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特開2024-150480酸化物又は酸窒化物シード層を有する高臨界温度金属窒化物層
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024150480
(43)【公開日】2024-10-23
(54)【発明の名称】酸化物又は酸窒化物シード層を有する高臨界温度金属窒化物層
(51)【国際特許分類】
H10N 60/01 20230101AFI20241016BHJP
【ＦＩ】
H10N60/01 B
【審査請求】有
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024106850
(22)【出願日】2024-07-02
(62)【分割の表示】P 2022549647の分割
【原出願日】2021-02-17
(31)【優先権主張番号】62/980,079
(32)【優先日】2020-02-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】ヤン， ツーハオ
(72)【発明者】
【氏名】チュー， ミンウェイ
(72)【発明者】
【氏名】マンギプディ， シュリラム
(72)【発明者】
【氏名】チョードゥリー， モハマド カムルザマン
(72)【発明者】
【氏名】ラヴァン， シェーン
(72)【発明者】
【氏名】チェン， チョーポー
(72)【発明者】
【氏名】カオ， ヨン
(72)【発明者】
【氏名】パティバンドラ， ナグ ビー．
(57)【要約】 （修正有）
【課題】金属窒化物層の超伝導臨界温度を改善するためにシード層を使用する超伝導デバイスを提供する。
【解決手段】超伝導デバイス１００′は、基板１０２、基板上の金属酸化物又は金属酸窒化物を形成する上部シード層１０６′、上部シード層上に直接配置された金属窒化物超伝導層１０８′及びキャッピング層１１０’を含む。上部シード層は、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であり、超伝導層は、異なる第２の金属の窒化物である。第１の金属は、アルミニウムであり、第２の金属の窒化物は、窒化ニオブ、窒化チタン又は窒化ニオブチタンである。
【選択図】図４Ｂ
【解決手段】超伝導デバイス１００′は、基板１０２、基板上の金属酸化物又は金属酸窒化物を形成する上部シード層１０６′、上部シード層上に直接配置された金属窒化物超伝導層１０８′及びキャッピング層１１０’を含む。上部シード層は、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であり、超伝導層は、異なる第２の金属の窒化物である。第１の金属は、アルミニウムであり、第２の金属の窒化物は、窒化ニオブ、窒化チタン又は窒化ニオブチタンである。
【選択図】図４Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超伝導デバイスであって、
基板、
前記基板上の金属酸化物シード層又は金属酸窒化物シード層であって、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層、及び
前記シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を含む、デバイス。
基板、
前記基板上の金属酸化物シード層又は金属酸窒化物シード層であって、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層、及び
前記シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を含む、デバイス。
【請求項2】
前記第２の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項3】
前記金属窒化物超伝導層が、δ相NbNを含む、請求項２に記載のデバイス。
【請求項4】
前記第１の金属が、アルミニウムである、請求項２に記載のデバイス。
【請求項5】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層が、２nm未満の厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項6】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層が、３～５０nmの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項7】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層が、前記第１の金属の酸化物又は酸窒化物である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項8】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層と前記基板との間に金属窒化物シード層を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項9】
前記金属窒化物シード層が、前記第１の金属の窒化物である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項10】
前記金属窒化物シード層が、３～５０nmの厚さを有する、請求項８に記載のデバイス。
【請求項11】
前記超伝導層上にキャッピング層を更に含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項12】
前記基板と前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層との間に、分布ブラッグ反射鏡を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項13】
前記基板と前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層との間に、前記基板の上面に実質的に平行に伝播する光を受け取るための光導波路を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項14】
前記金属窒化物超伝導層が、４から５０nmの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項15】
超伝導デバイスであって、
基板、
前記基板上の下部シード層であって、第１の金属の窒化物である下部シード層、
前記下部シード層上に直接配置された、前記第１の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層、及び
前記上部シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物である超伝導層を含む、デバイス。
基板、
前記基板上の下部シード層であって、第１の金属の窒化物である下部シード層、
前記下部シード層上に直接配置された、前記第１の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層、及び
前記上部シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物である超伝導層を含む、デバイス。
【請求項16】
前記上部シード層が、０．１から１nmの厚さを有する、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項17】
前記下部シード層が、３～５０nmの厚さを有する、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項18】
前記第２の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項19】
前記第１の金属が、アルミニウムである、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項20】
超伝導デバイスであって、
基板、
前記基板上の窒化アルミニウムシード層、
前記窒化アルミニウムシード層上に直接配置された酸化アルミニウムシード層又は酸窒化アルミニウムシード層、及び
前記上部シード層上に直接配置された、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである超伝導層を含む、デバイス。
基板、
前記基板上の窒化アルミニウムシード層、
前記窒化アルミニウムシード層上に直接配置された酸化アルミニウムシード層又は酸窒化アルミニウムシード層、及び
前記上部シード層上に直接配置された、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである超伝導層を含む、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、金属窒化物層の超伝導臨界温度を改善するためのシード層の使用に関する。
【背景技術】
【0002】
超伝導の文脈では、臨界温度（TC）は、それ以下で物質が超伝導になる温度を指す。窒化ニオブ（NbN）は、超伝導用途（例えば、量子情報処理や、CMOS、LIDARにおける欠陥分析など、に使用される超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD））に使用され得る材料である。窒化ニオブの臨界温度は、材料の結晶構造及び原子比に依存する。例えば、図１を参照すると、立方δ相NbNは、その比較的「高い」臨界温度、例えば９．７～１６．５Kのため幾つかの利点を有する（図示されている処理温度は、特定の製造プロセス用のものであり、他のプロセス及び堆積チャンバ設計に必ずしも適用可能ではない）。
【0003】
窒化ニオブは、物理的気相堆積（PVD）によりワークピース上に堆積され得る。例えば、窒素ガスの存在下で、ニオブターゲットを使用してスパッタリング動作を行うことができる。スパッタリングは、ターゲット及びワークピースを包含する反応器チャンバ内にプラズマを誘導することによって行うことができる。
【発明の概要】
【0004】
一態様では、超伝導デバイスが、基板、基板上の金属酸化物又は金属酸窒化物シード層、及びシード層上に直接配置された金属窒化物超伝導層を含む。シード層は、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であり、超伝導層は、異なる第２の金属の窒化物である。
【0005】
別の一態様では、超伝導デバイスが、基板、基板上の下部シード層、下部シード層上に直接配置された上部シード層、及び上部シード層上に直接配置された超伝導層を含む。下部シード層は、第１の金属の窒化物であり、上部シード層は、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であり、超伝導層は、異なる第２金属の窒化物である。
【0006】
実施態様は、以下の利点のうちの１以上を提供してよいが、これらに限定されるものではない。金属窒化物層、例えばNbN層の臨界温度は、高められ得る。これにより、より高い臨界温度を持つ超伝導ワイヤを有するデバイス、例えばSNSPDの製造が可能になる。動作温度（２～３K）と臨界温度との間のより大きな差が、優れた検出効率、より低い暗計数（dark count）、及びおそらくより速い時間的応答を提供する。
【0007】
「超伝導」は、デバイスの動作温度、例えば２～３Kにおいて材料が超伝導になることを示すことに留意されたい。材料は、実際には、室温以上でのデバイスの製造中、又はデバイスが動作のために冷却されていないときに超伝導ではない。
【0008】
１以上の実施態様の詳細が、添付図面及び以下の記述で説明される。他の潜在的な態様、特徴、及び利点は、本説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】処理温度及び窒素の原子百分率の関数として窒化ニオブの相を示す図である。
【図2A】金属窒化物下部シード層、金属酸化物又は酸窒化物上部シード層、及び超伝導金属窒化物層を含む、デバイスの概略断面図である。
【図4A】金属酸化物又は酸窒化物シード層及び超伝導金属窒化物層を含む、デバイスの概略断面図である。
【図6A】金属窒化物シード層及び超伝導金属窒化物層を含む、デバイスの概略断面図である。
【図8A】分布ブラッグ反射鏡を含むSNSPDの概略上面図である。
【図9A】導波路を含むSNSPDの概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
様々な図面における同様の参照番号及び記号表示は、同様の要素を示す。
【0011】
上述したように、窒化ニオブ、特にδ相NbNは、超伝導材料として幾つかの利点を有する。しかし、δ相NbNは、満足な品質で堆積させることが困難であり得る。更に、動作温度（２～３K）と臨界温度との間の差が大きいほど、デバイス性能は向上する。窒化アルミニウム（AlN）層をシード層として使用して、NbN層の臨界温度を改善することができる。いかなる特定の理論にも限定されるものではないが、AlNシード層は、臨界温度の上昇をもたらす結晶構造をNbN層内に誘起してよい。
【0012】
しかし、驚くべきことに、NbN層の堆積前にAlNシード層を大気中及び室温に曝露すると、実際には、減圧の破壊及び基板温度の低下なしのAlNシード層上にNbN層を堆積させるよりも高い臨界温度、例えば約０．５Kだけ高い臨界温度を提供し得ることが発見された。ここでも、いかなる特定の理論にも限定されないが、２つの非排他的な可能性が提案されている。第１に、AlNを大気中に曝露することにより、AlN層の表面上に薄い酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウム層が形成され、これが、NbN層内に優れた結晶構造を誘起する可能性がある。第２に、AlNシード層の温度を、AlN用の第１の堆積温度、例えば４００℃から室温、すなわち２０～２２℃に低下させ、次いで、基板の温度をNbN用の第２の堆積温度、例えば４００℃に上昇させることによって、AlNシード層を熱サイクルさせることは、AlNシード層内の応力に影響を及ぼし得、これは、その結晶構造に影響を及ぼし得、今度はNbN層の結晶構造に影響を及ぼし得る。
【0013】
図２Ａは、超伝導材料として使用される金属窒化物層１０８を含む、デバイス１００内の幾つかの層の概略図である。図２Ｂは、金属窒化物層が、フィーチャ、例えば超伝導ワイヤ１０８′の中に形成されたデバイス１００の概略図である。デバイス１００は、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）、超伝導量子干渉デバイス（SQUID）、量子コンピュータ内の回路（例えばRF線）などであり得る。図３Ａ～図３Ｃは、製造の方法２００のフローチャートである。
【0014】
金属窒化物層１０８が、支持構造１０２上に配置される。支持構造１０２は、基板、例えばシリコンウエハを含み得る。基板は、誘電材料、例えば、サファイア、SiO2、溶融シリカ、若しくは石英、又は、半導体材料、例えば、シリコン、窒化ガリウム（GaN）、若しくはヒ化ガリウム（GaAs）であり得る。単一のブロックとして図示されているが、支持構造１０２は、複数の下層を含み得る。例えば、支持構造１０２は、基板の上に堆積された高屈折率材料及び低屈折率材料で形成された複数対の層を含む分布ブラッグ反射鏡（DBR）、又は基板上に形成された導波路を含み得る。
【0015】
シード層構造１０３が、支持構造１０２の上に形成される。シード層構造１０３は、下層シード層１０４及び上層シード層１０６を含む。
【0016】
下層シード層１０４は、支持構造１０２の上面をカバーし、例えば、支持構造１０２の上面と直接接触する。下部シード層１０４は、金属窒化物層である。特に、下部シード層１０４と超伝導層１０８とは、異なる金属の窒化物である。下部シード層１０４は、窒化アルミニウム（AlN）であり得る。しかし、窒化ハフニウム（HfN）、窒化クロム（CrN）、又はアルミニウムとハフニウム若しくはスカンジウムのいずれかとの合金の窒化物も、適切であってよい。
【0017】
下部シード層１０４は、約３から５０nmの厚さ、例えば、約５nm若しくは約１０nm又は約２０nmの厚さを有し得る。下部シード層１０４は、（００２）c軸結晶方位を有し得る。下部シード層１０４は、デバイス１００の動作温度で超伝導である必要はない。下部シード層１０４は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積プロセスによって堆積され得る（ステップ２０２）。堆積プロセスは、２００～５００℃（例えば４００℃）の温度にある基板で行われ得る。
【0018】
下部シード層用の例示的な処理パラメータは、１～５kWのスパッタリングターゲットに印加される電力、３：１００と６：１との間（例えば３：１）の比率で供給される窒素ガス及び不活性ガスを伴う２～２０mTorrの全圧（窒素及び不活性ガス）、２００～５００℃のウエハ温度、並びにウエハに印加されるバイアス電圧がないことである。
【0019】
上部シード層１０６が、下部シード層１０４の上面上に、例えば、下部シード層１０４の上面と直接接触するように形成される（ステップ２０４）。上部シード層１０６は、金属酸化物又は金属酸窒化物層である。特に、上部シード層１０６は、下部シード層１０４内の金属窒化物の金属と同じ金属の酸化物又は酸窒化物である。上部シード層１０６は、酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウムであり得、これは、NbNの臨界温度を、例えば、シード層としての窒化アルミニウムよりも約０．５Kだけ改善するようである。しかし、酸化ハフニウム若しくは酸窒化物、酸化クロム若しくは酸窒化物、又はアルミニウムとハフニウム若しくはスカンジウムのいずれかとの合金の酸化物若しくは酸窒化物も、適切であってよい。
【0020】
上部シード層１０６は、下部シード層１０４よりも薄くなり得る。上部シード層１０６は、製造の方法に応じて、約０．１～３nmの厚さになり得る。幾つかの実施態様では、上部シード層１０６が、たった１から５原子層の厚さであり、例えば、２又は３原子層の厚さである。上部シード層１０６は、（００２）c軸結晶方位を有し得る。上部シード層１０６は、デバイス１００の動作温度で超伝導である必要はない。
【0021】
図３Ａを参照すると、上部シード層１０６の金属酸化物又は金属酸窒化物を形成するために使用され得る１つの技法は、下部シード層１０４を酸素及び／又は水を含有するガスに曝露することである（ステップ２０４ａ）。例えば、下部シード層１０４は、空気に曝露され得る。別の一実施例として、下部シード層１０４は、純酸素に曝露され得る。別の一実施例として、下部シード層１０４は、２０～９０体積％の酸素と、窒素及び／又は希ガスなどの１以上の他のガス（例えばアルゴン）と、を含有するガス混合物に曝露され得る。幾つかの実施態様では、ガス混合物が、水（例えば、水蒸気又はもや）を含む。圧力は、１Torrから１気圧、例えば、０．８から１気圧であり得る。
【0022】
図３Ｂを参照すると、上部シード層１０６の金属酸化物又は金属酸窒化物を形成するために使用され得る別の１つの技法は、下部シード層１０４を酸素（O2）プラズマを含有するガスに曝露することである（ステップ２０４ｂ）。例えば、下部シード層１０４は、純酸素プラズマに曝露され得る。例えば、酸素ガスをプラズマ処理チャンバの中に導き、約１００Wの電力で酸素プラズマを生成することができる。圧力は、２から５００mTorrであり得る。一般に、酸素プラズマ処理用の専用チャンバは、比較的高い圧力、例えば、１００から５００mTorrを使用することができ、一方、酸素プラズマ処理が、下部シード層の堆積に使用されるのと同じチャンバ内で実行される場合、比較的低い圧力、例えば、２から１５mTorを使用することができる。
【0023】
いかなる特定の理論にも限定されないが、AlNの酸素への曝露は、AlN層の表面上に熱酸化物又は熱酸窒化物層、すなわち酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウム層の形成をもたらしてよい。
【0024】
幾つかの実施態様では、下部シード層を有する基板が、下部シード層が堆積される第１の温度、例えば、３００～５００℃から、より低い第２の温度、例えば、２０～３００℃まで下げられる。下部シード層は、より低い第２の温度で、酸素含有ガス又はプラズマに曝露される。第２の温度は、第１の温度よりも少なくとも２００℃低くなり得る。例えば、第２の温度は、室温、すなわち２０～２２℃であり得る。次いで、超伝導層の金属窒化物の堆積のために、基板が第３の温度まで高められる。
【0025】
幾つかの実施態様では、下部シード層を有する基板が、高温、例えば、３００℃以上に、例えば、下部シード層が堆積されるのと同じ温度、例えば、４００℃に維持され、基板は、高温で酸素含有ガス又はプラズマに曝露される。
【0026】
幾つかの実施態様では、下部シード層を有する基板が、第１の温度から第２の温度まで下げられ、次いで、高い第３の温度、例えば、３００度以上、例えば、３００～５００℃まで上げられ、下部シード層は、高い第３の温度で、酸素含有ガス又はプラズマに曝露される。
【0027】
曝露時間は、圧力及び温度に応じ得、１秒から１２０分であり得る。例えば、室温での大気用の曝露時間は、約４５分であり得る。別の一実施例として、下部シード層が堆積されるのと同じ温度、例えば、約４００℃にある基板を用いた酸素プラズマ用の曝露時間は、約３０秒であり得る。
【0028】
図３A及び図３Ｂの技法では、上部シード層１０６が、事実上、下層の金属窒化物層上に形成された自然酸化物又は自然酸窒化物であり、したがって、２から４原子層の厚さであると予想される。例えば、上部シード層１０６は、最大約１nmの厚さであり得る。
【0029】
図３Ｃを参照すると、上部シード層１０６の金属酸化物又は金属酸窒化物を形成するために使用され得る別の１つ技法は、物理的気相堆積によって上部シード層１０６を堆積させることである。上部シード層用の例示的な処理パラメータは、１～５kWのスパッタリングターゲットに印加される電力、３：１００と６：１との間の比率で供給される酸素ガス及び不活性ガスを伴う２から２０mTorrの全圧（酸素及び不活性ガス）、並びに２００～５００℃のウエハ温度である。酸化アルミニウム又は酸窒化物を堆積させるためのCVD及びALD技法も存在する。
【0030】
図３Ｃの技法では、上部シード層１０６の厚さが、堆積プロセスの処理時間又は反復回数に応じる。例えば、上部シード層１０６の厚さは、１～２nmであり得る。
【0031】
図２Ａ及び図２Ｂに戻って参照すると、超伝導金属窒化物層１０８は、上部シード層１０６上に、例えば、直接接触して堆積される（ステップ２０６）。金属窒化物層１０８は、窒化ニオブ（NbN）、窒化チタン（TiN）、又は窒化ニオブチタン（NbXTi1-XN）で形成される。超伝導層１０８は、４から５０nm、例えば、約５nm若しくは約１０nm又は約２０nmの厚さを有し得る。
【0032】
金属窒化物層１０８は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積プロセスを使用して堆積され得る。例示的な処理パラメータは、１～８Torrのベース圧力、１～３kWのターゲットに印加される電力、５～７mTorrの処理中の全圧、４００℃のウエハ温度、ウエハに印加されるバイアス電圧がないこと、及び立方δ相NbNを実現するのに十分なN2としてのガスの割合である。幾つかの実施態様では、金属窒化物層１０８が、例えば新しいターゲットに切り替えることによって、下部シード層１０４及び上部シード層１０６を堆積するために使用されるのと同じ処理チャンバ内で堆積される。これは、より高いスループットの製造を可能にする。代替的に、基板は、減圧を破壊することなく、異なる堆積チャンバへ搬送され得る。これにより、シード層を大気に曝露することなく、汚染の危険性が低い状態で、金属窒化物層を堆積させることができる。
【0033】
金属窒化物層１０８が堆積された後で、金属窒化物層１０８上にキャッピング層１１０が堆積され得る（ステップ２０８）。キャッピング層１１０は、例えば、金属窒化物層１０８の酸化又は他の種類の汚染若しくは損傷を防止するための保護層として機能する。キャッピング層１０８は、誘電体であり得るが、デバイス１００の動作温度で超伝導である必要はない。キャッピング層１０８は、アモルファスシリコン（a-Si）であり得る。幾つかの実施態様では、キャッピング層１０８が、超伝導層１０８に使用される金属窒化物の金属とは異なる材料の窒化物である。キャッピング層１０８の材料の例としては、AlN、Al2O3、SiO2、及びSiNが挙げられる。キャッピング層１０８は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積によって堆積され得る。
【0034】
エッチングを使用して、少なくとも金属窒化層１０８を貫通してトレンチ１１２を形成し、デバイス１００に必要な超伝導ワイヤ１０８′又は他の構造を形成することができる（ステップ２１０）。ワイヤ１０８′は、約２５から２５０nm、例えば約６０nmの幅を有し得る。図２Ｂは、トレンチ１１２が、金属窒化物層１０８及びキャッピング層１１０を貫通して延在し、且つ上部シード層１０６の中には入らないように示しているが、他の構成も可能である。一実施例として、トレンチ１１２は、上部シード層１０６の中に部分的に若しくは上部シード層１０６を完全に貫通して延在し、又は、上部シード層１０６を完全に貫通して、下部シード層１０４の中に部分的に若しくは下部シード層１０４を完全に貫通して延在し得る。
【0035】
空気は汚染物質を含み得るので、上記のプロセスのいずれかについて、上部シード層１０６は、減圧を破壊することなく、例えば下部シード層が堆積される堆積チャンバから基板を除去することなく、又は、下部シード層が堆積される堆積チャンバから上部シード層が形成されるチャンバへの基板の移送中に減圧を破壊することなく、下部シード層１０４上に形成され得る。同様に、金属窒化物超伝導層１０８は、減圧を破壊することなく、上部シード層１０６上に形成され得る。
【0036】
上部シード層１０６が、酸素プラズマ処理（図３Ｂ参照）によって又はPVD（図３Ｃ参照）によって形成される場合、インパルスPVDを使用するApplied Materials Endura（登録商標）が使用され得る。下部シーディング層の堆積と、酸素プラズマ処理又は酸化物若しくは酸窒化物のPVDのいずれかとは、同じチャンバ内で行われ得る。NbN堆積は、同じEnduraツール内の異なるチャンバ内で行うことができるが、減圧を破壊することはない。
【0037】
図４Ａは、超伝導材料として使用される金属窒化物層１０８を含む、デバイス１００′内の幾つかの層の概略図である。図４Ｂは、金属窒化物層が、フィーチャ、例えば超伝導ワイヤ１０８′の中に形成されたデバイス１００′の概略図である。デバイス１００′は、デバイス１００と同様であるが、下部シード層と上部シード層との両方を有する代わりに、デバイス１００′のシード層構造１０３は、単一の金属酸化物又は金属酸窒化物シード層１０６′を有する。以下で説明されることを除いて、デバイス１００′は、デバイス１００に関して説明されたように構成及び製造され得る。図５は、製造の方法２００′のフローチャートである。
【0038】
シード層１０６′が、支持構造１０２の上に配置される。シード層１０６′は、金属酸化物又は金属酸窒化物である。特に、シード層１０６′は、超伝導層１０８内の金属窒化物の金属とは異なる金属の酸化物又は酸窒化物である。シード層１０６′は、酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウム（AlN）であり得、これは、NbNの臨界温度を、例えば、シード層としての窒化アルミニウムよりも約０．５Kだけ臨界温度を改善するようである。しかし、酸化ハフニウム、酸窒化ハフニウム、酸化ガリウム、又は酸窒化ガリウムも、適切であってよい。デバイス１００とは異なり、金属酸化物又は酸窒化物シード層１０６′の下部と直接接触する同じ金属の金属窒化物層は存在しない。
【0039】
下部シード層１０６は、約３から５０nmの厚さ、例えば、約５nm若しくは約１０nm又は約２０nmの厚さを有し得る。前記シード層１０６′は、（００２）c軸結晶方位を有し得る。シード層１０６′は、装置１００の動作温度で超伝導である必要はない。シード層１０６′は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積プロセスによって堆積され得る（ステップ２０４′）。堆積プロセスは、２００～５００℃、例えば４００℃にある基板で行われ得る。
【0040】
例示的な処理パラメータは、１～５kWのスパッタリングターゲットに印加される電力、３：１００と１：６との間の比率で供給される窒素ガス及び不活性ガスを伴う２から２０mTorrの全圧（窒素及び不活性ガス）、２００～５００℃のウエハ温度、並びにウエハに印加されるバイアス電圧がないことである。
【0041】
インパルスPVDを使用するApplied Materials Endura（登録商標）が、シード層及び超伝導層の堆積に使用され得る。例えば、酸化アルミニウムの堆積は第１のチャンバ内で行われ得、NbN堆積は同じツール内の異なるチャンバ内で行われ得るが、減圧を破壊することはない。
【0042】
熱サイクルが、シード層１０６′の堆積と超伝導層１０８の堆積との間で印加され得る。例えば、シード層１０６′を有する基板は、第１の温度から第２の温度まで降下され、次いで、金属窒化物超伝導層１０８の堆積のために、例えば、３００℃以上、例えば、３００～５００℃の高い第３の温度まで上昇される。代替的に、シード層１０６′を有する基板は、高温、例えば、３００℃以上、例えば、シード層１０６′が堆積されるのと同じ温度、例えば、４００℃で、窒化金属超伝導層１０８の堆積まで維持され得る。
【0043】
図６Ａは、超伝導材料として使用される金属窒化物層１０８を含む、デバイス１００″内の幾つかの層の概略図である。図６Ｂは、金属窒化物層が、フィーチャ、例えば超伝導ワイヤ１０８′の中に形成されたデバイス１００″の概略図である。デバイス１００″は、デバイス１００′と同様であるが、金属酸化物又は金属酸窒化物のシード層を有する代わりに、デバイス１００″のシード層構造１０３は、熱サイクルを受けた金属窒化物の単一層を含む。以下で説明されることを除いて、デバイス１００″は、デバイス１００及び１００′に関して説明されたように構成及び製造され得る。図７は、製造の方法２００″のフローチャートである。
【0044】
シード層１０４′が、支持構造１０２の上に配置される。シード層１０４′は、金属窒化物である。特に、シード層１０４′と超伝導層１０８とは、異なる金属の窒化物である。シード層１０４′は、窒化アルミニウムであり得る。しかし、窒化ハフニウム又は窒化ガリウムも、適切であってよい。デバイス１００とは異なり、シード層１０４′と超伝導層１０８との間には金属酸化物又は金属酸窒化物が存在しない。
【0045】
シード層１０４′は、標準的な化学気相堆積又は物理的気相堆積プロセスによって、支持構造１０２上に直接堆積され得る（ステップ２０４′）。堆積プロセスは、２００～５００℃の第１の温度、例えば４００℃にある基板で行われ得る。
【0046】
堆積後、金属窒化物シード層を有する基板は、熱サイクルを受ける（ステップ２０５）。特に、シード層を有する基板は、シード層が堆積される第１の温度、例えば２００～５００℃から、より低い第２の温度まで下げられる。例えば、シード層１０４′を有する基板は、シード層が堆積される第１の温度、例えば３００～５００℃から、より低い第２の温度、例えば２０～３００℃まで下げられる。第２の温度は、第１の温度よりも少なくとも２００℃低くなり得る。例えば、第２の温度は、室温、すなわち２０～２２℃であり得る。シード層は、減圧中に又は窒素及び／若しくは不活性ガス（例えばアルゴン）に曝露されている間に、熱サイクルを受け得る。次いで、基板は、超伝導層の金属窒化物の堆積のために、高い第３の温度、例えば３００～５００度まで上昇される。熱サイクルは、シード層１０４′の結晶構造を変化させる可能性がある。
【0047】
熱サイクル後、超伝導層１０８の金属窒化物が、シード層１０４′上に堆積され得る。超伝導層１０８は、減圧を破壊することなく、又はさもなければシード層を酸素若しくは酸素含有蒸気（例えばH2O）に曝露することなく堆積される。
【0048】
図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）として構成されるデバイス１００ａの上面図及び側面図を示している。デバイス１００ａは、上述のシード層１０３の任意の構成を使用し得る。
【0049】
SNSPDデバイス１００ａは、支持構造１０２上に配置された少なくとも１つの超伝導ワイヤ１０８′を含み得る。超伝導ワイヤ１０８′は、導電性電極１２０の間に接続され得る。超伝導ワイヤ１０８′は、支持構造１０２上で蛇行パターン（例えば、前後平行線状）に配置され得る。幾つかの実施態様では、複数のワイヤ１０８′が電極１２０の間に並列に接続され、各ワイヤ１０８′は、別個のエリア１５２をカバーするが、装置１００ａの検出エリア全体をカバーする単一のワイヤ１０８′だけが存在し得る。更に、多くの他のパターン、例えばジグザグ又は二重らせんが可能である。
【0050】
支持構造１０２は、基板１２４、並びに高屈折率材料及び低屈折率材料で形成された複数対の層を含む分布ブラッグ反射鏡（DBR）１２６を含む。
【0051】
SNSPDデバイス１００ａは、光子（光ビーム１０ａによって示される）が、例えば基板１２４に対して垂直入射で、デバイス１００ａの上から接近することによって動作される。SNSPDデバイスの動作原理は、検出されるべき光子がSNPSD上から来て、SNPSD上で光ることである。光子の吸収は、初期の衝突時又はDBRからの反射時のいずれかで、NbNナノワイヤ上にホットスポットを生成し、これにより、臨界温度以上にNbNの温度が上昇し、その結果、ワイヤの一部がもはや超伝導状態にならない。ホットスポットの周りの領域は、電流の密集を経験することがあり、臨界電流密度よりも高い電流密度をもたらし、ワイヤ全体の超伝導状態を乱すことがある。NbNワイヤの超伝導状態から常伝導抵抗状態への変化は、デバイスに電流を流し、電極間の電圧差をモニタすることにより電気的に検出できる。
【0052】
超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）デバイスの別の１つの形態は、基板の表面に略平行な軸に沿って、光子を検出器に入力する導波路を含む。図９Ａ及び図９Ｂは、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）として構成され、導波路１３８を有するデバイス１００ｂを示している。デバイス１００ｂは、上述されたシード層１０３の任意の構成を使用し得る。
【0053】
SNSPDデバイス１００ｂは、支持構造１０２上に配置された少なくとも１つの超伝導ワイヤ１０８′を含み得る。（１以上の）超伝導ワイヤ１０８′は、隣接する線が交互の端部で接続された複数の平行な線を形成するように配置され得る。図９Ａは、４つの平行な線を示しているが、デバイスは、２本だけの平行な線、例えばＵ字形状のワイヤ、又はより多数の線を有し得る。超伝導ワイヤ１０８′は、導電性電極の間に接続され得る。
【0054】
支持構造１０２は、基板１３４、基板１３４上の誘電体層１３６、及び誘電体層１３６上に配置された導波路１３８を含み得る。誘電体層１０２ｃは、第１の屈折率を有する第１の材料であり、導波路１０２ｄは、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２の材料である。
【0055】
光ビーム１０ｂで示される光子は、導波路１３８を通して、側方から、例えば基板１３２の上面にほぼ平行に、デバイスの中に注入される。特に、光子は、ワイヤ１０８′の平行な線に略平行な軸（矢印Ａによって示される）に沿って入射し得る。
【0056】
更に、光伝播の方向を横切る軸に沿って、ワイヤ１０８′は、導波路１３８の中心付近に位置付けられ得る。例えば、デバイスの両側で、ワイヤ１０８′の外縁と導波路１３８の外縁との間に間隙１３０が存在し得る。この間隙１３０は、導波路の全幅の約２５～３０％の幅を有し得る。
【0057】
概して、導波路１３８の下方の誘電体層１３６及び導波路１３８の上方の空き空間又は空気は共に導波路１３８よりも低い屈折率を有するので、導波路１３８内の光子は全内部反射によって捕捉される。しかし、導波路１３８とナノワイヤ１０８′との間の光学的結合のために、光子は、ナノワイヤ１０８′の中に脱出することができ、したがって、ナノワイヤ１０８′によって吸収され得る。この種のデバイスでは、光結合効率が非常に高くなる可能性がある。
【0058】
図９Ｃを参照すると、導波路１３８が、適切な金属窒化物、例えば窒化アルミニウムで形成される場合、導波路１３８の上面は、下部シード層を提供することができ、上部シード層１０６を形成するように処理することができ、又は、上部シード層１０６は、導波路１０８上に直接形成することができ、すなわち別個の下部シード層を堆積させる必要なく、処理することができる。
【0059】
実施形態のリスト
実施形態１．
基板、前記基板上の金属酸化物又は金属酸窒化物シード層であって、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層、及び、前記シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を含む、超伝導デバイス。
実施形態２．
前記第２の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態１に記載のデバイス。
実施形態３．
前記金属窒化物超伝導層が、δ相NbNを含む、実施形態２に記載のデバイス。
実施形態４．
前記第１の金属が、アルミニウムである、実施形態１又は２に記載のデバイス。
実施形態５．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、２nm未満の厚さを有する、実施形態１から４のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態６．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、０．１から１nmの厚さを有する、実施形態５に記載のデバイス。
実施形態７．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、１から５原子層の厚さである、実施形態５に記載のデバイス。
実施形態８．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、３～５０nmの厚さを有する、実施形態１から４のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態９．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、約５nmの厚さを有する、実施形態１から８のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１０．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、前記第１の金属の酸化物である、実施形態１から９のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１１．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、前記第１の金属の酸窒化物である、実施形態１から９のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１２．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層と前記基板との間に金属窒化物シード層を含む、実施形態１から１１のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１３．
前記金属窒化物シード層が、前記第１の金属の窒化物である、実施形態１２に記載のデバイス。
実施形態１４．
前記金属窒化物シード層が、３～５０nmの厚さを有する、実施形態１２又は１３に記載のデバイス。
実施形態１５．
前記金属窒化物シード層が、が３～５nmの厚さを有する、実施形態１４に記載のデバイス。
実施形態１６．
前記超伝導層上にキャッピング層を更に含む、実施形態１から１５のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１７．
前記超伝導層が、少なくとも１つの超伝導ワイヤを含む、実施形態１から１６のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１８．
前記デバイスが、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）を含む、実施形態１７に記載のデバイス。
実施形態１９．
前記基板と前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層との間に、分布ブラッグ反射鏡を含む、実施形態１から１８のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２０．
前記基板と前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層との間に、前記基板の上面に実質的に平行に伝播する光を受け取るための光導波路を含む、実施形態１から１８のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２１．
前記金属窒化物超伝導層が、４から５０nmの厚さを有する、実施形態１から２０のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２２．
基板、前記基板上の下部シード層であって、第１の金属の窒化物である下部シード層、前記下部シード層上に直接配置された、前記第１の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層、及び、前記上部シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物である超伝導層を含む、超伝導デバイス。
実施形態２３．
前記上部シード層が、０．１から１nmの厚さを有する、実施形態２２に記載のデバイス。
実施形態２４．
前記下部シード層が、３～５０nmの厚さを有する、実施形態２２又は２３に記載のデバイス。
実施形態２５．
前記第２の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態２２から２４いずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２６．
前記第１の金属が、アルミニウムである、実施形態２２から２５のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２７．
前記金属窒化物超伝導層が、４から５０nmの厚さを有する、請求項２２から２６のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２８．
基板、前記基板上の窒化アルミニウムシード層、前記窒化アルミニウムシード層上に直接配置された酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウムシード層、及び、前記上部シード層上に直接配置された、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである超伝導層を含む、超伝導デバイス。
実施形態１．
基板、前記基板上の金属酸化物又は金属酸窒化物シード層であって、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層、及び、前記シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物である金属窒化物超伝導層を含む、超伝導デバイス。
実施形態２．
前記第２の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態１に記載のデバイス。
実施形態３．
前記金属窒化物超伝導層が、δ相NbNを含む、実施形態２に記載のデバイス。
実施形態４．
前記第１の金属が、アルミニウムである、実施形態１又は２に記載のデバイス。
実施形態５．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、２nm未満の厚さを有する、実施形態１から４のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態６．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、０．１から１nmの厚さを有する、実施形態５に記載のデバイス。
実施形態７．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、１から５原子層の厚さである、実施形態５に記載のデバイス。
実施形態８．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、３～５０nmの厚さを有する、実施形態１から４のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態９．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、約５nmの厚さを有する、実施形態１から８のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１０．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、前記第１の金属の酸化物である、実施形態１から９のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１１．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層が、前記第１の金属の酸窒化物である、実施形態１から９のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１２．
前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層と前記基板との間に金属窒化物シード層を含む、実施形態１から１１のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１３．
前記金属窒化物シード層が、前記第１の金属の窒化物である、実施形態１２に記載のデバイス。
実施形態１４．
前記金属窒化物シード層が、３～５０nmの厚さを有する、実施形態１２又は１３に記載のデバイス。
実施形態１５．
前記金属窒化物シード層が、が３～５nmの厚さを有する、実施形態１４に記載のデバイス。
実施形態１６．
前記超伝導層上にキャッピング層を更に含む、実施形態１から１５のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１７．
前記超伝導層が、少なくとも１つの超伝導ワイヤを含む、実施形態１から１６のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態１８．
前記デバイスが、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）を含む、実施形態１７に記載のデバイス。
実施形態１９．
前記基板と前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層との間に、分布ブラッグ反射鏡を含む、実施形態１から１８のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２０．
前記基板と前記金属酸化物又は金属酸窒化物シード層との間に、前記基板の上面に実質的に平行に伝播する光を受け取るための光導波路を含む、実施形態１から１８のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２１．
前記金属窒化物超伝導層が、４から５０nmの厚さを有する、実施形態１から２０のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２２．
基板、前記基板上の下部シード層であって、第１の金属の窒化物である下部シード層、前記下部シード層上に直接配置された、前記第１の金属の酸化物又は酸窒化物である上部シード層、及び、前記上部シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物である超伝導層を含む、超伝導デバイス。
実施形態２３．
前記上部シード層が、０．１から１nmの厚さを有する、実施形態２２に記載のデバイス。
実施形態２４．
前記下部シード層が、３～５０nmの厚さを有する、実施形態２２又は２３に記載のデバイス。
実施形態２５．
前記第２の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、実施形態２２から２４いずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２６．
前記第１の金属が、アルミニウムである、実施形態２２から２５のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２７．
前記金属窒化物超伝導層が、４から５０nmの厚さを有する、請求項２２から２６のいずれか１つに記載のデバイス。
実施形態２８．
基板、前記基板上の窒化アルミニウムシード層、前記窒化アルミニウムシード層上に直接配置された酸化アルミニウム又は酸窒化アルミニウムシード層、及び、前記上部シード層上に直接配置された、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである超伝導層を含む、超伝導デバイス。
【0060】
特定の実施態様について説明したが、本開示の基本的な範囲を逸脱することなく、他の更なる実装が考案され得る。一実施形態の要素及び特徴は、追加の記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられている。ただし、図面は例示的な実施形態のみを示すことに留意されたい。発明の範囲は、下記の特許請求の範囲によって決定される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【手続補正書】
【提出日】2024-08-01
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超伝導デバイスであって、
誘電体又は半導体の基板、
前記基板上の金属酸化物シード層又は金属酸窒化物シード層であって、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層、及び
前記シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物であり、ワイヤを形成するようにパタ―ニングされた金属窒化物超伝導層
を含む、超伝導デバイス。
誘電体又は半導体の基板、
前記基板上の金属酸化物シード層又は金属酸窒化物シード層であって、第１の金属の酸化物又は酸窒化物であるシード層、及び
前記シード層上に直接配置された、前記第１の金属とは異なる第２の金属の窒化物であり、ワイヤを形成するようにパタ―ニングされた金属窒化物超伝導層
を含む、超伝導デバイス。
【請求項2】
前記シード層は前記金属窒化物超伝導層に、前記第１の金属の金属窒化物層よりも高い臨界温度を提供する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項3】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層は前記基板の上に直接配置されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項4】
分布ブラッグ反射鏡を前記基板と前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層との間に備えた、請求項１に記載のデバイス。
【請求項5】
前記基板と前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層との間に、前記基板の上面に実質的に平行に伝播する光を受け取るための光導波路を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項6】
前記第２の金属の窒化物が、窒化ニオブ、窒化チタン、又は窒化ニオブチタンである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項7】
前記金属窒化物超伝導層が、δ相NbNを含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項8】
前記第１の金属が、アルミニウムである、請求項６に記載のデバイス。
【請求項9】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層が、２nm未満の厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項10】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層が、３～５０nmの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項11】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層が、前記第１の金属の酸化物又は酸窒化物である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項12】
前記金属酸化物シード層又は前記金属酸窒化物シード層と前記基板との間に金属窒化物シード層を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項13】
前記金属酸窒化物シード層が、前記第１の金属の窒化物である、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項14】
前記金属窒化物シード層が、３～５０nmの厚さを有する、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項15】
前記超伝導層上にキャッピング層を更に含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項16】
単一の金属窒化物超伝導層を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項17】
前記金属窒化物超伝導層が、４～５０nmの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【外国語明細書】