Содержание к диссертации
Введение
1. Основные соотношения в сверхпроводниковой электронике
1.1. Эффект Джозефсона и RCSJ модель 8
1.2. Классификация слабых связей 14
1.3. Основные соотношения микроскопической теории двухбарьерных джозефсоновских переходов 16
1.4. Параметры джозефсоновских переходов в различных технологиях 21
2. Технологический цикл изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем и экспериментальная измерительная система
2.1. СИС технология изготовления джозефсоновских туннельных 25 переходов с внешним шунтирующим резистором
2.2. СИНИС технология изготовления двухбарьерных джозефсоновских туннельных переходов
2.2.1. Технологические требования 28
2.2.2. Основные технологические процедуры 29
2.2.3. Последовательность технологических опрераций при изготовлении цифровых БОК схем на основе СИНИС переходов 33
2.3. Установка экспериментального тестирования микрочипов 39
3. Электрофизические свойства двухбарьерных джозефсоновских СИНИС переходов
3.1. Одиночные СИНИС контакты
3.1.1. Вольт-амперные характеристики 43
3.1.2. Зависимость плотности критического тока и характерного напряжения контактов от параметров окисления туннельных барьеров 45
3.1.3. Величина гистерезиса на В АХ переходов 49
3.1.4. Зависимость плотности критического тока и характерного напряжения переходов от температуры 52
3.1.5. Зависимость характерного напряжения контактов от параметра микроскопической теории /eff 55
3.1.6. Влияние внешнего микроволнового излучения 56
3.1.7. Переход во внешнем магнитном поле 59
3.2 Цепочки двухбарьерных переходов 62
3.3 Возможности и ограничения на применение СИНИС переходов в схемах высокой степени интеграции 66
3.4 Сверхпроводниковые цифровые БОК схемы на основе СИНИС технологического процесса 3.5 Требования к параметрам элементов цифровых БОК схем 69
4 Исследование областей работоспособности цифровых БОК
4.1. Преобразование одноквантовой формы представления информации в потенциальную и обратное преобразование 75
4.2. Высокочастотное исследование передачи и обработки одноквантовых импульсов в БОК схемах на основе Т - триггера 80
4.3. 8 - битный сдвиговый регистр 85
4.4. Детектирование редких сбоев в цифровых БОК схемах 89
Заключение 94
- Классификация слабых связей
- Последовательность технологических опрераций при изготовлении цифровых БОК схем на основе СИНИС переходов
- Цепочки двухбарьерных переходов
- 8 - битный сдвиговый регистр
Введение к работе
Интерес, проявляемый к достижениям низкотемпературной сверхпроводниковой
электроники, тесно связан с уникальностью физических процессов, лежащих в ее
/ основе, имеющих квантовомеханическую природу и с рекордными характеристиками
криоэлектронных устройств по сравнению с их лучшими полупроводниковыми
аналогами. В частности, цифровые сверхпроводниковые устройства демонстрируют
сверхвысокое быстродействие (тактовая частота устройств порядка 150 ГГц), обладая
при этом сверхмалым значением рассеиваемой мощности (< ІмкВт для элементарной
логической ячейки). Последнее обстоятельство делает потенциально возможным
достижение сверхвысоких плотностей упаковки элементов в цифровых
сверхпроводниковых схемах. Однако, повышение степени интеграции
сверхпроводниковых схем требует поиска, разработки и исследования новых і технологических решений для миниатюризации всех компонентов схем и определению
оптимальных параметров для их использования в актуальных задачах
криоэлектроники: метрологии, цифровой схемотехнике для сверхбыстрой обработки
информации и т.д. Современная полупроводниковая электроника решает теже задачи,
что отражено в прогнозах ведущих специалистов.
В обзоре [SEMATECH2001] предсказывается, что дальнейшее развитие полупроводниковой технологии позволит расширить к 2013 году полосу рабочих частот цифровых микросхем высокой степени интеграции до 20 ГГц. Диапазон рабочих частот цифровых криоэлектронных устройств на основе прогнозов [Likharev 1997], [SCENET2001] достигнет величины 500 ГГц за тот же период, что наглядно демонстрирует конкурентоспособность сверхпроводниковой электроники на сегодняшний момент времени и в ближайшем будущем. Тем не менее, сильная конкуренция со стороны полупроводниковой технологии в вопросе достижения высоких степеней интеграции микросхем ограничивает применение криоэлектронных цифровых схем в практических задачах, что и отмечено в работе [Van Duzer 1998].
Концепция построения современных цифровых сверхпроводниковых устройств впервые была впервые предложена в работах [Likharev 1985], [Mukhanov 1985] и стала предметом детальных исследований многих исследовательских групп с 1991 года [Likharev 1991].
В цифровых криоэлектронных схемах на основе Быстрой ОдноКвантовой логики (БОК) хранение информации осуществляется с помощью кванта магнитного потока
Фо = А/(2е) в контуре двухконтактного квантового интерферометра постоянного тока. Передача информации от одного логического элемента к другому происходит в форме
импульса напряжения квантованной площади \V(t)-<\t=0Q = /z/(2e)=2,07-10"15 Вб, где h
постоянная Планка, е заряд электрона. Активными элементами цифровых БОК схем являются Джозефсоновские переходы (контакты), обладающие однозначной (т.е. безгистерезисной, Дг«1) вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Для активации цифровых схем на основе БОК логики необходимо задание только постоянного тока питания для каждого перехода в схеме на уровне /в = 0,75 /с. Элементарные схемы БОК логики способны генерировать, хранить и осуществлять передачу сверхкоротких пикосекундных импульсов напряжения. Двоичное представление информации "1" ("0"), следуя работе [Likharev 1991], осуществляется по следующей схеме: присутствие информационного импульса между двумя последовательными тактовыми импульсами ' кодируется как логическая "1", а отсутствие как логический "О". Пристальное внимание к сверхпроводниковым цифровым БОК схемам вызвано как возможностью сверхбыстрого переключения активных элементов (типичное время переключения ~ 5 псек) при малой рассеиваемой мощности (< 1 мкВт), так и с практически бездисперсионным распространением одноквантовых импульсов напряжения по линиям передач. Диапазон рабочих температур криоэлектронных цифровых устройств лежит в области температур Г» 4,2 К из-за требования малости уровня тепловых флуктуации.
Предельное быстродействие элементарных цифровых БОК схем может быть оценено на основе соотношения между частотой следования одноквантовых импульсов и возникаемым средним напряжением на переходе /с = Vc/Фо, где Vc значение характерного напряжения джозефсоновского перехода [Likharev 1991]. В свою очередь, характерное напряжение зависит от параметров конкретного джозефсоновского перехода Vc = /c-^n, где 1с и R^ величина критического тока и нормальное сопротивление контакта, что наглядно свидетельствует о влиянии параметров активных элементов БОК схем на предельное быстродействие схемы в целом. В цифровых БОК схемах высокой степени интеграции (>1000 активных элементов) предельное быстродействие, как было показано в работе [Kaplunenko 1995], ограничено следующим соотношением fmax = 0,3-(Ус/Фо).
Развитие современной сверхпроводниковой цифровой схемотехники, как было отмечено в работах [Kupriyanov 1999], [Buchholz2001], [Niemeyer 2002], тесно связано
с повышением существующего уровня степени интеграции сверхпроводниковых микрочипов. Одним из наиболее детально разработанных, исследованных и широко применяющихся технологических процессов изготовления джозефсоновских переходов, обладающих безгистерезисной ВАХ, является процесс изготовления , туннельных джозефсоновских переходов на основе тонкопленочного технологического процесса Nb/Al с шунтирующим резистором из нормального материала. Этот технологический процесс демонстрирует хорошую воспроизводимость и малый разброс параметром у туннельных переходов, но ряд принципиальных проблем ограничивает, возможность повышения степени интеграции у цифровых БОК схем на его основе. Наличие внешнего шунтирующего резистора у туннельных контактов не позволяет эффективно повышать степень интеграции микрочипов и, кроме того, ограничивает область рабочих часто БОК схем из-за присутствия паразитных индуктивностей в петле шунтирующего резистора, фиксируя ее на уровне (0--R&JL где со- частота следования одноквантовых импульсов, L значение паразитной индуктивности, i?Sh величина шунтирующего резистора.. Таким образом, наиболее перспективным технологическим подходом для решения проблемы повышения степени интеграции цифровых БОК схем является разработка и применения новых типов джозефсоновских контактов, обладающих механизмами внутреннего шунтирования, что позволяет эффективно уменьшать размер элементарной ячейки и всего микрочипа в целом. На данный момент времени потенциально привлекательными являются три типа джозефсоновских переходов с точки зрения их возможного применения в цифровой БОК схемотехнике и обладающих однозначными ВАХ без внешнего шунтирования:
сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник (СНС) [Benzl995], [Burroughs 1999], [Fritzsch 1998, 1999], [Hagedorn 2002], [Lacquaniti 1999], [Moseley 1999], [Popel 2000a, 2000b], [Sachse 1997],
сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) с высокими значениями плотностей критических токов (/с > 100 kA/смг) [Chen 1998, 1999], [Patel 1999],
сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС) [Behr 1999], [Brinkman 2001], [Capogna 1996], [Cassel 2001], [Kupriyanov 1988, 1999], [Maezawa 1997a], [Niemeyer2002], [Schulze 1998a, 1998b], [Sugiyama 1997].
Возможное применение СНС контактов в сверхпроводниковой цифровой схемотехнике ограничено сравнительно низким значением характерного напряжения у них (Ус ~ 20 мкВ,/с = Vc/Фо ~ 10 ГГц). Это обстоятельство не позволяет рассматривать их как многообещающих конкурентов современной полупроводниковой
микротехнологии. СИС переходы со сверхвысокими значениями плотностей критических токов, обладая высокими значениями характерного напряжения (Рс«1мВ) предъявляют экстремально высокие требования как к субмикронному технологическому процессу изготовления джозефсоновских переходов, так и к используемому технологическому оборудованию. Кроме того, существующий разброс параметров СИС переходов со сверхвысокой плотностью тока существенно ограничивает их применение в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции.
Наиболее многообещающими кандидатами для применения в цифровых сверхпроводниковых БОК схемах высокой степени интеграции являются двухбарьерные джозефсоновские СИНИС контакты, обладающие одновременно и механизмом внутреннего шунтирования, - и высоким значением характерного напряжения. Эти качества СИНИС переходов делают их потенциально привлекательными для применения в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции.
Другая сфера активного применения двухбарьерных СИНИС контактов лежит в области метрологии, а именно в реализации стандартов напряжения. Стандарты напряжения на основе СИНИС переходов обладают значительно более высокой стабильностью ступеней Шапиро к хаотическому поведению по сравнению со схемами на основе туннельных СИС контактов [Kautz 1995], а также позволяют осуществлять однозначный выбор ступени напряжения (другими словами ступени Шапиро) в широком диапазоне токов питания микросхемы. Эти качества, демонстрируемые двухбарьерными СИНИС переходами, позволяют разрабатывать и реализовывать на их основе не только концепции стандартов напряжения, но также и полностью программируемых стандартов напряжения [Hamilton 1995], [Benz 1995, 1997], [Niemeyer2001], [Kohlmann2001].
Анализируя вышесказанное, мы можем заключить, что исследование электрофизических параметров двухбарьерных джозефсоновских СИНИС структур и разработка технологического процесса для их применения в цифровых БОК схемах является одной из актуальных задач современной сверхпроводниковой электроники. Основной целью представленной работы являлось проведение комплексного исследования двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов и возможности их применения в цифровой криоэлектронике на основе БОК логики. В соответствии с поставленной целью задачами работы являлись:
Исследование электрофизических и технологических параметров двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов с целью определения возможности их применения в качестве активных элементов криоэлектронной цифровой схемотехники.
Разработка технологического процесса воспроизводимого изготовления двухбарьерных джозефсоновских переходов с параметрами, приемлемыми для проектирования и изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем.
Изготовление основных типов цифровых БОК схем на основе разработанного СИНИС технологического процесса. Определение основных параметров, характеризующих работоспособность изготовленных БОК схем.
Представленная работа была выполнена в рамках тесного сотрудничества между Институтом радиотехники и электроники Российской Академии Наук (ИРЭ РАН, Москва), Научно-исследовательским институтом Ядерной Физики Московского Государственного университета (НИИЯФ МГУ, Москва) и Департаментом квантовой электроники Федерального Физико-Технического центра (РТВ, Брауншвейг, Германия).
Классификация слабых связей
В современной литературе, посвященной сверхпроводниковой физике, термин "слабая связь" обозначает слабый электрический контакт между двумя массивными сверхпроводящими проводниками или электродами. Величина критического сверхтока, способного протекать через такую слабую связь, значительно меньше критического тока сверхпроводящих электродов. Такая формулировка была введена для того, чтобы различать слабосвязанные сверхпроводящие структуры, обладающие непосредственной проводимостью и структуры на основе туннельных переходов [Likharev 1979]. Первоначально, эффект Джозефсона, рассматривался на основе туннельного процесса между сверхпроводящими электродами. Однако в работах [Вагопе 1982], [Likharev 1986], [Tinkham 1996], [Van Duzer 1998], было показано, что эффект интерференции волновых функций наблюдается также и других типах слабосвязанных сверхпроводниковых структур. Таким образом, термин "слабая связь" применим для любого типа материала между сверхпроводящими электродами, обеспечивающего перекрытие волновых функций электродов в области слабой связи. С этой точки зрения слабой связью может быть и тонкая изолирующая пленка, как было предложено Джозефсоном, и пленка из нормального материала, обладающая слабыми сверхпроводящими свойствами из-за эффекта близости (механизм диффузии куперовских пар в нормальный материал из сверхпроводника), и просто микроскопической закороткой, или же областью сужения в однородном сверхпроводящем материале [Tinkham 1996], [Delin 1996]. Джозефсоновскии переход "СНС" типа рассматривается в работе [Delin 1996], как джозефсоновскии переход, в котором критический ток возникает за счет интерференции волновых функций слабосвязанных сверхпроводящих электродов в области нормального материала за счет эффекта близости. Применяя термин "барьер" к нормальному материалу Н мы переходим к рассмотрению процесса туннелирования, что не является основным транспортом тока в СНС структуре. Следовательно, этот термин не подходит для рассмотрения и обсуждения СНС структур, за исключением случая, когда рассматривается естественный барьер на границе СН материалов. Вместо этого, для нормального материала может быть применен термин "прослойка". Потенциальные барьеры могут и действительно возникают на границе СН материалов, что ведет к возникновению нового типа джозефсоновского перехода на основе СИНИС структуры.
Отталкиваясь от конфигурации туннельного СИС контакта, СИНИС структура может быть понята как введение дополнительного нормального Н слоя (или же С слоя, обладающего меньшей величиной критической температуры чем материал электродов С) между двумя изолирующими барьерами в туннельном СИС контакте, что ведет к возникновению нового двухбарьерного СИНИС перехода [Kupriyanov 1988, 1999]. В представленной работе, теоретическое описание таких структур будет проведено в главе 1.3. СНС и СИС сверхпроводниковые структуры, представляют собой предельные случаи реализации СИНИС переходов: СНС контакт, когда туннельные барьеры обладают высокой прозрачностью и СИС контакт, когда толщина нормального слоя пренебрежимо мала. Микроскопические модели для описания различных типов слабых связей в джозефсоновских переходах наиболее хорошо развиты для двух предельных случаев: "чистый предел" ("clean limit") и "грязный предел" ("dirty limit"). В этой классификации слабых связей длина когерентности в нормальном материале fn играет существенную роль. В случае "чистого предела" (индекс "с") /» м, в случае "грязного предела" (индекс "d") /« nd, где / является величиной свободного пробега электронов в нормальном материале. Длина когерентности в нормальном материале, когда слабая связь удовлетворяет условию "чистого предела", может быть оценена из принципа неопределенности, как, к примеру, это сделано в работе [Delin 1996]. "Чистый" нормальный материал Н в этом случае имеет критическую температуру Тсп = 0 и длину свободного пробега электронов /, которая много больше, чем геометрические размеры слабой связи. В силу принципа неопределенности, произведение координаты и импульса куперовскои пары имеют порядок величины h, т. е. Ъх-Ър h. Предполагая, что Ъх является длиной когерентности в нормальном материале и усредненным размером самой куперовскои пары %пс, величина Ьр может быть оценена на основе соотношения у Ър ЪЕ (vp - скорость Ферми в нормальном материале, ЪЕ - энергетический интервал вблизи поверхности Ферми Ег квТв нормальном материале и кв постоянная Больцмана). Таким образом, nc #vF /квТ в случае реализации условий "чистого предела" в области слабой связи и как представлено в [Deutscher 1969], В случае выполнения условий "грязного предела" (/« п 0 в материале слабой связи, учет случайного аргумента, связанного с многократным рассеиванием в материале слабой связи, приводит к следующему виду выражение для длины когерентности па: где D коэффициент диффузии D = (vp Urn), а m пространственная размерность (т = 3). Современная микроскопическая теория двухбарьерных джозефсоновских переходов была разработана на основе стационарной микроскопической теории сверхпроводниковых СС С структур для случая, когда в С материале реализуются условия "грязного предела" [Kypriyanov 1988], [Zaitsev 1990, 1991]. Решение уравнений Узаделя [Usadel 1970] с разными граничными условиями и в случае малых величин прозрачностей потенциальных барьеров на границах материалов позволило определить общий вид ток-фазовых зависимостей 1с(р) для СС С контактов [Kupriyanov 1988]. Кроме того, полученные зависимости были справедливы только в том случае, когда толщина материала С величину много меньшую по сравнению с длиной когерентности nd в этом материале. Как было показано ранее, длина когерентности в рассматриваемом случае (согласно выражению (1-20)) имеет следующий вид: Чй- где Тс критическая температура электродов С и D = v?l/3. Выражение 1( р) для СС С контакта, может быть записано в следующем виде: и справедливо в представленной форме только тогда, когда параметры ув и СИЕ,ПА удовлетворяют неравенству: где Л\ и Аг величины параметра порядка в С и С материалах.
Необходимо заметить, что полученное выражение 1с( р) для СС С структуры справедливо только в том случае, когда ток, протекающий через СС С контакт, превышает ток распаривания электронных пар в материале слабой связи С. Параметр ув в микроскопической теории двухбарьерных сверхпроводниковых структур характеризует подавление сверхпроводимости вблизи границы материалов СС и определяется следующим выражением: где /?в является параметром, определяющим удельное сопротивление границы двух материалов. В рассматриваемой теории, граница материалов СС является плоской и отчетливой на атомном уровне, а ее туннельные свойства определяются прозрачностью потенциальных барьеров. Материал слабой связи имеет слабую металлическую проводимость и сопротивление СС С переходов в нормальном состоянии определяется как: В случае малой прозрачности потенциальных барьеров на границе материалов, выражение для 1{(р) можно представить в виде: тогда как для случая большой прозрачности потенциальных барьеров 1(ф) определятся как: Детальное рассмотрение влияния сопротивления, возникающего на границе материалов СС, на транспортные свойства сверхпроводниковых структур дается в работе [Delin 1996]. Дальнейшее развитие микроскопической теории двухбарьерных джозефсоновских переходов было проведено в работах [Kypriyanov 1999], [Golubov2001]. В этих публикациях был приведен анализ сверхтока, протекающий через двухбарьерный джозефсоновский контакт, для случаев, когда в материале С реализуются условия как "чистого", так и "грязного" предела. Модель описывала переход от когерентного режима туннелирования между двумя сверхпроводящими электродами к режиму двух последовательно соединенных туннельных переходов и включала рассмотрение влияния сопротивления каждого из туннельных барьеров на границе материала слабой связи на транспортные свойства этих контактов.
Последовательность технологических опрераций при изготовлении цифровых БОК схем на основе СИНИС переходов
Полный технологический цикл изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем с активными элементами на основе СИНИС контактов проиллюстрирован на рис. 2.4. Основные технологические параметры представлены в Таблице 2.4., а последовательность слоев, формирующих СИНИС переход, приведена в Таблице 2.5. В качестве материала подложки для цифровых схем используется 3 — дюймоваяпластина монокристаллического кремния с термически окисленной поверхностью (толщина окисла SiC 2 300 нм). Пластина обладает шероховатостью поверхности не хуже чем Юнм. Выбор термически окисленной кремниевой пластины в качестве материала подложки объясняется хорошими изолирующими свойствами пленки окисла, предотвращающего появление токов утечки во время процесса жидкостной анодизации элементов схем. Первым, на поверхность подложки методом магнетронного напыления осаждается сверхпроводящий экран, представляющий собой следующую последовательность слоев: Nb/Al/Nb (170 нм/8 нм/60 нм). Включение тонкого слоя А1 позволяет избегать перетрава во время открытия контактных окон в изоляторных пленках, лежащих на поверхности экрана. Другая роль тонкого слоя А1 состоит в планаризующем эффекте и улучшении морфологии пленки Nb, растущего на его поверхности [Dmitriev 1998]. Общая толщина совокупности слоев, образующих сверхпроводящий экран, выбиралась из следующего условия (1 2-Лыъ, что позволяет существенно уменьшать влияние внешнего магнитного поля на работоспособность цифровых БОК схем. После формирования фоторезистной маски на поверхности экрана, процесс травления экрана осуществлялся в следующей композиции рабочих газов для каждого из слоев: CF4, Аг, CF4:02, см. рис. 2.4.а). Для изоляции экрана от последующих напыляемых металлических слоев использовался процесс жидкостной анодизации Nb пленки экрана до напряжения 27 В, соответствующее «40 нм толщине окисла ND2O5. Последующее напыления 200 нм пленки из SiC 2 позволяет улучшить изоляторные свойства окисла ND2O5. Для организации гальванических соединений элементов схем к поверхности сверхпроводящего экрана, процесс реактивно-ионного травления окон в двухслойном ND2O5 и БіОг диэлектрике происходил в следующей рабочей среде: СНБз .СЪ, см. рис. 2.4.Ь). Следующим шагом в технологическом цикле было осаждение пленок нормальных материалов Cr/Pt/Cr (15 нм/90 нм/15 нм) для последующего формирования резисторов питания схем.
Присутствие тонких слоев материала Сг позволяет значительно улучшить свойства адгезии платиновых резисторов к диэлектрическим пленкам SiC 2, лежащим в полной структуре микросхемы как под так и над пленкой нормального материала. После приготовления фоторезистной. маски процесс травления композиции материалов Cr/Pt/Cr осуществлялся методом бомбардировки поверхности пластины ионами Аг. Процесс ионной бомбардировки имел следующие параметры: ускоряющее напряжение ионов Аг 600 В, ионный ток 58 мА и ток нейтрализатора, предотвращающего эффект заряда пластины во время процесса травления 11А (эмиссионный ток электронов 20 мА). Окончание процесса травления контролировалось с помощью квадрупольного масспектрометра, установленного в камере травления. После удаления фоторезистной маски осуществлялось напыление духбарьерной СИНИС структуры, содержащей последовательность слоев Nb-Al/AljtOj/Al/AbOy Al-Nb. Напыление происходило в высоковакуумной системе с давлением остаточных газов, не превышающих 10 8 мбар без разрыва вакуумного цикла. Более детально последовательность слоев в СИНИС структуре и их соответствующие толщины представлены в таблице 2.5. Процессы термического окисления тонких пленок А1 для формирования туннельных барьеров происходили в камере окисления, отделенной от камеры напыления, с давлением остаточных газов не выше чем 2 10"7 мбар. Сразу после изготовления СИНИС сэндвича происходило осаждение диэлектрической пленки БіОг толщиной 50 нм, выступающей в роли жесткой маски на поверхности туннельных контактов во время жидкостной анодизации, см. рис. 2.4.с) и d). После процесса реактивно-ионного травления, формирующего туннельные переходы, поверхность джозефсоновских контактов защищена пленкой фоторезистивной маски и жесткой маской из диэлектрика БіОг- Травление анодизационной жесткой маски и верхнего Nb электрода в многослойной СИНИС структуре происходило в следующей композиции газов: СНБз:Ог для пленки SiC 2 и CF4:02 для Nb электрода. А1хСуА1 пленка служила естественным ограничителем во время процесса травления. Без смыва фоторезистной маски сразу после процесса травления происходил процесс жидкостной анодизации открытых металлических поверхностей пластины до напряжения 40 В, что соответствовало « 60 нм суммарной толщины получаемого окисла пленок А1 и Nb, см. рис. 2.4.е). Следующая фоторезистивная маска создавала топологию базового электрода. Процесс травления диэлектрической пленки АЬОз, полученной во время жидкостной анодизации, может быть выполнен только с помощью физического распыления материала методом ионной бомбардировки травимой поверхности пластины. Основные параметры процесса физического распыления материала описаны выше. Последующие травление слоев NbaCb и Nb выполнялось с помощью реактивно-ионного процесса травления в рабочей среде СТ СЬ. После того, как сформирован базовый электрод, на поверхность пластины осаждалась пленка диэлектрика SiC»2 толщиной 300 нм, которая улучшала изоляционные свойства пленок окислов Nb и А1, а кроме того обеспечивала изолирование открытых краевых поверхностей базового электрода. Для организации контактов считывающего Nb электрода к поверхностям джозефсоновских контактов и к другим частям схем, процесс реактивно-ионного травления окон в диэлектрическом слое SiC 2 происходил в следующей рабочей смеси газов СНИзЮг.
Во время процесса травления диэлектрической пленки, происходило одновременное удаление и жесткой анодизационной маски с поверхностей переходов, так как травление изоляторной пленки в такой композиции рабочих газов обладает высокой селективностью по отношению к травлению пленок ниобия в той же среде рабочих газов. Площадь окон в изоляторном слое может превышать площадь джозефсоновских переходов, так как область вокруг перехода хорошо защищена слоем окисла А1 пленки и не оказывает влияния на рабочие характеристики схем, см. рис. 2.4.f). Технологический цикл изготовления цифровых схем завершается напылением Nb пленки считывающего электрода, формированием на его поверхности фоторезистной маски и заключительного процесса реактивно-ионного травления электрода через подготовленную маску сначала в атмосфере CF4, а затем CF4:C 2. Добавление кислорода на заключительном этапе травления Nb пленки толщиной 360 нм, вызван возможным переосаждением продуктов травления в виде органической полимерной пленки на травящиеся поверхности, что может эффективно уменьшать скорость травления пленки в целом, см, рис. 2.4.g). Для улучшения электрического контакта между измерительным зондом и контактными площадками изготовленной микросхемы, на поверхность контактных площадок чипов осуществлялось напыление Pt пленки толщиной 60 нм методом взрывной фотолитографии. На рис. 2.5. а) представлен поперечный разрез джозефсоновского СИНИС контакта в описанном выше технологическом цикле (не показаны для наглядности тонкопленочные резисторы питания) изготовления цифровых микросхем. На рис. 2.5.Ь) приведена микрофотография вида сверху СИНИС перехода, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, в одном из сегментов джозефсоновской линии передачи в DC/SFQ и SFQ/DC преобразователе. На рис.. 2.5.с) показана фотография внутренней структуры СИНИС перехода, полученная методом просвечивающей туннельной микроскопии. Фотография дает четкое представление о последовательности всех слоев, образующих СИНИС структуру. Дополнительно можно заметить, что в масштабе (« 50 нм) представленной фотографии, туннельные барьеры обладают высокой степенью однородности. К сожалению, заключение об однородности туннельных барьеров в СИНИС контакте, обладающего планарными размерами порядка нескольких мкм, не может быть сделано на основе результатов туннельной микроскопии и требует других методов для подтверждения высокой однородности туннельных барьеров, а следовательно и равномерного распределения критического тока перехода по его площади.
Цепочки двухбарьерных переходов
В процессе оптимизации СИНИС технологического процесса, было изготовлено и исследовано большое количество тестовых образцов, содержащих как одиночные переходы различной площади, так и последовательные цепочки на их основе. На рис. 3.13. приведены ВАХ одиночных СИНИС переходов и ВАХ последовательных цепочек двухбарьерных СИНИС контактов. Рис. 3.1.а) и Ь) демонстрируют вольт-амперные характеристики одиночного СИНИС перехода и последовательной цепочки из 200 таких же контактов со следующими параметрами каждого перехода: jc = 416 А/см2 и А = 48 мкм2. Критический ток каждого перехода составлял величину /с = 200 мкА, нормальное сопротивление / = 0,8 Ом и характерное" напряжение Гс=160мкВ. Гистерезис на ВАХ перехода не превышает величину 10% от критического тока перехода. Разброс значений IQ в цепочке переходов не превышает величину + 2%. Используя более высокое разрешение по оси напряжений во время измерения ВАХ цепочки из 200 СИНИС переходов не было обнаружено ни одного контакта с подавленным значением критического тока. Для указанной выше критической плотности тока переходов, разброс значений jc по 3-дюймовой пластине был оценен величиной не превышающей ±5% и определяется скорее уходом планарных размеров переходов во время их изготовления, чем неоднородностью туннельных барьеров. Рис. 3.13.с) и d) содержит ВАХ одиночного СИНИС перехода и последовательной цепочки из 100 переходов со следующими параметрами для каждого перехода: Ус = 2,2кА/см и Л=100мкм. Критический ток перехода в этом случае составлял величину /с = 2,2мА, нормальное сопротивление /?N = 0,11OM и характерное напряжение Vc = 245 мкВ. Гистерезис на ВАХ одиночного контакта не превышал величину 15% от критического тока перехода. Разброс критических токов переходов в цепочке не превышал величину ± 5%, а разброс критической плотности тока по 3 -дюймовой пластине ±10%. Разброс нормальных сопротивлений двухбарьерных контактов и разброс плотностей критических токов переходов имеет одинаковый механизм возникновения, который связан с изменением толщины туннельных барьеров и толщины материала прослойки между туннельными барьерами по площади изготавливаемой пластины.
В разработанной технологии, величина разброса R-ы не превышала соответствующую величину разброса /с. Разброс параметров двухбарьерных контактов от одного процесса окисления к другому растет одновременно с уменьшением толщины туннельных барьеров контактов, определяющих плотность критических токов и нормальное сопротивление переходов. Добиться уменьшения этого разброса при увеличении плотности критического тока переходов можно при условии более точного контроля всех параметров процесса окисления. К ним относятся давление и состав остаточных газов в камере окисления, а также время и давление во время процесса окисления. СИС технологический процесс изготовления туннельных контактов с внешним шунтированием обладает сходными величинами разбросов плотностей критических токов СИС переходов в случае номинально одинаковых плотностей критических токов, однако дополнительно должен учитываться еще и разброс значений поверхностного сопротивления пленки нормального материала из которого формируются шунтирующие резисторы. Это, в конечном счете, увеличивает полный разброс параметров шунтованных переходов в СИС технологическом процессе изготовления шунтированных джозефсоновских контактов по сравнению с СИНИС технологическим процессом. Типичные значения разбросов шунтирующих резисторов, изготовленных из различных пленок нормального материала на базе СИС технологического процесса изготовления шунтированных переходов, разработанного и внедренного в ПТБ (Германия), имеют следующие значения: для Pd резисторов ±15% и ±5% для Cr/Pt/Cr резисторов по площади 3 -пластины. Кроме разброса параметров джозефсоновских переходов по пластине и от одного процесса окисления к другому, уменьшающих области работоспособности цифровых БОК схем, существует другой важный параметр, характеризующий число разрушенных (закороченных) переходов из-за дефектов внутри туннельной структуры или же возникших в результате технологических процедур при изготовлении цифровых микросхем. Квантовая метрология имеет возможности для определения точного числа таких закороченных переходов в длинных последовательных цепочках безгистерезисных переходов. В режиме высоко стабилизированного внешнего микроволнового излучения, ВАХ длинной цепочки безгистерезисных джозефсоновских переходов имеет ступени постоянного напряжения со следующими значениями Vn = n-m-ft 0Q {п= 1,2, .. номер ступени, т число переходов,/ частота внешнего СВЧ сигнала). Положение ступеней напряжения на ВАХ цепочек, определенное точностью не хуже чем несколько нановольт, дает нам точную информацию о числе переходов, участвующих в синхронном процессе генерации. В технологическом процессе, разработанном для интегрированной технологии изготовления стандартов напряжений и цифровых БОК схем на основе СИНИС переходов, были изготовлены длинные последовательные цепочки двухбарьерных СИНИС переходов. ВАХ части одной из таких цепочек и влияние внешнего микроволнового высоко стабилизированного СВЧ (70,3 ГГц) излучения представлены на рис. 3.14. Положение первой ступени Шапиро, определенное с нановольтовой точностью, позволяет подсчитать, что 3711 СИНИС переходов вовлечены в процесс синхронных осцилляции. Большое количество экспериментальных данных, посвященных исследованию различных топологий стандартов напряжений на основе СИНИС контактов и определению числа закороченных переходов в них представлена в работах [Muller2001], [Kohlmann2001].
Определение числа закороченных переходов в длинных цепочках туннельных СИС переходов основано на измерении напряжения, соответствующего положению энергетической щели на ВАХ цепочки, которая определяется количеством рабочих переходов в цепочек. Такая методика не требует организации подвода внешнего микроволнового излучения, как в случае безгистерезисных двухбарьерных СИНИС контактов. Принимая во внимание обобщенные данные о количестве разрушенных (закороченных) переходов в различных технологических процессах, представленных в таблице 1, можно отметить, что не смотря на относительную сложность двухбарьерной СИНИС структуры по сравнению с обычной туннельной СИС структурой, количество закороченных джозефсоновских переходов в этой технологии значительно меньше чем в хорошо развитой СИС технологии. Этот результат позволяет сделать заключение о возможности применения СИНИС контактов не только в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции, но также и в схемах программируемых стандартов напряжений. 3.3. Возможности и ограничения на применение СИНИС переходов в схемах высокой степени интеграции Технологический процесс изготовления цифровых БОК схем на основе шунтированных внешним резистором СИС (Nb/AlxOy-Al/Nb) туннельных джозефсоновских контактов был оптимизирован и адаптирован для использования в качестве . активных элементов БОК схем двухбарьерных СИНИС (Nb-Al/AlxOyAl/AljcO/Al-Nb) переходов, обладающих механизмом внутреннего шунтирования. В представленной работе была достигнута высокая степень воспроизводимости всех технологических параметров в случае одинаковых условий формирования каждого из туннельных барьеров в СИНИС переходах и при использовании следующей последовательности А1 слоев 10 нм/10 нм/10 нм, образующих внутреннюю структуру СИНИС перехода. В этом случае критическая плотность тока и характерное напряжение переходов лежало в диапазоне значений Ус = 400 750 А/см2 и Vc= 160-ь 180 мкВ. Разброс параметров по 3-дюймовой пластине не превышал ±10%. На основе полученных параметров СИНИС контактов был изготовлен и экспериментально исследован широкий спектр БОК схем, см. глава 4.
8 - битный сдвиговый регистр
В полупроводниковой и в сверхпроводниковой электронике сдвиговый регистр широко использует в-качестве тестового устройства при разработке цифровых схем высокой степени интеграции. В сверхпроводниковой БОК электронике различные модификации сдвиговых регистров активно исследовались во многих лабораториях мира и полученные результаты были подробно освещены в следующих работах [Mukhanov 1993], [Lochschmied 1993], [Kang 1995]. Цикл работ посвященных этой тематике был также выполнен в департаменте квантовой электроники ПТБ (Германия) [Kessel 1997], [Buchholz 1997] на основе СИС технологического процесса изготовления цифровых сверхпроводниковых устройств. Принципиальная схема сдвигового регистра содержит практически полный набор цифровой сверхпроводниковой логики и является центральным элементом многих более сложных схем высокоскоростной обработки цифровой информации в реальном режиме времени: псевдогенераторов шума, цифровых автокорреляторов и т.д. Схема сдвигового регистра, результаты измерений которого будут представлены ниже, состояла примерно из 70 двухбарьерных туннельных СИНИС контактов, что уже позволят рассматривать ее в качестве центрального ядра для многих цифровых приложений [Niemeyer 1997]. Изготовление и исследование сдвигового регистра в представленной работе было проведено для определения работоспособностей БОК схем средней степени интеграции на основе разработанного СИНИС технологического процесса. Плотность критического тока СИНИС переходов в изготовленной схеме имела следующее значение Ус = 0,75 кА/см . Проектирование схемы 8 - битного сдвигового регистра было выполнено в линейной конфигурации его блок - схема представлена на Рис. 4.8. Принципиальная схема устройства была реализована в концепции встречного распространения данных в виде однокантовых импульсов напряжения по линии данных (D-line), и по линии тактирующих импульсов (C-line). Для ввода одноквантовых импульсов в схему сдвигового регистра на входе каждой из линий (D-line и C-line) были установлены описанные ранее SFQ/DC преобразователи. Для считывания текущего состояния сдвигового регистра на выходы обеих линий (D-line и C-line) были подсоединены DC/SFQ преобразователи, которые позволяют отслеживать сдвиг записанной цифровой последовательности в линии данных (D-line), в зависимости от прихода одноквановых импульсов по тактирующей линии (C-line).
Подсоединение DC/SFQ и SFQ/DC преобразователей осуществлялось через сегменты джозефсоновских линий передач. На рис. 4.9.а) приведена топология реализованного 8 - битного сдвигового регистра, а на рис. 4.9.Ь) микрофотография изготовленного устройства на основе разработанной СИНИС технологии изготовления цифровых БОК схем. Обработка двоичной информации в исследованном сдвиговом регистре была организована по принципу "master-slave". Для более наглядной демонстрации функционирования всей схемы, на рис. 4.10.а) и Ь) показаны принципиальная схема и топология двух последовательных битов сдвигового регистра соответственно. Каждый однобитный сегмент схемы состоит из четыре джозефсоновских переходов, как это было предложено в работах [Kessel-1997], [Buchholz 1997] для сдвиговых регистров линейной конфигурации. Однако в указанных работах, оптимальные параметры схем отличались от параметров схемы, представленной в этом параграфе, так как схемы были оптимизированы для изготовления на основе СИС технологического процесса. Распространение одноквантовых импульсов напряжения по тактовой линии (C-line) происходит справа налево, тогда как обработка и сдвиг информации в линии данных (D-line) происходит во встречном направлении (см. рис. 4.9. и рис. 4.10). Каждый однобитный сегмент сдвигового регистра в линии данных (D-line) состоит из двух интерферометров, из которых только один способен осуществлять хранение кванта магнитного потока (save cell, "slave"), тогда как второй не способен хранить квант магнитного потока (buffer cell, "master"). Интерферометр не обладающий возможностью хранения кванта магнитного потока выполняет роль буфера, функция которого состоит в том, чтобы через малое время задержки осуществить запись кванта магнитного потока в запоминающий интерферометр. На примере 4 бита сдвигового реГИСТра МОЖНО уВИДеТЬ, ЧТО буферный Сегмент СОСТОИТ ИЗ ПереХОДОВ JD32, JD43 И индуктивности ZD44, а запоминающий интерферометр состоит из контактов JD43, JD42 И индуктивностей Zc4b с42 и паразитной индуктивности Lp. Приходящий тактовый одноквантовый импульс расщепляется на два импульса с помощью перехода JQ4I и вызывает считывание информации из запоминающего интерферометра 4 бита в направлении буферного интерферометра следующего 5 бита. В представленной схеме 8 - битного сдвигового регистра обе линии (D-line и C-line) имели общее питание. В представленной конфигурации сдвигового регистра, буферный интерферометр выступает в роли развязки между соседними запоминающими интерферометрами. В результате, состояния соседних запоминающих интерферометров становится практически взаимонезависимым, что ведет к расширению области работоспособности всей схемы в целом. Функционирование сдвигового регистра иллюстрируется на рис. 4.11. Низкочастотные последовательности одноквантовых импульсов генерируются DC/SFQ преобразователями на входах D-line "и C-line. На вход" тактирующей линии (C-line) подавался входной ток в форме треугольных импульсов /c_in ("3"), что обеспечивало непрерывную генерацию одноквантовых импульсов, эквивалентных двоичной последовательности 1111...Г. На вход линии данных (D-line) подавались различные 16-битные комбинации импульсов. Как пример, на рис. 4.11. приводится последовательность треугольных импульсов входного тока ТЬь ("1") которая обеспечивала генерацию последовательности одноквантовых импульсов в двоичной представлении эквивалентных 1010000000000000 . Одноквантовы импульсы на выходе сдвигового регистра регистрировались с помощью SFQ/DC преобразователей.
Выходная последовательность импульсов линии данных (D-line) сдвигается по отношению ко входной последовательности импульсов ровно на 8 тактовых импульсов и отображается на рис. 4.11. в виде выходного напряжения Fb_out ("2"). Распространение одноквантовых импульсов по тактовой линии (C-line) сдвигового регистра на этом рисунке показана в виде выходного напряжения Fc_0Ut ("4"). Устойчивая работа схемы была получена в диапазоне изменений токов питания ± 15% от оптимального значения при температуре 4,2 К. Эта величина имела меньшее значение, чем полученная при предварительной оптимизации схемы ±30%, однако такое различие может быть объяснено уходом параметров джозефсоновских переходов в изготовленной схеме от их оптимального значения. Разработка и изготовление цифровых БОК схем высокой степени интеграции накладывает жесткие требования на безошибочную цифровую работу всех компонентов схем. Кольцевые БОК схемы на основе хорошо развитой СИС технологии изготовления цифровых БОК устройств хорошо зарекомендовали себя в качестве универсального инструмента для определения количества редких сбоев в сверхпроводниковой цифровой электронике [Polonski 1993], [Goldobin 1993], [Khabipov 1998]. Организация топологий этих БОК схем позволят осуществлять генерацию одноквантовых импульсов и поддерживать их постоянную циркуляцию в схеме, что делает возможным использование таких схем для исследования безошибочной работы цифровых БОК устройств и для определения количества редких сбоев (Bit Error Rate, ВЕК) в тестируемых схемах. В этой главе мы представим экспериментальные результаты по определению величины BER в кольцевых БОК схемах, изготовленных на основе СИНИС технологического процесса. Рис. 4.12. а) иллюстрирует принцип использования кольцевых схем в эксперименте по определению величины BER. Метод исследования устойчивости работы цифровых схем кольцевой геометрии основан на регистрации отклика тестируемой схемы (Circuit Under Test, далее CUT), интегрированной в кольцо, на одинаковые повторяющиеся сигналы. Организация такого типа схем на основе сверхпроводниковой цифровой схемотехнике позволяет достигать экстремально высоких частот следования одноквантовых импульсов в сверхпроводящем кольце.
