[發明專利]約瑟夫森結及超導電子器件的制備方法

在審

• 申請號: 202211493020.8
• 申請日: 2022-11-25
• 公開（公告）號: CN115835767A
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 張國峰;王永良;榮亮亮;董慧;謝曉明
• 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: H10N60/01
• 分類號: H10N60/01;H10N60/12
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種約瑟夫森結及超導電子器件的制備方法，通過制備具有不同厚度的第一超導層及第二超導層，在進行約瑟夫森結的預定義后，可對第二超導層進行第一次過刻形成第一超導條帶線，并直接進行絕緣保護層的生長和剝離，而后制備第三超導層，并進行第二超導條帶線的刻蝕，同時對第二超導層即第一超導條帶線進行第二次過刻，以通過雙過刻工藝，提供一種亞微米乃至深亞微米尺度的約瑟夫森結的制備方法，可以解決現有工藝設備的精度限制，從而降低工藝設備成本，適用于高性能實用化超導量子干涉器件和其他基于約瑟夫森結的超導電子器件的可靠制備。

技術領域

本發明屬于超導技術領域，涉及一種約瑟夫森結及超導電子器件的制備方法。

背景技術

常見的約瑟夫森結是一種超導-絕緣-超導(SIS)的“三明治”結構，也是一種具有約瑟夫森隧穿效應的量子元器件。例如，可以利用約瑟夫森結和超導環組成一種稱為超導量子干涉器件(SQUID)的超導磁傳感器，它具有高靈敏度和低噪聲的特性，磁場噪聲可以低至1fT/Hz^1/2(fT＝10^-15T)，是目前最為靈敏的實用化磁傳感器，在生物磁探測、極低場核磁共振、地球物理勘探等領域有廣泛應用。

現在的約瑟夫森結和SQUID制備得益于半導體工藝的迅猛發展，即利用薄膜光刻、刻蝕等成熟的平面微納加工工藝進行芯片研制。當代半導體晶體管在追逐更小尺寸，因此對于光刻機等設備要求越來越高，設備成本也與日俱增。

對于約瑟夫森結和SQUID的制備，電子束、聚焦離子束、步進式投影光刻(stepper)、接觸式紫外光刻等技術手段都可以采用，但是，在面向晶圓級批量芯片制備時，stepper不論從工藝精度還是效率方面都是首選。目前，工藝精度在百納米水平的stepper大約需要千萬人民幣，已成為芯片迭代和工藝升級的沉重成本。未來，在向深亞微米約瑟夫森結工藝遞進時，設備成本的增加已經成為不可忽視的重要問題。

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約瑟夫森結及超導電子器件的制備方法，用于解決現有技術中在制備約瑟夫森結時所遇到的半導體設備光刻精度的局限性問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種約瑟夫森結的制備方法，包括以下步驟：

提供襯底；

于所述襯底上形成自下而上堆疊的第一超導層、絕緣勢壘層及第二超導層，其中，所述第一超導層具有第一厚度，所述第二超導層具有第二厚度，且所述第一厚度大于所述第二厚度；

刻蝕所述第二超導層及所述絕緣勢壘層，顯露部分所述第一超導層；

刻蝕顯露的所述第一超導層形成下層引出電極，同時刻蝕所述第二超導層在所述絕緣勢壘層上形成第一超導條帶線；

形成絕緣保護層，所述絕緣保護層覆蓋所述絕緣勢壘層，且顯露所述第一超導條帶線的表面及所述下層引出電極的表面；

于所述第一超導條帶線上形成第三超導層；

刻蝕所述第三超導層形成第二超導條帶線及上層引出電極，同時刻蝕所述第一超導條帶線顯露所述絕緣勢壘層，且所述第二超導條帶線與所述第一超導條帶線交叉構成約瑟夫森結。

可選地，所述第二超導層的厚度與所述第一超導層的厚度的比值范圍為1:4～1:2。

可選地，所述第一超導層的厚度為100nm～200nm，所述第二超導層的厚度為50nm～100nm。

可選地，形成的所述第二超導條帶線與所述第一超導條帶線相垂直。

可選地，形成的所述約瑟夫森結的尺寸范圍為300nm～600nm。

可選地，所述絕緣保護層包括氧化硅層、二氧化硅層及氮化硅層中的一種或組合。