[논문 리뷰] Multilayer technique developed for fabricating Nb-based single-electron devices

Alexey Pavolotsky, Thomas Weimann외 4명|arXiv (Cornell University)|1998. 04. 17.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 0.3×0.3 µm²까지 작은 접합을 가진 고품질 Nb/AlOx/Nb 단일전자 트랜지스터를 위한 새로운 다층 구조 제조 공정을 제시한다. 현장에서 형성된 삼중층, Ge/Cr 마스크, 그리고 스플린-온 글라스(SOG) 평탄화를 조합함으로써, 화학적 기계 연마(CMP)나 리지스트 재에칭 없이 신뢰성 있는 패터닝과 비아 개구를 가능하게 하여, 41 mV당 e 주기의 게이트 조절을 통한 명확한 쿨롱 차폐 진동을 얻었으며, 이는 단일전자 터널링 거동을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 0.5 µm² 이하의 접합을 가진 단일전자 장치에 적합한 신뢰성 있고 확장 가능한 제조 공정을 개발하기 위해.
• 외부에서 형성하는 터널 장벽 기술과 CMP 또는 리지스트 재에칭과 같은 전통적인 평탄화 기술의 한계를 극복하기 위해.
• 낮은 자기용량을 가진 고품질, 재현 가능한 접합을 실현하여 쿨롱 차폐 효과를 향상시키기 위해.
• 기본 전극에 정밀한 비아 개구를 실현하면서도, 현장에서 반사율 모니터링을 통해 전기绝縁성을 유지하기 위해.
• 이 공정을 통해 Nb 기반 SET에서 관측 가능한 단일전자 터널링 거동을 실험적으로 입증하기 위해.

제안 방법

• 열산화된 Si 기판 상에서 Nb/Al-AlOx/Nb 삼중층의 현장에서 성장시키며, 하부 Nb 100 nm, 상부 Nb 200 nm, 그리고 300 mbar 산소 분압에서 6시간 동안 산화시켜 10 nm 두께의 AlOx를 형성한다.
• 상부 Nb 정의와 Ge 스페이서 에칭을 위해 30 nm 두께의 Cr 마스크와 PMMA/코폴리머 리프오프를 사용하여 CF₄ RIE를 통해 패터닝한다.
• 모서리 봉우리 방지를 위해 버퍼드 HF를 사용한 습식 에칭으로 AlOx 장벽을 제거한 후, 동일한 리지스트 마스크를 통해 하부 Nb를 RIE로 에칭한다.
• 스핀온 글라스(SOG Accuglass®314)를 사용한 평탄화 후, 소프트 베이킹과 전자빔 경화를 통해 안정적인 SiO₂ 유사 절연체를 형성한다.
• SF₆/O₂(각각 10 sccm)에서 등방성 RIE를 통해 SOG를 관통하는 비아 개구를 실시하며, 반사율 모니터링을 통한 현장에서 두께 제어를 실시한다.
• 최종 배선은 새로운 AZ PN 114 리지스트 마스크를 통해 100 nm 두께의 Nb를 RIE로 패터닝하고, Cr 및 Ge 스페이서는 선택적 에칭으로 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5 µm² 이하의 접합을 가진 신뢰성 있고 고수율의 Nb 기반 단일전자 트랜지스터 제조 공정을 개발할 수 있는가?
• RQ2 SOG 평탄화를 사용할 경우 CMP나 리지스트 재에칭이 필요 없이 전기적 통합성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 Ge/Cr 마스크 기술이 기저층을 손상시키지 않고 0.5 µm 이하의 하위미크론 Nb 접합에 대해 정밀하고 고비율 패턴을 형성할 수 있는가?
• RQ4 이 공정으로 제조된 Nb 기반 SET에서 쿨롱 차폐 조절의 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 제조된 장치는 명확한 단일전자 터널링 거동을 나타내며, 측정 가능한 충전 에너지와 게이트 조절을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 공정은 명목상 0.3×0.3 µm²의 Nb/AlOx/Nb 접합을 성공적으로 제조하였으며, 게이트 전압 주기 ∆Vg ≈ 41 mV에 해당하는 명확한 e주기 쿨롱 차폐 조절을 나타냈다.
• 25 µV의 전압 오프셋으로부터 총 전기용량 CΣ ≈ 6 fF로 추정되었으며, 이로 인해 충전 에너지 EC/kB ≈ 150 mK로 도출되었다.
• 접합 전기용량은 Cj ≈ 3 fF로 추정되었으며, 이는 효과적인 접합 면적 0.075 µm²에 해당하여 명목상 0.09 µm²에 가까웠다.
• 장치는 각 접합당 약 2.7 mV의 초전도 갭 전압을 나타내었으며, I-V 곡선에서 프록시미티 무릎 현상이 관측되어 고품질 접합을 확인하였다.
• 가장 작은 접합에서 감지 가능한 임계 전류가 없는 것은 높은 임피던스와 열 플럭츄에이션 때문으로 기인된다.
• 이 방법은 고품질의 하위미크론 Nb 접합을 안정적으로 제조할 수 있으며, 향후 0.1 µm 수준으로의 스케일링이 가능하며, 향상된 신호 대 잡음비를 가진 향후 SET 응용을 지원한다.