[發明專利]深亞微米約瑟夫森隧道結及其制備方法

在審

• 申請號: 202011156414.5
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN114497344A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 張雪;應利良;任潔;王鎮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L39/24
• 分類號: H01L39/24;H01L39/22;H01L39/02
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 賀妮妮

本發明提供一種深亞微米約瑟夫森隧道結及其制備方法，該結構包括：襯底；約瑟夫森隧道結，沿橫向方向延伸形成于襯底的上表面，約瑟夫森隧道結自左向右包括第一電極、勢壘層及第二電極；第一電極引出結構，與第一電極一體成形；第二電極引出結構，與第二電極一體成形。通過在襯底上沿橫向方向(即沿水平方向)制備約瑟夫森隧道結的三層膜，從而形成沿橫向延伸的約瑟夫森隧道結，結的尺寸大小不會受限于光刻極限的限制，薄膜厚度可作為結的一條邊長，這將大幅縮減結面積；另外，由于三層膜結構分別制備，且其電極引出結構與對應的電極一體成型，減少了傳統工藝中所需的絕緣層和配線層，簡化了工藝流程，縮短了工藝周期，使工藝可控性提高。

技術領域

本發明屬于超導電子學領域，特別是涉及一種深亞微米約瑟夫森隧道結及其制備方法。

背景技術

約瑟夫森隧道結是基于約瑟夫森效應的量子元件，是大部分超導量子器件的核心部件。在結構上，約瑟夫森隧道結是一種超導-絕緣-超導(SIS)的“三明治”結構，其中兩側的超導薄膜分別作為頂電極和底電極。很多超導量子器件諸如超導量子干涉器件(SQUID)，單磁通量子電路(SFQ)等都是以約瑟夫森隧道結為基礎元件實現特定的器件功能。對于SQUID，包含了一個或兩個約瑟夫森結，其中約瑟夫森結參數直接決定了SQUID性能，例如結電阻和結電容直接決定了SQUID噪聲及能量分辨率。從SQUID設計的角度出發，要求結電容越小越好。而對于SFQ，約瑟夫森結數量可以達到萬級甚至十萬級，為了提高集成度，同時滿足高速數字電路的需求，同樣要求約瑟夫森結尺寸減小。

隨著半導體工藝的發展，超導器件的制備水平也有了大幅提升，電子束光刻(EBL)、激光直寫和聚焦離子束(FIB)等高精度光刻技術的引入使得約瑟夫森結尺寸有了可縮減至深亞微米量級的可能，但考慮到制備周期和量產化需求，基于約瑟夫森隧道結的器件制備時使用最多的還是步進式曝光機(stepper)。在目前的超導器件中，如圖1所示，多采用三層膜縱向疊加的方式來實現約瑟夫森隧道結，即沿襯底縱向方向包括兩層超導材料層1及位于該兩層超導材料層1之間的薄膜絕緣層2，其尺寸很大程度取決于曝光機的光刻精度及對刻蝕深度的控制，受限于stepper的極限分辨率，結尺寸很難達到深亞微米量級；另外，這種結構需要考慮結頂電極的電極引出3，需要在用于隔絕結頂電極1和引線之間的絕緣層4上刻蝕出一個比結區尺寸還要小的電極引出孔5，這也進一步限制了約瑟夫森隧道結尺寸的縮減。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種深亞微米約瑟夫森隧道結及其制備方法，用于解決現有技術中存在的上述問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供了一種深亞微米約瑟夫森隧道結的制備方法，所述制備方法包括：

1)提供一襯底，并于所述襯底的上表面形成第一超導材料層；

2)刻蝕去除部分所述第一超導材料層，保留的所述第一超導材料層作為所述約瑟夫森隧道結的第一電極及第一電極引出結構；

3)于步驟2)所得到結構的表面形成絕緣層，并刻蝕去除覆蓋在所述第一超導材料層及部分所述襯底上的所述絕緣層，保留所述第一超導材料層側邊的所述絕緣層，以形成所述約瑟夫森隧道結的勢壘層；

4)于步驟3)所得到結構的表面形成第二超導材料層，并刻蝕去除覆蓋在所述第一超導材料層、所述絕緣層及部分所述襯底上的所述第二超導材料層，保留所述絕緣層側邊的所述第二超導材料層，且使保留的所述第二超導材料層作為所述約瑟夫森隧道結的第二電極及第二電極引出結構，從而形成沿橫向延伸的所述約瑟夫森隧道結。

可選地，步驟2)中，所述第一電極的刻蝕側面與所述襯底之間的夾角呈銳角。

可選地，步驟2)中，所述第一電極的刻蝕側面與所述襯底之間的夾角介于45°～60°之間。

可選地，進行步驟3)之前還包括對步驟2)所得到結構表面進行離子束清洗的步驟。