在制造量子计算器件期间用于增加沟道迁移率的处理的制作方法

在制造量子计算器件期间用于增加沟道迁移率的处理


背景技术：

1.已经提出了用于构建量子计算机的各种物理系统，包括俘获离子、核自旋、半导体中的电子自旋、光子和其他类型的系统。这些系统中的每个系统旨在实现量子比特(比特的量子等价物)，它不是具有值0或值1，而是由根据量子物理学规则演变的二维矢量表示。拓扑量子计算可以提供比传统量子计算方法更好的性能。


技术实现要素：

2.在一个示例中，本公开涉及一种用于形成量子计算器件的方法。方法可以包括在晶片的表面上形成超导金属层。方法还可以包括选择性去除超导金属层的一部分，以允许后续形成与器件相关联的栅极电介质，其中选择性去除引起与量子计算器件相关联的沟道迁移率的减小。方法还可以包括在形成栅极电介质之前，使晶片经受等离子体处理，其中与等离子体处理相关联的参数集被选择，以增加沟道迁移率。
3.在另一方面，本公开涉及一种量子计算器件，包括形成在衬底中的量子阱。量子计算器件还可以包括形成在衬底的表面上的超导金属层。量子计算器件还可以包括与量子计算器件相关联的栅极电介质，栅极电介质在选择性去除超导金属层的一部分之后形成，其中选择性去除引起与形成在衬底中的量子阱相邻的沟道迁移率的减小，并且其中栅极电介质在使衬底经受等离子体处理之后形成，其中与等离子体处理相关联的参数集被选择，以增加与量子阱相邻的沟道迁移率。
4.在又一方面，本公开涉及一种用于处理包括量子阱的晶片以形成量子计算器件的方法。方法可以包括在晶片的表面上形成超导金属层。方法还可以包括选择性去除超导金属层的一部分，以允许后续形成与量子计算器件相关联的栅极电介质，其中选择性去除引起与量子阱相邻的沟道迁移率的减小。方法还可以包括在形成栅极电介质之前，使晶片经受原位等离子体处理，利用至少氢作为与等离子体处理相关联的前体，其中与等离子体处理相关联的参数集被选择，以增加与量子阱相邻的沟道迁移率，使得与量子阱相邻的沟道迁移率和本征沟道迁移率基本相同。
5.提供本发明内容是为了以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步被描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
6.本公开以示例的方式进行说明并且不受附图限制，其中相同的附图标记指示相似的元件。附图中的元件是为了简单和清楚而被图示的并且不一定按比例绘制。
7.图1示出了示例拓扑量子计算器件在用于形成器件的至少一个步骤期间的截面图；
8.图2示出了示例拓扑量子计算器件在用于形成器件的至少一个步骤期间的截面图；
9.图3示出了示例拓扑量子计算器件在用于形成器件的至少一个步骤期间的截面图；
10.图4示出了根据一个示例的对与量子阱相邻的半导体的损伤的图示；
11.图5示出了针对测试样品的迁移率对密度的图；
12.图6示出了各种处理实现的峰值迁移率；
13.图7示出了各种处理在零栅极电压下的峰值迁移率对密度；
14.图8示出了等离子体处理导致的半导体的改变的图示。
15.图9示出了示例拓扑量子计算器件在用于形成器件的至少一个步骤期间的截面图；
16.图10示出了示例拓扑量子计算器件在用于形成器件的至少一个步骤期间的截面图；
17.图11示出了示例拓扑量子计算器件在用于形成器件的至少一个步骤期间的俯视图；以及
18.图12示出了示例拓扑量子计算器件在用于形成器件的至少一个步骤期间的俯视图。
具体实施方式
19.本公开中描述的示例涉及量子计算器件及其制造方法，包括在形成量子计算器件期间的处理。某些示例还涉及可以使用二维电子气(2-deg)结构实现的拓扑量子比特。这种2-deg结构可以使用来自元素周期表的iii族和v族的材料形成。此外，这种2-deg结构还可以使用来自元素周期表的ii族、iv族或vi族的材料形成。这些材料还可以用于形成气-液-固(vls)纳米线。vls纳米线可以使用化学束外延或分子束外延形成，然后可以被转移到衬底以形成器件的源极、漏极和栅极方面。此外，这些材料可以用于使用选择性区域生长(sag)技术来形成拓扑量子比特。在使用这些技术中的任何一种来形成拓扑量子比特期间，在本文描述的示例中，在表面上形成的超导体耦合到量子阱。
20.可以使用在晶片上原位生长诸如铝或铌的超导金属来形成示例器件。示例晶片包括使用磷化铟(inp)、砷化铟(inas)、锑化铟(insb)、碲化镉汞(hgcdte)或选自元素周期表的ii、iii、iv、v和vi族的材料的任何适当组合，或选自元素周期表的ii、iii、iv、v和vi族的材料的三种不同原子的任何三元化合物中的任一种形成的晶片。作为示例，可以通过在衬底上外延生长这些材料组合中的任何一种来形成晶片。可以通过在晶片上形成超导的金属层来创建拓扑量子计算器件。在某些示例中，可以通过在晶片上原位生长金属或沉积金属来形成金属层。
21.在半导体生长之后直接原位沉积诸如外延生长的铝的超导体导致超导间隙的质量的显著改进。然而，该技术带来了附加的制造挑战。作为示例，铝必须被去除以定义器件的拓扑区域。对铝有选择性的湿法蚀刻溶液是高度放热的，并且它们对半导体引起损伤。这导致粗糙度增加和诱导杂质，减小二维电子气(2deg)的迁移率，并且损害易碎的诱导p波超导配对。由于通过清洁界面维持硬间隙超导性的长度尺度由势垒的高度和厚度设置，因此将2deg埋置在异质结构中可能是不可行的。因此，需要修复缺陷的制造技术。
22.图1示出了根据一个示例在形成拓扑量子计算器件100中使用的至少一个步骤的
截面图。在该示例中，作为该步骤的一部分，从衬底102开始，可以形成缓冲层104。接下来，可以在缓冲层104之上形成量子阱层106。接下来，可以在量子阱层106之上形成另一个缓冲层108，以完成对应于一个或多个超导量子阱的异质结构的形成。缓冲层108对于完成某些类型的量子阱的形成可能不是必需的。在该示例中，衬底102可以是磷化铟(inp)衬底。缓冲层104可以是砷化铟镓(ingaas)层。量子阱层106可以是砷化铟(inas)层。缓冲层108可以是铟铝砷(inalas)层。这些层中的每个层可以使用分子束外延(mbe)来形成。作为示例，mbe相关工艺可以在mbe系统中被执行，mbe系统允许在真空中沉积适当材料。尽管图1示出了以某种方式布置的拓扑量子计算器件100的一定数目的层，但是可以存在更多或更少数目的不同布置的层。
23.图2示出了根据一个示例在形成拓扑量子计算器件100中使用的至少一个步骤的截面图。作为该步骤的一部分，可以在缓冲层108之上形成金属层110。在该示例中，可以使用mbe来沉积金属层110。金属层110可以包括铝、铌或在某些温度下可以是超导的任何其他金属。尽管图2示出了以某种方式布置的拓扑量子计算器件100的一定数目的层，但是可以存在更多或更少数目的不同布置的层。
24.图3示出了根据一个示例在形成拓扑量子计算器件100中使用的至少一个步骤的截面图。作为该步骤的一部分，金属层110的一部分318可以被选择性去除。该步骤可以使用湿法蚀刻或干法蚀刻来被执行。可以使用掩模来定义拓扑量子计算器件的拓扑有源区域。拓扑有源区域可以包括量子阱，例如inas量子阱或gaas量子阱。出于拓扑量子计算的目的，拓扑有源区域(包括金属层(例如铝层))和拓扑非有源区域(不包括金属层(例如铝层))之间的界面是重要的。蚀刻步骤损伤半导体的由于蚀刻步骤而暴露的一部分(例如，部分320)，包括拓扑有源区域和拓扑非有源区域之间的界面。该损伤中的一些损伤对应于带电表面状态，带电表面状态可能干扰拓扑量子计算器件100的操作。这是因为量子阱形成在浅深度处(例如，大约在表面的10nm内)。带电表面状态可能干扰2deg的质量。类似地，其他结构(诸如，使用vls方法生长的纳米线)由于没有缓冲层而受到损伤。
25.图4示出了根据一个示例的对与量子阱相邻的半导体表面422的损伤的图示。对半导体表面422的损伤引起粗糙度增加和诱导杂质，这增加了载流子散射并且减小了2deg的迁移率。如未损伤部分424中所示，在该示例中，量子阱包括对应于铟430、镓432和砷434的原子。如果在修复该损伤之前，形成了电介质层(例如，氧化物层)，则氧化物层很可能包含大量的带电密度，该带电密度由未配对的砷原子和其他未键合的正负电荷引起。此外，对半导体的损伤包括其他带电表面状态，包括电子442。对半导体的损伤还包括原生氧化物(包括氧原子440)的形成。此外，构成晶片的元素中间的键的破坏增加了粗糙度。所有这些导致散射效应，散射效应减小沟道迁移率。
26.为了解决损伤，用于减小杂质的密度的两种方法被测试。第一种方法包括使用三甲基铝(tma)前体来去除原生氧化物，因此允许突变半导体/电介质界面的生长，缺陷密度减小。第二种方法包括通过氢等离子体去除氧化物并且钝化带电杂质。作为第一种方法的一部分，1秒的tma脉冲被施加到晶片(例如，在原子层沉积(ald)腔室中的晶片)。这跟随有在200摄氏度的工艺温度下利用氮气吹扫30秒。在电介质的生长之前，该脉冲循环被重复数次(例如18次)以使反应最大化。作为测试第二种方法的一部分，在电介质层的生长之前，远程生成的氩氢(arh)等离子体被施加到晶片上总共120秒。下面的表1示出了被测试的样品
的列表。在这些样品的测试期间，两种处理(tma还原和氢钝化)和两种氧化剂(h2o和o3)被评估，以确定它们对样品的沟道迁移率的影响。
27.样品处理氧化生长a未处理tma/h2obtma还原tma/h2octma还原tma/o3d氢钝化tma/h2oe氢钝化tma/o328.表1
29.对于样品针对每个样品，栅极电压被扫描，并且迁移率和密度值被提取。图5示出了五个样品(a、b、c、d和e)的每种处理的代表性迁移率对密度迹线。该测试的结果表明，使用臭氧(o3)作为前体对于创建清洁的半导体-电介质界面无效。这是因为与未处理的样品相比，两个经臭氧处理的样品表现出减小的迁移率。作为执行的测试的一部分，发现使用氩和氢(arh)等离子体与使用tma和h2o作为氧化剂的氧化物生长相结合，是相对于未处理样品增加测量迁移率的唯一处理。图5示出了测试样品的迁移率对密度的图。密度与量子阱内的电子密度有关。对于包括2deg的拓扑量子计算器件，对于示例测试样品，密度与2deg内的电子密度有关。对于示例测试样品，迁移率与电子在它们被散射或反射之前行进的距离有关。
30.图6示出了各种处理实现的峰值迁移率。图7示出了在零栅极电压(v
tg
)下的峰值迁移率对密度。如这些结果所示，与未处理样品的沟道迁移率相比，与包括量子阱的异质结构相邻的沟道迁移率存在改进。尽管测试示出了与氢等离子体有关的结果，但也可以使用其他等离子体前体。作为示例，可以使用氦等离子体或氮等离子体来代替氢等离子体。此外，虽然测试示出了与三甲基铝(tma)前体有关的结果，但也可以使用其他原子层沉积前体，诸如也可以使用四二甲基氨基铪。
31.因此，在与本公开一致的示例中，晶片经受等离子体处理，其中与等离子体处理相关联的参数被选择，以增加与量子阱相邻的沟道迁移率。在该示例中，使用远程等离子体源提供等离子体处理；因此，晶片不经受直接等离子体。与等离子体处理相关联的参数包括与等离子体处理相关联的任何前体、与等离子体处理相关联的任何离子或电子的密度，以及与等离子体处理相关联的电源类型。在一个示例中，前体包括氩和氢。电源可以是直流(dc)电源、脉冲dc电源或射频(rf)电源。
32.图8示出了等离子体处理导致的半导体810的改变的图示。原子氢820键合到砷(as)原子(例如430)以使悬空键部分饱和以钝化晶片。氢等离子体还经由干法蚀刻选择性去除氧化物，再次导致突变的半导体-电介质界面。这些技术显著增加了迁移率，这是拓扑材料的关键要求，并且与备选处理或不进行任何处理相比，减少了多个样品之间迁移率的差异。此外，如前所述，这些技术不仅适用于inas2deg，而且还适用于vls线、sag材料或由选自元素周期表的iii-v族的任何半导体材料制成的任何其他器件。
33.图9示出了根据一个示例在形成拓扑量子计算器件100中使用的至少一个步骤的截面图。作为该步骤的一部分，形成电介质层116。在该示例中，使用原子层沉积形成电介质层116。电介质层116可以包括氧化铝(例如，al2o3)。尽管图9示出了以某种方式布置的拓扑
量子计算器件100的一定数目的层，但是可以存在更多或更少数目的不同布置的层。
34.图10示出了根据一个示例在形成拓扑量子计算器件100中使用的至少一个步骤的截面图。该步骤包括形成栅极118(例如，金属栅极)，以用于控制源极和漏极之间的、与关联于拓扑计算器件100的切换部件相关联的沟道。在一个示例中，栅极118可以是钛金(ti-au)栅极。尽管图10示出了以某种方式布置的拓扑量子计算器件100的一定数目的层，但是可以存在更多或更少数目的不同布置的层。
35.图11示出了示例拓扑量子计算器件100在用于形成器件的至少一个步骤期间的俯视图。在该示例中，拓扑量子计算器件100包括源极1110、漏极1120和栅极1106。栅极1106可以对应于图10的栅极118。俯视图还示出了电介质层1102，电介质层1102可以对应于图9中所示的层116。拓扑量子计算器件100还可以包括在源极1110和栅极1106之间的沟道1112以及在漏极1120和栅极1106之间的另一个沟道。前面描述的过程步骤，包括处理，有助于增加沟道1112和1122中的每个沟道的迁移率。尽管图11示出了源极、漏极和栅极的平面布置，但这些可以被布置成非平面布置。作为示例，栅极1106可以是垂直鳍型栅极。此外，尽管图11仅示出了一个栅极、一个源极和一个漏极，但拓扑量子计算器件可以包括多个栅极、源极或漏极。
36.图12示出了示例拓扑量子计算器件100在用于形成器件的至少一个步骤期间的俯视图。在该示例中，拓扑量子计算器件100包括源极1208、漏极1218、栅极1206、另一个栅极1210和又一个栅极1220。栅极1206可以对应于图10的栅极118。栅极1210和1220可以允许对拓扑量子计算器件100的附加控制。俯视图还示出了电介质层1202，电介质层1202可以对应于图9中所示的层116。拓扑量子计算器件100还可以包括源极1208和栅极1206之间的沟道1212以及漏极1218和栅极1206之间的另一个沟道1222。前面描述的过程步骤，包括处理，有助于增加沟道1212和1222中的每个沟道的迁移率。虽然图12示出了源极、漏极和各种栅极的平面布置，这些可以被布置成非平面布置。作为示例，栅极1206可以是垂直鳍型栅极。
37.总之，本公开涉及一种用于形成量子计算器件的方法。方法可以包括在晶片的表面上形成超导金属层。方法还可以包括选择性去除超导金属层的一部分，以允许后续形成与器件相关联的栅极电介质，其中选择性去除引起与量子计算器件相关联的沟道迁移率的减小。方法还可以包括在形成栅极电介质之前，使晶片经受等离子体处理，其中与等离子体处理相关联的参数集被选择，以增加沟道迁移率。
38.参数集可以包括与等离子体处理相关联的任何前体的参数、与等离子体处理相关联的任何离子或电子的密度、与等离子体处理相关联的电源类型。与等离子体处理相关联的前体可以包括氩和氢。
39.量子阱可以对应于与量子计算器件相关联的拓扑有源区域。等离子体处理可以包括远程等离子体处理。远程等离子体处理可以使用电源来被提供，电源选自包括直流(dc)电源、脉冲dc电源或射频(rf)电源的组。
40.方法还可以包括在使晶片经受等离子体处理之前，在原子层沉积腔室中将三甲基铝施加到晶片的表面。与等离子体处理相关联的前体还可以包括氦。拓扑量子计算器件可以包括二维电子气(2deg)、气-液-固(vls)纳米线或使用选择性区域生长形成的结构中的至少一种。
41.在另一方面，本公开涉及一种量子计算器件，包括形成在衬底中的量子阱。量子计
算器件还可以包括形成在衬底的表面上的超导金属层。量子计算器件还可以包括与量子计算器件相关联的栅极电介质，栅极电介质在选择性去除超导金属层的一部分之后形成，其中选择性去除引起与形成在衬底中的量子阱相邻的沟道迁移率的减小，并且其中栅极电介质在使衬底经受等离子体处理之后形成，其中与等离子体处理相关联的参数集被选择，以增加与量子阱相邻的沟道迁移率。参数集可以包括与等离子体处理相关联的任何前体的参数、与等离子体处理相关联的任何离子或电子的密度、与等离子体处理相关联的电源类型。与等离子体处理相关联的前体可以包括氩和氢。
42.等离子体处理可以包括远程等离子体处理。远程等离子体处理可以使用电源来被提供，电源选自包括直流(dc)电源、脉冲dc电源或射频(rf)电源的组。
43.在又一方面，本公开涉及一种用于处理包括量子阱的晶片以形成量子计算器件的方法。方法可以包括在晶片的表面上形成超导金属层。方法还可以包括选择性去除超导金属层的一部分，以允许后续形成与量子计算器件相关联的栅极电介质，其中选择性去除引起与量子阱相邻的沟道迁移率的减小。方法还可以包括在形成栅极电介质之前，使晶片经受原位等离子体处理，利用至少氢作为与等离子体处理相关联的前体，其中与等离子体处理相关联的参数集被选择，以增加与量子阱相邻的沟道迁移率，使得与量子阱相邻的沟道迁移率和本征沟道迁移率基本相同。
44.参数集可以包括与等离子体处理相关联的任何离子或电子的密度，以及与等离子体处理相关联的电源类型。与等离子体处理相关联的附加前体还可以包括氩。
45.等离子体处理可以包括远程等离子体处理。远程等离子体处理可以使用电源来被提供，电源选自包括直流(dc)电源、脉冲dc电源或射频(rf)电源的组。方法还可以包括在使晶片经受原位等离子体处理之前，在原子层沉积腔室中将三甲基铝施加到晶片的表面。
46.应当理解，本文描述的方法、模块和部件仅仅是示例性的。例如但不限于，说明性类型的器件可以包括量子计算器件、半导体器件、拓扑量子计算器件等。
47.此外，在抽象但仍然明确的意义上，实现相同功能的部件的任何布置被有效地“关联”，以便实现期望的功能。因此，在本文中被组合以实现特定功能的任何两个部件可以被视为彼此“关联”，以便实现期望的功能，而与架构或中间部件无关。同样，如此关联的任何两个部件也可以被视为彼此“可操作地连接”或“耦合”以实现期望的功能。
48.此外，本领域技术人员将认识到，上述操作的功能之间的界限仅仅是说明性的。多个操作的功能可以被组合成单个操作，和/或单个操作的功能可以被分布在附加的操作中。此外，备选实施例可以包括特定操作的多个实例，并且操作的次序可以在各种其他实施例中改变。
49.虽然本公开提供了具体示例，但是可以在不背离如下权利要求中阐述的本公开的范围的情况下做出各种修改和变化。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这种修改意图包含于本公开的范围内。本文关于具体示例所描述的任何益处、优点或对问题的解决方案不意图被解释为任何或所有权利要求的关键的、必需的或必要的特征或元素。
50.此外，这里使用的术语“一”或“一个”被定义为一个或多于一个。而且，在权利要求中使用诸如“至少一个”和“一个或多个”的介绍性短语不应被解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引入的另一权利要求要素将包含这种介绍性权利要求要素的任何特定权利要求
限制为仅包含这种元素的发明，即使当相同的权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”以及不定冠词如“一”或“一个”时。对于使用定冠词也是如此。
51.除非另有说明，否则诸如“第一”和“第二”的术语被用于任意区分这些术语所描述的元件。因此，这些术语不一定意在指示这些元素的时间或其他优先级。