RU2593647C1 - Method of making devices with thin-film superconducting transitions - Google Patents
Method of making devices with thin-film superconducting transitions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2593647C1 RU2593647C1 RU2015121813/28A RU2015121813A RU2593647C1 RU 2593647 C1 RU2593647 C1 RU 2593647C1 RU 2015121813/28 A RU2015121813/28 A RU 2015121813/28A RU 2015121813 A RU2015121813 A RU 2015121813A RU 2593647 C1 RU2593647 C1 RU 2593647C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer structure
- layer
- thickness
- film
- resist
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 23
- 230000007704 transition Effects 0.000 title abstract description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 48
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract 5
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 36
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 16
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 16
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 12
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 12
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 5
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims 4
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 23
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 10
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 8
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 6
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 5
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000002048 anodisation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- 229920001486 SU-8 photoresist Polymers 0.000 description 1
- 241000384008 Sisis Species 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CQNOQLRWWTUXPH-UHFFFAOYSA-N [Al+3].[O-2].[Ti+4].[Ti+4] Chemical compound [Al+3].[O-2].[Ti+4].[Ti+4] CQNOQLRWWTUXPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical group [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности, к изготовлению сверхпроводниковых туннельных переходов, джозефсоновских переходов, структур типа сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС и СИСИС), структур сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН и СИНИС), болометров на холодных электронах, Андреевских интерферометров.The invention relates to the field of superconducting microelectronics, in particular, to the manufacture of superconducting tunnel junctions, Josephson junctions, structures such as superconductor - insulator - superconductor (SIS and SISIS), superconductor - insulator structures - normal metal (SIN and SINIS), cold electron bolometers, Andreevsky interferometers.
Известен способ-аналог: изготовление СИС туннельного перехода с разрывом вакуума [1]. По этому способу т.н. раздельной технологии выполняют следующие операции: выполняют обратную литографию, наносят первый слой металла, взрывают фоторезист, делают вторую литографию, чистку, окисление, нанесение верхней пленки металла, взрыв резиста. Недостатком аналога является низкое качество туннельного барьера за счет разрыва вакуума перед нанесением верхнего слоя туннельного перехода и необходимость проведения как минимум двух операций фото- или электронной литографии с необходимостью совмещения слоев.A known analogue method: the manufacture of SIS tunnel junction with a vacuum break [1]. In this way, the so-called Separate technology perform the following operations: perform reverse lithography, apply the first layer of metal, explode the photoresist, do the second lithography, clean, oxidize, apply the upper metal film, resist explosion. The disadvantage of the analogue is the low quality of the tunnel barrier due to the breaking of the vacuum before applying the upper layer of the tunnel junction and the need for at least two operations of photo or electronic lithography with the need to combine the layers.
Известен способ-аналог:A known analogue method:
изготовление сверхпроводниковых туннельных переходов и одноэлектронных транзисторов теневым напылением под двумя углами через подвешенную маску из электронного резиста для уменьшения количества этапов литографии. Метод теневого напыления под разными углами через подвешенную двухслойную маску, сформированную с помощью электронно-лучевой литографии, впервые был предложен в 1977 году G.J. Dolan [2]. В этой технологии двухслойная маска используется для напыления под разными углами двух слоев металла и формирования трехслойной структуры сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник. Окисление нижнего слоя алюминия в процессе изготовления позволяет получить, в частности, джозефсоновские туннельные переходы высокого качества. В случае, если нижний слой представляет собой нормальный металл, а верхний напыляют без окисления, образуется т.н. андреевский контакт. По этой методике можно изготавливать переходы размером 0.1 мкм и меньше.fabrication of superconducting tunnel junctions and single-electron transistors by shadow spraying at two angles through a suspended mask from an electronic resist to reduce the number of lithography steps. The method of shadow spraying at different angles through a suspended two-layer mask formed using electron beam lithography was first proposed in 1977 by G.J. Dolan [2]. In this technology, a two-layer mask is used to spray two layers of metal at different angles and form a three-layer structure of a superconductor - insulator - superconductor. Oxidation of the lower layer of aluminum in the manufacturing process allows, in particular, to obtain high quality Josephson tunnel junctions. If the lower layer is a normal metal, and the upper layer is sprayed without oxidation, a so-called Andreevsky contact. Using this technique, it is possible to produce transitions with a size of 0.1 μm or less.
Метод позволяет обойтись одним этапом литографии вместо двух как в предыдущем случае.The method allows you to get by with one stage of lithography instead of two as in the previous case.
Известен способ-прототип:A known prototype method:
технология изготовления СИС трехслойной структуры Гурвича, которая формируется без разрыва вакуума через окно в фоторезисте [3]. Это наиболее распространенная технология получения высококачественных туннельных переходов напылением без разрыва вакуума, в которой после напыления первого слоя металла производят его оксидирование в той же камере в атмосфере кислорода при определенном давлении, затем продолжают откачку и наносят второй слой пленки металла. Существенным усложнением является необходимость дополнительного анодного окисления торцов пленок ниобия для устранения закороток на краях пленок. Также недостатком является необходимость напылять достаточно толстые пленки последующих слоев металлов, чтобы избежать разрывов на краях предыдущих слоев. Этот способ достаточно хорошо зарекомендовал себя при изготовлении ниобиевых переходов, однако неприменим для алюминиевых структур, поскольку стандартные фоторезисты проявляются в щелочных проявителях, растворяющих алюминий.the manufacturing technology of the SIS of the three-layer Gurvich structure, which is formed without breaking the vacuum through the window in the photoresist [3]. This is the most common technology for producing high-quality tunnel junctions by spraying without breaking the vacuum, in which, after spraying the first metal layer, it is oxidized in the same chamber in an oxygen atmosphere at a certain pressure, then pumping is continued and a second layer of the metal film is applied. A significant complication is the need for additional anodic oxidation of the ends of the niobium films to eliminate short circuits at the edges of the films. Another disadvantage is the need to spray sufficiently thick films of subsequent layers of metals to avoid tearing at the edges of previous layers. This method has proven itself quite well in the manufacture of niobium transitions, but is not applicable to aluminum structures, since standard photoresists appear in alkaline developers dissolving aluminum.
Для формирования туннельных переходов по способу-прототипуFor the formation of tunnel junctions by the prototype method
1) наносят без разрыва вакуума на всю подложку трехслойную структуру, состоящую из нижнего слоя сверхпроводника, обычно ниобия, тонкого слоя алюминия, который затем окисляют для формирования туннельного барьера толщиной 1-1.2 нм, верхнего слоя сверхпроводника, обычно ниобия,1) a three-layer structure consisting of a lower layer of a superconductor, usually niobium, a thin layer of aluminum, which is then oxidized to form a tunnel barrier 1-1.2 nm thick, an upper layer of a superconductor, usually niobium, is applied without breaking the vacuum to the entire substrate,
2) наносят слой фоторезиста и запекают его,2) apply a layer of photoresist and bake it,
3) проводят экспозицию с использованием фотолитографии для формирования нижнего электрода,3) conduct exposure using photolithography to form the lower electrode,
4) проявляют резист,4) show resistance
5) селективно химически стравливают всю трехслойную структуру вне области нижнего электрода),5) selectively chemically etch the entire three-layer structure outside the region of the lower electrode),
6) проводят вторую литографию для формирования области туннельного перехода аналогично пп. 2, 3, 4,6) conduct a second lithography to form a tunnel junction region similarly to paragraphs. 2, 3, 4,
7) проводят селективное травление верхнего слоя ниобия,7) conduct selective etching of the upper layer of niobium,
8) проводят анодное оксидирование открытых торцов пленок ниобия,8) conduct anodic oxidation of the open ends of the niobium films,
9) формируют соединительные проводники к верхнему электроду в третьем слое литографии с нанесением пленки проводников и ее удалением вне экспонированной области методом взрыва (обратная литография).9) form the connecting conductors to the upper electrode in the third layer of lithography with the deposition of a film of conductors and its removal outside the exposed area by the explosion method (reverse lithography).
Технология создания высококачественных туннельных переходов требуется для одноэлектронных устройств [4], для электронных охладителей структуры сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН) [5], СИНИС болометров на холодных электронах [6], использующих прямое электронное охлаждение абсорбера. Для применений, использующих электронное охлаждение, требуются переходы относительно большой площади, тогда как классическая технология теневого напыления по способу-аналогу ограничена площадью перехода менее 1 мкм2, что определяется перехлестом напыляемых пленок, расположенных под подвешенным мостиком из фоторезиста. Также для болометров и охладителей требуется наносить слой нормального металла малой толщины, что противоречит требованию увеличения толщины последующих слоев для классической планарной технологии с целью избегания разрывов пленок последующих слоев.The technology for creating high-quality tunnel junctions is required for single-electron devices [4], for electronic coolers of the superconductor – insulator – normal metal (SIN) structure [5], and SINIS cold electron bolometers [6] using direct electronic cooling of the absorber. For applications using electronic cooling, transitions of a relatively large area are required, while the classical technology of shadow spraying by the analogous method is limited to a transition area of less than 1 μm 2 , which is determined by the overlap of the sprayed films located under a suspended bridge from photoresist. Also, for bolometers and coolers it is required to apply a layer of normal metal of small thickness, which contradicts the requirement to increase the thickness of subsequent layers for classical planar technology in order to avoid tearing of films of subsequent layers.
Перечисленные приложения в случае серийного промышленного производства требуют применения современных методов магнетронного напыления и оптической литографии для снятия ограничения по площади, устранения паразитных теней, сохранения высокого качества туннельного барьера. Применение модифицированных методов теневого термического напыления в способах-аналогах, например метода изготовления самосовмещенных туннельных переходов большой площади [7, 8], не позволяет получить высокой степени воспроизводимости структур, а сам метод не является технологичным для серийного производства.The listed applications in the case of serial industrial production require the use of modern methods of magnetron sputtering and optical lithography to remove the limitations on area, eliminate stray shadows, and maintain a high quality tunnel barrier. The use of modified methods of shadow thermal spraying in analogous methods, for example, the method of manufacturing self-aligned tunnel junctions of a large area [7, 8], does not allow to obtain a high degree of reproducibility of structures, and the method itself is not technologically advanced for mass production.
Недостатками аналогов являются ограничение площади перехода размером подтрава нижнего слоя резиста, что не позволяет получить туннельные переходы шире 0.2-0.3 мкм, и образование паразитных теней параллельно узкому слою нижнего электрода. Эти недостатки приводят к появлению паразитной шунтирующей емкости и паразитного сопротивления утечки. Недостатком прототипа является то, что в качестве материала абсорбера в СИНИС структурах используется тот же металл, что и для нормального электрода, тогда как для согласования импедансов необходимо иметь возможность варьировать удельное сопротивление абсорбера. Существенным недостатком прототипа является необходимость напылять толстые пленки верхнего нормального металла, что снижает чувствительность болометров и ухудшает характеристики электронного охлаждения.The disadvantages of the analogues are the limitation of the transition area by the size of the undergrowth of the lower resist layer, which does not allow one to obtain tunnel junctions wider than 0.2-0.3 μm, and the formation of spurious shadows parallel to a narrow layer of the lower electrode. These shortcomings lead to the appearance of a parasitic shunt capacitance and parasitic leakage resistance. The disadvantage of the prototype is that as the material of the absorber in the SINIS structures the same metal is used as for the normal electrode, while to match the impedances it is necessary to be able to vary the resistivity of the absorber. A significant disadvantage of the prototype is the need to spray thick films of the upper normal metal, which reduces the sensitivity of bolometers and degrades the characteristics of electronic cooling.
Нами разработан способ изготовления высококачественных тонкопленочных туннельных переходов произвольной площади методом модифицированного трехслойной структуры с последующей планаризацией поверхности.We have developed a method for manufacturing high-quality thin-film tunnel junctions of arbitrary area by the method of a modified three-layer structure with subsequent planarization of the surface.
Целью предлагаемого изобретения является повышение воспроизводимости многоэлементных интегральных сверхпроводниковых схем, формирование произвольной формы высококачественных туннельных переходов, снятие ограничения на форму и площадь переходов, толщину верхнего электрода, снятие ограничения на применение одного металла для различных элементов нормального электрода, устранение паразитных закороток на торцах пленок без дополнительной анодизации структур, планаризация формируемой структуры, устранение ограничения на уменьшение толщины верхнего электрода.The aim of the invention is to increase the reproducibility of multi-element integrated superconducting circuits, the formation of an arbitrary shape of high-quality tunnel junctions, removing restrictions on the shape and area of junctions, the thickness of the upper electrode, removing restrictions on the use of one metal for various elements of a normal electrode, eliminating spurious shorts at the ends of the films without additional anodization of structures, planarization of the formed structure, elimination of the restriction on reduction Thickness upper electrode.
Сущность изобретения поясняется чертежом на Фиг. 1, где приведено сечение слоев тонких пленок в последовательности их нанесения:The invention is illustrated by the drawing in FIG. 1, which shows the cross section of the layers of thin films in the sequence of their deposition:
A. Подложка (1) и слой соединительных проводников (2).A. Substrate (1) and layer of connecting conductors (2).
B. То же, и трехслойная структура (3) после травления через маску фоторезиста.B. The same three-layer structure (3) after etching through a photoresist mask.
C. То же, с дополнительным слоем изолятора (4) для планаризации структуры.C. The same, with an additional layer of insulator (4) for planarization of the structure.
D. То же, с тонкопленочной перемычкой (5) между верхними электродами.D. The same, with a thin-film jumper (5) between the upper electrodes.
Предлагаемый способ изготовления устройств по п. 1 формулы изобретения с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами структуры сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН) и сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС), состоящими из двух слоев металла, разделенных туннельным переходом, характеризуется следующей последовательностью операций (см. Фиг. 1A-D):The proposed method for manufacturing devices according to claim 1 of the invention with thin-film superconducting transitions of a superconductor-insulator-normal metal (SIN) and superconductor-insulator-superconductor (SIS) structure consisting of two metal layers separated by a tunnel junction is characterized by the following sequence of operations (see Fig. 1A-D):
1) На подложке (1) поверх сформированных соединительных проводников и контактных площадок (2), (Фиг. 1А) в едином цикле без разрыва вакуума наносят трехслойную структуру (3), состоящую из нижней пленки сверхпроводникового алюминиевого электрода, туннельного барьера толщиной 1-1.2 нм и верхней пленки нормального металла или сверхпроводника, в итоге получают трехслойную структуру сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН) или СИС.1) On a substrate (1) on top of the formed connecting conductors and contact pads (2), (Fig. 1A) in a single cycle without breaking the vacuum, a three-layer structure (3) is applied, consisting of a lower film of a superconducting aluminum electrode, a tunnel barrier 1-1.2 thick nm and the upper film of a normal metal or superconductor, as a result, a three-layer structure of a superconductor - insulator - normal metal (SIN) or SIS is obtained.
2) Наносят фоторезист и запекают его для последующего формирования маски диэлектрика.2) Apply a photoresist and bake it for the subsequent formation of the dielectric mask.
3) Проводят экспозицию с использованием фотолитографии с формированием топологии нижнего электрода.3) Carry out exposure using photolithography with the formation of the topology of the lower electrode.
4) Проявляют резист.4) Resist.
5) Проводят сквозное ионное травление всей трехслойной структуры (Фиг. 1В).5) Conduct through ion etching of the entire three-layer structure (Fig. 1B).
6) В открытые области наносят слой изолятора (4) толщиной, равной толщине удаленной трехслойной структуры.6) In the open areas, a layer of insulator (4) is applied with a thickness equal to the thickness of the removed three-layer structure.
7. Взрывают резист в ацетоне для удаления пленки изолятора, лежащих поверх области переходов (Фиг. 1С).7. Blow up the resist in acetone to remove the insulator film lying on top of the transition area (Fig. 1C).
8. Дополнительным этапом обратной (взрывной) фотолитографии и магнетронным распылением формируют перемычку из тонкой пленки нормального металла (5), в том числе другого, или сверхпроводника, в том числе другого, соединяющую верхние электроды туннельных переходов (Фиг. 1D). Толщина этой пленки нормального металла может быть существенно тоньше предыдущих слоев, менее 10 нм.8. An additional step of reverse (explosive) photolithography and magnetron sputtering forms a jumper from a thin film of normal metal (5), including another, or a superconductor, including another, connecting the upper electrodes of the tunnel junctions (Fig. 1D). The thickness of this film of a normal metal can be significantly thinner than the previous layers, less than 10 nm.
Новым, по сравнению с прототипом, является этап планаризации после травления трехслойной пленочной СИН структуры, с использованием той же фотомаски, что позволяет снизить толщину верхнего электрода СИН структуры менее толщины нижнего электрода, появляется возможность формирования перемычки между двумя СИН переходами из произвольного металла и произвольной толщины, что необходимо для оптимизации параметров болометров, электронных охладителей, смесителей.A new compared to the prototype is the planarization stage after etching of a three-layer film SIN structure using the same photomask, which reduces the thickness of the upper electrode of the SIN structure to less than the thickness of the lower electrode, it is possible to form a jumper between two SIN junctions of an arbitrary metal and an arbitrary thickness , which is necessary to optimize the parameters of bolometers, electronic coolers, mixers.
Предлагаемый способ изготовления устройств по п. 3 формулы изобретения с тонкопленочными сверхпроводниковыми андреевскими переходами структуры сверхпроводник - андреевский контакт - нормальный металл (САН), состоящими из сверхпроводящего и нормального металлов с андреевским контактом между ними, характеризуется следующей последовательностью операций:The proposed method for manufacturing devices according to
1) на подложке (1) поверх сформированных соединительных проводников и контактных площадок (2) (Фиг. 1А) в едином цикле без разрыва вакуума наносят тонкопленочную структуру (3), состоящую из нижнего слоя сверхпроводникового алюминиевого электрода, и пленку верхнего электрода нормального металла (например, палладия или гафния), между которыми образуется андреевский контакт сверхпроводник - нормальный металл, в итоге получают трехслойную структуру сверхпроводник - андреевский контакт - нормальный металл (САН),1) on a substrate (1) on top of the formed connecting conductors and contact pads (2) (Fig. 1A) in a single cycle without breaking the vacuum, a thin-film structure (3) consisting of a lower layer of a superconducting aluminum electrode and a film of the upper electrode of a normal metal ( for example, palladium or hafnium), between which the Andreev contact is formed: superconductor - normal metal, as a result, a three-layer structure is obtained superconductor - Andreev contact - normal metal (SAN),
2) наносят фоторезист и запекают его,2) apply a photoresist and bake it,
3) проводят экспозицию с использованием фото- или электронной литографии с формированием топологии нижнего электрода,3) conduct exposure using photo or electronic lithography with the formation of the topology of the lower electrode,
4) проявляют резист,4) show resistance
5) проводят сквозное травление всей трехслойной структуры (Фиг. 1В),5) conduct through etching of the entire three-layer structure (Fig. 1B),
6) в открытые области наносят слой изолятора (4) толщиной, равной толщине удаленной трехслойной структуры,6) an insulator layer (4) is applied to open areas with a thickness equal to the thickness of the removed three-layer structure,
7) взрывают резист в ацетоне для удаления пленки изолятора, лежащих поверх области переходов (Фиг. 1С),7) explode the resist in acetone to remove the insulator film lying on top of the transition area (Fig. 1C),
8 )формируют перемычку из тонкой пленки нормального металла (5), или сверхпроводника, в том числе другого, соединяющую верхние электроды туннельных переходов (Фиг. 1D). Толщина этой пленки нормального металла может быть существенно тоньше предыдущих слоев, менее 10 нм.8) form a jumper from a thin film of normal metal (5), or a superconductor, including another, connecting the upper electrodes of the tunnel junctions (Fig. 1D). The thickness of this film of a normal metal can be significantly thinner than the previous layers, less than 10 nm.
Новым, по сравнению с прототипом, является этап планаризации после травления трехслойной пленочной САН структуры с использованием той же фотомаски, что позволяет снизить толщину верхнего электрода САН структуры менее толщины нижнего электрода, появляется возможность формирования перемычки между двумя САН переходами из произвольного металла и произвольной толщины, что необходимо для оптимизации параметров болометров и андреевских интерферометров.A new compared to the prototype is the stage of planarization after etching a three-layer film SAN structure using the same photomask, which allows to reduce the thickness of the upper electrode of the SAN structure less than the thickness of the lower electrode, it is possible to form a jumper between two SAN transitions of arbitrary metal and arbitrary thickness, what is needed to optimize the parameters of bolometers and Andreev interferometers.
Предлагаемый способ изготовления устройств по п. 3 формулы изобретения с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами структуры сверхпроводник - полупроводник (супер-Шоттки), состоящими из сверхпроводникового и полупроводникового электродов с барьером Шоттки на границе, характеризуется следующей последовательностью операций:The proposed method for manufacturing devices according to
1) на подложке (1) поверх сформированных соединительных проводников и контактных площадок (2) (Фиг. 1А), в едином цикле без разрыва вакуума наносят тонкопленочную структуру (3), состоящую из нижнего слоя сверхпроводникового алюминиевого электрода, и верхнего полупроводникового электрода, между которыми формируется область с барьером Шоттки, в итоге получают трехслойную структуру сверхпроводник - барьер Шоттки - полупроводник СШП,1) on a substrate (1) over the formed connecting conductors and contact pads (2) (Fig. 1A), in a single cycle without breaking the vacuum, a thin-film structure (3) is applied, consisting of a lower layer of a superconducting aluminum electrode and an upper semiconductor electrode, between by which a region with a Schottky barrier is formed, as a result, a three-layer structure is obtained: superconductor - Schottky barrier - UWB semiconductor,
2) наносят фоторезист и запекают его,2) apply a photoresist and bake it,
3) проводят экспозицию с использованием фото- или электронной литографии с формированием топологии нижнего электрода,3) conduct exposure using photo or electronic lithography with the formation of the topology of the lower electrode,
4) проявляют резист,4) show resistance
5) проводят сквозное травление всей трехслойной СШП структуры (Фиг. 1В),5) conduct through etching of the entire three-layer UWB structure (Fig. 1B),
6) в открытые области наносят слой диэлектрика (4) толщиной, равной толщине удаленной трехслойной структуры,6) a dielectric layer (4) is applied to open areas with a thickness equal to the thickness of the removed three-layer structure,
7) взрывают резист в ацетоне для удаления пленки изолятора, лежащих поверх области переходов (Фиг. 1С),7) explode the resist in acetone to remove the insulator film lying on top of the transition area (Fig. 1C),
8) формируют перемычку из тонкой пленки нормального металла (5), в том числе другого, или сверхпроводника, в том числе другого, соединяющую верхние электроды туннельных переходов (Фиг. 1D). Толщина этой пленки нормального металла может быть существенно тоньше предыдущих слоев, менее 10 нм.8) form a jumper from a thin film of normal metal (5), including another, or a superconductor, including another, connecting the upper electrodes of the tunnel junctions (Fig. 1D). The thickness of this film of a normal metal can be significantly thinner than the previous layers, less than 10 nm.
Новым, по сравнению с прототипом, является этап планаризации после травления трехслойной пленочной СШП структуры, с использованием той же фотомаски, что позволяет снизить толщину верхнего электрода СШП структуры менее толщины нижнего электрода, появляется возможность формирования перемычки между двумя СШП переходами из произвольного металла и произвольной толщины, что необходимо для оптимизации параметров болометров, электронных охладителей, смесителей.A new compared to the prototype is the stage of planarization after etching a three-layer UWB film structure using the same photomask, which allows to reduce the thickness of the upper UWB electrode of the structure less than the thickness of the lower electrode, it is possible to form a jumper between two UWB junctions of arbitrary metal and arbitrary thickness , which is necessary to optimize the parameters of bolometers, electronic coolers, mixers.
Предлагаемый способ изготовления устройств по п. 4 формулы изобретения с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами структуры сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН) и сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС), состоящими из двух слоев металла, разделенных туннельным переходом, характеризуется следующей последовательностью операций:The proposed method for manufacturing devices according to
1) на подложке (1) поверх сформированных соединительных проводников и контактных площадок (2) (Фиг. 1А) наносят резист, запекают, экспонируют, проявляют для получения рисунка нижнего электрода,1) on the substrate (1) on top of the formed connecting conductors and contact pads (2) (Fig. 1A), a resist is applied, baked, exposed, developed to obtain a lower electrode pattern,
2) в едином цикле без разрыва вакуума наносят трехслойную структуру (3), состоящую из нижнего слоя сверхпроводникового алюминиевого электрода, туннельного барьера толщиной 1-1.2 нм и пленки верхнего электрода нормального металла или сверхпроводника, в итоге получают трехслойную структуру сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН) или СИС,2) in a single cycle without breaking the vacuum, a three-layer structure is applied (3), consisting of a lower layer of a superconducting aluminum electrode, a tunnel barrier 1-1.2 nm thick and a film of the upper electrode of a normal metal or superconductor, as a result, a three-layer structure is obtained: superconductor - insulator - normal metal (BLU) or ICU,
3) взрывают резист с удалением трехслойной структуры вне области нижнего электрода (Фиг. 1В),3) explode the resist with the removal of the three-layer structure outside the region of the lower electrode (Fig. 1B),
4) наносят резист и проводят экспозицию с освещением через обратную сторону прозрачной подложки (либо засветку негативного резиста со стороны резиста),4) apply a resist and conduct exposure with illumination through the back of a transparent substrate (or exposure of a negative resist from the side of the resist),
5) проявляют резист, который остается в областях, покрытых пленками, и отсутствует в промежутках,5) exhibit a resist that remains in the areas covered by the films and is absent in the gaps,
6) проводят напыление изолятора (4) толщиной, равной толщине трехслойной структуры, для планаризации поверхности между пленками,6) conduct the deposition of the insulator (4) with a thickness equal to the thickness of the three-layer structure, to planarize the surface between the films,
7) взрывают резист с удалением изолятора из областей поверх металлических пленок (Фиг. 1С),7) explode the resist with the removal of the insulator from the areas on top of the metal films (Fig. 1C),
8) проводят последний этап литографии с напылением резистивного мостика (5) между туннельными СИН переходами (Фиг. 1D). Толщина этой пленки нормального металла может быть существенно тоньше предыдущих слоев, менее 10 нм.8) carry out the last stage of lithography with the deposition of a resistive bridge (5) between the tunnel SIN junctions (Fig. 1D). The thickness of this film of a normal metal can be significantly thinner than the previous layers, less than 10 nm.
Новым, по сравнению с прототипом, является этап планаризации после травления трехслойной пленочной СИН структуры, с использованием самосовмещенной фотомаски, что позволяет снизить толщину верхнего электрода СИН структуры менее толщины нижнего электрода, появляется возможность формирования перемычки между двумя СИН переходами из произвольного металла и произвольной толщины, что необходимо для оптимизации параметров болометров, электронных охладителей, смесителей.A new compared to the prototype is the planarization stage after etching of a three-layer film SIN structure using a self-aligning photomask, which reduces the thickness of the upper electrode of the SIN structure less than the thickness of the lower electrode, it is possible to form a jumper between two SIN junctions of an arbitrary metal and arbitrary thickness, what is needed to optimize the parameters of bolometers, electronic coolers, mixers.
Физический механизм достижения целей изобретения заключается в применении планаризации рельефа поверхности после нанесения трехслойной структуры, применении оптической литографии вместо электронной и магнетронного распыления вместо термического напыления. В способе-прототипе туннельные переходы требуют дополнительной анодизации для формирования окисла на торцах, имеют большую паразитную емкость подводящих проводников, не позволяют существенно уменьшать толщину верхней пленки абсорбера, а в предлагаемом способе за счет выбора материалов сверхпроводника и нормального металла и применения планаризации пленкой диэлектрика удается избавиться от необходимости анодизации, уменьшить паразитную емкость верхнего электрода, сократить объем абсорбера за счет уменьшения толщины пленки верхнего электрода. Перемычка между туннельными переходами может быть выполнена из другого материала, отличающегося от верхнего электрода трехслойной структуры. Для исключения операции травления трехслойной структуры в качестве второго варианта, вместо прямой литографии после нанесения трехслойной структуры, проводят обратную литографию с нанесением резиста, его экспозицией и проявлением до нанесения трехслойной структуры (п. 4 формулы изобретения). Затем проводят обратную литографию (взрыв резиста), после чего наносят новый слой резиста, экспонируют через обратную сторону прозрачной подложки, либо со стороны резиста, проявляют и наносят слой диэлектрика для планаризации.The physical mechanism for achieving the objectives of the invention is to apply planarization of the surface topography after applying a three-layer structure, using optical lithography instead of electron and magnetron sputtering instead of thermal spraying. In the prototype method, the tunnel junctions require additional anodization for the formation of oxide at the ends, have a large parasitic capacitance of the lead-in conductors, do not significantly reduce the thickness of the upper absorber film, and in the proposed method, it is possible to get rid of the superconductor and normal metal materials and the use of planarization by a dielectric film from the need for anodization, reduce the parasitic capacitance of the upper electrode, reduce the volume of the absorber by reducing the thickness of the film of the upper on the electrode. The jumper between the tunnel junctions can be made of another material that is different from the top electrode of the three-layer structure. To exclude the operation of etching a three-layer structure as a second option, instead of direct lithography after applying a three-layer structure, reverse lithography is carried out with a resist applied, its exposure and development before applying a three-layer structure (claim 4). Then, reverse lithography (explosion of the resist) is carried out, after which a new resist layer is applied, exposed through the back side of the transparent substrate, or from the resist side, the dielectric layer is developed and applied for planarization.
У авторов изобретения имеется положительный опыт изготовления описанных структур по п. 1 формулы изобретения. Были изготовлены СИНИС структуры с нижним алюминиевым электродом толщиной 50 нм, туннельным барьером толщиной 1-2 нм и верхним палладиевым электродом толщиной 10 нм. Особенностью технологии является применение специфического фоторезиста SU8, для которого используется бесщелочной проявитель, что позволяет избежать паразитного химического травления нижнего алюминиевого электрода в процессе проявления фоторезиста. У авторов имеется успешный опыт изготовления переходов с барьером Шоттки, который формируется на основе окисла титана в переходах титан - оксид титана - алюминий. У авторов имеется успешный опыт изготовления андреевских контактов по приведенной технологии в случае применения трехслойной САН структуры палладий - андреевский контакт - алюминий.The inventors have positive experience in the manufacture of the described structures according to claim 1. SINIS structures with a lower aluminum electrode 50 nm thick, a tunnel barrier 1-2 nm thick and an upper palladium electrode 10 nm thick were fabricated. A feature of the technology is the use of a specific SU8 photoresist, for which an alkaline-free developer is used, which avoids parasitic chemical etching of the lower aluminum electrode during the development of the photoresist. The authors have successful experience in the manufacture of transitions with a Schottky barrier, which is formed on the basis of titanium oxide in the transitions titanium - titanium oxide - aluminum. The authors have successful experience in manufacturing Andreev contacts using the above technology in the case of using a three-layer SAN structure of palladium - Andreev contact - aluminum.
Технический результат предлагаемого решения состоит в достижении поставленных целей: повышении воспроизводимости, снижении трудоемкости и времени изготовления структур, увеличении площади туннельных переходов более 1 мкм2 при снижении толщины верхнего электрода и перемычки абсорбера менее толщины нижнего электрода, снятии ограничения на форму переходов, устранении паразитных теней, устранении паразитных шунтирующих емкостей и сопротивлений утечки, уменьшении количества технологических ступеней литографии.The technical result of the proposed solution is to achieve the goals: increase reproducibility, reduce the complexity and time of fabrication of structures, increase the area of tunnel junctions more than 1 μm 2 while reducing the thickness of the upper electrode and the absorber bridge less than the thickness of the lower electrode, removing restrictions on the shape of junctions, eliminating spurious shadows eliminating spurious bypass capacitance and leakage resistance, reducing the number of technological stages of lithography.
ЛитератураLiterature
1. Лапир Г.М., Комаровских Н.И., Электронная промышленность, №6, 64, 1973.1. Lapir G.M., Komarovskikh N.I., Electronic industry, No. 6, 64, 1973.
2. G.J. Dolan, Offset masks for lift-off photoprocessing, Appl. Phys. Lett. 31, 337-339 (1977).2. G.J. Dolan, Offset masks for lift-off photoprocessing, Appl. Phys. Lett. 31, 337-339 (1977).
3. W. Rothmund, H. Downar, P. Meisterjahn, et al., NbN-MgO-NbN Josephson junctions prepared by window isolation process, IEEE Trans. Appl. Supercond., v. 3, N 1, pp. 2208-2210 (1993).3. W. Rothmund, H. Downar, P. Meisterjahn, et al., NbN-MgO-NbN Josephson junctions prepared by window isolation process, IEEE Trans. Appl. Supercond., V. 3, N 1, pp. 2208-2210 (1993).
4. L.S. Kuzmin, Yu.V. Nazarov, D.B. Haviland, P. Delsing and T. Claeson. "Coulomb Blocade and Incoherent Tunneling of Cooper Pair in Ultra-Small Junctions Affected by strong Quantum Fluctuations", Phys. Rev. Lett. Vol. 67, 1161 (1991).4. L.S. Kuzmin, Yu.V. Nazarov, D.B. Haviland, P. Delsing and T. Claeson. "Coulomb Blocade and Incoherent Tunneling of Cooper Pair in Ultra-Small Junctions Affected by strong Quantum Fluctuations", Phys. Rev. Lett. Vol. 67, 1161 (1991).
5. M. Naum, Т.M. Eiles, and J. Martinis. Electron Microrefrigeration Based on a Normal Metal-Insulator-Superconductor Tunnel Junction.5. M. Naum, T. M. Eiles, and J. Martinis. Electron Microrefrigeration Based on a Normal Metal-Insulator-Superconductor Tunnel Junction.
6. L. Kuzmin D. Golubev, Appl. Phys. Lett.6. L. Kuzmin D. Golubev, Appl. Phys. Lett.
7. United States Patent 6365912, Superconducting tunnel junction device, Booth, Norman Ewart (Oxford, GB), Ullom, Joel Nathan (Cambridge, MA), Nahum, Michael (Cambridge, MA)7. United States Patent 6365912, Superconducting tunnel junction device, Booth, Norman Ewart (Oxford, GB), Ullom, Joel Nathan (Cambridge, MA), Nahum, Michael (Cambridge, MA)
8. United States Patent 6,593,065, Method of fabricating nanometer-scale flow channels and trenches with self-aligned electrodes and the structures formed by the same, Scherer, July 15, 2003.8. United States Patent 6,593,065, Method of fabricating nanometer-scale flow channels and trenches with self-aligned electrodes and the structures formed by the same, Scherer, July 15, 2003.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015121813/28A RU2593647C1 (en) | 2015-06-08 | 2015-06-08 | Method of making devices with thin-film superconducting transitions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015121813/28A RU2593647C1 (en) | 2015-06-08 | 2015-06-08 | Method of making devices with thin-film superconducting transitions |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2593647C1 true RU2593647C1 (en) | 2016-08-10 |
Family
ID=56613309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015121813/28A RU2593647C1 (en) | 2015-06-08 | 2015-06-08 | Method of making devices with thin-film superconducting transitions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2593647C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733330C1 (en) * | 2019-07-22 | 2020-10-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method of making devices with thin-film tunnel junctions |
| RU2757762C1 (en) * | 2021-03-30 | 2021-10-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method for manufacturing thin-film tunnel junctions by the method of separate lithography |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4536781A (en) * | 1983-02-22 | 1985-08-20 | Sperry Corporation | Fabrication of superconductive tunneling junction resistors and short circuits by ion implantation |
| RU2080693C1 (en) * | 1992-05-19 | 1997-05-27 | Минский радиотехнический институт | Method for generation of film jumpers from high- temperature superconductors |
| US6365912B1 (en) * | 1998-06-17 | 2002-04-02 | Isis Innovation Limited | Superconducting tunnel junction device |
| RU2442246C1 (en) * | 2010-06-29 | 2012-02-10 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | The method of production of devices with thin film superconducting junctions |
| RU2541679C1 (en) * | 2013-07-16 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of superconductive nanoelements manufacturing with tunnel or josephson junctions |
-
2015
- 2015-06-08 RU RU2015121813/28A patent/RU2593647C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4536781A (en) * | 1983-02-22 | 1985-08-20 | Sperry Corporation | Fabrication of superconductive tunneling junction resistors and short circuits by ion implantation |
| RU2080693C1 (en) * | 1992-05-19 | 1997-05-27 | Минский радиотехнический институт | Method for generation of film jumpers from high- temperature superconductors |
| US6365912B1 (en) * | 1998-06-17 | 2002-04-02 | Isis Innovation Limited | Superconducting tunnel junction device |
| RU2442246C1 (en) * | 2010-06-29 | 2012-02-10 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | The method of production of devices with thin film superconducting junctions |
| RU2541679C1 (en) * | 2013-07-16 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of superconductive nanoelements manufacturing with tunnel or josephson junctions |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733330C1 (en) * | 2019-07-22 | 2020-10-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method of making devices with thin-film tunnel junctions |
| RU2757762C1 (en) * | 2021-03-30 | 2021-10-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method for manufacturing thin-film tunnel junctions by the method of separate lithography |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7171705B2 (en) | Fabrication of devices using multilayer stacks | |
| RU2593647C1 (en) | Method of making devices with thin-film superconducting transitions | |
| US8324037B1 (en) | Fabrication methods for HEMT devices and circuits on compound semiconductor materials | |
| WO2019041858A1 (en) | Etching method, method for manufacturing thin film transistor, processing equipment, and display device | |
| JPS6161280B2 (en) | ||
| RU2442246C1 (en) | The method of production of devices with thin film superconducting junctions | |
| RU2632630C1 (en) | Method of devices with floppy microbridges manufacture | |
| US20200194572A1 (en) | ARRAY SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUFACTURING ARRAY SUBSTRATE (As Amended) | |
| TWI536627B (en) | Method of forming top contact organic thin film transistor with passivation layer | |
| WO2015192504A1 (en) | Array substrate and manufacturing method therefor, display panel and display device | |
| RU2757762C1 (en) | Method for manufacturing thin-film tunnel junctions by the method of separate lithography | |
| RU2733330C1 (en) | Method of making devices with thin-film tunnel junctions | |
| JPS63271958A (en) | Formation of multilayer interconnection | |
| JPH0485829A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
| TWI646586B (en) | Method for manufacturing electrode of semiconductor element | |
| JPS5967675A (en) | Manufacture of josephson integrated circuit device | |
| KR100521700B1 (en) | Method for fabricating T-gate in semiconductor device | |
| TWI548002B (en) | Method of forming top contact organic thin film transistor with buffer layer | |
| JPH08298314A (en) | Nonvolatile semiconductor memory and its manufacture | |
| JPS62163341A (en) | Patterning method for high melting-point metallic film | |
| JPS61216329A (en) | Manufacture of semiconductor device | |
| JP2005158779A (en) | Manufacturing method for semiconductor device | |
| CN108281381A (en) | A kind of preparation method of semiconductor interconnection structure | |
| JPH09162449A (en) | Manufacture of semiconductor-coupled superconductive element | |
| KR20050009518A (en) | Method for forming triple gate of high voltage electrically erasable programmable read only memory device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200609 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210322 |