JP2008218439A - Quantum element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein tunnel junction and island electrodes are affected poorly and sufficient charge resolution, or the like cannot be obtained, when a suspension type element is formed by etching a substrate using CF4. <P>SOLUTION: A resist base section formed by resist removed by ashing is provided on a substrate, and an element section, such as tunnel junction and island electrodes, is formed on the resist base section. After the element section is formed on the resist base section, the resist base section is removed by ashing, thus composing a suspension type element without etching the substrate by CF4, or the like. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、量子素子及びその製造方法に関し、特に、単電子トランジスタ、単電子ポンプ、単電子箱、その他の単電子回路構造の量子素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a quantum device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a single-electron transistor, a single electron pump, a single electron box, and other quantum devices having a single-electron circuit structure and a method for manufacturing the same.

最近、膨大な計算量を要する問題を解決する手段として、量子ビット(qubit)を用いて演算を行う量子コンピュータが注目を集めている。量子コンピュータの量子素子の中には、単電子トランジスタ、単電子ポンプ、単電子箱等の単電子構造の回路(単電子回路)が使用されると共に、量子ビット、電荷センサー、及び、その読出回路における量子演算素子にも単電子回路構造の素子が用いられることが多い。   Recently, quantum computers that perform operations using qubits have attracted attention as means for solving problems that require a large amount of calculation. In the quantum element of the quantum computer, a single-electron structure circuit (single-electron circuit) such as a single-electron transistor, a single-electron pump, and a single-electron box is used. In many cases, an element having a single-electron circuit structure is also used as the quantum arithmetic element.

この種、単電子回路構造の量子素子を用いた例を特許文献1を参照して説明する。特許文献1に示された例では、超伝導箱電極を含む量子ビット構造と、読出回路とを備え、量子ビット構造及び読出回路はそれぞれ単電子回路構造を有している。具体的に言えば、特許文献1に示された量子ビット構造は、ソース電極として動作する対向電極、薄膜によって形成された第1のトンネルバリアを介して、対向電極と対向するように配置された超伝導箱電極、第2のトンネルバリアを挟んで超伝導箱電極と対向するように設けられたトラップ電極、超伝導箱電極に容量を介して結合されたゲート電極とによって構成されている。更に、前述した読出回路は、単電子トランジスタによって構成されており、当該単電子トランジスタは、ソース電極、島電極、ドレイン電極、及びゲート電極によって構成されている。単電子トランジスタのソース電極及び島電極は第3のトンネルバリアによって結合されており、島電極とドレイン電極は第4のトンネルバリアによって結合されている。更に、ゲート電極と島電極はゲート容量を介して結合されている。   An example using a quantum element of this type, single-electron circuit structure will be described with reference to Patent Document 1. The example shown in Patent Document 1 includes a qubit structure including a superconducting box electrode and a readout circuit, and each of the qubit structure and the readout circuit has a single electronic circuit structure. Specifically, the qubit structure shown in Patent Document 1 is arranged to face the counter electrode via a counter electrode that operates as a source electrode and a first tunnel barrier formed by a thin film. A superconducting box electrode, a trap electrode provided to face the superconducting box electrode across the second tunnel barrier, and a gate electrode coupled to the superconducting box electrode via a capacitor. Further, the readout circuit described above is constituted by a single electron transistor, and the single electron transistor is constituted by a source electrode, an island electrode, a drain electrode, and a gate electrode. The source electrode and the island electrode of the single electron transistor are coupled by a third tunnel barrier, and the island electrode and the drain electrode are coupled by a fourth tunnel barrier. Furthermore, the gate electrode and the island electrode are coupled via a gate capacitance.

このように、特許文献1は、量子ビット構造及び読出回路に単電子回路を用い、一回の試行によって超伝導量子箱の量子状態を読み出すことができることを開示している。   Thus, Patent Document 1 discloses that the quantum state of the superconducting quantum box can be read out by a single trial using a single-electron circuit for the qubit structure and the reading circuit.

ここで、単電子回路構造を有する量子素子は、絶縁性の基板、例えば、シリコン酸化膜、或いは、シリコン窒化膜上に形成されている。このため、上記した量子演算素子の各電極、例えば、島電極、超伝導量子箱は基板に接触している。   Here, the quantum element having a single electronic circuit structure is formed on an insulating substrate, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film. For this reason, each electrode, for example, the island electrode and the superconducting quantum box, of the quantum arithmetic element described above is in contact with the substrate.

最近の研究によれば、単電子トランジスタ、特に、単電子トランジスタの島電極が基板と接触している場合、基板による電荷の変動の影響、即ち、基板からのノイズの影響が避けられないことが指摘されている。   According to recent research, when the single-electron transistor, particularly when the island electrode of the single-electron transistor is in contact with the substrate, the influence of charge fluctuations due to the substrate, that is, the influence of noise from the substrate cannot be avoided. It has been pointed out.

非特許文献1では、基板による電荷の変動の影響等を防止するために、島電極と基板とが接触しない構造の単電子トランジスタが提案されている。即ち、非特許文献1は、島電極と、当該島電極を挟む2つのトンネルバリア(接合)とを基板に接触しないように、基板に懸架したワイヤ上に形成した懸架型(即ち、サスペンション型)構造の単電子トランジスタを開示している。   Non-Patent Document 1 proposes a single-electron transistor having a structure in which an island electrode and a substrate are not in contact with each other in order to prevent the influence of fluctuation of electric charges due to the substrate. That is, Non-Patent Document 1 discloses a suspension type (that is, a suspension type) formed on a wire suspended on a substrate so that the island electrode and two tunnel barriers (junctions) sandwiching the island electrode are not in contact with the substrate. A single electron transistor of structure is disclosed.

ここで、非特許文献1に開示された方法をより具体的に説明する。非特許文献1では、窒化されたシリコンウェハ上に、互いに交叉する方向から蒸着を行う2重蒸着法と反応性イオンエッチングを行うことにより、懸架型単電子トランジスタを作成している。即ち、窒化されたシリコンウェハ上に、ポリメチルメタクリレート(PMMA)を含む2層のレジストを塗布し、上層のレジストをパターンニングすると共に、下層のレジスト選択的に除去し、パターニングされた上層のレジストは、下層のレジストによって部分的に支えられ、中空に持ち上げられた状態の懸架型マスクを形成している。   Here, the method disclosed in Non-Patent Document 1 will be described more specifically. In Non-Patent Document 1, a suspended single-electron transistor is formed on a nitrided silicon wafer by performing a double vapor deposition method in which vapor deposition is performed from directions crossing each other and reactive ion etching. That is, a two-layer resist containing polymethyl methacrylate (PMMA) is applied on a nitrided silicon wafer, and the upper resist is patterned, and the lower resist is selectively removed, and the patterned upper resist is removed. Is partially supported by the underlying resist to form a suspended mask that is lifted hollow.

懸架マスクを構成した後、互いに異なる方向から蒸着を行う通常の2重蒸着法によって、トンネル接合が形成される。即ち、基板に対して所定の角度方向から第1の金属膜を蒸着し、当該第1の金属膜を酸化することによって酸化膜バリアを形成する。次に、第1の金属層の蒸着方向と交叉する方向から、第2の金属層を蒸着し、第1及び第2の金属層の重複部に、2つのトンネル接合が形成されている。   After constructing the suspension mask, a tunnel junction is formed by an ordinary double vapor deposition method in which vapor deposition is performed from different directions. That is, a first metal film is deposited from a predetermined angle with respect to the substrate, and the oxide film barrier is formed by oxidizing the first metal film. Next, the second metal layer is vapor-deposited from the direction crossing the vapor deposition direction of the first metal layer, and two tunnel junctions are formed at the overlapping portion of the first and second metal layers.

次に、非特許文献1では、OおよびCFガス流を用いて、2つのトンネル接合及び島電極下部に位置する基板が2段階のRIEエッチング(即ち、異方性エッチング及び等方性エッチング)され、この結果、トンネル接合及び島電極を含む線状の領域が、基板上に懸架された状態、即ち、サスペンドされた状態で残されている。 Next, in Non-Patent Document 1, two tunnel junctions and a substrate located under an island electrode are subjected to two-step RIE etching (that is, anisotropic etching and isotropic etching) using O 2 and CF 4 gas flows. As a result, the linear region including the tunnel junction and the island electrode is left suspended on the substrate, that is, suspended.

この構成の単電子トランジスタはトンネル接合が基板に接触していないため、トンネル接合が基板の影響による電荷ノイズを防止できるものと期待されている。   In the single-electron transistor having this configuration, since the tunnel junction is not in contact with the substrate, the tunnel junction is expected to prevent charge noise due to the influence of the substrate.

特開2004−200579JP2004-200509A Applied Physics Letters 86,093101(2005)“Suspended single−electron transistors:Fabrication andmeasurement”(G.S.Paraoanu and A.M.Halvari)Applied Physics Letters 86,093101 (2005) “Suspended single-electron transducers: Fabrication and measurement” (GS Paraoanu and AM Halvari).

しかしながら、非特許文献1のように、CFを用いたRIEを行い、基板をエッチングして懸架型の単電子トランジスタ構造を実現した場合、トンネル接合、島電極がRIE中、CF等、活性の強いガスに晒されてしまう。この結果、非特許文献1の方法で作成された懸架型単電子トランジスタは所望の特性が得られないことが判明した。 However, as in Non-Patent Document 1 performs the RIE using CF 4, when realized single electron transistor structure of the suspension-type substrate is etched, the tunnel junction, the island electrode RIE, CF 4 or the like, the active Be exposed to strong gas. As a result, it has been found that the suspended single electron transistor produced by the method of Non-Patent Document 1 cannot obtain desired characteristics.

本発明の主な課題は、一般的な電荷センサー、或いは、量子ビットとしての単電子トランジスタ等、種々の単電子回路構造を有する量子素子に適用して、そのノイズを低減できる方法を提供することである。   A main object of the present invention is to provide a method that can be applied to a quantum device having various single-electron circuit structures, such as a general charge sensor or a single-electron transistor as a qubit, to reduce the noise. It is.

本発明の具体的な課題は、CFガスを用いたRIEにより、基板をエッチングする必要の無い単電子回路構成の量子素子(特に、懸架型素子)を製造する方法を提供することである。 A specific object of the present invention is to provide a method of manufacturing a quantum element (particularly, a suspended element) having a single-electron circuit configuration that does not require etching of a substrate by RIE using CF 4 gas.

本発明の他の課題は、優れた電荷分解能を備えた懸架型の量子素子を製造する方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a suspended quantum device having excellent charge resolution.

本発明の更に他の課題は、ノイズが少なく、この結果、電荷の測定精度の高い量子素子を製造する方法を提供することである。   Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a quantum device with low noise and, as a result, high charge measurement accuracy.

本発明の別の課題は、荷電量子ビットのコヒーレンスを長い時間維持できる単電子回路を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a single electronic circuit capable of maintaining the coherence of charged qubits for a long time.

本発明の第1の態様によれば、基板表面に、予め定められたレジストによって形成されたレジスト台部を選択的に形成する第1の工程と、前記レジスト台部上に素子領域を形成する第2の工程と、前記レジスト台部を活性ガスに晒すことなく、アッシングにより除去して、懸架型構造を形成し、懸架型量子素子を得る第3の工程とを有することを特徴とする量子素子の製造方法が得られる。   According to the first aspect of the present invention, the first step of selectively forming a resist stage formed of a predetermined resist on the substrate surface, and the element region is formed on the resist stage. A quantum process comprising: a second step; and a third step of removing the resist base portion by ashing without exposing to the active gas to form a suspended structure to obtain a suspended quantum device. An element manufacturing method is obtained.

本発明の第2の態様によれば、第1の態様において、前記第2の工程は、前記レジスト台部上に、懸架型マスクを設けるマスク形成工程と、前記懸架型マスクを使用して、前記素子領域を形成する素子形成工程とを含むことを特徴とする量子素子の製造方法が得られる。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the second step uses a mask forming step of providing a suspension mask on the resist stage, and the suspension mask. And a device forming process for forming the device region.

本発明の第3の態様によれば、第2の態様において、前記マスク形成工程は、前記レジスト台部上を含む領域に互いに異なる第1、第2、及び第3のレジスト層を順に形成する工程と、前記第3のレジスト層をマスクとして、第2のレジスト層にパターンを形成する工程と、前記第3のレジスト層を除去すると共に、前記第1のレジスト層を選択的に除去することにより、前記懸架型マスクを形成する工程とを有することを特徴とする量子素子の製造方法が得られる。   According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, in the mask formation step, first, second, and third resist layers different from each other are sequentially formed in a region including the top of the resist stage. Using the third resist layer as a mask, forming a pattern on the second resist layer, removing the third resist layer, and selectively removing the first resist layer Thus, there is obtained a method of manufacturing a quantum device comprising the step of forming the suspended mask.

本発明の第4の態様によれば、第3の態様において、前記第2の工程の素子形成工程は、前記第2のレジスト層によって形成された前記懸架型マスクを用いて、互いに異なる方向から金属を蒸着する工程及び前記蒸着された金属を酸化して、トンネル接合を形成する工程を含むことを特徴とする量子素子の製造方法が得られる。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the element forming step of the second step is performed from different directions using the suspension mask formed by the second resist layer. There is obtained a method of manufacturing a quantum device, comprising a step of depositing a metal and a step of oxidizing the deposited metal to form a tunnel junction.

本発明の第5の態様によれば、第4の態様において、前記量子素子は、単電子トランジスタ、単電子ポンプ、単電子箱、量子ビット、読出回路、及び、電荷センサーの少なくとも1つであることを特徴とする量子素子の製造方法が得られる。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the quantum element is at least one of a single electron transistor, a single electron pump, a single electron box, a qubit, a readout circuit, and a charge sensor. The manufacturing method of the quantum element characterized by this can be obtained.

本発明の第6の態様によれば、第1〜5の態様いずれかにおいて、前記第3の工程は、前記素子領域の下部に位置する前記レジスト台部の一部を残存させ、前記素子領域の支持部を構成するようにアッシングを行なう工程であることを特徴とする量子素子の製造方法が得られる。   According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the third step leaves a part of the resist base portion located below the element region, and the element region. A method for manufacturing a quantum device, characterized in that the ashing is performed so as to constitute the support portion of the quantum device, is obtained.

本発明の第7の態様によれば、第1〜6の態様のいずれかにおいて、前記レジスト台部を構成する前記レジストはカリックスアレーンであることを特徴とする量子素子の製造方法が得られる。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a quantum device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the resist constituting the resist base portion is calixarene.

本発明の第8の態様によれば、第3の態様において、前記第1のレジスト層は、リフトオフレジストであり、前記第2のレジスト層はGeであり、且つ、前記第3のレジスト層はPMMA(Polymethylmethacrylate)であることを特徴とする量子素子の製造方法が得られる。   According to an eighth aspect of the present invention, in the third aspect, the first resist layer is a lift-off resist, the second resist layer is Ge, and the third resist layer is A method for producing a quantum device characterized by being PMMA (Polymethylmethacrylate) is obtained.

本発明の第9の態様によれば、基板と、当該基板表面上に間隔をおいて配置され、予め定められたレジストによって形成された支持部と、当該支持部間に設けられた懸架型素子部と、前記懸架型素子部に電気的に接続され、前記基板上に引き出された金属配線とを有することを特徴とする量子素子が得られる。   According to the ninth aspect of the present invention, the substrate, the support portion disposed on the surface of the substrate at an interval and formed by a predetermined resist, and the suspended element provided between the support portions And a metal wiring that is electrically connected to the suspended element portion and drawn on the substrate.

本発明の第10の態様によれば、第9の態様において、前記懸架型素子部は、2つのトンネル接合と、前記2つのトンネル接合間に設けられた島電極とを有する単電子トランジスタを構成していることを特徴とする量子素子が得られる。   According to a tenth aspect of the present invention, in the ninth aspect, the suspended element portion constitutes a single-electron transistor having two tunnel junctions and an island electrode provided between the two tunnel junctions. Thus, a quantum device can be obtained.

本発明の第11の態様によれば、第10の態様において、前記懸架型素子部の下部に位置する前記基板表面は、エッチングされていないことを特徴とする量子素子が得られる。   According to an eleventh aspect of the present invention, in the tenth aspect, there is obtained a quantum device characterized in that the substrate surface located under the suspended element portion is not etched.

本発明の第12の態様によれば、第9〜11の態様のずれかにおいて、更に、前記金属配線と電気的に接続された他の導体層を有していることを特徴とする量子素子が得られる。   According to a twelfth aspect of the present invention, in any of the ninth to eleventh aspects, the quantum device further includes another conductor layer electrically connected to the metal wiring. Is obtained.

本発明の第13の態様によれば、第9〜12の態様のいずれかにおいて、前記支持部を構成する前記予め定められたレジストは、カリックスアレーンであることを特徴とする量子素子が得られる。   According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided the quantum device according to any one of the ninth to twelfth aspects, wherein the predetermined resist constituting the support portion is calixarene. .

本発明では、懸架型素子部の下部に位置する基板表面にレジスト層を残しておき、エッチングを行なうことなく、アッシングによりレジスト層を除去している。懸架型素子部は、エッチングガスの影響を受けることがないため、懸架型素子部を有する単電子トランジスタを構成した場合、その電荷分解能を向上させることができる。また、本発明により、量子ビットを構成した場合、そのノイズを低減し、デコヒーレンス時間の長い量子ビットができる。更に、単電子ポンプ等、その他の単電子素子を構成した場合、それらのノイズを低減することもできる。   In the present invention, the resist layer is left on the surface of the substrate located below the suspended element portion, and the resist layer is removed by ashing without performing etching. Since the suspended element portion is not affected by the etching gas, the charge resolution can be improved when a single electron transistor having the suspended element portion is configured. Further, according to the present invention, when a qubit is configured, noise can be reduced and a qubit with a long decoherence time can be obtained. Furthermore, when other single-electron elements such as a single-electron pump are configured, their noise can be reduced.

図1(a)〜(f)を参照して、本発明の一実施形態に係る量子素子として、単電子トランジスタを製造する場合について工程順に説明する。まず、図1(a)に示すように、シリコン基板10を用意する。図示されたシリコン基板10は、表面にシリコン酸化膜(SiO)、シリコン窒化膜等の絶縁膜(図示せず)を有しているものとして説明するが、本発明は、表面を酸化されていないシリコン基板にも適用できる。 With reference to FIGS. 1A to 1F, a case of manufacturing a single-electron transistor as a quantum device according to an embodiment of the present invention will be described in the order of steps. First, as shown in FIG. 1A, a silicon substrate 10 is prepared. Although the illustrated silicon substrate 10 is described as having an insulating film (not shown) such as a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film on the surface, the present invention is not oxidized on the surface. It can also be applied to non-silicon substrates.

図1(a)では、絶縁膜を有するシリコン基板10の表面に、金属導体層(ここでは、金層)12が選択的に形成されている。これら金属導体層12は単電子トランジスタと接続され、単電子トランジスタと共に、量子素子回路を構成する。   In FIG. 1A, a metal conductor layer (here, a gold layer) 12 is selectively formed on the surface of a silicon substrate 10 having an insulating film. These metal conductor layers 12 are connected to a single-electron transistor, and constitute a quantum device circuit together with the single-electron transistor.

次に、レジストの一種であるカリックスアレーン(calixarene)をシリコン基板10及び金属導体層12上にスピンコートにより被着した後、ベークする。カリックスアレーンのベーク後、電子ビーム露光を行い、続いて、カリックスアレーンを選択的に除去して、シリコン基板10の表面に、図1(b)に示すように、パターニングされたレジスト台部14を残す。レジスト台部14は図1(b)に示すように、金属導体層12間の基板10表面に配置されている。ここでは、レジスト台部14を形成する工程を第1の工程と呼ぶものとする。   Next, calixarene, which is a kind of resist, is deposited on the silicon substrate 10 and the metal conductor layer 12 by spin coating and then baked. After the calixarene is baked, electron beam exposure is performed. Subsequently, the calixarene is selectively removed, and a patterned resist base portion 14 is formed on the surface of the silicon substrate 10 as shown in FIG. leave. As shown in FIG. 1B, the resist base portion 14 is disposed on the surface of the substrate 10 between the metal conductor layers 12. Here, the step of forming the resist base 14 is referred to as a first step.

第1の工程後、図1(c)に示すように、第1、第2、及び、第3のレジスト膜20、22、及び24からなる3層のレジスト膜が、レジスト台部14、基板表面、金属導体層12表面上に形成される。図示された例では、第1、第2、及び第3のレジスト膜22として、LOR(lift off resist)、Ge、及び、ポリメチルメタクリレート(PMMA)がそれぞれ使用されている。   After the first step, as shown in FIG. 1C, the three-layer resist film made up of the first, second, and third resist films 20, 22, and 24 is formed into a resist base portion 14, a substrate, and a substrate. The surface is formed on the surface of the metal conductor layer 12. In the illustrated example, as the first, second, and third resist films 22, LOR (lift off resist), Ge, and polymethyl methacrylate (PMMA) are used, respectively.

図1(d)では、第3のレジスト膜、即ち、PMMAを通して、第2のレジスト膜22であるGe膜にパターンを形成すると共に、第1のレジスト膜20を選択的に除去する。これによって、第1のレジスト膜20によって支持され、第2のレジスト膜22によって規定されたパターンを備えた懸架マスク25がレジスト台部14に形成される。   In FIG. 1D, a pattern is formed on the Ge film as the second resist film 22 through the third resist film, that is, PMMA, and the first resist film 20 is selectively removed. As a result, a suspension mask 25 supported by the first resist film 20 and having a pattern defined by the second resist film 22 is formed on the resist base portion 14.

続いて、懸架マスク25が形成された状態で、懸架マスク25を通して、従来知られた2重蒸着法により、互いに異なる方向から金属(ここでは、アルミニウム)が蒸着されると共に、酸化され、図1(e)に示すように、金属層26がシリコン基板10、レジスト台部14、及び、導体層12上に形成される一方、トンネル接合30が形成される。この結果、レジスト台部14上には、2つのトンネル接合30と、当該トンネル接合30によって挟まれた島電極32とを有する単電子トランジスタが形成される。   Subsequently, in a state in which the suspension mask 25 is formed, metal (here, aluminum) is vapor-deposited from different directions through the suspension mask 25 by a conventionally known double vapor deposition method, and is oxidized to be oxidized. As shown in (e), the metal layer 26 is formed on the silicon substrate 10, the resist platform 14, and the conductor layer 12, while the tunnel junction 30 is formed. As a result, a single-electron transistor having two tunnel junctions 30 and an island electrode 32 sandwiched between the tunnel junctions 30 is formed on the resist platform 14.

図1(b)に示されたレジスト台部14の形成後、図1(c)から図1(e)までの工程を第2の工程と呼ぶものとする。即ち、第2の工程は、図1(c)に示すように、基板10上に3層のレジスト膜20、22、22を形成して、図1(e)に示された素子領域を形成する工程である。   After the formation of the resist stage 14 shown in FIG. 1B, the process from FIG. 1C to FIG. 1E is referred to as a second process. That is, in the second step, as shown in FIG. 1C, three layers of resist films 20, 22, and 22 are formed on the substrate 10 to form the element region shown in FIG. It is a process to do.

図1(f)に示すように、アッシングによりレジスト台部14が除去され、懸架型単電子トランジスタが得られる。レジスト台部14を除去する工程を第3の工程と呼ぶ。図示された例では、レジスト台部14が部分的に残され、脚部(即ち、支持部)14a、14bを構成しており、これら脚部14a、14bにより、単電子トランジスタの島電極32、トンネル接合30は支持された構成を有している。   As shown in FIG. 1F, the resist base 14 is removed by ashing to obtain a suspended single-electron transistor. The step of removing the resist base portion 14 is referred to as a third step. In the illustrated example, the resist base portion 14 is partially left to form leg portions (that is, support portions) 14a and 14b, and the leg portions 14a and 14b form island electrodes 32 of a single electron transistor, The tunnel junction 30 has a supported configuration.

以上説明したように、上記した方法では、CFによるRIEが行なわれていない。このため、単電子トランジスタの島電極32、トンネル接合30、カリックスアレーンによって形成されたレジスト台部14、及び、レジスト台部14下部のシリコン基板10はCFに晒されていない。 As described above, RIE by CF 4 is not performed in the above method. Therefore, the island electrode 32 of the single-electron transistor, the tunnel junction 30, the resist base portion 14 formed by the calixarene, and the silicon substrate 10 below the resist base portion 14 are not exposed to CF 4 .

このように、本発明では、CF等の活性なガスに、単電子トランジスタの島電極32、トンネル接合30は晒されないから、島電極32、トンネル接合30はCF4等による特性の変化を生じず、この結果、所望の特性を有する懸架型素子を得ることができる。また、図1(f)からも明らかな通り、本発明に係る懸架型素子である単電子トランジスタの素子部は、レジストによって支持されていること、及び、当該単電子トランジスタ下部のシリコン基板10がエッチングされていないことによって特徴付けることができる。 As described above, in the present invention, the island electrode 32 and the tunnel junction 30 of the single-electron transistor are not exposed to an active gas such as CF 4 , so that the characteristics of the island electrode 32 and the tunnel junction 30 do not change due to CF 4 or the like. As a result, a suspended element having desired characteristics can be obtained. Further, as is apparent from FIG. 1 (f), the element portion of the single-electron transistor, which is a suspended element according to the present invention, is supported by a resist, and the silicon substrate 10 below the single-electron transistor is It can be characterized by not being etched.

図2を参照すると、図1に示された懸架型単電子トランジスタの斜視図が示されている。図示されているように、本発明の実施形態に係る単電子トランジスタは、シリコン基板10上に懸架されたワイヤ状構造を備え、懸架された部分に、2つのトンネル接合30、両トンネル接合30によって挟まれた島電極32を有している。また、島電極32はトンネル接合30を介してソース34及びドレイン36と結合されている。更に、懸架された部分は図1(f)と同様に、選択的に残されたレジストによって構成される脚部14a、14bによって支持されている。   Referring to FIG. 2, a perspective view of the suspended single electron transistor shown in FIG. 1 is shown. As shown in the drawing, the single electron transistor according to the embodiment of the present invention includes a wire-like structure suspended on the silicon substrate 10, and the suspended portion includes two tunnel junctions 30 and both tunnel junctions 30. It has an sandwiched island electrode 32. The island electrode 32 is coupled to the source 34 and the drain 36 through the tunnel junction 30. Further, the suspended portion is supported by leg portions 14a and 14b made of resist that is selectively left in the same manner as in FIG. 1 (f).

島電極32は容量的にゲート38と結合されており、ゲート38に与えられるゲート電圧によって、島電極32の静電ポテンシャルを制御し、トンネル接合30を介して、量子ビットの状態遷移を制御できる。図示されたゲート38は、下部に残されたカリックスアレーンによって構成された支持部14cによって支持されている。   The island electrode 32 is capacitively coupled to the gate 38, and the electrostatic potential of the island electrode 32 can be controlled by the gate voltage applied to the gate 38, and the state transition of the qubit can be controlled via the tunnel junction 30. . The illustrated gate 38 is supported by a support portion 14c made of calixarene left at the bottom.

このように、本発明の実施形態に係る懸架型単電子トランジスタは、その島電極32及びトンネル接合30を活性の強いCF等のガスに晒すことなく、懸架型量子素子構造を実現できる。したがって、図示された単電子トランジスタは優れた電荷分解能を示すと共に、チャージポンプを構成した場合、電荷の検出精度を向上させることができる。更に、量子ビットのコヒーレンスを長時間に亘って維持できることも確認された。 As described above, the suspended single-electron transistor according to the embodiment of the present invention can realize a suspended quantum device structure without exposing the island electrode 32 and the tunnel junction 30 to an active gas such as CF 4 . Therefore, the single-electron transistor shown in the figure exhibits excellent charge resolution, and when a charge pump is configured, the charge detection accuracy can be improved. Furthermore, it was confirmed that the coherence of the qubit can be maintained for a long time.

上に述べた実施形態では、基板10上に選択的に残され、且つ、アッシングにより除去できるレジストとして、カリックスアレーンを用いた例を説明した。しかし、本発明は何等これに限定されることなく、原理的には、ネガティブレジストであるNEB31(商品名)によって置き換えることができる。NEB31は、カリックスアレーンに比較して、1/10の露光ドーズ量ですむため、露光時間を1/10にすることができる。   In the embodiment described above, an example in which calixarene is used as a resist that is selectively left on the substrate 10 and can be removed by ashing has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be replaced by NEB31 (trade name) which is a negative resist in principle. Since NEB31 requires an exposure dose of 1/10 compared to calixarene, the exposure time can be reduced to 1/10.

図3を参照すると、本発明の第2の実施形態に係る量子素子は、懸架型クーパー対箱40を備えている。具体的に説明すると、図示された量子素子は、カリックスアレーン等のレジストによって形成された脚部14a、14b、当該脚部14a及び14bによって支持された部分に設けられた懸架型クーパー対箱40を有している。更に、懸架型クーパー対箱40と、当該懸架型クーパー対箱40と反対側から延在し、脚部14aによって支持された対向電極34との間には、ジョセフソン接合30aが形成されている。したがって、図示された量子素子は、懸架型クーパー対箱40と、ジョセフソン接合30aによって、懸架型素子部が形成されている。   Referring to FIG. 3, the quantum device according to the second embodiment of the present invention includes a suspended Cooper pair box 40. More specifically, the illustrated quantum device includes leg portions 14a and 14b formed of a resist such as calixarene, and a suspended Cooper pair box 40 provided in a portion supported by the leg portions 14a and 14b. Have. Further, a Josephson junction 30a is formed between the suspension-type Cooper pair box 40 and the counter electrode 34 that extends from the opposite side of the suspension-type Cooper pair box 40 and is supported by the legs 14a. . Accordingly, in the illustrated quantum device, a suspended element portion is formed by the suspended Cooper pair box 40 and the Josephson junction 30a.

また、図示されたクーパー対箱40には、レジストによって形成された支持部14cによって支持されたパルスゲート38aが容量的に結合されており、更に、対向電極34には、レジストによって形成された支持部14dによって支持された直流ゲート38bが容量的に結合されている。尚、対向電極34には、プローブ(図示せず)が結合される場合もある。   Further, the illustrated Cooper pair box 40 is capacitively coupled with a pulse gate 38a supported by a support portion 14c formed of resist, and the counter electrode 34 is further supported by a resist. The DC gate 38b supported by the portion 14d is capacitively coupled. Note that a probe (not shown) may be coupled to the counter electrode 34.

図示された懸架型素子部を備えた量子素子も、図1を参照して説明した方法によって製造することができ、クーパー対箱40及びジョセフソン接合30aは、CF等に晒されないため、測定精度の高いクーパー対箱を構成できる。 The quantum device having the illustrated suspended element portion can also be manufactured by the method described with reference to FIG. 1, and the Cooper pair box 40 and the Josephson junction 30a are not exposed to CF 4 or the like. A highly accurate Cooper pair box can be constructed.

本発明は、単電子トランジスタに限られることなく、単電子ポンプ、単電子箱、その他の単電子回路に応用できると共に、単電子箱によって構成される超伝導量子ビットにも適用できる。   The present invention is not limited to a single-electron transistor, but can be applied to a single-electron pump, a single-electron box, and other single-electron circuits, and can also be applied to a superconducting qubit composed of a single-electron box.

(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、及び(f)は、本発明に係る懸架型素子の製造方法を工程順に示す断面図である。(A), (b), (c), (d), (e), and (f) are sectional views showing a method of manufacturing a suspended element according to the present invention in the order of steps. 本発明に係る実施形態に係る懸架型量子素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the suspension type quantum element which concerns on embodiment which concerns on this invention. 本発明の他の実施形態に係る量子素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the quantum element which concerns on other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 基板
12 金属導体層
14 レジスト台部
14a、14b、14c、14d 脚部(支持部)
20 第1のレジスト膜
22 第2のレジスト幕
24 第3のレジスト膜
30 トンネル接合
34 ソース、対向電極
36 ドレイン
38、38a、38b ゲート
30a ジョセフソン接合
40 クーパー対箱
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Board | substrate 12 Metal conductor layer 14 Resist base part 14a, 14b, 14c, 14d Leg part (support part)
20 First resist film 22 Second resist screen 24 Third resist film 30 Tunnel junction 34 Source, counter electrode 36 Drains 38, 38a, 38b Gate 30a Josephson junction 40 Cooper pair box

Claims (13)

基板表面に、予め定められたレジストによって形成されたレジスト台部を選択的に形成する第1の工程と、前記レジスト台部上に素子領域を形成する第2の工程と、前記レジスト台部を活性ガスに晒すことなく、アッシングにより除去して、懸架型構造を形成し、懸架型量子素子を得る第3の工程とを有することを特徴とする量子素子の製造方法。   A first step of selectively forming a resist platform formed of a predetermined resist on the substrate surface; a second step of forming an element region on the resist platform; and the resist platform A method for producing a quantum device comprising: a third step of forming a suspended structure by removing by ashing without exposing to an active gas to obtain a suspended quantum device. 請求項1において、前記第2の工程は、前記レジスト台部上に、懸架型マスクを設けるマスク形成工程と、前記懸架型マスクを使用して、前記素子領域を形成する素子形成工程とを含むことを特徴とする量子素子の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein the second step includes a mask forming step of providing a suspended mask on the resist base portion, and an element forming step of forming the element region using the suspended mask. A manufacturing method of a quantum device characterized by the above. 請求項2において、前記マスク形成工程は、前記レジスト台部上を含む領域に互いに異なる第1、第2、及び第3のレジスト層を順に形成する工程と、前記第3のレジスト層をマスクとして、第2のレジスト層にパターンを形成する工程と、前記第3のレジスト層を除去すると共に、前記第1のレジスト層を選択的に除去することにより、前記懸架型マスクを形成する工程とを有することを特徴とする量子素子の製造方法。   3. The mask forming step according to claim 2, wherein the first resist layer, the second resist layer, and the third resist layer are sequentially formed in a region including the top of the resist base, and the third resist layer is used as a mask. A step of forming a pattern on the second resist layer, and a step of forming the suspended mask by removing the third resist layer and selectively removing the first resist layer. A method for producing a quantum device, comprising: 請求項3において、前記第2の工程の素子形成工程は、前記第2のレジスト層によって形成された前記懸架型マスクを用いて、互いに異なる方向から金属を蒸着する工程及び前記蒸着された金属を酸化して、トンネル接合を形成する工程を含むことを特徴とする量子素子の製造方法。   4. The element forming step of the second step includes the steps of depositing metal from different directions and using the suspended mask formed of the second resist layer and the deposited metal. A method of manufacturing a quantum device comprising a step of oxidizing to form a tunnel junction. 請求項4において、前記量子素子は、単電子トランジスタ、単電子ポンプ、単電子箱、量子ビット、読出回路、及び、電荷センサーの少なくとも1つであることを特徴とする量子素子の製造方法。   5. The method of manufacturing a quantum device according to claim 4, wherein the quantum device is at least one of a single electron transistor, a single electron pump, a single electron box, a qubit, a readout circuit, and a charge sensor. 請求項1〜5のいずれかにおいて、前記第3の工程は、前記素子領域の下部に位置する前記レジスト台部の一部を残存させ、前記素子領域の支持部を構成するようにアッシングを行なう工程であることを特徴とする量子素子の製造方法。   6. The method according to claim 1, wherein in the third step, ashing is performed so that a part of the resist base portion located below the element region is left to constitute a support portion of the element region. A method of manufacturing a quantum device, which is a process. 請求項1〜6のいずれかにおいて、前記レジスト台部を構成する前記レジストはカリックスアレーンであることを特徴とする量子素子の製造方法。   The method of manufacturing a quantum device according to claim 1, wherein the resist constituting the resist base portion is calixarene. 請求項3において、前記第1のレジスト層は、リフトオフレジストであり、前記第2のレジスト層はGeであり、且つ、前記第3のレジスト層はPMMA(Polymethylmethacrylate)であることを特徴とする量子素子の製造方法。   4. The quantum according to claim 3, wherein the first resist layer is a lift-off resist, the second resist layer is Ge, and the third resist layer is PMMA (Polymethylmethacrylate). Device manufacturing method. 基板と、当該基板表面上に間隔をおいて配置され、予め定められたレジストによって形成された支持部と、当該支持部間に設けられた懸架型素子部と、前記懸架型素子部に電気的に接続され、前記基板上に引き出された金属配線とを有することを特徴とする量子素子。   A substrate, a support portion disposed on the surface of the substrate at an interval and formed by a predetermined resist, a suspension element portion provided between the support portions, and an electrical connection to the suspension element portion And a metal wiring connected to the substrate and drawn out on the substrate. 請求項9において、前記懸架型素子部は、2つのトンネル接合と、前記2つのトンネル接合間に設けられた島電極とを有する単電子構造を有することを特徴とする量子素子。   10. The quantum device according to claim 9, wherein the suspended element unit has a single electron structure having two tunnel junctions and an island electrode provided between the two tunnel junctions. 請求項10において、前記懸架型素子部の下部に位置する前記基板表面は、エッチングされていないことを特徴とする量子素子。   The quantum device according to claim 10, wherein the substrate surface located under the suspended element portion is not etched. 請求項9〜11のいずれかにおいて、更に、前記金属配線と電気的に接続された他の導体層を有していることを特徴とする量子素子。   12. The quantum element according to claim 9, further comprising another conductor layer electrically connected to the metal wiring. 請求項9〜12のいずれかにおいて、前記支持部を構成する前記予め定められたレジストは、カリックスアレーンであることを特徴とする量子素子。   The quantum device according to claim 9, wherein the predetermined resist constituting the support portion is calixarene.
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JP5674220B2 (en) * 2012-02-28 2015-02-25 独立行政法人科学技術振興機構 Nanodevice and manufacturing method thereof

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