Brevet FR2638569A1 — publié le 19900504

La présente invention concerne des structures de transistor Josephson du type à effet de champ, et un procé- dé de fabrication de ce transistor. On connaissait précédemment une diode basée sur un effet Josephson, mais on ne connaissait pas un transis- tor basé sur le même effet. Il a été proposé un transistor Josephson du type à effet de champ dont une coupe est représentée sur la fi- gure 10. Sur cette figure, la référence 91 désigne une ré- gion en Si, la référence 92 désigne une région en SiO2, la référence 93 désigne une électrode de source, la référence 94 désigne une électrode de drain, la référence 95 désigne une électrode de grille et la référence 96 désigne un espa- ce qui est le siège d'un effet tunnel. Plus précisément, la région en SiO2 92 est formée sur le substrat en Si 91, l'électrode de grille 95 est en Nb ou un matériau analogue et se trouve dans un trou qui est formé sur la surface ar- rière du substrat en Si 91, avec la région en SiO2 92 en tant que couche diélectrique, et l'électrode de source 93 et l'électrode de drain 94 consistent en Nb ou en un maté- riau analogue et elle sont formées au-dessus de l'électrode de grille 95 de façon à définir entre elles un espace 96 de quelques nanomètres qui est le siège d'un effet tunnel. La technique précitée de l'art antérieur présente cependant un problème qui consiste en ce que la formation d'un tel espace d'effet tunnel de quelques nanomètres par la technologie de photolithographie et de gravure est ex- trêmement difficile. Il existe en outre un autre problème qui consiste dans la difficulté de la réalisation d'un circuit intégré. Il existe de plus dans l'art antérieur un autre problème qui consiste en ce que la commande précise du cou- rant d'effet tunnel par le champ de la grille est diffici- le, du fait que l'espace d'effet tunnel est formé sur la surface du SiO2 ou d'une couche diélectrique semblable, ce qui fait apparaître un courant de fuite sur la surface de la couche diélectrique, et le courant de fuite en surface qui apparaît ainsi se combine avec le courant d'effet tun- nel. Dans cette situation, un but de la présente inven- tion est de résoudre les problèmes précités de l'art anté- rieur et de procurer une structure de transistor Josephson du type à effet de champ que l'on puisse fabriquer en gran- de quantité. Un autre but de l'invention est de procurer une structure de transistor Josephson du type à effet de champ que l'on puisse fabriquer en grande quantité et qui puisse être utilisée dans la fabrication d'un circuit intégré. Un autre but encore de l'invention est de procurer une nouvelle structure de transistor Josephson du type à effet de champ qui ne présente pas l'inconvénient résultant du courant de fuite sur la surface de la couche diélectri- que de grille du transistor. Pour atteindre ces buts, l'invention procure: (1) un transistor Josephson du type à effet de champ dans lequel une électrode de source et une électrode de drain sont formées avec un espace entre elles, une cou- che d'effet tunnel est formée sur la paroi latérale de l'espace entre l'électrode de source et l'électrode de drain, une électrode de substrat est établie en série avec la couche d'effet tunnel, et une électrode de grille pour la commande par champ du courant d'effet tunnel qui traver- se la couche d'effet tunnel, est formée avec interposition d'une couche diélectrique; (2) un transistor Josephson du type à effet de champ dans lequel une électrode de grille est formée sur un substrat isolant, un espace d'effet tunnel entre des élec- trodes de source et de drain est formé sur la surface de l'électrode de grille, et une couche d'effet tunnel est formée à l'intérieur de cet espace d'effet tunnel; (3) un transistor Josephson du type à effet de champ dans lequel une couche isolante d'effet tunnel est formée dans l'espace d'effet tunnel entre deux électrodes interconnectées constituées par une couche supraconductrice à température élevée, consistant en une céramique, ces électrodes étant formées sur un substrat isolant,et une électrode de grille est formée sur la surface de la couche isolante d'effet tunnel, avec interposition d'une couche diélectrique; (4) un transistor Josephson du type à effet de champ dans lequel une couche supraconductrice est formée sur un substrat isolant, une électrode de source et une électrode de drain sont formées sur cette couche supracon- ductrice, avec interposition d'un espace d'effet tunnel, et une électrode de grille est formée sur la paroi latérale de l'espace d'effet tunnel; (5) un transistor Josephson du type à effet de champ dans lequel une interconnexion par une couche supra- conductrice est formée sur un substrat isolant, un espace d'effet tunnel est formé sur l'interconnexion par couche supraconductrice, et une électrode de grille est formée sur la paroi latérale de l'espace d'effet tunnel; (6) le transistor Josephson du type à effet de champ défini en (5), dans lequel deux espaces d'effet tun- nel, ou plus, sont formés sur l'interconnexion par couche supraconductrice qui est établie sur le substrat isolant, et une électrode de grille conjointe est formée sur la pa- roi latérale de ces deux espaces d'effet tunnel, ou plus; et (7) un procédé de formation d'une jonction Josephson, qui est caractérisé par l'implantation d'ions ou la formation d'une couche de semiconducteur dans la partie de formation de jonction Josephson, dans une couche d'élec- trode supraconductrice. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: Les figures 1 à 9 montrent des coupes de modes de réalisation du transistor Josephson du type à effet de champ de la présente invention. La figure 10 montre une coupe d'un transistor Josephson du type à effet de champ classique. La figure 1 montre une coupe d'un mode de réalisa- tion du transistor Josephson du type à effet de champ de l'invention, dans lequel la référence 1 désigne une région en Si, la référence 2 désigne une région en SiO2, la référen- ce 3 désigne une électrode de source, la référence 4 dési- gne une électrode de drain, la référence 5 désigne une électrode de grille, la référence 6 désigne une couche d'effet tunnel, la référence 7 désigne une couche isolante d'effet de champ, et la référence 8 désigne une électrode de substrat. Plus précisément, on forme la région en SiO2 2 sur la surface de la région en Si 1, on attaque la surfa- ce arrière de la région en Si 1 pour former l'électrode de grille 5, on forme l'électrode de source 3 et l'électrode de drain 4 sur la région en SiO2 2, au-dessous de l'élec- trode de grille 5, avec un espace relativement-large entre elles, on forme la couche isolante d'effet de champ 7, re- lativement épaisse, sur la surface de l'électrode de source 3 et de l'électrode de drain 4, tandis qu'on forme la cou- che d'effet tunnel 6, ayant une épaisseur de quelques nano- mètres sur les parois latérales des électrodes précitées, et on forme l'électrode de substrat 8 de façon à remplir l'espace relativement large précité. En ce qui concerne les matériaux utilisés pour former les électrodes, on emploie des supraconducteurs tels que Nb et Y1Ba2Cu307; et en ce qui concerne la couche d'ef- fet tunnel, on utilise une couche diélectrique consistant par exemple en NbO ou SiO2. Le substrat n'est pas limité seulement au matériau Si 1, mais peut être un isolant tel que du verre. Dans ce dernier cas, l'électrode de grille doit être déposée sur le substrat en verre. Conformément à ce mode de réalisation, deux élé- ments à effet Josephson sont combinés mutuellement en série. Si les électrodes de grille étaient établies de façon indé- pehdante, le transistor aurait également la fonction d'un transistor Josephson à effet de champ à deux grilles. La figure 2 montre une coupe d'un autre mode de réalisation du transistor Josephson du type à effet de champ de l'invention, dans lequel la référence 11 désigne un substrat isolant, la référence 12 désigne une électrode de grille, la référence 13 désigne une couche diélectrique, la référence 14 désigne une électrode de source, la réfé- rence 15 désigne une couche d'isolation inter-couche, la référence 16 désigne une couche d'effet tunnel et la réfé- rence 17 désigne une électrode de drain. Plus précisément, on forme l'électrode de grille 12, consistant en une couche supraconductrice en céramique telle que Y1Ba2Cu3O7, ou une couche semblable, sur la sur- face du substrat isolant 11, consistant en verre ou en cé- ramique, après quoi on forme par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD) la couche diélectrique 13, consistant par exemple en SiO2, Si3N4 ou A1203, puis on forme l'électrode de source (14) consistant en une couche supraconductrice en céramique, on forme sur la surface de l'électrode de source 14 la couche d'isolation inter-couche 15, consistant en SiO2, Si3N4 ou A1203 déposé par CVD, on forme sur la paroi latérale de l'électrode de grille 12 associée à l'électrode de source 14 la couche d'effet tunnel 16, ayant une épais- seur de l'ordre de 2 nm, et consistant en SiO2, Si3N4 ou A1203 déposé par CVD, et on forme ensuite l'électrode de drain 17, consistant en une couche supraconductrice en cé- ramique, de façon que la couche d'effet tunnel 16 soit in- tercalée entre l'électrode de drain 17 et l'électrode de source 14. La figure 3 montre des coupes qui illustrent les étapes de la formation d'encore un autre mode de réalisa- tion du transistor Josephson du type à effet de champ de l'invention, dans lequel la référence 21 désigne un subs- trat isolant, la référence 22 désigne une couche supracon- ductrice, la référence 23 désigne une électrode de source, la référence 24 désigne une électrode de drain, la référen- ce 25 désigne un espace d'effet tunnel, la référence 26 dé- signe une couche diélectrique, la référence 27 désigne une couche d'électrode, la référence 28 désigne une couche iso- lante d'effet tunnel et la référence 29 désigne une élec- trode de grille. Plus précisément, (a) on forme la couche 22 en Y1Ba2Cu307 ou une couche semblable en une céramique supra- conductrice à température élevée, sur la surface du subs- trat isolant 21 qui consiste par exemple en titanate de strontium, en oxyde de magnésium, en saphir ou en quartz, d'une épaisseur d'environ 0,1 pm à 1 pm, et (b) on grave la couche supraconductrice 22, par une opération de photogra- vure ou de gravure par faisceau d'ions, ou bien on isole la couche supraconductrice 22 par implantation partielle d'ions oxygène, ce qui a pour effet de former l'électrode de source 23, l'électrode de drain 24 et l'espace d'effet tunnel 25, ayant une largeur de 0,002 pm à 0,1 pm. Dans le cas de l'implantation ionique, la couche qui est soumise à l'implantation ionique peut être conservée à titre de do- maine d'isolation, ou bien la couche qui est soumise à l'implantation ionique peut être conservée dans l'espace d'effet tunnel, de façon à former la couche isolante d'ef- fet tunnel. (c) Ensuite, on forme par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD) ou un procédé similaire, la couche diélectrique 26 consistant en SiO2, A1203, Si3N4 ou en un mélange de ceux-ci, ou constituée par plusieurs couches de ces substances, pour former la couche isolante d'effet tunnel 28, après quoi on remplit également l'inté- rieur de l'espace d'effet tunnel 25 avec le matériau de la couche diélectrique précitée, on forme ensuite la couche d'électrode 27 consistant en Al, Cu ou YlBa2Cu307 ou en une couche semblable consistant en une céramique supraconduc- trice à température élevée, et (d) on applique une opéra- tion de photogravure à la couche d'électrode 27, pour for- mer l'électrode de grille, et on forme une électrode en Ag ou une électrode d'interconnexion semblable, et on obtient ainsi un transistor Josephson du type à effet de champ qui comporte une source (S), un drain (D) et une grille (G). La figure 4 montre encore un autre mode de réali- sation de l'invention, dans lequel la référence 31 désigne un substrat isolant, la référence 32 désigne une électrode de grille, la référence 33 désigne une couche diélectique, la référence 34 désigne une couche isolante, la référence désigne un espace d'effet tunnel, la référence 36 dési- gne une électrode de source et la référence 37 désigne une électrode de drain. Plus précisément, on forme préalablement l'élec- trode de grille 32 sur la surface du substrat isolant 31, on forme l'électrode de source 36, l'électrode de drain 37 et l'espace d'effet tunnel 35, avec interposition de la couche diélectrique 33, et on forme la couche isolante 34 en SiO2 ou Si3N4. On forme l'espace d'effet tunnel 35 au- dessus de l'électrode de grille 32 avec interposition de la couche diélectrique 33. Lorsqu'on forme l'électrode de source 36 et l'électrode de drain 37 par implantation ioni- que partielle d'oxygène dans une couche supraconductrice à température élevée, la couche qui subit ainsi l'implanta- tion ionique constitue également une couche d'isolation, comme dans le mode de réalisation de la figure 3 mentionné ci-dessus. La figure 5 montre une vue en plan et des coupes qui illustrent encore un autre mode de réalisation du tran- sistor Josephson du type à effet de champ de l'invention, dans lequel la référence 41 désigne un substrat isolant, la référence 42 désigne une électrode de source, la référence 43 désigne une électrode de drain, la référence 44 désigne une première électrode de grille, la référence 45 désigne une seconde électrode de grille et la référence 46 désigne un espace d'effet tunnel. Plus précisément, on forme une couche supraconduc- trice en Y1Ba2Cu307 ou en Nb sur la surface du substrat isolant 41, consistant en un monocristal de titanate de strontium ou en un corps semblable, et on forme ensuite en une seule étape l'électrode de source 42, l'électrode de drain 43, l'espace d'effet tunnel 46, la première électrode de grille 44 et la seconde électrode de grille 45. On peut former ces électrodes non par photogravure, mais par im- plantation ionique d'oxygène autour des électrodes, de fa- çon à isoler les parties nécessaires de la couche supracon- ductrice. On peut en outre remplir l'espace d'effet tunnel 46 avec une couche d'effet tunnel telle qu'une couche de SiO2 ou d'une substance similaire, ou bien on peut former une couche diélectrique telle qu'une couche de SiO2 ou d'une substance similaire sur la totalité de la surface du dispositif, et former ensuite un trou de contact dans la partie de plot d'électrode dans le but de connecter une électrode d'interconnexion. Dans le mode de réalisation présent, on forme la première électrode de grille 44 et la seconde électrode de grille 45, mais la structure ne peut comporter qu'une seule de ces électrodes. La première électrode de grille 44-et la seconde électrode de grille 45 peuvent avoir le même poten- tiel ou des potentiels différents. La figure 6 montre une vue en plan qui est desti- née à illustrer encore un autre mode de réalisation du transistor Josephson du type à effet de champ de l'inven- tion, dans lequel la référence 51 désigne un substrat iso- lant, la référence 52 désigne un premier espace d'effet tunnel, la référence 53 désigne un second espace d'effet tunnel et la référence 54 désigne une grille conjointe. Plus précisément, on forme une couche supraconduc- trice à température élevée, consistant par exemple en Y1Ba2Cu307, sur la surface du substrat isolant 51, consis- tant par exemple en titanate de baryum d'une épaisseur d'environ 0,1 pm, on définit l'interconnexion des électro- des par gravure par faisceau d'ions ou par une technique similaire, pour former le premier espace d'effet tunnel 52 et le second espace d'effet tunnel 53 ayant chacun une lar- geur d'environ 0,01 pm, et on forme la grille conjointe 54 près des parois latérales du premier espace d'effet tunnel 52 et du second espace d'effet tunnel 53, avec un interval- le d'environ 0,1 pm par rapport aux deux parois latérales. Après avoir défini l'interconnexion des électro- des, on peut former une couche de SiO2 sur la totalité de la surface, grâce à quoi l'intérieur des espaces d'effet tunnel ainsi que l'espace compris entre la grille conjointe et les espaces d'effet tunnelneuvent: 7e remplispar la cou- che de SiO2 ou par une couche diélectrique similaire. Selon une variante, on peut définir l'interconnexion des électrL- des en implantant dans la couche supraconductrice, selon un motif déterminé, des ions tels que des ions oxygène. On peut en outre former une couche isolante épais- se recouvrant les espaces d'effet tunnel et former ensuite une électrode métallique telle qu'une électrode en A1, pour donner la grille conjointe 54. La figure 7 montre une coupe qui est destinée à illustrer un mode de mise en oeuvre du procédé de formation d'une jonction Josephson, dans lequel la référence 61 dési- gne un substrat isolant, la référence 62 désigne une couche supraconductrice, la référence 63 désigne une opération d'implantation ionique et la référence 64 désigne une ré- gion de jonction Josephson. Plus précisément, on interconnecte une électrode 62 formée par une couche supraconductrice consistant en YlBa2Cu307 ou en une couche de céramique supraconductrice à température élevée semblable, sur la surface du substrat isolant 61 consistant en TiSiO3 d'une épaisseur d'environ 0,1 pm, et on applique un faisceau d'ions oxygène sur la partie destinée à former une jonction Josephson dans l'électrode 62 consistant en une couche supraconductrice, avec une accélération à travers une ouverture d'environ 1 à 2 nm, pour réaliser l'implantation ionique 63 et pour former ainsi la région de jonction Josephson 64. La couche de Y1Ba2Cu307 qui a subi ce traitement contient de l'oxygè- ne en excès, ce qui a pour effet de rendre la couche iso- lante ou semiconductrice pour qu'elle constitue une couche d'effet tunnel. En ce qui concerne l'implantation ionique, on peut employer non seulement de l'oxygène mais également des ions de nombreux autres éléments. Selon une variante, pour former la région de jonction Josephson 64, on peut former une couche de résine photosensible présentant un espace ou une discontinuité d'environ 1 nm, sur la surface de l'électrode 62 consistant en une couche supraconductrice et on peut ensuite appliquer une implantation ionique 63 sur la totalité de la surface de cette couche, pour former la région de jonction Josephson 64 dans l'espace précité. La figure 8 montre une coupe qui illustre encore un autre mode de réalisation de la jonction Josephson qui est formée conformément à l'invention, dans lequel la réfé- rence 71 désigne un substrat isolant, la référence 72 dési- gne une électrode consistant en une couche supraconductrice et la référence 73 désigne une couche semiconductrice. Plus précisément, on forme sur la surface du subs- trat isolant 71 une électrode 72 consistant en une couche supraconductrice ayant une épaisseur d'environ 0,1 pm, on l1 forme un espace d'environ 20 nm dans la région de formation de jonction Josephson de la couche supraconductrice 72, par photogravure ou par gravure par faisceau d'ions, et on rem- plit l'espace précité avec une couche semiconductrice 73 consistant en Si ou en un corps analogue, pour former la jonction Josephson. On peut former en partie la couche se- miconductrice 73 par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) par faisceau d'ions. Selon une variante, on forme une couche semiconductrice sur la totalité de la sur- face de l'électrode 72 consistant en une couche supracon- ductrice, par CVD ou par pulvérisation cathodique, et on attaque la couche ainsi formée, par un traitement d'attaque par pulvérisation cathodique ou d'attaque par plasma, ou un autre traitement d'attaque semblable, de façon que la cou- che semiconductrice 73 ne soit présente qu'à l'intérieur de l'espace précité. La couche semiconductrice 73 peut être dans un état amorphe ou dans un état polycristallin, mais elle peut également être dans un état monocristallin, avec une épaisseur d'environ 20 nm, après un traitement de re- cuit pour l'obtention de l'état monocristallin. De plus, la couche semiconductrice 73 peut consister non seulement en Si mais également en n'importe quel autre semiconducteur tel que GaAs, InP, SiC, Se ou Ge. De toute manière, dans le mode de réalisation présent, la région de jonction Josephson est formée par une couche semiconductrice et il en résulte qu'elle peut remplir la fonction d'une couche d'effet tun- nel bien qu'elle ait une épaisseur d'environ 20 nm. On note à cet égard que lorsque la région de jonction Josephson est formée par une couche isolante, son épaisseur doit être d'environ 2 nm. La figure 9 montre une coupe qui illustre un mode de réalisation correspondant à l'utilisation du transistor Josephson du type à effet de champ de l'invention, dans le- quel la référence 81 désigne un substrat isolant, la réfé- rence 82 désigne une électrode consistant en une couche su- praconductrice, la référence 83 désigne une région de jonction Josephson, la référence 84 désigne une couche iso- lante de grille, la référence 85 désigne une électrode de grille et la référence 86 désigne une source. Plus précisément, on forme l'électrode 82 consis- tant en une couche supraconductrice sur la surface du subs- trat isolant 81, avec une épaisseur d'environ 0,1 pm, on forme la région de jonction Josephson 83 sur l'électrode 82 consistant en une couche supraconductrice, par un procédé tel que celui de la figure 8, on forme la couche isolante de grille 84, consistant en une couche de SiO2 ou une cou- che similaire, sur la surface de la région de jonction Josephson 83, par le procédé CVD ou un procédé similaire, avec une épaisseur d'environ 0,01 pm à 0,1 pm, on forme l'électrode de grille 85 sur la couche isolante de grille 84 pour obtenir la grille 85, et dans ces conditions, une partie de l'électrode 82 consistant en une couche supracon- ductrice constitue la source 86 et l'autre constitue le drain 87, les deux étant formées de part et d'autre de la région de jonction Josephson 83. L'invention qui a été expliquée en détail ci-des- sus permet d'obtenir les avantages suivants. (1) Elle procure des structures de transistor Josephson du type à effet de champ qu'il est possible de fabriquer en grande quantité. (2) Elle permet de former des transistors Josephson du type à effet de champ qui conviennent pour la fabrication de circuits intégrés. (3) Elle permet de former des transistors Josephson à effet de champ qui sont dépourvus de l'inconvé- nient résultant d'un courant de fuite à la surface de la couche diélectrique de grille du transistor. (4)L'opération de formation de transistors Josephson du type à effet de champ est simplifiée. (5) Il est possible de fabriquer avec une densité élevée des circuits intégrés comportant une structure de transistor Josephson du type à effet de champ. (6) Elle procure des procédés pour la fabrication d'une jonction Josephson avec une reproductibilité élevée et la possibilité de fabrication en grande quantité. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées aux dispositifs et aux procédés décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. 14 2638569 REVENDICATIONS 43.449 1. Transistor Josephson du type à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode de source (3) et une électrode de drain (4) séparées par un espace, une couche d'effet tunnel qui est formée sur la paroi latérale de l'espace entre l'électrode de source (3) et l'électrode de drain (4), une électrode de substrat (8) qui est formée en série avec la couche d'effet tunnel, et une électrode de grille (5) qui est formée avec interposition d'une couche di- électrique pour commander par effet de champ le courant d'effet tunnel qui traverse la couche d'effet tunnel. 2. Transistor Josephson du type à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode grille (12) formée sur un substrat isolant (11), un espace d'effet tunnel entre les électrodes de source (14) et de drain (17), formé sur la surface de l'électrode de grille (12), et une couche d'effet tunnel (16) qui est formée à l'intérieur de l'espace d'effet tunnel. 3. Transistor Josephson du type à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend une couche isolante d'effet tunnel qui est formée dans l'espace d'effet tunnel entre deux électrodes interconnectées (23, 24) constituées par une céra- mique supraconductrice à température élevée, ces électrodes étant formées sur un substrat isolant (21), et une électrode de grille (29) qui est formée sur la surface de la couche 2638569 isolante d'effet tunnel (18), avec interposition d'une couche diélectrique (26). 4. Transistor Josephson du type à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend une couche supraconductrice qui est formée sur un substrat isolant, une électrode de source (42) et une électrode de drain (43) qui sont formées sur la couche supraconductrice, avec un espace d'effet tunnel (46) entre elles, et une électrode de grille (44, 45) qui est formée sur la paroi latérale de l'espace d'effet tunnel. 5. Transistor Josephson du type à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend un espace d'effet tunnel qui est formé sur une interconnexion consistant en une couche su- praconductrice, formée sur un substrat isolant, et une élec- trode de grille (44) qui est formée sur la paroi latérale de l'espace d'effet tunnel. 6. Transistor Josephson du type à effet de champ selon la revendication 5, caractérisé en ce que deux espaces d'effet tunnel (52, 53), ou plus, sont formés sur l'inter- connexion consistant en une couche supraconductrice qui est formée sur le substrat isolant, et une électrode de grille conjointe (54) est formée sur la paroi latérale des deux espaces d'effet tunnel, ou plus.