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Erhöhte Fertigungsausbeute von AC-Josephson-Spannungsnormalen mit NbxSi1-x-Barriere

26.11.2014

Robuste Josephson-Kontakte mit einer Barriere aus amorphem NbxSi1-x bilden die Grundlage für die AC-Spannungsnormale der PTB. Die NbxSi1-x-Kontakte bieten dabei zwei Freiheitsgrade für die Einstellung der Kontakteigenschaften, nämlich den Nb-Anteil x der Barriere und ihre Dicke d. Die Schichtdicke der Barriere bestimmt maßgeblich die elektrischen Parameter Stromdichte und charakteristische Spannung. Um eine hohe Fertigungsausbeute bei der Herstellung von Schaltungen zu erzielen, ist eine exzellente Homogenität der Barrierendicke d über den ganzen Wafer erforderlich. Dies reduziert den Anteil von Josephson-Kontakten mit abweichenden Parametern deutlich.

Die NbxSi1-x-Schichten werden im Co-Sputter-Verfahren hergestellt. Der prinzipielle Aufbau einer entsprechenden Anlage ist in Bild 1 dargestellt. Mit Hilfe von zwei Sputterquellen werden gleichzeitig Niob und Silizium auf dem Substrat abgeschieden, das dabei um seine eigene Achse rotiert. Nach dem Umbau der Beschichtungsanlage sind nun sowohl Höhe als auch Kippwinkel der Sputterquellen präzise einstellbar und erlauben so die Optimierung der Schichten hinsichtlich der Homogenität der Schichtdicke.

Für diese Optimierung wurde eine Reihe von Wafern bei verschiedenen Höhen und Kippwinkeln beschichtet und mit einem Linienraster strukturiert. Mit Hilfe eines automatisierten Profilometers wurden dann die durch dieses Linienraster erzeugten Stufen vermessen und so die Schichtdicke an jedem der bis zu 300 Messpunkte auf einem 3-Zoll-Wafer ermittelt. Zur Verbesserung der automatischen Stufenauswertung besteht das Linienraster aus drei parallelen, nah beieinander liegenden Linien, sodass an jedem Messpunkt sechs Stufen vermessen werden.

Das Ergebnis einer solchen Profilometermessung ist in den Bildern 2 und 3 gezeigt. Die Werte der einzelnen Messpunkte wurden auf den Mittelwert aus den Ergebnissen aller Messpunkte auf dem Wafer normiert, um die Wafer untereinander vergleichen zu können. Für Bild 3 wurden die Messpunkte ihrer Position auf dem Wafer zugeordnet. Deutlich ist die gleichmäßige Verteilung der Messwerte über den Wafer zu sehen. Das Histogramm in Bild 2 zeigt die geringen Abweichungen ebenso deutlich. Hier lässt sich sofort die Halbwertsbreite ablesen, die bei diesem Wafer eine Abweichung der Schichtdicke um lediglich ±1 % vom Mittelwert anzeigt.

Dieses hervorragende Ergebnis zeigt, dass die Optimierung erfolgreich war. Die Variation der kritischen Stromdichte hat sich auf 10 % reduziert, ebenso wie die chip-zu-chip Variation der kritischen Stromstärke. Wie erwartet hat sich damit die Fertigungsausbeute von AC-Josephson-Spannungsnormalen deutlich erhöht.

 

 

 

Bild 1: Prinzip des Co-Sputterns. Sowohl Höhe als auch Winkel der Sputterquellen lassen sich nach dem Umbau präzise einstellen.

 

 

 

 

 Bild 2: Histogramm der 292 gemessenen, relativen Schichtdickenwerte. Die Messwerte wurden auf ihren Mittelwert von 85,4 nm normiert.

 

 

 

 

Bild 3: Verteilung der 292 gemessenen, relativen Schichtdickenwerte auf einem 3-Zoll-Wafer. Die Messwerte wurden auf ihren Mittelwert von 85,4 nm normiert.

 

 

 

 

Ansprechpartner: T. Scheller
Fachbereich 2.4:
 Quantenelektronik