CN112117375A - 一种超导纳米线结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导纳米线结构及其制备方法，其中，本发明利用自下而上的方式，采用侧墙技术，提供了一种超导纳米线结构的制备方法，包括：在衬底上沉积牺牲层，去除部分牺牲层和部分衬底，形成具有预设间距的多个剩余部分牺牲层和多个衬底凹槽，每个衬底凹槽在两个剩余部分牺牲层之间；在每个所述剩余部分牺牲层表面和所述衬底凹槽的衬底表面沉积隔离介质层，去除部分隔离介质层，形成具有预设间距的多个剩余部分隔离介质层；通过腐蚀方法去除多个剩余部分牺牲层；清洗衬底表面，在衬底表面外延第一超导纳米线和第二超导纳米线，获得超导纳米线结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成技术领域，尤其涉及一种超导纳米线结构及其制备方法。
背景技术
超导纳米线单光子探测器作为单光子探测器的一种，具有快速、准确、高效、暗计数低和相应频谱宽等优势，在单光子探测领域具有重要的应用前景和研究价值。
传统的超导纳米线单光子探测器采用自上而下的方法，通过外延沉积超导材料、电子束曝光、刻蚀的方法实现超导纳米线，刻蚀会造成超导纳米线损伤，且电子束曝光也存在临近效应等难题。如何实现高质量、高占空比的超导纳米线结构是必须考量的问题。
发明内容
有鉴于此，为了能够实现高质量、高占空比的超导纳米线结构，本发明提供了一种超导纳米线结构及其制备方法，使得实现的高质量、高占空比的超导纳米线结构可以直接用于制备高性能超导单光子探测器，在高性能超导单光子探测器方面具有重要的应用价值。
为了实现上述目的，一方面，本发明利用自下而上的方式，采用侧墙技术，提供了一种超导纳米线结构的制备方法，包括：在衬底上沉积牺牲层，去除部分牺牲层和部分衬底，形成具有预设间距的多个剩余部分牺牲层和多个衬底凹槽，每个衬底凹槽在两个剩余部分牺牲层之间；在每个剩余部分牺牲层表面和衬底凹槽的衬底表面沉积隔离介质层，去除部分隔离介质层，形成具有预设间距的多个剩余部分隔离介质层；通过腐蚀方法去除多个剩余部分牺牲层；清洗衬底表面，在衬底表面外延第一超导纳米线和第二超导纳米线，获得超导纳米线结构。
根据本发明的实施例，其中，衬底材料包括以下一种：钛酸锶、硅或氧化镁单晶；多个衬底凹槽包括N个，N为大于或等于2的整数，衬底凹槽的深度在5nm-150nm之间，每个衬底凹槽的表面宽度为第二超导纳米线的宽度及每个衬底凹槽两侧隔离介质层的宽度之和，未去除的衬底表面宽度与第一超导纳米线的宽度相同。
根据本发明的实施例，其中，采用分子束外延的方式在隔离介质层未覆盖的衬底的表面外延第一超导纳米线和第二超导纳米线，第一超导纳米线和第二超导纳米线由隔离介质层隔开；
第一超导纳米线在未去除部分衬底的衬底表面上外延并与隔离介质层的侧壁相接；第二超导纳米线在衬底凹槽的衬底表面上外延并与隔离介质层的侧壁相接。
根据本发明的实施例，其中，牺牲层和隔离介质层的沉积方法包括以下至少之一：原子层沉积、等离子增强化学气相沉积、磁控溅射、分子束外延、金属有机化学气相沉积、干法氧化、湿法氧化；牺牲层和隔离介质层的刻蚀方法包括以下至少之一：反应离子刻蚀技术、感应耦合等离子体刻蚀技术。
根据本发明的实施例，其中，牺牲层的材料包括以下至少之一：硅基氧化物、铝基氧化物、锆基氧化物、铪基氧化物、钆基氧化物、镓基氧化物、镧基氧化物、钽基氧化物、铍基氧化物、钛基氧化物、钇基氧化物、氮化硅；牺牲层的材料具有腐蚀选择性；牺牲层的厚度在1nm-300nm之间，宽度在1nm-200nm之间，牺牲层的宽度与第一超导纳米线的宽度相同。
根据本发明的实施例，其中，隔离介质层的材料包括以下至少之一：硅基氧化物、铝基氧化物、锆基氧化物、铪基氧化物、钆基氧化物、镓基氧化物、镧基氧化物、钽基氧化物、铍基氧化物、钛基氧化物、钇基氧化物、氮化硅；隔离介质层的厚度在1nm-300nm之间，宽度在1nm-200nm之间，隔离介质层的厚度大于衬底凹槽的深度与第一超导纳米线的厚度之和。
根据本发明的实施例，其中，第一超导纳米线的材料为单晶材料；
第二超导纳米线的材料包括以下至少之一：单晶材料、多晶材料或非晶材料；第一超导纳米线的厚度在1nm-30nm之间，宽度在1nm-200nm之间；第二超导纳米线的厚度在1nm-30nm之间，宽度在0nm-100nm之间。
根据本发明的实施例，其中，腐蚀方法包括湿法腐蚀，采用湿法腐蚀的方法，选择性去除多个剩余部分牺牲层。
另一方面，本发明还提供了一种超导纳米线结构，通过上述任一项的超导纳米线结构的制备方法制得，超导纳米线结构包括：衬底、第一超导纳米线、第二超导纳米线、隔离介质层。
根据本发明的实施例，其中，隔离介质层在衬底凹槽两侧并与衬底凹槽的侧壁相接；第一超导纳米线在未去除部分衬底的衬底表面上并与隔离介质层的侧壁相接；第二超导纳米线在衬底凹槽的衬底表面上并与隔离介质层的侧壁相接。
从上述技术方案可以看出，本发明制备的超导纳米线结构具有以下有益效果：
(1)采用自下而上的方式选择性外延第一超导纳米线，采用牺牲层技术保护衬底表面，可以保留原子级平整度表面，避免了超导纳米线所在区域下方的衬底表面没有经过光刻和刻蚀，避免了光刻胶沾污和刻蚀损伤，有利于第一超导纳米线的高质量外延。
(2)第二超导纳米线与衬底界面处经过光刻胶以及刻蚀，造成第二超导纳米线的质量不高，利用侧墙技术，可以将第一超导纳米线和第二超导纳米线隔离。
(3)通过隔离介质层宽度的调整，可以调整第二超导纳米线的宽度，当两侧的隔离介质层相接时，第二超导纳米线的宽度为零而不存在，第一超导纳米线可以直接用于制备高性能超导单光子探测器，在高性能超导单光子探测器方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的超导纳米线结构的制备方法的流程示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的形成剩余部分牺牲层和衬底凹槽后的结构示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的形成剩余部分隔离介质层后的结构示意图；
图4示意性示出了根据本发明实施例的选择性去除部分牺牲层后的结构示意图；
图5示意性示出了根据本发明实施例的超导纳米线结构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一方面，本发明目的在于从自下而上的方式制备超导纳米线，采用侧墙技术，采用隔离介质进行超导纳米线的选择性外延和隔离，提供一种超导纳米线结构及其制备方法。
图1示意性示出了根据本发明实施例的超导纳米线结构的制备方法的流程示意图。
如图1所示，该方法包括操作S101～S104。
在操作S101，在衬底上沉积牺牲层，去除部分牺牲层和部分衬底，形成具有预设间距的多个剩余部分牺牲层和多个衬底凹槽，每个衬底凹槽在两个剩余部分牺牲层之间。
根据本发明的实施例，本发明所使用的衬底材料可以包括以下至少之一：钛酸锶、硅或氧化镁单晶。
根据本发明的实施例，牺牲层的沉积方法可以包括以下至少之一：原子层沉积、等离子增强化学气相沉积、磁控溅射、分子束外延、金属有机化学气相沉积、干法氧化、湿法氧化。
根据本发明的实施例，牺牲层的材料可以为硅基、铝基、锆基、铪基、钆基、镓基、镧基、钽基、铍基、钛基、钇基氧化物中的一种或其多种氧化物叠层，牺牲层的材料还可以为氮化硅，牺牲层的材料具有腐蚀选择性。
根据本发明的实施例，去除部分牺牲层和部分衬底通过采用干法刻蚀的方法，该干法刻蚀的方法可以包括以下至少之一：反应离子刻蚀技术、感应耦合等离子体刻蚀技术。
根据本发明的实施例，采用刻蚀的方法去除了部分牺牲层和部分衬底，在衬底上还留有未刻蚀的剩余部分牺牲层，未刻蚀的剩余部分牺牲层形成了具有预设间距的多个剩余部分牺牲层，以及刻蚀去除的部分牺牲层和部分衬底形成多个衬底凹槽，原始衬底表面已被破坏。
根据本发明的实施例，具有预设间距的多个剩余部分牺牲层形成侧墙，为下述步骤S102中采用侧墙技术形成隔离介质层提供支撑，还用于保护衬底表面，使得衬底表面保留原子级平整度表面。
根据本发明的实施例，具有预设间距的多个剩余部分牺牲层，每个剩余部分牺牲层的厚度在1nm-300nm之间，宽度与第一超导纳米线的宽度相同。
根据本发明的实施例，预设间距为两个未刻蚀的部分牺牲层之间的距离。
根据本发明的实施例，多个衬底凹槽包括N个，N为大于或等于2的整数，衬底凹槽的深度在5nm-150nm之间。
根据本发明的实施例，每个衬底凹槽的表面宽度为第二超导纳米线的宽度与衬底凹槽两侧沉积的隔离介质层的宽度之和；未去除部分衬底的衬底表面宽度与第一超导纳米线的宽度相同。
根据本发明的实施例，在衬底上形成剩余部分牺牲层和衬底凹槽后，形成如图2的结构。
图2示意性示出了根据本发明实施例的形成剩余部分牺牲层和衬底凹槽后的结构示意图。
如图2所示，在本发明的具体实施例中，通过采用原子层沉积技术在钛酸锶衬底1上沉积氮化硅牺牲层，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀部分氮化硅牺牲层和部分衬底，在钛酸锶衬底1衬底上留有具有预设间距的未刻蚀的剩余部分氮化硅牺牲层2，以及衬底凹槽。每个剩余部分氮化硅牺牲层2的厚度为50nm，每个衬底凹槽的深度为50nm，表面宽度为100nm。
在操作S102，在每个剩余部分牺牲层表面和衬底凹槽的衬底表面沉积隔离介质层，去除部分隔离介质层，形成具有预设间距的多个剩余部分隔离介质层。
根据本发明的实施例，形成具有预设间距的剩余部分隔离介质层处于剩余部分牺牲层的两侧，形成侧墙，用于实现本发明中的超导纳米线的外延和隔离。
根据本发明的实施例，剩余部分隔离介质层的宽度的调整，可以调整本发明中第一超导纳米线和第二超导纳米线的间距。
根据本发明的实施例，隔离介质层的沉积方法包括以下至少之一：原子层沉积、等离子增强化学气相沉积、磁控溅射、分子束外延、金属有机化学气相沉积、干法氧化、湿法氧化。
根据本发明的实施例，隔离介质层的材料可以为硅基、铝基、锆基、铪基、钆基、镓基、镧基、钽基、铍基、钛基、钇基氧化物中的一种或其多种氧化物叠层，隔离介质层的材料还可以为氮化硅。
根据本发明的实施例，去除部分隔离介质层的方法为干法刻蚀，可以包括以下至少之一：反应离子刻蚀技术、感应耦合等离子体刻蚀技术。
根据本发明的实施例，隔离介质层的宽度在1nm-100nm之间；隔离介质层的厚度大于衬底凹槽的深度与第一超导纳米线的厚度之和。
根据本发明的实施例，沉积形成隔离介质层后，形成如图3的结构。
图3示意性示出了根据本发明实施例的形成剩余部分隔离介质层后的结构示意图。
如图3所示，通过采用原子层沉积在剩余部分牺牲层2和衬底凹槽的衬底表面沉积隔离介质层，采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀不需要的隔离介质层，形成多个剩余部分隔离介质层3的厚度为剩余部分牺牲层2厚度和衬底凹槽厚度之和，剩余部分隔离介质层3处于剩余部分牺牲层2的两侧，形成侧墙，每个剩余部分隔离介质层的厚度为100nm，宽度为25nm。
在操作S103，通过腐蚀方法去除多个剩余部分牺牲层。
根据本发明的实施例，采用湿法腐蚀的方法，选择性去除多个剩余部分牺牲层。
根据本发明的实施例，去除剩余部分牺牲层后，形成如图4的结构。
图4示意性示出了根据本发明实施例的选择性去除部分牺牲层后的结构示意图。
如图4所示，去除剩余部分牺牲层后，形成由钛酸锶衬底1和多个剩余部分隔离介质层3组成的结构。采用剩余部分隔离介质层3用于控制第一超导纳米线和第二超导纳米线的外延和隔离，剩余部分隔离介质层3的间距用于选择外延第一超导纳米线和第二超导纳米线，每个剩余部分隔离介质层3的宽度决定第一超导纳米线和第二超导纳米线的间距。
在操作S104，清洗衬底表面，在衬底表面外延第一超导纳米线和第二超导纳米线，获得超导纳米线结构。
根据本发明的实施例，清洗衬底表面之后，采用分子束外延的方式选择外延第一超导纳米线和第二超导纳米线。
根据本发明的实施例，选择外延是指在衬底表面的特定区域生长外延层，而其他区域不生长外延层的外延工艺。
根据本发明的实施例，采用分子束外延的方式在隔离介质层未覆盖的衬底的表面上外延第一超导纳米线和第二超导纳米线，第一超导纳米线和第二超导纳米线由剩余部分隔离介质层隔开。
根据本发明的实施例，第一超导纳米线在未去除部分衬底的衬底表面上外延并与剩余部分隔离介质层的侧壁相接；第二超导纳米线在衬底凹槽的衬底表面上外延并与剩余部分隔离介质层的侧壁相接。
根据本发明的实施例，第一超导纳米线的材料为单晶材料，可以包括氮化铌(NbN)、铌(Nb)、硒化亚铁(FeSe)、氮化钽(TaN)、硼化镁(MgB2)中的一种或多种。
根据本发明的实施例，第二超导纳米线的材料可以为单晶、非晶或多晶材料中的一种或多种，可以包括为氮化铌(NbN)、铌(Nb)、硒化亚铁(FeSe)、氮化钽(TaN)、硼化镁(MgB2)中的一种或多种。
根据本发明的实施例，第一超导纳米线的厚度在1nm-30nm之间，宽度在1nm-200nm之间；第二超导纳米线的厚度在1nm-30nm之间，宽度在0nm-100nm之间。
根据本发明的实施例，第二超导纳米线在衬底凹槽的衬底表面上外延，第二超导纳米线与衬底凹槽的衬底界面处经过光刻胶以及刻蚀，引起衬底凹槽的衬底界面被破坏，造成外延的第二超导纳米线的质量会不高。
根据本发明的实施例，采用分子束外延超导纳米线，形成如图5的结构。
如图5所示，在本发明的具体实施例中，采用分子束外延的方式选择外延第一超导纳米线4a材料均为单晶硒化亚铁(FeSe)，第一超导纳米线4a的厚度为15nm，宽度为100nm。
采用分子束外延的方式选择外延第二超导纳米线4b的材料为多晶硒化亚铁(FeSe)，第二超导纳米线4b的厚度为15nm，宽度为50nm。
本发明的另一方面，还提供了一种超导纳米线结构，通过上述超导纳米线结构的制备方法制得。超导纳米线结构示意图如图5所示。
图5示意性示出了根据本发明实施例的超导纳米线结构的结构示意图。
如图5所示，在本发明的具体实施例中，超导纳米线结构包括钛酸锶衬底1、剩余部分隔离介质层3、第一超导纳米线4a和第二超导纳米线4b。
对于超导纳米线结构中的各组成部分的具体说明可以参考上述超导纳米线结构的制备方法的各个步骤中的描述，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，通过提供超导纳米线结构的制备方法，从自下而上的方式制备超导纳米线，采用侧墙技术，采用隔离介质层进行第一超导纳米线和第二超导纳米线的选择性外延和隔离，解决了传统的采用自上而下的方法通过电子书曝光、刻蚀等制备过程中对超导纳米线造成的损伤以及电子束曝光中的临近效应问题，采用牺牲层技术保护衬底表面，可以保留原子级平整度表面，有利于第一超导纳米线的高质量外延；第二超导纳米线与衬底凹槽的衬底界面处经过光刻胶以及刻蚀，造成第二超导纳米线的质量不高，利用侧墙技术，将第一超导纳米线和第二超导纳米线隔离；通过隔离介质层宽度的调整，可以调整第二超导纳米线的宽度，当两侧的隔离介质相接时，第二超导纳米线的宽度为零而不存在。第一超导纳米线可以直接用于制备高性能超导单光子探测器，在高性能超导单光子探测器方面具有重要的应用价值。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超导纳米线结构的制备方法，包括：
在衬底上沉积牺牲层，去除部分所述牺牲层和部分所述衬底，形成具有预设间距的多个剩余部分牺牲层和多个衬底凹槽，每个所述衬底凹槽在两个所述剩余部分牺牲层之间；
在每个所述剩余部分牺牲层表面和所述衬底凹槽的衬底表面沉积隔离介质层，去除部分隔离介质层，形成具有预设间距的多个剩余部分隔离介质层；
通过腐蚀方法去除多个所述剩余部分牺牲层；
清洗所述衬底表面，在所述衬底表面外延第一超导纳米线和第二超导纳米线，获得超导纳米线结构。
2.根据权利要求1所述的超导纳米线结构的制备方法，其中：
所述衬底材料包括以下一种：钛酸锶、硅或氧化镁单晶；
所述多个衬底凹槽包括N个，N为大于或等于2的整数，所述衬底凹槽的深度在5nm-150nm之间，每个所述衬底凹槽的表面宽度为所述第二超导纳米线的宽度及每个所述衬底凹槽两侧沉积的所述隔离介质层的宽度之和，未被去除的衬底表面宽度与所述第一超导纳米线的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的超导纳米线结构的制备方法，其中：
采用分子束外延的方式在所述隔离介质层未覆盖的所述衬底的表面外延所述第一超导纳米线和所述第二超导纳米线，所述第一超导纳米线和所述第二超导纳米线由所述隔离介质层隔开；
所述第一超导纳米线在未被去除的所述衬底表面上外延并与所述隔离介质层的侧壁相接；
所述第二超导纳米线在所述衬底凹槽的衬底表面上外延并与所述隔离介质层的侧壁相接。
4.根据权利要求1所述的超导纳米线结构的制备方法，其中：
所述牺牲层和所述隔离介质层的沉积方法包括以下至少之一：原子层沉积、等离子增强化学气相沉积、磁控溅射、分子束外延、金属有机化学气相沉积、干法氧化、湿法氧化；
所述牺牲层和所述隔离介质层的刻蚀方法包括以下至少之一：反应离子刻蚀技术、感应耦合等离子体刻蚀技术。
5.根据权利要求1所述的超导纳米线结构的制备方法，其中：
所述牺牲层的材料包括以下至少之一：硅基氧化物、铝基氧化物、锆基氧化物、铪基氧化物、钆基氧化物、镓基氧化物、镧基氧化物、钽基氧化物、铍基氧化物、钛基氧化物、钇基氧化物、氮化硅；
所述牺牲层的材料具有腐蚀选择性；
所述牺牲层的厚度在1nm-300nm之间，宽度在1nm-200nm之间，所述牺牲层的宽度与所述第一超导纳米线的宽度相同。
6.根据权利要求1所述的超导纳米线结构的制备方法，其中：
所述隔离介质层的材料包括以下至少之一：硅基氧化物、铝基氧化物、锆基氧化物、铪基氧化物、钆基氧化物、镓基氧化物、镧基氧化物、钽基氧化物、铍基氧化物、钛基氧化物、钇基氧化物、氮化硅；
所述隔离介质层的厚度在1nm-300nm之间，宽度在1nm-200nm之间，所述隔离介质层的厚度大于所述衬底凹槽的深度与所述第一超导纳米线的厚度之和。
7.根据权利要求1所述的超导纳米线结构的制备方法，其中：
所述第一超导纳米线的材料为单晶材料；
所述第二超导纳米线的材料包括以下至少之一：单晶材料、多晶材料或非晶材料；
所述第一超导纳米线的厚度在1nm-30nm之间，宽度在1nm-200nm之间；
所述第二超导纳米线的厚度在1nm-30nm之间，宽度在0nm-100nm之间。
8.根据权利要求1所述的超导纳米线结构的制备方法，其中：
所述腐蚀方法包括湿法腐蚀，采用所述湿法腐蚀的方法，选择性去除多个所述剩余部分牺牲层。
9.一种超导纳米线结构，通过如权利要求1～8任一项所述的超导纳米线结构的制备方法制得，所述超导纳米线结构包括：衬底、第一超导纳米线、第二超导纳米线、隔离介质层。
10.根据权利要求9所述的超导纳米线结构，其中：
所述隔离介质层在衬底凹槽两侧并与所述衬底凹槽的侧壁相接；
所述第一超导纳米线在未被去除的所述衬底表面上并与所述隔离介质层的侧壁相接；
所述第二超导纳米线在所述衬底凹槽的衬底表面上并与所述隔离介质层的侧壁相接。
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