[發明專利]應用于超導集成電路的堆棧式電連接結構及其制備方法

在審

• 申請號: 202210107776.8
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114496915A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 應利良;林倩;石煒峰;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: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L27/18;H01L23/522
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 賀妮妮

本發明提供一種應用于超導集成電路的堆棧式電連接結構及其制備方法，通過對光刻膠層進行圖形化形成光刻窗口，并基于該光刻窗口形成超導連接層，然后在該超導連接層上形成上層超導金屬層，實現上下兩層超導金屬層通過超導連接層的電性連通。由于光刻膠層是通過曝光顯影形成光刻窗口，光刻窗口的形狀非常規則，所以形成的超導連接層形狀非常規則，同時上層超導金屬層形成于該規則的超導連接層上，如此實現預設層數超導金屬層的互連，得到的電連接結構具有方塊電感特點，電感值小且易控制；另外，電連接通路圖形規整完好，大幅提升孔洞的導通承載電流，且電流路徑沒有彎折，電流分布均勻；最后，光刻窗口工藝密度大，可以有效降低電連接結構體積。

技術領域

本發明涉及超導量子器件技術領域，特別是涉及一種應用于超導集成電路的堆棧式電連接結構及其制備方法。

背景技術

超導電路是利用超導材料制備而成的電子器件，主要包括超導量子干涉器(SQUID)，單磁通量子器件(SFQ)等應用超導約瑟夫森結的電路器件。超導量子干涉器件(superconducting quantum interference device，SQUID)是基于約瑟夫森效應和磁通量子化原理的超導量子器件，它的基本結構是在超導環中插入兩個約瑟夫森結，SQUID是目前已知的最靈敏的磁通探測傳感器，典型的SQUID器件的磁通噪聲在μΦ₀/Hz^1/2量級(1Φ₀＝2.07×10^-15Wb)，其磁場噪聲在fT/Hz^1/2量級(1fT＝1×10^-15T)，由于其具有極高的靈敏度，可廣泛應用于醫學心磁腦磁、材料探測、地球磁場、軍事、地震和考古等各方面，用其制備的磁通顯微鏡可從事基礎研究。單磁通量子器件(Single Flux Quantum,SFQ)是利用約瑟夫森結內的單個磁通量子來表示邏輯“1”和“0”的超導電路技術。以此為基礎的超導數字電路時鐘頻率可達770GHz，可用于雷達和通信系統的超寬帶模數/數模轉換器、寬帶網絡交換器、射電天文的數字式自相關器以及超導計算機等。

目前，超導電路的開發是朝著大規模高集成度的超導集成電路方向發展的。以中國科學院上海微系統與信息技術研究所超導卓越中心研發的SIMIT-Nb03工藝為例，其只有一層配線層，它所能承載的電路規模被限制在在10⁵個約瑟夫森結量級(10⁵JJ)，所以我們想到通過增加Nb金屬層數來增加配線層實現更高電路集成度的工藝結構，然而SIMIT-Nb03的工藝制程是沒有對絕緣層進行化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的平坦化處理的，所以在絕緣層開孔后，通常設計后一層Nb金屬的厚度比絕緣層的厚度多50nm～100nm來保證臺階完全覆蓋和通孔的連接性。這種情況下，如果增加Nb金屬層數，不論Nb薄膜還是絕緣層薄膜都只能隨著層數的增加越來越厚，絕緣層薄膜越厚，開孔就需要越大才能保證通孔的連通；此外，起伏的金屬層不僅增加了通孔產生缺陷的風險，還會導致電流流過金屬層產生電流路徑的彎折，引起不必要的電流不均勻分布，從而形成很大的寄生電感，起伏的絕緣層也會導致金屬層間的電感、電容的不均勻。因此在SIMIT-Nb03工藝的基礎上進行改進有了SIMIT-Nb04工藝。SIMIT-Nb04工藝多了四層配線層，假設用最頂層的配線層進行約瑟夫森結的連接，其開孔次數為五次。

在目前SIMIT研發的雙層約瑟夫森結的工藝中，約瑟夫森結在工藝結構中呈堆棧形式，這種工藝結構使電路密度至少增加兩倍，下層約瑟夫森結與上層約瑟夫森結的連接是下層結的底電極與上層結的頂電極的相連，其連接所要跨越的絕緣層數為四層，要進行四次開孔，其中前三層絕緣層都有進行平坦化處理。