CN104701451A

CN104701451A - 一种原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺

Info

Publication number: CN104701451A
Application number: CN201510125770.3A
Authority: CN
Inventors: 李�浩; 刘其春; 刘建设; 李铁夫; 陈炜
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: CN104701451B

Abstract

一种原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，工艺流程由原位生长三层膜、生长引线层、光刻和刻蚀定义结区三部分组成，Nb约瑟夫森结和Al约瑟夫森结的具体步骤和细节有所不同，最终可得到没有二氧化硅、有Al保护的Nb约瑟夫森结，或者没有多余电极、没有多余绝缘层的Al约瑟夫森结，本发明具有步骤简单、质量高、可规模化等特点。

Description

一种原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺。

背景技术

近年来，超导电子学技术在量子计算、高性能数字集成电路、高灵敏磁场探测、精密物理量标定、微波辐射探测等领域有着广泛的需求和应用。而超导约瑟夫森结是超导电子技术中最基础的器件，因此高质量约瑟夫森结的制备一直备受人们关注。尤其是非线性电感和可规模化的特点，使得超导约瑟夫森结成为量子计算领域最有竞争力的候选“人造原子”。但是，目前已有的几种工艺制备的约瑟夫森结在大规模量子计算方面存在不足，高质量和可规模化的条件难以同时满足。1)标准的Nb约瑟夫森结制备工艺，二氧化硅绝缘层的耗散显著地影响了器件的退相干时间，而Nb材料本身不稳定的氧化层也减弱了它相对于Al材料的竞争力；2)双角度蒸发制备的Al约瑟夫森结，虽然质量高，但有多余的图形不利于集成度提高规模化；3)其他平面工艺制备的Al约瑟夫森结，不可避免需要引入的绝缘层，这既增加了工艺步骤，又引入了可能影响器件退相干的因素。为了保证高质量、可规模化、避免多余绝缘层引入以满足大规模量子计算的需求，需要对已有的约瑟夫森制备工艺做一些改进。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，具有步骤简单、质量高、可规模化、没有多余绝缘层的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，包括如下步骤：

(1)在蓝宝石或者表面经过热氧化的硅片衬底上进行双层胶光刻，形成下切；

(2)利用直流磁控溅射原位生长Nb/Al-AlO_x/Nb三层膜，然后剥离光刻胶；

(3)再次进行双层胶光刻形成下切，Ar等离子原位去除表面寄生Nb_aO_b，然后溅射Nb/Al双层膜作为上电极引线；

(4)用SF₆对Nb进行反应离子刻蚀，此时Al作为阻挡层和刻蚀终止层不被刻蚀，从而得到没有二氧化硅、有Al保护的Nb约瑟夫森结。

其中，x的取值可以为：0<x<1.5。a和b的取值可以为1:1<a:b<1:2.5。

步骤(2)中，最下面一层Nb膜完全地被上面的Nb/Al-AlO_x两层膜包裹。

步骤(3)中，溅射的Al膜的厚度10nm-30nm，溅射的Nb膜仍然被Al膜包裹，Nb膜在下。

本发明还提供了该制备工艺的另一种途径，包括如下步骤：

(2)利用直流磁控溅射原位生长Al/AlO_x/Al三层膜，然后剥离光刻胶；

(3)Ar等离子体原位去除表面寄生AlO_x，整片进行Al直流磁控溅射；

(4)上电极引线层光刻；

(5)利用Cl₂干法刻蚀Al，控制刻蚀时间，定义结区并保证下电极厚度，剥离去除光刻胶，从而得到没有多余电极、没有多余绝缘层的Al约瑟夫森结。

其中，x的取值可以为0<x<1.5。

步骤(4)中，上电极引线层指最上面的Al。

所述步骤(5)中，不同刻蚀机所需要的功率P、气压Pressure、流量Flow的参数是稍有差别的，而刻蚀时间是根据需要被刻蚀的Al膜的厚度除以刻蚀机的刻蚀速率来决定的，一个典型值可以是：射频功率P_rf＝400W，衬底正向功率P_b＝150W,气压P＝0.2Pa，流量Flow(Cl₂)＝3sccm；流量Flow(Ar)＝40sccm。刻蚀时间t＝160s。气体中加入Ar是稀释Cl₂和起物理刻蚀的作用。

与现有技术相比，本发明步骤简单，质量高，可规模化，所得最终产品没有多余绝缘层。

附图说明

图1为本发明Nb约瑟夫森结制备流程示意图。

图2为本发明Al约瑟夫森结制备流程示意图。

图3为本发明双层胶SEM剖面图。

图4为与为本发明Al结类似的步骤制备的Nb约瑟夫森结示意图。

图5为本发明Nb约瑟夫森结测试结果图。

图6为本发明Al约瑟夫森结测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明所述的是一种基于微电子平面工艺制备约瑟夫森结的工艺，其基本工艺流程由原位生长三层膜、生长引线层、光刻和刻蚀定义结区三部分组成。它对于Nb约瑟夫森结和Al约瑟夫森结的具体步骤和细节有所不同。它们的制备流程分别如图1和图2所示。

Nb约瑟夫森结制备流程：

(1)在蓝宝石或者表面经过热氧化的硅片衬底1上进行双层胶光刻，分别为上层光刻胶3和下层光刻胶2，形成良好的下切，如图1(a)所示。不同光刻工艺线工艺条件不同。一种可行的工艺典型值：底胶500nm，上层胶1.5um，曝光时间90s，显影100s。

(2)利用直流磁控溅射原位生长Nb/Al-AlO_x/Nb三层膜4，自上到下依次为Nb膜一41，Al-AlO_x膜42和Nb膜二43，然后剥离光刻胶。良好的下切和溅射薄膜一定的横向生长，保证了Nb的下电极Nb膜二43即完全地被上面两层膜包裹，如图1(b)结构示意图所示。不同机器，工艺参数略有不同，直流磁控溅射台的一种可行参数为：Nb：150nm/180s/500W，Al：10nm/50s/200W，气压：5mTorr。

(3)再次进行双层胶光刻，形成良好的下切，Ar等离子原位去除表面寄生Nb_xO_y，然后溅射Nb/Al双层膜5作为上电极引线，Al膜的厚度10nm-30nm左右，Nb膜仍然被Al包裹，如图1(c)所示。工艺参数可参照步骤(1)和步骤(2)。

(4)用SF₆对Nb进行反应离子刻蚀(RIE)，而Al作为阻挡层和刻蚀终止层不被刻蚀，结区6被良好地定义，这样没有二氧化硅、有Al保护的Nb约瑟夫森结被制备出来，如图1(d)，Al的覆盖可以避免Nb电极表面生成不稳定的氧化物。

Al约瑟夫森结制备流程：

(1)在蓝宝石或者表面经过热氧化的硅片衬底1上进行双层胶光刻，分别为上层光刻胶3和下层光刻胶2，形成良好的下切，如图2(a)所示。不同光刻工艺线工艺条件不同。一种可行的工艺典型值：底胶500nm，上层胶1.5um，曝光时间90s，显影100s。

(2)利用直流磁控溅射原位生长Al/AlO_x/Al三层膜7，自上到下依次为Al膜一71，AlO_x膜72和Al膜二73，然后剥离光刻胶。良好的下切和溅射薄膜一定的横向生长，保证了Al的下电极即Al膜二73完全地被上面两层膜包裹，如图2(b)所示。不同机器，工艺参数略有不同，直流磁控溅射台的一种可行参数为：Al：10nm/50s/200W，气压：5mTorr。

(3)Ar等离子体原位去除表面寄生AlO_x，整片进行Al直流磁控溅射，形成Al引线层8，如图2(c)。工艺参数可参照步骤(2)。

(4)利用光刻胶9进行上电极引线层光刻，如图2(d)所示。工艺条件可以为：负胶厚度2.7um，曝光90s，显影65s。

(5)利用Cl₂干法刻蚀Al，控制刻蚀时间，定义结区10并保证下电极厚度，剥离去除光刻胶，这样没有多余电极、没有多余绝缘层的Al约瑟夫森结就被制备出来，如图2(e)所示。

不同刻蚀机所需要的功率P、气压Pressure、流量Flow的参数是稍有差别的，而刻蚀时间是根据需要被刻蚀的Al膜的厚度除以刻蚀机的刻蚀速率来决定的，一个典型值可以是：射频功率P_rf＝400W，衬底正向功率P_b＝150W,气压P＝0.2Pa，流量Flow(Cl₂)＝3sccm；流量Flow(Ar)＝40sccm。刻蚀时间t＝160s。气体中加入Ar是稀释Cl₂和起物理刻蚀的作用。

本发明的制备工艺是基于微电子平面加工工艺开展的，为了保证形成包裹型的三层膜，良好下切的双层胶工艺是必要条件，双层胶的SEM剖面图如图3所示。上层光刻胶3和下层光刻胶2形成了良好的下切11，在衬底1上有直流磁控溅射的金属薄膜12。由于三层膜是原位生长，从而保证了薄膜的高质量。结区定义是由第二次光刻精度决定的，对于Al结工艺是单层胶光刻，利用步进式光学光刻或者电子束光刻，尺寸可达纳米级，因此满足目前超导量子计算的需求。对于Nb结也可以采用Al结类似的步骤，先溅射生长整片的引线层Nb/Al，然后单层胶光刻，再用湿法刻蚀去除Al，然后RIE刻蚀Nb，这样也可以制备纳米尺度的Nb结，这种结的结构如图4所示，它与图1(d)稍有不同。这种原位生长的包裹型三层膜边缘不存在底电极和引线电极之间的短路的问题，因此不需要多余绝缘层。通过改变溅射条件可优化斜坡处的粗糙度而改善膜的交界面，进一步提高约瑟夫森结的质量。

按照发明工艺制备约瑟夫森结后，将其放到低温平台中进行测试，图5和图6是利用这种新工艺制备的Nb和Al约瑟夫森结的低温测试结果。

这种结果明确表明这种方案是实际可行的，图5和图6都是典型的约瑟夫森隧道结I-V特性曲线。图中中央竖直的线代表隧道结可以传输I_c大小的超流，两侧的“格子”表明I-V具有回滞特性，即表明隧道结具有电容储能的能力，中央竖线和两边的竖线的间隔是对应材料(Nb或Al)的能隙电压。I_c大小的超流、I-V具有回滞特性、与材料对应能隙电压三个特征表明隧道结具有良好的质量。

Claims

1.一种原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，x的取值为：0<x<1.5。

3.根据权利要求1所述原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，最下面一层Nb膜完全地被上面的Nb/Al-AlO_x两层膜包裹。

4.根据权利要求1所述原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，所述步骤(3)中，a和b的取值为1:1<a:b<1:2.5。

5.根据权利要求1所述原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，所述步骤(3)中，溅射的Al膜的厚度10nm-30nm，溅射的Nb膜仍然被Al膜包裹。

6.一种原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(4)上电极引线层光刻；

7.根据权利要求6所述原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中，x的取值为0<x<1.5。

8.根据权利要求6所述原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，所述步骤(4)中，上电极引线层指最上面的Al。

9.根据权利要求6所述原位三层膜边缘覆盖超导约瑟夫森结制备工艺，其特征在于，所述步骤(5)中，射频功率P_rf＝400W，衬底正向功率P_b＝150W,气压P＝0.2Pa，流量Flow(Cl₂)＝3sccm；流量Flow(Ar)＝40sccm，刻蚀时间t＝160s，气体中加入Ar稀释Cl₂并起到物理刻蚀的作用。