JP2023182574A - 超電導膜を有する多層デバイスの堆積のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】臨界温度の高い高品質のＮｂＮを確実に又は安定して堆積させることが可能になる、多層デバイスの堆積のための方法及び装置を提供する。【解決手段】物理的気相堆積システムは、チャンバと、ターゲットに対する３つのターゲット支持体と、それを通る開口部を有して位置決めされた可動シールドと、チャンバ内にワークピースを保持するためのワークピース支持体と、窒素ガス及び不活性ガスをチャンバに送達するためのガス供給部と、電源と、コントローラと、を含む。コントローラは、シールドを移動させて開口部を順番に各ターゲットに隣接して位置決めするよう構成されており、かつ、各ターゲットで、電源がチャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して、それぞれ、緩衝層を堆積させ、８°Ｋ超の温度で超電導体としての使用に適した金属窒化物層である第１の材料のデバイス層を堆積させ、キャッピング層を堆積させるように、構成されている。【選択図】図７

Description

本開示は、金属窒化物、特に超電導材料として適切な金属窒化物を堆積させるためのワークピースを処理するためのリアクタに関する。

超電導に関連して、臨界温度（Ｔ_Ｃ）とは、それを下回ると材料が超電導になる温度を指す。窒化ニオブ（ＮｂＮ）は、超電導の用途、例えば、量子情報処理、ＣＭＯＳ、ＬＩＤＡＲ等における欠陥分析における使用のための超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）に使用することができる材料である。窒化ニオブの臨界温度は、材料の結晶構造と原子比とに依拠する。例えば、図１を参照すると、立方δ相ＮｂＮは、その比較的「高い」臨界温度、例えば９．７－１６．５°Ｋによるいくつかの利点を有する。

窒化ニオブは、物理的気相堆積（ＰＶＤ）によってワークピース上に堆積され得る。例えば、窒素ガスの存在下でニオブターゲットを使用してスパッタリング操作が実施され得る。スパッタリングは、ターゲット及びワークピースを含有するリアクタチャンバ内にプラズマを誘導することによって実施され得る。

一態様では、金属窒化物層を含む構造体をワークピース上に形成する方法は、金属ターゲットを含むチャンバ内にワークピースを配置する前に、窒素ガス及び不活性ガスを第１の流量比でチャンバ内へ流して、チャンバ内のプラズマを点火することによって、チャンバを事前調整することと、事前調整後にチャンバを排気することと、事前調整後にチャンバ内のワークピース支持体上にワークピースを配置することと、窒素ガス及び不活性ガスを第２の流量比でチャンバ内へ流して、チャンバ内のプラズマを点火することによって、チャンバ内のワークピース上に金属窒化物層の物理的気相堆積を実施することと、を含む。第２の流量比は、第１の流量比よりも小さい。

別の態様では、物理的気相堆積システムは、チャンバを形成するチャンバ壁と、チャンバ内にワークピースを保持するための支持体と、チャンバを排気するための真空ポンプと、窒素ガス及び不活性ガスをチャンバへ送達するためのガス供給部と、金属ターゲットを支持するための電極と、電極に電力を印加するための電源と、コントローラとを含む。コントローラは、上に金属窒化物層が堆積されるワークピースがチャンバ内に配置される前に、ガス源が窒素ガス及び不活性ガスを第１の流量比でチャンバ内へ流して、電源がチャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して、チャンバを事前調整するように、かつ、ワークピースがチャンバ内に配置された後に、ガス源が窒素ガス及び不活性ガスを第２の流量比でチャンバ内へ流して、電源がチャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して、物理的気相堆積によってワークピース上に金属窒化物層を堆積させるように、構成されている。第２の流量比は、第１の流量比よりも小さい。

別の態様では、金属窒化物層を有するデバイスの製造のためのクラスタツールは、ワークピースを保持するカセットを受け取るためのロードロックチャンバと、中央真空チャンバと、中央真空チャンバの周りの及びそれに連結されたクラスタ形状に配置された複数の堆積チャンバと、真空チャンバとロードロックチャンバと複数の堆積チャンバとの間でワークピースを運搬するためのロボットと、コントローラとを含む。複数の堆積チャンバは、第１のターゲットを有する第１の堆積チャンバと、第２のターゲットを有する第２の堆積チャンバと、第３のターゲットを有する第３の堆積チャンバとを含む。コントローラは、ロボットが基板を第１の堆積チャンバへ運搬して第１の堆積チャンバがワークピース上に緩衝層を堆積させるように、かつ、ロボットが基板を第１の堆積チャンバから第２の堆積チャンバへ運搬して第２の堆積チャンバが緩衝層上に８°Ｋ超の温度で超電導体としての使用に適した金属窒化物層を堆積させるように、かつ、ロボットが基板を第２の堆積チャンバから第３の堆積チャンバへ運搬して第３の堆積チャンバが金属窒化物層上にキャッピング層を堆積させるように、構成されている。

別の態様では、物理的気相堆積システムは、チャンバを形成するチャンバ壁と、第１のターゲットを保持するための第１のターゲット支持体と、第２のターゲットを保持するための第２のターゲット支持体と、第３のターゲットを保持するための第３のターゲット支持体と、チャンバ内に位置決めされ、それを通る開口部を有する、可動シールドと、シールドを移動させるためのアクチュエータと、チャンバを排気するための真空ポンプと、窒素ガス及び不活性ガスをチャンバへ送達するためのガス供給部と、第１のターゲット、第２のターゲット、又は第３のターゲットに選択的に電力を印加するための電源と、コントローラとを含む。コントローラは、アクチュエータがシールドを移動させて開口部を第１のターゲットに隣接して位置決めするように、かつガス源が第１のガスをチャンバ内へ流すように、かつ電源がチャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加してワークピース支持体上のワークピース上に第１の材料の緩衝層を堆積させるように構成されており、かつ、アクチュエータがシールドを移動させて開口部を第２のターゲットに隣接して位置決めするように、かつガス源が第２のガスをチャンバ内へ流すように、かつ電源がチャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して緩衝層上に８°Ｋ超の温度で超電導体としての使用に適した金属窒化物である第１の材料（第１の材料は第２の材料とは異なる組成である）のデバイス層を堆積させるように構成されており、かつ、アクチュエータがシールドを移動させて開口部を第３のターゲットに隣接して位置決めするように、かつガス源が第３のガスをチャンバ内へ流すように、かつ電源がチャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加してデバイス層上に第３の材料（第３の材料は、第１及び第２の材料とは異なる組成である）のキャッピング層を堆積させるように構成されている。

これらの態様は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含み得る。

金属ターゲットは、ニオブ又はニオブ合金を含み得る。金属窒化物層は、窒化ニオブ又はニオブ合金窒化物を含み得る。金属ターゲットは、実質的に純粋なニオブであり得、金属窒化物層は、実質的に純粋な窒化ニオブであり得る。金属窒化物層は、δ相ＮｂＮであり得る。プラズマは、金属ターゲットの金属をスパッタし得る。

第２の流量比は、第１の流量比よりも２－３０％低い場合がある。第１の流量比は４：１００から１：１であり得、第２の流量比は３：１００から４８：５２であり得る。チャンバは、１０^－８Ｔｏｒｒより低い圧力に排気され得る。

事前調整は、基板支持体上にシャッタディスクを配置することを含む。ロボットは、チャンバの事前調整のために、チャンバ内にシャッタディスクを位置決めするように構成されている。事前調整は、シャッタディスクをある温度に加熱することを含み得、物理的気相堆積の実施は、ワークピースを同じ温度に加熱することを含み得る。温度は２００－５００℃であり得る。事前調整におけるプラズマの点火と、堆積におけるプラズマの点火は、同じ電力レベルを使用し得る。

プラズマ中の窒素イオン濃度は、光学センサを用いて測定され得る。窒素ガス及び／又は不活性ガスの流量は、センサによって測定された窒素イオン濃度に応じて調整されて、窒素イオン濃度を所望の濃度にし得る。センサはチャンバの外側に位置決めされ、ここで、チャンバ壁は、センサにチャンバへの光学的アクセスを提供するための窓を含む。

スパッタシールドはチャンバ内に位置決めされている場合がある。スパッタシールドは、センサにプラズマへの明確な見通し線を提供するための開口部を有し得る。

緩衝層は、金属窒化物層の形成前にワークピース上に形成され得る。金属窒化物層は、緩衝層上に直接堆積され得る。緩衝層は、ターゲットの金属とは異なる金属の金属窒化物であり得る。緩衝層は、窒化アルミニウムであり得る。

キャッピング層は、金属窒化物層上に形成され得る。キャッピング層は、炭素、ケイ素、ターゲットの金属とは異なる金属、又はターゲットの金属とは異なる材料の窒化物を含み得る。キャッピング層は、炭素、窒化ケイ素、又は窒化チタンであり得る。

第１のターゲットは、第２のターゲットの金属以外の金属であり得る。第１の気体は、窒素ガスを含み得る。第２のターゲットは、ニオブを含み得る。第２の気体は、窒素ガスを含み得る。第３のターゲットは、炭素、ケイ素、又は第２のターゲットの金属以外の金属を含み得る。

シールドは回転可能であり得、アクチュエータはシールドを回転させるように構成され得る。

いくつかの実装は、下記の利点のうちの一又は複数を含み得る。このプロセスにより、臨界温度の高い高品質のＮｂＮを確実に又は安定して堆積させることが可能になる。これにより、より高温で動作するデバイス、例えばＳＮＳＰＤの製造が可能になり、よって、このようなデバイスはより実用的になる。デバイスは、より高い量子効率及び低い暗電流で製造することができる。デバイスはまた、低減されたタイミングジッタ及び迅速な検出応答で製造され得る。緩衝層、超電導膜、及びキャッピング層は、真空からワークピースを除去することなく単一ツールによって堆積され得る。これは、プロセス安定性及び製造可能性を有意に改善し、汚染、例えば酸化のリスクを低減させることができ、また、高い臨界温度の保全にも役立つ。

一又は複数の実装の詳細を、添付図面及び以下の説明において明記する。その他の潜在的な特徴、態様、及び利点も、本明細書、図面、及び特許請求の範囲から明らかになろう。

処理温度及び窒素原子百分率に応じた窒化ニオブ相を示す図である。 金属窒化物を堆積させるためのリアクタの概略断面図である。 さまざまな窒素流動値について測定された窒素流及び臨界温度に応じたターゲット上の電圧を示すグラフである。 金属窒化物を堆積させるためのプロセスのフロー図である。 動作中に超電導材料として使用するための金属窒化物相を含むデバイスの概略断面図である。 シード層、金属窒化物、及びキャッピング層を堆積するためのリアクタの概略断面側面図である。 シード層、金属窒化物、及びキャッピング層を堆積するためのクラスタツールの概略上面図である。 異なる組成の複数の層を堆積するための処理チャンバの概略側面図である。 図８の処理チャンバの概略上面図である。

様々な図面における類似の参照番号及び名称は、類似した要素を示している。

上に記載したとおり、窒化ニオブ、特にδ相ＮｂＮは、超電導材料としていくつかの利点を有する。しかしながら、δ相ＮｂＮは、満足のいく品質での堆積が困難であることがある。例えば、この相は、高真空（１０^－９Ｔｏｒｒ以下）と高可動性種（パルスＤＣにおける高温、高いピーク電力、及び低いデューティサイクル）とを必要とする場合がある。半導グレード堆積ツールは良好な均一性を提供することができるが、それらは、典型的には、約１０^－８Ｔｏｒｒの最低真空用に構成されている。しかしながら、ポンプ容量を増加させ、水蒸気などの原子量の小さいガスを追加で捕捉することにより、真空性能を向上させることができる。

別の点は、（超）電導層の下の緩衝層、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層が金属窒化物層の臨界温度の上昇を助けることができる点である。同様に、（超）電導層の上のキャッピング層、例えば、炭素層又は窒化ケイ素層は、金属窒化物層を保護すること、例えば酸化を防止することを助けることができる。キャッピング及び緩衝層は、典型的には、別個の堆積ツールにより提供される。残念ながら、金属窒化物の堆積に使用されるツールからワークピースを除去することは、汚染又は酸化をもたらし、それにより、臨界温度を低下させ得る。しかしながら、クラスタツールは、多数のチャンバを有するように構成され得、そのそれぞれは、真空環境からワークピースを除去することなく層を堆積することができる。又は、単一チャンバは、層のそれぞれを堆積するように構成され得、それにより、ワークピースを除去する必要を回避することができる。

さらに別の点は、良好な堆積条件下でさえも、可能な限り高い臨界温度で膜を確実に堆積させることが困難であり得る点である。しかしながら、窒化ニオブの臨界温度は、窒素含有量に応じてヒステリシス効果を示し、窒素含有量が漸増又は漸減したかに応じて異なる臨界温度が得られることが発見された。層をワークピース上に堆積する前に窒素ガスを使用してチャンバの事前調整を実施することにより、プロセスは、このヒステリシス効果のより有利な曲線に従うことができる。結果として、高い臨界温度をより確実に得ることができる。

堆積システム
ここで図２を参照すると、物理的気相堆積（ＰＶＤ）リアクタ１００は、真空チャンバ１１０を含む。チャンバ１１０は、側壁１１２、床１１４、及び天井１１６を含む、チャンバ壁によって囲まれている。ワークピース支持体１２０、例えば、ペデスタル又はサセプタは、チャンバ１１０の内部に位置決めされ得る。ワークピース支持体１２０は、チャンバ１１０内のワークピース１０を支持する上面１２０ａを有する。支持体１２０は、床１１４の上に上昇する。

いくつかの実装では、温度制御システムは、支持体１２０の温度を制御することができる。例えば、温度制御システムは、ワークピース支持体１２０の表面１２０ａに埋め込まれたか又は配置された抵抗加熱器と、加熱器に電気的に連結された電源とを含み得る。代替的に又は追加的に、冷却剤チャネルはワークピース支持体１２０に形成することができ、冷却剤サプライからの冷却剤は、ポンプによってチャネルを経由して流れることができる。

いくつかの実装では、ワークピース支持体１２０の垂直位置は、例えば、垂直アクチュエータによって調整可能である。

開口部１１８（例えば、スリットバルブ）は、チャンバ１１０の壁内に形成することができる。エンドエフェクタ（図示せず）は、ワークピース支持体１２０の支持表面１２０ａ上に基板を低下させるように、開口部１１８を通って延びて、基材１０をリフトピン（図示せず）上に配置し得る。

いくつかの実装では、支持体１２０、又は支持体内の電導性電極１２１（図８を参照）は、接地している。あるいは、外部電源１３６（図８を参照）、例えばＤＣ又はＲＦ電源は、バイアス電圧又はＲＦ電力を支持体１２０又は支持体１２０内の電導性電極１２１に印加し、よって、バイアス電圧又はＲＦ電力をワークピース１０に印加するのに使用することができる。場合によっては、電源１３６は、ＲＦ整合ネットワーク１３７によって電極１２１に連結され得る（図８を参照）。

スパッタシールド１２６は、チャンバ１１０の内部に位置決めされて、チャンバ側壁１１２上への材料のスパッタリングを防止し得る。

電極１３０は天井１１６の一部を形成し、ターゲット１４０は電極１３０から支持され得る。電極１３０は、電源１３２に電気的に連結される。電源１３２は、パルスＤＣ電圧を印加するように構成され得る。電源１３２は、ＲＦ整合ネットワーク１３３によって電極１０に連結され得る。印加された電力は、５００Ｗから２０ｋＷであり得、電圧は、２００Ｖから６００Ｖであり得、周波数は、５０ｋＨｚから２５０ｋＨｚであり得、デューティサイクルは６０－１００％であり得る。

ターゲット１４０は、金属窒化物が堆積される金属で形成された本体、例えばディスクである。設置時、ターゲットは、実質的に純粋な金属、例えば、実質的に純粋なニオブの本体であり得る。しかしながら、処理中、窒素は、ターゲットの表面と反応して、金属窒化物の表面層を形成することができる。

真空ポンプ１５０は、チャンバ１１０を排気するため、例えば、ワークピース支持体１２０（例えば床１１２中）の下方の領域に開口部を有する通路によって、チャンバ１１０に連結されている。真空ポンプの例としては、スロットルバルブ又は絶縁バルブを有する排気ポンプ、低温ポンプ、及び機械ポンプによってバックアップされるターボポンプがある。図２は単一の真空ポンプを示しているが、いくつかの実装では、真空レベルを上昇させるために多数のポンプが使用され得る。一又は複数の真空ポンプ１５０のアセンブリは、チャンバを８×１０^－９Ｔｏｒｒ未満の真空に下げることができる。真空ポンプ１５０は、上昇した堆積温度で５０ｎＴｏｒｒ／分未満の上昇速度を維持することができる。

凝縮プレート１５２は、チャンバ１１０を真空ポンプ１５０に接続する通路に位置し得る。凝縮プレート１５２は、プレート１５２上で水が凝縮するのに十分に冷却された通路の表面を提供するか又はその中に位置決めされる。よって、凝縮プレート１５２は、水蒸気を捕獲／捕捉するよう作用し、凝縮することができる他の低分子は、したがって、そのようなガスがプラズマの一部を形成するのを防ぎ、金属窒化物膜中の不純物を減らす。

ガス源１６０は、チャンバ１１０に流体連結されている。ガス源１６０には、窒素ガス（Ｎ_２）の供給源１６２と、不活性ガス、例えばアルゴン又はヘリウムガスの供給源１６４とが含まれる。窒素ガス及び不活性ガスの流量と、それによる流量の比とは、独立して制御可能なバルブ１６６及び質量流量コントローラによって制御され得る。図２はチャンバに入る別個の通路を示しているが、気体はチャンバ１１０に入る前に混合されることがあり、より複雑なガス分配器装置、例えばガス分配プレート又はシャワーヘッド、側壁を通る放射状通路のアレイなどは、チャンバ１１０中へガスを分配するのに使用することができる。

適切な周波数での電力の印加及び電源１３２による電極１３０への電力の印加は、チャンバ１１０内のプラズマ１１１を点火することができる。特に、パルスＤＣバイアスは、電極１３０を通じてスパッタリングターゲット１４０へ印加することができ、ワークピース支持体１２０は電気的に浮遊し得る。チャンバ１１０内の結果として生じる電界は、スパッタリングガスをイオン化して、ターゲット１４０をスパッタするスパッタリングプラズマ１１１を形成し、ワークピース１０上に材料の堆積をもたらす。プラズマ１１１は、典型的には、１００ワットと２０ｋワットの間、例えば１－５ｋワットのＤＣ電力レベルを印加することにより生成される。電源１３２は、５０ｋＨｚから２５０ＫＨｚ、例えば２００ｋＨｚの周波数でＤＣパルスを供給することができる。パルスのデューティサイクルは、５０－１００％、例えば、５０－７０％、又は６０－１００％であり得る。

いくつかの実装では、磁石アセンブリ１７０は、チャンバ１１０の外側、例えば、天井１１６の上方に位置決めされる。磁石アセンブリ１７０は、イオンをプラズマ中にとどめ、基板１０上のイオンエネルギーを増加させるのを助けることができる。

コントローラ１９０、例えば、プロセッサ、メモリ、及びコンピュータプログラムを格納するための非一時的な記憶媒体を有するプログラムされた汎用コンピュータは、処理システム１００を制御するためにさまざまな構成要素に結合され得る。

光学発光センサ１８０は、プラズマ濃度の監視及び／又は堆積中のガス組成の監視に使用され得る。センサ１８０は、チャンバ１１０の外側に位置決めされ得るが、プラズマ１１１の視野を有するように、チャンバ壁、例えば側壁１１２を通じて窓１８２に隣接して配置され得る。必要に応じて、開孔１８４をシールド１２６内に形成して、センサ１８０にプラズマ１１１の明確な見通し線を提供することができる。光学発光センサ１８０は、プラズマ１１１中の窒素イオン濃度を測定することができる。いくつかの実装では、光学発光センサ１８０はまた、プラズマ１１１中の不活性ガスイオン濃度を測定することができる。光学発光センサ１８０は、これらの測定値をコントローラ１９０に提供することができる。

コントローラ１９０は、ガス源１６０を制御して、測定されたイオン濃度に応じて窒素ガス及び／又は不活性ガスの流量を調整するよう構成され得る。例えば、コントローラ１９０は、フィードバックループ内で動作して、窒素イオン分圧を所望の分圧にするか又は窒素イオン濃度を所望の濃度にするようにガス流量を制御することができる。コントローラ１９０はまた、ガス源１６０のガス流量を制御して、安定したプラズマを維持するかつ／又はターゲット１４０の表面上で所望の条件を達成するよう、構成され得る。

窒化ニオブの堆積
ワークピース処理ツール１００は、ワークピース上に窒化ニオブ、特にδ相ＮｂＮの堆積を実施するのに利用され得る。一例では、ワークピース１１０は、窒化ニオブが上に堆積される緩衝層、例えば窒化アルミニウムを含む。

図３は、窒素流に応じたターゲット上の電圧を示す。固定パルスＤＣ電力がターゲットに印加された。ターゲットの電位は、地面に対して測定された。この電位は、ターゲットのスパッタ収率及びプラズマ中のイオン濃度に応じて変化することになる。概して、ターゲット電圧は、線形関係ではないが、臨界温度の代用値にすることができる。

概して、高品質の膜は、より高い臨界温度の両方を示す。上に記したとおり、窒素含有量に応じた窒化ニオブの臨界温度はヒステリシス効果を示すことが、発見された。さらに図３を参照すると、連続するワークピースの窒素流量が増加している場合、ターゲット電圧は曲線２０２に従う。ニオブターゲットの表面は、ターゲット表面にＮｂＮの薄層を形成するのに十分なＮ_２がチャンバ内に存在する場合、金属モードから「被毒」モードに移行すると考えられている。対照的に、連続するワークピースの窒素流量が減少している場合、ターゲット電圧は曲線２０４に従う。かさねて、Ｎ_２分圧が減少すると、ターゲットは「無毒」になり始め、金属モードに戻る。

両曲線２０２，２０４について、ターゲット電圧は、急激に低下する直前に最大値を有する。これは、ターゲットが金属モードである場合にニオブが豊富な窒化ニオブ（ＮｂＮ）膜が典型的に形成されるが、それに対して、ターゲットが被毒モードである場合に良好な化学量論及び所望の立方相が典型的に形成されるためであると考えられている。

しかしながら、流量が連続して減少している場合（曲線２０４）、ターゲット電圧の低下はより低い窒素流量で生じる。このことは、ニオブターゲットが無毒化される分圧は、ニオブターゲットが被毒する分圧よりも低いことを示し得る。

さらに、流量が連続して減少している場合、ターゲット電圧は、流量が連続して増加している場合（曲線２０２）と比較して、実際により高い値（２０６で示される）に達する。さらに、これらの流量で堆積された窒化ニオブの臨界温度の測定は、窒素流量が以前のプロセスと比較して増加ではなく減少した場合により高い臨界温度が達成され得ることを裏付ける。

このヒステリシス効果を利用することが可能である。特に、層をワークピース上に堆積する前に窒素ガスを使用してチャンバの事前調整を実施することにより、プロセスは、このヒステリシス効果のより有利な曲線に従うことができる。結果として、高い臨界温度をより確実に得ることができる。

図２及び４を参照すると、金属窒化物層を製造するためのプロセス２６０は、チャンバ１１０を事前調整すること（工程２６２）により開始する。チャンバ１１０は排気される。シャッタディスク、例えばワークピースとほぼ同じ直径であるがより厚い金属ディスクは、支持体１２０上に配置することができる（上に層が堆積されるワークピースはチャンバ１１０内に存在しない）。ガス分配アセンブリ１６０は、窒素ガスをチャンバ１１０に供給する。

ガス分配アセンブリ１６０はまた、不活性ガス、例えばアルゴン又はヘリウムを、チャンバ１００へ供給することができる。不活性ガスは窒素ガスを希釈するために使用可能で、これによりプラズマ密度を高めることができる。ガス分配アセンブリ１４６は、２から２０ｍＴｏｒｒの総圧力（窒素ガス及び不活性ガス）を確立することができる。この事前調整工程では、窒素ガスは、第１の流量、例えば１５から４０ｓｃｃｍ、例えば２０ｓｃｃｍで供給される。窒素ガス及び不活性ガスは、４：１００から１：４、例えば４：１００から１：１、例えば２：１から１：１の、窒素対不活性ガスの第１の比で供給され得る（比は、ｓｃｃｍにおける流量の比であり得る）。電力は、電極１３０に印加されて（例えば上に記載するように）、プラズマ１１１を誘導する。

この調整プロセスは、例えば２００－５００℃の温度で、シャッタディスクを用いて行うことができる。事前調整プロセスは、例えば、６０～３００秒間続行できる。

事前調整後、チャンバは、再度、排気され、例えば１０^－９Ｔｏｒｒに低下され、ダミー基板は除去され、ワークピースがチャンバ１１０中へ及び支持体１２０上へ配置される。

ここで、金属窒化物は、物理的気相堆積プロセス（工程２６４）によってワークピース上に形成され得る。ガス分配アセンブリ１６０は、窒素ガスをチャンバ１１０へ供給し、電力は、例えば上に記載するとおり、電極１３０へ印加されて、プラズマ１１１を誘導する。電源１３２は、堆積中に、事前調整におけるものと同じＲＦ電力、周波数及びデューティサイクルを適用し得る。

堆積工程では、窒素ガスは、第１の流量よりも低い第２の流量で供給され、その一方、不活性ガスの流量は、事前調整工程におけるものと同じままである。例えば、窒素ガスの第２の流量は、少なくとも２％低く、例えば、少なくとも１０％低いことがある。例えば、第２の流量は、２－３０％低く、例えば１０－３０％低いことがある。例えば、第２の流量は、１５－１８ｓｃｃｍであり得る。

あるいは、窒素ガスの流量は、一定に保持され得るが、不活性ガスの流量は増加され得る。

堆積工程では、窒素ガス及び不活性ガスは、３：１００から１：６、例えば３：１００から４５：５２、例えば１．５：１から１：３の、窒素対不活性ガスの、第２の比で供給され得る（比は、ｓｃｃｍにおける流量の比であり得る）。第２の比は、第２の比よりも小さく、例えば少なくとも２％低く、例えば少なくとも１０％低い。例えば、第２の比は、２－３０％低く、例えば１０－３０％低いことがある。

この物理的気相堆積プロセスは、例えば２００－５００℃の温度でワークピースを用いて行うことができる。ワークピースは、事前調整プロセスにおけるシャッタディスクと同じ温度で処理され得る。堆積処理は、例えば、１０～６００秒間続行できる。

適切な周波数とデューティサイクルで電力を電極１３０に印加すると、チャンバ１１０内のプラズマが点火する。プラズマは、ターゲット１３０からワークピース１０上への材料のスパッタリングを引き起こす。プラズマ中に窒素が存在することにより、窒素と金属の組み合わせ、例えば窒化ニオブがワークピース上に堆積される。事前調整プロセスは、堆積プロセスの最初から最後まで、正しい化学量論と結晶品質のＮｂＮの堆積を可能にし得る。

δ相ＮｂＮを形成するための物理的気相堆積の適切な処理条件は、処理チャンバの構成などの違いにより変動が生じ得るが、上記の範囲内である必要がある。必要に応じて、適切な処理条件は経験的に決定することができる。

そして、チャンバ１１０は再度排気されて、ワークピースは除去される。

上記は窒化ニオブに焦点を当てているが、これらの技法は、他の金属窒化物、例えばニオブと別の金属の混合物の窒化物、例えばＮｂＴｉＮに適用することができる。

多層デバイス
図５は、超電導材料として使用するための金属窒化物層２２６を含むデバイス２２０中のいくつかの層の概略図である。デバイス２２０は、超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）、超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）、量子コンピュータ中の回路等であり得る。図６は、層の製造方法のフローチャートである。

最初に、緩衝層２２４は基板２２２上に堆積され得る（工程２５０）。基板は、例えば、ケイ素ウエハであり得る。基板２２２は、単一ブロックとして示されているが、多数の下層を含み得る。

緩衝層２２４は、特に金属窒化物層が薄いときに、金属窒化物の臨界温度を改善するのを助ける材料であり得る。代替的に又は追加的に、緩衝層２２４は、金属窒化物層２２６と基板２２２との間の接着を改善することができる。緩衝層２２４は、誘電性又は電導性であり得るが、デバイス２００の操作温度で超電導性ではない。いくつかの実装では、緩衝層２２４は、層２２６に使用される金属窒化物とは異なる金属窒化物で形成されている。例えば、緩衝層２２４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、又は窒化インジウム（ＩｎＮ）で形成され得る。あるいは、緩衝層２２４は、炭化物、例えば炭化ケイ素で形成され得る。緩衝層は、（００２）ｃ軸結晶配向を有し得る。緩衝層２２４は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積によって堆積され得る。

次に、金属窒化物層２２６は、緩衝層上に堆積される（工程２６０）。金属窒化物層２２６は、二段階プロセス２６０及び上記のシステム１００を使用して堆積され得る。

金属窒化物層２２６が堆積された後、キャッピング層２２８が金属窒化物層２２６上に堆積され得る（工程２７０）。キャッピング層２２８は、保護層として機能し、例えば、金属窒化物層２２６の酸化又は他の種類の汚染若しくは損傷を防止する。キャッピング層２２８は、誘電性又は電導性であり得るが、デバイス２００の操作温度で超電導性ではない。いくつかの実装では、キャッピング層２２８は、層２２６に使用される金属窒化物の金属とは異なる材料の窒化物である。いくつかの実装では、キャッピング層２２８は、層２２６に使用される金属窒化物の金属とは異なる金属である。キャッピング層２２８の材料の例には、炭素、ケイ素、窒化チタン（ＴｉＮ）、及び窒化ケイ素（ＳｉＮ）が含まれる。緩衝層２２４は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積によって堆積され得る。

少なくとも金属窒化物層２２６を通じてトレンチ２３０を形成して、電導線、又はデバイスに必要な他の構造体を形成するのに、エッチングが使用され得る（工程２８０）。図４は、緩衝層２２４を通って延びるトレンチを示しているが、金属窒化物層２２６及びキャッピング層２２８、他の構成が可能である。例えば、緩衝層２２４及びキャッピング層２２８がどちらも誘電体である場合、エッチングは、金属窒化物層２２６のみを通じて延び得る。この場合、エッチング工程２８０は、キャッピング層を堆積する工程２７０の前に実施され得る。結果として、キャッピング層２２８は、金属窒化物アイランド間の領域で緩衝層２２４に直接接触し得る。例えば、緩衝層２２４及びキャッピング層２２８がどちらも誘電体である場合、エッチングは、金属窒化物層２２６のみを通じて延び得る。別の例として、エッチは、金属窒化物層２２６と緩衝層２２４又はキャッピング層２２８（両方ではない）とを通じて延び得る。

多層製造のためのツール
上記のとおり、堆積に使用されるツールからワークピースを除去することは、汚染又は酸化をもたらし、それにより、臨界温度を低下させ得る。

この問題を回避するための一つの技法は、多数のチャンバを有するクラスタツールを使用することである。多数のチャンバのそれぞれは、真空環境からワークピースを除去することなく層を堆積することができる。図７は、緩衝層、金属窒化物層、及びキャッピング層を堆積するためのクラスタツール３００の概略上面図である。クラスタツール３００は、一又は複数の中央真空チャンバ３１０と、ワークピースがカセットを受け取る一又は複数のｆａｂインターフェースユニット３１５と、ワークピースをｆａｂインターフェースユニット３１５から処理チャンバ間の他の処理チャンバへ移し、及び処理チャンバからｆａｂインターフェースユニット３１５へ戻すための一又は複数のロボット３２０と、を含む。

クラスタツール３００の処理チャンバは、緩衝層の堆積のため、例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ）の堆積のための一又は複数の物理的気相堆積チャンバ３２５と、金属窒化物層の堆積のための一又は複数の物理的気相堆積チャンバ、例えば上記の物理的気相堆積チャンバ１００と、キャッピング層の堆積のため、例えば炭素層の堆積のための一又は複数の物理的気相堆積チャンバ３３０と、を含む。チャンバは、適切なスリットバルブによって分離され得る。クラスタツール３００は、コントローラ３５０、例えば汎用プログラム可能コンピュータによって制御され得る。

真空からワークピースを除去する必要性を回避するための別の技法は、層のそれぞれを単一のチャンバ内に堆積させることである。図８は、異なる組成の多数の層を堆積するための物理的気相堆積リアクタ４００の概略側面図である。例えば、物理的気相堆積リアクタ４００は、緩衝層、金属窒化物層、及びキャッピング層を堆積するのに使用され得る。図９は、物理的気相堆積リアクタ４００の上面図である（図８は、図９の切断線８－８に沿って考えられ得る）。

物理的気相堆積リアクタ４００は、物理的気相堆積リアクタ１００と類似の方法で構築されるが、三つの別個のターゲット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃを含む（他の層に必要な場合、追加のターゲットが存在し得る）。ターゲットは、リアクタ４００のチャンバ１１０の天井１１６上に支持され得る。各ターゲットは、個別の電極１３０ａ－１３０ｃ上に支持される。異なる電極１３０ａ－１３０ｃは、共通の電源１３２に、又は異なる電源１３２に連結され得る。

回転可能なシールド４１０は、チャンバ１１０の内部に位置決めされ、すべての電極１３０によって共有される。シールド４１０は、シャフト４２０によって天井１１６から懸架され、シャフトは、アクチュエータ４２２によって垂直軸４２６に対して回転され得る（矢印Ａによって示される）。いくつかの実装では、アクチュエータ４２２はまた、シールド４１０を垂直に移動させることができる（矢印Ｂによって示される）。

回転可能なシールド４１０は、対応するターゲットを露出させるための孔４１２を有し得る。シールド４１０は、有利には、複数のターゲット１４０ａ－１４０ｃ間の相互汚染を制限又は排除する。回転可能なシールド１４０は、スパッタされていない各ターゲットのためのポケット４１４も有し得る。例えば、３つの電極１３０が提供されるいくつかの実施態様では、シールド４１０は、一度に一つのターゲットを露出するための孔４１２と、スパッタされていないターゲットを収容するための２つのポケット４１４とを含み得る。シールド４１０を回転させることにより、異なるターゲットが露出及び操作され得る。

いくつかの実施態様では、物理的気相堆積リアクタ４００は、天井１１６へのシールド１１６の改善された接地を提供するための複数の接地リング４３０を含む。

３つのターゲット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃは、異なる材料、例えばスパッタされる材料で形成されて、それぞれ、緩衝層、金属窒化物層、及びキャッピング層を形成する。例えば、第１のターゲット１４０ａは、緩衝層に使用される要素又は化合物の非窒素成分、例えば金属から構成され得る。例えば、緩衝層が窒化アルミニウムで形成される場合、第１のターゲット１４０ａはアルミニウムであり得る。第２のターゲット１４０ｂは、超電導層に使用される化合物の非窒素成分、例えば金属であり得る。例えば、超電導層が窒化ニオブで形成される場合、第２のターゲット１４０ａはニオブであり得る。第３のターゲット１４０ｂは、キャッピング層で使用される要素又は化合物の非窒素成分、例えば、炭素、ケイ素、又はチタンであり得る。

動作中、アクチュエータ４２２は、開孔４１２が第１のターゲット１４０ａと整列され、他のターゲットが覆われるように、シールド４１０を回転させる。真空ポンプ１５０は、チャンバ１１０を排気し、ガス源１６０はスパッタリングガスをチャンバ１１０へ供給し、電源１３２は、電極１３０ａに電力を印加して、チャンバ内にプラズマを生成する。プラズマは、第１のターゲット１４０ａの材料のスパッタリングを引き起こし、基板１０上への緩衝層の物理的気相堆積をもたらし得る。適切な場合、ガス源は、第１のターゲット１４０ａの材料を有する化合物を形成する窒素又は別のガスを供給し得る。例えば、窒化アルミニウムが堆積される場合、第１のターゲット１４０ａはアルミニウムであり得、ガス源は、不活性ガス、例えばアルゴンと、窒素の両方を供給し得る。第１のターゲット１４０ａの材料が実質的に純粋な元素として堆積される場合、ガスは、不活性元素、例えばアルゴン又はキセノンのみを含み得る。

緩衝層の堆積が完了すると、チャンバ１１０は排気され、アクチュエータ４２２は、開口部４１２が第２のターゲット１４０ｂと整列され、他の二つのターゲットが覆われるように、シールド４１０を回転させる。金属窒化物層の材料、例えば窒化ニオブは、本明細書に記載される方法に従って堆積され得る。

金属窒化物層の堆積が完了すると、チャンバ１１０は排気され、アクチュエータ４２２は、開口部４１２が第３のターゲット１４０ｃと整列されるように、シールド４１０を回転させる。キャッピング層の材料は、緩衝層について上に記載されるものと類似の方法で堆積され得る。チャンバ１１０は、再度排気され得、ワークピースが、例えばロボットにより、除去される。

コントローラ
コントローラ、例えばコントローラ１９０及び／又はコントローラ１５０は、デジタル電子回路において、又はコンピュータのソフトウェア、ファームウェア、若しくはハードウェアにおいて、又はそれらの組み合わせにおいて、実装され得る。コントローラは、一又は複数のプロセッサを含み得る。例えば、コントローラは分散システムであり得る。一又は複数のコンピュータプログラム製品（すなわち、機械可読記憶媒体において有形に具現化された一又は複数のコンピュータプログラム製品）は、コントローラ（例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、又は複数のプロセッサ若しくはコンピュータ）によって実行され得る、又はその動作を制御し得る。コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション又はコードとしても既知である）は、コンパイル型言語又はインタプリタ型言語を含む任意の形態のプログラミング言語で書かれてよく、かつ、スタンドアローンプログラムとして、又はモジュール、コンポーネント、サブルーチン、若しくはコンピューティング環境での使用に適するその他のユニットとして含め、任意の形態でデプロイされ得る。コンピュータプログラムは、必ずしもファイルに対応しているわけではない。プログラムは、他のプログラム又はデータを保持するファイルの一部分に、当該プログラム専用の単一のファイルに、又は、複数の連携ファイル（例えば、一又は複数のモジュール、サブプログラム、又はコードの部分を記憶する複数のファイル）に記憶され得る。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータで若しくは一箇所にある複数のコンピュータで実行されるようデプロイされても、複数箇所にわたって分散配置されて通信ネットワークによって相互接続されてもよい。

この明細書に記載のコントローラの動作は、入力データで動作しかつ出力を生成することによって機能を実施するために一又は複数のコンピュータプログラムを実行する、一又は複数のプログラマブルプロセッサによって実施され得る。コントローラの動作は、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）といった特殊用途の論理回路によって実施されてもよく、装置が、かかる特殊用途の論理回路として実装されることも可能である。

特定の実装について説明したが、本開示の基本的な範囲を逸脱することなく、他のさらなる実装が考案され得る。一実施形態の要素及び特徴は、さらなる記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込まれ得ると考えられる。しかしながら、図面は例示的な実施形態のみを示すことに留意されたい。発明の範囲は、下記の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. 金属窒化物層を有するデバイスの製造のためのクラスタツールであって、
   ワークピースを保持するカセットを受け取るためのロードロックチャンバと、
   中央真空チャンバと；
   前記中央真空チャンバの周りの及びそれに連結されたクラスタ形状に配置された複数の堆積チャンバであって、第１のターゲットを有する第１の堆積チャンバと、第２のターゲットを有する第２の堆積チャンバと、第３のターゲットを有する第３の堆積チャンバとを含む複数の堆積チャンバと；
   前記真空チャンバと前記ロードロックチャンバと複数の堆積チャンバとの間でワークピースを運搬するためのロボットと；
   コントローラであって、前記ロボットが前記基板を前記第１の堆積チャンバへ運搬して前記第１の堆積チャンバが前記ワークピース上に緩衝層を堆積させるように、かつ、前記ロボットが前記基板を前記第１の堆積チャンバから前記第２の堆積チャンバへ運搬して前記第２の堆積チャンバが前記緩衝層上に８°Ｋ超の温度で超電導体としての使用に適した金属窒化物層を堆積させるように、かつ、前記ロボットが前記基板を前記第２の堆積チャンバから前記第３の堆積チャンバへ運搬して前記第３の堆積チャンバが前記金属窒化物層上にキャッピング層を堆積させるように、構成されている、コントローラと、
   を含む、ツール。
2. 第２の堆積チャンバが、前記第２の堆積チャンバ内に前記ワークピースを保持するための支持体と、金属ターゲットを支持するための電極とを含み、前記ツールが、前記第２の堆積チャンバを排気するための真空ポンプと、窒素ガス及び不活性ガスを前記第２の堆積チャンバへ供給するためのガス供給部と、電力を前記電極に印加するための電源とを含む、請求項１に記載のツール。
3. 前記コントローラが、
   上に金属窒化物層が堆積されるワークピースが前記第２の堆積チャンバ内に配置される前に、前記ガス源が窒素ガス及び前記不活性ガスを第１の流量比で前記第２の堆積チャンバ内へ流すよう、かつ前記電源が前記チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して、前記第２の堆積チャンバを事前調整するよう、構成されており、かつ
   前記ワークピースが前記チャンバ内に配置された後に、前記ガス源が窒素ガス及び前記不活性ガスを第２の流量比で前記第２の堆積チャンバ内へ流すよう、かつ前記電源が前記第２の堆積チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して、物理的気相堆積によって前記ワークピース上に前記金属窒化物層を堆積させるよう、構成されており、前記第２の流量比が前記第１の流量比よりも小さい、
   請求項２に記載のツール。
4. 物理的気相堆積システムであって、
   チャンバを形成するチャンバ壁と、
   前記チャンバの上部に、第１のターゲットを保持するための第１のターゲット支持体と、第２のターゲットを保持するための第２のターゲット支持体と、第３のターゲットを保持するための第３のターゲット支持体と、
   前記チャンバ内に位置決めされ、それを通る開口部を有する、可動シールドと、
   前記シールドを移動させるためのアクチュエータと、
   前記チャンバの下部にワークピースを保持するためのワークピース支持体と、
   前記チャンバを排気するための真空ポンプと、
   窒素ガス及び不活性ガスを前記チャンバへ送達するためのガス供給部と、
   第１のターゲット、第２のターゲット、又は第３のターゲットに選択的に電力を印加するための電源と、
   コントローラであって、
   前記アクチュエータが前記シールドを移動させて前記開口部を前記第１のターゲットに隣接して位置決めするように、かつ前記ガス源が第１のガスを前記チャンバ内へ流すように、かつ前記電源が前記チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して前記ワークピース支持体上の前記ワークピース上に第１の材料の緩衝層を堆積させるように構成されており、
   かつ、前記アクチュエータが前記シールドを移動させて前記開口部を前記第２のターゲットに隣接して位置決めするように、かつ前記ガス源が第２のガスを前記チャンバ内へ流すように、かつ前記電源が前記チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して前記緩衝層上に８°Ｋ超の温度で超電導体としての使用に適した金属窒化物である、第２の材料とは異なる組成である第１の材料のデバイス層を堆積させるように構成されており、
   かつ、前記アクチュエータが前記シールドを移動させて前記開口部を前記第３のターゲットに隣接して位置決めするように、かつ前記ガス源が第３のガスを前記チャンバ内へ流すように、かつ前記電源が前記チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して前記デバイス層上に、前記第１の材料及び前記第２の材料とは異なる組成である第３の材料のキャッピング層を堆積させるように構成されている、
   コントローラと、
   を含む、システム。
5. 前記第１のターゲットと、前記第２のターゲットと、前記第３のターゲットとを含むシステムであって、前記第１のターゲットが前記第２のターゲットの金属以外の金属を含み、前記第１のガスが窒素ガスを含み、前記第２のターゲットがニオブを含み、前記第２のガスが窒素ガスを含み、前記第３のターゲットが、炭素、ケイ素、又は前記第２のターゲットの金属以外の金属を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記コントローラが、
   前記第１の材料の前記デバイス層の堆積前に、前記ガス源が窒素ガス及び前記不活性ガスを第１の流量比で前記チャンバ内へ流すよう、かつ前記電源が前記チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して、前記チャンバを事前調整するよう、構成されており、かつ
   前記第１の材料の前記デバイス層の堆積のために、前記ガス源が窒素ガス及び前記不活性ガスを第２の流量比で流すよう構成されており、前記第２の流量比が前記第１の流量比よりも小さい、
   請求項４に記載のシステム。
7. ワークピース上にデバイスを形成する方法であって、
   ロボットを用いて前記ワークピースをロードロックチャンバから中央真空チャンバを通って第１の堆積チャンバ内へ運搬することと、
   前記第１の堆積チャンバ内の前記ワークピース上に緩衝層を堆積することと、
   前記ロボットを用いて前記ワークピースを前記第１の堆積チャンバから前記中央真空チャンバを通って第２の堆積チャンバへ運搬することと、
   前記第２の堆積チャンバ内の前記緩衝層上に８°Ｋ超の温度で超電導体としての使用に適した金属窒化物層を堆積することと、
   前記ロボットを用いて前記ワークピースを前記第２の堆積チャンバから前記中央真空チャンバを通って第３の堆積チャンバへ運搬することと、
   前記第３の堆積チャンバ内の前記金属窒化物層上にキャッピング層を堆積することと、
   を含む、方法。
8. 前記金属窒化物層が窒化ニオブ又はニオブ合金窒化物を含む、請求項７に記載の方法。
9. 緩衝層が、金属窒化物層の金属とは異なる金属の窒化物を含む、請求項７に記載の方法。
10. キャッピング層が、炭素、ケイ素、ターゲットの金属とは異なる金属、又はターゲットの金属とは異なる材料の窒化物を含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記緩衝層を堆積することと、前記金属窒化物層を堆積することと、前記キャッピング層を堆積することとのそれぞれが、プラズマを生成してターゲットをスパッタすることを含む物理的気相堆積を含む、請求項７に記載の方法。
12. ワークピース上にデバイスを形成する方法であって、
    第１のターゲットと、第２のターゲットと、第３のターゲットと、それを通る開口部を有する可動シールドとを有するチャンバ内に前記ワークピースを支持することと、
    前記チャンバを排気することと、
    前記シールドを回転させて、前記開口部を前記第１のターゲットに隣接して位置決めすることと、
    第１のガスを前記チャンバ内へ流し、前記チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して前記ワークピース上に緩衝層を堆積させることと、
    前記シールドを回転させて、前記開口部を前記第２のターゲットに隣接して位置決めすることと、
    第２のガスを前記チャンバ内へ流し、前記チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して前記緩衝層上に８°Ｋ超の温度で超電導体としての使用に適した金属窒化物層を堆積させることと、
    前記シールドを回転させて、前記開口部を前記第３のターゲットに隣接して位置決めすることと、
    第３のガスを前記チャンバ内へ流し、前記チャンバ内のプラズマを点火するのに十分な電力を印加して前記金属窒化物層上にキャッピング層を堆積させることと、
    を含む、方法。
13. 前記金属窒化物層が窒化ニオブ又はニオブ合金窒化物を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 緩衝層が、金属窒化物層の金属とは異なる金属の窒化物を含む、請求項１２に記載の方法。
15. キャッピング層が、炭素、ケイ素、金属窒化物の金属とは異なる金属、又はターゲットの金属とは異なる材料の窒化物を含む、請求項１２に記載の方法。

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