Способ изготовления туннельного перехода с двойной изоляцией Российский патент 2024 года по МПК H10N60/01 

Изобретение относится к области тонкопленочной микроэлектроники и может быть использовано при создании интегральных СВЧ схем.

Известно, что сверхпроводниковые и несверхпроводниковые тонкопленочные туннельные переходы позволяют реализовать высокую нелинейность и малые шумы и находят широкое применение в СВЧ приемных устройствах.

Высококачественные джозефсоновские туннельные переходы на основе тугоплавких сверхпроводников и тонких туннельных барьеров из оксида алюминия впервые были предложены М. Гурвичем и подробно описаны в статье [М. Gurvitch, М.А. Washington, Н.А. Huggins, High quality refractory Josephson tunnel junctions utilizing thin aluminum layers, Appl. Phys. Lett. 42(5), pp. 472-474, 1983]. Процесс изготовления включает селективное плазмохимическое травление верхнего слоя ниобия для формирования области туннельного перехода, процесс жидкостной анодизации для защиты от микрозакороток и утечек методом формирования анодного окисла на торцах перехода, и финальным напылением верхнего замыкающего ниобиевого слоя для создания электрического контакта с верхним электродом. Этот процесс остается практически неизменным на протяжении последних 40 лет и позволяет надежно и воспроизводимо изготавливать туннельные переходы. Качество таких переходов обычно характеризуют параметром отношения подщелевого сопротивления к асимптотическому Rj/Rn. Подщелевое сопротивление обычно измеряют при напряжении смещения в районе 2 мВ, где еще не наблюдается гистерезисного вклада сверхпроводящего тока. Более характерным в туннельных переходах сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), будет параметр отношения дифференциального сопротивления при нулевом смещении к асимптотическому сопротивлению. Это отношение описывается простой формулой RR=0.2(T/T_c)^0.5exp(1.7T_c/T), т.е. для ниобиевых переходов с подавленным сверхтоком при 4,2 К должно быть 10, а при 3 К - уже 40. На практике эти значения могут оказываться существенно ниже. Недостатком аналога является необходимость проведения процесса создания анодного окисла, что требует дополнительно формировать тонкопленочные мостики для подведения напряжения химической анодизации и последующего стравливания этих мостиков, что может приводить к снижению выхода годных элементов.

Описаны различные модификации этой технологии (см., например, US 4421785 (A), Sperry corp. - 20.12.1983; ЕР 0476844 (А1), TRW INC, 25.03.1992). Все они включают этап жидкостной анодизации торцов многослойной структуры. При этом на торце верхнего и краях нижнего электрода формируется слой окисла с большой диэлектрической постоянной, что приводит к дополнительной паразитной емкости, а также к возможным утечкам за счет загрязнений в растворе электролита и обработке при атмосфере, также происходит плохо контролируемое окисление торцов верхнего металла перехода, что снижает точность и воспроизводимость размеров туннельного перехода. Наиболее наглядно структура перехода и необходимость изоляции торцов приведена в классической работе [М.М.Т. Dierichs, R.A. Panhuyzen, С.Е. Honingh, M.J. de Boer, T.M. Klapwrjk, Submicron niobium junctions for submillmeter-wave mixers using optical lithography, Appl. Phys. Lett. 62 (7), 774-776, 1993]. Из рис. 2 видно, что без анодного окисла (черный цвет) возможно образование микрозакороток и утечек в туннельном переходе.

Известна технология изготовления джозефсоновских переходов в сверхпроводящих интегральных схемах, основанная на использовании двухслойной литографической маски для частичного анодирования боковых стенок и базового электрода переходов (US 10109673 (В2), HYPRES INC., 23.10.2018). Интегральная схема содержит: трехслойную структуру джозефсоновского перехода, содержащую нижний Nb сверхпроводящий слой, изолирующий слой AlOx, верхний Nb сверхпроводящий слой. Каждый джозефсоновский переход содержит слой двойного оксида AlOx поверх анодированного NbOx, при этом двойной оксид формируется в камере вакуумного напыления с использованием процесса селективного плазмохимического травления для создания структуры, окружающей каждый переход, и включающий непрерывный слой анодного окисла NbOx, который проходит поверх нижнего Nb электрода и вертикальных боковых стенок верхнего сверхпроводящего слоя, содержит диэлектрический изолирующий слой и верхний Nb сверхпроводящий слой; при этом диэлектрический слой SiO₂ нанесен непосредственно поверх верхнего слоя Nb сверхпроводника джозефсоновского перехода. В описании технологического процесса не упоминается необходимость наличия дополнительных проводников для анодизации ниобиевых электродов, а также дополнительного этапа литографии для стравливания таких перемычек в конце процесса.

В патенте RU 2786616 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 22.12.2022 указано на использование сквозной анодизации верхнего слоя алюминия вне СИН перехода при изготовлении гетероструктуры СИС перехода с интегральным СИН шунтированием.

Описаны способы изготовления различных туннельных переходов без использования анодизации. Так, в конструкции (RU 2593647 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 10.08.2016) за счет выбора материалов сверхпроводника и нормального металла и применения планаризации пленкой диэлектрика удалось избавиться от необходимости анодизации, уменьшить паразитную емкость верхнего электрода, сократить объем абсорбера за счет уменьшения толщины пленки верхнего электрода. В патенте RU 2632630 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 06.10.2017, устранение паразитных закороток на торцах пленок также обеспечивается без дополнительной анодизации структур, однако для другой топологии…

Наиболее близким по назначению является способ изготовления туннельного перехода без использования анодизации и дополнительных перемычек [J. Wenninger, F. Boussaha, С. Chaumont, В.-K. Tan, G. Yassin, Design of а 240 GHz on-chip dual-polarization receiver for SIS mixer arrays, Supercond. Sci. Technol. 36 (2023) 055012 - прототип]. Способ включает напыление трехслойной структуры Nb/AlOx/Nb (с толщиной 400/10/200), травление через фоторезист области перехода площадью 1,5 мкм², оставляя открытым на всей остальной площади слой нижнего ниобия толщиной 400 нм, покрытый алюминием с туннельным барьером. После травления поверх того же резиста напыляют первый слой изолятора SiO₂ толщиной 200 нм. На третьем этапе наносят второй слой изолятора SiO₂ толщиной 200 нм, образующего 6×6 мкм выемку, в середине которой находится СИС переход. Затем напыляют слой электрической разводки толщиной 400 нм. К числу недостатков способа-прототипа следует отнести высокую вероятность утечек и микрозакороток в зазоре между слоем верхнего ниобия и первым слоем изолятора, в который может напыляться металл третьего слоя ниобиевой разводки. Высокая вероятность такого паразитного эффекта объясняется профилем верхнего ниобия после плазмохимического травления. Травление не является полностью анизотропным, поэтому происходит подтравливание пленки и формирование обратного наклона профиля пленки. Этот зазор может частично запыляться материалом третьего слоя ниобия.

Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы упрощения многоступенчатого процесса изготовления туннельных переходов при сохранении их качества, повышение надежности и воспроизводимости параметров, обеспечение большей компактности за счет устранения перемычек для анодизации, устранение жидкостной анодизации и дополнительного плазмохимического травления для удаления перемычек анодизации.

Настоящее изобретение направлено на упрощение технологического процесса и повышение качества туннельного переход, для чего предлагается избавиться от процесса анодирования и необходимости для этого наличия закорачивающих служебных перемычек между верхним и нижним электродами, при этом для устранения вероятности паразитного подпыления применить другое соотношение размера туннельного перехода и изолятора.

Наличие второго слоя изолятора позволяет устранить появление микрозакороток на торцах, поскольку все критические области будут дополнительно закрыты первым изолятором. После этого напыляется третий слой ниобия для контакта с верхним электродом СИС перехода.

Патентуемый способ формирования туннельного перехода, включает образование трехслойной структуры туннельного перехода путем нанесения на диэлектрическую подложку первого слоя металла, выполнение туннельного барьера из Al/AlOx на поверхности слоя первого металла, нанесение поверх образованного туннельного барьера слоя второго металла, и слоя третьего металла, контактирующего со слоем второго металла с выполнением электрических контактов,

отличающийся тем, что

после образования трехслойной структуры первый металл/Al/AlOx/второй металл и формирования топологии нижнего электрода, методом фотолитографии или прямой электронной литографии формируют в маске резиста, размещенной на слое второго металла, окно диаметром D1, через которое проводят селективное плазмохимическое травление слоя второго металла до стоп-слоя туннельного барьера Al/AlOx, после чего поверх того же резиста проводят напыление слоя первого изолятора SiO₂ и удаляют резист вместе с указанным первым изолятором, после чего формируют маску резиста в центре области перехода диаметром D2, выбранным из условия D2 меньше D1, напыляют поверх второй слой изолятора SiO₂ и удаляют изолятор с маской резиста, после чего напыляют слой третьего металла для создания электрического контакта.

2. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру сверхпроводник - изолятор-сверхпроводник (СИС), в которой первый и второй слои - сверхпроводники, предпочтительно ниобий или нитрид ниобия, а третий слой представляет собой тот же сверхпроводник, или нормальный металл.

3. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (НИС), в которой слой первого металла представляет собой нормальный металл, а второй и третий металлы - сверхпроводник, предпочтительно ниобий, либо алюминий.

4. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру нормальный металл-изолятор-нормальный металл (МИМ), в которой первый, второй и третий слои металла представляют собой нормальный металл.

Технический результат - упрощение многоступенчатого процесса изготовления туннельных переходов при сохранении их качества, повышение надежности и воспроизводимости параметров, обеспечение большей компактности за счет устранения перемычек для анодизации, исключение операций самой жидкостной анодизации и дополнительного плазмохимического травления для удаления перемычек анодизации.

Существо изобретения поясняется на фигурах, где:

фиг. 1 - схема технологии образования туннельного перехода;

фиг. 2, 3 - двумерное и трехмерное изображение в электронном микроскопе ниобиевой СИС структуры;

фиг. 4 - вольтамперная характеристика ниобиевой СИС-структуры с отношением сопротивлений 40, что близко к теоретическому значению.

На фиг. 1, а, б, в схематично показаны последовательные стадии образования туннельного перехода, где: 1 - диэлектрическая подложка, выполненная из кремния; 2 - слой первого металла; 3 - туннельный барьер Al/AlOx; 4 - слой второго металла; 5 - маска резиста; 6 - слой первого изолятора; 7 - слой второго изолятора; 8, 9, 10 - участки слоя третьего металла; D1 - диаметр электрода слоя 4 второго металла; D2 - диаметр отверстия в области перехода для слоя 8.

Способ реализуют следующим образом на примере использования сверхпроводящего ниобия. Выполняют трехслойную структуру туннельного перехода путем нанесения на диэлектрическую подложку 1 слоя первого металла 2, выполнение туннельного барьера 3 из Al/AlOx на поверхности слоя первого металла 2, нанесение поверх образованного туннельного барьера 3 слоя второго металла 4, и слоя третьего металла 8, 9, 10, контактирующего со слоем второго металла 4 с выполнением электрических контактов.

После образования трехслойной структуры первый металл/AlAlOx/второй металл и формирования топологии нижнего электрода, методом фотолитографии или прямой электронной литографии формируют в маске резиста 5, размещенной на слое второго металла 4, окно диаметром D1, через которое проводят селективное плазмохимическое травление слоя второго металла 4 до стоп-слоя туннельного барьера 3 Al/AlOx. После чего поверх того же резиста 5 проводят напыление слоя первого изолятора 6 SiO₂ и удаляют резист вместе с указанным первым изолятором.

Формируют маску резиста 5 в центре области перехода диаметром D2, выбранным из условия D2 меньше D1, напыляют поверх второй слой изолятора 7 SiO₂ и удаляют изолятор 7 с маской резиста 5, после чего напыляют слой третьего металла 8-9-10 для создания электрического контакта.

Пример. Структура СИС на основе ниобия. Наносят позитивный фоторезист S1813, экспонируют, проявляют. Наносят трехслойную структуру туннельного перехода Nb/Al/AlOx/Nb с толщинами пленок 200/7/80 нм и взрывают фоторезист под пленкой, в результате чего на подложке остается структура будущего нижнего электрода. Методом фотолитографии или прямой электронной литографии формируют в маске резиста окно диаметром D1=3 мкм, через которое проводят селективное плазмохимическое травление слоя верхнего ниобия до стоп-слоя туннельного барьера Al/AlOx. После чего поверх того же резиста проводят напыление слоя изолятора SiO₂ толщиной 260 нм и удаляют резист вместе с указанным изолятором.

Формируют маску резиста в центре области перехода диаметром D2=1 мкм, напыляют поверх второй слой изолятора SiO₂ толщиной 130 нм и удаляют изолятор с маской резиста, после чего напыляют слой ниобия толщиной 500 нм для создания электрического контакта.

На фиг. 2, 3 показано двумерное и трехмерное изображение в электронном микроскопе изготовленной ниобиевой СИС структуры. Видно, что торец первого слоя металла полностью закрыт изолятором.

На фиг. 4 приведена вольтамперная характеристика ниобиевой СИС-структуры с отношением сопротивлений 40, что близко к теоретическому значению.

Таким образом, защита торцов туннельного перехода от шунтирования и утечек достигается выбором размера окна в изоляторе и устранением процесса жидкостного анодирования и необходимых для этого перемычек, что важно в сложных схемах. Это позволяет применять материалы, не допускающие анодирование. Соответственно, по патентуемой технологии возможно изготавливать туннельные переходы структуры «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник» (СИС), «сверхпроводник-изолятор-нормальный металл» (СИН), «металл-диэлектрик-металл» (МИМ).

Изобретение относится к области тонкопленочной микроэлектроники и может быть использовано при создании интегральных СВЧ схем. Способ формирования туннельного перехода включает образование трехслойной структуры туннельного перехода путем нанесения на диэлектрическую подложку первого слоя металла, выполнение туннельного барьера из Al/AlO_x на поверхности слоя первого металла, нанесение поверх образованного туннельного барьера слоя второго металла и слоя третьего металла, контактирующего со слоем второго металла с выполнением электрических контактов, притом после образования трехслойной структуры первый металл/Al/AlO_x/второй металл и формирования топологии нижнего электрода методом фотолитографии или прямой электронной литографии формируют в маске резиста, размещенной на слое второго металла, окно диаметром D1, через которое проводят селективное плазмохимическое травление слоя второго металла до стоп-слоя туннельного барьера Al/AlO_x, после чего поверх того же резиста проводят напыление слоя первого изолятора SiO₂ и удаляют резист вместе с указанным первым изолятором, после чего формируют маску резиста в центре области перехода диаметром D2, выбранным из условия D2 меньше D1, напыляют поверх второй слой изолятора SiO₂ и удаляют изолятор с маской резиста, после чего напыляют слой третьего металла для создания электрического контакта. Изобретение обеспечивает упрощение многоступенчатого процесса изготовления туннельных переходов при сохранении их качества, повышение надежности и воспроизводимости параметров, большую компактность за счет устранения перемычек для анодизации, устранение жидкостной анодизации и дополнительного плазмохимического травления для удаления перемычек анодизации. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ формирования туннельного перехода, включающий образование трехслойной структуры туннельного перехода путем нанесения на диэлектрическую подложку первого слоя металла, выполнение туннельного барьера из Al/AlO_x на поверхности слоя первого металла, нанесение поверх образованного туннельного барьера слоя второго металла и слоя третьего металла, контактирующего со слоем второго металла с выполнением электрических контактов,

отличающийся тем, что после образования трехслойной структуры первый металл/Al/AlOx/второй металл и формирования топологии нижнего электрода методом фотолитографии или прямой электронной литографии формируют в маске резиста, размещенной на слое второго металла, окно диаметром D1, через которое проводят селективное плазмохимическое травление слоя второго металла до стоп-слоя туннельного барьера Al/AlO_x, после чего поверх того же резиста проводят напыление слоя первого изолятора SiO₂ и удаляют резист вместе с указанным первым изолятором, после чего формируют маску резиста в центре области перехода диаметром D2, выбранным из условия D2 меньше D1, напыляют поверх второй слой изолятора SiO₂ и удаляют изолятор с маской резиста, после чего напыляют слой третьего металла для создания электрического контакта.

2. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), в которой первый, второй и третий металлы - сверхпроводник, предпочтительно ниобий.

3. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (НИС), в которой слой первого металла представляет собой нормальный металл, а второй и третий металлы - сверхпроводник, предпочтительно ниобий.

4. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру нормальный металл-изолятор-нормальный металл (МИМ), в которой первый, второй и третий слои металла представляют собой нормальный металл.