[發(fā)明專(zhuān)利]亞微米堆棧結(jié)構(gòu)約瑟夫森結(jié)器件及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110749920.3
• 申請(qǐng)日: 2021-07-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113437209B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭煒;陶元鶴;張露;陳壘;王鎮(zhèn)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01L39/24
• 分類(lèi)號(hào): H01L39/24;H01L39/22;H01L39/02
• 代理公司: 上海泰博知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31451
• 代理人: 錢(qián)文斌

本發(fā)明提供一種亞微米堆棧結(jié)構(gòu)約瑟夫森結(jié)器件及其制備方法。制備方法包括步驟：提供襯底，于襯底上形成約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)；形成初始絕緣層覆蓋襯底及約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)；對(duì)位于約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)正上方的初始絕緣層進(jìn)行第一次光刻刻蝕，以形成第一絕緣環(huán)；對(duì)剩余的絕緣層進(jìn)行第二次光刻刻蝕，以形成第二絕緣環(huán)；進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光；于剩余的絕緣層中形成接觸孔；形成頂電極引出層和底電極引出層。本發(fā)明可以有效降低寄生電感以及避免在結(jié)區(qū)正上方開(kāi)孔帶來(lái)的漏電流和對(duì)結(jié)區(qū)尺寸的限制，為制備亞微米尺寸堆棧SNS約瑟夫森結(jié)器件提供了技術(shù)支持，還能夠減小結(jié)電容，避免外部磁場(chǎng)噪聲帶來(lái)的影響，有助于提高制備良率和降低制備成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超導(dǎo)器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種亞微米堆棧結(jié)構(gòu)約瑟夫森結(jié)器件及其制備方法。

背景技術(shù)

SNS約瑟夫森結(jié)是一種由超導(dǎo)體層(S)-正常金屬層(N)-超導(dǎo)體層(S)構(gòu)成的三明治夾層結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成許多超導(dǎo)器件和電路的核心元件，在可編程約瑟夫森電壓基準(zhǔn)、單磁通量子電路、超導(dǎo)量子干涉器件等方面得到廣泛應(yīng)用。由于SNS約瑟夫森結(jié)有非回滯以及基本可忽略的電感特性，因此具有工藝簡(jiǎn)單、器件穩(wěn)定性強(qiáng)和工藝可重復(fù)的優(yōu)勢(shì)。在單磁通量子(SFQ)電路的應(yīng)用中，特征電壓V_c(～I(xiàn)_cR_n)和臨界電流密度J_c是與電路最高工作頻率息息相關(guān)的特征參數(shù)，分別決定了SFQ信號(hào)的脈沖高度和半高寬，提高特征電壓和臨界電流密度可以提高SFQ電路的工作頻率。堆棧結(jié)構(gòu)是提高特征電壓的一個(gè)重要方法，它通過(guò)在垂直方向上將多個(gè)相同的約瑟夫森結(jié)串聯(lián)，從而達(dá)到成倍提升特征電壓的效果。在SFQ電路中需要的約瑟夫森結(jié)的數(shù)量可以達(dá)到萬(wàn)級(jí)甚至十萬(wàn)級(jí)，若想提高集成度以及滿(mǎn)足高速數(shù)字電路的需求，則要求進(jìn)一步縮減每個(gè)約瑟夫森結(jié)所占的面積；此外大尺寸約瑟夫森結(jié)器件在工作的過(guò)程中常常由于外部施加電流導(dǎo)致溫度升高從而出現(xiàn)回滯和磁通釘扎現(xiàn)象，不利于實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量與實(shí)際中的應(yīng)用。

目前堆棧結(jié)構(gòu)約瑟夫森結(jié)的制備中，器件尺寸取決于圖形曝光分辨率的極限，雖然使用步進(jìn)式投影光刻技術(shù)(stepper)可以達(dá)到亞微米的極限分辨率，但由于在約瑟夫森結(jié)的制備過(guò)程中需要在約瑟夫森結(jié)上方的絕緣層上打通一個(gè)小于結(jié)面積的小孔實(shí)現(xiàn)配線層與頂電極之間的連接，所以光刻分辨率決定了小孔的尺寸，一般約瑟夫森結(jié)的尺寸比小孔大0.5-1μm，所以當(dāng)前工藝難以實(shí)現(xiàn)亞微米尺寸的約瑟夫森結(jié)的制備。

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堆棧結(jié)構(gòu)約瑟夫森結(jié)器件及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中，在制備約瑟夫森結(jié)時(shí)，需要在約瑟夫森結(jié)上方打通一個(gè)小于結(jié)面積的小孔以實(shí)現(xiàn)配線層與頂電極之間的連接，但受限于光刻尺寸極限，難以實(shí)現(xiàn)亞微米尺寸的約瑟夫森結(jié)的制備等問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種亞微米堆棧結(jié)構(gòu)約瑟夫森結(jié)器件的制備方法，包括步驟：

提供襯底，于所述襯底上形成約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)，所述約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)自下而上包括依次交替疊置的超導(dǎo)層和勢(shì)壘層，以及位于頂部的頂層超導(dǎo)電極層，其中，位于最底部的超導(dǎo)層的厚度大于其他超導(dǎo)層的厚度，且最底部的超導(dǎo)層的上表面部分顯露于所述約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)的表面而成為電性引出區(qū)；

形成初始絕緣層，所述初始絕緣層覆蓋所述襯底及所述約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)，所述初始絕緣層具有非平坦表面，且所述初始絕緣層的上表面與所述約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)的上表面具有間距；

對(duì)位于所述約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)上方的所述初始絕緣層進(jìn)行第一次光刻刻蝕，以形成第一絕緣環(huán)，并使剩余的絕緣層的上表面與所述約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)的上表面具有間距；

對(duì)剩余的絕緣層進(jìn)行第二次光刻刻蝕，以于所述第一絕緣環(huán)的外側(cè)形成第二絕緣環(huán)，并使剩余的絕緣層的上表面與所述約瑟夫森結(jié)堆棧結(jié)構(gòu)的上表面具有間距；

對(duì)前述步驟得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光以顯露出所述頂層超導(dǎo)電極層；