KR100372889B1 - 경사형 모서리 조셉슨 접합소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고온 초전도체를 이용한 디지털 전자소자의 새로운 기술인 단자속 양자회로 구현을 위해 필수적인 고온 초전도 조셉슨 접합소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 구리계 산화물 고온 초전도 박막을 이용한 경사형 모서리 조셉슨 접합소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 기판, 이 기판 위에 경사형 모서리를 가지고 차례로 형성되어진 제1 전극층 및 제1 절연층, 엑시머레이저를 조사하고 열처리함에 의해, 상기 제1 전극층의 경사형 모서리에 형성된 변형층, 및 상기 변형층을 포함한 상기 제1 전극층 및 제1 절연층 위에 차례로 형성된 제2 전극층 및 제2 절연층을 구비한 경사형 모서리 조셉슨 접합소자가 제공된다.
Description
본 발명은 고온초전도체를 이용한 디지털 전자소자의 새로운 기술인 단자속 양자회로 구현을 위해 필수적인 고온 초전도 조셉슨 접합소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 구리계 산화물 고온 초전도 박막을 이용한 경사형 모서리 조셉슨 접합소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
경사형 모서리 접합을 제작하기 위해서는 초전도체와의 접촉저항이 매우 작고, 화학반응이 일어나지 않아야 하며 초전도체가 애피텍셜(epitaxial) 성장 가능한 장벽물질을 사용하여야 한다. 뿐만 아니라 장벽(barrier) 두께, 모서리(edge) 각, 접합 모서리 면의 계면 구조, 균질성, 이온빔 식각 등의 접합 제작의 중요한 변수를 제어하기가 상당한 어려움이 있으며, 이것으로 인해 그 동안의 많은 연구에도 불구하고 제작의 복잡함과 균질성, 재현성이 떨어진다.
이러한 장벽물질을 사용함에 따라 초전도체/장벽층 계면의 제어, 장벽층의 전기적, 구조적 특성의 제어와 같은 해결해야 할 문제점들이 존재한다. 특히, 고온에서의 박막 성장이 균일하지 못하기 때문에 증착 공정은 고온 초전도 접합을 위한 균일한 얇은 장벽의 제작에 적합하지 않다. 고온 초전도 조셉슨 접합의 균일화를 향상시키기 위해서 새로운 형태의 장벽층 제작기술이 요구되고 있다.
이러한 관점에서 최근 몇몇 연구 그룹에서는 장벽물질을 사용하지 않고 구조적, 전기적 특성이 다른 인위적 장벽을 이용한 경사형 모서리 접합에 관한 연구가 활발하게 진행되었다. 인위적인 장벽을 만드는 방법으로서는, 장벽층 증착 공정 대신 진공 열처리와 RF 플라즈마 처리공정을 이용한 인터페이스-강화된(interface-engineered) 접합방식이 있다. 이는 B. H. Moeckly 와 K. Char가 논문지 Applied Physics Letters, Vol. 71, pp.2526~2528에 발표한 "Properties of Interface-engineered high Tc Josephson Junctions"의 제목의 논문에 공개되었다.
또한, 다른 방식으로서는, 승온 후 이온빔 손상을 이용한 고온 이온손상(Hot Ion Damage) 공정과, 하층전극 모서리를 화학적으로 처리하는 계면결함제어 (Controlled Interfacial Disorder) 공정이 있는데, 이 계면결함제어 공정은 Brian D. Hunt 등이 논문지 IEEE Trans. on Appl. Supercond. Vol. 9, No. 2, pp. 3362~3365(1999)에 발표한 논문에 공개되었다. 또한, 다른 방식으로서, YBCO와 격자상수, 열팽창 계수가 비슷하고 상대적으로 낮은 유전률을 가지는 절연 물질인 LaSrAlTaO (LSAT)를 절연층과 기판으로 사용하여 이온빔으로 인위적인 장벽층을 만드는 공정이 있다. 이 공정은 T. Satoh 등이 논문지 IEEE Trans. on Appl.Supercond. Vol. 9, No. 2, pp. 3141~3144(1999)에 발표하였다.
그러나, 종래 RF 플라즈마를 이용하는 경우는 박막 증착 챔버내에서 수행되는데, 플라즈마 발생시 챔버내벽에 붙어있던 증착물질들이 경사형 모서리 면에 떨어져 오염되는 문제점이 있었고, 이온빔 처리시에는 이온빔에 의해 식각된 물질이 경사형 모서리에 재증착되는 문제가 있었다.
또한, 현재 고온 초전도 조셉슨 접합 제작에 있어서 가장 큰 문제는 접합 특성값들의 표준편차가 너무 크다는 점이며, 이를 낮추려면 접합 제작공정을 간소화하여 공정상의 변수를 최소화하여야 한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 초고속 디지털 및 초고주파 정보통신 소자로 사용될 수 있는 고온 초전도 조셉슨 접합소자에서 공정 단순화를 통해 재현성 높은 경사형 모서리 조셉슨 접합소자 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 고온 초전도 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 제조방법의 제조 공정도이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 경사형 모서리 조셉슨 접합소자는, 기판, 상기 기판 위에 경사형 모서리를 가지고 차례로 형성되어진 제1 전극층 및 제1 절연층, 상기 제1 전극층의 경사형 모서리에 형성된 변형층, 및 상기 변형층을 포함한 상기 제1 전극층 및 제1 절연층 위에 차례로 형성된 제2 전극층 및 제2 절연층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 전극층과 제2 전극층은 구리계 산화물 초전도체로서, Bi2Sr2CanCun+1O2n+6, Bi2Ba2CanCun+1O2n+6, Tl2Sr2CanCun+1O2n+6, Tl2Ba2CanCun+1O2n+6(여기서 n은, 0 내지 4 사이의 정수) 또는 YBa2Cu3O7-x, NdBa2Cu3O7-x, SmBa2Cu3O7-x, ErBa2Cu3O7-x, GdBa2Cu3O7-x, DyBa2Cu3O7-x, HoBa2Cu3O7-x, TmBa2Cu3O7-x, LuBa2Cu3O7-x, LnBa2Cu3O7-x(여기서 x는, 0 내지 0.5)으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 페로브스카이(perovskite)형 산화물이며, SrTiO3, LaAlO3, Sr2AlTaO6, Sr2AlNbO6, 또는 BaTbO3로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 전극층의 경사형 모서리의 경사각은 약 20도 이하이다.
또한, 상기 제1 전극층과 제2 전극층과 각각 연결되는 전극 패드를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일면에 따른 경사형 모서리 조셉슨 접합소자를 형성하는 방법은, 기판 위에 경사형 모서리를 가지는 제1 전극층 및 제1 절연층을 차례로 형성하는 제1 단계, 상기 제1 전극층의 경사형 모서리에 엑시머레이저를 조사하고 열처리함에 의해 변형층을 형성하는 제2 단계, 및 상기 변형층을 포함한 상기 제1 전극층 및 제1 절연층 위에 제2 전극층 및 제2 절연층을 차례로 형성하는 제3 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 단계에서, 조사되는 엑시머 레이저의 에너지 밀도는약 0.3 ~ 1.2 J/cm2인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 단계에서, 상기 엑시머 레이저는 파장이 각각 193nm, 248nm 및 308nm인 ArF, KrF 및 XeCl중에 어느 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 단계에서, 열처리는 약 500 ~ 600℃ 범위의 온도 및 약 100 ~ 500 mTorr 범위의 산소압하에서 약 1시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1, 제2 전극층 및 제1, 제2 절연층은 엑시머 레이저를 이용한 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 단계에서 경사진 모서리를 형성하는 단계는, 기판 위에 제1전극층 및 제1 절연층을 차례로 형성하는 단계, 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 제1 절연층 위에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 상기 제1 절연층을 경사지게 이온빔 식각하는 단계, 및 상기 경사식각된 제1 절연층을 마스크로 이용하여 상기 제1 전극층을 경사지게 이온빔 식각하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 각각 연결되는 금속패드를 형성하는 단계를 더 구비한다.
이러한 공정을 도 1 내지 도 6을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 제조방법을 상세하게 설명하기로 한다.
제1 공정은 다음과 같다. 도 1에 도시된 바와 같이 먼저, 단결정 기판(11)위에 초전도체층인 제1 전극층(12)과 제1 절연층(13)을 차례로 형성한다. 상기 단결정 기판(11)은 LaAlO3(LAO) 단결정 기판이 바람직하며, 상기 제1 전극층(12)은 구리계 산화물 고온 초전도체로서, Bi2Sr2CanCun+1O2n+6, Bi2Ba2CanCun+1O2n+6, Tl2Sr2CanCun+1O2n+6, Tl2Ba2CanCun+1O2n+6(여기서 n은, 0 내지 4 사이의 정수) 또는 Ba2Cu3O7-x, NdBa2Cu3O7-x, SmBa2Cu3O7-x, ErBa2Cu3O7-x, GdBa2Cu3O7-x, DyBa2Cu3O7-x, HoBa2Cu3O7-x, TmBa2Cu3O7-x, LuBa2Cu3O7-x, LnBa2Cu3O7-x(여기서 x는, 0 내지 0.5 )중 선택되어질 수 있다.
또한 상기 제1 절연층(13)은 페로브스카이(perovskite)형 산화물로서, SrTiO3, LaAlO3, Sr2AlTaO6, Sr2AlNbO6, 또는 BaTbO3중 선택되어질 수 있다. 또한, 상기 단결정 기판(11) 또한 위에 언급된 페로브스카이형 산화물로 이루어진 기판일 수 있다. 그리고, 상기 제1 전극층 및 제1 절연층의 두께는 약 100 ~ 약 200nm인 것이 바람직하다.
상기 제1 전극층(12)과 제1 절연막(13)은 엑시머 레이저를 이용한 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성할 수 있다. 이때, 사용되는 레이저는 파장이 각각 193nm, 248nm 및 308nm인 ArF, KrF 및 XeCl 중에 선택하여 사용할 수 있다.
다음, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1 절연층(13)위에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 소정 영역 위에 포토레지스트 패턴(14)을 형성시킨다. 그런 후, 상기 포토레지스트 패턴(14)을 마스크로 이용하여 이온빔 식각(Ion Beam Etching)을 실시한다. 즉, 조사되는 이온빔의 입사각을 약 30 ~ 약 45°로 유지하고 시료를 회전시키면서 상기 제1 절연층(13)을 경사지게 식각한다. 이때, 상기 이온빔의 전압은 약 200 ~ 450V의 범위이며, 전류밀도는 약 1.0 ~ 2.0 mA/cm2의 범위인 것이 바람직하다. 상기 이온빔의 종류는 아르곤(Ar)이 사용될 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이 남아 있는 포토레지스트 패턴(14)을 제거한 후, 경사식각된 제1 절연층(13)을 식각마스크로 사용하여 상기 제1 전극층(12)을 이온빔 식각방법에 의해 식각한다. 이렇게 식각된 상기 제1 전극층(15)의 경사형 모서리(Ramp-edge)의 경사각은 약 20˚이하인 것이 바람직하다. 상기 이온빔 식각의 이온빔의 종류는 아르곤(Ar)이 사용될 수 있다.
그 다음에, 도 4에 도시된 바와 같이 시료를 펄스 레이저 증착장치로 이송킨 후, 식각된 경사형 모서리표면(15)을 엑시머 레이저로 조사하여 표면층의 결정상을 변형시킨다. 더 상세히 설명하면, 먼저 상기 식각된 경사형 모서리 표면층에 약 100 ~ 500 mTorr범위의 산소압 하에서 약 0.3 ~ 1.2 J/cm2의 에너지 밀도의 엑시머 레이저로 조사하여 상기 표면층의 결정상을 변형시킨 후, 약 500 ~ 600℃범위의 온도와 약 100 ~ 500 mTorr 범위의 산소압하에서 약 1시간 동안 열처리하여 경사형모서리 표면층에 물리적, 화학적으로 안정화 상태를 가지는 변형층(16)을 형성시킨다. 한편, 상기 엑시머 레이저는 파장이 각각 193nm, 248nm 및 308nm인 ArF, KrF 및 XeCl 중에 선택하여 사용할 수 있다.
그런 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 결과물 전면에 제2 전극층(17)과 제2 절연층(18)을 차례로 형성한다. 상기 제2 전극층과 제2 절연층의 형성은 상기 제1 전극층 및 제1 절연층의 형성방법과 동일한 펄스 레이저 증착법에 의해 형성된다. 이때, 형성되는 제2 전극층의 두께는 약 100 ~ 200nm가 바람직하며, 제 2절연층의 두께는 약 30 ~ 100nm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2 전극층(17) 및 제2 절연층(18)의 물질은 위에서 언급된 제1 전극층 및 제1 절연층의 물질들 중에서 선택되어질 수 있다. 그런 후, 도 2 및 도 3에 설명된 방법과 동일한 조건으로 포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 제2 절연층(18) 위의 소정 영역에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후, 상기 제2 절연층(18)과 제2 전극층(17)을 이온빔 식각방법에 의해 경사지게 식각한다. 또한, 도 6에 나타나 있듯이, 측정단자와의 전기적 접촉을 위해 포토리소그래피 공정에 의해 상기 제1 전극층(12)과 제2 전극층(17)의 전극패드 부분에 해당하는 소정 영역을 노출시킨 후, 금속전극(19)을 형성한다. 상세하게 설명하면, 상기 전극패드 부분이 형성될 영역만을 제외한 상기 제1, 제2절연층 위에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후, 1 % HF 수용액으로 상기 절연층들을 화학 식각하여 전극패드 부분을 노출시키고, 금속층, 예를 들면 금(Au),을 증착한 후, 리프트오프(lift-off) 방법으로 잔류 금속층을 제거하여 전극패드를 완성한다. 부가적으로, 이온빔 식각에 의한 손상을 보상해주기 위하여, 별도의 열처리가 부가될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 초전도체인 전극층 위에 형성된 절연층을 이온빔 식각마스크로 사용하기 때문에 포토레지스트 제거시의 유기물에 의한 고온 초전도 제1 전극층의 경사형 모서리 표면의 오염을 방지할 수 있고, 이 경사형 모서리 표면에 엑시머 레이저를 조사하여 표면에 변형층을 형성시키고 후속 열처리로 이 변형층을 안정화시키기 때문에 균일하고 재현성이 높은 안정한 조셉슨 접합소자를 형성할 수 있다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 기존의 인위적으로 증착된 장벽층이나, 이온빔 또는 RF 플라즈마를 이용한 변형층 형성보다 간단한 공정으로 고온초전도 경사형 모서리 접합을 제작할 수 있다.
Claims (20)
- 경사형 모서리 조셉슨 접합소자에 있어서,기판;상기 기판 위에 경사형 모서리를 가지고 차례로 형성되어진 제1 전극층 및 제1 절연층;상기 제1 전극층의 경사형 모서리에 형성된 변형층; 및상기 변형층을 포함한 상기 제1 전극층 및 제1 절연층 위에 차례로 형성된 제2 전극층 및 제2 절연층을 구비하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극층과 제2 전극층은 구리계 산화물 초전도체인 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자.
- 제2항에 있어서,상기 구리계 산화물 초전도체는 Bi2Sr2CanCun+1O2n+6, Bi2Ba2CanCun+1O2n+6, Tl2Sr2CanCun+1O2n+6, Tl2Ba2CanCun+1O2n+6(여기서 n은, 0 내지 4 사이의 정수) 또는 Ba2Cu3O7-x, NdBa2Cu3O7-x, SmBa2Cu3O7-x, ErBa2Cu3O7-x, GdBa2Cu3O7-x, DyBa2Cu3O7-x, HoBa2Cu3O7-x, TmBa2Cu3O7-x, LuBa2Cu3O7-x, LnBa2Cu3O7-x(여기서 x는, 0 내지 0.5 )으로이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 페로브스카이(perovskite)형 산화물인 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자.
- 제4항에 있어서,상기 페로브스카이형 산화물은 SrTiO3, LaAlO3, Sr2AlTaO6, Sr2AlNbO6, 또는 BaTbO3로 이루어진 그룹으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극층의 경사형 모서리의 경사각은 약 20도 이하인 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극층과 제2 전극층과 각각 연결되는 전극패드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자.
- 제1항에 있어서,상기 변형층은 엑시머레이저를 조사하고 열처리함에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자.
- 경사형 모서리 조셉슨 접합소자를 형성하는 방법에 있어서,기판 위에 경사형 모서리를 가지는 제1 전극층 및 제1 절연층을 차례로 형성하는 제1 단계;상기 제1 전극층의 경사형 모서리에 엑시머레이저를 조사하고 열처리함에 의해 변형층을 형성하는 제2 단계; 및상기 변형층을 포함한 상기 제1 전극층 및 제1 절연층 위에 제2 전극층 및 제2 절연층을 차례로 형성하는 제3 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 제2 단계에서, 조사되는 엑시머 레이저의 에너지 밀도는 약 0.3 ~ 1.2 J/cm2인 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 제2 단계에서, 상기 엑시머 레이저는 파장이 각각 193nm, 248nm 및 308nm인 ArF, KrF 및 XeCl 중에 어느 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 제2 단계에서, 열처리는 약 500 ~ 600℃ 범위의 온도 및 약 100 ~ 500 mTorr 범위의 산소압하에서 약 1시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 제1 전극층과 제2 전극층은 구리계 산화물 초전도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제13항에 있어서,상기 구리계 산화물 초전도체는 Bi2Sr2CanCun+1O2n+6, Bi2Ba2CanCun+1O2n+6, Tl2Sr2CanCun+1O2n+6, Tl2Ba2CanCun+1O2n+6(여기서 n은, 0 내지 4 사이의 정수) 또는 Ba2Cu3O7-x, NdBa2Cu3O7-x, SmBa2Cu3O7-x, ErBa2Cu3O7-x, GdBa2Cu3O7-x, DyBa2Cu3O7-x, HoBa2Cu3O7-x, TmBa2Cu3O7-x, LuBa2Cu3O7-x, LnBa2Cu3O7-x(여기서 x는, 0 내지 0.5 )으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 페로브스카이(perovskite)형 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제15항에 있어서,상기 페로브스카이형 산화물은 SrTiO3, LaAlO3, Sr2AlTaO6, Sr2AlNbO6, 또는 BaTbO3로 이루어진 그룹으로부터 선택되어지는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 제1, 제2 전극층 및 제1, 제2 절연층은 엑시머 레이저를 이용한 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 제1 단계에서 경사진 모서리를 형성하는 단계는,기판 위에 제1 전극층 및 제1 절연층을 차례로 형성하는 단계;포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 제1 절연층 위에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 상기 제1 절연층을 경사지게 이온빔 식각하는 단계; 및상기 경사식각된 제1 절연층을 마스크로 이용하여 상기 제1 전극층을 경사지게 이온빔 식각하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제18항에 있어서,상기 제1 전극층의 경사형 모서리의 경사각은 약 20도 이하가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
- 제9항에 있어서,상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 각각 연결되는 금속패드를 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 경사형 모서리 조셉슨 접합소자의 형성방법.
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