表面电极离子阱与硅光寻址及探测器、及架构的集成方法技术

本发明专利技术提供表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，包括步骤：在晶圆上形成硅光栅和硅结构并对硅结构离子注入及退火；沉积第一介质层于硅结构的上方刻蚀外延窗口并外延硅或锗，离子注入及退火后形成硅基光电探测器；沉积第二介质层并形成第一接触孔；沉积第三介质层并形成若干硅通孔；沉积第四介质层并形成电极，包括与硅基光电探测器对应的第一电极以及表面电极离子阱的第二电极；自第一电极向下形成第二接触孔和第三接触孔；自第二电极向下形成与硅通孔相对的第三接触孔；研磨晶圆的背面使硅通孔露出；沉积并钝化层成硅通孔的钝化层窗口，并在钝化层窗口处形成重布线层和第一微凸块下金属或第一微凸块。本发明专利技术还提供架构的集成方法。

Integration method of surface electrode ion trap with silicon light addressing, detector and structure

【技术实现步骤摘要】
表面电极离子阱与硅光寻址及探测器、及架构的集成方法
本专利技术涉及离子阱量子比特的寻址与探测
，特别是涉及一种表面电极离子阱与硅光寻址及探测器、及架构的集成方法。
技术介绍
量子比特是量子计算机的基本操作单元，离子阱因为具有相干时间长、逻辑门保真度高等优势，是研究量子比特的载体之一。在衬底表面通过光刻技术形成金属电极（射频电极和直流电极）的表面电极离子阱，得益于成熟的半导体光刻技术，能够在衬底的表面形成各种形状的金属电极，同时也很方便制备很多个相同的金属电极和多个硅光器件，即能够很容易地实现离子囚禁区域数量的扩展和寻址与探测的扩展。目前，对于表面电极离子阱量子比特的寻址/探测多采用自由空间多束激光源和光电倍增管，存在寻址/探测用光路调试系统复杂、昂贵、庞大、误差大及可扩展性低等问题，一直制约着量子计算科学的研究和发展。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种稳定性强、小型化、通用性且可扩展性强的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器、及架构的集成方法。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案，表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，包括以下步骤：提供晶圆，在晶圆的顶层光刻、刻蚀形成硅光栅和硅结构，对硅结构进行离子注入及退火；沉积第一介质层，刻蚀硅结构上方的第一介质层以形成外延窗口，并通过外延窗口自硅结构的顶层外延硅或锗，离子注入及退火后形成硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器；沉积第二介质层并刻蚀、化学机械抛光，自第二介质层的顶层向下形成面入射型硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器的第一接触孔；沉积第三介质层，自第三介质层的顶层向下形成若干硅通孔；沉积第四介质层，在第四介质层的顶层形成电极，电极包括与硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器对应的第一电极，以及表面电极离子阱的第二电极；每一个第一电极均对应第一接触孔和硅通孔，且自每一个第一电极的底部分别向下形成与第一接触孔和硅通孔连接的第二接触孔和第三接触孔；每一个第二电极均对应硅通孔，且自每一个第二电极的底部向下形成与硅通孔连接的第三接触孔；研磨晶圆的背面，使硅通孔露出；在晶圆的背面沉积钝化层；刻蚀钝化层，形成硅通孔的钝化层窗口，并在钝化层窗口处形成重布线层和第一微凸块下金属或第一微凸块；或在钝化层窗口处形成第一微凸块下金属或第一微凸块。优选地，自第二介质层的顶层向下形成第一接触孔的步骤包括：自第二介质层的顶层向下刻蚀以形成第一孔；在第一孔的侧壁和底部沉积第一隔离层；在第一孔内电化学镀膜或沉积第一金属；化学机械抛光或刻蚀，以去除第二介质层表面的第一金属和第一隔离层。优选地，第一金属为铜，在第一孔内采用电化学镀膜工艺填充铜且退火及化学机械抛光；形成第一接触孔后且沉积第三介质层前，沉积第一停止层。优选地，自第三介质层的顶层向下形成硅通孔的步骤包括：自第三介质层的顶层向下刻蚀以形成第二孔；在第二孔的侧壁和底部沉积第二隔离层；在第二孔内电化学镀膜第二金属；化学机械抛光，以去除第三介质层表面的第二金属和第二隔离层。优选地，第二金属为铜，在第二孔内采用电化学镀膜工艺填充铜且退火及化学机械抛光；形成硅通孔后且沉积第四介质层前，沉积第二停止层。优选地，形成电极、第二接触孔和第三接触孔的步骤包括：在第四介质层的顶层分别刻蚀形成若干电极槽，并自电极槽的槽底分别向下刻蚀以形成第三孔和第四孔；在电极槽、第三孔和第四孔的侧壁和底部均沉积第三隔离层；在电极槽、第三孔和第四孔内电化学镀膜或沉积第三金属；化学机械抛光或刻蚀，以去除第四介质层表面的第三金属和第三隔离层。优选地，第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层均为Ta、TaN或Ta+TaN中的任意一种。优选地，第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层均为二氧化硅介质层。优选地，第一停止层和第二停止层均为氮化硅。优选地，采用等离子增强化学的气相沉积法形成第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层。优选地，采用干法刻蚀形成第一孔、第三孔、第四孔和电极槽。优选地，采用DRIE刻蚀形成第二孔。优选地，硅通孔与硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器的相邻面的垂直距离不小于硅通孔直径的1.5倍；且相邻两硅通孔的中心轴线之间的垂直距离不小于硅通孔直径的3倍。本专利技术还提供另外一种表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，包括以下步骤：提供晶圆，在晶圆的顶层光刻、刻蚀形成硅结构，或，硅结构和硅光栅；对硅结构进行离子注入及退火；依次沉积第一介质层和氮化硅层，并在氮化硅层的顶层光刻、刻蚀形成氮化硅光栅；沉积第二介质层，刻蚀硅结构上方的第一介质层和第二介质层以形成外延窗口，并通过外延窗口自硅结构的顶层外延硅或锗，离子注入及退火后形成硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器；沉积第三介质层并刻蚀、化学机械抛光，自第三介质层的顶层向下形成面入射型硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器的第一接触孔；沉积第四介质层；自第四介质层的顶层向下形成若干硅通孔；沉积第五介质层；在第五介质层的顶层形成电极，电极包括与硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器对应的第一电极，以及表面电极离子阱的第二电极；每一个第一电极均对应第一接触孔和硅通孔，且自每一个第一电极的底部分别向下形成与第一接触孔和硅通孔连接的第二接触孔和第三接触孔；每一个第二电极均对应硅通孔，且自每一个第二电极的底部分别向下形成与硅通孔相对的第三接触孔；研磨晶圆的背面，使硅通孔露出；在晶圆的背面沉积钝化层；刻蚀钝化层，形成硅通孔的钝化层窗口，并在钝化层窗口处形成重布线层和第一微凸块下金属或第一微凸块；或在钝化层窗口处形成第一微凸块下金属或第一微凸块。本专利技术还提供一种架构的集成方法，包括以下步骤：将利用本专利技术涉及的集成方法制备的集成结构的重布线层和第一微凸块或第一微凸块下金属键合硅转接板，或者利用集成结构的第一微凸块或第一微凸块下金属键合硅转接板；硅转接板通过设置在其背面的第二微凸块或第二微凸块下金属与封装基板连通，或通过引线与封基板连通；或，利用集成结构的重布线层和第一微凸块或第一微凸块下金属直接与封装基板连通。优选地，第二微凸块下金属为Cu/Ni/Au第二微凸块为Cu/Ni/SnAg。根据本专利技术示例性实施例，表面电极离子阱与硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器、硅光栅和/或氮化硅光栅和硅通孔集成，通电后，利用表面电极离子阱俘获离子并将其囚禁在一定的范围内。利用端面耦合等任意一种耦合方式将激光源耦合至硅光栅和/或氮化硅光栅上，激光经三个方位的硅光栅和/或氮化硅光栅出射至离子上，以完成寻址。离子受光激发后能够发生能级跃迁，能级跃迁后，离子会辐射出荧光，荧光被硅单光子雪崩探测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，包括以下步骤：/n提供晶圆，在所述晶圆的顶层光刻、刻蚀形成硅光栅和硅结构，对所述硅结构进行离子注入及退火；/n沉积第一介质层，刻蚀所述硅结构上方的所述第一介质层以形成外延窗口，并通过所述外延窗口自所述硅结构的顶层外延硅或锗，离子注入及退火后形成硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器；/n沉积第二介质层并刻蚀、化学机械抛光，自所述第二介质层的顶层向下形成面入射型硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器的第一接触孔；/n沉积第三介质层，自所述第三介质层的顶层向下形成若干硅通孔；/n沉积第四介质层，在所述第四介质层的顶层形成电极，所述电极包括与所述硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器对应的第一电极，以及表面电极离子阱的第二电极；每一个所述第一电极均对应所述第一接触孔和硅通孔，且自每一个所述第一电极的底部分别向下形成与所述第一接触孔和所述硅通孔连接的第二接触孔和第三接触孔；每一个所述第二电极均对应所述硅通孔，且自每一个所述第二电极的底部向下形成与所述硅通孔连接的所述第三接触孔；/n研磨所述晶圆的背面，使所述硅通孔露出；/n在所述晶圆的背面沉积钝化层；/n刻蚀所述钝化层，形成所述硅通孔的钝化层窗口，并在所述钝化层窗口处形成重布线层和第一微凸块下金属或第一微凸块；或在所述钝化层窗口处形成所述第一微凸块下金属或第一微凸块。/n...

【技术特征摘要】
1.表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供晶圆，在所述晶圆的顶层光刻、刻蚀形成硅光栅和硅结构，对所述硅结构进行离子注入及退火；
沉积第一介质层，刻蚀所述硅结构上方的所述第一介质层以形成外延窗口，并通过所述外延窗口自所述硅结构的顶层外延硅或锗，离子注入及退火后形成硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器；
沉积第二介质层并刻蚀、化学机械抛光，自所述第二介质层的顶层向下形成面入射型硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器的第一接触孔；
沉积第三介质层，自所述第三介质层的顶层向下形成若干硅通孔；
沉积第四介质层，在所述第四介质层的顶层形成电极，所述电极包括与所述硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器对应的第一电极，以及表面电极离子阱的第二电极；每一个所述第一电极均对应所述第一接触孔和硅通孔，且自每一个所述第一电极的底部分别向下形成与所述第一接触孔和所述硅通孔连接的第二接触孔和第三接触孔；每一个所述第二电极均对应所述硅通孔，且自每一个所述第二电极的底部向下形成与所述硅通孔连接的所述第三接触孔；
研磨所述晶圆的背面，使所述硅通孔露出；
在所述晶圆的背面沉积钝化层；
刻蚀所述钝化层，形成所述硅通孔的钝化层窗口，并在所述钝化层窗口处形成重布线层和第一微凸块下金属或第一微凸块；或在所述钝化层窗口处形成所述第一微凸块下金属或第一微凸块。


2.根据权利要求1所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，自所述第二介质层的顶层向下形成第一接触孔的步骤包括：
自所述第二介质层的顶层向下刻蚀以形成第一孔；
在所述第一孔的侧壁和底部沉积第一隔离层；
在所述第一孔内电化学镀膜或沉积第一金属；
化学机械抛光或刻蚀，以去除所述第二介质层表面的所述第一金属和所述第一隔离层。


3.根据权利要求2所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，所述第一金属为铜，在所述第一孔内采用电化学镀膜工艺填充铜且退火及化学机械抛光；
形成所述第一接触孔后且沉积第三介质层前，沉积第一停止层。


4.根据权利要求3所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，自所述第三介质层的顶层向下形成硅通孔的步骤包括：
自所述第三介质层的顶层向下刻蚀以形成第二孔；
在所述第二孔的侧壁和底部沉积第二隔离层；
在所述第二孔内电化学镀膜第二金属；
化学机械抛光，以去除所述第三介质层表面的所述第二金属和所述第二隔离层。


5.根据权利要求4所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，所述第二金属为铜，在所述第二孔内采用电化学镀膜工艺填充铜且退火及化学机械抛光；
形成所述硅通孔后且沉积第四介质层前，沉积第二停止层。


6.根据权利要求5所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，形成所述电极、第二接触孔和第三接触孔的步骤包括：
在所述第四介质层的顶层分别刻蚀形成若干电极槽，并自所述电极槽的槽底分别向下刻蚀以形成第三孔和第四孔；
在所述电极槽、第三孔和第四孔的侧壁和底部均沉积第三隔离层；
在所述电极槽、第三孔和第四孔内电化学镀膜或沉积第三金属；
化学机械抛光或刻蚀，以去除所述第四介质层表面的所述第三金属和所述第三隔离层。


7.根据权利要求6所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，所述第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层均为Ta、TaN或Ta+TaN中的任意一种。


8.根据权利要求1所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层均为二氧化硅介质层。


9.根据权利要求5所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，所述第一停止层和第二停止层均为氮化硅。


10.根据权利要求1所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，采用等离子增强化学的气相沉积法形成所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层。


11.根据权利要求6所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，采用干法刻蚀形成所述第一孔、第三孔、第四孔和电极槽。


12.根据权利要求4所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，采用DRIE刻蚀形成所述第二孔。


13.根据权利要求1所述的表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，
所述硅通孔与所述硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器的相邻面的垂直距离不小于所述硅通孔直径的1.5倍；
且相邻两所述硅通孔的中心轴线之间的垂直距离不小于所述硅通孔直径的3倍。


14.表面电极离子阱与硅光寻址及探测器的集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供晶圆，在所述晶圆的顶层光刻、刻蚀形成硅结构，或，所述硅结构和硅光栅；对所述硅结构进行离子注入及退火；
依次沉积第一介质层和氮化硅层，并在所述氮化硅层的顶层光刻、刻蚀形成氮化硅光栅；
沉积第二介质层，刻蚀所述硅结构上方的所述第一介质层和第二介质层以形成外延窗口，并通过所述外延窗口自所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨妍，李志华，王文武，谢玲，张鹏，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11