CN110998853B

CN110998853B - 改进的量子位的约瑟夫森结

Info

Publication number: CN110998853B
Application number: CN201780093628.2A
Authority: CN
Inventors: D·艾布拉哈姆; J·常; J·加姆贝塔
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2024-03-05
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: US10268968B2; US20190042963A1; WO2019025019A1; CN110998853A; JP7185980B2; US10380494B2; EP3662515B1; JP2020532099A; US20190042962A1; US20190228332A1; EP3662515A1

Abstract

一种技术涉及超导量子位。约瑟夫森结包括在非超导金属上形成的第一超导体和第二超导体。电容器与约瑟夫森结并联耦合。

Description

改进的量子位的约瑟夫森结

关于美国政府赞助的研究或开发的声明

本发明是在国家安全局授予的合同号：H98230-13-D-0173的政府支持下完成的。政府对本发明享有某些权利。

背景

本发明总体上涉及超导装置。更具体地，本发明涉及用于改进的量子位的约瑟夫森结。

已经提出了几个物理对象作为量子位的潜在实现。但是，固态电路，尤其是超导电路，由于它们具有可伸缩性，因此引起了极大的兴趣，这允许电路以大量的相互作用量子位形成。超导量子位通常基于约瑟夫森结。约瑟夫森结是两个超导体，例如通过薄绝缘层耦合。可以利用超导电极之间的绝缘隧道势垒，例如Al₂O₃，来制造约瑟夫森结。对于此类约瑟夫森结，最大允许超电流为临界电流I_c。在超导量子芯片中使用的超导隧道结(也称为约瑟夫森结)表现出约瑟夫森电感，该电感与电路内的常规电感器相同，除了具有提供超导电流的能力。

摘要

本发明的实施例涉及超导量子位。超导量子位的非限制性示例包括：约瑟夫森结，其包括形成在非超导金属上的第一超导体和第二超导体；以及与约瑟夫森结并联的电容器。

本发明的实施例涉及制造超导量子位的方法。该方法的非限制性示例包括提供约瑟夫森结，该约瑟夫森结包括形成在非超导金属上的第一超导体和第二超导体，以及与约瑟夫森结并联耦合电容器。

本发明的实施例涉及超导量子位。超导量子位的非限制性示例包括：约瑟夫森结，其包括在第一超导体和第二超导体之间形成的非超导金属；以及与约瑟夫森结并联的电容器。

本发明的实施例涉及制造超导量子位的方法。操作该方法的非限制性示例包括提供约瑟夫森结，该约瑟夫森结包括在第一超导体和第二超导体之间形成的非超导金属，以及与约瑟夫森结并联耦合电容器。

本发明的实施例涉及一种形成微波装置的方法。该方法的非限制性示例包括提供超导量子位，该超导量子位包括具有第一超导体、第二超导体和非超导金属的约瑟夫森结，以及将读出谐振器耦合至该超导量子位。

通过本发明的技术实现了附加的技术特征和益处。在此详细描述本发明的实施例和方面，并且将其视为所要求保护的主题的一部分。为了更好的理解，请参考详细说明和附图。

附图的简要说明

在说明书的结尾处，在权利要求书中特别指出并明确要求保护本文所述的专有权的细节。通过以下结合附图的详细描述，本发明的实施例的前述以及其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1描绘了根据本发明实施例的制造超导量子位的俯视图；

图2描绘了根据本发明实施例的图1的剖视图；

图3描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位的俯视图；

图4描绘了根据本发明实施例的图3的剖视图；

图5描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位的俯视图；

图6描绘了根据本发明实施例的图5的剖视图；

图7描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位100的俯视图；

图8描绘了根据本发明实施例的图7的剖视图。

图9描绘了根据本发明实施例的制造超导量子位的俯视图；

图10描绘了根据本发明实施例的图9的剖视图；

图11描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位的俯视图；

图12描绘了根据本发明实施例的图11的剖视图；

图13描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位的俯视图；

图14描绘了根据本发明实施例的图13的剖视图；

图15描绘了根据本发明实施例的可以在量子计算中使用的微波设备的示意图；

图16描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位的方法的流程图；

图17描绘了根据本发明实施例的制造超导量子位的方法的流程图；和

图18描绘了根据本发明实施例的形成微波装置的流程图。

本文所描绘的图是说明性的。在不脱离本发明的精神的情况下，图或其中描述的操作可以有许多变化。例如，可以以不同的顺序执行动作，或者可以添加、删除或修改动作。而且，术语“耦合”及其变型描述了在两个元件之间具有通信路径，并且并不意味着元件之间的直接连接，而在它们之间没有中间元件/连接。所有这些变体都被视为规范的一部分。

在附图和以下对所公开的实施例的详细描述中，在附图中示出的各个元件设有两个或三个数字的附图标记。除少数例外，每个附图标记的最左边的数字与该元件第一次被示出的附图相对应。

详细说明

为了简洁起见，本文中可能会或可能不会详细描述与半导体器件和集成电路(IC)制造相关的常规技术。此外，本文描述的各种任务和过程步骤可以被合并到具有本文未详细描述的更全面的附加步骤或功能的过程或过程中。特别地，半导体器件和基于半导体的IC的制造中的各个步骤是众所周知的，因此，为了简洁起见，这里将仅简要提及许多常规步骤，或者将在不提供众所周知的工艺细节的情况下将其完全省略。

现在转到与本发明的各方面更具体相关的技术的概述，对于基于门的超导量子计算，重要的是要很好地控制(形成电路的)量子位的频率并使其紧密分布。在现有技术中，量子位使用氧化物隧道结形成约瑟夫森结，并且约瑟夫森结在电路/器件中提供非线性电感。制作了一个并联电容器，并创建了一个用作量子位的非线性振荡器。该量子位的频率由以下表达式给出：其中L是约瑟夫森结的非线性电感，C是并联电容。每个约瑟夫森结都有一个超导临界电流I_c，并且约瑟夫森电感通过以下表达式与I_c相关：/>其中φ₀是通量量子。结合这两个表达式，紧密频率分布(其是指在标称上相同的量子位的频率差异)是由于该约瑟夫森结的临界电流和并联电容C的可变性。已知标称上相同的量子位的群体中的频率扩展是作为约瑟夫森结的临界电流(I_c)的扩展起源的，这与通过标准光刻和图案化方法形成的电容相反。另外，期望通过减少从量子位到设备内部或外部系统的所有能量损耗源来增加量子位的相干时间。据信，包含电介质(例如用于隧道势垒本身的氧化物)会导致额外的损耗并缩短相干时间。

这些结的临界电流I_c的扩展(即，差异)(或类似地，电阻的差异)变化为约其中A是该结的面积。在约瑟夫森结中，以及在其中MgO₂和AlO₂均已用作阻挡层的磁阻随机存取存储器(MRAM)隧道结中已观察到这种依赖性。这表明临界电流I_c值对面积A的依赖性是普遍现象。尽管已经对这个问题进行了数十年的研究，但是对于给定大小的约瑟夫森结，在减小扩展(即临界电流I_c的差异)方面几乎没有任何报道。在必须进行大量量子位的量子计算的情况下，对扩展进行严格控制这个问题变得更加重要。尽管可以在控制氧化物结的扩展(即，控制每个被设计为具有给定尺寸的约瑟夫森结的约瑟夫森结器件之间的氧化物结的差异)方面作出进一步的进展，但是如果要做出一个实际的量子计算机，替代方案的探索就很迫切。

现在转到本发明的多个方面的概述，本发明的一个或多个实施例通过使用超导-正常超导约瑟夫森结而不是使用超导绝缘体超导约瑟夫森结用于这些跨子量子位(transmon qubits)来解决现有技术的上述缺点。最初，两种情况下的结性质可能相似或不相似，即，两者的相/电压关系相同。但是，临界电流I_c的波动起因对于标称上相同的超导绝缘体，超导结被认为是由隧道势垒厚度的细微差别引起的，这是由隧道电流I_c对势垒厚度的陡峭指数依赖性所加剧的。此外，I_c波动可以归因于在氧化阻挡层内，或在氧化物/金属界面的缺陷，通常被称为双级系统(TLS)。根据本发明的实施例，该阶参数的衰减的特征长度尺度对于超导正常金属超导结相比对于超导绝缘体超导结可以长10-100倍。因此，通过具有由一个电容器和超导正常金属超导约瑟夫森结形成的一个超导量子位，对临界电流Ic的控制是成比例地更容易获得的。普通金属不是超导金属，这意味着普通金属(非超导金属)在低温(例如等于或低于9开尔文(K)、4K等)下不会变成超导。普通金属代替诸如氧化物层的介电材料被用作隧道金属。具有由超导正常金属超导结制成的约瑟夫森结的标称上相同的超导量子位具有较小的临界电流I_c(这意味着临界电流I_c与具有由超导绝缘体超导结制成的约瑟夫森结的标称上相同的超导量子位大约相同(即紧密分布)。通过消除氧化物隧道势垒并用普通金属代替，由于去除了含TLS的介电材料，提高了相干性。

现在转向对本发明各方面的更详细描述。图1-8描绘了根据本发明实施例的超导量子位100的制造。图1描绘了根据本发明实施例的制造超导量子位100的俯视图。图2描绘了根据本发明实施例的图1的剖视图。超导量子位100的制造使用首先接触的工艺，其中将接触件(即，超导电极)沉积在作为非超导材料的隧道势垒材料之前。

超导材料102形成在衬底202的顶部上。超导材料102的非限制性示例包括诸如铌(Nb)、铝(Al)、氮化钛(TiN)和其他合适的超导体的材料。

用于衬底202的合适材料的非限制性示例包括Si(硅)、应变Si、SiC(碳化硅)、Ge(锗)、SiGe、(锗化硅)、SiGeC(硅锗碳)、Si合金、锗合金、III-V材料(例如GaAs(砷化镓)、InAs(砷化铟)、InP(磷化铟)或砷化铝(AlAs))、II-VI材料(例如CdSe(硒化镉)、CdS(硫化镉)、CdTe(碲化镉)、ZnO(氧化锌)、ZnSe(硒化锌)、ZnS(硫化锌)或ZnTe(碲化锌))或其任意组合。半导体材料的其他非限制性示例包括III-V材料，例如磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、砷化铝(AlAs)或其任意组合。III-V材料可以包括至少一种“III元素”，例如铝(Al)、硼(B)、镓(Ga)、铟(In)和至少一种“V元素”，例如氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。

图3描绘了根据本发明实施例的制造超导量子位100的俯视图。图4描绘了根据本发明实施例的图3的剖视图。对超导量子位100的超导材料102进行构图。尽管未示出与该超导量子位100相关联的每个元件以免混淆该附图，该制造工艺用一个单步光刻和随后的蚀刻来对读出谐振器、接地平面、电容器、和/或结触点进行图案化。作为一个示例，可以执行光刻以在超导材料102的顶部上以期望的图案来沉积和图案化抗蚀剂层(可以是正光刻胶或负光刻胶)。因此，蚀刻超导材料102(例如，TiN或Nb)可以在反应性离子蚀刻(RIE)期间用Cl₂或BCl₃蚀刻剂完成。TiN的蚀刻也可以通过湿法蚀刻来完成，例如“标准化清洁1(Standard Clean 1)”(NH₄OH+H₂O₂)。

超导材料102的图案化导致在超导电极304A和304B之间形成空间302。该空间302准备用于沉积非超导材料(即，普通金属)。空间302的距离(即，间隙)可以在大约0.1-10微米(μm)的范围内。另外，超导材料102的图案化得到电容器310C1和电容器312C2，它们是用于超导量子位100的并联电容器。在本发明的一些实施例中，可以利用电容器310C1和312C2两者。在本发明的一些实施例中，可以仅使用电容器310C1或312C2中的一个，使得仅一个电容器被图案化。

图5示出了根据本发明实施例的制造超导量子位100的俯视图。图6描绘了根据本发明实施例的图5的剖视图。可以看出，非超导金属502沉积在超导材料102和衬底202的顶部上。非超导金属502沉积在空间302中以成为隧道势垒。例如，超导量子位100的表面可被原位清洁，然后执行非超导金属502的金属沉积。非超导金属502可以是铜(Cu)、铂(Pt)等。其他合适的隧穿非超导金属502的其他示例可以包括Au、Ag、Pd等。选择哪种金属用于超导和普通金属，将取决于几个因素。首先，该材料的清洁度可能是一个因素，并且特别是当所关注的数量是相干长度时而该相干长度部分地由材料中电子的平均自由程决定，普通金属很重要的。另外，所需的工作温度(作为一个因素)将为超导转变温度设置一个最小极限。最后，易加工性和两种金属的共存可能是影响因素，特别是在形成清洁的非散射界面方面将很重要。

非超导金属502的高度H1或厚度可以在大约10-1000纳米(nm)的范围内，优选大约200nm(但不是必须的)。

图7描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位100的俯视图。图8描绘了根据本发明实施例的图7的剖视图。

非超导金属502仅在结区中被图案化，从而形成约瑟夫森结702。该结区在两个超导电极304A和304B之间。该约瑟夫森结702由超导电极304A、非超导金属502和超导电极304B形成。该非超导金属502的一部分可以保留或可以不保留在该超导电极304A和304B的顶部上。从该衬底202和该超导金属102的其他部分去除非该超导金属502。在本发明的一些实施例中，可以将非超导金属502图案化以仅保留在该空间302中。在本发明的一些实施例中，可以对非超导金属502进行图案化以完全覆盖(或覆盖超过80％、90％等)该超导电极304A和304B。

为了图案化作为非超导金属502的隧道结，执行光刻(例如，可以沉积和图案化光致抗蚀剂)，并且根据使用光刻形成的图案选择性地蚀刻隧穿金属以形成超导金属102和硅(例如，基板202)。因此，在去除(或不蚀刻)超导金属102和硅(例如衬底202)的同时，去除非超导金属502的期望部分。例如，可以使用多种商业用蚀刻剂将Cu(作为非超导金属502)选择性地蚀刻成TiN(作为超导金属102)。商业蚀刻剂的示例可以包括Cyantek公司(与KMG电子化学合并)的铬蚀刻剂CR-7，来自Transene有限公司的铝蚀刻剂Etch A，或来自Transene有限公司的铜蚀刻剂。

为了说明图8中的超导温度下的临界/超导电流I_c的电流的任意方向，临界电流I_c可以从超导电极304A流入非超导金属502，并通过非在结区域中的非超导金属502，并返回到超导电极304B中。使用本文中讨论的技术，标称上相同的超导量子位100(或下文讨论的标称上相同的超导量子位900)可以形成为具有与它们对应的临界电流I_c相同或几乎相同的值，由此与带有超导体绝缘体超导体约瑟夫森结的标称上相同的现有技术的量子位的临界电流I_c相比，它们的临界电流I_c的值的扩展更小。

图9-14描绘了根据本发明实施例的超导量子位900的制造。图9描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位900的俯视图。图10描绘了根据本发明实施例的图9的剖视图。超导量子位900的制造使用双层工艺，其中作为非超导材料的隧道势垒材料被沉积在接触件(即，超导电极)之前/下方。

非超导金属502沉积在衬底202的顶部上。超导材料102沉积在非超导金属502的顶部上。如上所述，非超导金属502可以是铜(Cu)、铂(Pt)等。其它合适的隧道的非超导金属502的其它实例可包括金、银、钯等的非限制性的超导材料102的实例包括材料，例如铌(Nb)、铝(Al)，氮化钛(TiN)和其他合适的超导体。

图11描绘了根据本发明实施例的制造超导量子位100的俯视图。图12描绘了根据本发明实施例的图11的剖视图。所述超导材料102和所述非超导金属502都被图案化。尽管未示出该超导量子位100相关联的每个元件以免混淆附图，但是该制造过程还以单步光刻法和随后的蚀刻来图案化读出谐振器、接地平面、电容器和/或结触点。例如，执行光刻(使用例如图案化的光刻胶)以布置用于非超导金属502和超导金属102以及超导材料102(例如TiN、Nb)和非超导金属102(Cu)的蚀刻可以在反应离子蚀刻(RIE)过程中使用基于Cl₂的蚀刻剂完成。图11示出了形成了并联电容器310C1和312C2。如上所述，在本发明的一些实施例中，可能不需要两个并联电容器，并且仅可以使用一个并联电容器310C1和312C2。在这一点上，应注意的是图案仍然留有短路的结，随后将对该结进行图案化。在本发明的一些实施例中，可以在此时形成结。注意，这仅仅是本发明的一些实施例的图案化的示例序列。在本发明的其他实施例中，仅在稍后的某个时间点形成结可能是有益的，因为将保护约瑟夫森结直到最终制造。

图13示出了根据本发明实施例的制造超导量子位900的俯视图。图14描绘了根据本发明实施例的图13的剖视图。

在结区域中对超导金属102进行图案化以形成间隙1402，并形成超导电极304A和304B，从而形成约瑟夫森结1302。结区域在两个超导电极304A和304B之间但在其下方。约瑟夫森结1302由超导电极304A、下方的非超导金属502和超导电极304B形成。

为了图案化接触件(即，超导电极304A和304B)中的间隙1402，执行光刻(例如，使用光致抗蚀剂)并且执行反应性离子蚀刻以选择性地蚀刻超导体材料102而不是其下方的隧穿金属(即，非超导金属502)。例如，可以使用许多商业蚀刻剂，诸如DuPont^TM、CuSolve^TM、EKC^TM575，将TiN(超导体材料102)选择性地蚀刻到Cu(非超导金属502)。

非超导金属502的高度H2或厚度可以在大约10-1000nm的范围内，优选(但不是必须)为200nm。

为说明图14中超导温度下的临界/超导电流I_c的电流的任意方向，临界电流可以从超导电极304A向下流到下方的非超导金属502，通过在结区域中的非超导金属502，并返回到超导电极304B中。可以认识到，在所述间隙1402中不存在如现有技术中那样的隧道势垒，而是该临界电流在下方的非超导金属502中的间隙1402下方行进。该非超导金属502在该超导电极304A和304B的边缘之下的最靠近该间隙1402的部分与该间隙1402之下的该非超导金属502一起用作隧道势垒。

在电路量子电动力学中，量子计算采用非线性超导装置(即量子位)来操纵和存储量子信息，并采用谐振器(例如，作为二维(2D)平面波导或作为三维(3D)微波腔)以读取和/或促进量子位之间的交互。作为一个例子，每个超导量子位包括一个或多个被电容器并联并联的约瑟夫森结。该量子位被电容耦合至2D或3D微波腔。与该量子位相关的电磁能存储在该约瑟夫森结中以及形成该量子位的电容性和电感性元件中。图15描绘了根据本发明的实施例的可以在量子计算中使用的微波设备1500的示意图。该微波设备1500包括超导量子位100或900。作为示例，示出了一个微波设备1500，并且应当理解，如本领域技术人员所理解的，量子计算机中可以包括许多微波设备1500。该微波装置1500可以用于激励(即，驱动)和读出超导量子位100、900。在该示例中，超导量子位100、900可以被激励并且以反射的方式读出。在其他实施方式中，如本领域技术人员所理解的，超导量子位100、900可以被激励并在传输中读出。

该微波设备1500包括通过耦合电容器1520A和1520B电容耦合到所述读出谐振器1505的所述量子位100或量子位900。该读出谐振器1505可以代表2D平面波导或3D微波腔。该读出谐振器1505通过谐振器耦合电容器1525电容耦合到端口1550。该端口1550用于该微波设备1500接收微波信号(例如，用以激励该量子位100、900的所述量子位驱动信号和用以读出读出谐振器1505从而读出量子比特100、900的状态的谐振器读出信号)，并测量从该读出谐振器1505反射的微波信号(即，接收量子比特100、900的状态)。

图16描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位900的方法的流程图1600。在框1602处，提供了约瑟夫森结1302，其包括形成在非超导金属502上的第一超导体304A和第二超导体304B。在框1604处，并联电容器(例如，电容器C1 310、电容器C2 312或电容器C1和C2两者一起)与约瑟夫森结1302并联耦合。

所述第一超导体304A和所述第二超导体304B彼此分离。所述第一超导体和第二超导体具有将彼此隔开的空间(例如，间隙1402)。所述空间(间隙1402)约0.1-10微米(μm)。所述非超导金属形成在半导体上。所述非超导金属是铜。所述非超导金属是铂。

图17描绘了根据本发明的实施例的制造超导量子位100的方法的流程图1700。在框1702，提供约瑟夫森结702，其包括形成在第一超导体304A和第二超导体304B之间的非超导金属502。在框1704处，将并联电容器(例如，电容器C1 310、电容器C2 312或电容器C1和C2两者一起)与约瑟夫森结702并联耦合。

所述非超导金属502形成在所述第一超导体304A和所述第二超导体304B的一部分的顶部上。所述非超导金属502、第一超导体304A和第二超导体304B分别形成在基板202的一部分上。所述第一超导体304A和第二超导体304B通过间隙302彼此分开。该间隙302的范围可以从约0.1-10微米。该非超导金属形成在硅上。该非超导金属是铜。该非超导金属是铂。

图18描绘了根据本发明的实施例的形成微波装置1500的方法的流程图1800。在方框1802，一个超导量子位100或900被设置，这里该超导量子位100、900包括一个约瑟夫森结702，1302具有第一超导体304A、第二超导体304B和非超导金属502。在块1804中，读出谐振器1505耦合到所述超导量子位100、900。

电路100、702、1500的电路元件可以由超导材料制成。各个谐振器和传输/馈电/泵送线由超导材料制成。超导材料的示例(在低温下通常为0.1至20开尔文(K))包括铌、铝、钽等。例如，邻近效应结由超导材料制成，而隧道区由非超导金属制成。所述电容器可以由真空隔离的(通常是有损的)与电介质相对的超导材料制成。连接各种元件的传输线(即电线)由超导材料制成。

在此参考相关附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本发明范围的情况下，可以设计出替代实施例。尽管在以下描述和附图中在元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，在上方，下方，相邻等)，但是本领域技术人员将认识到，本文所述的许多位置关系是取向-即使更改了方向，在保持所描述的功能时也可以独立使用。除非另有说明，否则这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并不意图在这方面进行限制。因此，实体的耦合可以指直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例，在本说明书中提及在层“B”上形成层“A”包括其中一个或多个中间层(例如，层“C”)在层“A”和层之间的情况。只要中间层基本不改变层“A”和层“B”的相关特征和功能，就可以使用“B”。

以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所使用的，术语“包括”、“包含”、“包括”、“包括”、“具有”、“具有”、“包含”或“包含”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性包容。例如，包括一系列元素的组合物、混合物、过程、方法、物品或设备不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出或此类组合物、混合物、过程、方法、物品或设备所固有的其他元素。。

另外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计不必被解释为比其他实施例或者设计更加优选或有利。术语“至少一个”和“一个或多个”应理解为包括大于或等于一的任何整数，即一个、两个、三个、四个等。术语“多个”应理解为包括任何大于或等于2的整数，即两个、三个、四个、五个等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。

在说明书中对“一个实施例”、“一个实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例可以或可以不包括特定的特征、结构或特征。而且，这样的短语不一定指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，认为结合其他实施例影响该特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内而不管其是否明确描述。

为了下文描述的目的，术语“上部、“下部”、“右侧”、“左侧”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其派生词应与以附图为导向的所描述的结构和方法。术语“覆盖”、“顶部”、“在顶部”、“位于...之上”或“位于顶部”是指第一元素(例如第一结构)存在于第二元素(例如第二结构)上，其中在第一元件和第二元件之间可以存在诸如界面结构的中间元件。术语“直接接触”是指第一元件(例如第一结构)和第二元件(例如第二结构)在两个元件的界面处没有任何中间导电、绝缘或半导体层的情况下被连接。

短语“对……有选择性地到”，例如“对第二元素有选择性的到第一元素”，是指可以蚀刻第一元素，并且第二元素可以用作蚀刻停止层。

术语“大约”、“基本上”、“大约”及其变体旨在包括与基于提交申请时可用的设备的特定数量的测量相关的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％或2％的范围。

如本文先前所指出，为了简洁起见，本申请中可能会或可能不会详细描述与半导体器件和集成电路(IC)制造相关的常规技术。然而，通过背景技术，现在将提供可用于实现本发明的一个或多个实施例的半导体器件制造工艺的更一般的描述。尽管可以单独知道用于实现本发明的一个或多个实施例的特定制造操作，但是所描述的本发明的操作和/或所得结构的组合是独特的。因此，结合根据本发明的半导体器件的制造所描述的操作的独特组合利用了在半导体(例如，硅)衬底上执行的各种单独已知的物理和化学过程，其中一些在紧接着的段落中描述。

通常，用于形成将被封装到IC中的微芯片的各种工艺分为四大类，即膜沉积、去除/蚀刻、半导体掺杂和图案化/光刻。沉积是将材料生长、涂覆或以其他方式转移到晶片上的任何过程。可用的技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)、分子束外延(MBE)以及最近的原子层沉积(ALD)等。去除/蚀刻是从晶片去除材料的任何过程。示例包括蚀刻工艺(湿法或干法)和化学机械平面化(CMP)等。半导体掺杂通常通过扩散和/或通过离子注入通过掺杂例如晶体管的源极和漏极来改变电性能。这些掺杂过程之后是炉子退火或快速热退火(RTA)。退火用于激活注入的掺杂剂。导体(例如，多晶硅，铝，铜等)和绝缘体(例如，各种形式的二氧化硅，氮化硅等)的膜都用于连接和隔离晶体管及其组件。半导体衬底的各个区域的选择性掺杂允许衬底的电导率随着电压的施加而改变。通过创建这些各种组件的结构，可以构建数百万个晶体管并将其布线在一起，以形成现代微电子设备的复杂电路。半导体光刻是在半导体衬底上形成三维浮雕图像或图案，以便随后将图案转移到衬底上。在半导体光刻中，图案由称为光致抗蚀剂的光敏聚合物形成。为了构建组成晶体管的复杂结构以及连接电路中数百万个晶体管的许多导线，光刻和蚀刻图案转移步骤要重复多次。印刷在晶片上的每个图案都与先前形成的图案对齐，然后慢慢地建立导体，绝缘体和选择性掺杂的区域，以形成最终的器件。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各个实施例的制造和/或操作方法的可能的实施方式。该方法的各种功能/操作在流程图中由框表示。在一些替代实施方式中，方框中指出的功能可以不按图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个框，或者有时可以以相反的顺序执行这些框。

已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是这些描述并不旨在是穷举性的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择这里使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、市场上发现的技术的实际应用或技术上的改进、或者使本领域的其他普通技术人员能够理解这里描述的实施例。

Claims

1.一种超导量子位，包括：

约瑟夫森结，其包括在非超导金属上形成的第一超导体和第二超导体，其中所述第一超导体和所述第二超导体由空间分开，以产生超导-正常金属-超导结；和

与所述约瑟夫森结并联的电容器。

2.根据权利要求1所述的超导量子位，其中，所述空间的尺寸为大约0.1-10微米。

3.根据权利要求1所述的超导量子位，其中，所述非超导金属形成在半导体上。

4.根据权利要求1所述的超导量子位，其中，所述非超导金属包括铜。

5.根据权利要求1所述的超导量子位，其中，所述非超导金属包括铂。

6.一种制造超导量子位的方法，包括：

提供约瑟夫森结，所述约瑟夫森结包括在非超导金属上形成的第一超导体和第二超导体，其中所述第一超导体和所述第二超导体由空间分开，以产生超导-正常金属-超导结；和

与所述约瑟夫森结并联耦合一个电容器。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述空间的尺寸为大约0.1-10微米。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述非超导金属形成在半导体上。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述非超导金属包括铜。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述非超导金属包括铂。

11.一种超导量子位，包括：

约瑟夫森结，其包括在第一超导体和第二超导体之间形成的非超导金属，其中所述第一超导体和所述第二超导体彼此分离，以产生超导-正常金属-超导结；和

与所述约瑟夫森结并联的电容器；

其中所述非超导金属形成在所述第一超导体和所述第二超导体两者的一部分的顶部上。

12.根据权利要求11所述的超导量子位，其中，所述非超导金属、所述第一超导体和所述第二超导体分别形成在基板的一部分上。

13.根据权利要求11所述的超导量子位，其中，所述非超导金属形成在硅上。

14.根据权利要求11所述的超导量子位，其中，所述非超导金属包括铜。

15.根据权利要求11所述的超导量子位，其中，所述非超导金属包括铂。

16.一种制造超导量子位的方法，包括：

提供约瑟夫森结，该约瑟夫森结包括在第一超导体和第二超导体之间形成的非超导金属，其中所述第一超导体和所述第二超导体彼此分离，以产生超导-正常金属-超导结，其中所述非超导金属形成在所述第一超导体和所述第二超导体两者的一部分的顶部上；和

与所述约瑟夫森结并联耦合一个电容器。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述非超导金属、所述第一超导体和所述第二超导体各自形成在衬底的一部分上。

18.一种形成微波装置的方法，包括：

提供超导量子位，所述超导量子位包括约瑟夫森结，所述约瑟夫森结具有第一超导体、第二超导体和位于所述第一超导体和所述第二超导体之间的非超导金属，以产生超导-正常金属-超导结，其中所述非超导金属形成在所述第一超导体和所述第二超导体两者的一部分的顶部上；和

将读出谐振器耦合到所述超导量子位。