同程度であり、検出限界以下であった。導電性を有する
薄膜試料(C)でははっきりとカーボンが検出され、そ
のシグナルは(A)より 2桁以上大きかった。The film was analyzed in order to find out the cause of no epitaxial growth when the active oxygen supply density is low. The carbon in the film was analyzed using a quadrupole secondary ion mass spectrometer (SIMS). The samples are a CeO 2 film epitaxially grown under the condition (A) in FIG. 19 and a conductive black thin film sample grown under the condition (C) in FIG. The results of each experiment are shown in FIG.
Ce (result of (A)) and FIG. 23 (result of (C))
The distribution data of C and O in the depth direction are shown. The amount of carbon in the CeO 2 epitaxial film (A) was about the same as in the SrTiO 3 substrate, and was below the detection limit. Carbon was clearly detected in the conductive thin film sample (C), and the signal was more than two orders of magnitude higher than that in (A).
【0090】また、いくつかの薄膜試料について、オー
ジェ電子分光法を用いて主要な構成元素であるCeと Cと
Oの深さ方向のプロファイルを調べた。比感度係数から
考えると、試料(C)には14〜32at% のカーボンが含ま
れており、これはCeの原子数に対して Cの原子数が 0.4
〜 1倍程度であることに相当する。他に、図21におけ
る酸素流量が1.25sccmの場合の試料をオージェ電子分光
法で調べた結果、膜中のカーボン濃度は少ないところで
5at%程度であり、C/Ceの原子数比が 0.1程度であった。
さらに他に、試料(C)とほぼ同じ条件だが、ECRプ
ラズマをオフにして酸素の活性化を行わずに成膜した試
料(導電性を有する黒色系の薄膜試料)をオージェ電子
分光法で調べた。その結果を図24に示す。成膜中に活
性酸素を照射しなかった結果、膜中のカーボン濃度が25
〜32at% となり、C/Ceの原子数比にして 0.5〜 0.8倍程
度にカーボンが混入した。Further, with respect to some thin film samples, Ce and C, which are main constituent elements, were measured by Auger electron spectroscopy.
The profile of O in the depth direction was investigated. Considering the specific sensitivity coefficient, the sample (C) contains 14 to 32 at% carbon, which means that the number of C atoms is 0.4 relative to the number of Ce atoms.
It is equivalent to about 1 time. In addition, when the oxygen flow rate in FIG. 21 was 1.25 sccm and the sample was examined by Auger electron spectroscopy, it was found that the carbon concentration in the film was low.
It was about 5 at% and the atomic ratio of C / Ce was about 0.1.
In addition, under the same conditions as the sample (C), a sample (black thin film sample having conductivity) formed by turning off ECR plasma and not activating oxygen was examined by Auger electron spectroscopy. It was The result is shown in FIG. As a result of not irradiating active oxygen during film formation, the carbon concentration in the film was 25
The carbon content was up to 32 at%, and the carbon content was 0.5 to 0.8 times that of C / Ce.
【0091】さらに、X線光電子分光(XPS)分析を
行った。試料は、図19中の(C)に近い条件で成膜し
た試料であり、導電性を有する黒色系の薄膜試料であ
る。また参照試料として、活性酸素条件や基板温度等の
条件を同一にして、ガスソースの代わりにクヌーセン・
セルからCe金属を蒸発させて、 SrTiO3 (110) 基板上に
CeO2 膜を作製した。その結果、無色透明で抵抗が無限
大で、X線回折で見て(111)配向した CeO2 膜が得られ
た。RHEEDで見るとエピタキシャル成長している。
XPSではCeと Cのピークが重なることからカーボンの
分析精度は低かったため、有機金属ガスソースによる導
電性を有する黒色系の試料と参照試料とで、膜中カーボ
ン量に顕著な差は見られなかった。Ceの化学結合状態
(Ceの3dレベル)を調べた結果が図25および図26で
ある。図25に示す参照試料ではCeO2 に帰属するサテ
ライトピークが検出されているのに対し、図26に示す
ガスソースによる(C)に近い条件の薄膜試料では金属
Ceに近いピークが観測され、上記のサテライトピークは
ほとんど検出されなかった。(C)に近い条件の薄膜試
料のCeは電子状態が金属に近く、酸化しきっていないと
言える。従って、前述のSIMSの結果や酸によるエッ
チング試験の結果とも併せて、単に金属状態に近いCeが
混合しているというよりは、カーボンの混入によりセリ
ウムカーバイドに近い状態になっていると考えられる。Further, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis was performed. The sample is a film formed under the condition close to (C) in FIG. 19, and is a black thin film sample having conductivity. As a reference sample, the same conditions such as active oxygen conditions and substrate temperature were used, and instead of the gas source, Knudsen.
Evaporation of Ce metal from the cell onto SrTiO 3 (110) substrate
A CeO 2 film was prepared. As a result, a colorless and transparent CeO 2 film having infinite resistance and (111) orientation as seen by X-ray diffraction was obtained. Epitaxial growth is observed by RHEED.
Since the carbon analysis accuracy was low in XPS because the peaks of Ce and C overlap, there is no significant difference in the amount of carbon in the film between the black sample and the reference sample, which have conductivity due to the organometallic gas source. It was The results of examining the chemical bond state of Ce (3d level of Ce) are shown in FIGS. 25 and 26. In the reference sample shown in FIG. 25, a satellite peak attributed to CeO 2 was detected, whereas in the thin film sample under the conditions close to (C) by the gas source shown in FIG.
A peak close to Ce was observed, and the above satellite peak was hardly detected. It can be said that Ce of the thin film sample under the condition close to (C) has an electronic state close to that of metal and is not completely oxidized. Therefore, together with the results of SIMS and the results of the etching test using an acid described above, it is considered that the state is closer to that of cerium carbide due to the incorporation of carbon, rather than the fact that Ce, which is close to the metallic state, is mixed.
【0092】また、膜の表面形態をSEMとFE−SE
Mで観察した。図27にSEM観察写真を、図28にF
E−SEM観察写真を示す。図27(a)および図28
(a)に示すように、エピタキシャル成長した CeO2 膜
(A)の場合は明瞭な組織が見られなかった。それに対
して、図27(b)および図28(b)に示すように、
Ce-C-Oを主成分とする導電性を有する膜(C)の場合
は、20nm程度の粒構造を持った凹凸が見られる場合があ
り、その上に銅酸化物超電導体膜を堆積すると、エピタ
キシャル成長しないことと、下地からのカーボンの拡散
により超電導性が得られにくいことが分かった。The surface morphology of the film was determined by SEM and FE-SE.
Observed at M. FIG. 27 shows an SEM observation photograph, and FIG. 28 shows F.
The E-SEM observation photograph is shown. 27 (a) and 28
As shown in (a), no clear structure was observed in the case of the epitaxially grown CeO 2 film (A). On the other hand, as shown in FIGS. 27 (b) and 28 (b),
In the case of a conductive film (C) containing Ce-CO as a main component, irregularities having a grain structure of about 20 nm may be seen. It was found that it was difficult to obtain superconductivity due to the fact that carbon was not diffused and the carbon diffused from the underlayer.
【0093】以上の分析結果から、エピタキシャル成長
条件から大きくはずれた条件(図19の(C)付近)の
膜は、カーボンが多量に混入しかつCeが十分に酸化され
ていないことが分かった。そこで、図19の一点鎖線よ
りも低酸素流量側でエピタキシャル成長しない原因は、
膜中にカーボンと酸化しきっていないCeが混入するため
と考えられる。From the above analysis results, it was found that in the film under the conditions greatly deviated from the epitaxial growth conditions (near (C) in FIG. 19), a large amount of carbon was mixed and Ce was not sufficiently oxidized. Therefore, the reason why epitaxial growth does not occur on the low oxygen flow rate side of the one-dot chain line in FIG.
It is considered that this is because carbon and Ce that has not completely oxidized are mixed in the film.
【0094】図19から、エピタキシャル成長させるた
めには、有機金属ガス供給密度を増した場合にはほぼ比
例して酸素流量を増やす必要があることが分かった。こ
こで、各ガスの成分のフラックスを比較する。酸素流量
1.25sccmの場合、 O2 分子フラックスはおおよそ 8×10
-5[mol m-2 s-1]である。他に、水晶振動子式膜厚モニ
タにAg膜を真空蒸着し、それをECRプラズマ活性酸素
源で酸化して、その重量変化を水晶振動子の周波数変化
で測定する方法により、活性酸素フラックスを測定し
た。このとき、Agを酸化している活性酸素は原子状酸素
と考えられる。この実験から見積もった原子状酸素フラ
ックスは、酸素流量1.25sccm、放電電力100Wの場合、基
板上で1.62×10-6[mol m-2 s-1]である。このとき、 C
e(dpm)3フラックスが1.35×10-7[mol m-2 s-1]の場合
にはエピタキシャル成長し、 Ce(dpm)3 フラックスが1.
90×10-7[mol m-2 s-1]に増えるとエピタキシャル成長
しなくなる。From FIG. 19, it was found that in order to grow epitaxially, it was necessary to increase the oxygen flow rate almost in proportion when the organometallic gas supply density was increased. Here, the flux of the component of each gas is compared. Oxygen flow rate
At 1.25 sccm, the O 2 molecular flux is approximately 8 × 10.
-5 [mol m -2 s -1 ]. In addition, by vacuum-depositing an Ag film on a crystal oscillator type film thickness monitor, oxidizing it with an ECR plasma active oxygen source, and measuring the weight change with the frequency change of the crystal oscillator, the active oxygen flux was measured. It was measured. At this time, the active oxygen that oxidizes Ag is considered to be atomic oxygen. The atomic oxygen flux estimated from this experiment is 1.62 × 10 −6 [mol m −2 s −1 ] on the substrate when the oxygen flow rate is 1.25 sccm and the discharge power is 100 W. At this time, C
When the e (dpm) 3 flux is 1.35 × 10 -7 [mol m -2 s -1 ], epitaxial growth occurs, and the Ce (dpm) 3 flux is 1.
When it increases to 90 × 10 -7 [mol m -2 s -1 ], epitaxial growth stops.
【0095】ところで、 1モルのCe(dpm)3 が完全に燃
焼するには45モルの O2 分子が必要である。今、上記の
いずれの Ce(dpm)3 フラックス条件でも、完全に燃焼さ
せるに十分な量の O2 分子を供給している。にもかかわ
らず、エピタキシャル成長しない場合があるということ
は、活性酸素フラックスが重要であることが分かる。単
純に計算すると、 Ce(dpm)3 に対して12倍の原子状酸素
があるとエピタキシャル成長し、 8.5倍ではエピタキシ
ャル成長しないことになる。有機金属を蒸着して YBa2
Cu3 O 7-δを作製する場合に、結晶性のよい膜やTc の
高い膜を得るにはある程度以上の密度の活性酸素を基板
に供給する必要があることは、従来から報告されてい
る。しかし、その定量的議論はされていない。 1モルの
Ce(dpm)3が分解して CeO2 がエピタキシャル成長する
反応過程において、 02 分子は重要ではなく、活性酸素
が10モル以上必要であることを本発明で初めて見出し
た。By the way, 45 moles of O 2 molecules are required to completely burn 1 mole of Ce (dpm) 3 . Now, under any of the above Ce (dpm) 3 flux conditions, a sufficient amount of O 2 molecule is supplied for complete combustion. Nevertheless, the fact that epitaxial growth may not occur indicates that the active oxygen flux is important. A simple calculation shows that 12 times as much atomic oxygen as Ce (dpm) 3 causes epitaxial growth, and 8.5 times does not cause epitaxial growth. Evaporate metalorganic YBa 2
It has been previously reported that when producing Cu 3 O 7-δ , it is necessary to supply the substrate with active oxygen having a certain density or more to obtain a film with good crystallinity or a film with high T c. There is. However, it has not been quantitatively discussed. 1 mole
In the reaction process of Ce (dpm) 3 CeO 2 and decomposition is epitaxially grown, 0 2 molecule is not critical, active oxygen was first found in the present invention that it requires 10 moles or more.
【0096】実験した結果、酸素流量を変化させても、
またECR放電を止めても、エピタキシャル成長の有無
に拘らず、基板へのCeの堆積量に急激な変化はない。こ
の事実と基板温度依存性の実験結果から、 Ce(dpm)3 が
分解して基板上に堆積する過程は、 O2 分子の依存下で
の熱分解が主と考えられる。この反応過程において、Ce
(dpm)3 が完全に燃焼するのではなく、配位子が切れる
と考えられる。前述の分析結果から考えると、活性酸素
は基板上に堆積したカーボンを酸化して除去し、かつCe
を完全に酸化する役割を果たすことにより、エピタキシ
ャル成長に貢献している。だとすると、上述の必要活性
酸素量の評価値は、熱分解で基板上に堆積するカーボン
量のオーダーがCeの 1モルに対して10モル程度であるこ
とを示している。従って、原料が分解して最初に基板に
吸着するのは、 dpm配位子が 2個はずれた Ce(dpm)(=C
11H 19O 2 Ce)であると考えられる。As a result of the experiment, even if the oxygen flow rate was changed,
Further, even if the ECR discharge is stopped, there is no sudden change in the amount of Ce deposited on the substrate regardless of the presence or absence of epitaxial growth. From this fact and the experimental results of the substrate temperature dependence, it is considered that the process of decomposition of Ce (dpm) 3 and deposition on the substrate is mainly thermal decomposition under the dependence of O 2 molecules. In this reaction process, Ce
It is considered that (dpm) 3 is not completely burned, but the ligand is broken. Considering the above analysis results, active oxygen oxidizes and removes carbon deposited on the substrate, and Ce
Contributes to the epitaxial growth by playing the role of completely oxidizing. If so, the above-mentioned evaluation value of the required amount of active oxygen indicates that the order of the amount of carbon deposited on the substrate by the thermal decomposition is about 10 mol per 1 mol of Ce. Therefore, it is Ce (dpm) (= C where two dpm ligands are displaced that the raw material decomposes and is first adsorbed on the substrate.
11 H 19 O 2 Ce).
【0097】さらに色々な条件で多数の実験を重ねた結
果、(A)基板上でのCeのβ- ジケトン錯体の分子供給
密度に対する活性酸素の供給密度の比が10倍以上の場合
に、エピタキシャル成長した結晶性のよい CeO2 膜が得
られ、(C)Ceのβ- ジケトン錯体の分子供給密度に対
する活性酸素供給密度の比が 4倍未満の場合に、導電性
を有する非晶質または微結晶の集合した多結晶体からな
るCe-C-O膜が得られ、(B)(A)と(C)の間の領域
では、結晶性が悪く酸やイオンビームでエッチングされ
易い CeO2 膜が得られることが分かった。この理由は以
下のように考えられる。ノズルから出た Ce(dpm)3 分子
は他の分子とほとんど衝突することなく基板に到達し、
加熱した基板で分子が暖められる。 O2 分子の存在下で
Ce(dpm)3 分子が 300℃以上に加熱されると直ぐに配位
子が脱離することから、比較的安全な Ce(dpm)の形でま
ず基板に吸着する。このまま膜成長を続けると、 (dpm)
に含まれる Cの一部が膜中に取り込まれたままになる。
同時に、 (dpm)に含まれるHのために、酸化しきらないC
eが膜中に残る。この状態が(C)である。As a result of conducting many experiments under various conditions, (A) epitaxial growth was carried out when the ratio of the active oxygen supply density to the molecular supply density of the β-diketone complex of Ce on the substrate was 10 times or more. obtained good crystallinity CeO 2 film is, (C) when the ratio of the active oxygen supply density to molecular supply density of β- diketone complex of Ce is less than 4 times, amorphous or microcrystalline having conductivity A Ce-CO film composed of polycrystals of is obtained, and in the region between (B), (A) and (C), a CeO 2 film with poor crystallinity and easy to be etched by acid or ion beam is obtained. I found out. The reason for this is considered as follows. The Ce (dpm) 3 molecule from the nozzle reaches the substrate with almost no collision with other molecules,
The molecules are warmed by the heated substrate. In the presence of O 2 molecule
When the Ce (dpm) 3 molecule is heated to 300 ° C or higher, the ligand is desorbed immediately, so that it is first adsorbed on the substrate in the form of Ce (dpm), which is relatively safe. If the film growth is continued as it is, (dpm)
A part of C contained in is retained in the membrane.
At the same time, due to H contained in (dpm), C that is not completely oxidized
e remains in the film. This state is (C).
【0098】以下では、図8を参照しながら Ce(dpm)の
1分子について考察する。 (dpm)の中にはCeに隣接し
て、 2つの C-O結合と 2つの C-C結合の合計 4つの結合
が共役した結合を成している。ここに 4つの酸素ラジカ
ルがくると、ラジカル反応により共役した結合が切れ
る。従って、膜中に取り込まれるカーボン量が激減す
る。しかしながら、この状態ではまだ (dpm)に含まれる
全てのカーボンを燃焼したわけではないので、膜中には
1at%未満のカーボンが残る。その結果、 CeO2 は形成さ
れるものの、その結晶性は悪くエピタキシャル成長しな
い。この状態が(B)であり、結晶性が悪いことから酸
やイオンビームによってエッチングされ易い薄膜が得ら
れる。11個の酸素ラジカルがくると、 (dpm)に含まれる
11個のカーボン全てとラジカル反応を起こすことがで
き、ほとんど全てのカーボンが気相中に逃げ、膜中には
残らない。その結果、結晶性のよい CeO2 膜がエピタキ
シャル成長する。その状態が(A)である。In the following, referring to FIG. 8, Ce (dpm)
Consider one molecule. In (dpm), adjacent to Ce, a total of four bonds of two CO bonds and two CC bonds form a conjugated bond. When four oxygen radicals come here, the conjugated bonds are broken by the radical reaction. Therefore, the amount of carbon taken into the film is drastically reduced. However, in this state, not all the carbon contained in (dpm) has been burned, so the film contains
Less than 1 at% carbon remains. As a result, although CeO 2 is formed, its crystallinity is poor and epitaxial growth does not occur. This state is (B), and since the crystallinity is poor, a thin film that is easily etched by an acid or an ion beam can be obtained. When 11 oxygen radicals come, they are included in (dpm)
A radical reaction can occur with all 11 carbons, and almost all carbon escapes into the gas phase and does not remain in the film. As a result, a CeO 2 film having good crystallinity is epitaxially grown. The state is (A).
【0099】実施例2 次に、基板上でのCeのβ- ジケトン錯体の分子供給密度
に対する活性酸素の供給密度の比を空間的に変えた実施
例について述べる。その有効性を調べるために、まず基
板付近での各気体分子の平均自由行程を調べる。気体X
とXよりも非常に少量の気体Yがある場合のそれぞれの
平均自由行程λX 、λY は、それぞれ以下の式で表され
る。Example 2 Next, an example will be described in which the ratio of the supply density of active oxygen to the molecule supply density of the β-diketone complex of Ce on the substrate was spatially changed. In order to investigate its effectiveness, first, the mean free path of each gas molecule near the substrate is investigated. Gas X
The respective mean free paths λ X and λ Y in the case where there is a very small amount of gas Y than X and X are represented by the following equations, respectively.
【0100】[0100]
【数6】 (Equation 6)
【数7】 今、Xが O2 で、Yが Ce(dpm)3 と考え、 O2 分子の直
径dX =3.7×10-10 m、 Ce(dpm)3 の実験直径dY =1×1
0-9m 、実施例1で用いた基板周辺での酸素分布密度n
X =4.5〜14×1017m -3、実施例1で用いた有機金属分子
線強度から求めた基板周辺での Ce(dpm)3 の分子密度n
Y =6.4〜23×1014m -3、 O2 の分子量MX =32 、 Ce(dp
m)3 の分子量MY =689.9を代入する。結果として、酸素
電子の平均自由行程λX = 1200〜3700mm、 Ce(dpm)3 分
子の平均自由行程λY =100〜 320mmが得られる。λX は
活性酸素源と基板の距離(実施例1の場合は 123mm)よ
りも十分長い。λY はガスソースノズルと基板の距離
(実施例1の場合は49mm)よりも十分長い。従って、こ
の実施例においては、 O2 分子も活性酸素も有機金属分
子もノズル穴から成膜室に出た後は、他の分子とほとん
ど衝突することなく、まっすぐに基板に到達する。よっ
て、以下に述べる有機金属錯体の分子供給密度に対する
活性酸素の供給密度の比を空間的に変える手法が非常に
有効に働く。(Equation 7) Now, assuming that X is O 2 and Y is Ce (dpm) 3 , the diameter of O 2 molecule d X = 3.7 × 10 -10 m, the experimental diameter of Ce (dpm) 3 d Y = 1 × 1
0 -9 m, oxygen distribution density n around the substrate used in Example 1
X = 4.5 to 14 × 10 17 m −3 , the molecular density n of Ce (dpm) 3 around the substrate obtained from the intensity of the organometallic molecular beam used in Example 1
Y = 6.4~23 × 10 14 m -3 , a molecular weight of O 2 M X = 32, Ce (dp
Substitute the molecular weight M Y of m) 3 = 689.9. As a result, the mean free path of oxygen electrons λ X = 1200 to 3700 mm and the mean free path of Ce (dpm) 3 molecules λ Y = 100 to 320 mm are obtained. λ X is sufficiently longer than the distance between the active oxygen source and the substrate (123 mm in the case of Example 1). λ Y is sufficiently longer than the distance between the gas source nozzle and the substrate (49 mm in the case of Example 1). Therefore, in this embodiment, after the O 2 molecule, the active oxygen and the organometallic molecule have come out of the nozzle hole into the film forming chamber, they directly reach the substrate with almost no collision with other molecules. Therefore, the method of spatially changing the ratio of the supply density of active oxygen to the molecule supply density of the organometallic complex described below works very effectively.
【0101】従来例に述べた、 S.J.Durayらの成膜法や
K.Kanehoriらの成膜法の場合、成膜室の酸素圧力は 1.3
×10-2〜 1.3Paと高かった。この圧力を用いて、他の条
件は上記と同じで平均自由行程を求めると、酸素分子の
平均自由行程が 5.1〜 510mm、有機金属錯体の平均自由
行程が0.44〜44mmとかなり短くなり、成膜室内での分子
同士の衝突が頻繁に起こって直進性が保たれない。従っ
て、これら従来例では分子供給密度の比を空間的に変え
る方法は有効に働かない。The film forming method of SJ Duray et al.
In the case of the film formation method of K. Kanehori et al., The oxygen pressure in the film formation chamber is 1.3.
It was as high as × 10 -2 to 1.3 Pa. Using this pressure, the other conditions are the same as above, and the mean free path is determined. Collisions between molecules frequently occur indoors, and straightness cannot be maintained. Therefore, in these conventional examples, the method of spatially changing the ratio of the molecular supply densities does not work effectively.
【0102】図29にECRプラズマ活性酸素源を用い
た場合の例を示す。厚さ 1mmのステンレス板でマイクロ
波ストリップライン用のマスク67を作製し、このマス
ク67を活性酸素源(ECRガン58)と基板60との
間に設置した。なるべく平行な活性酸素ビームを得るた
めに、活性酸素源の出口は半径に対して20倍以上長い円
筒状の穴を多数並べたノズルとした。実施例1と同様の
条件で薄膜を作製したところ、マスク67の穴に対応し
た基板60上には(A)結晶性のよい CeO2 エピタキシ
ャル膜が得られた。マスクに遮られた基板60上では活
性酸素があたらず、 O2 分子が漂っていただけであるた
めに、(C)Ceと Cと Oを主成分とした導電性を有する
膜が得られ、その膜表面は荒れていた。FIG. 29 shows an example in which an ECR plasma active oxygen source is used. A microwave stripline mask 67 was prepared from a stainless steel plate having a thickness of 1 mm, and the mask 67 was placed between the active oxygen source (ECR gun 58) and the substrate 60. In order to obtain a parallel active oxygen beam as much as possible, the outlet of the active oxygen source was a nozzle with a large number of cylindrical holes arranged 20 times longer than the radius. When a thin film was formed under the same conditions as in Example 1, (A) a CeO 2 epitaxial film having good crystallinity was obtained on the substrate 60 corresponding to the hole of the mask 67. On the substrate 60 shielded by the mask, there is no active oxygen and only O 2 molecules drift, so that a conductive film containing (C) Ce, C and O as main components is obtained. The film surface was rough.
【0103】さらに、マスク67を用いて上記と同様の
成膜を行った後、マスク67を移動し、真空を破らずに
連続してクヌーセン・セル52、53、54、55、5
6を用いて、(Pb2 Cu)Sr2 (Dy,Ca)Cu2 O 8+δ超電導
体膜を堆積した。その結果、例えば図3に示したマイク
ロ波受動素子を作製することができた。超電導体膜はYB
a2 Cu3 O 7-δでもよい。Further, after the same film formation is performed using the mask 67, the mask 67 is moved, and the Knudsen cells 52, 53, 54, 55, 5 are continuously moved without breaking the vacuum.
6 was used to deposit a (Pb 2 Cu) Sr 2 (Dy, Ca) Cu 2 O 8 + δ superconductor film. As a result, for example, the microwave passive element shown in FIG. 3 could be manufactured. Superconducting film is YB
It may be a 2 Cu 3 O 7-δ .
【0104】図30に、細く絞ったオゾンビームで基板
上をスキャンした例を示す。前述した純オゾン源を用
い、オゾンビームノズル68は直径 0.1mmのオリフィス
の実効的な長さが 5mm以上となるように作製した。この
オゾンビームノズル68は、フレキシブルチューブの先
端に設けられている。オゾンビームノズル68の方向
は、予め決めたプログラムにより、モータ駆動で成膜中
は自動的に方向が変わるようにした。このオゾンビーム
ノズル68から照射されるオゾンビームで、基板60上
をスキャンしたところ、一定時間(例えば 1分)内の平
均値として有機金属錯体の分子供給密度に対するオゾン
供給密度の比が20倍になった場所には、(A)結晶性の
よい CeO2 膜がエピタキシャル成長し、有機金属錯体の
分子供給密度に対するオゾン供給密度の比が 6倍になっ
た場所には、(B)結晶性が悪くエッチングされ易い C
eO2 膜が形成された。さらに、一定時間(例えば 1分)
内の平均値として有機金属錯体の分子供給密度に対する
オゾン供給密度の比が 2倍になった場所には、Ce-C-O抵
抗膜となった。こうして、図2中の分離用絶縁層23と
抵抗膜24とを有する薄膜層26を作製することができ
た。FIG. 30 shows an example in which the substrate is scanned with a thinly focused ozone beam. Using the pure ozone source described above, the ozone beam nozzle 68 was manufactured so that the effective length of the orifice having a diameter of 0.1 mm was 5 mm or more. The ozone beam nozzle 68 is provided at the tip of the flexible tube. The direction of the ozone beam nozzle 68 was automatically changed during film formation by driving a motor by a predetermined program. When the substrate 60 was scanned with the ozone beam emitted from the ozone beam nozzle 68, the ratio of the ozone supply density to the molecule supply density of the organometallic complex was increased 20 times as an average value within a fixed time (for example, 1 minute). (A) CeO 2 film with good crystallinity was epitaxially grown in the place where the ratio of ozone supply density to the molecular supply density of the organometallic complex was 6 times, and (B) the crystallinity was poor. Easily etched C
An eO 2 film was formed. In addition, a fixed time (eg 1 minute)
The Ce-CO resistance film was formed at the place where the ratio of the ozone supply density to the molecular supply density of the organometallic complex doubled as the average value in the inside. Thus, the thin film layer 26 having the insulating layer for separation 23 and the resistance film 24 in FIG. 2 could be manufactured.
【0105】なお、微細なパターニングを行う場合に
は、以下の方法を適用することが望ましい。すなわち、
集束イオンビーム装置(FIB)を用いて、有機金属錯
体の分子供給密度に対する活性酸素供給密度の比を空間
的に変えれば、サブミクロン寸法までの微細なパターニ
ングを、本発明の方法により簡便に行うことができる。 実施例3 シリコンデバイス用に高誘電率材料を成膜した例につい
て述べる。図7に示した成膜装置において、クヌーセン
セルからSrとBaを蒸発させると共に、有機金属ガスソー
ス源64には Ti(dpm)4 原料を入れ、熱酸化膜付きSi基
板上にBa0.5 Sr0.5 TiO 3 を作製した。その際に、活性
酸素を照射しながら 600℃に加熱した基板上に、Srのみ
を約 5原子層分堆積してからTiのβ- ジケトン錯体とBa
とSrとを基板に堆積することによって、ペロブスカイト
構造を持つBa0.5 Sr0.5 TiO 3 を熱酸化膜付きSi基板上
にエピタキシャル成長させることができた。When fine patterning is performed, it is desirable to apply the following method. That is,
If the ratio of the active oxygen supply density to the molecule supply density of the organometallic complex is spatially changed using a focused ion beam device (FIB), fine patterning up to submicron size can be easily performed by the method of the present invention. be able to. Example 3 An example in which a high dielectric constant material is deposited for a silicon device will be described. In the film forming apparatus shown in FIG. 7, Sr and Ba are vaporized from the Knudsen cell, Ti (dpm) 4 raw material is put into the organometallic gas source source 64, and Ba 0.5 Sr 0.5 is deposited on the Si substrate with the thermal oxide film. TiO 3 was prepared. At that time, only about 5 atomic layers of Sr was deposited on the substrate heated to 600 ° C while irradiating with active oxygen, and then the β-diketone complex of Ti and Ba were deposited.
By depositing Sr and Sr on the substrate, Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 with perovskite structure could be epitaxially grown on the Si substrate with thermal oxide film.
【0106】実施例2で述べた金属マスクを用い、基板
へのβ- ジケトン錯体の分子供給密度に対する活性酸素
の供給密度の比を10倍以上とした部分(A)と、マスク
で活性酸素が遮られて約 6倍である部分(B)とを作っ
た。その結果、(A)では結晶性のよいBa0.5 Sr0.5 Ti
O 3 がエピタキシャルに成長し、(B)の部分では結晶
性の悪いBa0.5 Sr0.5 TiO 3-δ多結晶体が成長した。
(B)の部分では膜中にカーボンが 0.01at%以上混入
し、かつTiの平均価数は3.99〜 3.7であった。この薄膜
試料を塩酸でエッチングした結果、(B)の部分のみエ
ッチングされ、(A)の部分と基板はエッチングされな
かった。すなわち、パターニングされた結晶性のよいBa
0.5 Sr0.5 TiO 3 膜が得られた。Using the metal mask described in Example 2, a portion (A) in which the ratio of the supply density of active oxygen to the molecule supply density of the β-diketone complex to the substrate was set to 10 times or more, and the active oxygen was removed by the mask I made a part (B) that was about 6 times as blocked. As a result, in (A), Ba 0.5 Sr 0.5 Ti with good crystallinity is obtained.
O 3 was epitaxially grown, and in the portion (B), a Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 -δ polycrystal having poor crystallinity was grown.
In the portion (B), carbon was mixed in the film in an amount of 0.01 at% or more, and the average valence of Ti was 3.99 to 3.7. As a result of etching this thin film sample with hydrochloric acid, only the portion (B) was etched and the portion (A) and the substrate were not etched. That is, patterned Ba with good crystallinity
A 0.5 Sr 0.5 TiO 3 film was obtained.
【0107】また、上記の方法で堆積した薄膜試料を、
Ar85%-CF4 15% のガスを用いてプラズマエッチングした
結果、エッチング機構は化学エッチングよりはイオンに
よるスパッタエッチングが主であった。結晶性が悪く多
結晶体であった(B)の部分のエッチング速度は、結晶
性がよくエピタキシャル成長した(A)に比べて20倍以
上大きかった。また、(B)の部分のエッチング速度
は、 SiO2 に比べて30倍以上大きかった。従って、エッ
チング後はSi基板上にメタルマスクの穴の形状に従った
高誘電率薄膜Ba0.5 Sr0.5 TiO 3 が残った。The thin film sample deposited by the above method is
As a result of plasma etching using a gas of Ar85% -CF 4 15%, the etching mechanism was mainly sputter etching by ions rather than chemical etching. The etching rate of the portion (B), which was a polycrystalline body with poor crystallinity, was 20 times or more higher than that of the epitaxially grown portion (A) with good crystallinity. The etching rate of the portion (B) was 30 times or more as high as that of SiO 2 . Therefore, after etching, the high dielectric constant thin film Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 according to the shape of the holes of the metal mask remained on the Si substrate.
【0108】上述したように、この実施例によれば、レ
ジストの塗布・露光・現像工程を行うことなく、パター
ニングが容易にできる誘電体膜が得られた。上記の例で
はBa0.5 Sr0.5 TiO 3 単一層薄膜の例を述べたが、他に
本発明のMOMBE法が原子層毎の積層を行いやすい利
点を生かして、薄くとも誘電率が低下しないSrTi O3[4u
nit]/ BaTiO3 [4unit] や (Sr0.3 Ba0.7 )TiO3 [4unit]
/ (Ca0.52Sr0.47)TiO3 [4unit] の歪み超格子(全膜厚
10nm)について作製した。シャッタ制御して分子層毎に
堆積しながら細く絞ったオゾンビームで基板をスキャン
して、(A)結晶性のよいエピタキシャル成長した部分
と(B)結晶性の悪い多結晶体の部分とを同一薄膜層内
に作製した。Arイオンミリングを行った結果、(B)の
部分のエッチング速度は(A)に比べて20倍以上速かっ
た。このように、本発明の方法は種々の誘電体物質に適
用し得るものである。As described above, according to this example, a dielectric film which can be easily patterned without the resist coating, exposing and developing steps was obtained. In the above example, an example of a Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 single layer thin film was described, but in addition to this, the advantage that the MONBE method of the present invention facilitates stacking for each atomic layer makes it possible to reduce the dielectric constant even if it is thin 3 [4u
nit] / BaTiO 3 [4unit] or (Sr 0.3 Ba 0.7 ) TiO 3 [4unit]
/ (Ca 0.52 Sr 0.47 ) TiO 3 [4unit] strained superlattice (total film thickness
10 nm). The substrate is scanned with a thinly focused ozone beam while controlling the shutter to deposit each molecular layer, and (A) the epitaxially grown portion with good crystallinity and (B) the polycrystalline portion with poor crystallinity are the same thin film. Made in layers. As a result of performing Ar ion milling, the etching rate of the portion (B) was 20 times or more higher than that of the portion (A). Thus, the method of the present invention can be applied to various dielectric materials.
【0109】実施例4 次に、酸化物磁性体薄膜の実施例について述べる。図9
と同様の有機金属ガスソース源を 3つMBE装置に装着
し、それぞれに原料として La(dpm)3 、Sr(dpm)2 、 M
n(dpm)3 を入れた。 3個のノズルから基板に向けて有機
金属分子を供給し、同時に活性酸素を供給して、ペロブ
スカイト型の結晶構造を持つLa1-x SrxMnO 3 薄膜を作
製した。基板にはMgO(100)面を用い、成膜中は 650℃に
加熱した。膜厚 200nmのLa0.825 Sr0.175 MnO 3 試料に
6Tの磁場をかけて磁気抵抗効果を測定したところ、 280
K で 80%の負の磁気抵抗が得られた。Example 4 Next, an example of an oxide magnetic thin film will be described. Figure 9
The same source of organometallic gas source as in the above was attached to the three MBE units, and La (dpm) 3 , Sr (dpm) 2 , M
I entered n (dpm) 3 . By supplying organometallic molecules toward the substrate from three nozzles and simultaneously supplying active oxygen, a La 1-x Sr x MnO 3 thin film having a perovskite crystal structure was prepared. A MgO (100) surface was used as the substrate, and it was heated to 650 ° C during film formation. For La 0.825 Sr 0.175 MnO 3 sample with a film thickness of 200 nm
When the magnetoresistive effect was measured by applying a magnetic field of 6 T, 280
A negative reluctance of 80% was obtained at K.
【0110】この巨大磁気抵抗効果は高密度磁気ディス
ク用の読出しヘッドへの応用が期待されるが、そのため
には薄膜を数ミクロンの大きさにパターニングしなけれ
ばならない。ここで、ヘッド形状の例を図31に示す。
図31において、69は MgO基板であり、この MgO基板
69上には所定形状にパターニングされた磁性体薄膜ヘ
ッド70が多数形成されている。また、磁性体薄膜70
上には、図32に示すように、電極膜71が形成され
る。This giant magnetoresistive effect is expected to be applied to a read head for a high density magnetic disk, but for that purpose, a thin film must be patterned to a size of several microns. Here, an example of the head shape is shown in FIG.
In FIG. 31, 69 is an MgO substrate, and a large number of magnetic thin film heads 70 patterned into a predetermined shape are formed on the MgO substrate 69. In addition, the magnetic thin film 70
An electrode film 71 is formed on the top, as shown in FIG.
【0111】上述したようなヘッドの製造工程において
は、20×20mmの MgO基板69上に堆積した磁性体薄膜か
ら多数のヘッド70をパターニングして切り出す必要が
ある。従来は、ペロブスカイト型磁性体薄膜のエッチン
グにおいて、 MgO基板との選択性が得にくいことから、
このパターニング工程は極めて困難であった。また、複
雑なリソグラフィー工程とパターニング工程で膜の磁気
特性が変化するという問題があった。In the manufacturing process of the head as described above, it is necessary to pattern and cut out a large number of heads 70 from the magnetic thin film deposited on the MgO substrate 69 of 20 × 20 mm. Conventionally, in the etching of perovskite type magnetic thin film, it is difficult to obtain selectivity with MgO substrate,
This patterning process has been extremely difficult. In addition, there is a problem that the magnetic characteristics of the film change in a complicated lithography process and patterning process.
【0112】この実施例においては、有機金属化合物の
分子供給密度に対する活性酸素の供給密度の比が10倍以
上である部分(A)と、約 5倍である部分(B)とを作
った。Arイオンミリングを行った結果、(B)の部分の
エッチング速度は(A)に比べて30倍以上速かった。そ
の結果、図31に示した MgO基板69上の磁性体薄膜ヘ
ッド70のパターンを、レジストの塗布・露光・現像工
程を行うことなく、Arイオンミリングだけで作製するこ
とができた。これは単純な工程のために、磁気特性の変
化も無かった。有機金属錯体の分子供給密度に対する活
性酸素の供給密度の比が 4倍未満である部分(C)を作
製すると、膜中にカーボンを1at%以上含み、磁気抵抗効
果の無い抵抗性薄膜が得られた。この部分は、磁場に依
存しないシャント抵抗としての機能を持たせることがで
きる。In this example, a part (A) in which the ratio of the supply density of active oxygen to the molecule supply density of the organometallic compound was 10 times or more, and a part (B) in which the ratio was about 5 times were prepared. As a result of performing Ar ion milling, the etching rate of the portion (B) was 30 times or more higher than that of the portion (A). As a result, the pattern of the magnetic thin film head 70 on the MgO substrate 69 shown in FIG. 31 could be produced only by Ar ion milling without performing resist coating, exposing and developing steps. Since this is a simple process, there was no change in magnetic properties. When the part (C) in which the ratio of the supply density of active oxygen to the supply density of molecules of the organometallic complex is less than 4 times is prepared, a resistive thin film containing carbon at 1 at% or more and having no magnetoresistive effect can be obtained. It was This portion can have a function as a shunt resistance that does not depend on the magnetic field.
【0113】磁性体薄膜としては、遷移金属元素を主要
な元素として含んだペロブスカイト型酸化物が望まし
い。中でも、特に(La,A)BO3-δや(Pr,A)BO3-δ(AはCa、
Sr、BaおよびPbから選ばれる少なくとも 1種の元素、 B
はMnおよびCoから選ばれる少なくとも 1種の元素)が磁
気抵抗効果が大きいことから望ましい。The magnetic thin film is preferably a perovskite type oxide containing a transition metal element as a main element. Among them, especially (La, A) BO 3-δ and (Pr, A) BO 3-δ (A is Ca,
At least one element selected from Sr, Ba and Pb, B
Is desirable because at least one element selected from Mn and Co) has a large magnetoresistive effect.
【0114】以上、本発明の実施例について詳述した
が、次にMOMBE法により平坦な酸化物薄膜を形成し
た参考例について述べる。The embodiments of the present invention have been described in detail above. Next, reference examples in which a flat oxide thin film is formed by the MONBE method will be described.
【0115】まず、図7に示したMBE装置を用いて、
積層型ジョセフソン接合を作製した例について述べる。
SrTiO3 (100)基板を 700℃に加熱し、100WのECR放
電により活性化した酸素ガスを 3.3sccm供給しながら薄
膜成長を行った。その際の成膜室51内の酸素圧力は、
イオンゲージ61で測定して 5.2×10-3Paであった。Pb
を入れたクヌーセン・セル52は 650℃に、Srを入れた
クヌーセン・セル53は 477℃に、Caを入れたクヌーセ
ン・セル54は 525℃に、Dyを入れたクヌーセン・セル
55は 980℃に、Cuを入れたクヌーセン・セル56は10
51℃とした。Sr、Ca、DyおよびCuはいずれも30秒で 1原
子層堆積する蒸発速度である。ガスソース源64の原料
容器641には Ce(dpm)3 を入れて 183℃に保持した。
この温度では 1分で 1原子層堆積する。First, using the MBE apparatus shown in FIG.
An example of manufacturing a laminated Josephson junction will be described.
A SrTiO 3 (100) substrate was heated to 700 ° C., and a thin film was grown while supplying 3.3 sccm of oxygen gas activated by 100 W ECR discharge. The oxygen pressure in the film forming chamber 51 at that time is
It was 5.2 × 10 −3 Pa as measured by the ion gauge 61. Pb
Knudsen cell 52 with syrup at 650 ℃, Knudsen cell 53 with Sr at 477 ℃, Knudsen cell 54 with Ca at 525 ℃, Knudsen cell 55 with Dy at 980 ℃. , Knudsen cell 56 containing Cu is 10
It was set to 51 ° C. Sr, Ca, Dy and Cu are all evaporation rates for one atomic layer deposition in 30 seconds. Ce (dpm) 3 was placed in the raw material container 641 of the gas source source 64 and kept at 183 ° C.
At this temperature, one atomic layer is deposited in 1 minute.
【0116】最初に、下部電極として (Pb2 Cu)Sr2 (D
y,Ca)Cu2 O 8+δ超電導体膜を堆積した。まず、基板上
にSrを 2原子層分堆積し、その後 1元素毎に Cu(30se
c)、Dy(15sec) 、 Ca(15sec)、 Cu(30sec)、 Sr(30se
c)、 Pb(45sec)、 Cu(30sec)、Pb(45sec) 、 Sr(30sec)
の順に 2単位胞分堆積した。これが成長初期過程で不純
物相をださずに層状成長させるために必要である。次
に、 Cu(30sec)、 Dy(15sec)、 Ca(15sec)、 Cu(30se
c)、Sr+Pb(30sec)、Pb(7.5sec)、Pb+Cu(15sec)、Pb(7.5
sec)、Pb+Sr(30sec)の順で18単位胞分堆積した。ここ
で、PbをSrやCuと同時に蒸着することによって、膜中へ
のPbの取込み率を上げることができる。また、[SrO-PbO
-Cu-PbO-SrO]のcharge reservoir block layerに含まれ
るCuを化学量論組成の約半分だけ蒸着することにより、
このブロック成長時の成長表面でのCu2 O の析出が抑制
され、層状成長しやすくなることが分かった。この効果
は特に成膜室の酸素分圧が 5.2×10-3Paと高い場合に有
効であり、成膜室の酸素分圧が 1.7×10-3Paと低い場合
にはCuを化学量論組成だけ堆積しても層状成長できる。First, as the lower electrode, (Pb 2 Cu) Sr 2 (D
y, Ca) Cu 2 O 8 + δ superconductor film was deposited. First, two atomic layers of Sr are deposited on the substrate, and then Cu (30se
c), Dy (15sec), Ca (15sec), Cu (30sec), Sr (30se
c), Pb (45sec), Cu (30sec), Pb (45sec), Sr (30sec)
2 units of cells were deposited in this order. This is necessary for the layered growth without releasing the impurity phase in the initial stage of growth. Next, Cu (30sec), Dy (15sec), Ca (15sec), Cu (30se
c), Sr + Pb (30sec), Pb (7.5sec), Pb + Cu (15sec), Pb (7.5
sec) and Pb + Sr (30 sec) in this order, 18 unit cells were deposited. Here, by depositing Pb at the same time as Sr or Cu, the incorporation rate of Pb into the film can be increased. In addition, [SrO-PbO
-Cu-PbO-SrO] by depositing Cu contained in the charge reservoir block layer of about half of the stoichiometric composition,
It was found that the precipitation of Cu 2 O on the growth surface during the block growth was suppressed and the layered growth was facilitated. This effect is particularly effective when the oxygen partial pressure in the film forming chamber is as high as 5.2 × 10 -3 Pa, and Cu is stoichiometric when the oxygen partial pressure in the film forming chamber is as low as 1.7 × 10 -3 Pa. Layered growth can be achieved by depositing only the composition.
【0117】次に、中間層物質を堆積した。中間層物質
は多重蛍石型ブロックを含む層状銅酸化物(化学式:
(Pb2 Cu)Sr2 (Dy,Ce)7 Cu2 O 8+δ)である。これを
1単位胞分堆積すると、その中央に位置する多重蛍石型
ブロックが理想的な絶縁層となり、多重蛍石型ブロック
の上下に隣接して位置する CuO2 面から CuO2 面へクー
パー対がトンネルするS/I/S型ジョセフソン接合に
なる。上記のシャッターシークエンスの後に、Cu(30se
c:CuO2 面に相当)、 Dy(15sec)を堆積した。その後、
有機金属ガスソースを用いて CeO2 を 6層分堆積した。
その後に Dy(15sec)、Cu(30sec:CuO2 面に相当)、Sr+P
b(30sec)、Pb(7.5sec)、Pb+Cu(15sec)、 Pb(7.5sec) 、
Pb+Sr(30sec)を堆積した。Next, the intermediate layer material was deposited. The intermediate layer material is a layered copper oxide (chemical formula:
(Pb 2 Cu) Sr 2 (Dy, Ce) 7 Cu 2 O 8 + δ ). this
When one unit胞分deposition, multiple fluorite block is an ideal insulating layer, Cooper pairs tunnel from CuO 2 plane which is located adjacent to and below the multi-fluorite block to CuO 2 plane located in the center It becomes an S / I / S type Josephson junction. After the above shutter sequence, Cu (30se
c: CuO 2 surface) and Dy (15 sec) were deposited. afterwards,
Six layers of CeO 2 were deposited using an organometallic gas source.
After that, Dy (15 sec), Cu (30 sec: equivalent to CuO 2 surface), Sr + P
b (30sec), Pb (7.5sec), Pb + Cu (15sec), Pb (7.5sec),
Pb + Sr (30 sec) was deposited.
【0118】次に、上部電極として(Pb2 Cu)Sr2 (Dy,
Ca)Cu2 O 8+δ超電導体膜を堆積した。具体的には、 C
u(30sec)、 Dy(15sec)、 Ca(15sec)、 Cu(30sec)、Sr+P
b(30sec)、Pb(7.5sec)、Pb+Cu(15sec)、Pb(7.5sec)、Pb
+Sr(30sec)の順で20単位胞分堆積した。以上の薄膜成長
の結果、積層型のジョセフソン接合を得た。すなわち本
発明におけるMOMBE法は、クヌーセン・セルからの
蒸発も同時使用できるた、複合酸化物を積層した電子素
子の作製に適している。Next, as an upper electrode, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Dy,
Ca) Cu 2 O 8 + δ superconductor film was deposited. Specifically, C
u (30sec), Dy (15sec), Ca (15sec), Cu (30sec), Sr + P
b (30sec), Pb (7.5sec), Pb + Cu (15sec), Pb (7.5sec), Pb
20 unit cells were deposited in the order of + Sr (30 sec). As a result of the above thin film growth, a laminated Josephson junction was obtained. That is, the MONBE method according to the present invention is suitable for producing an electronic device in which a composite oxide is laminated and evaporation from a Knudsen cell can be used at the same time.
【0119】この積層接合の作製過程をRHEEDで詳
細に観察した結果、有機金属ガスソースを用いて CeO2
を 6層分堆積する間に、成長表面の平坦性が若干損われ
ることが分かった。中間層物質の堆積において、有機金
属ガスソースを用いて CeO2を 6層分堆積するところを
試しに12層分堆積してみると、10層目以降でRHEED
パターンがスポット状({111}ファセットができたことを
示す)やリング状(多結晶状態になったことを示す)に
変化していくことが分かった。その前駆現象として、 C
eO2 を 6層分堆積する間にも少しずつ表面平坦性が損わ
れていくことが分かった。そこで、ガスソースからのCe
堆積とクヌーセン・セルからのDy堆積を同時に行い、Ce
0.8 Dy0.2 O y を 7層分堆積するように変更したとこ
ろ、層状成長し易くなった。Dyの代わりにPb、Cu、Euを
用いても同様な効果があった。その理由は実施例1に述
べた通りである。As a result of observing the manufacturing process of this laminated junction in detail by RHEED, it was confirmed that CeO 2 was produced using an organometallic gas source.
It was found that the flatness of the growth surface was slightly compromised during the deposition of 6 layers. In the deposition of the intermediate layer material, when 12 layers were deposited as a trial for the case where 6 layers of CeO 2 were deposited using an organometallic gas source, RHEED was obtained after the 10th layer.
It was found that the pattern changed to a spot shape (indicating that {111} facets were formed) or a ring shape (indicating that it was in a polycrystalline state). As its precursor, C
It was found that the surface flatness gradually diminished during the deposition of 6 layers of eO 2 . So Ce from the gas source
Deposition and Dy deposition from Knudsen cell at the same time, Ce
When 0.8 Dy 0.2 O y was changed to deposit 7 layers, layered growth became easier. Similar effects were obtained by using Pb, Cu, or Eu instead of Dy. The reason is as described in the first embodiment.
【0120】平坦に成長させてS/I/S型接合を得る
ためは、中間層物質堆積のシャッターシークエンスを、
Cu(30sec:CuO2 面に相当)、有機金属ガスソースとクヌ
ーセン・セルを同時に用いてCe0.8 Dy0.2 O y を 7層分
堆積、Cu(30sec:CuO2 面に相当)、Sr+Pb(30sec)、Pb
(7.5sec)、Pb+Cu(15sec)、Pb(7.5sec)、Pb+Sr(30sec)と
することが有効であることが分かった。この積層接合は
上下対称であり、次の積層構造を持つ。中央に絶縁層と
なる多重蛍石型ブロック(厚さ 1.7nm)があり、その上
下に隣接して位置する CeO2 面から CeO2 面へクーパー
対がトンネルする。その外側に[SrO-PbO-Cu-PbO-SrO]の
charge reservoir block layerがあり、その外側にその
ブロック層を共有する形で(Pb2 Cu)Sr2 (Dy,Ca)7 Cu
2 O 8+δ超電導体が上下の電極として存在している。In order to grow flat and obtain an S / I / S type junction, the shutter sequence for interlayer material deposition is:
Cu (30sec: Corresponds to CuO 2 surface), 7 layers of Ce 0.8 Dy 0.2 O y are deposited simultaneously using an organometallic gas source and Knudsen cell, Cu (30sec: Corresponds to CuO 2 surface), Sr + Pb ( 30sec), Pb
It has been found that (7.5 sec), Pb + Cu (15 sec), Pb (7.5 sec), and Pb + Sr (30 sec) are effective. This laminated junction is vertically symmetrical and has the following laminated structure. There is in the center as an insulating layer multiplexing fluorite block (thickness 1.7 nm), Cooper pairs are tunnel from CeO 2 surface positioned adjacent to and below the CeO 2 surface. On the outside of [SrO-PbO-Cu-PbO-SrO]
There is a charge reservoir block layer, and the block layer is shared on the outside (Pb 2 Cu) Sr 2 (Dy, Ca) 7 Cu
2 O 8 + δ superconductors exist as upper and lower electrodes.
【0121】次に、原子層レベルで平坦な CeO2 薄膜を
SrTiO3 基板の (100)面上に作製した例について述べ
る。 CeO2 はS/I/S型接合の絶縁層として用いられ
るほか、薄膜と基板との間の緩衝材、超電導配線とグラ
ンドプレーンとの間の絶縁材等として用いられる。Next, a CeO 2 thin film flat at the atomic layer level was formed.
An example prepared on the (100) plane of an SrTiO 3 substrate will be described. CeO 2 is used as an insulating layer for the S / I / S type junction, as well as a buffer material between the thin film and the substrate, and an insulating material between the superconducting wiring and the ground plane.
【0122】この実施例は基板温度 700℃で実施した。
有機金属ガスソースを用いて、 CeO2 薄膜を 0.3nm/min
の成長速度で 3.6nm堆積した。その成膜条件は、原料加
熱オーブン温度を 184℃とし、酸素ガスを4.16cm3 /min
の流量で流し、ECR放電により活性化させて基板に照
射しつつ成膜した。This example was carried out at a substrate temperature of 700 ° C.
Using a metal-organic gas source, deposit a CeO 2 thin film at 0.3 nm / min.
The deposition rate was 3.6 nm. The film forming conditions are as follows: the raw material heating oven temperature is 184 ° C, and the oxygen gas is 4.16 cm 3 / min.
The film was formed by irradiating the substrate by activating the ECR discharge and irradiating the substrate.
【0123】CeO2 の成長が終了した状態でのRHEE
D回折図形を図33(a)に示す。CeO2 が島状成長し
たことを示す三角格子状の透過スポットが得られた。 C
eO2の最安定な表面は {111}面であるため、 SrTiO3 (10
0) 面上へエピタキシャル成長させた場合、 {111}ファ
セットを最表面とする島状成長が起こる。RHEE after the growth of CeO 2 is completed
The D diffraction pattern is shown in FIG. Transmission spots in the form of a triangular lattice were obtained, indicating that CeO 2 was grown in islands. C
The most stable surface of eO 2 is the {111} plane, so SrTiO 3 (10
When epitaxially grown on the (0) plane, island-like growth occurs with the {111} facet as the outermost surface.
【0124】島状成長した CeO2 薄膜を平坦化するため
には、結晶表面にCe以外の元素を付着させ、最安定な結
晶表面を {111}面から {100}面に変化させることが有効
である。そのため、 CeO2 の成長が終了した後、Pbある
いはCu、Eu、Dy等のCe以外の元素を表面に付着させ、そ
の後 300〜 650℃まで、望ましくは 500〜 600℃まで基
板温度を降下させて保持し、成長温度より低温でアニー
ルを行った。その結果、図33(b)に示すように、R
HEEDの回折図形はスポットが弱くなり、ストリーク
状に変化した。これは、表面に付着させたPb、Cu、Eu、
Dy等のCe以外の元素が CeO2 結晶の表面付近に拡散し、
その結果 {111}面が最安定な表面でなくなった結果であ
る。低温でアニールすることで酸素欠陥を減少させ、 C
eO2 の結晶構造である蛍石構造を安定化させることがで
きる。表面に付着させたCe以外の異種元素は、 CeO2 結
晶の表面近傍に固溶した状態で存在している。In order to flatten the island-grown CeO 2 thin film, it is effective to attach an element other than Ce to the crystal surface and change the most stable crystal surface from the {111} plane to the {100} plane. Is. Therefore, after the growth of CeO 2 is completed, elements other than Ce such as Pb or Cu, Eu, and Dy are attached to the surface, and then the substrate temperature is lowered to 300 to 650 ° C, preferably 500 to 600 ° C. It was held and annealed at a temperature lower than the growth temperature. As a result, as shown in FIG.
In the HEED diffraction pattern, the spot became weak and changed to a streak shape. It has Pb, Cu, Eu, and
Elements other than Ce such as Dy diffuse near the surface of the CeO 2 crystal,
As a result, {111} face is not the most stable surface. By annealing at a low temperature, oxygen defects are reduced and C
It is possible to stabilize the fluorite structure, which is the crystal structure of eO 2 . The different elements other than Ce attached to the surface exist in the form of solid solution near the surface of the CeO 2 crystal.
【0125】なお、 CeO2 を堆積中にPbあるいはCu、E
u、Dy等のCe以外の元素を供給しても、表面が平坦な薄
膜を作製することができるが、絶縁層として CeO2 を用
いる場合、異種元素の混合により導体化し易いため、上
述したように表面層のみに異種元素を固溶させる方法が
有利である。During the deposition of CeO 2 , Pb or Cu, E
Even if an element other than Ce such as u or Dy is supplied, a thin film having a flat surface can be produced. However, when CeO 2 is used as the insulating layer, it is easy to form a conductor by mixing different elements, and therefore, as described above. Further, a method of forming a solid solution with a different element only in the surface layer is advantageous.
【0126】次に、Ceを含む平坦な絶縁層を作製する他
の具体例について述べる。Next, another specific example of producing a flat insulating layer containing Ce will be described.
【0127】まず、下部電極として (Pb2 Cu)Sr2 (Eu,
Ca)Cu2 O 8+δ超電導体膜を基板温度 700℃で堆積し
た。この方法は実施例5に記載した方法と同様である。
次いで、中間層物質として (Pb2 Cu)Sr2 (Eu,Ce)7 Cu
2 O 8+δを堆積した。具体的には基板温度 700℃におい
て、Cu(30sec:CuO2 面に相当)、 Eu(15sec)、を堆積し
た後、有機金属ガスソースを用いて CeO2 を 6層分堆積
した。次に、 Eu(15sec)、Cu(30sec:CuO2 面に相当)を
堆積し、その後 300〜 650℃まで、望ましくは500〜 60
0℃まで基板温度を降下させ、その温度で30分間保持し
て低温アニールを行った。その間に実施例6に示した原
理により CeO2 が平坦化していく。First, as the lower electrode, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Eu,
A Ca) Cu 2 O 8 + δ superconductor film was deposited at a substrate temperature of 700 ℃. This method is similar to the method described in Example 5.
Then, as an intermediate layer material, (Pb 2 Cu) Sr 2 (Eu, Ce) 7 Cu
2 O 8 + δ was deposited. Specifically, at a substrate temperature of 700 ° C., Cu (30 sec: equivalent to CuO 2 surface) and Eu (15 sec) were deposited, and then 6 layers of CeO 2 were deposited using an organometallic gas source. Next, Eu (15 sec) and Cu (30 sec: equivalent to CuO 2 surface) are deposited, and then 300 to 650 ° C, preferably 500 to 60 ° C.
The substrate temperature was lowered to 0 ° C. and kept at that temperature for 30 minutes for low temperature annealing. Meanwhile, CeO 2 is flattened by the principle shown in Example 6.
【0128】この後、上部電極を作製するために、基板
温度を下部電極を成長させた温度より低い 650℃にす
る。もし、基板温度を下部電極を堆積した 700℃まで上
昇させると最表面の酸素が脱離し、最表面に固溶してい
る異種元素であるEu、Cuが析出しはじめ、再び CeO2 {1
11} ファセットを表面とする結晶粒が成長し、表面の凹
凸が著しくなる。基板温度が 650℃に達した後、速やか
にSr+Pb(30sec)、Pb(7.5sec)、Pb+Cu(15sec)、Pb(7.5se
c)、Pb+Sr(30sec)を堆積させる。After that, in order to manufacture the upper electrode, the substrate temperature is set to 650 ° C. which is lower than the temperature at which the lower electrode was grown. If the substrate temperature is raised to 700 ° C at which the lower electrode is deposited, oxygen on the outermost surface is desorbed, and the dissimilar elements Eu and Cu, which are solid-soluted on the outermost surface, begin to precipitate and CeO 2 {1
11} Crystal grains with the facets on the surface grow and the surface irregularities become remarkable. Sr + Pb (30sec), Pb (7.5sec), Pb + Cu (15sec), Pb (7.5se) immediately after the substrate temperature reaches 650 ℃.
c), Pb + Sr (30 sec) is deposited.
【0129】しかる後、基板温度を下部電極を形成した
700℃まで上昇させる。中間層物質が 1単位胞分成長し
た後は、基板温度を上昇させても、もはや CeO2 {111}
ファセットを表面にもつ結晶粒は成長しない。その上に
(Pb2 Cu)Sr2 (Eu,Ca)Cu2O 8+δ超電導体膜を堆積す
ることによって、上部電極を層状成長させながら、S/
I/S型接合を作製することができる。なお、Euの代わ
りに他の希土類元素のDyを用いても同様な結晶成長が行
われる。Thereafter, the lower electrode was formed at the substrate temperature.
Raise to 700 ℃. After growing one unit cell of the intermediate layer material, CeO 2 {111} is no longer present even if the substrate temperature is raised.
Crystal grains with facets on the surface do not grow. in addition
(Pb 2 Cu) Sr 2 (Eu, Ca) Cu 2 O 8 + δ By depositing a superconducting film, the S /
I / S type junctions can be made. Note that similar crystal growth can be performed by using Dy, which is another rare earth element, instead of Eu.
【0130】[0130]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
によれば、 1度の成膜で同一薄膜層内に、例えば(A)
結晶性のよいエピタキシャル成長させた酸化物薄膜、
(B)結晶性が悪くエッチングされやすい酸化物薄膜、
(C) 10at%以上のカーボンを含む導電性を有する薄膜
等の電気特性や結晶性が異なる 2種以上の薄膜を任意の
平面形状で作り込むことができる。その結果、ジョセフ
ソン集積回路や受動マイクロ波素子等の超電導素子、誘
電体薄膜を用いた半導体素子、磁気抵抗素子等の酸化物
薄膜素子の製造工程におけるリソグラフィ工程を簡略化
でき、効率よく酸化物薄膜素子を作製することが可能と
なると共に、リソグラフィ工程での超電導特性や磁気特
性等の特性の劣化を防ぐことが可能となる。また、本発
明の超電導素子によれば、コンタクトホール周囲の超電
導電極等の超電導特性の劣化を防ぐことができる。As described above, according to the manufacturing method of the present invention, for example, (A)
Epitaxially grown oxide thin film with good crystallinity,
(B) An oxide thin film having poor crystallinity and easily etched,
(C) Two or more kinds of thin films having different electrical characteristics and crystallinity such as a conductive thin film containing 10 at% or more of carbon can be formed in an arbitrary plane shape. As a result, the lithography process in the manufacturing process of superconducting elements such as Josephson integrated circuits and passive microwave elements, semiconductor elements using dielectric thin films, oxide thin film elements such as magnetoresistive elements can be simplified, and oxides can be efficiently used. It becomes possible to fabricate a thin film element and prevent deterioration of characteristics such as superconducting characteristics and magnetic characteristics in the lithography process. Further, according to the superconducting element of the present invention, it is possible to prevent deterioration of the superconducting characteristics of the superconducting conductive electrode and the like around the contact hole.
【図1】 本発明の製造方法による性質が異なる 3種類
の薄膜ができる条件を表す図である。FIG. 1 is a diagram showing conditions under which three types of thin films having different properties can be formed by the manufacturing method of the present invention.
【図2】 本発明の製造方法を適用して作製した一実施
例のジョセフソン集積回路の構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a Josephson integrated circuit of an embodiment manufactured by applying the manufacturing method of the present invention.
【図3】 本発明の製造方法を適用して作製した他の実
施例による受動マイクロ波素子の構造を示す断面図であ
る。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure of a passive microwave device according to another embodiment manufactured by applying the manufacturing method of the present invention.
【図4】 本発明の製造方法を適用した他の受動マイク
ロ波素子の製造工程を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of another passive microwave element to which the manufacturing method of the present invention is applied.
【図5】 本発明の製造方法を適用して作製したさらに
他の実施例による受動マイクロ波素子の構造を示す図で
ある。FIG. 5 is a diagram showing a structure of a passive microwave device according to still another embodiment manufactured by applying the manufacturing method of the present invention.
【図6】 本発明の製造方法を適用したbi-epitaxialジ
ョセフソン接合の製造工程を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of a bi-epitaxial Josephson junction to which the manufacturing method of the present invention is applied.
【図7】 本発明の実施例で使用したMBE装置の構成
を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an MBE device used in an example of the present invention.
【図8】 本発明の実施例で用いた有機金属原料の一例
の構造式である。FIG. 8 is a structural formula of an example of the organometallic raw material used in the examples of the present invention.
【図9】 図7に示すMBE装置の有機金属ガスソース
源付近を詳細に示す図である。9 is a diagram showing in detail the vicinity of an organometallic gas source source of the MBE device shown in FIG.
【図10】 本発明の実施例1におけるガスソースノズ
ルと基板との位置関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a positional relationship between a gas source nozzle and a substrate in Example 1 of the present invention.
【図11】 本発明の実施例1における基板上での CeO
2 堆積速度分布を示す図である。FIG. 11: CeO on the substrate in Example 1 of the present invention
FIG. 2 is a diagram showing a deposition rate distribution.
【図12】 本発明の実施例1における有機金属ガス供
給速度と CeO2 堆積速度の原料温度依存性を示す図であ
る。FIG. 12 is a diagram showing a material temperature dependency of an organometallic gas supply rate and a CeO 2 deposition rate in Example 1 of the present invention.
【図13】 本発明の実施例1における CeO2 堆積速度
の基板温度依存性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the substrate temperature dependence of the CeO 2 deposition rate in Example 1 of the present invention.
【図14】 本発明の実施例1における薄膜のX線回折
強度の基板温度依存性を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the substrate temperature dependence of the X-ray diffraction intensity of the thin film in Example 1 of the present invention.
【図15】 本発明の実施例1による薄膜のX線回折図
形の一例を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing an example of an X-ray diffraction pattern of a thin film according to Example 1 of the present invention.
【図16】 本発明の実施例1による薄膜のX線回折図
形の他の例を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing another example of the X-ray diffraction pattern of the thin film according to Example 1 of the present invention.
【図17】 本発明の実施例1による薄膜のX線回折図
形のさらに他の例を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing still another example of the X-ray diffraction pattern of the thin film according to Example 1 of the present invention.
【図18】 本発明の実施例1による薄膜のRHEED
回折図形を示す写真である。FIG. 18: RHEED of a thin film according to Example 1 of the present invention
It is a photograph showing a diffraction pattern.
【図19】 本発明の実施例1におけるエピタキシャル
成長させるための酸素流量および有機金属ガス供給速度
の条件を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing conditions of an oxygen flow rate and an organometallic gas supply rate for epitaxial growth in Example 1 of the present invention.
【図20】 本発明の実施例1による薄膜のX線回折結
果を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing an X-ray diffraction result of a thin film according to Example 1 of the present invention.
【図21】 本発明の実施例1の他の条件による薄膜の
X線回折結果を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing an X-ray diffraction result of a thin film under another condition of Example 1 of the present invention.
【図22】 本発明の実施例1による薄膜のSIMSに
よる分析結果を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing SIMS analysis results of a thin film according to Example 1 of the present invention.
【図23】 本発明の実施例1による他の薄膜のSIM
Sによる分析結果を示す図である。FIG. 23: SIM of another thin film according to Example 1 of the present invention
It is a figure which shows the analysis result by S.
【図24】 本発明の実施例1による薄膜のオージェ電
子分光による分析結果を示す図である。FIG. 24 is a diagram showing the results of Auger electron spectroscopy analysis of a thin film according to Example 1 of the present invention.
【図25】 本発明の実施例1における参照試料薄膜の
XPSによる分析結果を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing an XPS analysis result of a reference sample thin film in Example 1 of the present invention.
【図26】 本発明の実施例1による薄膜のXPSによ
る分析結果を示す図である。FIG. 26 is a diagram showing a result of XPS analysis of a thin film according to Example 1 of the present invention.
【図27】 本発明の実施例1による薄膜表面のSEM
像を示す写真である。FIG. 27 is an SEM of the thin film surface according to Example 1 of the present invention.
It is a photograph showing an image.
【図28】 本発明の実施例1による薄膜表面のFES
EM像を示す写真である。FIG. 28: FES of thin film surface according to Example 1 of the present invention
It is a photograph showing an EM image.
【図29】 本発明の実施例2における有機金属化合物
の分子供給密度に対する活性酸素の供給密度の比を空間
的に変える装置の一構成例を示す図である。FIG. 29 is a diagram showing an example of the configuration of an apparatus for spatially changing the ratio of the supply density of active oxygen to the molecule supply density of an organometallic compound in Example 2 of the present invention.
【図30】 本発明の実施例2における有機金属化合物
の分子供給密度に対する活性酸素の供給密度の比を空間
的に変える装置の他の構成例を示す図である。FIG. 30 is a diagram showing another structural example of an apparatus for spatially changing the ratio of the supply density of active oxygen to the molecule supply density of an organometallic compound in Example 2 of the present invention.
【図31】 本発明の実施例4による磁気ディスク用読
出しヘッドの要部構成を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing a main configuration of a read head for a magnetic disk according to a fourth embodiment of the present invention.
【図32】 図31に示す磁気ディスク用読出しヘッド
の磁性体薄膜ヘッド部分を拡大して示す斜視図である。32 is an enlarged perspective view of a magnetic thin film head portion of the magnetic disk read head shown in FIG. 31. FIG.
【図33】 参考例による薄膜のRHEED回折図形を
示す写真である。FIG. 33 is a photograph showing a RHEED diffraction pattern of a thin film according to a reference example.
【図34】 従来のジョセフソン集積回路の一構造例を
示す断面図である。FIG. 34 is a cross-sectional view showing one structural example of a conventional Josephson integrated circuit.
【図35】 従来の受動マイクロ波素子の一構造例を示
す図である。FIG. 35 is a diagram showing a structural example of a conventional passive microwave element.
【図36】 従来のbi-epitaxialジョセフソン接合の製
造工程を示す断面図である。FIG. 36 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional bi-epitaxial Josephson junction.
21、31、46……基板 22、27、29……超電導層 23……分離用絶縁層 24……抵抗膜 25……コンタクトホール 26、34、35、38…… 1度の成膜で形成された薄
膜層 30……ジョセフソン接合 32、39、48……結晶性のよいエピタキシャルした
絶縁層 33…… Cを含有する導電層 40、49……結晶性が悪く酸に溶け易い絶縁層 41、43、44、50……超電導特性を示す酸化物超
電導体膜 42……超電導特性を示さない部分21, 31, 46 ... Substrate 22, 27, 29 ... Superconducting layer 23 ... Separation insulating layer 24 ... Resistive film 25 ... Contact holes 26, 34, 35, 38 ... Formed once Thin film layer 30 ... Josephson junction 32, 39, 48 ... Epitaxial insulating layer with good crystallinity 33 ... Conductive layer containing C 40, 49 ... Insulating layer with poor crystallinity and easy to dissolve in acid 41 , 43, 44, 50 ... Oxide superconducting film showing superconducting properties 42 ... Portion not showing superconducting properties
Claims (5)
とを基板に供給して酸化物薄膜を作製する工程を有する
酸化物薄膜素子の製造方法において、 前記酸化物薄膜の作製工程で、前記基板上における前記
有機金属化合物の分子供給密度と前記活性酸素の供給密
度との比を空間的に変えることを特徴とする酸化物薄膜
素子の製造方法。1. A method for producing an oxide thin film element, comprising the step of producing an oxide thin film by supplying an organic metal compound and active oxygen to a substrate in a vacuum chamber, wherein the oxide thin film producing step comprises: A method of manufacturing an oxide thin film element, characterized in that the ratio of the molecule supply density of the organometallic compound and the supply density of the active oxygen on the substrate is spatially changed.
法において、 前記酸化物薄膜の作製工程で、結晶性がよくエピタキシ
ャル成長した酸化物薄膜、結晶性が悪くエッチングされ
易い酸化物薄膜、およびカーボンを 10at%以上含む導電
性を有する薄膜から選ばれる 2種以上の部分を有する薄
膜を作製することを特徴とする酸化物薄膜素子の製造方
法。2. The method of manufacturing an oxide thin film element according to claim 1, wherein an oxide thin film having good crystallinity and being epitaxially grown, an oxide thin film having poor crystallinity and being easily etched in the step of producing the oxide thin film, A method for producing an oxide thin film element, which comprises producing a thin film having two or more kinds of portions selected from a conductive thin film containing carbon at 10 at% or more.
性酸素とを基板に供給してCeの酸化物薄膜を作製する工
程と、前記Ceの酸化物薄膜上に超電導体薄膜を積層形成
する工程とを有する超電導素子の製造方法において、 前記Ceの酸化物薄膜の作製工程で、前記基板上における
前記Ceのβ- ジケトン錯体の分子供給密度と前記活性酸
素の供給密度との比を空間的に変えることを特徴とする
超電導素子の製造方法。3. A process of supplying a β-diketone complex of Ce and active oxygen to a substrate to produce an oxide thin film of Ce in a vacuum chamber, and laminating a superconductor thin film on the oxide thin film of Ce. In the method for producing a superconducting element having a step of forming, in the step of producing an oxide thin film of Ce, the ratio of the molecular supply density of the β-diketone complex of Ce on the substrate and the supply density of the active oxygen is set. A method for manufacturing a superconducting element, which is characterized by spatially changing.
おいて、 前記Ceの酸化物薄膜の作製工程で、結晶性がよくエピタ
キシャル成長した CeO2 絶縁膜、結晶性が悪くエッチン
グされ易い CeO2 絶縁膜、および導電性を有するCeと C
と Oとを主成分とする薄膜から選ばれる 2種以上の部分
を有する薄膜を作製することを特徴とする超電導素子の
製造方法。4. A method of manufacturing a superconducting device according to claim 3, wherein, in the manufacturing process of the oxide film of the Ce, CeO 2 insulating film crystallinity was good epitaxial growth, crystallinity is poor etched easily CeO 2 insulating film , And Ce and C with conductivity
A method for producing a superconducting element, which comprises producing a thin film having two or more kinds of moieties selected from the thin films containing O and O as main components.
された絶縁層とを具備する超電導素子において、 前記絶縁層は、Al、Siおよび希土類元素から選ばれる少
なくとも 1種の元素を含む酸化物結晶からなり、かつ前
記超電導層と接する前記絶縁層の周辺部に1at%以上の炭
素が含まれていることを特徴とする超電導素子。5. A superconducting element comprising a superconducting layer and an insulating layer formed in contact with the superconducting layer, wherein the insulating layer is an oxide containing at least one element selected from Al, Si and rare earth elements. 1. A superconducting element comprising a material crystal and containing 1 at% or more of carbon in the peripheral portion of the insulating layer in contact with the superconducting layer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7167951A JPH08340136A (en) | 1995-06-09 | 1995-06-09 | Oxide thin film element manufacturing method, superconducting element manufacturing method and superconducting element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7167951A JPH08340136A (en) | 1995-06-09 | 1995-06-09 | Oxide thin film element manufacturing method, superconducting element manufacturing method and superconducting element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08340136A true JPH08340136A (en) | 1996-12-24 |
Family
ID=15859078
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7167951A Withdrawn JPH08340136A (en) | 1995-06-09 | 1995-06-09 | Oxide thin film element manufacturing method, superconducting element manufacturing method and superconducting element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08340136A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001223410A (en) * | 2000-02-04 | 2001-08-17 | Lucent Technol Inc | Isolating method and acoustic resonance device |
JP2015052561A (en) * | 2013-09-09 | 2015-03-19 | 富士通株式会社 | Secondary ion mass spectrometer |
JP2017500756A (en) * | 2013-11-12 | 2017-01-05 | ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド | Integrated superconductor device and manufacturing method thereof |
-
1995
- 1995-06-09 JP JP7167951A patent/JPH08340136A/en not_active Withdrawn
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