低溫薄膜電阻器作為超導(dǎo)集成電路的核心元件，其核心挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料NbN與金屬電阻層Mo間的低接觸電阻（R?）。本文使用四探針法研究鉬（Mo）為電阻材料，利用其低電阻率和優(yōu)異工藝重復(fù)性，通過NbN表面氬離子清洗活化及鋁（Al）繃帶層技術(shù)顯著降低界面接觸電阻，為NbN基超導(dǎo)器件提供可靠解決方案。電阻特性通過使用Xfilm埃利四探針方阻儀在2.5–300 K溫區(qū)系統(tǒng)表征，并基于公式擬合不同溫區(qū)的阻值變化，精準(zhǔn)提取接觸電阻R?與溫度系數(shù) α，揭示界面電阻隨溫度變化的物理機(jī)制。

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電阻器制備工藝

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本研究設(shè)計(jì)三類結(jié)構(gòu)：

• 變長度電阻器（3 μm寬，長度3-768 μm），用于提取方阻（R?）和接觸電阻（R?）；
  
• 均一化電阻器（五組相同尺寸），評(píng)估工藝重復(fù)性；
  
• 交叉金屬條（NbN/Al、NbN/Mo、Mo/Al），獨(dú)立測試界面電阻。

關(guān)鍵工藝如下：

樣品光學(xué)照片:(a)(d) 寬度3 μm、長度3–768 μm的電阻器（無/有鋁繃帶層）;(b)(e) 等尺寸電阻器（無/有繃帶層）(b)中標(biāo)示四探針法測量電路;(c) 界面電阻測試結(jié)構(gòu)，虛線框標(biāo)出測試界面位置

• 硅襯底預(yù)處理：1000°C氧等離子體氧化形成250 nm SiO?層。
• NbN沉積：直流磁控濺射制備 5-7 nmNbN薄膜（ R? = 500-600 Ω/sq ， Tc = 8K）。
• 氬離子清洗：沉積鉬前對NbN表面進(jìn)行0.5或1.5 keV氬離子清洗，去除 NbNO? 污染層。
• 鉬電阻器制備：直流反應(yīng)磁控濺射沉積 20 - 80 nm 鉬膜，方阻調(diào)至 5.2 - 6.0 Ω/sq。
• 鋁包層技術(shù)：在Mo/NbN接觸區(qū)沉積鋁層，消除高阻接觸墊影響。

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結(jié)果與分析

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(a)室溫下無鋁層電阻器的電阻隨方塊數(shù)變化（紅/綠三角：0.5/1.5 keV清洗樣品）(b)A-1樣品的SiO?/NbN/Mo界面TEM圖像

室溫電阻：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未添加鋁帶束的樣品（A-1和B-1）在室溫下的接觸電阻為7-8 Ω。通過TEM和XRR分析，發(fā)現(xiàn)NbN表面存在約2.7 nm厚的NbNOx氧化層，經(jīng)過0.5 keV氬離子清洗和激活后，NbNOx層被完全去除，NbN層厚度增加到6.9 nm。

(a) Al沉積前的NbN/Mo/MoO?層；(b)(c) Mo/Al和NbN/Al界面的TEM氧化層；(d) 帶繃帶層電阻器的R-N曲線；(e) 界面電阻與接觸面積關(guān)系（小至3×3 μm2仍穩(wěn)定）；(f) 有無繃帶層的等尺寸電阻器分散性（繃帶層使50 Ω器件偏差±1.29 Ω）

低溫電阻：在不同溫度下測量的電阻結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從室溫降至50 K時(shí)，電阻下降約1.3倍，并在更低溫度下保持穩(wěn)定。接觸電阻R?隨溫度降低而減小，表明NbN在接觸墊處發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。鋁帶束效果：添加鋁帶束的樣品（A-2和B-2）在室溫下的接觸電阻接近于零，表明鋁帶束有效降低了接觸電阻。XRR分析顯示，NbN/Al和Mo/Al界面的氧化層厚度分別為1.8-1.9 nm和不到1 nm，但未對界面電阻產(chǎn)生顯著影響。本文研究了用于NbN超導(dǎo)電路的低溫鉬薄膜電阻器的制備工藝。關(guān)鍵工藝步驟為在沉積鉬之前對NbN表面進(jìn)行0.5-1.5 keV的氬離子清洗活化，結(jié)合接觸區(qū)域鋁包層技術(shù)，使接觸電阻降至1 Ω以下。通過透射電鏡（TEM）和X射線反射率（XRR）分析驗(yàn)證了界面質(zhì)量。

四探針方阻儀

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技術(shù)支持：180-1566-6117

四探針方阻儀用于測量薄層電阻（方阻）或電阻率，可以對最大230mm 樣品進(jìn)行快速、自動(dòng)的掃描， 獲得樣品不同位置的方阻/電阻率分布信息。

• 超高測量范圍，測量1mΩ~100MΩ
• 高精密測量，動(dòng)態(tài)重復(fù)性可達(dá)0.2%
• 全自動(dòng)多點(diǎn)掃描，多種預(yù)設(shè)方案亦可自定義調(diào)節(jié)
  
• 快速材料表征，可自動(dòng)執(zhí)行校正因子計(jì)算

本文使用基于四探針法的四探針方阻儀對不同溫區(qū)的阻值變化系統(tǒng)表征，揭示了界面接觸電阻隨溫度演化的物理機(jī)制。

原文參考：《Molybdenum low resistance thin film resistors for cryogenic devices》

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