深亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法

1.本发明属于超导电子学领域，特别是涉及一种深亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法。


背景技术：

2.约瑟夫森隧道结是基于约瑟夫森效应的量子元件，是大部分超导量子器件的核心部件。在结构上，约瑟夫森隧道结是一种超导-绝缘-超导(sis)的“三明治”结构，其中两侧的超导薄膜分别作为顶电极和底电极。很多超导量子器件诸如超导量子干涉器件(squid)，单磁通量子电路(sfq)等都是以约瑟夫森隧道结为基础元件实现特定的器件功能。对于squid，包含了一个或两个约瑟夫森结，其中约瑟夫森结参数直接决定了squid性能，例如结电阻和结电容直接决定了squid噪声及能量分辨率。从squid设计的角度出发，要求结电容越小越好。而对于sfq，约瑟夫森结数量可以达到万级甚至十万级，为了提高集成度，同时满足高速数字电路的需求，同样要求约瑟夫森结尺寸减小。
3.随着半导体工艺的发展，超导器件的制备水平也有了大幅提升，电子束光刻(ebl)、激光直写和聚焦离子束(fib)等高精度光刻技术的引入使得约瑟夫森结尺寸有了可缩减至深亚微米量级的可能，但考虑到制备周期和量产化需求，基于约瑟夫森隧道结的器件制备时使用最多的还是步进式曝光机(stepper)。在目前的超导器件中，如图1所示，多采用三层膜纵向叠加的方式来实现约瑟夫森隧道结，即沿衬底纵向方向包括两层超导材料层1及位于该两层超导材料层1之间的薄膜绝缘层2，其尺寸很大程度取决于曝光机的光刻精度及对刻蚀深度的控制，受限于stepper的极限分辨率，结尺寸很难达到深亚微米量级；另外，这种结构需要考虑结顶电极的电极引出3，需要在用于隔绝结顶电极1和引线之间的绝缘层4上刻蚀出一个比结区尺寸还要小的电极引出孔5，这也进一步限制了约瑟夫森隧道结尺寸的缩减。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种深亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，所述制备方法包括：
6.1)提供一衬底，并于所述衬底的上表面形成第一超导材料层；
7.2)刻蚀去除部分所述第一超导材料层，保留的所述第一超导材料层作为所述约瑟夫森隧道结的第一电极及第一电极引出结构；
8.3)于步骤2)所得到结构的表面形成绝缘层，并刻蚀去除覆盖在所述第一超导材料层及部分所述衬底上的所述绝缘层，保留所述第一超导材料层侧边的所述绝缘层，以形成所述约瑟夫森隧道结的势垒层；
9.4)于步骤3)所得到结构的表面形成第二超导材料层，并刻蚀去除覆盖在所述第一
超导材料层、所述绝缘层及部分所述衬底上的所述第二超导材料层，保留所述绝缘层侧边的所述第二超导材料层，且使保留的所述第二超导材料层作为所述约瑟夫森隧道结的第二电极及第二电极引出结构，从而形成沿横向延伸的所述约瑟夫森隧道结。
10.可选地，步骤2)中，所述第一电极的刻蚀侧面与所述衬底之间的夹角呈锐角。
11.可选地，步骤2)中，所述第一电极的刻蚀侧面与所述衬底之间的夹角介于45
°
～60
°
之间。
12.可选地，进行步骤3)之前还包括对步骤2)所得到结构表面进行离子束清洗的步骤。
13.本发明还提供了另一种深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，所述制备方法包括：
14.1)提供一衬底，并于所述衬底的上表面形成第一超导材料层；
15.2)刻蚀去除部分所述第一超导材料层，保留的所述第一超导材料层作为所述约瑟夫森隧道结的第一电极及第一电极引出结构；
16.3)于步骤2)所得到结构的表面连续形成绝缘层及第二超导材料层；
17.4)连续刻蚀所述第二超导材料层及所述绝缘层，保留所述第一超导材料层侧边的所述绝缘层及所述第二超导材料层，且使保留的所述第二超导材料层作为所述约瑟夫森隧道结的第二电极及第二电极引出结构，保留的且同时与所述第一超导材料层及所述第二超导材料层接触的所述绝缘层作为所述约瑟夫森隧道结的势垒层，从而形成沿横向延伸的所述约瑟夫森隧道结。
18.可选地，步骤2)中，所述第一电极的刻蚀侧面与所述衬底之间的夹角呈锐角。
19.可选地，步骤2)中，所述第一电极的刻蚀侧面与所述衬底之间的夹角介于45
°
～60
°
之间。
20.可选地，进行步骤3)之前还包括对步骤2)所得到结构表面进行离子束清洗的步骤。
21.本发明还提供一种深亚微米约瑟夫森隧道结，所述约瑟夫森隧道结包括：
22.衬底；
23.约瑟夫森隧道结，沿横向方向延伸形成于所述衬底的上表面，所述约瑟夫森隧道结自左向右包括第一电极、势垒层及第二电极；
24.第一电极引出结构，与所述第一电极一体成形；
25.第二电极引出结构，与所述第二电极一体成形。
26.可选地，所述约瑟夫森隧道结的所述第一电极的高度小于0.5μm。
27.可选地，所述约瑟夫森隧道结的所述第一电极的高度介于100nm～150nm之间。
28.可选地，所述势垒层的长度小于10nm。
29.可选地，所述第二电极形成于所述势垒层的上表面。
30.如上所述，本发明的深亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法，通过在衬底上沿横向方向(即沿水平方向)制备约瑟夫森隧道结的三层膜，从而形成沿横向延伸的约瑟夫森隧道结，结的尺寸大小不会受限于光刻极限的限制，薄膜厚度可作为结的一条边长，这将大幅缩减结面积；另外，由于三层膜结构分别制备，且其电极引出结构与对应的电极一体成型，减少了传统工艺中所需的绝缘层和配线层，简化了工艺流程，缩短了工艺周期，使工艺可控
性提高。
附图说明
31.图1显示为现有的约瑟夫森隧道结的截面结构示意图。
32.图2显示为本发明的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法的工艺流程图。
33.图3显示为本发明实施例一的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s1步骤所呈现的结构示意图。
34.图4显示为本发明实施例一的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s2步骤所呈现的结构示意图。
35.图5显示为本发明实施例一的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s2步骤所呈现的俯视结构示意图。
36.图6显示为本发明实施例一的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s3步骤所呈现的结构示意图。
37.图7显示为本发明实施例一的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s3步骤所呈现的俯视结构示意图。
38.图8显示为本发明实施例一的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s4步骤所呈现的结构示意图。
39.图9显示为本发明实施例一的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s4步骤所呈现的俯视结构示意图。
40.图10显示为本发明实施例二的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s4步骤所呈现的结构示意图。
41.图11显示为本发明实施例二的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法中s4步骤所呈现的俯视结构示意图。
42.元件标号说明
[0043]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
超导材料层
[0044]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
薄膜绝缘层
[0045]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电极引出
[0046]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘层
[0047]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电极引出孔
[0048]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
衬底
[0049]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一超导材料层
[0050]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一电极
[0051]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一电极引出结构
[0052]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘层
[0053]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
势垒层
[0054]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二超导材料层
[0055]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电极
[0056]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电极引出结构
[0057]
θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
夹角
[0058]
s1～s4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
步骤
具体实施方式
[0059]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0060]
请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0061]
实施例一
[0062]
本实施例提供一种深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，通过在衬底上沿横向方向(即沿水平方向)制备约瑟夫森隧道结的三层膜，从而形成沿横向延伸的约瑟夫森隧道结，结的尺寸大小不会受限于光刻极限的限制，薄膜厚度可作为结的一条边长，这将大幅缩减结面积；另外，由于三层膜结构分别制备，且其电极引出结构与对应的电极一体成型，减少了传统工艺中所需的绝缘层和配线层，简化了工艺流程，缩短了工艺周期，使工艺可控性提高。
[0063]
如图2至图9所示，所述制备方法包括如下步骤：
[0064]
如图2及图3所示，首先进行步骤s1，提供一衬底10，并于所述衬底10的上表面形成第一超导材料层11。
[0065]
作为示例，所述衬底10可以为但不仅限于硅衬底、氧化镁(mgo)衬底等等；所述第一超导材料层11的材料可以包括但不仅限于nb(铌)或nbn(氮化铌)。较佳地，基于所述第一超导材料层11的材料选择合适的所述衬底10的材料，例如，当所述第一超导材料层11选择nb时，所述衬底10材料适宜使用硅衬底；当所述第一超导材料层11选择nbn时，所述衬底10材料适宜使用(100)晶向的单晶mgo衬底。
[0066]
本实施例不限制形成所述第一超导材料层11的方法，可以采用现有任意适合的薄膜形成方法，例如磁控溅射法等，本实施例中优选使用直流磁控溅射法形成所述第一超导材料层11。所述第一超导材料层11的沉积高度可以根据后续需要形成的约瑟夫森隧道结的尺寸来决定，这是由于所述第一超导材料层11的沉积高度会直接影响后续形成的约瑟夫森隧道结的一条边长的长度(如图8所示)，可选择使所述第一超导材料层11的沉积高度小于0.5μm，以达到深亚微米的量级，例如可以为0.5μm、0.4μm、0.3μm、0.2μm、0.1μm或其他尺寸，而当同时考虑到超导材料应用于约瑟夫森隧道结中的良好性能，本实施例中优选所述第一超导材料层11的沉积高度介于100nm～150nm之间。
[0067]
如图2、图4及图5所示，然后进行步骤s2，刻蚀去除部分所述第一超导材料层11，保留的所述第一超导材料层11作为所述约瑟夫森隧道结的第一电极12及第一电极引出结构13。通过本步骤可以使约瑟夫森隧道结的第一电极12及第一电极引出结构13同时形成。
[0068]
本实施例不限制刻蚀所述第一超导材料层11的方法，可以采用现有任意适合的薄膜刻蚀方法，例如干法刻蚀或湿法刻蚀等。本实施例优选采用反应离子刻蚀技术(rie)进行
刻蚀。需要说明的是，对于不同的材料层进行刻蚀选用不同的反应气体，譬如，当所述第一超导材料层11的材料为nb时，刻蚀气体可以选用cf4(四氟化碳)。
[0069]
如图4所示，作为示例，为了提高后续沉积材料与所述第一超导材料层11的接触稳定性，提高后续沉积材料的覆盖良率，可将刻蚀后保留的所述第一超导材料层11的刻蚀侧面(即与后续沉积材料接触的刻蚀侧面)与所述衬底10之间的夹角θ设置为锐角，例如可以为85
°
、75
°
、65
°
、55
°
、45
°
等。较佳地，在考虑后续沉积材料的覆盖良率的同时，再考虑到约瑟夫森隧道结的面积，选择所述夹角θ介于45
°
～60
°
之间。
[0070]
如图2、图6及图7所示，接着进行步骤s3，于步骤s2所得到结构的表面形成绝缘层14，并刻蚀去除覆盖在所述第一超导材料层11及部分所述衬底10上的所述绝缘层14，保留所述第一超导材料层11侧边的所述绝缘层14，以形成所述约瑟夫森隧道结的势垒层15。
[0071]
作为示例，在实施本步骤之前可先对步骤s2得到的结构表面进行离子束清洗的步骤，以去除结构表面形成的氧化层及颗粒等杂质。
[0072]
所述绝缘层14沿横向方向的长度与其纵向的沉积厚度有关。作为示例，刻蚀后保留的所述绝缘层14沿横向方向的长度小于10nm。
[0073]
作为示例，所述绝缘层14的材料可以为但不仅限于al(铝)-alox(氧化铝)或aln(氮化铝)，也可以为其他适合的绝缘材料。也不限于形成所述绝缘层14的方法，本实施例优选采用磁控溅射方法形成所述绝缘层14，以al(铝)-alox(氧化铝)为例进行说明，具体为先溅射形成一层al薄膜层，然后将al薄膜层在氧气气氛下氧化得到al-alox绝缘层。
[0074]
如图2、图8及图9所示，最后进行步骤s4，于步骤s3所得到结构的表面形成第二超导材料层16，并刻蚀去除覆盖在所述第一超导材料层11、所述绝缘层14及部分所述衬底10上的所述第二超导材料层16，保留所述绝缘层14侧边的所述第二超导材料层16，且使保留的所述第二超导材料层16作为所述约瑟夫森隧道结的第二电极17及第二电极引出结构18，从而形成沿横向延伸的所述约瑟夫森隧道结。通过本步骤可以使约瑟夫森隧道结的第二电极17及第二电极引出结构18同时形成，从而不需要额外形成绝缘保护层、配线层以及光刻开孔工艺实现电极的引出，在简化工艺流程的同时，也使结尺寸不受光刻极限的限制。
[0075]
作为示例，所述第二超导材料层16的材料可以包括但不仅限于nb(铌)或nbn(氮化铌)，所述第一超导材料层11与所述第二超导材料层16的材料可以相同，也可以不同，根据具体情况进行选择。
[0076]
本实施例不限制形成所述第二超导材料层16的方法，可以采用现有任意适合的薄膜形成方法，例如磁控溅射法等，本实施例中优选使用直流磁控溅射法形成所述第二超导材料层16。所述第二超导材料层16的沉积厚度可小于或等于所述第一超导材料层11的沉积厚度，所述第一超导材料层11、所述第二超导材料层16及所述势垒层15这三层薄膜之间的接触面积决定约瑟夫森隧道结的尺寸。
[0077]
实施例二
[0078]
本实施例提供一种深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，该制备方法与实施例一的深亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法基本相同，不同在于步骤s3及步骤s4，具体地：
[0079]
在步骤s2形成所述第一电极12及所述第一电极引出结构13之后，步骤s3，于步骤s2所得到结构的表面连续形成绝缘层14及第二超导材料层16。形成所述绝缘层14及所述第二超导材料层16的方法及厚度可请参考实施例一，在此不再赘述。
[0080]
如图10及图11所示，最后进行步骤s4，连续刻蚀所述第一超导材料层11及部分所述衬底10上的所述第二超导材料层16及所述绝缘层14，保留所述第一超导材料层11侧边的所述绝缘层14及所述第二超导材料层16，且使保留的所述第二超导材料层16作为所述约瑟夫森隧道结的第二电极17及第二电极引出结构18，保留的且同时与所述第一超导材料层11及所述第二超导材料层16接触的所述绝缘层14作为所述约瑟夫森隧道结的势垒层15，从而形成沿横向延伸的所述约瑟夫森隧道结。
[0081]
本实施例的制备方法，采用连续沉积然后连续刻蚀所述绝缘层14及第二超导材料层16，从而只要两次光刻工艺即可形成所述约瑟夫森隧道结，使工艺进一步简化，同时形成的约瑟夫森隧道结与实施例一的结构基本相同(因为势垒层的长度相对超导材料层来说非常薄，如实施例一所述势垒层的长度一般小于10nm)，即本实施例形成的约瑟夫森隧道结也是沿横向延伸。
[0082]
实施例三
[0083]
本实施例提供一种深亚微米约瑟夫森隧道结，该结构可以采用上述实施例一或实施例二的制备方法制备，但不限于实施例一及实施例二所述的制备方法，只要能形成本约瑟夫森隧道结即可。该约瑟夫森隧道结所能达到的有益效果也可请参见实施例一及实施例二。
[0084]
如图8至图11所示，该约瑟夫森隧道结包括：
[0085]
衬底10；
[0086]
约瑟夫森隧道结，沿横向方向延伸形成于所述衬底10的上表面，所述约瑟夫森隧道结自左向右包括第一电极12、势垒层15及第二电极17；
[0087]
第一电极引出结构13，与所述第一电极12一体成形；
[0088]
第二电极引出结构18，与所述第二电极17一体成形。
[0089]
通过在衬底上沿横向方向形成该约瑟夫森隧道结，薄膜的厚度可以作为结的一条边长，且结的尺寸大小不会受限于光刻极限的限制，从而可大幅减小约瑟夫森隧道结的结面积。
[0090]
如图8及图9所示，作为示例，所述约瑟夫森隧道结的所述第一电极17的高度小于0.5μm，例如可以为0.5μm、0.4μm、0.3μm、0.2μm、0.1μm或其他尺寸，而当同时考虑到超导材料应用于约瑟夫森隧道结中的良好性能，本实施例中优选所述第一电极17的高度介于100nm～150nm之间。较佳地，为了提高约瑟夫隧道结的有效面积，可使所述第二电极17的高度、所述势垒层15的高度及所述第一电极12的高度基本相同。
[0091]
如图8所示，作为示例，所述势垒层15的长度小于10nm。
[0092]
如图10及图11所示，作为示例，所述第二电极17形成于所述势垒层15的上表面。
[0093]
综上所述，本发明提供一种深亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法，通过在衬底上沿横向方向(即沿水平方向)制备约瑟夫森隧道结的三层膜，从而形成沿横向延伸的约瑟夫森隧道结，结的尺寸大小不会受限于光刻极限的限制，薄膜厚度可作为结的一条边长，这将大幅缩减结面积；另外，由于三层膜结构分别制备，且其电极引出结构与对应的电极一体成型，减少了传统工艺中所需的绝缘层和配线层，简化了工艺流程，缩短了工艺周期，使工艺可控性提高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0094]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟
悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。