DE3783359T2

DE3783359T2 - Supraleitender josephson-uebergang.

Info

Publication number: DE3783359T2
Application number: DE8787310250T
Authority: DE
Inventors: Aleksander Ignace Braginski; John Raymond Gavaler; Michael Andrew Janocko; John Joseph Talvacchio
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1987-11-19
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2007-11-20
Also published as: EP0283623B1; ES2043670T3; EP0283623A3; JP2623100B2; US4768069A; JPS6439085A; IL85491A; DE3783359D1; IL85491A0; EP0283623A2

Description

Die Erfindung betrifft supraleitende Josephsonkontakte.
Um die Geschwindigkeit von integrierten Schaltkreisen zur Verarbeitung von Information zu erhöhen, ist es nötig, den Abstand, den die elektrischen Signale durchlaufen müssen, zu reduzieren. Während dies durch die Reduzierung der Größe der Schaltkreiskomponenten bewirkt werden kann, ist es auch möglich, den elektrischen Widerstand in dem Schaltkreis zu erniedrigen, was die Leistungsaufnahme erniedrigt und eine höhere Packungsdichte elektrischer Komponenten erlaubt. In einem supraleitenden Schaltkreis ist der elektrische Widerstand durch Kühlen des Schaltkreises unterhalb der Temperatur, bei der seine Komponenten supraleitend werden, auf Null reduziert. Da kommerziell erhältliche supraleitende Elektronik mit Mittel- und Höchstintegration bis jetzt noch nicht fertigbar ist, wird weiterhin für die Auslegung der Komponenten auf diesem Gebiet geforscht.
Josephson- Tunnel- Kontakte für supraleitende Elektronik sind nach dem Stand der Technik Dreischichtstrukturen auf einem Substrat, welches aus einer Schicht supraleitendem Niobnitrit (NbN), einer isolierenden Schicht aus Magnesiumoxid (MgO) und einer zweiten Schicht aus Niobnitrit besteht. Als Referenz für den Stand der Technik sind die folgenden Dokumente zu nennen: Appl. Phys. Lett., Vol. 46, Nr. 11, 1. Juni 1985, Seiten 10998 - 1099, AIP, New York, US, A. Shoji et al. und IEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-23, Nr. 2, März 1987, Seiten 1467-1471, New York, US, A. Schoji et al.
Obwohl die Strukturen nach dem Stand der Technik funktionsfähig sind, sind sie doch nicht optimal einsetzbar, weil der Gitterabstand vom Magnesiumoxid nicht mit dem Gitterabstand von Niobnitrit übereinstimmt, obwohl beide die gleiche Struktur und Kristallorientierung haben. Niobnitrit hat eine B1 (Kochsalz) Struktur mit einer Gitterkonstante (a&sub0;) von 4, 38 Angström; Magnesiumoxid und Calciumoxid haben dieselbe B1-Struktur, aber Magnesiumoxid hat eine Gitterkonstante von 4,21 Angström. Aufgrund dieser fehlenden Übereinstimmung sind die ersten Atomlagen des oben aufliegenden Niobnitrits teilweise ungeordnet, was dazu führt, daß die supraleitende Energielücke erniedrigt und die Betriebstemperatur des Kontakts reduziert ist.
Ein erfindungsgemäßer Josephsonkontakt enthält (A) eine Schicht von NbN auf einem Substrat, (B) eine feste Lösung von einer pseudobinären Verbindung als epitaktische Schicht auf dieser Schicht NbN, wobei die feste Lösung von 3 Atomprozent MgO und 97 Atomprozent CaO und 97 Atomprozent MgO und 3 Atomprozent CaO enthält und (C) eine epitaktische Schicht aus NbN auf dieser Schicht der pseudobinären Verbindung.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des supraleitenden Josephsonkontakts, gekennzeichnet durch (A) Abscheiden einer Schicht NbN auf einem geeigneten Substrat; (B) Abscheiden einer epitaktischen Schicht aus einer pseudobinären Verbindung auf dieser Schicht aus NbN, wobei die Verbindungvon 3 Atomprozent MgO und 97 Atomprozent CaO bis 97 Atomprozent MgO und 3 Atomprozent CaO enthält; und (C) Abscheiden einer epitaktischen Schicht aus NbN auf die aus dieser Verbindung bestehenden Schicht.
Es wurde festgestellt, daß ein supraleitender Josephsonkontakt aus einer pseudobinären festen Lösung aus Magnesium- und Calciumoxid zwischen zwei Niobnitritschichten ausgebildet werden kann. Calciumoxid hat dieselbe B1 Struktur wie MgO aber eine Gitterkonstante von 4,84 Angström. Durch die Auswahl der Anteile von Magnesiumoxid zu Calciumoxid in der pseudobinären Schicht ist man in der Lage, den Gitterabstand entsprechend dem von Niobnitrit abzustimmen, so daß beide, die pseudobinäre Schicht und die obere Schicht aus Niobnitrit, epitaktisch sind und eine Unterschicht aus Niobnitrit haben.
Die Entdeckung, daß eine pseudobinäre Schicht aus Magnesiumoxid-Calciumoxid bei Raumtemperatur gebildet werden kann, ist bemerkenswert, da das Gleichgewichtsphasendiagramm für das MgO-CaO-System zeigt, daß bei Raumtemperaturen feste Lösungen von 2 % MgO und 98 % CaO und bis zu 98 % MgO und 2 % CaO nicht existieren. Das heißt, unterhalb von 1600ºC wird eine Mischung von Mg1-xCaxO, wobei 0,02< x< 0.98 ist, in verschiedenen Domänen kristallisieren, die praktisch reines MgO und praktisch reines CaO statt einer festen Lösung aus Mg1-xCaxO enthalten.
Da feste Lösungen von MgO-CaO dieselbe Struktur und Orientierung wie NbN haben und deshalb epitaktische Schichten mit derselben Gitterkonstante gewachsen werden können, haben erfindungsgemäße Josephsonkontakte eine gleichmäßigere Oxidschicht als die von Josephsonkontakten, die nur mit MgO hergestellt sind. (Theoretischer und experimenteller Hintergrund ist entnehmbar aus J.W.Mathews et al., "Effect of Coherency Strain and Misfit Dislocations on the Mode of Growth of Thin Films", Thin Solid Films 26, Seiten 129-134, 1975).
Das erfindungsgemäße bessere Oxyd verursacht auch eine Niobnitritdeckschicht von besserer Qualität oberhalb der Oxidschicht. Bis jetzt war es sehr schwierig, eine Niobnitritdeckschicht guter Qualität zu erhalten, und zwar insbesondere für die Unterseite der Niobnitritdeckschicht. Da die erfindungsgemäße Oxydschichte dieselbe Gitterkonstante wie die der Nitritschicht hat, ist man in der Lage auch eine Niobnitritdeckschicht guter Qualität zu erhalten. Als Ergebnis ist die supraleitende Übergangstemperatur der Niobnitritschicht höher.
Damit die Erfindung leichter verstanden werden kann, wird im folgenden ein geeignetes Ausführungsbeispiel beschrieben und zwar mit Bezug auf die Fig. 2A bis 2D der begleitenden Zeichnung. Fig. 2A bis 2D stellen Seitenansichten für ein Verfahren zur Herstellung eines Josephsonkontakts dar.
Das Phasendiagramm gemäß Fig.1 wurde einem Artikel von R.C. Doman et al. in "Journal of the American Ceramics Society" July 1983, mit dem Titel "Phase Equilibira in the System CaO-MgO" entnommen. Die Ordinate gibt die Temperatur in Celsiusgraden an und auf der Abzisse sind Atomprozente von CaO im MgO- CaO-System aufgetragen. Das Phasendiagramm zeigt, daß unterhalb einer Temperatur von 2370 ºC verschiedene feste Lösungen (SS) von MgO und CaO gebildet werden, und daß unterhalb von 1600 ºC keine Mischungen von festen Lösungen aus MgO und CaO existieren, wenn die Menge von CaO größer als 2 % oder weniger als 98 % ist.
In Fig. 2A ist ein Substrat 1 gezeigt auf dem eine Grundelektrode 2 aus Niobnitrit abgeschieden ist und die Barrierenschicht 3 aus der pseudobinären Verbindung sowie eine Gegenelektrode 4 ebenfalls aus Niobnitrit aufweist. In Fig. 2B sind Teile der Gegenelektrode, der Barrierenschicht und der Grundelektrode weggeätzt. In Fig. 2C wurde eine isolierende Schicht , vorzugsweise aus Siliziumdioxyd über Teile der Struktur erstreckt. In Fig. 2D wurde eine Kontaktschicht 6 für Anschlußleitungen auch aus Niobnitrit aufgebracht.
Jedes Substratmaterial mit geeignetem mechanischen Halt für den Kontakt und welches das Aufwachsen von Niobnitrit fördert, kann in der Erfindung benutzt werden. Bevorzugte Materialien sind Saphir (α-Al&sub2;O&sub3;) oder Magnesiumoxid (MgO), da diese Materialien nahezu mit der Gitterkonstante von Niobnitrit übereinstimmen. Das Substrat kann beliebige Größe und Dicke haben; es ist typischerweise 6 mm² bis zu einer Scheibenfläche von 50,8 mm Durchmesser groß und ungefähr 0,508 mm (20mils) dick. Das Substrat kann eine beliebige Orientierung haben, aber es wurde herausgefunden, daß die (100) Orientierung eines Maguesiumoxidsubstrats gleichmäßige Einkristallschichten erzeugt. Es wurde auch festgestellt, daß die (111) Niobnitrit-Einkristallfilme, die auf einem Saphirsubstrat aufgewachsen sind, die besten Kontakteigenschaften haben. Die (111) Niobnitrit-Orientierung kann erzeugt werden, wenn die Saphirorientierung (11 0) oder (0001) ist. Saphir wird gegenüber Magnesiumoxid bevorzugt, da dieses Substrat leichter erhältlich und leichter zu benutzen ist.
Beim Herstellen des erfindungsgemäßen supraleitenden Josephsonkontakts besteht der erste Schritt darin, eine Schicht aus Niobnitrit auf dem Substrat aufzubringen. Das kann z.B. durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder Zerstäuben (Sputtering) bewirkt werden. Beide Prozesse sind im Stand der Technik gut bekannt. Bei der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD) wird ein Niob enthaltendes Gas über eine heiße Oberfläche geleitet, wodurch eine Reaktion zur Formierung von Niobnitrit eintritt, welches auf dem Substrat abscheidet. Sowohl Hochfrequenzzerstäubung (RF sputtering) als auch Gleichstromzerstäuben (DC sputtering) können benutzt werden, aber reaktives Gleichstromzerstäuben wird bevorzugt, weil es eine höhere Übergangstemperatur für Supraleitung erzeugt. Reaktives Gleichstromzerstäuben wird durch Zerstäuben von Niob in einem Gas ausgeführt, welches Stickstoff und Argon (aber keinen Sauerstoff) enthält, wobei das Niob mit dem Stickstoff reagiert und Niobnitrit auf dem Substrat abscheidet. (Die Bedingungen für die Herstellung eines Einkristall-Niobnitrit-Halbleiters durch Gleichstrom-Magnetron-Zerstäubung sind in der Literatur aufgeführt, wie z.B bei V.L. Noskov et al., Soviet Physics Crystallography, 25(4), 504, 1980). Die Niobnitritschichten können entweder polykristallin oder einkristallisch sein, aber Einkristallschichten werden bevorzugt, weil sie leichter zu prüfen sind. Die Niobnitritschichten können 40 Nanometer und 500 Nanometer (400-5000 Angström) dick sein und liegen vorzugsweise in einem Bereich zwischen 150 bis 250 Nanometer (1500-2500 Angström). Falls die Niobnitritschichten zu dick sind, wird es schwierig die beim Ätzen gebildeten Stufen zu bedecken. Wenn die Niobnitritschichten zu dünn werden, wird die Geschwindigkeit des Schaltkreises erniedrigt. Die Schichtdicken werden durch die Abscheidezeiten bestimmt.
Als nächster Schritt des erfinderischen Verfahrens wird eine Schicht der pseudobinären Verbindung auf der Schicht des Niobnitrit abgeschieden. Die pseudobinäre Schicht wächst auf der Schicht aus Niobnitrit aufgrund von Einkristallepitaxie und hat dieselbe Struktur wie die Schicht aus Niobnitrit. Die Zusammensetzung der pseudobinären Schicht kann von 3 Atomprozent MgO und 97 Atomprozent CaO bis zu 97 Atomprozent MgO und 3 Atomprozent CaO variieren. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 22 und 35 Atomprozent CaO, wobei der Rest MgO ist. Aufgrund von Rechnungen läßt sich ermitteln, daß die optimale Zusammensetzung 73 Atomprozent MgO und 27 Atomprozent CaO ist, wobei der angegebene Bereich zu einer Fehlanpassung für den Gitterabstand innerhalb von 1 % oder weniger führt. Die Schicht aus der pseudobinären Verbindung kann z.B. durch eine Hochfrequenzzerstäubung oder Gasabscheidung aufgebracht werden. Die Gasabscheidung wird durch Erhitzen einer geeigneten Mischung von MgO-CaO oberhalb des Schmelzpunktes von MgO (2800ºC) durchgeführt. Es muß dabei beachtet werden, daß die Zusammensetzung der Schicht aus der pseudobinären Verbindung nicht exakt gleich der Zusammensetzung des Materials ist, welches benutzt wurde, um die Schicht auszubilden und zwar aufgrund von unterschiedlichen Dampfdrucken zwischen MgO und CaO beim Verdampfen. Wenn jedoch die Unterschiede in der Zusammensetzung für den verwendeten Apparat und die benutzten Abscheideparameter ermittelt worden sind, kann die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials entsprechend eingestellt werden, um die gewünschte Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht einzustellen. Die Dicke der isolierenden Schicht aus der pseudobinären Verbindung liegt vorzugsweise zwischen 0,5 Nanometer bis 2,5 mm (5 bis 25 Angström), da dünnere Schichten sich als supraleitende Kurzschlüsse auswirken können und dickere Schichten einen größeren Widerstand haben, der die Schaltkreisgeschwindigkeit reduziert.
In dem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zweite Niobnitritschicht auf der Schicht der pseudobinären Verbindung aufgebracht. Der Abscheidungsprozeß und die Prozeßparameter für diese Schicht können gleich der der ersten Schicht aus Niobnitrit sein.
Nachdem die drei Lagen auf dem Substrat abgeschieden wurden, können verschiedene Verfahren benutzt werden, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt sind, um Schaltkreise auszubilden und Verbindungen daran anzubringen. Diese Prozesse schließen Ätzen, das Aufbringen von empfindlichen Schichten, Entwickeln von fotoempfindlichen Schichten zur Ausbildung der Schaltkreismuster und das Aufbringen von Kontaktschichten für Anschlußleitungen ein. Die erfindungsgemäßen Josephsonschaltkreise können außer bei supraleitenden Computern auch in anderen Arten von Apparaten verwendet werden, wie z.B. Vorrichtungen zur Verarbeitung von Radarsignalen. Die Erfindung wird nun im folgenden bezüglich eines Beispiels verdeutlicht:

Beispiel:

Eine polierte Einkristall-Saphir-Platte (6,35 mm x 6,35 mm (1/4 inch x 1/4 inch )) Fläche und 0.508 mm (20mils) Dicke mit einer (11 0) Orientierung wird in ein DC-Magnetron gebracht und bis auf 700 ºC aufgeheizt. Mit einer Gasmischung aus 0,5333 Pa (4 mTorr) Argon, 0,1066 Pa (0,8 mTorr) Stickstoff, und 6,6661 mPa (0,05 mTorr) Methan wird Niobnitrit auf das Substrat mit einer Rate von 4 Nanometer pro Minute aufgestäubt. Der so entstehende Film ist ungefähr 100 Nanometer dick und hat eine (111) Kristallorientierung.
Die Temperatur wird weiterhin bei 700 ºC gehalten, während eine Barrierenschicht auf der Niobnitritschicht in einer Mischung aus 73 Molprozent MgO und 27 Molprozent CaO abgeschieden wird und zwar durch Hochfrequenz-Magnetron- Zerstäubung in reinem Argon bei 0,9333 Pa (7 mTorr). Es ergibt sich eine Wachstumsrate von 0,6 Nanometer (6 Angström) pro Minute und eine Filmdicke für die Barriere von ungefähr 2 Nanometer (20 Angström).
Die Temperatur des bedeckten Substrats wird auf 150 ºC abgekühlt und die Gegenelektrode in der gleichen Weise wie die Grundelektrode mit der gleichen Depositionsgeschwindigkeit aufgebracht. Die Gegenelektrode ist ungefähr 50 Nanometer dick und hatte eine (111) Kristallorientierung.
Durch herkömmliche Fotolithographie wird eine Fotoresistschicht auf das Substrat aufgebracht, belichtet und entwickelt, um Bereiche für Schaltkreise zu bestimmen. Die entwickelte Fläche wird mit reaktiven Ionenätzen bis zur Grundelektrode, wie in Fig. 2B gezeigt, geätzt. Eine zweite Fotoresistschichtschicht wurde aufgebracht und eine Öffnung für den Anschluß an der oberen Elektrode freigelassen. Die Fotoresistschicht wurde als Isolator gemäß Fig. 2C stehen lassen. Schließlich wird eine Kontaktschicht für Anschlußleitungen aus Niobnitrit gemäß Fig. 2D aufgebracht und zwar in der gleichen Weise wie die anderen Schichten aus Niobnitrit.
Der fertige Josephsonkontakt wird in einem magnetisch abgeschirmten, mit flüssigem Helium bei 4,2 ºK gefüllten Dewarschen Gefäß getestet, indem der Stromfluß langsam erhöht und die Spannung gemessen wird. Wenn die Spannung 7 mV erreicht hatte, wurde das Experiment beendet.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Stromes gegen die Spannung als Ergebnis des Experiments. Die Zeichnung zeigt, daß die Leitung über den Josephsonkontakt aufgrund des Tunneleffekts statt durch metallische Leitung vor sich geht. Die Kurve zeigt auch, daß die Änderung der Kurve A beim gemischten Oxyd bei einer Spannung von 4,8 mV (der der Energielücke entsprechenden Spannung) am höchsten war. Dies stimmt sehr gut mit der Spannung für die Energielücke eines typischen Josephsonschaltkreises mit einer Magnesiumoxid-Barriere gemäß Kurve B überein, welche eine Spannung entsprechend der Energielücke von 4,5 mV zeigt. Die deutlich höhere Spannung der Energielücke verdeutlicht, daß der erfindungsgemäße Josephsonkontakt in der Lage sein wird, bei höheren Übergangstemperaturen für die Supraleitung zu arbeiten, da die Spannung für die Energielücke direkt proportional zur Übergangstemperatur ist:
wobei Vg gleich der der Energielücke entsprechenden Spannung, kB gleich der Boltzmann Konstante ist und Tc die supraleitende Übergangstemperatur ist.

Claims

1. Supraleitender Josephsonkontakt, gekennzeichnet durch,

(A) eine Schicht aus NbN auf einem Substrat,

(B) eine feste Lösung einer aus einer pseudobinären Verbindung bestehenden epitaktischen Schicht auf der Schicht aus NbN, wobei die feste Lösung von 3 Atomprozent MgO und 97 Atomprozent CaO bis zu 97 Atomprozent MgO und 3 Atomprozent CaO variiert, und

(C) eine epitaktische Schicht aus NbN auf der Schicht mit der pseudobinären Verbindung.

2. Ein Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Saphir mit einer (11 0) oder (0001) Orientierung ist.

3. Ein Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat MgO mit einer (100) Orientierung ist.

4. Ein Kontakt nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (A) und (C) zwischen und 40 und 500 nm (400 - 5000 Angström) dick sind.

5. Ein Kontakt nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schichten aus NbN Einkristallschichten sind.

6. Ein Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das Substrat aus einkristallinem MgO oder einkristallinem Saphir besteht,

daß die Schicht aus NbN auf dem Substrat zwischen 40 und 500 nm (400 - 5000 Angström) dick ist,

daß die epitaktische Schicht aus der pseudobinären Verbindung ein zwischen 0,5 bis 2,5 nm (5 bis 25 Angström) dicker Einkristall ist, die eine Zusammensetzung zwischen 78 Atomprozent MgO und 22 Atomprozent CaO und 65 Atomprozent MgO und 35 Atomprozent CaO hat, und

daß die Schicht aus epitaktischem NbN zwischen 40 und 500 Nanometer (400 bis 5000 Angström) dick ist.

7. Ein Kontakt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus einkristallinem NbN zwischen 150 und 250 nm (1500 bis 2500 Angström) dick sind.

8. Ein Kontakt nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schichten aus NbN einkristalline oder polykristalline Schichten sind.

9. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Josephsonkontakts, gekennzeichnet durch folgende Schritte

(A) Abscheiden einer Schicht aus NbN auf einem geeignetem Substrat;

(B) Abscheiden einer epitaktischen Schicht aus einer pseudobinären Verbindung auf der Schicht aus NbN, wobei die Verbindung zwischen 3 Atomprozent MgO und 97 Atomprozent CaO und 97 Atomprozent MgO und 3 Atomprozent CaO enthält, und

(C) Abscheiden einer epitaktischen Schicht aus NbN auf der aus der pseudobinären Verbindung bestehenden Schicht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Saphir mit einer (11 0) oder (0001)- Orientierung ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat MgO eine (100)-Orientierung aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die NbN Schichten zwischen 40 und 50 nm (400 bis 5000 Angström) dick sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die NbN Schichten durch reaktives Gleichstromzerstäuben (reactive DC sputtering) in einer Atmosphäre aus N&sub2; und Ar abgeschieden werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die pseudobinäre Verbindung durch Hochfrequenzzerstäuben (RF sputtering) abgeschieden wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die pseudobinäre Verbindung durch Verdampfung abgeschieden wird.

16. Verfahren nach Anspruch 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der pseudobinären Verbindung bestehende Schicht zwischen 0,5 und 2,5 nm (5 - 25 Angström) dick ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schichten aus NbN Einkristallschichten sind.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet,

daß der Kontakt geätzt wird,

daß eine fotoempfindliche Schicht aufgebracht und auf dem Kontakt entwickelt wird, wodurch ein Schaltkreismuster entsteht,

und daß eine Schicht für Anschlußleitungen abgeschieden werden.

19. Ein supraleitender integrierter Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet,

daß der Schaltkreismuster ein Feld elektrisch verbundener Kontakte nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält.

20. Ein supraleitender Prozessor, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor eine Vielfalt von elektrisch verbundenen supraleitenden integrierten Schaltkreisen nach Anspruch 19 enthält.