三层约瑟夫森结结构及其形成方法技术

本发明专利技术公开了一种三层约瑟夫森结结构及其形成方法。电介质层在基底电极层上，基底电极层在基板上。对置电极层在所述电介质层上。第一和第二对置电极由对置电极层形成。第一和第二电介质层由电介质层形成。第一和第二基底电极由基底电极层形成。所述第一对置电极、第一电介质层和第一基底电极形成第一堆叠。所述第二对置电极、第二电介质层和第二基底电极形成第二堆叠。分流电容器在第一和第二基底电极之间。ILD层沉积在基板、第一和第二对置电极以及所述第一和第二基底电极上。接触桥连接所述第一和第二对置电极。通过移除ILD，空气间隙形成于所述接触桥下方。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超导技术，并且更具体地，涉及用于超导量子比特的具有小空气桥而不具有层间电介质的三层约瑟夫森结(Josephson junction)。
技术介绍
在一种被称为电路量子电动力学系统的方案中，量子计算采用了被称为量子比特的有源超导装置来操作并存储量子信息，并且采用了谐振器(例如，作为二维(2D)平面波导或作为三维(3D)微波腔)来读取并促进量子比特之间的交互。每个超导量子比特包括一个或多个约瑟夫森结，约瑟夫森结通过与其并联的电容器分流。量子比特电容耦合至2D或3D微波腔。与量子比特相关的能量存在于该约瑟夫森结周围的电磁场中，尤其存在于相对较大的分流电容结构附近。迄今为止，主要的关注点一直在于延长量子比特的寿命从而允许在量子比特的退相干(decoherence)失去信息之前进行计算(即，操作和读取)。目前，超导量子比特相干时间可高达100微秒，并且正致力于延长该相干时间。与延长相干时间相关的其中一个研究领域专注于消除来自于具有相对较高的电磁场能量密度的区域的致损材料(lossy material)，这些区域例如在包含该量子比特的薄膜的尖角或边缘附近。靠近量子比特的这种材料可能包括支持已知为二级系统(two-level systems，TLSs)的缺陷的瑕疵。
技术实现思路
根据一实施例，提供一种三层约瑟夫森结结构的形成方法。所述方法包括：在基底电极层上沉积电介质层，其中所述基底电极层沉积在基板上；在所述电介质层上沉积对置电极层；以及由所述对置电极层形成第一对置电极和第二对置电极。所述方法包括：由所述电介质层形成第一电介质层和第二电介质层；以及由所述基底电极层形成第一基底电极和第二基底电极。所述第一对置电极、第一电介质层和第一基底电极形成第一堆叠。所述第二对置电极、第二电介质层和第二基底电极形成第二堆叠。分流电容器形成在所述第一基底电极和第二基底电极之间。所述方法还包括在所述第一对置电极和第二对置电极、所述第一基底电极和第二基底电极、以及所述基板的顶表面上共形地沉积层间电介质层；在平坦化所述层间电介质层以暴露所述第一对置电极和第二对置电极的顶部之后，形成连接所述第一对置电极和第二对置电极的接触桥；以及通过移除所述层间电介质层而在所述接触桥下方形成空气间隙。根据一实施例，提供了一种三层约瑟夫森结。第一堆叠由第一对置电极、第一电介质层和第一基底电极形成。第二堆叠由第二对置电极、第二电介质层和第二基底电极形成，其中所述第一基底电极和第二基底电极在基板上，并且其中分流电容器形成于所述第一基底电极和第二基底电极之间。接触桥连接所述第一对置电极和第二对置电极。空气间隙在所述接触桥下方。根据一实施例，提供了一种三层约瑟夫森结结构。第一堆叠由第一对置电极、第一电介质层和第一基底电极形成。第二堆叠由第二对置电极、第二电介质层和第二基底电极形成。所述第一基底电极和第二基底电极在基板上。分流电容器形成于所述第一基底电极和第二基底电极之间。接触桥连接所述第一对置电极和第二对置电极。层间电介质材料包封所述第一堆叠的第一部分并且包封所述第二堆叠的第二部分。可通过本专利技术的技术实现其他特征和优势。在此详细描述了本专利技术的其他实施例和方面，并且其应视为是所请求保护的专利技术的一部分。为了更好地理解本专利技术的优势和特征，请参照说明书和附图。附图说明在权利要求书中具体指明并且清楚地请求了被视为本专利技术的专利技术主题。本专利技术的前述及其他特征和优势将通过以下结合附图的详细说明而清楚可见。图1A至1L示例了根据一实施例的制造用于超导量子比特的具有小空气桥的三层约瑟夫森结结构的工艺流程，其中：图1A是三层约瑟夫森结结构的起始堆叠的俯视图(top-down view)；图1B是所述起始堆叠的横截面视图；图1C是对置电极(counter electrode)图案化的俯视图；图1D是对置电极的横截面视图；图1E是包括叉指分流电容器(interdigitated finger shunting capacitor)的基底电极图案化的俯视图；图1F是基底电极图案化的横截面视图；图1G是填充并且平坦化约瑟夫森结附近的比特量子结构的俯视图；图1H是填充并且平坦化比特量子结构的横截面视图；图1I是执行跨接(cross-over)图案化的横截面视图；图1J是跨接图案化的横截面视图；图1K是示例了层间电介质(ILD)层的移除的俯视图；图1L是示例了移除了该层间电介质层以形成空气间隙的横截面视图；图2A是根据另一实施例的三层约瑟夫森结结构的俯视图；图2B是根据该另一实施例的三层约瑟夫森结结构的横截面视图；图2C是根据该另一实施例的示出了额外的电极指(electrode finger)的三层约瑟夫森结结构的俯视图；图3A是根据又一实施例的制造三层约瑟夫森结结构的工艺流程的横截面视图；图3B是根据该又一实施例的形成于三层约瑟夫森结结构中的非平坦化接触的横截面视图；图4A和4B一起示例了根据一实施例的形成三层约瑟夫森结结构的方法。具体实施方式当前，高相干超导量子比特采用使用双角式阴影蒸发工艺制造的Al/AlOx/Al约瑟夫森结结合通常由Nb制成的叉指分流电容器。此方案最小化了包含二级系统(TLSs)的沉积电介质的存在，TLS已知用于减少量子比特相干时间。然而，将此类工艺的规模扩大至大量稳定、可重现的约瑟夫森结是成问题的。同时，现在普遍使用三层结工艺来制造约瑟夫森结逻辑装置和集成电路以及约瑟夫森结电压标准。该工业标准方案涉及Nb/AlOx/Nb三层膜。这种结合了干法刻蚀、共形地沉积层间电介质(ILD)和化学机械抛光(CMP)平坦化技术的耐受三层膜能够实现非常可控、可重现并且稳定的、具有自对准对置电极接触的深亚微米结。不幸的是，使用此类工艺制造量子比特的尝试所产生的结果相对较差，最佳T1和T2时间小于500ns。假设存在于ILD(例如，沉积的SiOx或SiN)或者可能存在于结势垒本身中的二级系统处于故障中。Al/AlOx/Al三层结的结果是相当的。对于此类装置，分流电容器已被典型地构造为超导/ILD/超导的三明治结构，其中，ILD在确定相干时间T1和T2时具有较大的参与率(量子比特的电磁场能量的分数)。通过移除ILD以形成空气间隙电容器结构的尝试尚未能独立于三层而改进量子比特性能。T1被称为“驰豫时间”、“纵向相干时间”、“自发发射时间”或“振幅阻尼”。T1测量量子比特系统的能量损失。T1是量子比特从激发态衰减至基态所花费的多长时间的量度标准。T2被称为量子比特的“相位相干时间”。T2是量子比特在可预言相位保持相干多长时间的量度标准。据说，在迄今为止展示过的三层量子比特中，尚未能胜任执行三层结，因为其结果均受到电容器损耗的严重污染。即使是在空气间隙的情况下，仍然存在由电容器的广阔内表面区域造成的较大参与率，已知的是，在残留在可能包含二级系统的表面上的致损碎片(lossy debris)的方面，这样的表面是成问题的。根据一实施例，示出叉指电容以避免这一问题，通过该表面中场能仅具有相对小的分数以及通过具有例如高纯度蓝宝石或硅的低损耗基板。实施例描述了由叉指电容器与三层结相结合而构成的量子比特，其中该三层结已移除了层间电介质(ILD)以形成用于接触基底电极的非常小的空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三层约瑟夫森结结构的形成方法，所述方法包括：在基底电极层上沉积电介质层，其中所述基底电极层沉积在基板上；在所述电介质层上沉积对置电极层；由所述对置电极层形成第一对置电极和第二对置电极；由所述电介质层形成第一电介质层和第二电介质层；由所述基底电极层形成第一基底电极和第二基底电极，其中所述第一对置电极、所述第一电介质层和所述第一基底电极形成第一堆叠，其中所述第二对置电极、所述第二电介质层和所述第二基底电极形成第二堆叠，并且其中在所述第一基底电极和所述第二基底电极之间形成分流电容器；在所述第一对置电极和第二对置电极、所述第一基底电极和第二基底电极、以及所述基板的顶表面上共形地沉积层间电介质层；在平坦化所述层间电介质层以露出所述第一对置电极和所述第二对置电极的顶部之后，形成连接所述第一对置电极和所述第二对置电极的接触桥；以及通过移除所述层间电介质层，在所述接触桥下方形成空气间隙。

【技术特征摘要】
2015.04.30 US 14/700,7411.一种三层约瑟夫森结结构的形成方法，所述方法包括：在基底电极层上沉积电介质层，其中所述基底电极层沉积在基板上；在所述电介质层上沉积对置电极层；由所述对置电极层形成第一对置电极和第二对置电极；由所述电介质层形成第一电介质层和第二电介质层；由所述基底电极层形成第一基底电极和第二基底电极，其中所述第一对置电极、所述第一电介质层和所述第一基底电极形成第一堆叠，其中所述第二对置电极、所述第二电介质层和所述第二基底电极形成第二堆叠，并且其中在所述第一基底电极和所述第二基底电极之间形成分流电容器；在所述第一对置电极和第二对置电极、所述第一基底电极和第二基底电极、以及所述基板的顶表面上共形地沉积层间电介质层；在平坦化所述层间电介质层以露出所述第一对置电极和所述第二对置电极的顶部之后，形成连接所述第一对置电极和所述第二对置电极的接触桥；以及通过移除所述层间电介质层，在所述接触桥下方形成空气间隙。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述层间电介质层是氧化物、多晶硅、氮化物和聚合物材料中的至少之一。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述接触桥下方的所述空气间隙在所述接触桥和所述基板之间竖向延伸。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述接触桥下方的所述空气间隙在所述第一对置电极和所述第二对置电极之间水平延伸。5.如权利要求1所述的方法，其中，所述接触桥下方的所述空气间隙在所述第一基底电极和所述第二基底电极之间水平延伸。6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一电介质层和所述第二电介质层包括氧化物。7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一电介质层和所述第二电介质层包括铪氧化物、铝氧化物和铌氮化物中的至少之一。8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一基底电极和所述第二基底电极包括铌、钛氮化物、铝和铌氮化物中的至少之一；并且其中，所述第一对置电极和所述第二对置电极包括铌、钛氮化物、铝、和铌氮化物中的至少之一。9.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二堆叠是量子比特隧道结。10.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一基底电极和所述第二基底电极是所述基板上的叉指电极。11.一种三层约瑟夫森结结构，所述结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：JB张，GW吉布森，MB凯琴，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US