Verbundprojekt: Hochintegrierte supraleitende Nanostrukturen für Quantentechnologien (SuperLSI); Teilvorhaben: Waferskalige Atomlagendeposition und schädigungsarme Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren für hochintegrierte Quantenschaltungen

Abstract

Ziel des Teilvorhabens war die Erforschung, Entwicklung und Demonstration von Technologien für die waferskalige Herstellung hochintegrierter supraleitender Quantenschaltungen. Der Schwerpunkt lag auf der Entwicklung schädigungsarmer Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren, die eine hohe Prozessstabilität, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit ermöglichen. Da Defekte an Grenzflächen, Metallschichten und Substraten die Kohärenzeigenschaften supraleitender Quantenschaltungen maßgeblich beeinflussen, wurde bei allen Arbeiten besonderer Wert auf eine möglichst schädigungsarme Prozessführung gelegt. Im Bereich der Beschichtung wurden Verfahren zur Passivierung supraleitender Niobschichten entwickelt. Hierfür wurden Siliziumnitridschichten mittels ICPECVD sowie Aluminiumoxidschichten mittels thermischer ALD, Ozon-ALD und plasmaunterstützter ALD (PEALD) untersucht. Alle Verfahren wurden gezielt für niedrige Prozesstemperaturen unter 80 °C entwickelt, um die supraleitenden Eigenschaften der metallischen Schichten nicht zu beeinträchtigen. Für die SiNx-Prozesse konnten Schichten mit einstellbarer Zusammensetzung, hoher Konformität und sehr guter Homogenität auf 100 mm Wafern realisiert werden. Ergänzend wurde ein in-situ CF4-Prozess entwickelt, mit dem natürliche Nioboxidschichten unmittelbar vor der Beschichtung entfernt werden konnten. Für die Al2O3-Passivierung wurden verschiedene ALD-Varianten systematisch miteinander verglichen. Insbesondere die PEALD-Prozesse zeigten eine hervorragende Schichtqualität, ausgezeichnete Kantenbedeckung und eine sehr geringe Schichtinhomogenität. Die entwickelten Prozesse erfüllen die Anforderungen an eine reproduzierbare, schädigungsarme Passivierung supraleitender Strukturen und wurden dem Projektpartner IPHT Jena für die weitere Integration in den Gesamtprozess zur Verfügung gestellt. Ein weiterer Schwerpunkt des Teilvorhabens war die Entwicklung innovativer Strukturierungsverfahren. Hierzu wurden sowohl plasmaunterstützte Atomlagenätzprozesse (ALE) als auch konventionelle ICP- und RIE-Ätzverfahren entwickelt und optimiert. Für Aluminiumoxid konnten sowohl echte ALE-Prozesse als auch quasi-ALE-Prozesse mit Materialabträgen im Subnanometerbereich realisiert werden. Damit steht ein Verfahren zur Verfügung, das eine hochpräzise und reproduzierbare Strukturierung empfindlicher Schichten ermöglicht und gleichzeitig das Risiko plasmabedingter Schädigungen deutlich reduziert. Für die Strukturierung der supraleitenden Metalle Aluminium und Niob wurden kontrollierte Plasmaätzprozesse mit geringen Ätzraten entwickelt. Ziel war die Erzeugung möglichst senkrechter Profilwände, geringer Seitenwandrauigkeiten sowie einer hohen Prozesshomogenität über die gesamte Waferfläche. Nach erfolgreicher Optimierung an Mikrostrukturen konnten die Verfahren auf Nanostrukturen übertragen und anschließend auf 100 mm Wafern demonstriert werden. Dabei wurden eine ausgezeichnete Homogenität der Ätzprozesse sowie reproduzierbare Ergebnisse erzielt. Darüber hinaus wurden Verfahren zur Endpunkterkennung mittels Laserinterferometrie und optischer Emissionsspektroskopie entwickelt. Dies verbessert in einem produktiven Umfeld die Prozesssicherheit und ermöglicht eine reproduzierbare Fertigung auch bei sehr dünnen Schichten. Ergänzend wurde die Ätzbeständigkeit eines neuen DUV-Fotolacks untersucht und mit etablierten Referenzlacken verglichen. Die Ergebnisse bestätigten die Eignung des Materials für die entwickelten Strukturierungsverfahren und erweitern die technologischen Möglichkeiten zukünftiger Lithografieprozesse. Trotz projektbedingter Verzögerungen bei der Bereitstellung einzelner Teststrukturen durch Projektpartner konnten die wesentlichen Projektziele erreicht werden. Die entwickelten Beschichtungs- und Strukturierungsprozesse wurden erfolgreich auf waferskalige Anwendungen übertragen und hinsichtlich Schichtqualität, Homogenität, Konformität sowie Prozessstabilität nachgewiesen. Die erarbeiteten Prozessparameter und das gewonnene Prozesswissen wurden an den Projektpartner IPHT Jena übergeben und bilden eine wesentliche Grundlage für die weitere Prozessintegration innerhalb der Fertigung supraleitender Quantenschaltungen. Insgesamt leistet das Teilvorhaben einen wichtigen Beitrag zur Etablierung skalierbarer Fertigungstechnologien für supraleitende Quantensysteme. Die entwickelten Technologien erweitern das Prozessportfolio für zukünftige Quantentechnologien und schaffen die Voraussetzungen für eine reproduzierbare, industrielle Herstellung hochintegrierter supraleitender Quantenschaltungen. Wichtige Zusammenarbeiten mit anderen Forschungsinstituten im Projekt waren v.a. mit dem IPHT Jena im Zuge der Probenbereitstellung für die Prozessoptimierung von Beschichtungs- und Strukturierungsprozessen und die anschließende Prozessübergabe an das IPHT zur Anwendung der Prozesse auf der Versuchsanlage am IPHT Jena. Die zweite Zusammenarbeit ist mit der Universität Heidelberg bei der Bestimmung der Ätzbeständigkeit vom DUV-Lack. Die wesentlichsten Ergebnisse: - ICPECVD Prozesse zur waferskaligen und konformen Abscheidung von SiNx auf Nb-Strukturen bei niedrigen Temperaturen - Vorbehandlung von Nb-Strukturen zur Entfernung des nativen Oxids in einer ICPECVD-Anlage - ALD-Prozesse bei niedrigen Temperaturen zur Abscheidung auf Nb mit unterschiedlichen Co-Reaktanten - Ätzprozesse für waferskalige Nanostrukturen von Nb und Al in Cl-Chemie - Endpunkterkennung für Metallschichten mit Laserinterferometrie und optische Emissionsspektroskopie