一种基于π结的磁通存储器件及制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于π结的磁通存储器件及制备方法。该基于π结的磁通存储器件的制备包括：提供衬底，形成在水平方向上间隔设置的第一类约瑟夫森结与第二类约瑟夫森结，形成隔离层及配线层，配线层的第一配线部与第一类约瑟夫森结顶电极电连接，配线层的第二配线部与第二类约瑟夫森结顶电极电连接，基于第一类约瑟夫森结形成存储环路，基于第二类约瑟夫森结形成读出电路。其中，第一类约瑟夫森结采用铁磁势垒层，由于铁磁材料的强交换作用，在一定的铁磁厚度下可实现π相位的偏移而形成π结，π结代替传统的0结将会产生0.5Φ0的磁通，从而把回滞区拉回到0偏置电流处，降低对电感的需求，缩短器件的尺寸，同时减小偏置电流降低静态功耗。静态功耗。静态功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于
π
结的磁通存储器件及制备方法


[0001]本专利技术属于电子信息
，涉及低温存储器件，具体为一种基于π结的磁通存储器件及制备方法。

技术介绍

[0002]由于高能效比(2.5TOPS/W)和极快的响应速度(工作频率高达770GHZ)，在后摩尔时代，超导计算机在运算能力和功耗方面被寄予厚望。为了匹配超导CPU的响应速度以及兼容超导CPU的制备工艺，构成的存储器的材料需为超导材料。当前，利用超导电子器件实现数据存储的最有效方式是通过对超导环路中单磁通量子的调控，考虑到约瑟夫森结的临界电流I
C
在100μA的量级，存储单元的电感需在10pH左右，同时为了有效地调控超导环路的磁通，额外的超导线是必不可少的，这些因素导致超导存储器的物理空间过大，无法实现高集成度的电路。而且，由传统的0结构成的存储单元需加恒定的偏置电流来维持环路中的磁通信息，而偏置电流是由电压经过大电阻产生的，导致超导存储器的静态功耗比超导器件本身的动态功耗高两个数量级，削弱了超导电子器件本身低功耗的优势。
[0003]为了解决集成度低和静态功耗过高这两个难题，人们将研究方向转向超导
‑
铁磁
‑
超导(SFS)约瑟夫森结。利用两层铁磁势垒层构成超导赝自旋阀结构来实现低温存储器，通过外加磁场将两层铁磁的磁化方向调制为平行或反平行，可将铁磁结调整为0或π状态，并调节单结临界电流I
C
的开关来实现数据的存储，避开了对磁通的调控而无需电感，可节约大量的空间而提高器件的密度[B Baek et al.Nat Commun,5,3888(2014)]，但要触发该结需要翻转整个铁磁层的磁极化方向，触发速度无法和结相位翻转速度媲美。
[0004]因此，如何提供一种基于π结的磁通存储器件及制备方法以提高超导磁通存储器件的集成度、降低静态功耗，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]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π结的磁通存储器件及制备方法，用于解决现有技术中0结约瑟夫森结构成的存储器件集成度低、静态功耗大等问题。
[0006]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π结的磁通存储器件的制备方法，包括如下步骤：
[0007]提供一衬底；
[0008]于所述衬底上形成第一类约瑟夫森结，所述第一类约瑟夫森结为π结约瑟夫森结，包括自下而上依次层叠的第一结底电极、第一结铁磁势垒层及第一结顶电极；
[0009]于所述衬底上形成第二类约瑟夫森结，所述第二类约瑟夫森结与所述第一类约瑟夫森结在水平方向上间隔设置，所述第二类约瑟夫森结包括自下而上依次层叠的第二结底电极、第二结正常金属势垒层及第二结顶电极；
[0010]于所述衬底上形成隔离层，所述隔离层覆盖所述第一类约瑟夫森结与所述第二类
约瑟夫森结，并图形化所述隔离层以得到显露所述第一结顶电极的第一接触孔及显露所述第二结顶电极的第二接触孔；
[0011]于所述隔离层上形成配线层，并图形化所述配线层以得到第一配线部及第二配线部，所述第一配线部填充进所述第一接触孔与所述第一结顶电极电连接，所述第二配线部填充进所述第二接触孔与所述第二结顶电极电连接。
[0012]可选地，形成所述第一类约瑟夫森结包括以下步骤：
[0013]于所述衬底上形成第一类约瑟夫森结材料层，所述第一类约瑟夫森结材料层包括自下而上依次层叠的第一结超导底材料层、第一结铁磁势垒材料层及第一结超导顶材料层；
[0014]于所述第一类约瑟夫森结材料层上形成第一光刻胶层，并图案化所述第一光刻胶层以定义第一结底电极区，其中，图案化的所述第一光刻胶层遮盖所述第一结底电极区；
[0015]以图案化的所述第一光刻胶层为掩膜刻蚀所述第一结超导顶材料层及所述第一结铁磁势垒材料层直至显露所述第一结超导底材料层；
[0016]形成第二光刻胶层并图案化以定义第一结顶电极区，其中，图案化的所述第二光刻胶层遮盖所述第一结顶电极区；
[0017]以图案化的所述第二光刻胶层为掩膜刻蚀所述第一结超导顶材料层以形成所述第一结顶电极，并刻蚀所述第一结底电极区及电流导通区域外的所述第一结超导底材料层以形成所述第一结底电极。
[0018]可选地，形成所述第二类约瑟夫森结包括以下步骤：
[0019]于所述衬底上形成第二类约瑟夫森结材料层，所述第二类约瑟夫森结材料层包括自下而上依次层叠的第二结超导底材料层、第二结正常金属势垒材料层及第二结超导顶材料层；
[0020]于所述第二类约瑟夫森结材料层上形成第一光阻层，并图案化所述第一光阻层以定义第二结底电极区，其中，图案化的所述第一光阻层遮盖所述第二结底电极区；
[0021]以图案化的所述第一光阻层为掩膜刻蚀所述第二结超导顶材料层及所述第二结正常金属势垒材料层；
[0022]形成第二光阻层并图案化以定义第二结顶电极区，其中，图案化的所述第二阻层遮盖所述第二结顶电极区；
[0023]以图案化的所述第二光阻层为掩膜刻蚀所述第二结超导顶材料层以形成所述第二结顶电极，并刻蚀所述第二结底电极区及电流导通区域外的所述第二结超导底材料层以形成所述第二结底电极。
[0024]可选地，形成所述第二类约瑟夫森结材料层还包括以下步骤：
[0025]于所述衬底上形成保护层，所述保护层覆盖所述第一类约瑟夫森结；
[0026]图案化所述保护层以显露预设区域的所述衬底；
[0027]形成所述第二结超导底材料层于所述保护层表面及显露的所述衬底表面；
[0028]形成所述第二结正常金属势垒材料层于所述第二结超导底材料层表面；
[0029]形成所述第二结超导顶材料层于所述第二结正常金属势垒材料层表面；
[0030]去除所述预设区域以外的所述第二结超导底材料层、所述第二结正常金属势垒材料层及所述第二结超导顶材料层。
[0031]可选地，所述保护层的材质包括光刻胶，去除所述预设区域以外的所述第二结超导底材料层、所述第二结正常金属势垒材料层及所述第二结超导顶材料层的方法包括在有机溶液中通过超声波将所述保护层所在区域的所述第二结超导底材料层、所述第二结正常金属势垒材料层及所述第二结超导顶材料层剥离，留下位于所述预设区域的所述第二结超导底材料层、所述第二结正常金属势垒材料层及所述第二结超导顶材料层。
[0032]可选地，所述第一结底电极的材料包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种，所述第一结铁磁势垒层的材料包括NiCu、NiFe及NiPd中的至少一种，所述第一结顶电极的材料包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种。
[0033]可选地，所述第一结底电极的厚度范围是100nm～150nm，所述第一结铁磁势垒层的厚度范围是12nm～18nm，所述第一结顶电极的厚度范围是80nm～120nm。
[0034]可选地，所述第二结底电极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于π结的磁通存储器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一衬底；于所述衬底上形成第一类约瑟夫森结，所述第一类约瑟夫森结为π结约瑟夫森结，包括自下而上依次层叠的第一结底电极、第一结铁磁势垒层及第一结顶电极；于所述衬底上形成第二类约瑟夫森结，所述第二类约瑟夫森结与所述第一类约瑟夫森结在水平方向上间隔设置，所述第二类约瑟夫森结包括自下而上依次层叠的第二结底电极、第二结正常金属势垒层及第二结顶电极；于所述衬底上形成隔离层，所述隔离层覆盖所述第一类约瑟夫森结与所述第二类约瑟夫森结，并图形化所述隔离层以得到显露所述第一结顶电极的第一接触孔及显露所述第二结顶电极的第二接触孔；于所述隔离层上形成配线层，并图形化所述配线层以得到第一配线部及第二配线部，所述第一配线部填充进所述第一接触孔以与所述第一结顶电极电连接，所述第二配线部填充进所述第二接触孔以与所述第二结顶电极电连接。2.根据权利要求1所述的基于π结的磁通存储器件的制备方法，其特征在于，形成所述第一类约瑟夫森结包括以下步骤：于所述衬底上形成第一类约瑟夫森结材料层，所述第一类约瑟夫森结材料层包括自下而上依次层叠的第一结超导底材料层、第一结铁磁势垒材料层及第一结超导顶材料层；于所述第一类约瑟夫森结材料层上形成第一光刻胶层，并图案化所述第一光刻胶层以定义第一结底电极区，其中，图案化的所述第一光刻胶层遮盖所述第一结底电极区；以图案化的所述第一光刻胶层为掩膜刻蚀所述第一结超导顶材料层及所述第一结铁磁势垒材料层直至显露所述第一结超导底材料层；形成第二光刻胶层并图案化以定义第一结顶电极区，其中，图案化的所述第二光刻胶层遮盖所述第一结顶电极区；以图案化的所述第二光刻胶层为掩膜刻蚀所述第一结超导顶材料层以形成所述第一结顶电极，并刻蚀所述第一结底电极区及电流导通区域外的所述第一结超导底材料层以形成所述第一结底电极。3.根据权利要求1所述的基于π结的磁通存储器件的制备方法，其特征在于，形成所述第二类约瑟夫森结包括以下步骤：于所述衬底上形成第二类约瑟夫森结材料层，所述第二类约瑟夫森结材料层包括自下而上依次层叠的第二结超导底材料层、第二结正常金属势垒材料层及第二结超导顶材料层；于所述第二类约瑟夫森结材料层上形成第一光阻层，并图案化所述第一光阻层以定义第二结底电极区，其中，图案化的所述第一光阻层遮盖所述第二结底电极区；以图案化的所述第一光阻层为掩膜刻蚀所述第二结超导顶材料层及所述第二结正常金属势垒材料层；形成第二光阻层并图案化以定义第二结顶电极区，其中，图案化的所述第二光阻层遮盖所述第二结顶电极区；以图案化的所述第二光阻层为掩膜刻蚀所述第二结超导顶材料层以形成所述第二结顶电极，并刻蚀所述第二结底电极区及电流导通区域外的所述第二结超导底材料层以形成
所述第二结底电极。4.根据权利要求3所述的基于π结的磁通存储器件的制备方法，其特征在于，形成所述第二类约瑟夫森结材料层还包括以下步骤：于所述衬底上形成保护层，所述保护层覆盖所述第一类约瑟夫森结；图案化所述保护层以显露预设区域的所述衬底；形成所述第二结超导底材料层于所述保护层表面及显露的所述衬底表面；形成所述第二结正常金属势垒材料层于所述第二结超导底材料层表面；形成所述第二结超导顶材料层于所述第二结正常金属势垒材料层表面；去除所述预设区域以外的所述第二结超导底材料层、所述第二结正常金属势垒材料层及所述第二结超导顶材料层。5.根据权利要求4所述的基于π结的磁通存储器件的制备方法，其特征在于：所述保护层的材质包括光刻胶，去除所述预设区域以外的所述第二结超导底材料层、所述第二结正常金属势垒材料层及所述第二结超导顶材料层的方法包括在有机溶液中通过超声波将所述保护层所在区域的所述第二结超导底材料层、所述第二结正常金属势垒材料层及所述第二结超导顶材料层剥离，留下位于所述预设区域的所述第二结超导底材料层、所述第二结正常金属势垒材料层及所述第二结超导顶材料层。6.根据权利要求1所述的基于π结的磁通存储器件的制备方法，其特征在于：所述第一结底电极的材料包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种，所述第一结铁磁势垒层的材料包括NiCu、NiFe及NiPd中的至少一种，所述第一结顶电极的材料包括Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾俊文，陈垒，钟翔海，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：