JP6053821B2 - 超伝導回路用の低温抵抗体 - Google Patents

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関連出願

本出願は２０１１年１２月１９日に出願された米国特許出願第１３／３３０，２７０号の優先権を主張するものであり、その全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般的には超伝導体に関し、特に低温抵抗体を形成する方法に関する。

超伝導回路は、通信の信号の品質や計算能力が必要とされる国家安全保障の用途に有意な強化を提供することが期待される量子計算及び暗号化の用途に提案されている主要な技術の一つである。超伝導回路は、１００ミリケルビンより低い温度で動作する。４．２Ｋの温度で動作する超伝導回路の電気抵抗体に用いられる材料は、４．２Ｋとミリケルビンとの間の温度範囲内で、超伝導への移行、つまり直流抵抗を有するため、ミリケルビンの温度での動作には適していない。このグループにおける一例の抵抗体材料は薄膜のモリブデンである。４．２Ｋで抵抗体用に用いられる他の材料は、超伝導制御回路を製造することが望まれるシリコン半導体ファウンドリのプロセスと互換性がない。このグループにおける一例の抵抗体材料は、金とパラジウムとの合金（ＡｕＰｄ）である。金と銅はシリコン半導体ファウンドリにおける深刻な汚染物質である。

本発明の一態様では、１００ミリケルビン未満の温度で超伝導である材料から形成された回路素子と、これらの回路素子に接続された抵抗体を一体化した超伝導回路が提供される。抵抗体は、１００ミリケルビン未満の温度で抵抗性である遷移金属の合金から形成される。

本発明の他の態様では、超伝導回路の生成方法が提供される。１００ミリケルビン未満の温度で超伝導である第１の材料層が絶縁基板の上に堆積される。次に、１００ミリケルビン未満の温度で抵抗性のままである遷移金属の合金から形成される第２の材料層が堆積される。第２の材料層は第１の材料層と接触する。

本発明のさらに他の態様では、超伝導材料から形成された回路素子と、該回路素子に接続された抵抗体とを含む超伝導回路が提供される。抵抗体は、合金中の原子に対する価電子の数の比が約５．３５と約５．９５との間にあるように選択された原子比を有する遷移金属の合金から形成される。

本発明の一態様による集積回路の機能ブロック図である 本発明の一態様によるミリケルビン温度の用途に使用するための集積回路アセンブリの例示的な実装を示す図である。 製造の初期段階における回路構造を示す図である。 本発明の一態様に従ってフォトレジスト材料層をパターニングした後の図３の構造の概略断面図である。 本発明の一態様によって超伝導材料層に開口部を延在させるためのエッチングステップ後の図４の構造の概略断面図である。 本発明の一態様に従ってフォトレジスト材料層を剥離した後の図５の構造の概略断面図である。 抵抗材料層を堆積した後の図６の構造の概略断面図である。 図７の構造を覆うように第２のフォトレジスト材料層を塗布し、開口領域を露出させるためにパターニングして、現像した後の図７の構造の概略断面図である。 超伝導材料層を露出させるために露出した抵抗材料をエッチングした後の図８の構造の概略断面図である。 第２のフォトレジスト材料層を剥離した後の図９の構造の概略断面図である。 絶縁層を堆積した後の図１０の構造の概略断面図である。

図１は、本発明の一態様による抵抗性である素子（例えば、１２）を含んでいる集積回路１０の機能ブロック図である。抵抗素子の材料の抵抗率は一般に動作条件、特に温度によって変化することが当業者に認識されているが、特に、回路の動作条件で実質上抵抗性を有さない材料を、ここでは「超伝導材料」という。特に本明細書の目的に対して、超伝導材料は回路の動作温度より高い転移温度（Ｔｃ）を有する材料である。一実装において、回路は、動作温度が１００ミリケルビン未満であるような、量子回路の動作環境内で使用することができる。

回路１０は、回路の動作環境において大きい抵抗を有する遷移金属の合金から形成される抵抗体１２と、動作環境において超伝導性である超伝導材料から形成された少なくとも１つの回路素子１４とを含む。例えば、回路素子１４はコンデンサ、スパイラルインダクタ、ジョセフソン接合のいずれか、又は、超伝導体の用途に通常用いられる他の多数の回路素子のいずれかを含むことができる。超伝導材料は、低温で超伝導性を呈することが知られている任意の金属、炭素同素体、合金、セラミック、又は他の純粋な元素を含んでもよい。多くの材料がミリケルビン温度でこのような特性を有しているため、超伝導材料は半導体処理技術とコンパチブルな低コストの材料として選択することができる。

本発明の一態様によれば、抵抗体１２を形成するために用いられる遷移金属の合金は、その合金材料中の原子に対する価電子の合計比が特定の範囲内にあるようなものを選択することができる。特に、合金は、原子に対する価電子の比が５以上で６未満であるときに、通常の導電性を呈する。用語「遷移金属」は、周期表のｄブロック内に見られる任意の元素、特に第３〜１１族内の元素のことをいう。「価電子」は、所定の原子の最も外側のｓ副殻及び最も外側のｄ副殻内の電子の結合数を意味する。したがって、本出願の目的のためには、それぞれの原子に関連付けられる価電子の数は、第４族の遷移金属に対しては４つ、第５族の遷移金属対しては５つに等しい、といったようになる。

一実装において、合金を形成する金属はチタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タングステン、タンタル、及びレニウムを含む群から選択することができる。原子に対する価電子の総合比が５と６の間である限り、合金は前記群からの２つ以上の金属を含むことができる。合金がミリケルビンの範囲で所望の抵抗率を有すようにするために、合金を構成する金属の原子比は、原子に対する価電子の比を約５．３５から約５．９５の範囲内に維持するように選択することができる。一実装において、抵抗体１２は１〜１０オーム／□のシート抵抗を提供するように設計され、抵抗薄膜の厚さは２０〜２００ナノメータである。したがって、抵抗薄膜はミリケルビンの動作温度で２〜２００マイクロオームｃｍの抵抗率を提供する。一実装において、シート抵抗及び厚さは１０〜５０マイクロオームｃｍの抵抗率を提供するように選択される。

本明細書に記載される遷移金属のクラスを使用すると多くの利点がある。記載されている合金は、１５〜１００ミリケルビンの動作温度範囲においては実質上温度に無関係なシート抵抗を有する。それらは非磁性であり、他のプロセス用の半導体機器を汚染するリスクなしに半導体処理機器に用いることができる。合金ということで、それらは、特に純元素と比較した場合に、不純物や欠陥などの僅かの変化に対して比較的、鈍感である。合金は、半導体処理に関連する温度、典型的には１３０〜３００℃において化学的に安定している。これには、化学反応に対する安定性だけでなく、隣接する薄膜層との相互拡散も含まれる。この化学的な安定性は、低い蒸気圧と耐腐食性を可能にする。これらの合金の多くは、超伝導回路製造プロセスの他の部分と一致する薄膜堆積プロセスに適用することができ、ドライエッチングプロセスによりパターニングすることができる。最後に、選択された材料のグループには比較的一般的で低コストの部材が含まれる。

図２は、本発明の一態様による、ミリケルビン温度の用途に使用する集積回路アセンブリ５０の例示的な実装を示している。集積回路アセンブリ５０は、このアセンブリのための構造支持体として役立つ絶縁基板５２を備えている。基板５２は、ミリケルビン温度で絶縁体である半導体回路アセンブリのための基板として役立つための十分な剛性を備える任意の材料から形成することができる。一実装において、基板５２はシリコンウエハを含む。

薄膜抵抗体５４は基板の上に製造することができる。本発明の一態様によれば、抵抗体層５４は、原子に対して特定の比率の価電子を有する遷移金属の合金から形成することができる。図示の実装において、抵抗体５４は、チタンとタングステンの合金から製造され、チタンとタングステンの原子比は約５対１（すなわち、合金を構成する原子の約１７％がタングステンで、約８３％がチタン）である。選択された合金は、３．０６オーム／□で、厚さが１５４ｎｍで、抵抗率が４７マイクロオームｃｍのシート抵抗を提供する。しかしながら、これらの数量は、例えば、６７％のタングステンと３３％のチタンとの組成物から、９８％のタングステンと２％のチタンとの組成物まで、それぞれ異なることは理解されるであろう。これは、８８．５％重量のタングステンと１１．５％重量のチタンとの組成物から、９９．５％重量のタングステンと０．５％重量のチタンとの組成物の範囲に相当する。

第１及び第２の超伝導トレース５６及び５８が、薄膜抵抗体５４に隣接して基板５２上に作成される。超伝導トレース５６及び５８はアルミニウム、ニオブ、または他のいくつかの超伝導材料によって形成することができる。各超伝導トレース５６及び５８は、それぞれの端部６２及び６４にて薄膜抵抗体５４に電気的に接続される。アセンブリ全体は第２の絶縁層６６によって覆うことができる。チタン／タングステン合金の使用は多くの利点を提供する。この合金は、低温では抵抗の温度依存がほとんどない。合金に磁性はなく、半導体処理のための機器を汚染しない。さらに、堆積プロセスはアルゴンガス中にて室温で実行することができ、その合金のためにフッ素系ガスを用いる反応性イオンエッチングプロセスが良好に確立されている。

次に、図３−１１を参照して、ミリケルビン温度で使用する抵抗体の形成につき説明する。本例は抵抗体につき説明するが、その手法は低温環境で使用する多様な異なるデバイスを形成するのに用いることもできる。図３は、製造の初期段階における回路構造１００を示す。図３は、絶縁基板１０４上に超伝導材料層１０２を堆積した後の回路構造を表している。超伝導材料層１０２は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積装置（ＡＬＤ）、スパッタリング、又は、スピンオン法を含む任意の適切な堆積技術によって堆積することができる。図示の実装では、超伝導材料はスパッタリングによって堆積される。超伝導材料層１０２を製造するために用いられる材料には、例えば、アルミニウム、ニオブ、又は他のいくつか超伝導材料が含まれる。超伝導材料層１０２は、この層１０２を機械的に支持するための他の絶縁層１０４の上にある。

次に、図４に示されているように、フォトレジスト材料層１０８が回路構造を覆うように塗布され、そして、このフォトレジスト材料層１０８は、これに開口領域１１０を露出させるためにパターニングされて、現像される。フォトレジスト材料層１０８は、このフォトレジスト材料層１０８をパターニングするために用いられる放射線の波長に応じて厚さが変化する。フォトレジスト材料層１０８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法によって、超伝導材料層１０２の上に形成され、開口領域１１０を形成するために選択的に照射されて、現像される。フォトレジスト材料層の現像に用いられる現像液は保護バリア層１０６には影響を及ぼさない。

図５は、超伝導材料層１０２に開口部１１４を形成するために超伝導材料層１０２にエッチング工程を実行した後の回路構造１００を示す。エッチングは、例えば、塩素系のドライプラズマエッチングとすることができる。例えば、超伝導材料層１０２は、パターニングしたフォトレジスト材料層１０８のマスクパターンを複製し、これにより超伝導材料層１０２に開口パターンを作成するために、平行板反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置や、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）反応器や、或いは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ反応器といったような市販のエッチング装置にて、塩素イオンを含んでいるプラズマガスで異方性エッチングすることができる。あるいは、エッチングはウェットエッチングでもよい。パターニングされたフォトレジスト材料層及び下地層（図示せず）に比べて相対的に速い速度で超伝導材料層１０２をエッチングするためには選択エッチング法を用いるのが好適である。

そして、フォトレジスト材料１０８は、図６に示される構造が得られるように、（例えば、Ｏ_２プラズマでアッシングすることにより）剥がされる。図７は、図６の構造の上に抵抗材料層１２２を堆積した後の回路構造１００を示す。図示の実装では、抵抗材料層１２２は、タングステンとチタンの原子比が約５対１のタングステンとチタンの合金であり、その層は、スパッタリングによって堆積される。次に、図８に示されているように、第２のフォトレジスト材料層１２４がその構造を覆うように塗布され、そして、第２のフォトレジスト材料層１２４は、これに開口領域１２６を露出させるためにパターニングされ、現像される。

図９において、超伝導材料層１０２を露出させるために、露出された抵抗材料１２２はエッチング除去される。このエッチング工程は、下にある超伝導材料層１０２及び上にあるフォトレジスト材料層１０８より速い速度で保護バリア層１０６を選択的にエッチングするエッチング液を用いるドライエッチング又はウェットエッチングとすることができる。例えば、抵抗材料層１２２は、パターニングした第２のフォトレジスト材料層１２４のマスクパターンを複製するために、平行平板ＲＩＥ装置、或いは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ反応器といったような、市販のエッチング装置にて、プラズマガス、ここではフッ素イオンを含んでいる四フッ化炭素（ＣＦ_４）を用いて異方性エッチングすることができる。図示の実装では、エッチングはフッ素系ガスによる反応性イオンエッチングにより行われる。そして、第２のフォトレジスト材料層１２４は、図１０に示される構造を提供するために剥がされる。図１１において、回路構造１００は、シリコン又はシリコン酸化物のような第２の絶縁層１２８で覆われる。

上述されたことは、本発明の例に過ぎない。当然ながら、本発明を記載する目的で構成要素又は方法の考えられる全ての組み合わせを記載するのは不可能であるが、当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせ及び置換が可能であることを認識するであろう。例えば、図３−１１に示される製造プロセスにおいて、抵抗層は、その抵抗体が１箇所以上の位置にて超伝導層と１以上の基板との間に直接あるように、超伝導層を堆積する前に堆積することができる。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入る全ての変更、修正、及び変形を網羅することを意図している。

Claims (13)

1. １００ミリケルビン未満の温度で超伝導性である材料から形成された回路素子と、
   前記回路素子に接続され、１００ミリケルビン未満の温度で抵抗性である遷移金属の合
   金から形成された抵抗体と、を備え、
   前記合金を構成する前記遷移金属の原子比は、前記合金中の原子に対する価電子の数の
   比が約５．３５と約５．９５の間であるように選択される、集積回路。
2. 前記合金を構成する前記遷移金属は、チタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、モ
   リブデン、ハフニウム、タングステン、タンタル、及びレニウムのうちの少なくとも２つ
   から選択される、
   請求項１に記載の集積回路。
3. 前記合金はチタンとタングステンとの合金である、請求項２に記載の集積回路。
4. 前記合金は、１のチタン原子に対して約５のタングステン原子の原子比を占める、
   請求項３に記載の集積回路。
5. 前記抵抗体は前記合金の薄膜として実装される、
   請求項３に記載の集積回路。
6. 絶縁基板上に１００マイクロケルビン未満の温度で超伝導性である第１の材料層を堆積
   する工程と、
   遷移金属の合金から成る第２の材料層を堆積する工程と、
   を含み、
   前記合金は、１００ミリケルビン未満の温度で抵抗性のままである、チタン、バナジウ
   ム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タングステン、タンタル、及びレ
   ニウムのうちの少なくとも２つから成り、
   前記第２の材料層は前記第１の材料層と接触しており、
   前記合金を構成する前記遷移金属の原子比は、前記合金中の原子に対する価電子の数の比が約５．３５と約５．９５の間であるように選択される、超伝導回路の作成方法。
7. 前記第１の材料層は前記第２の材料層に先だって堆積される、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記第２の材料層は前記第１の材料層に先だって堆積される、
   請求項６に記載の方法。
9. 前記遷移金属の合金は、チタンの１原子に対してタングステンの約５原子の原子比を有
   する、チタンとタングステンとの合金である、
   請求項６に記載の方法
10. さらに、アルゴンガス中で室温にて行われるスパッタリングプロセスによって前記第２
    の材料層を堆積する工程を含む、
    請求項６に記載の方法。
11. さらに、フッ素系ガスでの反応性イオンエッチングプロセスによって前記第２の材料層
    をエッチングする工程を含む、
    請求項６に記載の方法。
12. さらに、前記第１及び第２の材料層の上に絶縁材料層を堆積する工程を含む、
    請求項６に記載の方法。
13. 前記絶縁基板はシリコンウエハである、
    請求項６に記載の方法。

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