四探针法精准表征电阻率与接触电阻 | 实现Mo/NbN低温超导薄膜电阻器

低温薄膜电阻器作为超导集成电路的核心元件，其核心挑战在于实现超导材料NbN与金属电阻层Mo间的低接触电阻（R₀）。本文使用四探针法研究钼（Mo）为电阻材料，利用其低电阻率和优异工艺重复性，通过NbN表面氩离子清洗活化及铝（Al）绷带层技术显著降低界面接触电阻，为NbN基超导器件提供可靠解决方案。电阻特性通过使用Xfilm埃利四探针方阻仪在2.5–300 K温区系统表征，并基于公式拟合不同温区的阻值变化，精准提取接触电阻R₀与温度系数 α，揭示界面电阻随温度变化的物理机制。

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电阻器制备工艺

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本研究设计三类结构：

• 变长度电阻器（3 μm宽，长度3-768 μm），用于提取方阻（Rₛ）和接触电阻（R₀）；
  
• 均一化电阻器（五组相同尺寸），评估工艺重复性；
  
• 交叉金属条（NbN/Al、NbN/Mo、Mo/Al），独立测试界面电阻。

关键工艺如下：

样品光学照片:(a)(d) 宽度3 μm、长度3–768 μm的电阻器（无/有铝绷带层）;(b)(e) 等尺寸电阻器（无/有绷带层）(b)中标示四探针法测量电路;(c) 界面电阻测试结构，虚线框标出测试界面位置

• 硅衬底预处理：1000°C氧等离子体氧化形成250 nm SiO₂层。
• NbN沉积：直流磁控溅射制备 5-7 nmNbN薄膜（ Rₛ = 500-600 Ω/sq ， Tc = 8K）。
• 氩离子清洗：沉积钼前对NbN表面进行0.5或1.5 keV氩离子清洗，去除 NbNOₓ 污染层。
• 钼电阻器制备：直流反应磁控溅射沉积 20 - 80 nm 钼膜，方阻调至 5.2 - 6.0 Ω/sq。
• 铝包层技术：在Mo/NbN接触区沉积铝层，消除高阻接触垫影响。

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结果与分析

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(a)室温下无铝层电阻器的电阻随方块数变化（红/绿三角：0.5/1.5 keV清洗样品）(b)A-1样品的SiO₂/NbN/Mo界面TEM图像

室温电阻：实验结果表明，未添加铝带束的样品（A-1和B-1）在室温下的接触电阻为7-8 Ω。通过TEM和XRR分析，发现NbN表面存在约2.7 nm厚的NbNOx氧化层，经过0.5 keV氩离子清洗和激活后，NbNOx层被完全去除，NbN层厚度增加到6.9 nm。

(a) Al沉积前的NbN/Mo/MoOₓ层；(b)(c) Mo/Al和NbN/Al界面的TEM氧化层；(d) 带绷带层电阻器的R-N曲线；(e) 界面电阻与接触面积关系（小至3×3 μm²仍稳定）；(f) 有无绷带层的等尺寸电阻器分散性（绷带层使50 Ω器件偏差±1.29 Ω）

低温电阻：在不同温度下测量的电阻结果显示，当温度从室温降至50 K时，电阻下降约1.3倍，并在更低温度下保持稳定。接触电阻R₀随温度降低而减小，表明NbN在接触垫处发生超导转变。铝带束效果：添加铝带束的样品（A-2和B-2）在室温下的接触电阻接近于零，表明铝带束有效降低了接触电阻。XRR分析显示，NbN/Al和Mo/Al界面的氧化层厚度分别为1.8-1.9 nm和不到1 nm，但未对界面电阻产生显著影响。本文研究了用于NbN超导电路的低温钼薄膜电阻器的制备工艺。关键工艺步骤为在沉积钼之前对NbN表面进行0.5-1.5 keV的氩离子清洗活化，结合接触区域铝包层技术，使接触电阻降至1 Ω以下。通过透射电镜（TEM）和X射线反射率（XRR）分析验证了界面质量。

四探针方阻仪

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技术支持：180-1566-6117

四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

• 超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ
• 高精密测量，动态重复性可达0.2%
• 全自动多点扫描，多种预设方案亦可自定义调节
  
• 快速材料表征，可自动执行校正因子计算

本文使用基于四探针法的四探针方阻仪对不同温区的阻值变化系统表征，揭示了界面接触电阻随温度演化的物理机制。

原文参考：《Molybdenum low resistance thin film resistors for cryogenic devices》

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