Способ изготовления тонкопленочных туннельных переходов методом раздельной литографии
METHOD FOR MANUFACTURING THIN-FILM TUNNEL JUNCTIONS BY THE METHOD OF SEPARATE LITHOGRAPHY

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных сверхпроводниковых структур.
Известно, что высокочувствительные приемники СВЧ и КВЧ излучения основаны на использовании тонкопленочных туннельных переходов, структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), структур типа сверхпроводник-изолятор-нормальный метал (СИН), структур типа нормальный метал-изолятор-сверхпроводник (НИС), структур типа нормальный металл-изолятор-нормальный металл (МИМ).
Описан способ изготовления сверхпроводниковых туннельных переходов и одноэлектронных транзисторов методом Долана с теневым напылением под двумя углами через подвешенную маску из электронного резиста (G.J. Dolan, Appl. Phys. Lett. 31, 337-339, 1977). Двухслойная маска используется для напыления под разными углами двух слоев металла. Окисление нижнего слоя алюминия в процессе изготовления позволяет получить, в частности, джозефсоновские туннельные переходы высокого качества. Недостатком метода является наличие висячего мостика из резиста, что снижает воспроизводимость и надежность изготовления и не позволяет проводить ионную чистку подложки перед напылением пленок.
Описан способ изготовления устройств с тонкопленочными туннельными переходами (RU 2733330 С1, ФГБУН ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 01.10.2020). Сущность заключается в нанесении двух разных слоев металлических пленок в одном вакуумном цикле и без использования сложной структуры двухслойного электронного резиста с висячим мостиком из этого резиста. Результат достигается напылением пленки на подложку в нужном направлении вдоль соответствующей канавки и напыление на стенку второй канавки с последующим удалением вместе с резистом. Туннельный барьер образуется путем окисления первой напыленной алюминиевой пленки. В результате, на подложке остается только требуемый сверхпроводниковый туннельный переход необходимых размеров с верхним и нижним электродами, сформированными вдоль соответствующих ортогональных канавок в резисте. В отличие от предыдущего аналога такой способ обладает более высокой производительностью и возможностью осуществлять ионную чистку подложки перед напылением пленок. Однако такая технология не подходит для промышленного производства и требует сложного технологического оборудования для напыления пленок с возможностью наклона и поворота подложки внутри рабочей камеры в процессе напыления.
Описан способ изготовления СИС трехслойной структуры Гурвича, которая формируется в едином вакуумном цикле через окно в фоторезисте (M. Gurvitch, High quality refractory Josephson tunnel junctions utilizing thin aluminium layers Appl. Phys. Lett., 42, 472-474, 1983). Суть технологии заключается в напылении первого слоя, окислении в той же рабочей камере при определенных параметрах, откачки и напылении второго слоя структуры в одном вакуумном цикле. Такой способ получил широкое распространение, т.к. изготавливаемые туннельные переходы имеют высокое качество, и нет необходимости в сложном технологическом оборудовании для напыления. Недостаток способа - одинаковая форма верхнего и нижнего слоя сверхпроводника, что требует дополнительных технологических этапов при создании сложных схем, необходимость анодизации торцов пленок в случае ниобия, плохая совместимость с переходами алюминий-алюминий, растворяющимися в щелочном проявителе для фоторезиста.
Известен способ изготовления СИС туннельного перехода в двух вакуумных циклах (Г.М. Лапир, Н.И. Комаровских, Электронная промышленность, №6, 64, 1973). Суть технологии заключается в следующем: обратная литография, напыление первого металлического слоя, удаление резиста; повторная литография, чистка, окисление, напыление второй пленки металла, удаление резиста. Недостаток способа -низкое качество туннельного барьера за счет нарушения вакуума перед нанесением верхнего слоя туннельного перехода.
Известен способ изготовления устройств с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами (RU 2593647 С1, ФГБУН ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 10.08.2016). Наносят без нарушения вакуума трехслойную структуру сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН контакт); наносят резист, проводят экспозицию, проявление; селективное химическое или ионное травление трехслойной структуры, после стравливания трехслойной структуры проводят планаризацию поверхности напылением через маску диэлектрика толщиной, равной толщине трехслойной структуры, после чего удаляют диэлектрик вне области туннельных переходов и наносят тонкую пленку перемычки (абсорбера) из нормального металла или другого сверхпроводника, при этом этот слой перемычки наносится на планаризованную поверхность и может быть существенно тоньше предыдущих слоев, менее 10 нм. К недостаткам метода относится необходимость применения разных металлов с селективным травлением в кислотах и щелочах и невысокое качество таких структур.
Наиболее близким к патентуемому является способ изготовления туннельных переходов с барьером из оксида титана (Е. Otto, М. Tarasov, L. Kuzmin. Ti-TiO2-Al normal metal-insulator-superconductor tunnel junctions fabricated in direct-write technology. Supercond. Set Technol. 2007, v. 20, 865-869 - прототип). Суть технологии заключается в следующих операциях: нанесение пленки титана на подложку, литография, химическое травление титана, удаление резиста, очистка пленки титана в плазме кислорода и ионное травление, окислении пленки на воздухе 10 часов при температуре 150°С, напыление пленки алюминия, литография, химическое травление алюминия, удаление резиста.
Недостатки данного метода - слишком высокая температура и время окисления для создания барьера из оксида титана, слишком высокое сопротивление такого туннельного барьера, необходимость химического травления.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания высококачественного туннельного перехода (структур СИС, СИН, НИС или МИМ) произвольной формы и площади методом прямой раздельной литографии.
Патентуемый способ изготовления тонкопленочных туннельных переходов методом раздельной литографии включает формирование первой литографией первого слоя из алюминия, нанесение резиста под вторую литографию второго слоя металла, экспозицию в литографе, проявление резиста, формирование туннельного барьера и напыление второго слоя металла.
Отличие состоит в том, что перед формированием туннельного барьера проводят удаление естественного окисла и очистку поверхности первого слоя из алюминия путем плазменного или ионного травления, а туннельный барьер формируют на подвергнутой указанному травлению поверхности.
Способ может характеризоваться тем, что удаление толстого естественного окисла проводят путем плазменного или ионного травления, а также тем, что при формировании структуры сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) второй слой металла представляет собой слой алюминия.
Способ может характеризоваться и тем, что при формировании структуры СИН, слой нормального металла наносят поверх дополнительного подслоя из алюминия, причем толщина слоя нормального металла превышает толщину слоя алюминия.
Способ может характеризоваться, кроме того, тем, что при формировании структуры МИМ под первый слой из алюминия наносят дополнительно подслой нормального металла. Способ может характеризоваться и тем, что поверхность первого слоя алюминия подвергают нитридизации, а туннельный барьер формируют на указанной поверхности.
Технический результат - упрощение технологии изготовления, применение промышленных технологий массового производства, не требующих сложной технологической установки для теневого напыления, не требующей химического травления, и снижение требований на выбор материалов для слоев из нормального металла, а также формирование высококачественного туннельного барьера произвольной контролируемой прозрачности.
В основе патентуемого способа лежит технология, реализующая нанесение двух металлических пленок с туннельным барьером между ними за два вакуумных цикла, без использования сложного технологического оборудования для напыления, а также без использования химического травления. Не требуется применение наклона и/или поворота подложки внутри рабочей камеры. Оптическая или электронная литография, проводимая в два технологических цикла, а также применение дополнительного ионного или плазменного травления для удаления окисла, появляющегося из-за нарушения вакуума после напыления первой пленки, позволяет создать туннельный переход произвольной формы и площади. Окисление очищенной после травления поверхности алюминия позволяет создать туннельный переход высокого качества. Раздельная литография верхнего и нижнего слоев позволяет формировать структуры произвольной формы.
Сущность изобретения поясняется на фигурах, где позициями обозначены: 1 - кремниевая подложка; 2 - подводящие электроды; 3 - первый слой резиста; 4 - второй слой резиста; 5 - первый слой металла, 6 - резистивная маска; 7 - второй слой металла; 8 - туннельный переход.
Фиг 1. Кремниевая подложка (1) и изготовленные подводящие электроды (2), с помощью которых будет осуществляться контакт с туннельной структурой.
Фиг. 2. Вид сверху: маска из двухслойного резиста для напыления первого слоя (на рисунке виден только верхний слой 3 резиста РММА).
Фиг. 3. Трехмерное изображение в разрезе по А-А (фиг. 2) слоев 3, 4 резиста (РММА (3) и ММА (4)) после экспонирования и проявления.
Фиг. 4, 5 - первый слой металла (5): вид сверху и трехмерное изображение.
Фиг. 6 - вид сверху: резистивная маска (6) для напыления второго слоя металла (7). На рисунке виден только верхний слой маски (6) РММА. Перед напылением следующего слоя проводится ионное травление окисла, образовавшегося из-за разрыва вакуума после напыления первой слоя 5 металла.
Фиг. 7 - вид сверху напыленной структуры после удаления резистивной маски, первый слой металла (5); второй слой металла (7). В области пересечения слоев металла 5 и 7 образуется туннельный переход (8).
Фиг. 8. - Трехмерное изображение туннельного перехода (8) после удаления резиста.
Процесс изготовления устройств с тонкопленочными туннельными переходами, состоящими из двух слоев металла, разделенных туннельным барьером, осуществляют следующим образом.
1. На поверхность диэлектрической подложки 1 наносят первый слой 4 резиста (например, copolymer ММА) и его запекают (при температуре 130-170°С в течение 5 мин), для создания отрицательного профиля резиста для первого слоя структуры.
2. Наносят второй слой 3 резиста (например, марки РММА) и проводят его запекание (при температуре 130-170°С в течение 5 мин) для формирования топологии первого слоя.
3. Проводят экспозицию резиста с засвечиванием областей, в которых будет удален резист, для формирования топологии первого слоя.
4. Проводят проявление двухслойного резиста.
5. Проводят напыление первого слоя 5 металла:
- сверхпроводника (например, алюминия) для СИС и СИН переходов;
- нормального металла (например, меди) для НИС и МИМ переходов.
6. Проводят удаление двухслойного резиста вместе с напыленными на него слоями металла.
7. Проводят чистку подложки, нанесение двухслойного резиста, проведение экспозиции и проявление двухслойного резиста (аналогично п. 1 - п. 4) для формирования топологии второго слоя.
-3
8. Осуществляют плазменное или ионное травление (200 Вт, 4,5 мин, пост, смещение 900 В, давление аргона 6×10) для удаления слоя окисла, возникающего из-за нарушения вакуума после напыления первого слоя 5, а также удаление прилегающего тонкого слоя 5 первого металла.
9. Формируют туннельный переход 8 путем проведения следующих операций:
- окисление в напылительной камере (давление 10 Торр, 10 минут) - для СИС и СИН туннельных переходов;
- подпыление тонкого слоя алюминия (~ 5 нм) и его окисление (давление 10 Торр, 10 минут) - для НИС и МИМ туннельных переходов,
10. Проводят напыление второго слоя 7 металла:
- сверхпроводника (например, алюминия) - для СИС и НИС туннельных переходов;
- нормального металла (например, меди) - для СИН и МИМ туннельных переходов; предварительно напыляется буферный слой металла (например, палладия толщиной ~ 5 нм),
11. На заключительной стадии проводят удаление двухслойного резиста вместе с напыленными на него слоями металла с получением искомого туннельного перехода.
Технический результат предлагаемого решения состоит в достижении поставленных целей - создании высококачественных туннельных переходов (СИС, СИН, НИС, МИМ) произвольной формы и площади без необходимости использовать сложное технологическое оборудование для теневого напыления. Метод прямой литографии является наиболее надежным и может быть использован для изготовления структур в промышленном масштабе. Ионное травление проводят перед напылением второй пленки туннельного перехода. Для структур типа СИН и МИМ может быть использован буферный слой из палладия.
Достижение технического результата подтверждается реализацией сверхпроводниковых квантовых интерферометров (сквидов) с джозефсоновскими туннельными переходами Al/AlOx/Al с удельным сопротивлением 1 кОм на 1 кв.мкм и цепочки до 350 таких сквидов, характеризующихся высокой точностью воспроизведения характерных параметров асимптотического сопротивления и критического тока.