JP7515603B2 - 高臨界温度金属窒化物層を製造する方法 - Google Patents
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Description
本開示は、金属窒化物層の超伝導臨界温度を改善するためのシード層の使用に関する。
超伝導の文脈では、臨界温度(TC)は、それ以下で物質が超伝導になる温度を指す。窒化ニオブ(NbN)は、超伝導応用、例えば、量子情報処理や、CMOS、LIDARにおける欠陥分析など、に使用するための超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SNSPD)に使用できる材料である。窒化ニオブの臨界温度は材料の結晶構造と原子比に依存する。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9.7~16.5Kのため、幾つかの利点を有する(示されたプロセス温度は、特定の製造プロセスのためのものであり、必ずしも適用可能な他のプロセスおよび堆積チャンバ設計ではない)。
窒化ニオブは、物理的気相堆積(PVD)により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動作を行うことができる。スパッタリングは、ターゲット及びワークピースを包含する反応器チャンバ内にプラズマを誘導することによって行うことができる。
一態様では、超伝導層を含むデバイスを製造する方法が、基板上にシード層を堆積させること、シード層を酸素含有ガス又はプラズマに曝露して、改質されたシード層を形成すること、及び、シード層を酸素含有ガス又はプラズマに曝露した後で、改質されたシード層上に金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む。シード層は第1の金属の窒化物であり、超伝導層は異なる第2の金属の窒化物である。
別の一態様では、超伝導層を含むデバイスを製造する方法が、基板上に下部シード層を堆積させること、下部シード層上に上部シード層を直接堆積させること、及び、上部シード層上に金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む。下部シード層は第1の金属の窒化物であり、上部シード層は第1の金属の酸化物又は酸窒化物であり、超伝導層は異なる第2金属の窒化物である。
別の一態様では、超伝導層を含むデバイスを製造する方法が、基板上にシード層を堆積させること、及び、シード層上に金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む。シード層は第1の金属の酸化物又は酸窒化物であり、超伝導層は異なる第2の金属の窒化物である。
別の一態様では、超伝導層を含むデバイスを製造する方法が、第1の温度にある基板上にシード層を堆積させること、基板の温度を第1の温度よりも低い第2の温度に低下させること、前記基板の温度を第1の温度よりも高い第3の温度に上昇させて、改質されたシード層を形成すること、及び、第3の温度にある改質されたシード層上に金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む。シード層は第1の金属の窒化物であり、超伝導層は異なる第2の金属の窒化物である。
実施態様は、以下の利点のうちの1以上を提供してよいが、これらに限定されるものではない。金属窒化物層、例えばNbN層の臨界温度は、高められ得る。これにより、より高い臨界温度を持つ超伝導ワイヤを有するデバイス、例えばSNSPDの製造が可能になる。動作温度(2~3K)と臨界温度との間のより大きな差が、優れた検出効率、より低い暗計数(dark count)、及びおそらくより速い時間的応答を提供する。
「超伝導」は、デバイスの動作温度、例えば2~3Kにおいて材料が超伝導になることを示すことに留意されたい。材料は、実際には、室温以上でのデバイスの製造中、又はデバイスが動作のために冷却されていないときに超伝導ではない。
1以上の実装の詳細を、添付図面及び以下の説明において明記する。他の潜在的な態様、特徴、及び利点は、本説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになろう。
様々な図面における類似の参照番号及び記号表示は、類似した要素を示している。
上述したように、窒化ニオブ、特にδ相NbNは、超伝導材料として幾つかの利点を有する。しかし、δ相NbNは、満足な品質で堆積させることが困難であり得る。更に、動作温度(2~3K)と臨界温度との間の差が大きいほど、デバイス性能は向上する。窒化アルミニウム(AlN)層をシード層として使用して、NbN層の臨界温度を改善することができる。いかなる特定の理論にも限定されるものではないが、AlNシード層は、臨界温度の上昇をもたらす結晶構造をNbN層内に誘起してよい。
しかし、驚くべきことに、NbN層の堆積前にAlNシード層を大気中及び室温に曝露すると、実際には、減圧の破壊及び基板温度の低下なしのAlNシード層上にNbN層を堆積させるよりも高い臨界温度、例えば約0.5Kだけ高い臨界温度を提供し得ることが発見された。ここでも、いかなる特定の理論にも限定されないが、2つの非排他的な可能性が提案されている。第1に、AlNを大気中に曝露することにより、AlN層の表面上に薄い酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウム層が形成され、これが、NbN層内に優れた結晶構造を誘起する可能性がある。第2に、AlNシード層の温度を、AlN用の第1の堆積温度、例えば400℃から室温、すなわち20~22℃に低下させ、次いで、基板の温度をNbN用の第2の堆積温度、例えば400℃に上昇させることによって、AlNシード層を熱サイクルさせることは、AlNシード層内の応力に影響を及ぼし得、これは、その結晶構造に影響を及ぼし得、今度はNbN層の結晶構造に影響を及ぼし得る。
図2Aは、超伝導材料として使用される金属窒化物層108を含む、デバイス100内の幾つかの層の概略図である。図2Bは、金属窒化物層が、フィーチャ、例えば超伝導ワイヤ108′の中に形成されたデバイス100の概略図である。デバイス100は、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SNSPD)、超伝導量子干渉デバイス(SQUID)、量子コンピュータ内の回路(例えばRF線)などであり得る。図3A~図3Cは、製造の方法200のフローチャートである。
金属窒化物層108が、支持構造102上に配置される。支持構造102は、基板、例えばシリコンウエハを含み得る。基板は、誘電体材料、例えば、サファイア、SiO2、溶融シリカ、若しくは石英、又は、半導体材料、例えば、シリコン、窒化ガリウム(GaN)、若しくはヒ化ガリウム(GaAs)とすることができる。単一のブロックとして図示されているが、支持構造102は、複数の下層を含み得る。例えば、支持構造102は、基板の上に堆積された高屈折率材料及び低屈折率材料で形成された複数対の層を含む分布ブラッグ反射鏡(DBR)、又は基板上に形成された導波路を含み得る。
シード層構造103が、支持構造102の上に形成される。シード層構造103は、下層シード層104及び上層シード層106を含む。
下層シード層104は、支持構造102の上面をカバーし、例えば、支持構造102の上面と直接接触する。下部シード層104は、金属窒化物層である。特に、下部シード層104と超伝導層108とは、異なる金属の窒化物である。下部シード層104は、窒化アルミニウム(AlN)であり得る。しかし、窒化ハフニウム(HfN)、窒化クロム(CrN)、又はアルミニウムとハフニウム若しくはスカンジウムのいずれかとの合金の窒化物も、適切であってよい。
下部シード層104は、約3から50nmの厚さ、例えば、約5nm若しくは約10nm又は約20nmの厚さを有し得る。下部シード層104は、(002)c軸結晶方位を有し得る。下部シード層104は、デバイス100の動作温度で超伝導である必要はない。下部シード層104は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積プロセスによって堆積され得る(ステップ202)。堆積プロセスは、200~500℃、例えば400℃にある基板で行われ得る。
下部シード層用の例示的な処理パラメータは、1~5kWのスパッタリングターゲットに印加される電力、3:100と6:1との間(例えば3:1)の比率で供給される窒素ガス及び不活性ガスを伴う2~20mTorrの全圧(窒素及び不活性ガス)、200~500℃のウエハ温度、並びにウエハに印加されるバイアス電圧がないことである。
上部シード層106が、下部シード層104の上面上に、例えば、下部シード層104の上面と直接接触するように形成される(ステップ204)。上部シード層106は、金属酸化物又は金属酸窒化物層である。特に、上部シード層106は、下部シード層104内の金属窒化物の金属と同じ金属の酸化物又は酸窒化物である。上部シード層106は、酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウムであり得、これは、NbNの臨界温度を、例えば、シード層としての窒化アルミニウムよりも約0.5Kだけ改善するようである。しかし、酸化ハフニウム若しくは酸窒化物、酸化クロム若しくは酸窒化物、又はアルミニウムとハフニウム若しくはスカンジウムのいずれかとの合金の酸化物若しくは酸窒化物も、適切であってよい。
上部シード層106は、下部シード層104よりも薄くなり得る。上部シード層106は、製造の方法に応じて、約0.1~3nmの厚さになり得る。幾つかの実施態様では、上部シード層106が、たった1から5原子層の厚さであり、例えば、2又は3原子層の厚さである。上部シード層106は、(002)c軸結晶方位を有し得る。上部シード層106は、デバイス100の動作温度で超伝導である必要はない。
図3Aを参照すると、上側シード層106の金属酸化物又は金属酸窒化物を形成するために使用され得る技法の1つは、下部シード層104を酸素及び/又は水を含むガスに曝露することである(ステップ204a)。例えば、下部シード層104は、空気に曝露され得る。別の一実施例として、下部シード層104は、純酸素に曝露され得る。別の一実施例として、下部シード層104は、20~90体積%の酸素と、窒素及び/又は希ガスなどの1以上の他のガス(例えばアルゴン)と、を含有するガス混合物に曝露され得る。幾つかの実施態様では、ガス混合物が、水(例えば、水蒸気又はもや)を含む。圧力は、1Torrから1気圧、例えば、0.8から1気圧であり得る。
図3Bを参照すると、上部シード層106の金属酸化物又は金属酸窒化物を形成するために使用され得る別の1つの技法は、下部シード層104を酸素(O2)プラズマを含有するガスに曝露することである(ステップ204b)。例えば、下部シード層104は、純酸素プラズマに曝露され得る。例えば、酸素ガスをプラズマ処理チャンバの中に導き、約100Wの電力で酸素プラズマを生成することができる。圧力は、2から500mTorrであり得る。一般に、酸素プラズマ処理用の専用チャンバは、比較的高い圧力、例えば、100から500mTorrを使用することができ、一方、酸素プラズマ処理が、下部シード層の堆積に使用されるのと同じチャンバ内で実行される場合、比較的低い圧力、例えば、2から15mTorを使用することができる。
いかなる特定の理論にも限定されないが、AlNの酸素への曝露は、AlN層の表面上に熱酸化物又は熱酸窒化物層、すなわち酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウム層の形成をもたらしてよい。
幾つかの実施態様では、下部シード層を有する基板が、下部シード層が堆積される第1の温度、例えば、300~500℃から、より低い第2の温度、例えば、20~300℃まで下げられる。下部シード層は、より低い第2の温度で、酸素含有ガス又はプラズマに曝露される。第2の温度は、第1の温度よりも少なくとも200℃低くなり得る。例えば、第2の温度は、室温、すなわち20~22℃であり得る。次いで、超伝導層の金属窒化物の堆積のために、基板が第3の温度まで高められる。
幾つかの実施態様では、下部シード層を有する基板が、高温、例えば、300℃以上に、例えば、下部シード層が堆積されるのと同じ温度、例えば、400℃に維持され、基板は、高温で酸素含有ガス又はプラズマに曝露される。
幾つかの実施態様では、下部シード層を有する基板が、第1の温度から第2の温度まで下げられ、次いで、高い第3の温度、例えば、300度以上、例えば、300~500℃まで上げられ、下部シード層は、高い第3の温度で、酸素含有ガス又はプラズマに曝露される。
曝露時間は、圧力及び温度に応じ得、1秒から120分であり得る。例えば、室温での大気用の曝露時間は、約45分であり得る。別の一実施例として、下部シード層が堆積されるのと同じ温度、例えば、約400℃にある基板を用いた酸素プラズマ用の曝露時間は、約30秒であり得る。
図3A及び図3Bの技法では、上部シード層106が、事実上、下層の金属窒化物層上に形成された自然酸化物又は自然酸窒化物であり、したがって、2から4原子層の厚さであると予想される。例えば、上部シード層106は、最大約1nmの厚さであり得る。
図3Cを参照すると、上部シード層106の金属酸化物又は金属酸窒化物を形成するために使用され得る別の1つ技法は、物理的気相堆積によって上部シード層106を堆積させることである。上部シード層用の例示的な処理パラメータは、1~5kWのスパッタリングターゲットに印加される電力、3:100と6:1との間の比率で供給される酸素ガス及び不活性ガスを伴う2から20mTorrの全圧(酸素及び不活性ガス)、並びに200~500℃のウエハ温度である。酸化アルミニウム又は酸窒化物を堆積させるためのCVD及びALD技法も存在する。
図3Cの技法では、上部シード層106の厚さが、堆積プロセスの処理時間又は反復回数に応じる。例えば、上部シード層106の厚さは、1~2nmであり得る。
図2A及び図2Bに戻って参照すると、超伝導金属窒化物層108が、上部シード層106上に、例えば、直接接触して堆積される(ステップ206)。金属窒化物層108は、窒化ニオブ(NbN)、窒化チタン(TiN)、又は窒化ニオブチタン(NbXTi1-XN)で形成される。超伝導層108は、4から50nm、例えば、約5nm若しくは約10nm又は約20nmの厚さを有し得る。
金属窒化物層108は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積プロセスを使用して堆積され得る。例示的な処理パラメータは、1~8Torrのベース圧力、1~3kWのターゲットに印加される電力、5~7mTorrの処理中の全圧、400℃のウエハ温度、ウエハに印加されるバイアス電圧がないこと、及び立方δ相NbNを実現するのに十分なN2としてのガスの割合である。幾つかの実施態様では、金属窒化物層108が、例えば新しいターゲットに切り替えることによって、下部シード層104及び上部シード層106を堆積するために使用されるのと同じ処理チャンバ内で堆積される。これは、より高いスループットの製造を可能にする。代替的に、基板は、減圧を破壊することなく、異なる堆積チャンバへ搬送され得る。これにより、シード層を大気に曝露することなく、汚染の危険性が低い状態で、金属窒化物層を堆積させることができる。
金属窒化物層108が堆積された後で、金属窒化物層108上にキャッピング層110が堆積され得る(ステップ208)。キャッピング層110は、例えば、金属窒化物層108の酸化又は他の種類の汚染若しくは損傷を防止するための保護層として機能する。キャッピング層108は、誘電体であり得るが、デバイス100の動作温度で超伝導である必要はない。キャッピング層108は、アモルファスシリコン(a-Si)であり得る。幾つかの実施態様では、キャッピング層108が、超伝導層108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。キャッピング層108の材料の例としては、AlN、Al2O3、SiO2、及びSiNが挙げられる。キャッピング層108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。
エッチングを使用して、少なくとも金属窒化層108を貫通してトレンチ112を形成し、デバイス100に必要な超伝導ワイヤ108′又は他の構造を形成することができる(ステップ210)。ワイヤ108′は、約25から250nm、例えば約60nmの幅を有し得る。図2Bは、トレンチ112が、金属窒化物層108及びキャッピング層110を貫通して延在し、且つ上部シード層106の中には入らないように示しているが、他の構成も可能である。一実施例として、トレンチ112は、上部シード層106の中に部分的に若しくは上部シード層106を完全に貫通して延在し、又は、上部シード層106を完全に貫通して、下部シード層104の中に部分的に若しくは下部シード層104を完全に貫通して延在し得る。
空気は汚染物質を含み得るので、上記のプロセスのいずれかについて、上部シード層106は、減圧を破壊することなく、例えば下部シード層が堆積される堆積チャンバから基板を除去することなく、又は、下部シード層が堆積される堆積チャンバから上部シード層が形成されるチャンバへの基板の移送中に減圧を破壊することなく、下部シード層104上に形成され得る。同様に、金属窒化物超伝導層108は、減圧を破壊することなく、上部シード層106上に形成され得る。
上部シード層106が酸素プラズマ処理(図3B参照)又はPVD(図3C参照)によって形成される場合、インパルスPVDを有するApplied Materials Endura(登録商標)を使用することができる。下部シーディング層の堆積と、酸素プラズマ処理又は酸化物若しくは酸窒化物のPVDのいずれかとは、同じチャンバ内で行われ得る。NbN堆積は、同じEnduraツール内の異なるチャンバ内で行うことができるが、減圧を破壊することはない。
図4Aは、超伝導材料として使用される金属窒化物層108を含む、デバイス100′内の幾つかの層の概略図である。図4Bは、金属窒化物層が、フィーチャ、例えば超伝導ワイヤ108′の中に形成されたデバイス100′の概略図である。デバイス100′は、デバイス100と同様であるが、下部シード層と上部シード層との両方を有する代わりに、デバイス100′のシード層構造103は、単一の金属酸化物又は金属酸窒化物シード層106′を有する。以下で説明されることを除いて、デバイス100′は、デバイス100に関して説明されたように構成及び製造され得る。図5は、製造の方法200′のフローチャートである。
シード層106′が、支持構造102の上に配置される。シード層106′は、金属酸化物又は金属酸窒化物である。特に、シード層106′は、超伝導層108内の金属窒化物の金属とは異なる金属の酸化物又は酸窒化物である。シード層106′は、酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウム(AlN)であり得、これは、NbNの臨界温度を、例えば、シード層としての窒化アルミニウムよりも約0.5Kだけ臨界温度を改善するようである。しかし、酸化ハフニウム、酸窒化ハフニウム、酸化ガリウム、又は酸窒化ガリウムも、適切であってよい。デバイス100とは異なり、金属酸化物又は酸窒化物シード層106′の下部と直接接触する同じ金属の金属窒化物層は存在しない。
下部シード層106は、約3から50nmの厚さ、例えば、約5nm若しくは約10nm又は約20nmの厚さを有し得る。前記シード層106′は、(002)c軸結晶方位を有し得る。シード層106′は、装置100の動作温度で超伝導である必要はない。シード層106′は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積プロセスによって堆積され得る(ステップ204′)。堆積プロセスは、200~500℃、例えば400℃にある基板で行われ得る。
例示的な処理パラメータは、1~5kWのスパッタリングターゲットに印加される電力、3:100と1:6との間の比率で供給される窒素ガス及び不活性ガスを伴う2から20mTorrの全圧(窒素及び不活性ガス)、200~500℃のウエハ温度、並びにウエハに印加されるバイアス電圧がないことである。
インパルスPVDを使用するApplied Materials Endura(登録商標)が、シード層及び超伝導層の堆積に使用され得る。例えば、酸化アルミニウムの堆積は第1のチャンバ内で行われ得、NbN堆積は同じツール内の異なるチャンバ内で行われ得るが、減圧を破壊することはない。
熱サイクルが、シード層106′の堆積と超伝導層108の堆積との間で印加され得る。例えば、シード層106′を有する基板は、第1の温度から第2の温度まで降下され、次いで、金属窒化物超伝導層108の堆積のために、例えば、300℃以上、例えば、300~500℃の高い第3の温度まで上昇される。代替的に、シード層106′を有する基板は、高温、例えば、300℃以上、例えば、シード層106′が堆積されるのと同じ温度、例えば、400℃で、窒化金属超伝導層108の堆積まで維持され得る。
図6Aは、超伝導材料として使用される金属窒化物層108を含む、デバイス100″内の幾つかの層の概略図である。図6Bは、金属窒化物層が、フィーチャ、例えば超伝導ワイヤ108′の中に形成されたデバイス100″の概略図である。デバイス100″は、デバイス100′と同様であるが、金属酸化物又は金属酸窒化物のシード層を有する代わりに、デバイス100″のシード層構造103は、熱サイクルを受けた金属窒化物の単一層を含む。以下で説明されることを除いて、デバイス100″は、デバイス100及び100′に関して説明されたように構成及び製造され得る。図7は、製造の方法200″のフローチャートである。
シード層104′が、支持構造102の上に配置される。シード層104′は、金属窒化物である。特に、シード層104′と超伝導層108とは、異なる金属の窒化物である。シード層104′は、窒化アルミニウムであり得る。しかし、窒化ハフニウム又は窒化ガリウムも、適切であってよい。デバイス100とは異なり、シード層104′と超伝導層108との間には金属酸化物又は金属酸窒化物が存在しない。
シード層104′は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積プロセスによって、支持構造102上に直接堆積され得る(ステップ204′)。堆積プロセスは、200~500℃の第1の温度、例えば400℃にある基板で行われ得る。
堆積後、金属窒化物シード層を有する基板は、熱サイクルを受ける(ステップ205)。特に、シード層を有する基板は、シード層が堆積される第1の温度、例えば200~500℃から、より低い第2の温度まで下げられる。例えば、シード層104′を有する基板は、シード層が堆積される第1の温度、例えば300~500℃から、より低い第2の温度、例えば20~300℃まで下げられる。第2の温度は、第1の温度よりも少なくとも200℃低くなり得る。例えば、第2の温度は、室温、すなわち20~22℃であり得る。シード層は、減圧中に又は窒素及び/若しくは不活性ガス(例えばアルゴン)に曝露されている間に、熱サイクルを受け得る。次いで、基板は、超伝導層の金属窒化物の堆積のために、高い第3の温度、例えば300~500度まで上昇される。熱サイクルは、シード層104′の結晶構造を変化させる可能性がある。
熱サイクル後、超伝導層108の金属窒化物が、シード層104′上に堆積され得る。超伝導層108は、減圧を破壊することなく、又はさもなければシード層を酸素若しくは酸素含有蒸気(例えばH2O)に曝露することなく堆積される。
図8A及び図8Bは、それぞれ、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SNSPD)として構成されるデバイス100aの上面図及び側面図を示す。デバイス100aは、上述のシード層103の任意の構成を使用し得る。
SNSPDデバイス100aは、支持構造102上に配置された少なくとも1つの超伝導ワイヤ108′を含み得る。超伝導ワイヤ108′は、導電性電極120の間に接続され得る。超伝導ワイヤ108′は、支持構造102上で蛇行パターン(例えば、前後平行線状)に配置され得る。幾つかの実施態様では、複数のワイヤ108′が電極120の間に並列に接続され、各ワイヤ108′は、別個のエリア152をカバーするが、装置100aの検出エリア全体をカバーする単一のワイヤ108′だけが存在し得る。更に、多くの他のパターン、例えばジグザグ又は二重らせんが可能である。
支持構造102は、基板124、並びに高屈折率材料及び低屈折率材料で形成された複数対の層を含む分布ブラッグ反射鏡(DBR)126を含む。
SNSPD装置100aは、光子(光ビーム10aによって示される)が、例えば基板124に対して垂直入射で、装置100aの上から接近することによって動作される。SNSPDデバイスの動作原理は、検出されるべき光子がSNPSD上から来て、SNPSD上で光ることである。光子の吸収は、初期の衝突時又はDBRからの反射時のいずれかで、NbNナノワイヤ上にホットスポットを生成し、これにより、臨界温度以上にNbNの温度が上昇し、その結果、ワイヤの一部がもはや超伝導状態にならない。ホットスポットの周りの領域は、電流の密集を経験することがあり、臨界電流密度よりも高い電流密度をもたらし、ワイヤ全体の超伝導状態を乱すことがある。NbNワイヤの超伝導状態から常伝導抵抗状態への変化は、デバイスに電流を流し、電極間の電圧差をモニタすることにより電気的に検出できる。
超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SNSPD)デバイスの別の1つの形態は、基板の表面に略平行な軸に沿って、光子を検出器に入力する導波路を含む。図9A及び図9Bは、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SNSPD)として構成され、導波路138を有するデバイス100bを示している。デバイス100bは、上述されたシード層103の任意の構成を使用し得る。
SNSPDデバイス100bは、支持構造102上に配置された少なくとも1つの超伝導ワイヤ108′を含み得る。(1以上の)超伝導ワイヤ108′は、隣接する線が交互の端部で接続された複数の平行な線を形成するように配置され得る。図9Aは、4つの平行な線を示しているが、デバイスは、2本だけの平行な線、例えばU字形状のワイヤ、又はより多数の線を有し得る。超伝導ワイヤ108′は、導電性電極の間に接続され得る。
支持構造102は、基板134、基板134上の誘電体層136、及び誘電体層136上に配置された導波路138を含み得る。誘電体層102cは、第1の屈折率を有する第1の材料であり、導波路102dは、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する第2の材料である。
光ビーム10bで示される光子は、導波路138を通して、側方から、例えば基板132の上面にほぼ平行に、デバイスの中に注入される。特に、光子は、ワイヤ108′の平行な線に略平行な軸(矢印Aによって示される)に沿って入射し得る。
更に、光伝播の方向を横切る軸に沿って、ワイヤ108′は、導波路138の中心付近に位置付けられ得る。例えば、デバイスの両側で、ワイヤ108′の外縁と導波路138の外縁との間に間隙130が存在し得る。この間隙130は、導波路の全幅の約25~30%の幅を有し得る。
概して、導波路138の下方の誘電体層136及び導波路138の上方の空き空間又は空気は共に導波路138よりも低い屈折率を有するので、導波路138内の光子は全内部反射によって捕捉される。しかし、導波路138とナノワイヤ108′との間の光学的結合のために、光子は、ナノワイヤ108′の中に脱出することができ、したがって、ナノワイヤ108′によって吸収され得る。この種のデバイスでは、光結合効率が非常に高くなる可能性がある。
図9Cを参照すると、導波路138が、適切な金属窒化物、例えば窒化アルミニウムで形成される場合、導波路138の上面は、下部シード層を提供することができ、上部シード層106を形成するように処理することができ、又は、上部シード層106は、導波路108上に直接形成することができ、すなわち別個の下部シード層を堆積させる必要なく、処理することができる。
実施形態のリスト
実施形態1.
超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、基板上に第1の金属の窒化物であるシード層を堆積させること、前記シード層を酸素含有ガス又はプラズマに曝露して、改質されたシード層を形成すること、及び、前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露した後で、前記改質されたシード層上に、異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。
実施形態2.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記シード層を酸素ガスに曝露することを含む、実施形態1に記載の方法。
実施形態3.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記シード層を純酸素ガスに曝露することを含む、実施形態2に記載の方法。
実施形態4.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記シード層を酸素プラズマに曝露することを含む、実施形態1に記載の方法。
実施形態5.
前記改質されたシード層が、前記第1の金属の窒化物である下部シード層、及び、前記第1の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層を含む、実施形態1から4のいずれか1つに記載の方法。
実施形態6.
前記上部シード層が、0.1~1nmの厚さを有する、実施形態5に記載の方法。
実施形態7.
前記基板上に前記シード層を堆積させることが、3~50nmの厚さを有する層を堆積させることを含む、実施形態1から6のいずれか1つに記載の方法。
実施形態8.
前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態1から7いずれか1つに記載の方法。
実施形態9.
前記第1の金属が、アルミニウムである、実施形態1から8のいずれか1つに記載の方法。
実施形態10.
前記基板の温度を、前記シード層が堆積している第1の温度からより低い第2の温度まで低下させること、及び、前記金属窒化物超伝導層を堆積させるために、前記温度を前記第2の温度よりも高い第3の温度まで上昇させることを含む、実施形態1から9のいずれか1つに記載の方法。
実施形態11.
超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、基板上に第1の金属の窒化物である下部シード層を堆積させること、前記下部シード層上に前記第1の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層を直接堆積させること、及び、前記上部シード層上に、異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。
実施形態12.
前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態11に記載の方法。
実施形態13.
前記第1の金属が、アルミニウムである、実施形態11又は12に記載の方法。
実施形態14.
前記上部シード層を堆積させることが、1~3nmの厚さを有する層を堆積させることを含む、実施形態11から13のいずれか1つに記載の方法。
実施形態15.
前記下部シード層を堆積させること、前記上部シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、減圧を破壊することなく、堆積ツール内で実行される、実施形態11から14のいずれか1つに記載の方法。
実施形態16.
前記下部シード層を堆積させること、前記上部シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、物理的気相堆積プロセスを含む、実施形態11から15のいずれか1つに記載の方法。
実施形態17.
超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、基板上に第1の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層を堆積させること、及び、前記シード層上に、異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。
実施形態18.
前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態17に記載の方法。
実施形態19.
前記第1の金属が、アルミニウムである、実施形態17又は18に記載の方法。
実施形態20.
前記上部シード層を堆積させることが、3~50nmの厚さを有する層を堆積させることを含む、実施形態17から19のいずれか1つに記載の方法。
実施形態21.
前記シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、減圧を破壊することなく、堆積ツール内で実行される、実施形態17から20のいずれか1つに記載の方法。
実施形態22.
前記シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、物理的気相堆積プロセスを含む、実施形態17から21のいずれか1つに記載の方法。
実施形態23.
超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、第1の温度にある基板上に第1の金属の窒化物であるシード層を堆積させること、前記基板の温度を前記第1の温度よりも低い第2の温度に低下させること、前記基板の温度を前記第1の温度よりも高い第3の温度に上昇させて、改質されたシード層を形成すること、及び、前記第3の温度にある前記改質されたシード層上に、異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。
実施形態24.
前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態23に記載の方法。
実施形態25.
前記第1の金属が、アルミニウムである、実施形態23又は24に記載の方法。
実施形態26.
金属窒化物超伝導層を堆積させる前に、前記シード層を酸素含有ガス又はプラズマに曝露することを含む、実施形態23から25のいずれか1つに記載の方法。
実施形態27.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記第2の温度にある前記基板を用いて実行される、実施形態26に記載の方法。
実施形態28.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記第1又は第3の温度にある前記基板を用いて実行される、実施形態26に記載の方法。
実施形態29.
前記シード層を堆積させることから前記金属窒化物超伝導層を堆積させることまで、前記シード層を無酸素環境内に維持することを含む、実施形態23から25のいずれか1つに記載の方法。
実施形態30.
前記第2の温度が、前記第1の温度よりも少なくとも200℃低い、実施形態23から29のいずれか1つに記載の方法。
実施形態31.
前記第2の温度が室温である、実施形態23から30のいずれか1つに記載の方法。
実施形態1.
超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、基板上に第1の金属の窒化物であるシード層を堆積させること、前記シード層を酸素含有ガス又はプラズマに曝露して、改質されたシード層を形成すること、及び、前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露した後で、前記改質されたシード層上に、異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。
実施形態2.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記シード層を酸素ガスに曝露することを含む、実施形態1に記載の方法。
実施形態3.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記シード層を純酸素ガスに曝露することを含む、実施形態2に記載の方法。
実施形態4.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記シード層を酸素プラズマに曝露することを含む、実施形態1に記載の方法。
実施形態5.
前記改質されたシード層が、前記第1の金属の窒化物である下部シード層、及び、前記第1の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層を含む、実施形態1から4のいずれか1つに記載の方法。
実施形態6.
前記上部シード層が、0.1~1nmの厚さを有する、実施形態5に記載の方法。
実施形態7.
前記基板上に前記シード層を堆積させることが、3~50nmの厚さを有する層を堆積させることを含む、実施形態1から6のいずれか1つに記載の方法。
実施形態8.
前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態1から7いずれか1つに記載の方法。
実施形態9.
前記第1の金属が、アルミニウムである、実施形態1から8のいずれか1つに記載の方法。
実施形態10.
前記基板の温度を、前記シード層が堆積している第1の温度からより低い第2の温度まで低下させること、及び、前記金属窒化物超伝導層を堆積させるために、前記温度を前記第2の温度よりも高い第3の温度まで上昇させることを含む、実施形態1から9のいずれか1つに記載の方法。
実施形態11.
超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、基板上に第1の金属の窒化物である下部シード層を堆積させること、前記下部シード層上に前記第1の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層を直接堆積させること、及び、前記上部シード層上に、異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。
実施形態12.
前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態11に記載の方法。
実施形態13.
前記第1の金属が、アルミニウムである、実施形態11又は12に記載の方法。
実施形態14.
前記上部シード層を堆積させることが、1~3nmの厚さを有する層を堆積させることを含む、実施形態11から13のいずれか1つに記載の方法。
実施形態15.
前記下部シード層を堆積させること、前記上部シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、減圧を破壊することなく、堆積ツール内で実行される、実施形態11から14のいずれか1つに記載の方法。
実施形態16.
前記下部シード層を堆積させること、前記上部シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、物理的気相堆積プロセスを含む、実施形態11から15のいずれか1つに記載の方法。
実施形態17.
超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、基板上に第1の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層を堆積させること、及び、前記シード層上に、異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。
実施形態18.
前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態17に記載の方法。
実施形態19.
前記第1の金属が、アルミニウムである、実施形態17又は18に記載の方法。
実施形態20.
前記上部シード層を堆積させることが、3~50nmの厚さを有する層を堆積させることを含む、実施形態17から19のいずれか1つに記載の方法。
実施形態21.
前記シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、減圧を破壊することなく、堆積ツール内で実行される、実施形態17から20のいずれか1つに記載の方法。
実施形態22.
前記シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、物理的気相堆積プロセスを含む、実施形態17から21のいずれか1つに記載の方法。
実施形態23.
超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、第1の温度にある基板上に第1の金属の窒化物であるシード層を堆積させること、前記基板の温度を前記第1の温度よりも低い第2の温度に低下させること、前記基板の温度を前記第1の温度よりも高い第3の温度に上昇させて、改質されたシード層を形成すること、及び、前記第3の温度にある前記改質されたシード層上に、異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。
実施形態24.
前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態23に記載の方法。
実施形態25.
前記第1の金属が、アルミニウムである、実施形態23又は24に記載の方法。
実施形態26.
金属窒化物超伝導層を堆積させる前に、前記シード層を酸素含有ガス又はプラズマに曝露することを含む、実施形態23から25のいずれか1つに記載の方法。
実施形態27.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記第2の温度にある前記基板を用いて実行される、実施形態26に記載の方法。
実施形態28.
前記シード層を前記酸素含有ガス又はプラズマに曝露することが、前記第1又は第3の温度にある前記基板を用いて実行される、実施形態26に記載の方法。
実施形態29.
前記シード層を堆積させることから前記金属窒化物超伝導層を堆積させることまで、前記シード層を無酸素環境内に維持することを含む、実施形態23から25のいずれか1つに記載の方法。
実施形態30.
前記第2の温度が、前記第1の温度よりも少なくとも200℃低い、実施形態23から29のいずれか1つに記載の方法。
実施形態31.
前記第2の温度が室温である、実施形態23から30のいずれか1つに記載の方法。
特定の実施態様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、他の更なる実装が考案され得る。一実施形態の要素及び特徴は、追加の記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられている。ただし、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 (20)
- 超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、
基板の上に第1の金属の窒化物であるシード層を直接堆積させること、ここで前記基板は誘電体材料又は半導体材料であり、
前記シード層を酸素含有ガス又は酸素含有プラズマに曝露して、改質されたシード層を形成すること、及び
前記シード層を前記酸素含有ガス又は前記酸素含有プラズマに曝露した後で、前記改質されたシード層上に、前記第1の金属とは異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。 - 前記シード層を前記酸素含有ガス又は前記酸素含有プラズマに曝露することが、前記シード層を酸素ガス又は酸素プラズマに曝露することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記改質されたシード層が、前記第1の金属の窒化物である下部シード層、及び、前記第1の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンであり、前記第1の金属が、アルミニウムである、請求項1に記載の方法。
- 超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、
基板上に第1の金属の窒化物である下部シード層を堆積させること、
前記下部シード層上に前記第1の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層を直接堆積させること、及び
前記上部シード層上に、前記第1の金属とは異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。 - 前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンであり、前記第1の金属が、アルミニウムである、請求項5に記載の方法。
- 前記下部シード層を堆積させること、前記上部シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、減圧を破壊することなく、堆積ツール内で実行される、請求項5に記載の方法。
- 前記下部シード層を堆積させること、前記上部シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、物理的気相堆積プロセスを含む、請求項5に記載の方法。
- 超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、
基板の上に第1の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層を直接堆積させること、ここで前記基板は誘電体材料又は半導体材料であり、及び
前記シード層上に、前記第1の金属とは異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。 - 前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンであり、前記第1の金属が、アルミニウムである、請求項9に記載の方法。
- 前記シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、減圧を破壊することなく、堆積ツール内で実行される、請求項9に記載の方法。
- 前記シード層を堆積させること、及び前記金属窒化物超伝導層を堆積させることが、物理的気相堆積プロセスを含む、請求項9に記載の方法。
- 超伝導層を含むデバイスを製造する方法であって、
第1の温度にある基板上に第1の金属の窒化物であるシード層を堆積させること、
前記基板の温度を前記第1の温度よりも低い第2の温度に低下させること、
前記基板の温度を前記第1の温度よりも高い第3の温度に上昇させて、改質されたシード層を形成すること、及び
前記第3の温度にある前記改質されたシード層上に、前記第1の金属とは異なる第2の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を直接堆積させることを含む、方法。 - 前記第2の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンであり、前記第1の金属が、アルミニウムである、請求項13に記載の方法。
- 金属窒化物超伝導層を堆積させる前に、前記シード層を酸素含有ガス又は酸素含有プラズマに曝露することを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記シード層を前記酸素含有ガス又は前記酸素含有プラズマに曝露することが、前記第2の温度にある前記基板を用いて実行される、請求項15に記載の方法。
- 前記シード層を前記酸素含有ガス又は前記酸素含有プラズマに曝露することが、前記第1の温度又は前記第3の温度にある前記基板を用いて実行される、請求項15に記載の方法。
- 前記シード層を堆積させることから前記金属窒化物超伝導層を堆積させることまで、前記シード層を無酸素環境内に維持することを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記第2の温度が、前記第1の温度よりも少なくとも200℃低い、請求項13に記載の方法。
- 前記第2の温度が室温である、請求項19に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US202062980101P | 2020-02-21 | 2020-02-21 | |
US62/980,101 | 2020-02-21 | ||
PCT/US2021/018417 WO2021168010A1 (en) | 2020-02-21 | 2021-02-17 | Method of making high critical temperature metal nitride layer |
Publications (2)
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---|---|
JP2023514370A JP2023514370A (ja) | 2023-04-05 |
JP7515603B2 true JP7515603B2 (ja) | 2024-07-12 |
Family
ID=
Citations (1)
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---|---|---|---|---|
JP2016213363A (ja) | 2015-05-12 | 2016-12-15 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 | 超伝導トンネル接合素子の形成方法 |
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016213363A (ja) | 2015-05-12 | 2016-12-15 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 | 超伝導トンネル接合素子の形成方法 |
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