RU2816118C1 - Method of making tunnel junction with double insulation - Google Patents
Method of making tunnel junction with double insulation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816118C1 RU2816118C1 RU2023132994A RU2023132994A RU2816118C1 RU 2816118 C1 RU2816118 C1 RU 2816118C1 RU 2023132994 A RU2023132994 A RU 2023132994A RU 2023132994 A RU2023132994 A RU 2023132994A RU 2816118 C1 RU2816118 C1 RU 2816118C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- metal
- insulator
- tunnel junction
- tunnel
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 9
- 238000009413 insulation Methods 0.000 title 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 63
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 63
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 16
- 229910017107 AlOx Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 32
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 23
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims description 13
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000002048 anodisation reaction Methods 0.000 abstract description 18
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract description 4
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 4
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 abstract 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 238000006263 metalation reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010407 anodic oxide Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N azanylidyneniobium Chemical compound [Nb]#N CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области тонкопленочной микроэлектроники и может быть использовано при создании интегральных СВЧ схем.The invention relates to the field of thin-film microelectronics and can be used to create integrated microwave circuits.
Известно, что сверхпроводниковые и несверхпроводниковые тонкопленочные туннельные переходы позволяют реализовать высокую нелинейность и малые шумы и находят широкое применение в СВЧ приемных устройствах.It is known that superconducting and non-superconducting thin-film tunnel junctions make it possible to realize high nonlinearity and low noise and are widely used in microwave receiving devices.
Высококачественные джозефсоновские туннельные переходы на основе тугоплавких сверхпроводников и тонких туннельных барьеров из оксида алюминия впервые были предложены М. Гурвичем и подробно описаны в статье [М. Gurvitch, М.А. Washington, Н.А. Huggins, High quality refractory Josephson tunnel junctions utilizing thin aluminum layers, Appl. Phys. Lett. 42(5), pp. 472-474, 1983]. Процесс изготовления включает селективное плазмохимическое травление верхнего слоя ниобия для формирования области туннельного перехода, процесс жидкостной анодизации для защиты от микрозакороток и утечек методом формирования анодного окисла на торцах перехода, и финальным напылением верхнего замыкающего ниобиевого слоя для создания электрического контакта с верхним электродом. Этот процесс остается практически неизменным на протяжении последних 40 лет и позволяет надежно и воспроизводимо изготавливать туннельные переходы. Качество таких переходов обычно характеризуют параметром отношения подщелевого сопротивления к асимптотическому Rj/Rn. Подщелевое сопротивление обычно измеряют при напряжении смещения в районе 2 мВ, где еще не наблюдается гистерезисного вклада сверхпроводящего тока. Более характерным в туннельных переходах сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), будет параметр отношения дифференциального сопротивления при нулевом смещении к асимптотическому сопротивлению. Это отношение описывается простой формулой RR=0.2(T/Tc)0.5exp(1.7Tc/T), т.е. для ниобиевых переходов с подавленным сверхтоком при 4,2 К должно быть 10, а при 3 К - уже 40. На практике эти значения могут оказываться существенно ниже. Недостатком аналога является необходимость проведения процесса создания анодного окисла, что требует дополнительно формировать тонкопленочные мостики для подведения напряжения химической анодизации и последующего стравливания этих мостиков, что может приводить к снижению выхода годных элементов.High-quality Josephson tunnel junctions based on refractory superconductors and thin aluminum oxide tunnel barriers were first proposed by M. Gurvich and described in detail in the article [M. Gurvitch, M.A. Washington, N.A. Huggins, High quality refractory Josephson tunnel junctions utilizing thin aluminum layers, Appl. Phys. Lett. 42(5), pp. 472-474, 1983]. The manufacturing process includes selective plasma-chemical etching of the top niobium layer to form the tunnel junction region, a liquid anodization process to protect against microshorts and leaks by forming an anodic oxide at the ends of the junction, and final sputtering of the top closing niobium layer to create electrical contact with the top electrode. This process has remained virtually unchanged for the past 40 years and allows tunnel junctions to be produced reliably and reproducibly. The quality of such transitions is usually characterized by the parameter of the ratio of the subgap resistance to the asymptotic resistance Rj/Rn. The subgap resistance is usually measured at a bias voltage in the region of 2 mV, where the hysteretic contribution of the superconducting current is not yet observed. More characteristic in superconductor-insulator-normal metal (SIN) tunnel junctions will be the ratio of the differential resistance at zero bias to the asymptotic resistance. This relationship is described by the simple formula RR=0.2(T/T c ) 0.5 exp(1.7T c /T), i.e. for niobium transitions with suppressed supercurrent at 4.2 K it should be 10, and at 3 K it should be 40. In practice, these values can be significantly lower. The disadvantage of the analogue is the need to carry out the process of creating an anodic oxide, which requires additionally forming thin-film bridges to apply the voltage of chemical anodization and subsequent bleeding of these bridges, which can lead to a decrease in the yield of usable elements.
Описаны различные модификации этой технологии (см., например, US 4421785 (A), Sperry corp. - 20.12.1983; ЕР 0476844 (А1), TRW INC, 25.03.1992). Все они включают этап жидкостной анодизации торцов многослойной структуры. При этом на торце верхнего и краях нижнего электрода формируется слой окисла с большой диэлектрической постоянной, что приводит к дополнительной паразитной емкости, а также к возможным утечкам за счет загрязнений в растворе электролита и обработке при атмосфере, также происходит плохо контролируемое окисление торцов верхнего металла перехода, что снижает точность и воспроизводимость размеров туннельного перехода. Наиболее наглядно структура перехода и необходимость изоляции торцов приведена в классической работе [М.М.Т. Dierichs, R.A. Panhuyzen, С.Е. Honingh, M.J. de Boer, T.M. Klapwrjk, Submicron niobium junctions for submillmeter-wave mixers using optical lithography, Appl. Phys. Lett. 62 (7), 774-776, 1993]. Из рис. 2 видно, что без анодного окисла (черный цвет) возможно образование микрозакороток и утечек в туннельном переходе.Various modifications of this technology have been described (see, for example, US 4421785 (A), Sperry corp. - 12/20/1983; EP 0476844 (A1), TRW INC, 03/25/1992). All of them include the stage of liquid anodization of the ends of the multilayer structure. In this case, an oxide layer with a large dielectric constant is formed at the end of the upper and lower electrode, which leads to additional parasitic capacitance, as well as possible leaks due to contamination in the electrolyte solution and treatment in the atmosphere; poorly controlled oxidation of the ends of the upper transition metal also occurs, which reduces the accuracy and reproducibility of the tunnel junction dimensions. The structure of the transition and the need to insulate the ends are most clearly presented in the classic work [M.M.T. Dierichs, R.A. Panhuyzen, S.E. Honingh, M.J. de Boer, T.M. Klapwrjk, Submicron niobium junctions for submillmeter-wave mixers using optical lithography, Appl. Phys. Lett. 62 (7), 774-776, 1993]. From Fig. Figure 2 shows that without anodic oxide (black), the formation of microshorts and leaks in the tunnel junction is possible.
Известна технология изготовления джозефсоновских переходов в сверхпроводящих интегральных схемах, основанная на использовании двухслойной литографической маски для частичного анодирования боковых стенок и базового электрода переходов (US 10109673 (В2), HYPRES INC., 23.10.2018). Интегральная схема содержит: трехслойную структуру джозефсоновского перехода, содержащую нижний Nb сверхпроводящий слой, изолирующий слой AlOx, верхний Nb сверхпроводящий слой. Каждый джозефсоновский переход содержит слой двойного оксида AlOx поверх анодированного NbOx, при этом двойной оксид формируется в камере вакуумного напыления с использованием процесса селективного плазмохимического травления для создания структуры, окружающей каждый переход, и включающий непрерывный слой анодного окисла NbOx, который проходит поверх нижнего Nb электрода и вертикальных боковых стенок верхнего сверхпроводящего слоя, содержит диэлектрический изолирующий слой и верхний Nb сверхпроводящий слой; при этом диэлектрический слой SiO2 нанесен непосредственно поверх верхнего слоя Nb сверхпроводника джозефсоновского перехода. В описании технологического процесса не упоминается необходимость наличия дополнительных проводников для анодизации ниобиевых электродов, а также дополнительного этапа литографии для стравливания таких перемычек в конце процесса.There is a known technology for manufacturing Josephson junctions in superconducting integrated circuits, based on the use of a two-layer lithographic mask for partial anodization of the side walls and the base electrode of the junctions (US 10109673 (B2), HYPRES INC., 10.23.2018). The integrated circuit contains: a three-layer Josephson junction structure containing a lower Nb superconducting layer, an insulating AlOx layer, and an upper Nb superconducting layer. Each Josephson junction contains a layer of AlOx double oxide on top of anodized NbOx, with the double oxide formed in a vacuum deposition chamber using a selective plasma chemical etching process to create a structure surrounding each junction, and including a continuous layer of NbOx anodic oxide that extends over the bottom Nb electrode and vertical side walls of the upper superconducting layer, contains a dielectric insulating layer and an upper Nb superconducting layer; in this case, the dielectric layer of SiO 2 is deposited directly on top of the top Nb layer of the Josephson junction superconductor. The process description does not mention the need for additional conductors to anodize the niobium electrodes, as well as an additional lithography step to bleed off such jumpers at the end of the process.
В патенте RU 2786616 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 22.12.2022 указано на использование сквозной анодизации верхнего слоя алюминия вне СИН перехода при изготовлении гетероструктуры СИС перехода с интегральным СИН шунтированием.In patent RU 2786616 C1, IRE im. V.A. Kotelnikov RAS, 12.22.2022 indicates the use of through anodization of the top layer of aluminum outside the SIN junction in the manufacture of an SIS junction heterostructure with integral SIN shunting.
Описаны способы изготовления различных туннельных переходов без использования анодизации. Так, в конструкции (RU 2593647 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 10.08.2016) за счет выбора материалов сверхпроводника и нормального металла и применения планаризации пленкой диэлектрика удалось избавиться от необходимости анодизации, уменьшить паразитную емкость верхнего электрода, сократить объем абсорбера за счет уменьшения толщины пленки верхнего электрода. В патенте RU 2632630 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 06.10.2017, устранение паразитных закороток на торцах пленок также обеспечивается без дополнительной анодизации структур, однако для другой топологии…Methods for manufacturing various tunnel junctions without the use of anodization are described. Thus, in the design (RU 2593647 C1, IRE named after V.A. Kotelnikov RAS, August 10, 2016), due to the choice of superconductor and normal metal materials and the use of planarization with a dielectric film, it was possible to eliminate the need for anodization, reduce the parasitic capacitance of the upper electrode, and reduce the volume absorber by reducing the film thickness of the upper electrode. In patent RU 2632630 C1, IRE im. V.A. Kotelnikov RAS, 10/06/2017, elimination of parasitic short-circuits at the ends of the films is also ensured without additional anodization of the structures, however, for a different topology...
Наиболее близким по назначению является способ изготовления туннельного перехода без использования анодизации и дополнительных перемычек [J. Wenninger, F. Boussaha, С. Chaumont, В.-K. Tan, G. Yassin, Design of а 240 GHz on-chip dual-polarization receiver for SIS mixer arrays, Supercond. Sci. Technol. 36 (2023) 055012 - прототип]. Способ включает напыление трехслойной структуры Nb/AlOx/Nb (с толщиной 400/10/200), травление через фоторезист области перехода площадью 1,5 мкм2, оставляя открытым на всей остальной площади слой нижнего ниобия толщиной 400 нм, покрытый алюминием с туннельным барьером. После травления поверх того же резиста напыляют первый слой изолятора SiO2 толщиной 200 нм. На третьем этапе наносят второй слой изолятора SiO2 толщиной 200 нм, образующего 6×6 мкм выемку, в середине которой находится СИС переход. Затем напыляют слой электрической разводки толщиной 400 нм. К числу недостатков способа-прототипа следует отнести высокую вероятность утечек и микрозакороток в зазоре между слоем верхнего ниобия и первым слоем изолятора, в который может напыляться металл третьего слоя ниобиевой разводки. Высокая вероятность такого паразитного эффекта объясняется профилем верхнего ниобия после плазмохимического травления. Травление не является полностью анизотропным, поэтому происходит подтравливание пленки и формирование обратного наклона профиля пленки. Этот зазор может частично запыляться материалом третьего слоя ниобия.The closest to the intended purpose is the method of manufacturing a tunnel junction without the use of anodization and additional jumpers [J. Wenninger, F. Boussaha, S. Chaumont, V.-K. Tan, G. Yassin, Design of a 240 GHz on-chip dual-polarization receiver for SIS mixer arrays, Supercond. Sci. Technol. 36 (2023) 055012 - prototype]. The method involves sputtering a three-layer Nb/AlOx/Nb structure (with a thickness of 400/10/200), etching a transition region with an area of 1.5 μm 2 through a photoresist, leaving open over the entire remaining area a layer of lower niobium 400 nm thick, coated with aluminum with a tunnel barrier . After etching, the first layer of SiO 2 insulator with a thickness of 200 nm is sprayed on top of the same resist. At the third stage, a second layer of SiO 2 insulator with a thickness of 200 nm is applied, forming a 6 × 6 μm recess, in the middle of which there is an SIS junction. Then a layer of electrical wiring 400 nm thick is sprayed. The disadvantages of the prototype method include the high probability of leaks and microshorts in the gap between the top niobium layer and the first layer of insulator, into which the metal of the third layer of niobium wiring can be sprayed. The high probability of such a parasitic effect is explained by the profile of the upper niobium after plasma-chemical etching. Etching is not completely anisotropic, so the film is etched and a reverse slope of the film profile is formed. This gap may be partially dusted with material from the third niobium layer.
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы упрощения многоступенчатого процесса изготовления туннельных переходов при сохранении их качества, повышение надежности и воспроизводимости параметров, обеспечение большей компактности за счет устранения перемычек для анодизации, устранение жидкостной анодизации и дополнительного плазмохимического травления для удаления перемычек анодизации.The present invention is aimed at solving the technical problem of simplifying the multi-stage process of manufacturing tunnel junctions while maintaining their quality, increasing the reliability and reproducibility of parameters, ensuring greater compactness by eliminating jumpers for anodization, eliminating liquid anodization and additional plasma-chemical etching to remove anodization jumpers.
Настоящее изобретение направлено на упрощение технологического процесса и повышение качества туннельного переход, для чего предлагается избавиться от процесса анодирования и необходимости для этого наличия закорачивающих служебных перемычек между верхним и нижним электродами, при этом для устранения вероятности паразитного подпыления применить другое соотношение размера туннельного перехода и изолятора.The present invention is aimed at simplifying the technological process and improving the quality of the tunnel junction, for which it is proposed to get rid of the anodizing process and the need for this to have short-circuiting service jumpers between the upper and lower electrodes, while in order to eliminate the possibility of parasitic dust, use a different ratio of the size of the tunnel junction and the insulator.
Наличие второго слоя изолятора позволяет устранить появление микрозакороток на торцах, поскольку все критические области будут дополнительно закрыты первым изолятором. После этого напыляется третий слой ниобия для контакта с верхним электродом СИС перехода.The presence of a second insulator layer makes it possible to eliminate the appearance of microshorts at the ends, since all critical areas will be additionally covered by the first insulator. After this, a third layer of niobium is deposited to contact the upper electrode of the SIS junction.
Патентуемый способ формирования туннельного перехода, включает образование трехслойной структуры туннельного перехода путем нанесения на диэлектрическую подложку первого слоя металла, выполнение туннельного барьера из Al/AlOx на поверхности слоя первого металла, нанесение поверх образованного туннельного барьера слоя второго металла, и слоя третьего металла, контактирующего со слоем второго металла с выполнением электрических контактов,The patented method of forming a tunnel junction includes the formation of a three-layer tunnel junction structure by applying a first metal layer to a dielectric substrate, making an Al/AlOx tunnel barrier on the surface of the first metal layer, applying a second metal layer on top of the formed tunnel barrier, and a third metal layer in contact with a layer of second metal making electrical contacts,
отличающийся тем, чтоcharacterized in that
после образования трехслойной структуры первый металл/Al/AlOx/второй металл и формирования топологии нижнего электрода, методом фотолитографии или прямой электронной литографии формируют в маске резиста, размещенной на слое второго металла, окно диаметром D1, через которое проводят селективное плазмохимическое травление слоя второго металла до стоп-слоя туннельного барьера Al/AlOx, после чего поверх того же резиста проводят напыление слоя первого изолятора SiO2 и удаляют резист вместе с указанным первым изолятором, после чего формируют маску резиста в центре области перехода диаметром D2, выбранным из условия D2 меньше D1, напыляют поверх второй слой изолятора SiO2 и удаляют изолятор с маской резиста, после чего напыляют слой третьего металла для создания электрического контакта.After the formation of a three-layer structure of the first metal/Al/AlOx/second metal and the formation of the topology of the bottom electrode, by photolithography or direct electron lithography, a window with a diameter of D1 is formed in a resist mask placed on the second metal layer, through which selective plasma-chemical etching of the second metal layer is carried out to a stop layer of the Al/AlOx tunnel barrier, after which a layer of the first SiO 2 insulator is sputtered on top of the same resist and the resist is removed along with said first insulator, after which a resist mask is formed in the center of the transition region with a diameter D2, selected from the condition D2 is less than D1, a second layer of SiO 2 insulator is sprayed on top and the insulator with a resist mask is removed, after which a layer of the third metal is sprayed to create an electrical contact.
2. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру сверхпроводник - изолятор-сверхпроводник (СИС), в которой первый и второй слои - сверхпроводники, предпочтительно ниобий или нитрид ниобия, а третий слой представляет собой тот же сверхпроводник, или нормальный металл.2. A method for forming a tunnel junction according to claim 1, characterized in that the tunnel junction has a superconductor-insulator-superconductor (SIS) structure, in which the first and second layers are superconductors, preferably niobium or niobium nitride, and the third layer is the same superconductor, or normal metal.
3. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (НИС), в которой слой первого металла представляет собой нормальный металл, а второй и третий металлы - сверхпроводник, предпочтительно ниобий, либо алюминий.3. The method of forming a tunnel junction according to claim 1, characterized in that the tunnel junction has a normal metal-insulator-superconductor (NIS) structure, in which the first metal layer is a normal metal, and the second and third metals are a superconductor, preferably niobium, or aluminum.
4. Способ формирования туннельного перехода по п. 1, отличающийся тем, что туннельный переход имеет структуру нормальный металл-изолятор-нормальный металл (МИМ), в которой первый, второй и третий слои металла представляют собой нормальный металл.4. The method of forming a tunnel junction according to claim 1, characterized in that the tunnel junction has a normal metal-insulator-normal metal (MIM) structure, in which the first, second and third metal layers are normal metal.
Технический результат - упрощение многоступенчатого процесса изготовления туннельных переходов при сохранении их качества, повышение надежности и воспроизводимости параметров, обеспечение большей компактности за счет устранения перемычек для анодизации, исключение операций самой жидкостной анодизации и дополнительного плазмохимического травления для удаления перемычек анодизации.The technical result is the simplification of the multi-stage process of manufacturing tunnel junctions while maintaining their quality, increasing the reliability and reproducibility of parameters, ensuring greater compactness by eliminating jumpers for anodization, eliminating the operations of liquid anodization itself and additional plasma-chemical etching to remove anodization jumpers.
Существо изобретения поясняется на фигурах, где:The essence of the invention is illustrated in the figures, where:
фиг. 1 - схема технологии образования туннельного перехода;fig. 1 - diagram of the technology for forming a tunnel transition;
фиг. 2, 3 - двумерное и трехмерное изображение в электронном микроскопе ниобиевой СИС структуры;fig. 2, 3 - two-dimensional and three-dimensional image in an electron microscope of a niobium SIS structure;
фиг. 4 - вольтамперная характеристика ниобиевой СИС-структуры с отношением сопротивлений 40, что близко к теоретическому значению.fig. 4 - current-voltage characteristic of a niobium SIS structure with a resistance ratio of 40, which is close to the theoretical value.
На фиг. 1, а, б, в схематично показаны последовательные стадии образования туннельного перехода, где: 1 - диэлектрическая подложка, выполненная из кремния; 2 - слой первого металла; 3 - туннельный барьер Al/AlOx; 4 - слой второго металла; 5 - маска резиста; 6 - слой первого изолятора; 7 - слой второго изолятора; 8, 9, 10 - участки слоя третьего металла; D1 - диаметр электрода слоя 4 второго металла; D2 - диаметр отверстия в области перехода для слоя 8.In fig. 1, a, b, c schematically shows the successive stages of the formation of a tunnel junction, where: 1 - dielectric substrate made of silicon; 2 - layer of the first metal; 3 - Al/AlOx tunnel barrier; 4 - layer of the second metal; 5 - resist mask; 6 - layer of the first insulator; 7 - layer of the second insulator; 8, 9, 10 - sections of the third metal layer; D1 is the diameter of the electrode of layer 4 of the second metal; D2 is the diameter of the hole in the transition area for layer 8.
Способ реализуют следующим образом на примере использования сверхпроводящего ниобия. Выполняют трехслойную структуру туннельного перехода путем нанесения на диэлектрическую подложку 1 слоя первого металла 2, выполнение туннельного барьера 3 из Al/AlOx на поверхности слоя первого металла 2, нанесение поверх образованного туннельного барьера 3 слоя второго металла 4, и слоя третьего металла 8, 9, 10, контактирующего со слоем второго металла 4 с выполнением электрических контактов.The method is implemented as follows using the example of using superconducting niobium. A three-layer structure of the tunnel junction is made by applying a layer of the first metal 2 to the dielectric substrate 1, making a tunnel barrier 3 made of Al/AlOx on the surface of the layer of the first metal 2, applying a layer of the second metal 4, and a layer of the third metal 8, 9, on top of the formed tunnel barrier 3. 10, in contact with the layer of the second metal 4 to make electrical contacts.
После образования трехслойной структуры первый металл/AlAlOx/второй металл и формирования топологии нижнего электрода, методом фотолитографии или прямой электронной литографии формируют в маске резиста 5, размещенной на слое второго металла 4, окно диаметром D1, через которое проводят селективное плазмохимическое травление слоя второго металла 4 до стоп-слоя туннельного барьера 3 Al/AlOx. После чего поверх того же резиста 5 проводят напыление слоя первого изолятора 6 SiO2 и удаляют резист вместе с указанным первым изолятором.After the formation of a three-layer structure of the first metal/AlAlOx/second metal and the formation of the topology of the bottom electrode, by photolithography or direct electron lithography, a window with a diameter of D1 is formed in the resist mask 5, placed on the layer of the second metal 4, through which selective plasma-chemical etching of the layer of the second metal 4 is carried out to the stop layer of the tunnel barrier 3 Al/AlOx. Then, a layer of the first insulator 6 SiO 2 is sprayed on top of the same resist 5 and the resist is removed along with said first insulator.
Формируют маску резиста 5 в центре области перехода диаметром D2, выбранным из условия D2 меньше D1, напыляют поверх второй слой изолятора 7 SiO2 и удаляют изолятор 7 с маской резиста 5, после чего напыляют слой третьего металла 8-9-10 для создания электрического контакта.A resist mask 5 is formed in the center of the transition region with a diameter D2, selected from the condition D2 is less than D1, a second layer of insulator 7 SiO 2 is sprayed on top and the insulator 7 with resist mask 5 is removed, after which a layer of the third metal 8-9-10 is sprayed to create an electrical contact .
Пример. Структура СИС на основе ниобия. Наносят позитивный фоторезист S1813, экспонируют, проявляют. Наносят трехслойную структуру туннельного перехода Nb/Al/AlOx/Nb с толщинами пленок 200/7/80 нм и взрывают фоторезист под пленкой, в результате чего на подложке остается структура будущего нижнего электрода. Методом фотолитографии или прямой электронной литографии формируют в маске резиста окно диаметром D1=3 мкм, через которое проводят селективное плазмохимическое травление слоя верхнего ниобия до стоп-слоя туннельного барьера Al/AlOx. После чего поверх того же резиста проводят напыление слоя изолятора SiO2 толщиной 260 нм и удаляют резист вместе с указанным изолятором.Example. Structure of niobium-based SIS. Positive photoresist S1813 is applied, exposed, developed. A three-layer Nb/Al/AlOx/Nb tunnel junction structure is applied with film thicknesses of 200/7/80 nm and the photoresist under the film is exploded, resulting in the structure of the future lower electrode remaining on the substrate. Using the method of photolithography or direct electron lithography, a window with a diameter of D1 = 3 μm is formed in the resist mask, through which selective plasma-chemical etching of the upper niobium layer to the stop layer of the Al/AlOx tunnel barrier is carried out. After that, a layer of SiO 2 insulator with a thickness of 260 nm is sputtered on top of the same resist and the resist is removed along with the specified insulator.
Формируют маску резиста в центре области перехода диаметром D2=1 мкм, напыляют поверх второй слой изолятора SiO2 толщиной 130 нм и удаляют изолятор с маской резиста, после чего напыляют слой ниобия толщиной 500 нм для создания электрического контакта.A resist mask is formed in the center of the transition region with a diameter of D2=1 μm, a second layer of SiO 2 insulator 130 nm thick is sprayed on top and the insulator with the resist mask is removed, after which a niobium layer 500 nm thick is sprayed to create an electrical contact.
На фиг. 2, 3 показано двумерное и трехмерное изображение в электронном микроскопе изготовленной ниобиевой СИС структуры. Видно, что торец первого слоя металла полностью закрыт изолятором.In fig. 2, 3 show two-dimensional and three-dimensional electron microscope images of the fabricated niobium SIS structure. It can be seen that the end of the first layer of metal is completely covered with an insulator.
На фиг. 4 приведена вольтамперная характеристика ниобиевой СИС-структуры с отношением сопротивлений 40, что близко к теоретическому значению.In fig. Figure 4 shows the current-voltage characteristic of a niobium SIS structure with a resistance ratio of 40, which is close to the theoretical value.
Таким образом, защита торцов туннельного перехода от шунтирования и утечек достигается выбором размера окна в изоляторе и устранением процесса жидкостного анодирования и необходимых для этого перемычек, что важно в сложных схемах. Это позволяет применять материалы, не допускающие анодирование. Соответственно, по патентуемой технологии возможно изготавливать туннельные переходы структуры «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник» (СИС), «сверхпроводник-изолятор-нормальный металл» (СИН), «металл-диэлектрик-металл» (МИМ).Thus, protecting the ends of the tunnel junction from shunting and leakage is achieved by choosing the size of the window in the insulator and eliminating the liquid anodizing process and the jumpers required for this, which is important in complex circuits. This allows the use of materials that cannot be anodized. Accordingly, using the patented technology, it is possible to produce tunnel junctions of the “superconductor-insulator-superconductor” (SIS), “superconductor-insulator-normal metal” (SIN), “metal-insulator-metal” (MIM) structure.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816118C1 true RU2816118C1 (en) | 2024-03-26 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10109673B2 (en) * | 2006-09-20 | 2018-10-23 | Hypres, Inc. | Double-masking technique for increasing fabrication yield in superconducting electronics |
| 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 |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10109673B2 (en) * | 2006-09-20 | 2018-10-23 | Hypres, Inc. | Double-masking technique for increasing fabrication yield in superconducting electronics |
| 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 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J. WENNIINGER ET, Design of а 240 GHz on-chip dual-polarization receiver for SIS mixer arrays, Supercond. Sci. Technol. 36 (2023) 055012, p.1,2. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20170179193A1 (en) | Double-masking technique for increasing fabrication yield in superconducting electronics | |
| US9741918B2 (en) | Method for increasing the integration level of superconducting electronics circuits, and a resulting circuit | |
| US4543592A (en) | Semiconductor integrated circuits and manufacturing process thereof | |
| US5240868A (en) | Method of fabrication metal-electrode in semiconductor device | |
| US8367514B2 (en) | Integrated circuit with capacitor and method for the production thereof | |
| US4469568A (en) | Method for making thin-film transistors | |
| JPH04246871A (en) | Josephson junction device and manufacture of josephson integrated circuit | |
| US4001871A (en) | Semiconductor device | |
| US8110861B1 (en) | MIM capacitor high-k dielectric for increased capacitance density | |
| US4548834A (en) | Method of producing a Josephson tunnel barrier | |
| US7282404B2 (en) | Inexpensive method of fabricating a higher performance capacitance density MIMcap integrable into a copper interconnect scheme | |
| CN115411172A (en) | Josephson junction device and preparation method thereof | |
| US3766445A (en) | A semiconductor substrate with a planar metal pattern and anodized insulating layers | |
| RU2816118C1 (en) | Method of making tunnel junction with double insulation | |
| US4111775A (en) | Multilevel metallization method for fabricating a metal oxide semiconductor device | |
| US20100079929A1 (en) | Cmos compatible integrated high density capacitor structure and process sequence | |
| JP2004072102A (en) | Monx resistive element for superconductive integrated circuit | |
| Meng et al. | Light-anodization process for high-J/sub c/micron and submicron superconducting junction and integrated circuit fabrication | |
| US7268038B2 (en) | Method for fabricating a MIM capacitor having increased capacitance density and related structure | |
| RU2786616C1 (en) | Heterostructure based on the josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor with integral shutting | |
| CN111933788B (en) | Method for preparing high-quality superconducting tunnel junction circuit | |
| Inoue et al. | Nb/AlOx/Nb Josephson tunnel junctions using electron beam evaporation | |
| JPS60208873A (en) | Manufacture of josephson junction element | |
| JPH07176694A (en) | Fabrication of capacitor | |
| JPH02298085A (en) | Manufacture of josephson device |