[發(fā)明專利]亞微米約瑟夫森隧道結(jié)及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810375704.5
• 申請(qǐng)日: 2018-04-25
• 公開（公告）號(hào): CN108539004A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張雪;張國峰;王永良;榮亮亮;王鎮(zhèn);謝曉明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): H01L39/02
• 分類號(hào): H01L39/02;H01L39/24
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發(fā)明提供一種亞微米約瑟夫森隧道結(jié)及其制備方法，包括如下步驟：1）提供一襯底，并于襯底的上表面形成底層超導(dǎo)薄膜層、絕緣薄膜層及頂層超導(dǎo)薄膜層；2）刻蝕去除部分頂層超導(dǎo)薄膜層、部分絕緣薄膜層及部分底層超導(dǎo)薄膜層；3）于步驟2）所得到結(jié)構(gòu)的表面形成一第一絕緣層；4）于步驟3）所得到結(jié)構(gòu)的表面形成第二絕緣層；5）于步驟4）所述得到結(jié)構(gòu)的表面形成附加超導(dǎo)薄膜層，并刻蝕附加超導(dǎo)薄膜層以形成第二亞微米線條，第二亞微米線條至少與第一亞微米線條呈十字交叉連接。本發(fā)明可以有效解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的電極窗口問題；雙層絕緣層不僅改善了邊緣效應(yīng)、降低了臺(tái)階過渡處漏電流的產(chǎn)生，還有利于提高約瑟夫森結(jié)的質(zhì)量及可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種亞微米約瑟夫森隧道結(jié)及其制備方法。

背景技術(shù)

約瑟夫森隧道結(jié)是基于約瑟夫森效應(yīng)的量子元件，是大部分超導(dǎo)量子器件的核心部件。在結(jié)構(gòu)上，約瑟夫森結(jié)是一種超導(dǎo)-絕緣-超導(dǎo)(SIS)的“三明治”構(gòu)型，如圖1所示，即所述約瑟夫森結(jié)包括兩層超導(dǎo)薄膜層1’及位于兩所述超導(dǎo)薄膜層1’之間的絕緣層1”。約瑟夫森結(jié)的等效電路可由理想結(jié)并聯(lián)電阻R和電容C來表示，即所謂的RCSJ模型，如圖2所示。

很多超導(dǎo)量子器件諸如超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)，單磁通量子電路(SFQ)等都是以約瑟夫森結(jié)為基礎(chǔ)元件實(shí)現(xiàn)特定的器件功能。對(duì)于SQUID,包含了一個(gè)或兩個(gè)約瑟夫森結(jié)，其中約瑟夫森結(jié)參數(shù)直接決定了SQUID性能，例如結(jié)電阻和結(jié)電容直接決定了SQUID噪聲及能量分辨率。從SQUID設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，要求結(jié)電容越小越好。而對(duì)于SFQ，約瑟夫森結(jié)數(shù)量可以達(dá)到萬級(jí)甚至十萬級(jí)，為了提高集成度，同時(shí)滿足高速數(shù)字電路的需求，同樣要求約瑟夫森結(jié)尺寸減小。

借助于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，超導(dǎo)器件的制備水平也有了很大程度的提升。特別是先進(jìn)的光刻技術(shù)的引進(jìn)，例如步進(jìn)式投影光刻技術(shù)(stepper)、電子束光刻(EBL)等，使約瑟夫森結(jié)尺寸可以達(dá)到亞微米甚至深亞微米量級(jí)。但是從晶圓級(jí)批量生產(chǎn)的角度出發(fā)，stepper的應(yīng)用已成為目前超導(dǎo)電子器件制備的主要技術(shù)手段。因此，stepper的極限分辨率決定了約瑟夫森結(jié)的極限尺寸。由于采用光刻技術(shù)來定義約瑟夫森結(jié)尺寸時(shí)需要考慮電極的引出，因此需要在結(jié)電極和電極引線之間的絕緣層上開一片尺寸比結(jié)區(qū)面積還要小的窗口，以降低因引線和電極的重疊而可能導(dǎo)致的漏電流產(chǎn)生。這就導(dǎo)致了光刻工藝實(shí)際是決定電極引出窗口的極限尺寸而非約瑟夫森結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種亞微米約瑟夫森隧道結(jié)及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種亞微米約瑟夫森隧道結(jié)的制備方法，包括如下步驟：

1)提供一襯底，并于所述襯底的上表面形成由下至上依次疊置的底層超導(dǎo)薄膜層、絕緣薄膜層及頂層超導(dǎo)薄膜層；

2)刻蝕去除部分所述頂層超導(dǎo)薄膜層、部分所述絕緣薄膜層及部分所述底層超導(dǎo)薄膜層，保留的所述頂層超導(dǎo)薄膜層形成第一亞微米線條并作為所述約瑟夫森結(jié)的部分頂電極，保留的所述絕緣薄膜層作為所述約瑟夫森結(jié)的勢(shì)壘層，保留的所述底層超導(dǎo)薄膜層作為所述約瑟夫森結(jié)的底電極；

3)于步驟2)所得到結(jié)構(gòu)的表面形成一第一絕緣層，所述第一絕緣層覆蓋暴露的所述襯底的上表面、所述勢(shì)壘層及所述底電極，并至少暴露出所述第一亞微米線條的上表面；

4)于步驟3)所得到結(jié)構(gòu)的表面形成第二絕緣層，所述第二絕緣層覆蓋所述第一絕緣層；并于所述第二絕緣層內(nèi)形成第一開口，所述第一開口至少暴露出所述第一亞微米線條的上表面；

5)于步驟4)所述得到結(jié)構(gòu)的表面形成附加超導(dǎo)薄膜層，并刻蝕所述附加超導(dǎo)薄膜層以形成第二亞微米線條，所述第二亞微米線條至少與所述第一亞微米線條呈十字交叉連接；所述第二亞微米線條與所述第一亞微米線條共同構(gòu)成約瑟夫森結(jié)的頂電極。