JP6785219B2 - 低磁気雑音の超伝導配線層を形成する方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本システムおよび方法は、ジョセフソン接合および複数の配線層を含む超伝導集積回路の製造に関する。
ジョセフソン接合は、超伝導集積回路における一般的な素子である。物理的に、ジョセフソン接合は、これが無ければ連続する超伝導電流路における小さい遮蔽部であり、典型的に2個の超伝導電極の間に挟まれた細い絶縁障壁により実現される。超伝導集積回路において、ジョセフソン接合は典型的に、薄い絶縁層が重ね合わされ、次いで超伝導対電極が重ね合わされた超伝導ベース電極を含むスタックとして製造される。従って、ジョセフソン接合は通常、3層構造として形成される。3層構造は、ウェハー全体にわたり完全に堆積され(すなわち、金属配線および誘電体層の堆積と同様に)、次いで個々のジョセフソン接合を画定すべくパターニングされていてよい。
従来、超伝導集積回路の製品は最先端の半導体製造施設では実行されていなかった。その理由は、超伝導集積回路で用いる材料のいくつかが半導体設備を汚染する恐れがあるという事実による。例えば、超伝導回路の抵抗として金を用いてもよいが、金は半導体設備において相補型金属酸化物半導体(CMOS)の製造に用いる製造ツールを汚染する恐れがある。その結果、金を含む超伝導集積回路は典型的に、CMOSウェハーをも処理するツールでは処理されない。
エッチングは、フォトレジストその他のマスキング技術により画定された所望のパターンに従い、例えば基板、誘電体層、酸化物層、電気絶縁層および/または金属層を除去する。二つの例示的なエッチング技術として湿式化学エッチングおよび乾式化学エッチングがある。
化学的機械的平坦化(CMP)を用いることでほぼ平坦な表面を形成することができる。CMPは、半導体産業における標準的な処理である。CMPプロセスは、研磨性および腐食性の化学スラリーを、典型的にはウェハーよりも幅が広い研磨パッドおよび止め輪と合わせて用いる。パッドおよびウェハーは、動的研磨ヘッドにより互いに押し付けられてプラスチック止め輪により所定位置に保たれる。動的研磨ヘッドは、異なる(すなわち非同心円の)回転軸により回転される。これにより材料が除去され、無秩序な凹凸があれば均等にされるため、ウェハーは平坦または平面になる。材料除去の処理は、木材をサンドペーパーで磨くような単純な研磨摩擦ではない。スラリー内の化学材料はまた、特定の材料を優先的に除去しながら他の材料は比較的無傷なまま残すように、除去したい材料と化学反応する、および/または当該材料を弱化させる。研磨剤はこの弱化処理を加速させ、研磨パッドは反応した材料を表面から拭い去るのを助ける。ウェハーの凹凸を平坦化すべく、高性能のスラリーを用いて比較的低いウェハーの領域に比べて比較的高い、または突出しているウェハーの領域を優先的に除去することができる。
プラズマ酸化は、金属の上に酸化物コーティングを生成する電気化学的表面処理である。電磁気発生源を用いて、酸素ガスを金属目標に向けた酸素プラズマに変換することができる。結果的に生じた酸素プラズマが金属の表面に適用されたならば、酸化物コーティングが金属の表面上で成長する。コーティングは、金属が自身の酸化物に化学的に変換するものであり、金属の表面から内側および外側の両方向に成長する。酸化物コーティングは非導電性であるため、プラズマ酸化を用いて金属の表面を不動態化させることができる。
窒化処理を用いて窒素を金属の表面で拡散させることができる。窒化処理の例として、ガス窒化、塩浴窒化、およびプラズマ窒化が含まれる。アンモニア(NH3)ガス等の富窒素ガスをガス窒化処理に用いることができる。例えば、アンモニアガスが加熱された金属と接触したならば水素および窒素に分離し、金属の表面上で拡散して窒化層を形成する。塩により金属の表面に窒素および炭素を付着させる塩浴窒化処理に窒素含有塩(例えば、シアン化塩)を用いることができる。塩浴窒化処理典型的に、約550〜590℃の温度範囲で実行される。プラズマ窒化処理は、強い電場を発生させて金属の表面の周辺に窒素(例えば、純粋窒素ガス)を含むガスの分子をイオン化させて金属の表面上に窒化層を形成する。プラズマ窒化処理は真空チャンバ内で低圧で実行することができる。
陽極酸化処理は、金属の表面上での酸化物層の厚さを増すために利用できる電解不動態化処理である。そのような処理は、処理対象の金属が電解溶液を含む電気回路の陽極電極(すなわち陽極)を形成するため、陽極酸化処理と呼ばれる。電源から、電解溶液および電気回路の陽極として機能する金属を含む電気回路を流れる電流(例えば直流)を送る。電流は、陰極(すなわち陰電極)で水素を放出し、金属の上に金属酸化物の層を形成する金属(すなわち陽電極)の表面で酸素を放出する。酸化物層の厚さは、電圧の大きさおよび電圧が電気回路に印加される時間に依存する。
フォトリソグラフィは、光リソグラフィまたはUVフォトリソグラフィとも呼ばれ、薄膜の一部または基板の大部分をパターニングすべく微細加工で用いられる処理である。フォトリソグラフィは光を用いて、フォトマスクから基板上の感光性化学フォトレジストに幾何学的パターンを転写する。次いで一連の化学的処理により、フォトレジスト下側の材料の上に、露光パターンを刻印するか、または新材料を所望のパターンで堆積可能にする。例えば、複雑な集積回路において、最新のCMOSウェハーにフォトリソグラフィサイクルが最大50回まで施される。
ジョセフソン接合を製造する方法は、ある範囲の臨界温度で超伝導性を示す材料を含む内側超伝導層を堆積させるステップと、内側超伝導層の少なくとも一部を覆う酸化物層を形成するステップと、酸化物層の少なくとも一部を覆うべくある範囲の臨界温度で超伝導性を示す材料を含む外側超伝導層を堆積させるステップと、外側超伝導層から少なくとも1個の構造を形成すべく外側超伝導層の一部を除去するステップと、外側超伝導層の一部を覆うべく第1の絶縁層を堆積させるステップと、第1の絶縁層を貫通する第1の孔を画定すべく第1の絶縁層の一部を除去するステップと、第1の絶縁層の一部および第1の孔の一部の内部を覆うべくある範囲の臨界温度で超伝導性を示す材料を含む第1の超伝導配線層を堆積させるステップと、第1の超伝導配線層の一部を除去するステップと、第1の超伝導配線層の一部を覆うべく第2の絶縁層を堆積させるステップと、第2の絶縁層の一部を覆うべく最上超伝導配線層を堆積させるステップと、最上超伝導配線層の一部を除去するステップと、最上超伝導配線層の一部を覆うべく不動態化層を堆積させるステップとを含むものとして要約できる。最上超伝導配線層の一部の上に不動態化層を堆積させるステップは、最上超伝導層の当該一部の上に絶縁層を堆積させるステップを含んでいてよい。最上超伝導配線層の当該一部の上に絶縁層を堆積させるステップは、最上超伝導層の当該一部の上に酸化物を堆積させるステップを含んでいてよい。最上超伝導配線層の一部を覆うべく不動態化層を堆積させるステップは、最上超伝導層の当該一部の上に超伝導金属を堆積させるステップを含んでいてよい。最上超伝導層の当該一部の上に超伝導金属を堆積させるステップは、最上超伝導層の当該一部の上にアルミニウムを堆積させるステップを含んでいてよい。
各図面において、同一参照番号により類似の要素または動作を識別する。図面内の要素の寸法および相対位置は必ずしも一定縮尺で描かれている訳ではない。例えば、各種の要素の形状および角度は一定の縮尺で描かれておらず、これらの要素のいくつかは図を見易くするために適宜拡大および配置されている。更に、描かれた要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関して何ら情報を伝達するものではなく、単に図面を分かり易くするために選択されたものに過ぎない。
以下の説明において、開示する各種の実施形態が完全に理解されるよう、特定の具体的な詳細事項を列挙する。しかし、当業者には、これらの具体的な詳細事項の1個以上が無くても、または他の方法、構成要素、材料等により実施形態を実現できることが理解されよう。他の例において、実施形態の説明を無用に分かり難くしないよう、超伝導回路または構造、量子コンピュータ回路または構造および/または製造ツールおよび処理に関連付けられた公知の構造の詳細は図示または記述していない。
量子デバイスは、量子機械効果が観測可能な構造である。量子デバイスは、電流搬送が量子機械効果に支配される回路を含んでいる。そのような装置は電子スピンがリソースおよび超伝導回路として用いられるスピントロニクスを含んでいる。スピンおよび超伝導は共に量子機械現象である。量子デバイスは、計算機械等における測定計器に用いることができる。
量子計算および量子情報処理は、活発な研究領域であって、販売可能な製品のクラスを定義する。量子コンピュータは、重ね合せ、トンネリング、およびエンタングルメント等の量子機械現象を直接利用してデータに対する操作を実行するシステムである。量子コンピュータの素子は、二進数(ビット)ではなくて、典型的には量子二進数すなわちキュービットである。量子コンピュータは、量子物理学のシミュレーションのような特定のクラスの計算問題を指数的に高速化させる可能性を保っている。他のクラスの問題に対しても有用な高速化が存在し得る。
断熱量子計算は典型的に、公知の初期ハミルトニアン(ハミルトニアンは自身の固有値が系の取り得るエネルギーである演算子)から、ハミルトニアンを徐々に変化させることにより最終ハミルトニアンまで系を発展させるステップを含んでいる。断熱発展の簡単な例は、初期ハミルトニアンと最終ハミルトニアンの間の線形補間である。一例を次式で与える。
He=(1−s)Hi+sHf (1)
ここに、Hiは初期ハミルトニアン、Hfは最終ハミルトニアン、Heは発展または瞬間的ハミルトニアンであり、sは発展速度を制御する発展係数である。系が発展するにつれて、開始時点(すなわちs=0)で発展ハミルトニアンHeが初期ハミルトニアンHiに等しく、且つ終了時点(すなわちs=1)で発展ハミルトニアンHeが最終ハミルトニアンHfに等しくなるように発展係数sは0から1まで動く。発展の開始前に系は典型的に初期ハミルトニアンHiの基底状態に初期化され、その目標は、発展の終了時点で系が最終ハミルトニアンHfの基底状態で終わるように系を発展させることである。発展が速すぎる場合、系を第1の励起状態等、より高いエネルギー状態に励起させることができる。当該系および素子において「断熱」的発展とは次式の断熱状態を満たす発展である。
ここに、
はsの時間微分、g(s)はsの関数としての系の基底状態と第1の励起状態とのエネルギーの差異(本明細書では「ギャップサイズ」とも称する)、およびδは1よりもはるかに小さい係数である。一般に、初期ハミルトニアンHiと最終ハミルトニアンHfは非可換である。すなわち、[Hi,Hf]≠0である。
量子アニーリングは、低エネルギー状態、典型的且つ好適には系の基底状態を見つけるために利用可能な計算方法である。古典的アニーリングと概念的には同様に、本方法は、自然な系がより低いエネルギー状態に向かう傾向がある(より低いエネルギー状態がより安定しているため)という原理に依存する。しかし、古典的アニーリングが系を低エネルギー状態および理想的には大域的な最低エネルギー状態へ導くために古典的熱変動を用いるのに対し、量子アニーリングは量子トンネル効果等の量子効果(例えば)を用いて古典的アニーリングよりも正確および/または高速に大域的最低エネルギー状態に達することができる。量子アニーリングにおいて、アニーリングを助長するため熱効果その他の雑音が存在してもよい。しかし、最終の低エネルギー状態は、大域的最低エネルギー状態であるとは限らない。断熱量子計算は、従って、系が理想的には基底状態から出発して断熱発展全体を通じて基底状態のままである量子アニーリングの特別なケースと考えることができる。従って、当業者には、量子アニーリングシステムおよび方法を断熱量子計算に一般的に適用できることが理解されよう。本明細書および添付の請求項の全体を通じて、文脈上別途必要とされない限り、量子アニーリングへの言及は全て断熱量子計算を含むものとする。
HE∝A(t)HD+B(t)HP (3)
ここに、A(t)およびB(t)が時間依存エンベロープ関数である。ハミルトニアンHEは、上の断熱量子計算の文脈で記述したHeと同様の発展ハミルトニアンと考えられる。無秩序性はHDを除去する(すなわち、A(t)を減らす)ことにより除去することができる。無秩序性を追加してから除去してもよい。従って、量子アニーリングは、系が初期ハミルトニアンから出発して発展ハミルトニアンを通過して発展し、問題の解を符号化した基底状態を有する最終「問題」ハミルトニアンHPに達する点で断熱量子計算と類似している。発展が充分に遅い場合、系は典型的に、大域的最低状態(すなわち厳密解)、または厳密解に近い局所最低エネルギー状態に収束する。計算のパフォーマンスは、残留エネルギー(目的関数を用いる厳密解と差異)対発展時間を用いて評価することができる。計算時間は、許容できるいくつかの閾値を下回る残留エネルギーの発生に要する時間である。量子アニーリングにおいて、HPは最適化問題を符号化することができるが、系が必ずしも常に基底状態に留まっている訳ではない。HPのエネルギー状態は、解決すべき問題の解が大域的最低状態であり、且つ局所最低状態が低い値に保たれることが良い近似であるように設定されていてよい。
超伝導材料の回路に基づく種類の固体キュービットが存在する。超伝導材料は、臨界温度、臨界電流、または磁場の強さを下回るか、またはある材料の場合には特定の圧力を上回る等の特定の条件下で電気抵抗無しに導電性を示す。超伝導キュービットが動作する元になる2種類の超伝導効果、すなわち磁束量子化およびジョセフソントンネル効果が存在する。
量子プロセッサは、超伝導量子プロセッサの形式をとる場合がある。超伝導量子プロセッサは、多数のキュービットおよび付随する局所バイアス素子、例えば2個以上の超伝導キュービットを含んでいてよい。超伝導量子プロセッサはまた、キュービット間に通信可能結合を提供する結合素子(すなわち「カプラ」)を用いることができる。キュービットとカプラは互いに似ているが、物理的なパラメータが異なる。違いの一つはパラメータβである。rf−SQUID、すなわちジョセフソン接合により遮蔽された超伝導ループを考えるならば、βはループの幾何学的インダクタンスに対するジョセフソン接合のインダクタンスの比である。βをより低い値、すなわち約1とした設計では、単純な誘導ループ、すなわち単安定素子により似た挙動をする。より高い値とした設計はジョセフソン接合により支配され、従って双安定挙動をする可能がより高い。パラメータβは2πLIC/Φ0と定義される。すなわち、βはインダクタンスと臨界電流の積に比例する。インダクタンスを変化させることができ、例えば、1個のキュービットは通常、付随するカプラよりも大きい。素子が大きいほどインダクタンスが大きくなり、従ってキュービットは往々にして双安定素子であってカプラは単安定である。代替的に、臨界電流を変化させるか、または、臨界電流とインダクタンスの積を変化させることができる。1個のキュービットにより多くの素子が関連付けられる場合が多い。本システムおよび素子と合わせて使用可能な例示的量子プロセッサの更なる詳細事項および実施形態は、例えば米国特許第7,533,068号、同第8,008,942号、同第8,195,596号、同第8,190,548号、同第8,421,053号に記述されている。
本システムおよび素子のいくつかの実施形態によれば、量子プロセッサは、断熱量子計算および/または量子アニーリングを実行すべく設計されていてもよい。発展ハミルトニアンは、着目ハミルトニアンに比例する第1項と、無秩序ハミルトニアンに比例する第2項の合計に比例する。上述のように、典型的な発展は式(4)で表される。
HE∝A(t)HD+B(t)HP (4)
ここに、HPは着目ハミルトニアン、無秩序ハミルトニアンがHD、HEは発展または瞬間ハミルトニアンであり、A(t)およびB(t)は発展速度を制御する発展係数の例である。一般に、発展係数は0〜1の範囲で変化する。いくつかの実施形態において、時間変化エンベロープ関数が着目ハミルトニアンに配置される。一般的な無秩序ハミルトニアンを式(5)に示す。
ここに、Nはキュービットの個数を表し、
はi番目のキュービットのパウリx行列、Δiはi番目のキュービットに誘発された単一キュービットトンネル分裂である。ここに、
項は「非対角」項の例である。一般的な着目ハミルトニアンは、対角の単一キュービット項に比例する第1成分、および対角の多キュービット項に比例する第2成分を含んでいる。着目ハミルトニアンは、例えば次の形式であってよい。
ここに、Nはキュービットの個数を表し、
はi番目のキュービットのパウリz行列、hiおよびJi,jはキュービットの無次元局所場およびキュービット間結合であり、εはHPの何らかの特徴エネルギースケールである。ここに、
項は「対角」項の例である。前者は、単一キュービット項であり、後者は2キュービット項である。本明細書全体を通じて、「着目ハミルトニアン」および「最終ハミルトニアン」という用語は交換可能として用いている。式(5)および(6)におけるHDおよびHP等のハミルトニアンは各々、種々な異なる仕方で物理的に実現することができる。特定の例が、超伝導キュービットの実装により実現される。
上述の製造方法は、桃色雑音のレベルがより低い有用な集積回路を生成する。着目ハミルトニアンはプロセッサを理想化したものであり、意図しないクロストーク、rf−SQUIDに基づくキュービットの非理想性、rf−SQUIDに基づくカプラの非理想性、および磁束バイアス(hi)とカップリング(Jij)値を設定する際の不正確性により変更される。そのような値は、そのような集積回路を量子プロセッサ、測定装置等の一部として用いる際に重要である。
ハミルトニアンの項における誤差があれば、異なる問題を解決することにつながる。キュービットに対する磁気雑音は、量子プロセッサのアニーリングを正しく行うのを妨げる。単一キュービット項を考慮する。局所バイアスと磁気雑音との接続は次式で表すことができる。
δhi=2|IP|δφq (7)
ここに、IPはキュービットループ内の永久電流、Φqは外部磁束バイアスである。従って、外部磁束の変化は、キュービットhiのバイアス値の変化に正比例する。磁束バイアスΦqが消失するにつれてキュービット状態間で急激に遷移することは、キュービットが自身の縮退点(Φq=0)で磁束雑音に極めて敏感であることを意味する。ここに、キュービット状態は、|0>および|1>、または各々|↓>および|↑>と表記される。同様の磁気雑音が着目ハミルトニアン内の2個のキュービット項の仕様に影響を及ぼし得る。
ここに、
は動的エネルギーが消滅してキュービットが局所化する点におけるキュービットの永久電流、
はキュービット状態の縮退点、
はキュービットに適用される磁束である。
ここに、Aは雑音の振幅、αは線形ログプロットで桃色雑音にフィッティングされた線の「傾き」、wnは背景白色雑音である。背景白色雑音は、サンプリング時間および素子温度に依存し得る統計的測定下限である。典型的な雑音レベルには以下を含んでいてよい。
単位
は本明細書で標準雑音単位(SNU)として定義する。しかし、例えば最上超伝導配線層の上に不動態化層を含めない従来の処理から作られたチップの雑音レベルはより高い。
いくつかの実装例において、超伝導回路の製造に関連する本システムおよび方法に関して上で述べた誘電体層、絶縁層、および不動態化層のいずれかがハイブリッド誘電システムを用いて形成される。いくつかの実装例において、金属特徴を包む、または塞ぐ金属パターニングの後で、例えば窒化シリコン等のよりも高品質の誘電体膜を堆積させる。例えば二酸化シリコン等のより従来型(低品質)の誘電体膜が少なくとも1個の金属特徴の上に堆積され、続いて化学機械研磨(CMP)により所望の厚さにされる。ハイブリッド誘電材料を用いることで、金属特徴を包む高品質誘電体および従来の誘電体の両方で平坦化にCMPを使用できるようになる。いくつかの実装例において、より高品質の誘電体を用いて超伝導金属特徴の側面を保護することができる。
Claims (10)
- ジョセフソン接合を製造する方法であって、
ある範囲の臨界温度で超伝導性を示す材料を含む内側超伝導層を堆積させるステップと、
前記内側超伝導層の少なくとも一部を覆う酸化物層を形成するステップと、
前記酸化物層の少なくとも一部を覆うべくある範囲の臨界温度で超伝導性を示す材料を含む外側超伝導層を堆積させるステップと、
前記外側超伝導層から少なくとも1個の構造を形成すべく前記外側超伝導層の一部を除去するステップと、
前記外側超伝導層の一部を覆うべく第1の絶縁層を堆積させるステップと、
前記第1の絶縁層を貫通する第1の孔を画定すべく前記第1の絶縁層の一部を除去するステップと、
前記第1の絶縁層の一部および前記第1の孔の一部の内部を覆うべくある範囲の臨界温度で超伝導性を示す材料を含む第1の超伝導配線層を堆積させるステップと、
前記第1の超伝導配線層の一部を除去するステップと、
前記第1の超伝導配線層の一部を覆うべく第2の絶縁層を堆積させるステップと、
前記第2の絶縁層の一部を覆うべく最上超伝導配線層を堆積させるステップと、
前記最上超伝導配線層の一部を除去するステップと、
前記最上超伝導配線層の一部を除去するステップの後に、前記最上超伝導配線層の一部を覆うべく不動態化層を堆積させるステップとを含み、前記最上超伝導配線層の一部を覆うべく不動態化層を堆積させるステップが、前記最上超伝導配線層の前記一部の上に超伝導金属を堆積させるステップを含んでいる、方法。 - 前記最上超伝導配線層の一部の上に不動態化層を堆積させるステップが、前記最上超伝導配線層の前記一部の上に絶縁層を堆積させるステップを含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記最上超伝導配線層の前記一部の上に絶縁層を堆積させるステップが、前記最上超伝導配線層の前記一部の上に酸化物を堆積させるステップを含んでいる、請求項2に記載の方法。
- 前記最上超伝導配線層の前記一部の上に超伝導金属を堆積させるステップが、前記最上超伝導配線層の前記一部の上にアルミニウムを堆積させるステップを含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記外側超伝導層の一部を覆うべく第1の絶縁層を堆積させるステップが、
前記外側超伝導層の一部を覆うべく第1の誘電体を堆積させるステップと、
前記第1の誘電体の少なくとも一部を覆うべく第2の誘電体を堆積させるステップとを含んでいる、請求項1に記載の方法。 - 前記第1の誘電体が窒化シリコンを含み、前記第2の誘電体が二酸化シリコンを含んでいる、請求項5に記載の方法。
- 前記第1の超伝導配線層の一部を覆うべく第2の絶縁層を堆積させるステップが、
前記第1の超伝導配線層の一部を覆うべく第1の誘電体を堆積させるステップと、
前記第1の誘電体の少なくとも一部を覆うべく第2の誘電体を堆積させるステップとを含んでいる、請求項1に記載の方法。 - 第1の誘電体を堆積させるステップが窒化シリコンを堆積させるステップを含み、第2の誘電体を堆積させるステップが二酸化シリコンを堆積させるステップを含んでいる、請求項7に記載の方法。
- 前記最上超伝導配線層の一部を覆うべく不動態化層を堆積させるステップが、
前記第1の超伝導配線層の一部を覆うべく第1の誘電体を堆積させるステップと、
前記第1の誘電体の少なくとも一部を覆うべく第2の誘電体を堆積させるステップとを含んでいる、請求項1に記載の方法。 - 前記第1の誘電体が窒化シリコンを含み、前記第2の誘電体が二酸化シリコンを含んでいる、請求項9に記載の方法。
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