CN115867509A - 量子计算机用半导体装置的制造方法 - Google Patents

量子计算机用半导体装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种量子计算机用半导体装置的制造方法，量子计算机用半导体装置具备：半导体基板、在所述半导体基板上形成的量子计算机用元件、以及在所述半导体基板上形成且连接于所述量子计算机用元件的周边电路，量子计算机用半导体装置作为量子计算机使用，量子计算机用半导体装置的制造方法的特征在于，包含以下工序：在所述半导体基板上形成所述量子计算机用元件以及所述周边电路；通过向所述半导体基板中的至少量子计算机用元件形成部以及周边电路形成部照射粒子束，从而使半导体基板中的载流子惰性化。由此，提供一种能够制造3HD特性优异的量子计算机用半导体装置的、量子计算机用半导体装置的制造方法。

Description

量子计算机用半导体装置的制造方法
技术领域
本发明涉及一种量子计算机用半导体装置的制造方法。
背景技术
迎来5G，终端需要对应宽幅的频带，需要滤波器等数量繁多的高频部件。例如专利文献1所记载的那样，在无线通信装置中，在无线频带中使用的元件装配在硅基板等半导体基板上。
另一方面，作为能够求解在现有的计算机中在现实的时间中无法求解的计算的计算机，人们把期待集中于使用重叠、量子纠缠这种量子效应的量子计算机，正在如火如荼地进行用于使该量子计算机实用化的研究。在量子计算机用途中使用的元件也能够装配在例如硅基板等半导体基板上。
在量子计算机用途中使用的元件通过利用使用了超导体的约瑟夫森效应、利用电子自旋(ESR)，通过将量子效应转换成电信号，从而进行写入或读取。
另外，量子效应在等效电路中大多由线圈和电容器(LC电路)写入，写入及读出的电信号必然成为高频。
例如，在使用硅基板并利用了电子自旋的元件中，对置于磁场中的电子自旋照射微波扫描频率使其共振，从而能够读取量子效应。根据该例可知，为了使量子计算机用元件动作而需要高频电路(参照非专利文献1)。
这样，就算是量子计算机用元件，也需要模拟的半导体技术，实际上作为基板材料使用硅的例子很多。
根据这样的情况可知，以用于量子计算机用元件的硅基板处理高频为前提，例如使用未掺杂的硅基板。
作为这样的量子计算机用的基板的高频特性，具有在基板上形成绝缘膜且在该绝缘膜上形成图10及11所示的Co-Planar Waveguide(CPW：共平面波导)5来测量Al电极的3次高次谐波(3HD)特性。
CPW5是指如下结构的元件5：如图10和图11所示的一例那样，具有将金属电极50a隔开间隙地并列排列、在该间隙的中央与这些金属电极50a并列地形成线状的中央金属电极50b的结构，通过从中央金属电极50b朝向图11中的左右两侧的金属电极50a和半导体基板10内部的方向的电场50c、和在半导体基板10内部包围中央金属电极50b的方向的磁场50d来传输电磁波。
此外，作为量子计算机用的基板，通常使用仅有硅的结构，但为了简单地进行3HD特性评价，而形成绝缘膜，进一步在其上形成CPW，并评价3HD特性。在图11中省略绝缘膜的图示。
在此，高次谐波是指作为基础的频率的整数倍的高次频率成分，以基础的频率为基本波，具有2倍的频率(二分之一的波长)的波被定义为2HD，具有3倍的频率(三分之一的波长)的波被定义为3HD。在高频电路中，为了避免由于高次谐波的混信而需要高次谐波较小的基板。其中，作为量子计算机用元件用的基板评价而优选使用3次高次谐波特性。作为高频信号变形的评价方法，2次高次谐波特性大多强烈利用信号强度，但该2次高次谐波主要用于对滤波器、开关等无源元件、该基板特性进行评价时较多。另一方面，优选作为量子计算机用元件用的基板评价使用的是与放大器等所代表的有源元件的评价指标即IMD3(Third Intermodulation Distortion：3次相互调制变形)等价的3次高次谐波(3HD)。IMD3是当输入两个相邻的频率的不同的信号时，在该信号的附近生成的所谓的噪声。IMD3由于在主信号的附近生成，因此难以用滤波器等除去，需要在制作元件时预先充分降低。此外，一方的2HD在主信号的2倍频率位置出现，并且是无源器件上的信号，能够容易除去。
如例如非专利文献2所记载那样，可知3HD与该IMD3相关，如以下关系式所示。
IMD3＝3×3HD(显示了线性的情况下)＝3HD+10dB(表现了dB的情况下)
(注)上述的10dB准确而言是+9.54dB＝20×Log3。
根据上述的关系，在本发明中，使用3HD特性，确认IMD3特性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2020-507230号公报
专利文献2：日本特开2005-93939号公报
专利文献3：日本特开平10-93107号公报
专利文献4：日本特开昭51-93666号公报
专利文献5：日本特开昭51-93684号公报
专利文献6：日本特开昭51-100644号公报
非专利文献
非专利文献1：Rosenberg,D.,Kim,D.,Das,R.et al.3D integratedsuperconducting qubits(集成超导量子位).npj Quantum Inf 3,42(2017).
非专利文献2：Rohde&Schwarz应用注释“通过频谱分析仪测量高次谐波”
发明内容
(一)要解决的技术问题
作为提高以上说明那样的3HD特性的具体的解决策略，有半导体基板的高电阻率化。
但是，半导体基板的高电阻率化非常难，如果要获得例如比3000Ω·cm高的电阻率，则需要在未掺杂、或者P型的硼的情况下，设为3×1012atoms/cm3这种极低的掺杂剂浓度。另外，由于原料中的杂质的影响，会更难高电阻率化。
本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于提供一种能够制造3HD特性优异的量子计算机用半导体装置的、量子计算机用半导体装置的制造方法。
(二)技术方案
为了实现上述目的，在本发明中，提供一种量子计算机用半导体装置的制造方法，该量子计算机用半导体装置具备：半导体基板、在所述半导体基板上形成的量子计算机用元件、以及在所述半导体基板上形成且连接于所述量子计算机用元件的周边电路，该量子计算机用半导体装置作为量子计算机使用，其特征在于，
包含以下工序：
在所述半导体基板上形成所述量子计算机用元件及所述周边电路；以及
通过向所述半导体基板中的至少量子计算机用元件形成部及周边电路形成部照射粒子束，从而使半导体基板中的载流子惰性化。
根据这样的制造方法，通过向半导体基板中的至少在量子计算机区域中使用的量子计算机用元件的形成部以及连接于该元件的周边电路的形成部照射粒子束，从而向半导体基板的至少这些部分导入点缺陷而在该点缺陷中捕获载流子，从而能够使载流子惰性化。由此，能够提高半导体基板中的至少量子计算机用元件形成部以及周边电路形成部的电阻率，其结果为能够改善制造的量子计算机用半导体装置的高频特性，特别是3HD特性。即，根据本发明的制造方法，能够制造3HD特性优异的量子计算机用半导体装置。
优选地，通过照射所述粒子束，而使所述半导体基板的所述量子计算机用元件形成部以及所述周边电路形成部的电阻率为3000Ω·cm以上。
通过这样设置，能够制造3HD特性确实优异的量子计算机用半导体装置。
可以在所述半导体基板上形成所述量子计算机用元件以及所述周边电路之前向所述半导体基板中的至少所述量子计算机用元件形成部以及所述周边电路形成部照射所述粒子束。
或者，可以在所述半导体基板上形成了所述量子计算机用元件以及所述周边电路之后向所述半导体基板中的至少所述量子计算机用元件形成部以及所述周边电路形成部照射所述粒子束。
这样，照射粒子束既可以在半导体基板上形成量子计算机用元件以及其周边电路之前进行，也可以在形成它们之后进行。
优选照射电子束作为所述粒子束。
在电子束的情况下，能够形成透射性强且在基板的深度方向上均匀的缺陷，非常有效。
(三)有益效果
如以上那样，根据本发明的量子计算机用半导体装置的制造方法，能够提高半导体基板中的至少量子计算机用元件形成部以及周边电路形成部的电阻率，其结果为能够改善制造的量子计算机用半导体装置的高频特性，特别是3HD特性。即，根据本发明的制造方法，能够制造3HD特性优异的量子计算机用半导体装置。
附图说明
图1是表示能够以本发明的量子计算机用半导体装置的制造方法制造的、量子计算机用半导体装置的一例的概要立体图。
图2是表示实施例1及实施例2中的照射电子束后的基板电阻率与3HD特性的关系的图表。
图3是表示实施例1中的电子束照射量与照射电子束后的基板电阻率的关系的图表。
图4是表示实施例1中的电子束照射量与3HD特性的关系的图表。
图5是表示实施例1中的在照射电子束前后的3HD的面内分布的变化的图表。
图6是表示实施例2中的电子束照射量与照射电子束后的基板电阻率的关系的图表。
图7是表示实施例2中的电子束照射量与3HD特性的关系的图表。
图8是表示实施例2中的在照射电子束前后的3HD的面内分布的变化的图表。
图9是表示实施例3中的未掺杂基板的照射电子束前后的3HD的面内分布的变化的图表。
图10是用于评价3次高次谐波特性的一例的Co-Planar Waveguide(CPW)的概略俯视图。
图11是图10的CPW的沿着X-X线段的剖视图。
具体实施方式
如上述所述，正在寻求开发一种能够制造3HD特性优异的量子计算机用半导体装置的、量子计算机用半导体装置的制造方法。
本发明人对上述技术问题反复精心研究，结果发现：通过向半导体基板中的至少量子计算机用元件形成部及周边电路形成部照射粒子束，从而在半导体基板中的至少这些部分导入点缺陷，通过基板中的载流子被这些点缺陷捕获，从而半导体基板中的载流子惰性化，由此，能够提高半导体基板中的至少这些部分的电阻率，其结果为，能够制造3HD特性优异的量子计算机用半导体装置，从而完成了本发明。
即，本发明是一种量子计算机用半导体装置的制造方法，该量子计算机用半导体装置具备：半导体基板、在所述半导体基板上形成的量子计算机用元件、以及在所述半导体基板上形成且连接于所述量子计算机用元件的周边电路，该量子计算机用半导体装置作为量子计算机使用，其特征在于，
包含以下工序：
在所述半导体基板上形成所述量子计算机用元件及所述周边电路；
通过向所述半导体基板中的至少量子计算机用元件形成部及周边电路形成部照射粒子束，从而使半导体基板中的载流子惰性化。
此外，在专利文献2中，通过进行照射电子束等氧化处理，从而使低电阻层高电阻化而防止侧漏电流。
另外，在专利文献3中记载有通过向高电阻GaAs基板照射带电粒子束，从而局部地高电阻化。
另外，在专利文献4～6中记载有通过照射高能量的电子束，从而能够使半导体内部区域选择性地绝缘化或者高电阻化。
但是，在这些文献中，既没有记载也没有启示：在量子计算机中使用的半导体装置的制造方法中，向量子计算机用元件及其周边电路的各个形成部照射粒子束，使载流子惰性化。
以下，参照附图对本发明详细地进行说明，但本发明并不限定于此。
首先，参照图1对能够用本发明的量子计算机用半导体装置的制造方法制造的、量子计算机用半导体装置的一例进行说明。需要说明的是，能够用本发明的制造方法制造的量子计算机用半导体装置不限于图1所示的例子。
图1所示的量子计算机用半导体装置10具备半导体基板1、在半导体基板1上形成的量子计算机用元件2及其周边电路3。周边电路3连接于量子计算机用元件2。量子计算机用元件2与周边电路3的连接方式没有特别限定。在图1中，省略量子计算机用元件2与周边电路3的连接的图示。
量子计算机用元件2只要是在量子计算机中使用的元件则没有特别限定。
量子计算机用元件2形成于半导体基板1的量子计算机用元件形成部12。在本说明书中，将半导体基板1中的形成有量子计算机用元件2的部分、和半导体基板1中的形成量子计算机用元件2的预定的部分统称为量子计算机用元件形成部12。
周边电路3只要连接于量子计算机用元件2则没有特别限定。
周边电路3形成于半导体基板1的周边电路形成部13。在本说明书中，将半导体基板1中的形成有周边电路3的部分、半导体基板1中的形成周边电路3的预定的部分统称为周边电路形成部13。
本发明的量子计算机用半导体装置的制造方法包含通过向半导体基板1中的至少量子计算机用元件形成部12及周边电路形成部13照射粒子束从而使半导体基板1中的载流子惰性化的工序。
不希望被理论束缚，在此的惰性化通过照射粒子束而在例如硅基板的半导体基板1中形成有点缺陷，它们作为载流子肼阱起作用，来捕获半导体基板1中的载流子，其结果为，认为半导体基板1高电阻率化。另外，在照射的粒子束是电子束的情况下，能够形成透射性强且在基板的深度方向上均匀的缺陷，非常有效。
通过像这样减少载流子(高电阻率化)，从而当施加高频时，没有追随高频的载流子，认为高次谐波减少。
虽然未被限定，通过对量子计算机用元件形成部12中的有源元件形成部照射电子束那样的粒子束，从而明显获得使半导体基板1中的掺杂剂以及/或者来自原料的杂质等载流子惰性化所带来的效果。这是因为IMD3(与3HD等价)在主信号的紧旁边产生而难以被滤波器等除去，只能在初期就制作规定的特性，需要尽可能在初期的时刻制作规定的性能。
可以向形成量子计算机用元件2以及其周边电路3的半导体基板1表面的整面照射粒子束，在这种情况下，能够不考虑量子计算机用元件2以及周边电路3的形成位置就照射粒子束，更简单。
电子束与其它的粒子束比较，一般用于功率器件的寿命控制，另外透射性高且能够在半导体基板1的深度方向上均匀地照射等优点较多。因而，优选作为粒子束而照射电子束。
此时，通过照射粒子束，通过将半导体基板1的量子计算机用元件形成部12以及周边电路形成部13的电阻率设为3000Ω·cm以上，从而能够制造3HD特性更加优异的量子计算机用半导体装置10。
由于半导体基板1的量子计算机用元件形成部12以及周边电路形成部13的电阻率越高越好，因此其上限没有特别限定，但例如可以是100，000Ω·cm以下。
而且，粒子束、例如电子束的照射可以在量子计算机用元件2以及周边电路3的制作前后任意进行，可以结合元件工艺、特征选择。即，可以在半导体基板1上形成量子计算机用元件2以及周边电路3之前向半导体基板1中的至少量子计算机用元件形成部12以及周边电路形成部13照射粒子束。或者，也可以在半导体基板1上形成了量子计算机用元件2以及周边电路3之后向半导体基板1中的至少量子计算机用元件形成部12以及周边电路形成部13照射粒子束。
另外，在照射电子束的情况下，该电子束的照射量没有特别限定。照射量越高电阻率越高，进一步改善3HD特性。设为怎样的照射量可以根据例如使用的半导体基板1的电阻率(粒子束照射前的电阻值)和作为目标的3HD特性的值确定设为怎样的照射量。
例如，电子束的照射量可以设为1×1014～1×1016/cm2，通过照射这样的电子束并将半导体基板1的量子计算机用元件形成部12以及周边电路形成部13的电阻率设为3000Ω·cm以上，从而能够获得优异的3HD特性。
如果利用本发明提高半导体基板1中的至少量子计算机用元件形成部12以及周边电路形成部13的电阻率，则不仅能够制作与以往相比高次谐波特性特别是3HD特性良好的半导体装置，而且即使是比较低电阻率的基板也能够高电阻率化。另外，在使用了未掺杂的基板的情况下，通过使来自原料的杂质载流子惰性化而能够进一步高电阻率化和改善结晶生长时的固液界面形状引起而产生的电阻率的面内分布。
半导体基板1的电阻率的面内偏差也对3HD特性产生影响。本发明也能够通过粒子束、例如电子束的照射而降低电阻率在支撑基板的面内偏差，因此能够获得优异的3HD特性。
本发明的量子计算机用半导体装置的制造方法中的、在半导体基板上形成量子计算机用元件以及其周边电路的工序没有特别限定，可以结合在半导体基板上形成的元件而适当选择。
实施例
下面使用实施例和比较例具体地说明本发明，但本发明并不限定于此。
(实施例1)
准备了利用CZ法制作的直径为300mm的硼掺杂的高电阻率单晶硅基板(电阻率为5000Ω·cm)。对该基板在基板整面照射了电子束(加速能量：2MeV、剂量：1×1014～1×1015/cm2)。之后，用SR(Spreading Resistance：扩展电阻)法测量出基板电阻率。图3示出测量结果。根据图3所示的结果可知，电子束照射量越多，基板电阻率越高。
接着，用以下的流程制作出评价用基板。首先，准备了与之前电阻率相同的另一基板。对该基板利用等离子体CVD在表面形成了厚度为400nm的氧化膜。接着，制作出在该基板上的中心部、半径方向的中央部(从中心开始在半径方向上处于75mm的位置：4处)、外周部(从中心开始在半径方向上处于140mm的位置：4处)的位置上用铝电极形成了具有与图10所示的同样的结构的CPW5(路线长度：2200μm)的元件。之后，在形成了这些元件的基板上照射电子束，并制作出实施例1的评价用基板。此外，关于电子束照射，使基板旋转，对在半径方向的中央部形成的各元件一边使照射量阶段性地变化到1×1014～1×1015/cm2一边进行了电子束照射。对在基板上的中心部以及外周部形成的各元件，将照射量设定为1×1015/cm2进行了电子束照射。
接着，测量出实施例1的评价用基板的各元件的3次高次谐波特性(3HD特性)(频率：1GHz、输入电力：15dBm)。图4示出测量结果。根据该结果可知，在基板上形成的元件的3HD特性取决于电子束照射量，当增大电子束照射量时，能够改善3HD特性。
另外，比较了对在该基板上的中心部、半径向的中央部、外周部上形成的5个元件照射1×1015/cm2的电子束的前后的、3HD特性在晶圆径向上的测量结果的偏差。在图5中示出其结果。根据图5所示的结果可知，通过照射电子束不仅改善3HD特性，也改善3HD特性在面内的偏差。
(实施例2)
准备了利用CZ法制作的直径为300mm的硼掺杂的高电阻率单晶硅基板(电阻率为1000Ω·cm)。对该基板在基板整面照射了电子束(加速能量：2MeV、剂量：1×1014～1×1015/cm2)。之后，用SR法测量出基板电阻率。图6示出测量结果。根据图6所示的结果可知，电子束照射量越多，基板电阻率越高。
接着，用以下的流程制作出评价用基板。首先，准备了与之前电阻率相同的另一基板。对该基板利用等离子体CVD在表面形成了厚度为400nm的氧化膜。接着，制作出在该基板上的中心部、半径方向的中央部(从中心开始在半径方向上处于75mm的位置：4处)、外周部(从中心开始在半径方向上处于140mm的位置：4处)的位置上用铝电极形成了具有与图10所示的同样的结构的CPW5(路线长度：2200μm)的元件。之后，在形成了这些元件的基板上照射电子束，并制作出实施例2的评价用基板。此外，关于电子束照射，使基板旋转，对在半径方向的中央部形成的各元件一边使照射量阶段性地变化到1×1014～1×1015/cm2一边进行了电子束照射。对在基板上的中心部以及外周部形成的各元件，将照射量设定为1×1015/cm2进行了电子束照射。
接着，测量出实施例2的评价用基板的各元件的3次高次谐波特性(3HD特性)(频率：1GHz、输入电力：15dBm)。图7示出测量结果。根据该结果可知，在基板上形成的元件的3HD特性取决于电子束照射量，当增大电子束照射量时，能够改善3HD特性。
另外，比较了对在该基板上的中心部、半径向的中央部、外周部上形成的5个元件照射1×1015/cm2的电子束的前后的、3HD特性在晶圆径向上的测量结果的偏差。在图8中示出其结果。根据图8所示的结果可知，通过照射电子束不仅改善3HD特性，也改善3HD特性在面内的偏差。
在图2中一同示出以上的实施例1以及实施例2的结果。根据图2所示的结果可知，如果增多电子束的照射量则电阻率变高，3HD特性改善。特别地，通过将照射电子束后的基板电阻率设为3000Ω·cm以上，能够形成优异的3HD特性的元件。
(实施例3)
准备了利用CZ法制作的直径为300mm的未掺杂的高电阻率单晶硅基板(P型、电阻率为20000Ω·cm)。对该基板利用等离子体CVD在表面形成了厚度为400nm的氧化膜。接着，制作出在该基板上的中心部、半径方向的中央部(从中心开始在半径方向上处于75mm的位置：4处)、外周部(从中心开始在半径方向上处于140mm的位置：4处)的位置上用铝电极形成了具有与图10所示的同样的结构的CPW5(路线长度：2200μm)的元件。之后，对基板整面照射电子束(加速能量：2MeV、剂量：1×1015/cm2)，制作出实施例3的评价用基板。
测量在该基板上的中心部、半径向的中央部以及外周部上形成的5个元件的3次高次谐波特性(3HD特性)(频率：1GHz、输入电力：15dBm)，而测量出实施例3的3HD特性在评价用基板的面内分布。
电子束照射后的电阻率在SR中无法测量，因此根据电子束的照射量与电阻率的关系进行外插求出的结果为，电子束照射后的评价用基板的电阻率是约50000Ω·cm。即，通过照射电子束而能够提高未掺杂硅的电阻率。
另一方面，也准备不进行电子束照射的同样的基板，并调查了3HD特性在该基板的面内分布。在图9中示出有无照射电子束下的、3HD的面内分布的测量结果。根据图9所示的结果可知，通过照射电子束不仅改善3HD特性，也改善3HD特性在面内的偏差。
另外，根据以上所示的结果可知，即使是在实施例1～3的评价用基板中将包含CPW的元件变更为量子计算机用元件以及其周边电路而制作的量子计算机用半导体装置，也与实施例1～3的评价用基板同样地显示出优异的3HD特性。
此外，本发明不限于上述实施方式。上述实施方式是例示，凡具有与本发明的权利要求书所记载的技术思想实质上相同的结构、起到同样的作用效果的任何方案都包含在本发明的技术范围内。

Claims (5)

1.一种量子计算机用半导体装置的制造方法，该量子计算机用半导体装置具备：半导体基板、在所述半导体基板上形成的量子计算机用元件、以及在所述半导体基板上形成且连接于所述量子计算机用元件的周边电路，该量子计算机用半导体装置作为量子计算机使用，其特征在于，
包含以下工序：
在所述半导体基板上形成所述量子计算机用元件及所述周边电路；以及
通过向所述半导体基板中的至少量子计算机用元件形成部及周边电路形成部照射粒子束，从而使半导体基板中的载流子惰性化。
2.根据权利要求1所述的量子计算机用半导体装置的制造方法，其特征在于，
通过照射所述粒子束，而使所述半导体基板的所述量子计算机用元件形成部以及所述周边电路形成部的电阻率为3000Ω·cm以上。
3.根据权利要求1或2所述的量子计算机用半导体装置的制造方法，其特征在于，
在所述半导体基板上形成所述量子计算机用元件以及所述周边电路之前，向所述半导体基板中的至少所述量子计算机用元件形成部以及所述周边电路形成部上照射所述粒子束。
4.根据权利要求1或2所述的量子计算机用半导体装置的制造方法，其特征在于，
在所述半导体基板上形成所述量子计算机用元件以及所述周边电路之后，向所述半导体基板中的至少所述量子计算机用元件形成部以及所述周边电路形成部上照射所述粒子束。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的量子计算机用半导体装置的制造方法，其特征在于，
照射电子束作为所述粒子束。
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