Supraleitende Strukturen auf Schaltungen oder Schaltungselementen, Herstellung dieser Strukturen und deren Verwendung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung beschreibt mikroelektronische Schaltungen mit neuartigen integrierten supraleitenden Strukturen, deren Herstellung und die

Verwendung.

Stand der Technik

[0002] Infolge der stetigen Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente

haben diese heute Abmessungen von wenigen Nanometern. Aus diesem Grund müssen in den komplementären Metall - Oxid - Halbleiter (CMOS) Bauelementen der nächsten Generation sehr hohe Dotierkonzentrationen und niedrige Schichtwiderstände in den n+ und p+ Regionen erreicht werden. [ TANAKA, Hiroaki, et al.. Low Contact Resistivity with Low

Silicide/p+-Silicon Schottky Barrier for High-Performance p-Channel Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistors. Jpn. j. appl. phys.. 2010, Band 49, S. 04DA03. ] Integrierte Bauelemente (auch als Schaltung oder Schaltungselemente bezeichnet) werden auf Wafern durch verschiedene Verfahren der Halbleitertechnik, wie zum Beispiel epitaxisches Auftragen, Sputtern, Bedampfen, chemische Abscheidung, Schichtabtrag und

Strukturierung (Fotolithografie) hergestellt, häufig auch in Verbindung mit Dotierungsverfahren zur Änderung von Materialeigenschaften.

[0003] Supraleitenden Systemen werden in zwei Arten unterschieden, die sich in ihrer Herstellung unterscheiden.

[0004] Beim Einschichtverfahren wird nur eine komplexe Verbindung als

Schichten auf dem Wafer aufgetragen. Im Anschluss wird die Schicht zum Beispiel mit Hilfe von Teilchenstrahlung strukturiert. Untersuchte

Verbindungen zur Herstellung von Hochtemperatursupraleiterschichten sind YBaCuO oder MgB2. Verbindungen, bei denen man nur das

Einschichtverfahren anwenden kann, erreichen im Allgemeinen höhere Sprungtemperaturen. Damit können die fertigen Schaltungselemente bei höheren Einsatztemperaturen betrieben werden. [ PORTESI, C, et al.. Fabrication of superconducting MgB2 nanostructures by an electron beam. J. appl. phys.. 2006, Band 99, S. 0661 15. , TLNCHEVT, S. S..

Investigation of RF SQUIDS made from epitaxial YBCO films.

Superconductor Science and Technology. 1990, Band 3, Nr. 10, S. 500- 503. ]

[0005] Vielschichtsysteme haben den Vorteil, dass supraleitende Strukturen, neben normalleitenden oder isolierenden Strukturen auf das Substrat aufgebracht werden können, wobei die Anordnung alternierend als

Zwischenschichten ausgeführt wird. Die Elektronenstrahllithographie wird zur Mikrostrukturierung eingesetzt. Mögliche Tunnelbarrieren werden aus Oxiden, wie AI2O3, oder Metallen, wie HfTi, hergestellt. Wichtig bei der Anordnung dieser Schichten ist eine gute Affinität der Schichten

zueinander. [ FLOKSTRA, J., et al.. Josephson junctions and DC SQUIDS based on Nb/Al technology. Clinical Physics and Physiological

Measurements. 1991 , Band 12, S. 59-67. , KIM, Yun Won, et al..

Fabrication of MgB2/Au/Nb and MgB2/Nb Josephson junctions. Physica C: Superconductivity and its Applications . 2007, Band 460-462, S.1466- 1467. ]

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0006] Aufgabe ist ein Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen mit

supraleitenden Strukturen in Silizium- oder Germanium-Wafern

anzugeben.

[0007] Die Herstellung der Strukturen der integrierten Schaltungen erfolgt in

Wafern mit bzw. ohne oxidischer Deckschicht durch die Implantation von chemischen Elementen, die in Folge einer anschließenden

Kurzzeitausheilung entweder ausgeschieden werden, mit dem Wafer eine neue chemische Verbindung eingehen oder den Effekt einer Dotierung erzielen.

[0008] Durch die Verwendung von Silizium- bzw. Germanium-Wafern wird die

Schaltungselementherstellung vereinfacht. In der Mikroelektronik werden üblicherweise Silizium-Wafer verwendet, so dass damit eine schnelle Überführung der so entstehenden Schaltungselemente in die Produktion ermöglicht wird. Die Herstellung von supraleitenden Strukturen auf diesen Wafern ist kostengünstiger als die Verwendung anderer Wafer. Erste Untersuchungen zeigen, dass die erfindungsgemäß hergestellten

Strukturen keine oder kaum Alterungserscheinungen aufweisen.

[0009]

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren

[0010] Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen

Schaltkreiselements am Beispiel eines doppelten supraleitenden

Tunnelskontaktes (sog. SQUID) 1 , bestehend aus dem Substrat (Wafer) 2, der aufgebrachte dicke Oxidschicht 3, der optional vorhanden dünnen Oxidschicht 4, der implantierte Schicht 5, den Kontakten 6 und den mit einem fokussierten lonenstrahl hergestellten Tunnelbarrieren 7 im rechten Bild.

[001 1] Die folgenden Abbildungen zeigen Untersuchungsergebnisse am Beispiel eines Silizium-Wafers mit präparierter Galliumschicht nach der

Implantation und der Ausheilung. Abb. 2 stellt die Abhängigkeit des temperaturabhängigen Schichtwiderstandes dar. Die Abb. 5 und 6 zeigen zwei Querschnitts-Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen (XTEM-Aufnahmen) und die Abb. 3 und 4_geben die Zusammensetzung der in Abb. 6 markierten Bereiche an, die mit Hilfe der energiedispersiven Röntenspekroskopie (EDX) bestimmt wurden.

Beschreibung der Ausführungsarten

[0012] Ausgangspunkt bildet ein Si- oder Ge-Wafer. Um das Ausdiffundieren von bereits implantierten Ionen aus dem Festkörper und das Sputtern von Oberflächenatomen während der Implantation zu vermeiden, können Passivierungsschichten, wie zum Beispiel Oxidschichten, bevorzugt Siliziumdioxid, auf den Wafer aufgebracht werden. Infolge der Implantation treten Stoßkaskaden in der Oxidschicht auf und es erfolgt an der

Grenzfläche eine Vermischung der Materialien. Auf den Wafer wird in Abhängigkeit des zu implantierenden Stoffes eine dicke Oxidschicht größer 100 nm aufgebracht, vorteilhafterweise verwendet man dazu S1O2 und vorteilhafterweise ist die Oxidschicht 200 bis 300 nm dick. Die

Oxidschicht wird zur Mikrostrukturierung selektiv geätzt, vorteilhafterweise mit einer ätzresistiven Negativmaske, die die gewünschte supraleitende Struktur repräsentiert. In den oxidgeätzten Bereich wird die gewünschte Schicht implementiert. Durch die Verwendung der dicken Deckschicht, können die Ionen während der Implantation nicht in den

Nachbarbereichen in die Tiefe des Siliziums bzw. Germaniums eindringen. Auf dem Bereich der aufzubringenden Struktur ist es möglich und in Abhängigkeit des implantierten Stoffes notwendig eine dünne Oxidschicht zu belassen, dies gilt aus den oben genannten Gründen bei der

Implantation und damit der Stoff beim anschließenden Ausheilen nicht aus dem Wafer diffundiert.

[0013] Bei steigender Dosis während der Implantation und damit wachsender Defektdichte beginnen die Defekte sich zu überlappen und es bilden sich Defektagg lomerate oder lokal amorphe Gebiete bis hin zu amorphen Schichten. Die Dicke der amorphen Schicht nimmt mit steigender lonenenergie und Dosis zu. Weiterhin ist die Maximalkonzentration der implantierten Ionen in der Schicht von der lonendosis abhängig. Bei der anschließenden Ausheilung soll die Schicht rekristallisiert, sowie je nach Zielvorgabe für das zu präparierende System (siehe unten), die

impantierten Atome im Gitter eingebaut (Dotieren) oder innerhalb des Wafers ausgeschieden (Präzipitationsbildung) werden. Alternativ soll die Ausheilung zu einer Synthese neuer chemischer Verbindungen führen. Bei der Ausheilung sollte stets ein Ausdiffundieredn der implantierten Atome vermieden werden. Deshalb werden Kurzzeitausheilverfahren, wie rapid thermal annealing (schnelle thermische Ausheilung abgekürzt RTA), flash lamp annealing (Blitzlampenausheilung - abgekürzt FLA) und/oder ultra short laser annealing (ultrakurzer Laser-Impulse- abgekürzt USLA), angewendet. Die Rückseite der Wafer kann zusätzlich beheizt werden, um den Temperaturgradienten in der Probe klein zu halten. Wenn die

Temperaturunterschiede in dem Wafer zu groß werden, führt das zunächst zu einer inhomogenen Ausheilung. Es kann aber aufgrund von

mechanischen Spannungen, die von Temperaturgradienten hervorgerufen werden, auch zur Zerstörung der Wafer kommen.

[0014] Nach dem Ausheilen können Kontakte zu den präparierten Strukturen

aufgesputtert oder aufgedampft werden, vorteilhafterweise aus

metallischen Stoffen. Für die untersuchten hochdotierten Schichten ist das Herstellen von Kontakten, die auch bei tiefen Temperaturen

ohmsches Verhalten zeigen, relativ schwierig. In den Randbereichen der Schaltkreise werden Goldkontakte aufgesputtert bzw. aufgedampft. Falls eine optional dünne Oxidschicht verwendet wurde, so muss diese gegebenenfalls in kleinflächigen Bereichen durch selektives Ätzen entfernt werden. Die Verwendung von Gold erweist sich als Option für das

Herstellen beständiger Kontakte. Auf das Gold können im Anschluss mit Silberleitlack dünne Silberdrähte aufgeklebt werden. Diese werden mit der entsprechenden Messelektronik (z.B. via Löten) elektrisch verbunden.

[0015] Mit einem fokussierten lonenstrahl (focussed ion beam - abgekürzt FIB) können ergänzend auch besonders schmale Schnitte gelegt werden, die als elektronische Tunnelbarrieren dienen.

[0016] In einer bevorzugten Ausführungsform (Präzipitationsbildung) entstehen nach der Implantation supraleitende Strukturen aus den in den Wafer implantierten chemischen Elementen. Als solche kommen Ga, Nb und/oder V in Frage. Die entsprechenden Parameter bei der Herstellung der einzelnen Stoffe sind in Tab 1 angegeben. Die erreichte

Sprungtemperatur T _c bei der Implantation von (amorphen) Ga in Silizium beträgt beispielsweise 7 K.

[0017] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden bei der

Herstellung neue chemische Verbindungen implementiert, wobei die Nichtgleichgewichtsbedingungen bei der Implantation und der Ausheilung auch die Bildung metastabiler Phasen begünstigen können (gilt ebenfalls für die Präzipitationsbildung). Viel versprechende Verbindungen sind NbsSi (T _c 19K), NbsGe (T _c 21 K), V ₃ Si (T _c 17, 1 K) bzw. V ₃ Ge (T _c 8,01 K).

[0018] Eine weitere Ausführungsform entsteht durch die Implantation von

dotierenden Ionen. Auf diese Weise wurden Ge:Ga (T _c = 0,5 bis 1 ,4 K bzw. 43 K), Ge:B und Si:B präpariert.

[0019]

Tab 1

Substrat (mit oxidischer Implantierter Stoff mit Ausheilungsmethode mit Schutzschicht) Dosis Parameter

Si-Wafer oder Ge-Wafer Ga RTA Substrat (mit oxidischer Implantierter Stoff mit Ausheilungsmethode mit

Schutzschicht) Dosis Parameter

mit 20 bis 50 nm Dosis etwa 1 min

oxidierender 10 ¹⁶ bis 10 ¹⁷ cm- ² bei 600 bis 700 °C

Schutzschicht (Si-Wafer) bzw.

bei 800 bis 1000 °C

(Ge-Wafer)

Si-Wafer oder Ge-Wafer Nb, V RTA

mit 20 bis 50 nm Dosis etwa 1 bis 100 s oxidischer Schutzschicht 10 ¹⁴ bis 5 x 10 ¹⁷ cnr ² bei 600 bis 1200 °C

oder

FLA

für 0,1 bis 20 ms etwa 10 bis 100 Jcnr ²

(T = 600 bis 1500 °C) oder

USLA

für 1 bis 100 ns,

T = 900 bis 1500 °C

(- 0,1 bis 10 Jcnr ² )

Si-Wafer oder Ge-Wafer binäre oder ternäre RTA

mit optionaler 20 bis 50 Verbindung aus etwa 1 bis 100 s nm oxidischer implantierten Elementen bei 600 bis 1200 °C

Schutzschicht und Substratmaterial oder

NbsGe, NbsSi, V ₃ Si oder FLA

V ₃ Ge für 0,1 bis 20 ms

Dosis: etwa 10 bis 100 Jcnr ²

10 ¹⁵ bis 5 x 10 ¹⁷ cnr ² (T = 600 bis 1500 °C) oder

USLA

1 bis 100 ns,

T = 900 bis 1500 °C

(- 0,1 bis 10 Jcnr ² ) Substrat (mit oxidischer Implantierter Stoff mit Ausheilungsmethode mit

Schutzschicht) Dosis Parameter

Si-Wafer oder dotierte Ionen sind im FTA

Germanium-Wafer Substrat gelöst 40 bis 80 s

mit 20 bis 50 nm Ge:Ga bei 800 bis 950 °C oxidierender Dosis: 2 bis 6 x 10 ¹⁶ cm- ² oder

Schutzschicht FLA

für 2 bis 5 ms

bei 40 bis 80 Jcnrr ² oder

USLA

1 bis 100 ns,

T = 900 bis 1500 °C

(- 0,1 bis 10 Jcm- ² )

Si-Wafer oder Si:B, Ge:B RLA

Germanium-Wafer Dosis: 2 bis 6 x 10 ¹⁶ cm- ² 1 bis 100 sec

mit 20 bis 50 nm bei 600 bis 1200 °C oxidischer Schutzschicht oder

FLA

für 0,1 bis 20 ms bei 10 bis 100 Jcm- ²

(T = 600 bis 1500 °C) oder

USLA

1 bis 100 ns,

T = 900 bis 1500 °C

(- 0,1 bis 10 Jcm- ² )

[0020] Beim Ausheilen mit USLA können die Laser-Pulse mit den in Tab 1

angegebenen Zeiten bis zu 1000 mal mit 1 bis 10 Hz-Wiederholraten repetiert werden.

[0021] Weiterhin sinnvoll ist die Probe beim Ausheilen von einem gasförmigen Stoff (zum Beispiel Ar) umfließen zu lassen. [0022] Die erreichten Vorteile der so hergestellten supraleitenden Strukturen auf den Bauelementen werden am Beispiel von mit Gallium implantierten Silizium-Wafer beschrieben.

[0023] Abb. 5 zeigt die XTEM- Auf nähme einer mit 4 x 10 ¹⁶ cm- ² Gallium

implantierten und nicht ausgeheilten Probe. Die etwa 100 nm breite amorphe Schicht 13 ist gut zu erkennen. Abb. 6 zeigt die XTEM-Aufnahme einer mit 4 x 10 ¹⁶ cm- ² Gallium implantierten und bei 650 °C ausgeheilten Probe. In dieser Aufnahme ist die amorphe Schicht der Abb. 5 nun polykristallin 14 und Ausscheidungen 18 sind deutlich sichtbar. Der stark geschädigte Übergangsbereich 12 zwischen der polykristallinen Schicht 14 und dem einkristallinen Substrat 1 1 ist unverändert vorhanden.

Weiterhin befindet sich eine hohe Dichte der Ausscheidungen 18 an der Grenzfläche zur Oxidschicht 15 (hier S1O2). Hinter der Grenzfläche nimmt die Ausscheidungsdichte ab und in tieferen Bereichen sind zufällig verteilte, zum Teil mehrere nm große Ausscheidungen 18 erkennbar. Die in Abb. 6 sichtbaren Ausscheidungen 18 zeigen keine kristallinen

Strukturen und sind somit amorph. Um Aufschluss über die

Zusammensetzung dieser Gebiete zu erhalten, wurden an den mit 21 und 22 markierten Bereichen EDX-Analysen durchgeführt. Die resultierenden Spektren sind in Abb. 3 (Punkt 21 ) und 4 (Punkt 22) dargestellt.

[0024] Abb. 2 zeigt den temperaturabhängigen Schichtwiderstand von mit

4x10 ¹⁶ cnr ² Gallium implantierten und zwischen 550°C und 900°C ausgeheilten Proben eines Gallium implantierten Si-Wafers. Ein Absinken des Widerstandes von 5,3 kQ/sq. bei 6 K auf 550 Ω/sq. bei 2,5 K ist bei der mit 600°C ausgeheilten Probe zu erkennen. Bereits unterhalb von 7 K ist der Widerstand der mit 650°C bzw. 700°C ausgeheilten Proben auf einen, mit den hier verwendeten Geräten, nicht messbar kleinen Wert gesunken.

[0025]

Gewerbliche Anwendbarkeit

[0026] Die erfindungsgemäßen Strukturen ermöglichen neben den bekannten Anwendungsmöglichkeiten mikroelektronischer Schaltungselement die Steuerung quantenmechanischer Interferenzerscheinungen mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes oder eines auf dem Chip erzeugten Magnetfeldes. Eine weitere Einsatzmöglichkeit bieten Logikschaltungen für das Quantum Computing.

[0027]

Liste der Bezugszeichen

[0028]

Tab 2: Bezugszeichenliste

1 Schaltkreiselement

2 Wafer

3 dicke Oxidschicht

4 optionale dünne Oxidschicht

5 implantierte Schicht

6 Kontakte

7 FIB - Schnitt

1 1 kristallines Substrat

12 stark geschädigter Bereich

13 amorphe Schicht

14 polykristalline Schicht

15 Oxidschicht

16 Kleber

17 Loch

18 Ausscheidungen

it EDX analysierte Bereiche