[論文レビュー] Multilayer technique developed for fabricating Nb-based single-electron devices

Alexey Pavolotsky, Thomas Weimann+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 1998

Quantum and electron transport phenomena被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、0.3×0.3 µm²にまで小さな接合を持つ高品質なNb/AlOx/Nb単電子トランジスタのための新規なマルチレイヤー製造プロセスを提示する。イン・サイト三層積層、Ge/Crマスク、スピンオンガラス（SOG）の平面化を組み合わせることで、化学機械研磨（CMP）やレジスト再エッチングを必要とせず、信頼性の高いパターン形成とビア開口が可能となり、41 mV/電子単位のe周期的ゲートモードで明確なクーロン遮断の揺らぎが得られ、単電子トンネル動作が確認された。

ABSTRACT

A reliable process has been developed for the fabrication of all-Nb single-electron circuits, based on spin-on glass planarization. The process steps are the in situ growth of Nb/AlOx/Nb sandwich, definition of the patterns of junctions, base electrodes and wiring by use of reactive ion etching and the planarization of a spin-on glass insulation between base electrode and wiring. A single electron transistor made of 0.1 square micrometer area junctions clearly shows the e-periodic Coulomb blockade modulation by a voltage applied to a gate.

研究の動機と目的

• 0.5 µm²未満の接合を有する単電子デバイスに適した、信頼性がありスケーラブルなサブミクロンNb/AlOx/Nbトンネル接合の製造プロセスを開発すること。
• 外挿的トンネル障壁形成法やCMP、レジスト再エッチングといった従来の平面化技術の制限を克服すること。
• 低い自己容量を有する高品質で再現性の高い接合を実現し、強化されたクーロン遮断効果を達成すること。
• イン・サイト反射率モニタリングを用いて、ベースエレクトロードに到達する正確なビア開口を実現するとともに、絶縁性を維持すること。
• このプロセスで作製されたNbベースSETにおいて、明確な単電子トンネル動作が実験的に観察可能であることを示すこと。特に、明確な充電エネルギーとゲートモードが得られること。

提案手法

• 熱氧化シリコン基板上にイン・サイトでNb/Al-AlOx/Nb三層積層膜を成長させ、下地Nb層100 nm、上部Nb層200 nm、Alを300 mbarのO₂雰囲気下で6時間酸化してAlOxに変換。
• 30 nmのCrマスクとPMMA/コポリマーリフト・オフを用いて、上部Nbの定型とGeスペーサーのエッチングをCF₄ RIEで行う。
• エッジフェンスを防ぐためにバッファーHFを用いた湿式エッチングによりAlOx障壁をエッチングし、同じレジストマスクを用いて下部NbをRIEでエッチング。
• スピンオンガラス（SOG Accuglass®314）を用いて平面化処理を行い、その後ソフトベークと電子線焼鈍で安定なSiO₂に類似した絶縁体を形成。
• SF₆/O₂（各10 sccm）を用いた等方的RIEでSOGを貫通するビアを開口し、反射率モニタリングによるイン・サイト厚さ制御を実施。
• 最終的な配線は、新しいAZ PN 114レジストマスクを用いた100 nm NbのRIEで定型し、CrおよびGeスペーサーは選択的エッチングにより除去。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5 µm²未満の接合を有するNbベース単電子トランジスタを、信頼性があり高収率で製造可能なプロセスを開発できるか？
• RQ2 SOG平面化を用いることで、CMPやレジスト再エッチングの必要性がなくなり、電気的整合性を維持できるか？
• RQ3 Ge/Crマスク技術により、下層の損傷を伴わず、サブミクロンレベルのNb接合に対して高アスペクト比の正確なパターン形成が可能か？
• RQ4 このプロセスで作製されたNbベースSETにおけるクーロン遮断モードの広がりはどの程度か？
• RQ5 作製されたデバイスは、測定可能な充電エネルギーとゲートモードを示す明確な単電子トンネル動作を示せるか？

主な発見

• 名目面積0.3×0.3 µm²のNb/AlOx/Nb接合を成功裏に作製し、ゲート電圧周期が∆Vg ≈ 41 mVのe周期的クーロン遮断モードの明確な揺らぎを示した。
• 25 µVの電圧オフセットから全容量CΣ ≈ 6 fFを推定し、充電エネルギーEC/kB ≈ 150 mKを算出した。
• 接合容量はCj ≈ 3 fFと推定され、有効接合面積は0.075 µm²と算出され、名目面積0.09 µm²に近い値であった。
• デバイスは1つの接合あたり約2.7 mVの超伝導ギャップ電圧を示し、I-V曲線にプロキシミティニークが観察され、高品質な接合であることが確認された。
• 最小接合では顕著な臨界電流が検出されなかったが、これは高インピーダンスと熱揺らぎによるものとされた。
• 本手法により、信頼性のあるサブミクロンNb接合の高品質な製造が可能となり、0.1 µmへのスケーリングも可能である。今後のSET応用において、信号対雑音比の向上が期待できる。