Способ изготовления сверхпроводникового детектора с тонкопленочными туннельными переходами и подвешенным поглотителем Российский патент 2025 года по МПК H10N60/01 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при создании тонкопленочных сверхпроводниковых структур с туннельными переходами различной топологии, а также для различных устройств, требующих создания элементов физических оторванных от подложек, в частности к изготовлению высокочувствительных детекторов, содержащих туннельные переходы различной структуры.

Известно, что высокочувствительные приемники миллиметрового и субмиллиметрового диапазона основаны на использовании тонкопленочных туннельных переходов, структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), структур типа сверхпроводник-изолятор-нормальный метал (СИН), структур типа нормальный метал-изолятор-сверхпроводник (НИС), структур типа нормальный металл-изолятор-нормальный металл (МИМ). Предлагаемый способ представляет собой комбинацию надежных технологий создания высокочувствительных детектирующих устройств и с туннельными переходами контролируемой площади и с поглотителем, физически отделенным от подложки.

Существует способ по изготовлению металлических воздушных мостов (оторванных от подложки металлических пленок) [RU 2671287 С1, ИСВЧПЭ РАН изготовления воздушных мостов, 30.10.2018]. Суть технологии заключается в нескольких итерациях нанесения резиста с его последующей оплавкой для создания жертвенного слоя под металлическим мостиком и последующем растворении этого жертвенного слоя. Основные недостатки данного способа: довольно большое количество технологических слоев (увеличивается время на изготовление, увеличивается расход материалов, снижение количества выхода годных образцов), а также, в применении данного способа формирования металлического воздушного моста не просматривается возможность создать структуру с фиксированной/одинаковой площадью туннельных переходов.

Существует способ по изготовлению металлических воздушных мостов (оторванных от подложки металлических пленок) [RU 2685082 С1, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Способ изготовления воздушных мостиков в качестве межэлектродных соединений интегральных схем, 16.04.2019]. Суть технологии заключается в формировании куполообразной формы жертвенного слоя из резиста путем его оплавления (reflow), нанесение металлической пленки в открытые окна резистивной маски (материал воздушного моста) и удаление резистивной маски и растворение задубленного резиста под воздушным мостиком в растворителе (например, диметилформамиде). Несмотря на довольно высокую надежность методики изготовления воздушного моста из металла, данный подход не позволит сформировать туннельный переход с фиксированной площадью в связи с послойным рассовмещением в процессе литографии для различных слоев.

Известен способ изготовления подвешенной мембраны из меди с туннельными переходами (Nguyen HQ., Pascal L.M.A., Peng Z.H., Buisson О., Gilles В., Winkelmann, С.В., Courtois, H. (2012). Etching suspended superconducting tunnel junctions from a multilayer. Applied Physics Letters, 100(25), 252602. doi: 10.1063/1.4729779), или продолжение исследований в публикации [https://sci-hub.ru/10.1103/PhysRevApplied.2.054001]. Суть технологии заключается в напылении трехслойной структуры, создании перфорации для травления мембраны (перфорация необходима для протравливания алюминия под медной мембраной большой площади) и в этой же литографии формирование контактные. Основной недостаток предлагаемого метода - ограничение в выборе нормального металла (осуществление травления в кислотах возможно только меди, применение других методов травления - невозможно, т.к. нарушается качество туннельного перехода). Наличие перфорации - нарушает целостность пленки из нормального металла

Известен способ изготовления тонкопленочных туннельных переходов методом раздельной литографии, позволяющий формировать туннельные переходы высокого качества и фиксированной площади [RU 2757762 С1, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 21.10.2021]. Суть технологии заключается в раздельном формировании сверхпроводящего и нормального электрода в раздельных литографических циклах. Для формирования туннельного перехода высокого качества первую пленку (это может быть сверхпроводник или нормальный металл в зависимости от требуемой конструкции) предварительно чистят ионным пучком с целью травления паразитных окислов, далее наносят тонкий (порядка 5 нанометров) слой алюминия и его окисление с целью формирования туннельного барьера, поверх которого в том же технологическом цикле напыляется второй электрод (также, сверхпроводник или нормальный металл в зависимости от требуемой топологии). Недостатком данного метода является то, что нет возможности создания физически оторванного поглотителя из нормального металла.

Наиболее близким к патентуемому является способ изготовления тонкопленочного детектора с туннельными переходами и подвешенным поглотителем (РА. Юсупов, М.Ю. Фоминский, B.C. Эдельман, М.А. Тарасов, А.А. Юргенс. Болометр на основе структуры сверхпроводник-изолятор-нормальный металл с подвешенным мостиком из нормального металла. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №3. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/mar17/1/text.pdf).

Суть технологии: нанесение трехслойной структуры алюминий (сверхпроводник) - окисление алюминия (изолятор) - медь (нормальный металл), литография для травления алюминия в области поглотителя, литография для травления меди. Недостатки данного метода - разные площади туннельных переходов из-за послойного рассовмещения в процессе литографии различных слоев; необходимость дополнительного травления меди в кислоте; ограничены в выборе материала поглотителя (медь) т.к. требуется его травление в кислотах.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания детектора структуры сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор - сверхпроводник (СИНИС) с высококачественными туннельными переходами фиксированной площади и подвешенным над подложкой поглотителем (физически оторванным от подложки) из нормального металла. Способ изготовления сверхпроводникового детектора с тонкопленочными туннельными переходами и подвешенным поглотителем заключается в раздельной литографии первого слоя сверхпроводника из нитрида ниобия, его травление и квазипланаризация алюминием в окнах, литография для чистки, напыления подслоя алюминия, окисления для формирования туннельного барьера и напыление поглотителя из нормального металла, третья литография для создания открытого окна в резистивной маске для удаления алюминия под поглотителем (создание подвешенного поглотителя) отличающийся тем, что:

- нижний сверхпроводящий электрод имеет петлеобразную форму для «фиксации» площади туннельного перехода;

- квазипланаризация алюминием толщиной приблизительно равной толщине нижнего электрода и напыляемый в те же открытые окна в фоторезисте после травления позволяет создать жертвенный слой без послойного рассовмещения и в отдельном цикле литографии сформировать туннельный барьер и напылить тонкую пленку нормального металла.

Технический результат - надежная технология создания устройства с высококачественными туннельными переходами фиксированных размеров и подвешенным поглотителем, не требующая сложной технологической установки для теневого напыления, не требующей химического травления слоя нормального металла, что повышает надежность технологии и снимает требования к выбору материала нормального металла.

В основе патентуемого способа лежит технология, реализующая нанесение двух металлических пленок с туннельным барьером между ними и жертвенного слоя алюминия без вероятности послойного рассовмещения. Создание петлеобразной формы нижнего слоя со сверхпроводящими электродами позволяет сделать фиксированную форму и площадь туннельного перехода.

Сущность изобретения поясняется на фигурах, где позициями обозначены: 1 - кремниевая подложка; 2 - пленка нитрида ниобия; 3 - резистивная маска для травления нитрида ниобия для получения топологии сверхпроводниковых электродов детектора; 4 - алюминиевая пленка - жертвенный слой для формирования подвешенного поглотителя на последующих технологических слоях; 5 - резистивная маска для травления излишков алюминиевой пленки; 6 - жертвенный слой алюминия в области под поглотителем, который будет формироваться на последующих технологических слоях; 7 - резистивная маска для формирования туннельного перехода и напыления поглотителя из нормального металла; 8 - напыленный поглотитель; 9 - резистивная маска для травления жертвенного слоя алюминия под нормальным металлом для формирования подвешенного поглотителя; 10 - «излишки» напыляемой пленки поглотителя (часть пленки нормального металла (поглотителя) (8), которая обламывается на краях петлеобразной конструкции сверхпроводящих электродов (2)); 11 - области туннельных переходов структуры сверхпроводник - изолятор - нормальный металл.

Фиг. 1. Кремниевая подложка (1) и нанесенная поверх нее пленка нитрида ниобия (2).

Фиг. 2. Резистивная маска (3) для травления пленки нитрида ниобия (2), напыленной на кремниевую подложку (1). 3D изображение и вид сверху.

Фиг. 3. Протравленная пленка нитрида ниобия (2) с напыленным алюминием той же толщины.

Фиг. 4. Резистивная маска (5) для удаления излишков алюминия 4. 3D-изображение и вид сверху.

Фиг. 5. Удаленные излишки алюминиевой пленки (4). Жертвенный слой алюминия (4) сохраняется только под резистивной маской (5).

Фиг. 6. Сверхпроводящие электроды из нитрида ниобия (2) и жертвенный слой алюминия (4) в области расположения поглотителя из нормального металла после удаления резистивной маски.

Фиг. 7. Резистивная маска 7 для формирования туннельного барьера и пленки из нормального металла (поглотителя).

Фиг. 8. Напыленный поглотитель из нормального металла 8 под которым располагается жертвенный алюминиевый слой (6).

Фиг. 9. Резистивная маска (9) для травления жертвенного слоя алюминия (6) под поглотителем (8).

Фиг. 10. Схематичное изображение разреза изготовленной структуры. Разрез выполнен по центру сверхпроводящих электродов из нитрида ниобия (2). (10) - часть пленки нормального металла (поглотителя) (8), которая обламывается на краях сверхпроводящих электродов (2) и ложится на подложку.

Фиг. 11. Фотография изготовленного подвешенного мостика, сделанная в электронном микроскопе.

Процесс изготовления сверхпроводникового детектора с тонкопленочными туннельными переходами и подвешенным поглотителем, осуществляется следующим образом:

1. Но поверхность диэлектрической подложки 1 напыляется пленка нитрида ниобия (NbN) 2.

2. Наносят однослойный фоторезист поверх пленки 2. Однослойный фоторезист необходим для формирования вертикальных стенок (без отрицательного резистивного профиля) для травления топологии сверхпроводящих электродов структуры в пленке 2.

3. Проводят экспозицию резиста с засвечиванием областей, в которых будет удален резист и выполняется его проявление.

4. Проводится травление пленки нитрида ниобия 2. После травления фоторезист НЕ удаляется.

5. В открытые окна проводят напыление алюминия 4 примерно той же толщины, что и пленка нитрида ниобия 2 (квазипланаризация алюминия).

6. Проводят удаление резистивной маски.

7. Наносят однослойный негативный фоторезист, и проводят экспозицию в области, где будет располагаться поглотитель сверхпроводникового детектора и выполняют его проявление 5.

8. Удаляются излишки алюминия (например, путем травления в щелочи КОН), остается только жертвенный слой 6.

9. Проводят удаление резистивной маски.

10. Наносят двухслойный фоторезист (для создания отрицательного профиля с целью избежать прилипания пленки при напылении к фоторезисту) и проводят его экспозицию и проявление для создания резистивной маски 7.

11. В открытом окне резистивной маски 7 проводят предварительную чистку (плазменное травление) поверхности пленки NbN 2 для удаления паразитных окислов с ее поверхности.

12. Для формирования туннельного барьера предварительно напыляют тонкий (5 нм) алюминий и окисляют его при определенных условиях для создания «контролируемого» слоя изолятора.

13. В этом же вакуумном цикле, после формирования слоя изолятора поверх напыляется пленка нормального металла 8 (не проявляющего сверхпроводящих свойств при рабочей температуре). При напылении пленки нормального металла 8, она ложится на пленку сверхпроводящего электрода 2 и жертвенный слой 6. Часть пленки 8 «обламывается» на краях петлеобразной конструкции сверхпроводящих электродов 2 и ложится на подложку 1. Обломанные излишки пленки - обозначены 10. Области туннельных переходов 11 формируются на пересечении сверхпроводящих электродов 2 и пленки нормального металла 8.

14. Проводят удаление резистивной маски.

15. Наносят однослойный фоторезист для формирования резистивной маски 9 для удаления жертвенного слоя алюминия 6 под поглотителем 8, проводят его экспозицию и проявление.

16. Проводят травление жертвенного слоя алюминия 6.

17. Проводят удаление резистивной маски 9.

Технический результат предлагаемого решения состоит в достижении поставленных целей - создании сверхпроводникового детектора с тонкопленочными туннельными переходами фиксированной площади с произвольной формой и размерами и подвешенным поглотителем. Метод напыления алюминиевой пленки в открытые окна резистивной маски сразу после травления пленки нитрида ниобия позволяет создать жертвенный слой без послойного рассовмещения. Добиться фиксированной площади туннельных переходов позволяет петлеобразная конструкция сверхпроводящих электродов - при напылении тонкой пленки поглотителя, «излишняя» часть (закладывается в топологии для учета послойного рассовмещения при формировании резистивной маски для напыления поглотителя) как бы обрубается на краях сверхпроводящего электрода. Дополнительное преимущество представленной технологии - возможность использования метода прямого напыления.

Пример успешного применения такой методики представлен на фотографии изготовленного образца (Фиг. 11).

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при создании тонкопленочных сверхпроводниковых структур. Способ изготовления детектора с тонкопленочными туннельными переходами и физически оторванным от подложки поглотителем из нормального металла заключается в использовании раздельной литографии структуры сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор - сверхпроводник (СИНИС), включает использование в качестве сверхпроводника пленки нитрида ниобия, формирование первого слоя сверхпроводящих электродов из материалов, поддающихся химическому травлению, планаризацию алюминием, формирование второго слоя фоторезиста для формирования туннельного барьера и слоя нормального металла, формирование открытых окон в резистивной маске для удаления алюминия из-под мостика из нормального металла, при этом отсутствует дополнительное селективного травление нормального металла и нет ограничений по выбору материала нормального металла. Изобретение обеспечивает создание сверхпроводникового детектора с тонкопленочными туннельными переходами фиксированной площади с произвольной формой и размерами и подвешенным поглотителем. 11 ил.

Способ изготовления детектора с тонкопленочными туннельными переходами и физически оторванным от подложки поглотителем из нормального металла, включающий формирование на диэлектрической подложке методом раздельной литографии структуры сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор - сверхпроводник (СИНИС), отличающийся тем, что в качестве сверхпроводника используют пленку нитрида ниобия (NbN), поверх которой наносят однослойный позитивный резист для образования топологии петлеобразных сверхпроводящих электродов, проводят его экспозицию и проявление, после чего проводят травление пленки NbN с сохранением полученной резистивной маски, далее проводят планаризацию структуры, для чего в открытые окна резистивной маски проводят напыление слоя алюминия, используемого далее в качестве жертвенного слоя, с толщиной примерно равной толщине пленки NbN, и затем, после удаления резистивной маски, наносят однослойный негативный резист и проводят экспозицию в месте расположения поглотителя из нормального металла, выполняют проявление резиста с оставлением жертвенного слоя алюминия с последующим удалением резистивной маски, наносят двухслойный резист для создания отрицательного профиля поверхности, проводят его экспозицию и проявление для создания резистивной маски, далее в едином вакуумном цикле формируют тонкопленочные туннельные переходы посредством нанесения и окисления слоя алюминия с получением изолятора, поверх которого напыляют пленку нормального металла из условия образования туннельных переходов в месте пересечения петлеобразных сверхпроводящих электродов СИНИС структуры и жертвенного слоя алюминия и удаляют резистивную маску, после чего наносят однослойный резист для формирования резистивной маски для удаления жертвенного слоя алюминия путем травления под пленкой нормального металла с образованием поглотителя и последующего удаления резистивной маски.