一种基于MoN的SNS约瑟夫森结及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于MoN的SNS约瑟夫森结及其制备方法，该基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方法包括以下步骤，提供一衬底，于衬底上形成层叠的NbN底层膜、MoN势垒层及NbN顶层膜的功能材料层，其中，采用直流反应磁控溅射法形成MoN势垒层，刻蚀功能材料层以形成底电极、MoN结势垒层及顶电极，并形成覆盖底电极、MoN结势垒层及顶电极显露表面的隔离层，于隔离层上形成第一接触孔及第二接触孔，并形成覆盖隔离层及填充第一接触孔与第二接触孔的配线层，刻蚀配线层以形成第一配线部及第二配线部。本发明专利技术通过采用直流反应磁控溅射的方法形成MoN势垒层，得到电阻率稳定的MoN势垒层，提升了约瑟夫森结的质量。瑟夫森结的质量。瑟夫森结的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MoN的SNS约瑟夫森结及其制备方法


[0001]本专利技术属于超导电子学领域，涉及一种基于MoN的SNS约瑟夫森结及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着半导体技术的发展，晶体管的集成度正接近物理极限尺寸，摩尔定律行将失效，数字计算遇到了能耗与速度的瓶颈。超导单磁通量子(Single Flux Quantum，SFQ)电路被发现，其主要利用超导约瑟夫森结作为开关，以超导环路中是否存在单个磁通量子表示逻辑信息。与传统半导体CMOS电路高低电平的编码方式相比，超导SFQ电路拥有量子化的信号精度，基于SFQ电路的可重构的数据路径处理器时钟频率可达23GHz，同时功耗仅为4.1mW，在高性能计算机、电压基准、单光子读出及高精度模数转换等领域具有广阔的应用前景。
[0003]SFQ电路基本核心的单元是约瑟夫森结。目前SFQ电路主要是基于超导Nb材料和Nb/AlOx/Nb约瑟夫森结外加并联电阻构成，此超导
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绝缘体
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超导(Superconductor/Insulator/Superconductor，SIS)约瑟夫森结由于并联电阻的存在，在结构上限制了SFQ电路的集成度，且会产生寄生电感，降低器件的性能。NbN超导材料的超导
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正常金属
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超导(Superconductor/Normal metal/Superconductor，SNS)约瑟夫森结具有工作温度高、能隙电压大、特征电压大、临界电流密度调控范围宽等优点，且可以消除并联电阻，从结构上提高SFQ电路的集成度。
[0004]制备具有高特征电压(I
c
R
n
)的氮化铌(NbN)系SNS约瑟夫森结对提高SFQ电路的性能具有重要作用。但是SNS约瑟夫森结的特征电压强烈依赖于势垒层物性及各膜层界面特性，要求势垒层材料满足：1)具有很低的互溶性以避免相互扩散；2)不形成金属间化合物；3)具有很大的电阻率以增加结电阻。对于NbN而言，还存在超导相干长度小(约5nm)的问题。因此，选择合适的势垒层材料并制备出界面干净的三层膜对于高特征电压的NbN SNS结尤为重要。常规金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)等金属材料层间扩散小，但是其电阻率小，单结输出电压只有几十微伏。硅(Si)、砷(As)、铟砷(InAs)、铟锑(InSb)等材料电阻率高，但是存在界面处产生强势垒区域，临界电流密度过小的问题。
[0005]因此，急需寻找一种结界面扩散小、界面清晰且特征电压较大的NbN SNS约瑟夫森结的势垒层材料。

技术实现思路

[0006]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基于MoN的SNS约瑟夫森结及其制备方法，用于解决现有技术中SNS结界面扩散较大、界面不清晰、层间反应造成的特征电压小的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方法，包括以下步骤：
[0008]提供一衬底；
[0009]于所述衬底上形成功能材料层，所述功能材料层包括层叠的NbN底层膜、MoN势垒层及NbN顶层膜，其中，形成所述MoN势垒层的方法包括直流反应磁控溅射法；
[0010]刻蚀所述功能材料层以形成底电极、MoN结势垒层及顶电极，并形成覆盖所述底电极、所述MoN结势垒层及所述顶电极的显露表面的隔离层；
[0011]于所述隔离层中形成第一接触孔及第二接触孔，且所述第一接触孔的底部显露出所述顶电极，所述第二接触孔的底部显露出所述底电极；
[0012]于所述隔离层上形成填充进所述第一接触孔与所述第二接触孔的配线层，刻蚀所述配线层以形成第一配线部及第二配线部，所述第一配线部通过所述第一接触孔与所述顶电极电连接，所述第二配线部通过所述第二接触孔与所述底电极电连接。
[0013]可选地，所述衬底包括氧化镁，所述NbN底层膜的厚度范围为150nm～250nm，所述MoN势垒层的厚度范围为5nm～30nm，所述NbN顶层膜的厚度范围为150nm～250nm。
[0014]可选地，采用直流反应磁控溅射法形成所述MoN势垒层包括：将Mo靶与直流电源连接，并往溅射腔体内通入惰性气体和氮气，通过磁控溅射得到所述MoN势垒层，其中，通过调控物理溅射和化学反应溅射占比以使所述MoN势垒层中Mo元素的原子比高于N元素的原子比。
[0015]可选地，形成所述NbN底层膜的方法包括直流反应磁控溅射法，形成所述NbN顶层膜的方法包括直流反应磁控溅射法。
[0016]可选地，所述MoN势垒层的化学成分不随膜厚变化。
[0017]可选地，形成所述底电极、所述MoN结势垒层及所述顶电极包括以下步骤：
[0018]于所述NbN顶层膜上形成第一掩膜层，并图案化所述第一掩膜层；
[0019]基于所述第一掩膜层刻蚀所述NbN顶层膜、所述MoN势垒层及所述NbN底层膜以定义所述底电极，并去除所述第一掩膜层；
[0020]于所述NbN顶层膜上形成第二掩膜层，并图案化所述第二掩膜层；
[0021]基于所述第二掩膜层刻蚀所述NbN顶层膜及所述MoN势垒层以定义所述MoN结势垒层及所述顶电极，并去除所述第二掩膜层。
[0022]可选地，基于所述第二掩膜层一步刻蚀所述NbN顶层膜及所述MoN势垒层以得到所述MoN结势垒层与所述顶电极，所述MoN结势垒层与所述顶电极的侧壁平滑过渡连接。
[0023]可选地，所述MoN结势垒层的直径或等效圆直径范围为1.6μm～3.0μm。
[0024]可选地，所述配线层的材质包括NbN，所述配线层的厚度范围为300nm～400nm。
[0025]本专利技术还提供了一种基于MoN的SNS约瑟夫森结，其采用上述的制备方法制作得到。
[0026]如上所述，本专利技术的基于MoN的SNS约瑟夫森结及其制备方法采用直流反应磁控溅射的方法形成所述SNS约瑟夫森结中MoN势垒层，可以在较短的时间内得到预设厚度的所述MoN势垒层，形成的所述MoN势垒层的厚度可控，膜层的成分不随厚度变化且不损伤位于所述MoN势垒层下方的所述NbN底层膜。MoN势垒层形成过程中采用低温高速溅射外加水冷方法，并且MoN与NbN同样为氮化物材料，有效避免了超导层与势垒层界面间氧化物的形成及层间扩散现象，获得界面清晰的所述功能材料层，通过调控形成所述MoN势垒层过程中物理溅射和化学反应溅射中Mo元素原子与N元素原子的占比及反应溅射方式精准调控，可以得到致密度高、成分稳定、表面平整度高、均匀性好及电阻率稳定且在低温下呈金属性的MoN
势垒层，具有高度产业利用价值。
附图说明
[0027]图1显示为本专利技术的基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方法流程图。
[0028]图2显示为本专利技术的基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方法提供的衬底的剖面结构示意图。
[0029]图3显示为本专利技术的基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一衬底；于所述衬底上形成功能材料层，所述功能材料层包括层叠的NbN底层膜、MoN势垒层及NbN顶层膜，其中，形成所述MoN势垒层的方法包括直流反应磁控溅射法；刻蚀所述功能材料层以形成底电极、MoN结势垒层及顶电极，并形成覆盖所述底电极、所述MoN结势垒层及所述顶电极的显露表面的隔离层；于所述隔离层中形成第一接触孔及第二接触孔，且所述第一接触孔的底部显露出所述顶电极，所述第二接触孔的底部显露出所述底电极；于所述隔离层上形成填充进所述第一接触孔与所述第二接触孔的配线层，刻蚀所述配线层以形成第一配线部及第二配线部，所述第一配线部通过所述第一接触孔与所述顶电极电连接，所述第二配线部通过所述第二接触孔与所述底电极电连接。2.根据权利要求1所述的基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方法，其特征在于：所述衬底的材质包括氧化镁，所述NbN底层膜的厚度范围为150nm～250nm，所述MoN势垒层的厚度范围为5nm～30nm，所述NbN顶层膜的厚度范围为150nm～250nm。3.根据权利要求1所述的基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，采用直流反应磁控溅射法形成所述MoN势垒层包括：将Mo靶与直流电源连接，并往溅射腔体内通入惰性气体和氮气，通过磁控溅射得到所述MoN势垒层，其中，通过调控物理溅射和化学反应溅射占比以使所述MoN势垒层中Mo元素的原子比高于N元素的原子比。4.根据权利要求1所述的基于MoN的SNS约瑟夫森结的制备方法，其特征在于：形成所述NbN底层膜的方法包括直流反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张露，陈垒，王镇，
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：