[發明專利]一種制備高質量超導隧道結電路的方法

在審

• 申請號: 202010801517.6
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111933788A
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 王爭;李婧;劉冬;史生才
• 申請（專利權）人: 中國科學院紫金山天文臺
• 主分類號: H01L39/24
• 分類號: H01L39/24;H01L39/02
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 劉佳慧

本發明公開了一種制備高質量超導隧道結電路的方法，包括以下步驟：步驟一、在襯底上形成下超導層?絕緣層?上超導層結構的三層膜圖形；步驟二、采用正性光刻膠和光刻?刻蝕工藝去除部分上超導層薄膜，形成所需的超導隧道結圖形，并保留刻蝕完后的光刻膠；步驟三、進行等離子氧處理，并保留處理完后的光刻膠；步驟四、沉積電路中所需介質層，并用剝離工藝形成介質層圖形；步驟五、沉積引線層薄膜材料，用光刻?刻蝕工藝形成引線層圖形。本發明采用的等離子氧處理對下超導層材料沒有氧化作用，不會惡化器件的射頻性能，同時還能獲得高質量的超導隧道結。

技術領域

本發明屬于超導電子器件領域，涉及一種超導電子器件的制備方法，尤其涉及一種制備高質量超導隧道結電路的方法。

背景技術

在太赫茲探測技術方面，相比于傳統的半導體混頻器，基于超導SIS結和超導HEB的混頻器(前者適于1THz以下而后者適于1THz以上)具有高變頻增益、接近量子極限的探測靈敏度、平面制備工藝和極低的本振功率需求等優點，在太赫茲天文譜線觀測領域已全面取代固態半導體技術而成為主流的探測技術。

超導SIS結由兩塊超導體(上超導層和下超導層，分別作為上、下電極)及其中間極薄的絕緣層(一般厚約幾十)構成，具有三明治結構，因其具有量子隧穿效應，又稱為超導隧道結。由于中間極薄絕緣層的缺陷，超導隧道結在產生量子隧穿前總會有或大或小的漏電流，該漏電流正是器件的主要噪聲源，所以，在超導隧道結的各種應用中，均要求其具有盡量低的漏電流。由于不同材料、不同臨界電流密度的超導隧道結，其漏電流水平不同，因此常用質量因子衡量超導隧道結的質量水平。該質量因子定義為超導隧道結亞能隙某處電阻(如：基于Nb的超導隧道結一般取2mV處的電阻值，基于NbN的超導隧道結一般取4mV處的電阻值)與正常態電阻的比值，一般認為質量因子大于10才達到應用的要求。

經過人們的研究，發現超導隧道結的漏電流主要來源于兩方面，一是絕緣層面內的缺陷，另一個是結邊緣處的缺陷導致的弱連接。對第一個來源，一般采用不同的絕緣層材料和優化的薄膜生長工藝來解決。針對第二個來源，目前廣泛采用陽極氧化的方法來解決，即在超導隧道結的結區定義與上超導層刻蝕后，對絕緣層和上超導層的邊緣、下超導層的表面進行陽極氧化，形成一層幾十納米厚的氧化層，起到絕緣的作用，進而防止弱連接的形成和抑制漏電流。但研究發現，經過陽極氧化工藝，下超導層的表面被氧化后，會導致其能隙電壓下降，惡化超導隧道結在能隙頻率處的射頻性能(J.Aponte,E.Rivera,A.Sa Neto,and M.Octavio.Anodized niobium as barrier for Josephson tunneljunctions.J.Appl Phys.,1987,62,700)。

發明內容

本發明提供一種制備高質量超導隧道結電路的方法，以克服現有技術的缺陷，解決現有技術中超導隧道結電路內下超導層被氧化，進而導致超導器件射頻性能惡化的問題。

為實現上述目的，本發明提供一種制備高質量超導隧道結電路的方法，具有這樣的特征：包括以下步驟：步驟一、在襯底上形成下超導層-絕緣層-上超導層結構的三層膜圖形；步驟二、采用正性光刻膠和光刻-刻蝕工藝去除部分上超導層薄膜，形成所需的超導隧道結圖形，并保留刻蝕完后的光刻膠；步驟三、進行等離子氧處理，并保留處理完后的光刻膠；步驟四、沉積電路中所需介質層，并用剝離工藝形成介質層圖形；步驟五、沉積引線層薄膜材料，用光刻-刻蝕工藝形成引線層圖形。

其中，步驟二所保留的刻蝕完后的光刻膠(位于上超導層上方)經步驟三等離子氧刻蝕后，由邊緣向內縮小，覆蓋區域減少。由于步驟三縮小了光刻膠的覆蓋區域，步驟四沉積的介質層可完整地包覆超導隧道結的邊緣。

進一步，本發明提供一種制備高質量超導隧道結電路的方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟三中，采用電感耦合等離子源-反應離子刻蝕機(ICP-RIE)進行等離子氧處理。