(57)【要約】超伝導デバイスの配線構造を形成するための方法が提供される。方法は、基板を覆う第１の高温誘電体層を形成するステップと、第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有するベース電極を第１の高温誘電体層内に形成するステップと、第１の高温誘電体層およびベース電極の上に第２の高温誘電体層を堆積するステップとを含む。方法はさらに、第２の誘電体層を貫通してベース電極の第１の端部に達する第１のコンタクトを形成するステップと、第１のコンタクトを覆いかつ接触するジョセフソン接合（ＪＪ）を形成するステップと、第２の誘電体層を貫通してベース電極の第２の端部に達する第２のコンタクトを形成するステップとを含む。
2019528577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導デバイスの配線構造を形成する方法であって、
基板を覆う第１の高温誘電体層を形成するステップと、
前記第１の高温誘電体層内にベース電極を形成するステップと、前記ベース電極は、前記第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、
前記第１の高温誘電体層および前記ベース電極の上に第２の高温誘電体層を堆積するステップと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第１の端部にまで延在する第１のコンタクトを形成するステップと、
前記第１のコンタクトの上面を覆い、かつ前記上面と接触するジョセフソン接合（ＪＪ）を形成するステップと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第２の端部にまで延在する第２のコンタクトを形成するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記ＪＪが、アルミニウム／酸化アルミニウム／アルミニウムＪＪである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ベース電極がニオブから形成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＪＪが前記第１のコンタクトの幅によって規定される幅を有するように、前記第１のコンタクトが前記ＪＪの直径以下の直径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の高温誘電体層および前記第２の高温誘電体層に使用される誘電体材料は、摂氏１８０℃を超える温度で前記第１および第２の高温誘電体層を形成することができる材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のコンタクトの上にある第１の導電線と、前記第２のコンタクトの上にある第２の導電線とを形成するステップをさらに含み、前記第１および第２の導電線は前記第２の高温誘電体層の上面の上に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の高温誘電体層上に低温誘電体層を形成するステップと、
前記第２のコンタクトを形成するために前記低温誘電体層および前記第２の高温誘電体層内にビアをエッチングするステップと、
前記第１の導電線および前記第２の導電線を形成するために前記低温誘電体層にトレンチをエッチングするステップと、
前記ビアおよび前記トレンチを超伝導材料で充填して前記ベース電極の第２の端部にまで延在する前記第２のコンタクトを形成するステップと、
前記超伝導材料を前記低温誘電体層の表面まで研磨するステップと、
前記低温誘電体層をエッチング除去するステップとをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ＪＪを形成が、
前記第１のコンタクトの上面を研磨するステップと、
前記第１のコンタクトおよび前記第２の高温誘電体層の上に第１のアルミニウム層を堆積するステップと、
前記第１のアルミニウム層を酸化してアルミニウム層の上面に酸化アルミニウム層を形成するステップと、
前記酸化アルミニウム層の上に第２のアルミニウム層を形成するステップと、
前記第２のアルミニウム層の上にフォトレジスト材料層を堆積してパターニングするステップと、
前記第２のアルミニウム層をエッチングして前記酸化アルミニウム層を前記第２のアルミニウム層で封止してＪＪを形成し、前記第２のアルミニウム層の残留部分を除去するステップと、
前記フォトレジスト材料層を剥離するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ベース電極を形成するステップは、シングルダマシンプロセスによって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板と前記第１の高温誘電体層との間に１つまたは複数の層を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
超伝導デバイスの配線構造を形成する方法であって、
基板を覆う第１の高温誘電体層を形成するステップと、
前記第１の高温誘電体層内にベース電極を形成するステップと、前記ベース電極は、前記第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、
ＪＪおよび前記第１の高温誘電体層の上に第２の高温誘電体層を堆積するステップと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第１の端部に達する第１のコンタクトを形成するステップと、
前記第１のコンタクトの上面を研磨するステップと、
前記第１のコンタクトおよび前記第２の高温誘電体層の上に第１のアルミニウム層を堆積するステップと、
前記第１のアルミニウム層を酸化して前記第１のアルミニウム層の上面に酸化アルミニウム層を形成するステップと、
前記酸化アルミニウム層の上に第２のアルミニウム層を形成するステップと、
前記第２のアルミニウム層をエッチングして、前記酸化アルミニウム層を前記第２のアルミニウム層で封止してＪＪを形成し、前記第２のアルミニウム層の残留部分を除去するステップと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第２の端部に達する第２のコンタクトと、前記第１のコンタクトの上にある第１の導電線と、前記第２のコンタクトの上にある第２の導電線とを形成するステップとを含み、前記第１および第２の導電線は前記第２の高温誘電体層の上面の上に配置される、方法。
【請求項１２】
前記第２のコンタクト、前記第１のコンタクトの上にある前記第１の導電線、および前記第２のコンタクトの上にある前記第２の導電線を形成するステップは
前記第２の高温誘電体層およびＪＪの上に低温誘電体層を形成するステップと、
前記第２のコンタクトを形成するために前記低温誘電体層および前記第２の高温誘電体層にビアをエッチングするステップと、
前記第１の導電線および前記第２の導電線を形成するための前記低温誘電体層にトレンチをエッチングするステップと、
前記ビアおよび前記トレンチを超伝導材料で充填して前記第２のコンタクト、前記第１の導電線、および前記第２の導電線に形成するステップと、
前記超伝導材料を低温誘電体層の表面まで研磨するステップと、
前記低温誘電体層をエッチング除去するステップとを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の高温誘電体層および前記第２の高温誘電体層に使用される誘電体材料は、摂氏１８０℃を超える温度で前記第１および第２の高温誘電体層を形成することができる材料である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２のコンタクトならびに前記第１および第２の導電線がニオブから形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ベース電極がニオブから形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
超伝導デバイスの配線構造であって、
基板を覆う第１の高温誘電体層と、
前記第１の高温誘電体層内に配置されたベース電極と、前記ベース電極は、前記第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、
前記第１の高温誘電体層および前記ベース電極の上に配置された第２の高温誘電体層と、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第１の端部にまで延在する第１のコンタクトと、
前記第１のコンタクトを覆うＪＪと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第２の端部まで延在する第２のコンタクトと、
前記第１のコンタクトの上にある第１の導電線と、
前記第２のコンタクトの上にある第２の導電線と
を備える超伝導デバイスの配線構造。
【請求項１７】
前記ＪＪが、アルミニウム／酸化アルミニウム／アルミニウムＪＪである、請求項１６に記載の配線構造。
【請求項１８】
前記第１のコンタクトが、前記ＪＪの直径を規定する直径を有する、請求項１６に記載の配線構造。
【請求項１９】
前記第１の高温誘電体層および前記第２の高温誘電体層に使用される誘電体材料は、摂氏１８０℃を超える温度で前記第１および第２の高温誘電体層を形成することができる材料である、請求項１６に記載の配線構造。
【請求項２０】
前記第２のコンタクト、前記第１の導電線、および前記第２の導電線はニオブから形成され、前記第１のコンタクトはアルミニウムから形成される、請求項１６に記載の配線構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、超伝導体に関し、より詳細には、超伝導デバイスの相互接続に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導回路は、通信信号の完全性または計算能力が必要とされる国家安全保障のアプリケーションに著しい向上をもたらすことが期待される量子コンピューティングおよび暗号化アプリケーション用に提案されている主要技術の１つである。超伝導回路は、１００ケルビン（−１７３．１５°）未満の温度で動作する。超伝導デバイスの製造に関する取り組みは、ほとんどが大学または政府の研究室に限られており、超伝導デバイスの大量生産に関してはほとんど発表されていない。従って、これらの実験室で超伝導デバイスを製造するために使用される多くの方法は、迅速で一貫した製造が不可能なプロセスまたは装置を利用している。さらに、低温処理の必要性は、現在、超伝導デバイスの大量生産に対するより重大な障害の１つを提示している。
【０００３】
超伝導回路に用いられる一般的なデバイスの１つは、誘電体の配線構造に埋め込むことができるジョセフソン接合（ＪＪ）である。典型的には、ジョセフソン接合（ＪＪ）の配線構造は、高温材料を利用するとＪＪの構造に損傷を与え、ひいてはＪＪの通常動作が低下し得るため、低温材料を用いて形成される（例えば、１８０℃以下で形成される）。超伝導デバイスの相互接続における低温材料の利用は、高温材料の利用よりも多くの損失が生じる。さらに、ＪＪを形成するためにレガシー処理技術を使用すると、大きなトポグラフィ問題が生じ、従ってＪＪの歩留まりおよび信頼性に問題が生じる。これらの両方の理由により、ＪＪが直径１μｍ程度の最小サイズとなり、これは集積チップの密度および機能性を制限する。
【０００４】
ＪＪを用いて回路を形成する際に、（例えば、１８０℃を超える温度で形成された）低損失高温誘電体を使用する試みがなされてきた。一例の方法は、スパッタリングされたクォーツの非平坦化堆積を使用して高温誘電体を形成する。しかしながら、このプロセスは所望の０．２５μｍ技術には拡張性がなく、平坦化の欠如によって、これらのデバイスが相互接続レベル４に制限される。
【発明の概要】
【０００５】
一例において、超伝導デバイスの配線構造を形成する方法が提供される。方法は、基板を覆う第１の高温誘電体層を形成するステップと、第１の高温誘電体層内にベース電極を形成するステップと、ベース電極は、第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、第１の高温誘電体層およびベース電極の上に第２の高温誘電体層を堆積するステップとを含む。方法はさらに、第２の高温誘電体層の上面からベース電極の第１の端部に達する第１のコンタクトを形成するステップと、第１のコンタクトの上面を覆い、かつ上面と接触するジョセフソン接合（ＪＪ）を形成するステップと、第２の誘電体層の上面からベース電極の第２の端部に達する第２のコンタクトを形成するステップとを含む。
【０００６】
別の例において、超伝導デバイスの配線構造を形成する方法が提供される。方法、基板を覆う第１の高温誘電体層を形成するステップと、第１の高温誘電体層内にベース電極を形成するステップと、ベース電極は、第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、ＪＪおよび第１の高温誘電体層の上に第２の高温誘電体層を堆積するステップと、第２の誘電体層の上面からベース電極の第１の端部に達する第１のコンタクトを形成するステップとを含む。方法はさらに、第１のコンタクトの上面を研磨するステップと、第１のコンタクトおよび第２の誘電体層の上に第１のアルミニウム層を堆積するステップと、第１のアルミニウム層を酸化して第１のアルミニウム層の上面に酸化アルミニウム層を形成するステップと、酸化アルミニウム層の上に第２のアルミニウム層を形成するステップとを含む。方法はさらに、第２のアルミニウム層をエッチングして、酸化アルミニウム層を第２のアルミニウム層で封止してＪＪを形成し、第２のアルミニウム層の残留部分を除去するステップと、第２の高温誘電体層の上面からベース電極の第２の端部に達する第２のコンタクトと、第１のコンタクトの上にある第１の導電線と、第２のコンタクトの上にある第２の導電線とを形成するステップとを含み、第１および第２の導電線は第２の誘電体層の上面の上に配置される。
【０００７】
さらに別の例において、超伝導デバイスの配線構造が提供される。構造は、基板を覆う第１の高温誘電体層と、第１の高温誘電体層内に配置されたベース電極と、ベース電極は、第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、第１の高温誘電体層およびベース電極の上に配置された第２の高温誘電体層と、第２の高温誘電体層の上面からベース電極の第１の端部にまで延在する第１のコンタクトとを備える。構造はさらに、第１のコンタクトを覆うＪＪと、第２の高温誘電体層の上面からベース電極の第２の端部まで延在する第２のコンタクトと、第１のコンタクトの上にある第１の導電線と、第２のコンタクトの上にある第２の導電線とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】超伝導デバイスの配線構造の断面図である。
【図２】製造の初期段階における超伝導構造の一例の概略断面図である。
【図３】エッチングプロセスを受けてフォトレジスト材料層が堆積されパターニングされた後の図２の構造の概略断面図である。
【図４】エッチング処理後でフォトレジスト材料層が剥離された後の図３の構造の概略断面図である。
【図５】コンタクト材料を充填した後の図４の構造の概略断面図である。
【図６】化学機械研磨処理後の図５の構造の概略断面図である。
【図７】第２の高温誘電体の堆積、フォトレジスト材料層の堆積、およびパターニングの後、第１のビアを形成するためのエッチングプロセスを受けている図６の構造の概略断面図である。
【図８】エッチングプロセス後でフォトレジスト材料層が剥離された後の図７の構造の概略断面図である。
【図９】コンタクト材料を充填して第１のコンタクトを形成した後で化学機械研磨後の図８の構造の概略断面図である。
【図１０】酸化を経て第１のコンタクトの上面に層を形成した後で堆積プロセスを経てキャップ層を形成した後の図９の構造の概略断面図である。
【図１１】フォトレジスト材料層が堆積されパターニングされた後でエッチングプロセスを受けている図１０の構造の概略断面図である。
【図１２】エッチングプロセス後でフォトレジスト材料層が剥離された後の図１１の構造の概略断面図である。
【図１３】低温誘電体の堆積、フォトレジスト材料層の堆積およびパターニング後、第２のビアを形成するためのエッチングプロセスを受けている図１２の構造の概略断面図である。
【図１４】エッチング処理後でフォトレジスト材料層が剥離された後の図１３の構造の概略断面図である。
【図１５】フォトレジスト材料層が堆積されパターニングされた後、トレンチを形成するためのエッチングプロセスを受けている図１４の構造の概略断面図である。
【図１６】エッチングプロセス後でフォトレジスト材料層が剥離された後の図１５の構造の概略断面図である。
【図１７】コンタクト材料充填後の図１６の構造の概略断面図である。
【図１８】化学機械研磨を経た後、低温誘電体層を除去するためのエッチングプロセスを受けている図１７の構造の概略断面図である。
【図１９】低温誘電体層を除去するためのエッチングプロセスを経た後の図１８の構造の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、高温低損失誘電体の超伝導デバイス（例えば、ジョセフソン接合（ＪＪ））の配線構造およびその形成方法に関する。一例では、アルミニウム（ＡＬ）ベースの超伝導ＪＪ（例えば、Ａｌ／酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）／Ａｌ）が、高密度多層配線サブミクロン技術へのスケーリングのためにデュアルダマシンプロセスに組み込まれる。この集積に使用される配線金属は、例えば、ニオブ（Ｎｂ）とすることができる。ＲＦ周波数で性能目標を達成するには、アクティブＪＪを高温誘電体で包囲する必要がある。この方法は、高温誘電体を用いる平坦化超伝導配線方式にスケーラブルＪＪプロセスを組み込んでいる。
【００１０】
高温誘電体は、１８０℃を超える温度で形成される誘電体材料から形成される。１８０℃を超える温度は、ＪＪの構造に損傷を与える可能性があり、一方、低温誘電体は１８０℃未満の温度で形成され、この温度は通常、ＪＪの構造に損傷を与えない。高温誘電体は、低温誘電体に埋め込まれたデバイスよりも信号損失が少なく、かつ誘電体内のデバイスが低温誘電体に埋め込まれたデバイスと比較して改善された性能で動作することを可能にする超伝導デバイスを提供する。
【００１１】
本発明はまた、０．５μｍ以下の高密度ＪＪをマルチレベルプロセスフローで作成して高レベルの相互接続を可能にするという課題を解決する。現在のＪＪの形成は、スケールプロセス技術を利用しており、具体的にはＡｌの化学機械研磨（ＣＭＰ）とそれに続くアルミニウムの酸化を利用して薄いトンネル障壁を形成している。高密度機能Ａｌ／ＡｌＯｘ／ＡｌＪＪデバイス（０．３５μｍ以上）および０．２５μｍの寸法のニオブベースの配線を有する回路を製造する際に、研磨表面上に形成されたＪＪが文書化された証拠はこれまでにない。アルミニウムベースのＪＪは、一般的なニオブベースのＪＪと比べて性能特性が大きく異なる。
【００１２】
図１は、超伝導デバイスＪＪの配線構造１０の断面図を示す。超伝導デバイス構造１０は、基板１２を覆う活性層１４を含む。基板１２は、シリコン、ガラスまたは他の基板材料から形成することができる。活性層１４は、接地層またはデバイス層とすることができる。第１の高温誘電体層１６が活性層１４を覆い、第２の高温誘電体層２０が第１の高温誘電体層１６を覆う。第１および第２の高温誘電体層の両方は、半導体の形成に典型的に利用される高温（例えば、摂氏１８０度以上）で使用することができる誘電体材料から形成される。
【００１３】
第１の高温誘電体層１６には、ベース電極１８が埋め込まれている。ＪＪ３０が第２の高温誘電体層２０の上に配置されている。ＪＪ３０は、酸化された上面を有するアルミニウム層から形成され、かつ酸化された上面を封入するアルミニウム層で覆われている。例えば、アルミニウムから形成された第１の導電コンタクト２２は、ＪＪ２６から第２の高温誘電体層２０を介してベース電極１８の第１の端部にまで延在する。重要な点として、第１の導電コンタクト２２はＪＪ３０の幅を規定する。このようにして、ＪＪは、第１の導電コンタクト２２を作成するのに使用される技術能力と同等の小さい幅で作成することができ、この幅は、低温誘電体材料とは対照的に高温誘電体材料に関して非常に小さい。
【００１４】
例えば、ニオブから形成された第２の導電コンタクト２４は、第２の高温誘電体層２０の上面からベース電極１８の第２の端部にまで延在する。ＪＪ３０の第１面は、ＪＪ３０の上部電極と見なされる第１の導電線２６に接続されている。第２の導電線２８は、対向電極と見なされ、かつ第２の導電コンタクト２４によってベース電極１８に接続されている。ベース電極１８は、ＪＪ３０の第２面および対向電極に接続されている。導電線２６および２８は、ニオブ等の超伝導材料で形成されている。
【００１５】
次に、図２〜図１０を参照して、図１の超伝導デバイスにおける配線の形成に関連して製造について説明する。本実施形態は、絶縁誘電体中に超伝導金属のシングルまたはデュアルダマシン層を形成することから開始されるプロセスフローに関して説明されることを理解されたい。ＪＪが最初に形成される場合、以下に示されるようにシングルダマシンであるか、または多層配線内に挿入される場合にはデュアルダマシンであり得る。本実施形態は、下部電極を形成するために誘電体薄膜にエッチングされたシングルダマシントレンチと、それに続く上部電極を形成するためのデュアルダマシンプロセスに関して例示される。
【００１６】
図２は製造の初期段階における超伝導構造５０を示す。超伝導構造５０は、下層基板５２を覆う、接地層またはデバイス層などの活性層５４を含む。下層基板５２は、例えば、活性層５４およびそれに続く上層を機械的に支持するシリコンまたはガラスウェハとすることができる。第１の高温誘電体層５６が活性層５４上に形成されている。配線層を提供するのに適した厚さに対する低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、高密度化学プラズマ気相成長法（ＨＤＰＣＶＤ）、スパッタリングまたはスピンオン技術のような第１の高温誘電体層５６を形成するための任意の適切な技術が用いられ得る。代替的に、第１の高温誘電体層５６を基板５０上に直接形成することができる。
【００１７】
次に、図３に示されるように、フォトレジスト材料層５８が構造を覆うように塗布され、次にパターニングされ現像されて、トレンチパターンに従ってフォトレジスト材料層５８にトレンチ開口部６０が露出される。フォトレジスト材料層５８は、フォトレジスト材料層５８をパターニングするのに使用される放射線の波長に対応して変化する厚さを有することができる。フォトレジスト材料層５８は、スピンコーティングまたはスピンキャスティング堆積技術によって第１の高温誘電体層５６上に形成され、（例えば、深紫外線（ＤＵＶ）照射によって）選択的に照射され、現像されてトレンチ開口部６０が形成される。
【００１８】
図３はまた、フォトレジスト材料層５８内のトレンチパターンに基づいて第１の高温誘電体層５６に拡張トレンチ開口部６２（図４）を形成するために第１の高温誘電体層５６に対してエッチング１１０（例えば、異方性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））を行うことを示す。エッチング工程１１０は乾式エッチングであり、かつ下層活性層５４および上層フォトレジスト材料層５８よりも速い速度で下層の第１の高温誘電体層５６を選択的にエッチングするエッチング剤を使用することができる。例えば、第１の高温誘電体層５６は、平行平板型ＲＩＥ装置または代替的に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマリアクタなどの市販のエッチャー内で、プラズマガス（複数種可）、ここではフッ素イオンを含有する四フッ化炭素（ＣＦ４）で異方性エッチングして、フォトレジスト材料層５８のマスクパターンを複製して、拡張されたトレンチ開口部６２を作成する。その後、フォトレジスト材料層５８を剥離し（例えば、Ｏ２プラズマ中でアッシングし）、図４に示す構造を得る。
【００１９】
次に、構造は、コンタクト材料充填を経て、ニオブまたはタンタル（Ｔａ）または他の超伝導材料のような超伝導材料６４がトレンチ６２内に堆積されて、図５の結果として得られた構造が形成される。コンタクト充填材料は標準コンタクト材料堆積を用いて堆積することができる。コンタクト充填材料の堆積に続いて、超伝導材料６４が化学機械研磨（ＣＭＰ）によって第１の高温誘電体層５６の表面レベルまで研磨されてベース電極６６が形成され、図６の結果として得られる構造が提供される。
【００２０】
次に、図７に示すように、図６の構造の上に第２の高温誘電体層６８が形成される。第２の高温誘電体層６８は、第１の高温誘電体層５６と同じ方法および技術で形成することができる。図７に示すように、フォトレジスト材料層７０が、構造を覆うように塗布され、次いでビアパターンによってフォトレジスト材料層７０内に開口領域７２を露出するようにパターニングされ（例えば、ＤＵＶイメージングされ）、現像される。図７はまた、第２の高温誘電体層６８へのエッチング１２０を行って、フォトレジスト材料層７０内のビアパターンに基づいて第２の高温誘電体層６８内に拡張ビア開口部７４（図８）を形成することを示す。第１の拡張開口領域７２またはビアは、ベース電極６６にまで延在する。その後、フォトレジスト材料層７０を剥離し（例えば、Ｏ２プラズマ中でアッシングし）、図８に示す構造を得る。
【００２１】
次に、スパッタ前洗浄を行って、図８のベース電極のコンタクト材料上のあらゆる酸化物を除去する。さらに、図８の構造は、第１の拡張開口領域７２を充填する例えば、アルミニウムのスパッタ堆積処理により、またはベース電極６６にまで延在するビアにより導電コンタクト７６が形成される。次に、ＣＭＰを使用して第１の導電コンタクト７６の上面を研磨して、第１の導電コンタクト７６の上面にＪＪを形成するための平滑な表面を形成して、図９の結果として得られる構造が提供される。研磨面の粗さは、良好なＪＪ特性を確保するために非常に重要である。更に、ＪＪの幅は、第１の拡張開口領域７２またはビアの幅、最終的には導電コンタクト７６の幅に基づいて規定される。
【００２２】
次に、第１の導電コンタクト７６の上面を酸化して酸化上面７９を形成し、アルミニウム層８０で覆ってＪＪ８４を形成する（図１２）。薄い酸化アルミニウム７９はトンネル障壁を形成し、両側のアルミニウム層７８および８０はＪＪ８４のギャップ電圧を設定する。図１１に示すように、フォトレジスト材料層８２が、ＪＪを画定する構造の一部を覆うように塗布され、次に、ＪＪが形成される予定の場所を除くあらゆる場所でキャップ層８０を除去するために、パターニングされ、現像される。フォトレジスト材料層８２は両端において薄い酸化アルミニウムを覆う。
【００２３】
図１１は、キャップ層８０に対してエッチング１３０（例えば、異方性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））を行って、ＪＪ８４（図１２）を形成して最終のＪＪサイズを画定することを示す。エッチング１３０後に残留するキャップ層は、薄い酸化アルミニウム７９を封入する。エッチングステップ１３０は、第１の導電コンタクト７６、第２の高温誘電体層６８および上層のフォトレジスト材料層８２よりも速い速度で３層スタック層８１を選択的にエッチングするエッチング剤を用いるドライエッチングとすることができる。塩素ベースのプラズマエッチングは、ニオブ、タンタル、およびアルミニウムのような超伝導材料をエッチングするので、エッチング剤として利用される。酸化アルミニウム７９は非常に薄いので、エッチングは、エッチング化学物質中のアルゴンの存在により停止しない。プラズマエッチングは、下層ベース電極６６内に著しく過剰にエッチングされないことが望ましく、これにより、下層構造の良好な平坦性の利点が得られて、ＪＪ８４が形成される。その後、フォトレジスト材料層８２を剥離し（例えば、Ｏ２プラズマ中でアッシングし）、図１２に示す構造を得る。
【００２４】
次に、図１３に示すように、低温ベースの誘電体層８６（例えば、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ））を図１２の構造体の上に形成して、ＪＪ８４を封入し、下層の第２の高温誘電体層６８までの後続のエッチングのプラズマエッチング選択性が可能となる。低温ベースの誘電体は、温度およびエッチングプロセスによる後続の処理からＪＪ８４を保護するためにその時点で使用される。フォトレジスト材料層８８が、構造を覆うように塗布され、次いでビアパターンによってフォトレジスト材料層８８内に開口領域９０を露出するようにパターニングされ（例えば、ＤＵＶイメージングされ）、現像される。図１３はまた、低温ベースの誘電体層８６にエッチング１４０を行って、フォトレジスト材料層８８内のビアパターンに基づいて低温ベースの誘電体層８６および第２の高温誘電体層６８内に拡張ビア開口部９２（図１４）を形成することを示す。拡張ビア開口部９２は、ベース電極６６の第２の端部にまで延在する。その後、フォトレジスト材料層８８を剥離し（例えば、Ｏ２プラズマ中でアッシングし）、図１４の結果として得られる構造が提供される。
【００２５】
次に、図１５に示されるように、フォトレジスト材料層９４が構造を覆うように塗布され、次にパターニングされ現像されて、トレンチパターンに従ってフォトレジスト材料層９４内に開口トレンチ領域９６が露出される。図１５はまた、フォトレジスト材料層９４内のトレンチパターンに基づいて低温ベースの誘電体層８６に拡張開口部９６（図１６）を形成するために低温ベースの誘電体層８６にエッチング１５０（例えば、異方性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））を行うことを示す。エッチング１５０は、第２の高温誘電体層６８で停止するように選択的である選択的エッチングである。その後、フォトレジスト材料層９４を剥離し（例えば、Ｏ２プラズマ中でアッシングし）、図１６に示す構造を得る。
【００２６】
次に、構造は、標準コンタクト材料堆積を用いたコンタクト材料充填を経て、ニオブのような超伝導材料１００がビア９２およびトレンチ９８内に堆積されて、コンタクト１００および導電線１０２を形成して、図１７の結果として得られる構造が提供される。コンタクト材料充填物の堆積に続いて、コンタクト材料は化学機械研磨（ＣＭＰ）によってＴＥＯＳベースの誘電体層８６の表面レベルまで研磨されて、図１８の結果として得られる構造が提供される。最後に、図１８の構造に対して酸化物プラズマ（ｏｘｉｄｅ  ｐｌａｓｍａ）エッチング１６０を実行して、ＪＪ８４の近傍に高損失の誘電体が存在しないことを保証するために低温ベースの誘電体層８６を除去する。
【００２７】
ベース電極６６にまで延在するコンタクトおよび個々の導電線１０２に接続されたＪＪ８４を含む図１９に示す結果として得られる最終構造が提供されて、図１に示される構造と同様の構造が提供される。導電線１０２は、ＪＪ８４の第１の端部に接続されたベース電極６６に接続された対向電極と、ＪＪ８４の第２の端部に結合された上部電極とを形成する。
【００２８】
上述の記載内容は本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的で構成要素または方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるすべての変更、修正、および変形を包含することを意図している。
【図１】
2019528577.tif 000003
【図２】
2019528577.tif 000004
【図３】
2019528577.tif 000005
【図４】
2019528577.tif 000006
【図５】
2019528577.tif 000007
【図６】
2019528577.tif 000008
【図７】
2019528577.tif 000009
【図８】
2019528577.tif 000010
【図９】
2019528577.tif 000011
【図１０】
2019528577.tif 000012
【図１１】
2019528577.tif 000013
【図１２】
2019528577.tif 000014
【図１３】
2019528577.tif 000015
【図１４】
2019528577.tif 000016
【図１５】
2019528577.tif 000017
【図１６】
2019528577.tif 000018
【図１７】
2019528577.tif 000019
【図１８】
2019528577.tif 000020
【図１９】
2019528577.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月22日(2019.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導デバイスの配線構造を形成する方法であって、
基板を覆う第１の高温誘電体層を形成するステップと、
前記第１の高温誘電体層内にベース電極を形成するステップと、前記ベース電極は、前記第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、
前記第１の高温誘電体層および前記ベース電極の上に第２の高温誘電体層を堆積するステップと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第１の端部にまで延在する第１のコンタクトを形成するステップと、
前記第１のコンタクトの上面を覆い、かつ前記上面と接触するジョセフソン接合（ＪＪ）を形成するステップと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第２の端部にまで延在する第２のコンタクトを形成するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記ＪＪが、アルミニウム／酸化アルミニウム／アルミニウムＪＪである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ベース電極がニオブから形成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＪＪが前記第１のコンタクトの幅によって規定される幅を有するように、前記第１のコンタクトが前記ＪＪの直径以下の直径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の高温誘電体層および前記第２の高温誘電体層に使用される誘電体材料は、摂氏１８０℃を超える温度で前記第１および第２の高温誘電体層を形成することができる材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のコンタクトの上にある第１の導電線と、前記第２のコンタクトの上にある第２の導電線とを形成するステップをさらに含み、前記第１および第２の導電線は前記第２の高温誘電体層の上面の上に配置される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記第２の高温誘電体層上に低温誘電体層を形成するステップと、
前記第２のコンタクトを形成するために前記低温誘電体層および前記第２の高温誘電体層内にビアをエッチングするステップと、
前記第１の導電線および前記第２の導電線を形成するために前記低温誘電体層にトレンチをエッチングするステップと、
前記ビアおよび前記トレンチを超伝導材料で充填して前記ベース電極の第２の端部にまで延在する前記第２のコンタクトを形成するステップと、
前記超伝導材料を前記低温誘電体層の表面まで研磨するステップと、
前記低温誘電体層をエッチング除去するステップとをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ＪＪを形成が、
前記第１のコンタクトの上面を研磨するステップと、
前記第１のコンタクトおよび前記第２の高温誘電体層の上に第１のアルミニウム層を堆積するステップと、
前記第１のアルミニウム層を酸化してアルミニウム層の上面に酸化アルミニウム層を形成するステップと、
前記酸化アルミニウム層の上に第２のアルミニウム層を形成するステップと、
前記第２のアルミニウム層の上にフォトレジスト材料層を堆積してパターニングするステップと、
前記第２のアルミニウム層をエッチングして前記酸化アルミニウム層を前記第２のアルミニウム層で封止してＪＪを形成し、前記第２のアルミニウム層の残留部分を除去するステップと、
前記フォトレジスト材料層を剥離するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ベース電極を形成するステップは、シングルダマシンプロセスによって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板と前記第１の高温誘電体層との間に１つまたは複数の層を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
超伝導デバイスの配線構造であって、
基板を覆う第１の高温誘電体層と、
前記第１の高温誘電体層内に配置されたベース電極と、前記ベース電極は、前記第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、
前記第１の高温誘電体層および前記ベース電極の上に配置された第２の高温誘電体層と、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第１の端部にまで延在する第１のコンタクトと、
前記第１のコンタクトを覆うＪＪと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第２の端部まで延在する第２のコンタクトと、
前記第１のコンタクトの上にある第１の導電線と、
前記第２のコンタクトの上にある第２の導電線と
を備える超伝導デバイスの配線構造。
【請求項１２】
前記ＪＪが、アルミニウム／酸化アルミニウム／アルミニウムＪＪである、請求項１１に記載の配線構造。
【請求項１３】
前記第１のコンタクトが、前記ＪＪの直径を規定する直径を有する、請求項１１に記載の配線構造。
【請求項１４】
前記第１の高温誘電体層および前記第２の高温誘電体層に使用される誘電体材料は、摂氏１８０°を超える温度で前記第１および第２の高温誘電体層を形成することができる材料である、請求項１１に記載の配線構造。
【請求項１５】
前記第２のコンタクト、前記第１の導電線、および前記第２の導電線はニオブから形成され、前記第１のコンタクトはアルミニウムから形成される、請求項１１に記載の配線構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
上述の記載内容は本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的で構成要素または方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるすべての変更、修正、および変形を包含することを意図している。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
超伝導デバイスの配線構造を形成する方法であって、
基板を覆う第１の高温誘電体層を形成するステップと、
前記第１の高温誘電体層内にベース電極を形成するステップと、前記ベース電極は、前記第１の高温誘電体層の上面に整列された上面を有し、
ＪＪおよび前記第１の高温誘電体層の上に第２の高温誘電体層を堆積するステップと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第１の端部に達する第１のコンタクトを形成するステップと、
前記第１のコンタクトの上面を研磨するステップと、
前記第１のコンタクトおよび前記第２の高温誘電体層の上に第１のアルミニウム層を堆積するステップと、
前記第１のアルミニウム層を酸化して前記第１のアルミニウム層の上面に酸化アルミニウム層を形成するステップと、
前記酸化アルミニウム層の上に第２のアルミニウム層を形成するステップと、
前記第２のアルミニウム層をエッチングして、前記酸化アルミニウム層を前記第２のアルミニウム層で封止してＪＪを形成し、前記第２のアルミニウム層の残留部分を除去するステップと、
前記第２の高温誘電体層の上面から前記ベース電極の第２の端部に達する第２のコンタクトと、前記第１のコンタクトの上にある第１の導電線と、前記第２のコンタクトの上にある第２の導電線とを形成するステップとを含み、前記第１および第２の導電線は前記第２の高温誘電体層の上面の上に配置される、方法。
［付記２］
前記第２のコンタクト、前記第１のコンタクトの上にある前記第１の導電線、および前記第２のコンタクトの上にある前記第２の導電線を形成するステップは
前記第２の高温誘電体層およびＪＪの上に低温誘電体層を形成するステップと、
前記第２のコンタクトを形成するために前記低温誘電体層および前記第２の高温誘電体層にビアをエッチングするステップと、
前記第１の導電線および前記第２の導電線を形成するための前記低温誘電体層にトレンチをエッチングするステップと、
前記ビアおよび前記トレンチを超伝導材料で充填して前記第２のコンタクト、前記第１の導電線、および前記第２の導電線に形成するステップと、
前記超伝導材料を低温誘電体層の表面まで研磨するステップと、
前記低温誘電体層をエッチング除去するステップとを含む、付記１に記載の方法。
［付記３］
前記第１の高温誘電体層および前記第２の高温誘電体層に使用される誘電体材料は、摂氏１８０°を超える温度で前記第１および第２の高温誘電体層を形成することができる材料である、付記１に記載の方法。
［付記４］
前記第２のコンタクトならびに前記第１および第２の導電線がニオブから形成される、付記１に記載の方法。
［付記５］
前記ベース電極がニオブから形成される、付記１に記載の方法。
【国際調査報告】
2019528577.tif 000022
2019528577.tif 000023
2019528577.tif 000024