亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法，包括如下步骤：1）提供一衬底，并于衬底的上表面形成底层超导薄膜层、绝缘薄膜层及顶层超导薄膜层；2）刻蚀去除部分顶层超导薄膜层、部分绝缘薄膜层及部分底层超导薄膜层；3）于步骤2）所得到结构的表面形成一第一绝缘层；4）于步骤3）所得到结构的表面形成第二绝缘层；5）于步骤4）所述得到结构的表面形成附加超导薄膜层，并刻蚀附加超导薄膜层以形成第二亚微米线条，第二亚微米线条至少与第一亚微米线条呈十字交叉连接。本发明专利技术可以有效解决现有技术中存在的电极窗口问题；双层绝缘层不仅改善了边缘效应、降低了台阶过渡处漏电流的产生，还有利于提高约瑟夫森结的质量及可靠性。

A Wee Mi Josephson tunnel junction and its preparation method

The invention provides a submicron Josephson tunnel junction and a preparation method thereof, including the following steps: 1) providing a substrate and forming a bottom superconducting film layer, an insulating film layer and a top superconducting film layer on the upper surface of the substrate; 2) etching and removing a part of the top superconducting film layer, a part of the insulating film layer and a part of the bottom superconducting film layer. (3) forming a first insulating layer on the surface of the structure obtained in step 2; 4) forming a second insulating layer on the surface of the structure obtained in step 3; 5) forming an additional superconducting film layer on the surface of the structure described in step 4, and etching the additional superconducting film layer to form a second sub-micron line and a second sub-micron line. The line is crossed at least with the first submicron line. The invention can effectively solve the electrode window problem existing in the prior art; the double insulating layer not only improves the edge effect, reduces the leakage current generation at the step transition, but also helps to improve the quality and reliability of the Josephson junction.

【技术实现步骤摘要】
亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法
本专利技术属于电子信息
，特别是涉及一种亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法。
技术介绍
约瑟夫森隧道结是基于约瑟夫森效应的量子元件，是大部分超导量子器件的核心部件。在结构上，约瑟夫森结是一种超导-绝缘-超导(SIS)的“三明治”构型，如图1所示，即所述约瑟夫森结包括两层超导薄膜层1’及位于两所述超导薄膜层1’之间的绝缘层1”。约瑟夫森结的等效电路可由理想结并联电阻R和电容C来表示，即所谓的RCSJ模型，如图2所示。很多超导量子器件诸如超导量子干涉器件(SQUID)，单磁通量子电路(SFQ)等都是以约瑟夫森结为基础元件实现特定的器件功能。对于SQUID,包含了一个或两个约瑟夫森结，其中约瑟夫森结参数直接决定了SQUID性能，例如结电阻和结电容直接决定了SQUID噪声及能量分辨率。从SQUID设计的角度出发，要求结电容越小越好。而对于SFQ，约瑟夫森结数量可以达到万级甚至十万级，为了提高集成度，同时满足高速数字电路的需求，同样要求约瑟夫森结尺寸减小。借助于半导体工艺的发展，超导器件的制备水平也有了很大程度的提升。特别是先进的光刻技术的引进，例如步进式投影光刻技术(stepper)、电子束光刻(EBL)等，使约瑟夫森结尺寸可以达到亚微米甚至深亚微米量级。但是从晶圆级批量生产的角度出发，stepper的应用已成为目前超导电子器件制备的主要技术手段。因此，stepper的极限分辨率决定了约瑟夫森结的极限尺寸。由于采用光刻技术来定义约瑟夫森结尺寸时需要考虑电极的引出，因此需要在结电极和电极引线之间的绝缘层上开一片尺寸比结区面积还要小的窗口，以降低因引线和电极的重叠而可能导致的漏电流产生。这就导致了光刻工艺实际是决定电极引出窗口的极限尺寸而非约瑟夫森结。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，包括如下步骤：1)提供一衬底，并于所述衬底的上表面形成由下至上依次叠置的底层超导薄膜层、绝缘薄膜层及顶层超导薄膜层；2)刻蚀去除部分所述顶层超导薄膜层、部分所述绝缘薄膜层及部分所述底层超导薄膜层，保留的所述顶层超导薄膜层形成第一亚微米线条并作为所述约瑟夫森结的部分顶电极，保留的所述绝缘薄膜层作为所述约瑟夫森结的势垒层，保留的所述底层超导薄膜层作为所述约瑟夫森结的底电极；3)于步骤2)所得到结构的表面形成一第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖暴露的所述衬底的上表面、所述势垒层及所述底电极，并至少暴露出所述第一亚微米线条的上表面；4)于步骤3)所得到结构的表面形成第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖所述第一绝缘层；并于所述第二绝缘层内形成第一开口，所述第一开口至少暴露出所述第一亚微米线条的上表面；5)于步骤4)所述得到结构的表面形成附加超导薄膜层，并刻蚀所述附加超导薄膜层以形成第二亚微米线条，所述第二亚微米线条至少与所述第一亚微米线条呈十字交叉连接；所述第二亚微米线条与所述第一亚微米线条共同构成约瑟夫森结的顶电极。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1)中，所述底层超导薄膜层的厚度与所述顶层超导薄膜层的厚度相同。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)包括如下步骤：2-1)于所述顶层超导薄膜层的上表面形成第一图形化掩膜层，所述第一图形化掩膜层定义出所述底电极的位置及形状；2-2)依据所述第一图形化掩膜层刻蚀所述顶层超导薄膜层及所述绝缘薄膜层；2-3)去除所述第一图形化掩膜层，并于步骤2-2)所得到的结构的上表面形成第二图形化掩膜层，所述第二图形化掩膜层定义出所述第一亚微米线条的位置及形状；2-4)依据所述第二图形化掩膜层刻蚀所述顶层超导薄膜层及所述底层超导薄膜层，以得到所述第一亚微米线条、所述势垒层及所述底电极。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一亚微米线条的宽度小于所述势垒层的宽度及所述底电极的宽度，且所述势垒层的宽度与所述底电极的宽度相同。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)中形成的所述第一绝缘层的厚度与所述第一亚微米线条的厚度相同。作为本专利技术的一种优选方案，所述底电极包括功能区域及与所述功能区域相连接的底电极引出区域；步骤2-3)中，所述第二图形化掩膜层还定义出所述底电极引出区域的位置及形状；步骤3)中，所述第一绝缘层还暴露出所述底电极引出区域。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)中，形成所述第一绝缘层后还包括去除所述第二图形化掩膜层的步骤。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4)中，所述第二绝缘层内还形成有第二开口，所述第二开口暴露出所述底电极引出区域。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5)中，刻蚀所述附加超导薄膜层形成所述第二亚微米线条的同时，形成于所述底电极引出区域接触连接的底电极引出电极及与所述第二亚微米线条相连接的顶电极引出电极。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一开口的宽度大于所述第一亚微米线条的宽度，且小于所述底电极的宽度。本专利技术还提供一种亚微米约瑟夫森隧道结，包括：衬底；约瑟夫森结，位于所述衬底的上表面，所述约瑟夫森结包括由下至上依次叠置的底电极、势垒层以及顶电极，其中，所述顶电极包括第一亚微米线条及第二亚微米线条，所述第二亚微米线条位于所述第一亚微米线条上方，且与所述第一亚微米线条呈十字交叉连接；第一绝缘层，覆盖所述势垒层及所述约瑟夫森结周围的所述衬底，且所述第一绝缘层至少暴露出所述第一亚微米线条；第二绝缘层，覆盖于所述第一绝缘层的表面，所述第二绝缘层内形成有暴露出所述第一亚微米线条的第一开口，所述第二亚微米线条与所述第一开口内的所述第一亚微米线条相接触，并延伸至所述第二绝缘层的上表面。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一亚微米线条的宽度小于所述势垒层的宽度及所述底电极的宽度，且所述势垒层的宽度与所述底电极的宽度相同。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一亚微米线条的厚度与所述底电极的厚度相同；所述第一绝缘层的厚度与所述第一亚微米线条的厚度相同。作为本专利技术的一种优选方案，所述底电极包括功能区域及与所述功能区域相连接的底电极引出区域；所述第一绝缘层还暴露出所述底电极引出区域，所述第二绝缘层内还形成有暴露出所述底电极引出区域的第二开口；所述亚微米约瑟夫森隧道结还包括底电极引出电极及顶电极引出电极，所述底电极引出电极与所述底电极引出区域接触连接，所述顶电极引出电极与所述第二亚微米线条相连接。如上所述，本专利技术亚微米约瑟夫森隧道结及其制备方法，具有以下有益效果：本专利技术提供的亚微米约瑟夫森隧道结通过两条亚微米线条十字交叉形成亚微米约瑟夫森结，可以有效解决现有技术中存在的电极窗口问题；本专利技术的双层绝缘层不仅改善了边缘效应、降低了台阶过渡处漏电流的产生，还有利于提高约瑟夫森结的质量及可靠性；本专利技术的亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法针对SIS三层膜采用两步独立的光刻刻蚀技术，实现了亚微米电极仅与顶层超导薄膜相关，抑制了边缘漏电流的产生，而且通过添加第二层绝缘层进行改善薄膜边缘台阶效应，可以提高约瑟夫森结的质量及可靠性；本专利技术的亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法简单易行，适合晶圆级批量生产，具有较高的产业利用价值。附图说明图1显示为现有的约瑟夫森结的立体结构示意图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一衬底，并于所述衬底的上表面形成由下至上依次叠置的底层超导薄膜层、绝缘薄膜层及顶层超导薄膜层；2)刻蚀去除部分所述顶层超导薄膜层、部分所述绝缘薄膜层及部分所述底层超导薄膜层，保留的所述顶层超导薄膜层形成第一亚微米线条并作为所述约瑟夫森结的部分顶电极，保留的所述绝缘薄膜层作为所述约瑟夫森结的势垒层，保留的所述底层超导薄膜层作为所述约瑟夫森结的底电极；3)于步骤2)所得到结构的表面形成一第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖暴露的所述衬底的上表面、所述势垒层及所述底电极，并至少暴露出所述第一亚微米线条的上表面；4)于步骤3)所得到结构的表面形成第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖所述第一绝缘层；并于所述第二绝缘层内形成第一开口，所述第一开口至少暴露出所述第一亚微米线条的上表面；5)于步骤4)所述得到结构的表面形成附加超导薄膜层，并刻蚀所述附加超导薄膜层以形成第二亚微米线条，所述第二亚微米线条至少与所述第一亚微米线条呈十字交叉连接；所述第二亚微米线条与所述第一亚微米线条共同构成约瑟夫森结的顶电极。

【技术特征摘要】
1.一种亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一衬底，并于所述衬底的上表面形成由下至上依次叠置的底层超导薄膜层、绝缘薄膜层及顶层超导薄膜层；2)刻蚀去除部分所述顶层超导薄膜层、部分所述绝缘薄膜层及部分所述底层超导薄膜层，保留的所述顶层超导薄膜层形成第一亚微米线条并作为所述约瑟夫森结的部分顶电极，保留的所述绝缘薄膜层作为所述约瑟夫森结的势垒层，保留的所述底层超导薄膜层作为所述约瑟夫森结的底电极；3)于步骤2)所得到结构的表面形成一第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖暴露的所述衬底的上表面、所述势垒层及所述底电极，并至少暴露出所述第一亚微米线条的上表面；4)于步骤3)所得到结构的表面形成第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖所述第一绝缘层；并于所述第二绝缘层内形成第一开口，所述第一开口至少暴露出所述第一亚微米线条的上表面；5)于步骤4)所述得到结构的表面形成附加超导薄膜层，并刻蚀所述附加超导薄膜层以形成第二亚微米线条，所述第二亚微米线条至少与所述第一亚微米线条呈十字交叉连接；所述第二亚微米线条与所述第一亚微米线条共同构成约瑟夫森结的顶电极。2.根据权利要求1所述的亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述底层超导薄膜层的厚度与所述顶层超导薄膜层的厚度相同。3.根据权利要求1所述的亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，其特征在于，步骤2)包括如下步骤：2-1)于所述顶层超导薄膜层的上表面形成第一图形化掩膜层，所述第一图形化掩膜层定义出所述底电极的位置及形状；2-2)依据所述第一图形化掩膜层刻蚀所述顶层超导薄膜层及所述绝缘薄膜层；2-3)去除所述第一图形化掩膜层，并于步骤2-2)所得到的结构的上表面形成第二图形化掩膜层，所述第二图形化掩膜层定义出所述第一亚微米线条的位置及形状；2-4)依据所述第二图形化掩膜层刻蚀所述顶层超导薄膜层及所述底层超导薄膜层，以得到所述第一亚微米线条、所述势垒层及所述底电极。4.根据权利要求3所述的亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，其特征在于，所述第一亚微米线条的宽度小于所述势垒层的宽度及所述底电极的宽度，且所述势垒层的宽度与所述底电极的宽度相同。5.根据权利要求3所述的亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，其特征在于，步骤3)中形成的所述第一绝缘层的厚度与所述第一亚微米线条的厚度相同。6.根据权利要求3所述的亚微米约瑟夫森隧道结的制备方法，其特征在于，所述底电极包括功能区域及与所述功能区域相连接的底电极引出区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪，张国峰，王永良，荣亮亮，王镇，谢晓明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31