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CN111933787B - 超导连接通道及其制备方法 - Google Patents

超导连接通道及其制备方法 Download PDF

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CN111933787B CN202010844753.6A CN202010844753A CN111933787B CN 111933787 B CN111933787 B CN 111933787B CN 202010844753 A CN202010844753 A CN 202010844753A CN 111933787 B CN111933787 B CN 111933787B
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Abstract

本发明提供一种超导连接通道及其制备方法，包括：1)制备一表层包括第一铌材料层的中间结构，于所述中间结构上覆盖第一绝缘材料层；2)图形化所述第一绝缘材料层，以形成通道开口并露出所述第一铌材料层的上表面，保留所述第一绝缘材料层上的光刻胶；3)将步骤2)形成的结构暴露于氮等离子化体中，对各通道开口处第一铌材料层的表面进行氮等离子化体注入，形成氮化铌薄膜；4)去除所述光刻胶后沉积第二铌材料层，并图形化所述第二铌材料层；其中，步骤2)及步骤3)在同一腔室中不破真空下进行。本发明的超导连接通道及其制备方法有效克服了以往的连接通道的约瑟夫森效应，提高了超导电路器件的性能及其稳定性。

Description

超导连接通道及其制备方法
技术领域
本发明涉及超导电路的工艺设计领域，特别是涉及一种超导连接通道及其制备方法。
背景技术
超导电路包括超导量子干涉器(SQUID)，单磁通量子器件(SFQ)等应用超导约瑟夫森结的电路。
超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是基于约瑟夫森效应和磁通量子化原理的超导量子器件，它的基本结构是在超导环中插入两个约瑟夫森结，SQUID是目前已知的最灵敏的磁通探测传感器，典型的SQUID器件的磁通噪声在μΦ0/Hz1/2量级(1Φ0＝2.07×10-15Wb)，其磁场噪声在fT/Hz1/2量级(1fT＝1×10-15T)，由于其具有极高的灵敏度，可广泛应用于医学心磁脑磁、材料探测、地球磁场、军事、地震和考古等各方面，用其制备的磁通显微镜可从事基础研究。
单磁通量子器件(Single Flux Quantum,SFQ)是利用约瑟夫森结内的单个磁通量子来表示逻辑“1”和“0”的超导电路技术。以此为基础的超导数字电路时钟频率可达770GHz，可用于雷达和通信系统的超宽带模数/数模转换器、宽带网络交换器、射电天文的数字式自相关器以及超导计算机等。因其具有速度快、功耗低等优点，目前美国和日本均投入巨资进行战略研究。
超导电路一般由约瑟夫森结和一些电阻、电感等相互搭配组成。因为融合超导物理和微电子技术，超导电路的设计较为复杂，需要考虑微小的变量造成的影响，包括电感大小匹配、电阻尺寸大小和阻值、每层薄膜的厚度、由金属绝缘金属造成的电容等。其中导通通道部分因为其层数较多，会寄生一定的电阻、电感和电容等，所以在超导电路设计过程中尤其需要仔细考量开孔的质量，通常的电路都是第一层超导Nb材料层，做图案后覆盖一层二氧化硅，然后开孔，然后在孔上覆盖第二层超导Nb材料层，第一层超导Nb材料层因为暴露在空气中做工艺的原因，表面会形成一层NbOx，影响其与第二层超导Nb材料层的连接，处理不好就会有一个不可控的弱连接，影响最终电路工作。
因此，如何克服超导连接通道的弱连接、提高电路性能，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导连接通道及其制备方法，用于解决现有技术中超导连接通道的弱连接影响电路性能的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明利用NbN的超导转变温度比Nb高的特点，提供一种超导连接通道的制备方法，所述超导连接通道的制备方法至少包括：
S1)制备一表层包括第一铌材料层的中间结构，于所述中间结构上覆盖第一绝缘材料层；S2)图形化所述第一绝缘材料层，以形成通道开口并露出所述第一铌材料层的上表面，保留所述第一绝缘材料层上的光刻胶；
S3)将步骤S2)形成的结构暴露于氮等离子化体中，对各通道开口处第一铌材料层的表面进行氮等离子化体注入，形成氮化铌薄膜；
S4)去除所述光刻胶后沉积第二铌材料层，并图形化所述第二铌材料层；
其中，步骤S2)及步骤S3)在同一腔室中不破真空下进行。
可选地，所述中间结构包括衬底，依次形成于所述衬底上的下层超导材料层、第二绝缘材料层及上层超导材料层；所述下层超导材料层和/或所述上层超导材料层的材料为铌。
更可选地，所述中间结构还包括与所述上层超导材料层位于同一层的绝缘材料层上的旁路电阻，则步骤S2)中图形化所述第一绝缘材料层形成的通道开口还露出所述旁路电阻的上表面。
可选地，所述中间结构包括衬底，依次形成于所述衬底上的下层超导材料层、第二绝缘材料层、上层超导材料层及叠层结构，所述叠层结构包括依次交替叠置的至少一层第三绝缘材料层与至少一层超导配线层；其中，至少一层超导配线层的材料为铌。
更可选地，所述中间结构还包括与所述顶层超导配线层位于同一层的绝缘材料层上的旁路电阻，则步骤S2)中图形化所述第一绝缘材料层形成的通道开口还露出所述旁路电阻的上表面。
更可选地，所述第一绝缘材料层的材料包括二氧化硅、氮化硅、一氧化硅或氧化镁。
更可选地，步骤S1)中采用刻蚀机图形化所述第一绝缘材料层；步骤S2)在所述刻蚀机的腔体中通入氮气，并利用所述刻蚀机的射频源将氮气等离子化，进而完成氮等离子体注入。
更可选地，步骤S1)中在图形化所述第一绝缘材料层之前，先对所述第一绝缘材料层进行抛光处理。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导连接通道，所述超导连接通道至少包括：
第一铌材料层；
位于所述第一铌材料层上的绝缘层，所述第一绝缘材料层中形成有通道开口；
位于所述通道开口内的第一铌材料层表面的氮化铌薄膜；
位于所述氮化铌薄膜及所述第一绝缘材料层上的第二铌材料层。
可选地，所述第一铌材料层为超导约瑟夫森结的下层超导材料层和/或上层超导材料层，所述第二铌材料层为超导约瑟夫森结的超导配线层。
可选地，所述第一铌材料层及所述第二铌材料层分别为超导约瑟夫森结的任意两层超导配线层。
如上所述，本发明的超导连接通道及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的超导连接通道及其制备方法通过改进制备工艺，在超导层间绝缘层(二氧化硅)开孔的时候，增加一步氮等离子体注入的过程，在第一铌材料层开孔表面形成氮化铌薄膜；所述氮化铌薄膜与原第一铌材料层同质生长，可保护第一铌材料层不容易被氧化，且与后续沉积的第二铌材料层也是同质，可以改善这几层间的界面。氮化铌(NbN)与绝缘的NbOx不同，其超导转变温度Tc比铌高，在超导电路工作温区也是很好的超导，这种层间超导连接通道克服了以往的连接通道的中可能存在的弱连接，改善了两层超导层连接位置的界面，有望提升第一铌材料层上约瑟夫森结的性能和稳定性，提升整体超导电路的工作范围。
附图说明
图1显示为本发明形成第一铌材料层及第一绝缘层的结构示意图。
图2显示为本发明形成通道开口的结构示意图。
图3显示为本发明形成氮化铌薄膜的结构示意图。
图4显示为本发明形成第一铌材料层的结构示意图。
图5显示为本发明形成超导电路器件中约瑟夫森结上电极和/或下电极与超导配线层之间开孔连接的结构示意图。
图6显示为本发明形成超导电路器件中两层超导配线层之间开孔连接的结构示意图。
图7显示为本发明形成超导电路器件中具有旁路电阻的两层超导材料层之间开孔连接的结构示意图。
元件标号说明
1 底层结构
10 衬底
11 下层超导材料层
12 第二绝缘材料层
13 上层超导材料层
14 第三绝缘层
15 第一超导配线层
16 第四绝缘材料层
17 旁路电阻
2 第一铌材料层
3 第一绝缘材料层
4 光刻胶
5 通道开口
6 氮化铌薄膜
7 第二铌材料层
S1～S4、S11～S14、 步骤
S21～S24、S31～S34
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图7所示，本发明提供一种超导连接通道的制备方法，所述超导连接通道的制备方法包括：
S1)制备一表层包括第一铌材料层2的中间结构，于所述中间结构上覆盖第一绝缘材料层3。
具体地，如图1所示，所述中间结构包括但不限于由两层超导材料层和一层绝缘材料层组成的三明治结构、由所述三明治结构与超导配线层组成的约瑟夫森结结构、由所述约瑟夫森结结构与旁路电阻组成的超导电路，在此不一一赘述。所述中间结构包括底层结构1及位于表层的第一铌材料层2。
具体地，如图1所示，于所述中间结构上覆盖第一绝缘材料层3，所述第一绝缘材料层3的材料包括但不限于二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、一氧化硅(SiO)或氧化镁(MgO)，在此不一一列举。
S2)图形化所述第一绝缘材料层3，以形成通道开口5并露出所述第一铌材料层2的上表面，保留所述第一绝缘材料层3上的光刻胶4。
具体地，如图2所示，在本实施例中，在所述第一绝缘材料层2表面旋涂光刻胶4，然后采用光刻工艺在刻蚀机的腔体中图形化所述第一绝缘材料层3，以形成通道开口5，所述通道开口5用于露出所述第一铌材料层2的上表面，不开腔不去胶执行步骤S3)。
作为本发明的另一种实现方式，在图形化所述第一绝缘材料层3之前，先对所述第一绝缘材料层3进行抛光处理，以减薄所述第一绝缘材料层3或提升材料层表面的平坦度，优化器件质量。
S3)将步骤S2)形成的结构暴露于氮等离子化体中，对所述通道开口5处第一铌材料层2的表面进行氮等离子化体注入，形成氮化铌薄膜6。
具体地，如图3所示，在本实施例中，在所述刻蚀机的腔体中通入氮气，并利用所述刻蚀机的射频源将氮气等离子化，进而对所述通道开口5内的所述第一铌材料层2表面进行氮等离子体注入，形成氮化铌薄膜6，所述氮化铌薄膜6与所述第一铌材料层2同质生长，可保护所述第一铌材料层2不被氧化。
S4)去除所述光刻胶4后沉积第二铌材料层7，并图形化所述第二铌材料层7。
具体地，如图4所示，将步骤S3)形成的结构从所述刻蚀机的腔体中取出，去除所述光刻胶4，然后在所述第一绝缘材料层3表面及所述通道开口5内沉积第二铌材料层7，以此实现超导连接通道的电连接。所述第二铌材料层7与所述氮化铌薄膜6同质。
需要说明的是，在本实施例中采用刻蚀机的腔体进行绝缘层的图形化及氮等离子化，在实际使用中，任意可实现绝缘层的图形化及氮等离子化的密闭腔体(不破真空)均适用于本发明，不以本实施例为限。
本发明的超导连接通道的制备方法适用于任意两层铌材料层通过超导通道互连的结构，在掩膜版设计上不需要做出变动；以下针对超导电路中不同位置的超导连接通道分别进行说明。
实施例一
如图5所示，在本实施例中，所述超导连接通道的制备方法应用于超导电路器件中约瑟夫森结上电极和/或下电极与超导配线层之间开孔连接的制备。作为示例，所述中间结构包括衬底10，依次形成于所述衬底10上的下层超导材料层11、第二绝缘材料层12及上层超导材料层13；所述下层超导材料层11和/或所述上层超导材料层13的材料为铌。具体制备步骤如下：
S11)提供一衬底10，于所述衬底10上依次形成下层超导材料层11、第二绝缘材料层12及上层超导材料层13，图像化所述上层超导材料层13及所述第二绝缘材料层12以形成约瑟夫森结。作为示例，所述下层超导材料层11及所述上层超导材料层13的材料均为铌，在实际使用中，可选择所述下层超导材料层11或所述上层超导材料层13中任意一层的材料为铌，并通过本发明的方法形成对应的配线层。然后在所述约瑟夫森结上沉积第一绝缘材料层3。
S12)对步骤S11)形成的结构表面涂布光刻胶(图中未显示)，并设置于刻蚀机的腔体中进行光刻以图形化所述第一绝缘材料层3，在所述第一绝缘材料层3中形成通道开口分别露出所述下层超导材料层11及所述上层超导材料层13(相当于所述第一铌材料层2)的上表面，保留所述光刻胶并在所述刻蚀机的腔体中继续执行步骤S13)，避免空气接触。
S13)在所述刻蚀机的腔体中通入氮气，并利用所述刻蚀机的射频源将氮气等离子化，于露出的下层超导材料层11及所述上层超导材料层13上表面形成氮化铌薄膜6。
S14)去除所述光刻胶后沉积第二铌材料层7(作为超导配线层)并图像化所述第二铌材料层7，所述第二铌材料层7填充所述通道开口并于所述第一绝缘材料层3上形成所述下层超导材料层11及所述上层超导材料层13的配线。
实施例二
如图6所示，在本实施例中，所述超导连接通道的制备方法应用于超导电路器件中两层超导配线层之间开孔连接的制备。作为示例，所述中间结构包括衬底10，依次形成于所述衬底10上的下层超导材料层11、第二绝缘材料层12、上层超导材料层13及叠层结构，所述叠层结构包括依次交替叠置的至少一层第三绝缘材料层与至少一层超导配线层；其中，至少一层超导配线层的材料为铌。在本实施例中，所述叠层结构包括第三绝缘层14及第一超导配线层15。具体制备方法如下：
S21)制备约瑟夫森结，并形成第一超导配线层15，在所述第一超导配线层15上沉积第一绝缘材料层3。
S22)对步骤S21)形成的结构表面涂布光刻胶(图中未显示)，并设置于刻蚀机的腔体中进行光刻以图形化所述第一绝缘材料层3，在所述第一绝缘材料层3中形成通道开口分别露出所述第一超导配线层15(相当于所述第一铌材料层2)的上表面，保留所述光刻胶并在所述刻蚀机的腔体中继续执行步骤S23)，避免空气接触。
S23)在所述刻蚀机的腔体中通入氮气，并利用所述刻蚀机的射频源将氮气等离子化，于露出的第一超导配线层15上表面形成氮化铌薄膜6。
S24)去除所述光刻胶后沉积第二铌材料层7并图像化所述第二铌材料层7，所述第二铌材料层7填充所述通道开口并于所述第一绝缘材料层3上形成第二超导配线层。
作为本发明的另一种实现方式，所述第一超导配线层15与所述下层超导材料层11之间、所述第一超导配线层15与所述上层超导材料层13之间的通道也可采用本发明的超导连接通道的制备方法形成，即，所述第一超导配线层15与所述下层超导材料层11、所述第一超导配线层15与所述上层超导材料层13之间分别形成有氮化铌薄膜6，在此不一一赘述。
实施例三
如图7所示，在本实施例中，所述超导连接通道的制备方法应用于超导电路器件中具有旁路电阻的两层超导材料层之间开孔连接的制备。作为示例，所述中间结构包括衬底10，依次形成于所述衬底10上的下层超导材料层11、第二绝缘材料层12、上层超导材料层13、与所述上层超导材料层13位于同一层的第四绝缘材料层16及位于所述第四绝缘材料层16上的旁路电阻17；所述下层超导材料层11和/或所述上层超导材料层13的材料为铌。具体制备步骤如下：
S31)提供一衬底10，于所述衬底10上依次形成下层超导材料层11、第二绝缘材料层12及上层超导材料层13，图像化所述上层超导材料层13及所述第二绝缘材料层12以形成约瑟夫森结。然后沉积所述第四绝缘材料层16，并对所述第四绝缘材料层16进行抛光(也可省略抛光的步骤)；然后沉积电阻材料层并图形化，以形成旁路电阻17；然后沉积第一绝缘材料层3。
S32)对步骤S31)形成的结构表面涂布光刻胶(图中未显示)，并设置于刻蚀机的腔体中进行光刻以图形化所述第一绝缘材料层3，在所述第一绝缘材料层3中形成通道开口分别露出所述下层超导材料层11、所述上层超导材料层13(相当于所述第一铌材料层2)及所述旁路电阻17的上表面，保留所述光刻胶并在所述刻蚀机的腔体中继续执行步骤S33)，避免空气接触。
S33)在所述刻蚀机的腔体中通入氮气，并利用所述刻蚀机的射频源将氮气等离子化，于露出的下层超导材料层11及所述上层超导材料层13上表面形成氮化铌薄膜6。
S34)去除所述光刻胶后沉积第二铌材料层7(作为超导配线层)并图像化所述第二铌材料层7，所述第二铌材料层7填充所述通道开口并于所述第一绝缘材料层3上形成所述下层超导材料层11、所述上层超导材料层13及所述旁路电阻17的配线。
需要说明的是，所述旁路电阻17也可位于与超导配线层同一层的绝缘材料层上，在此不一一赘述。
实施例四
本发明还提供一种超导连接通道，所述超导连接通道包括：
第一铌材料层2；
位于所述第一铌材料层2上的第一绝缘材料层3，所述第一绝缘材料层3中形成有通道开口；
位于所述通道开口内的第一铌材料层2表面的氮化铌薄膜6；
以及，位于所述氮化铌薄膜6及所述第一绝缘材料层3上的第二铌材料层7。
具体地，作为本发明的一种实现方式，所述第一铌材料层2为超导约瑟夫森结的下层超导材料层和/或上层超导材料层，所述第二铌材料层7为超导约瑟夫森结的(任意层)超导配线层，不限于本发明列举的第一层超导配线层。
具体地，作为本发明的另一种实现方式，所述第一铌材料层2及所述第二铌材料层7分别为超导约瑟夫森结的任意两层超导配线层。
本发明通过改进制备工艺，在超导层间绝缘层(二氧化硅)开孔的时候，增加一步氮等离子体注入的过程，在第一铌材料层开孔表面形成氮化铌薄膜；所述氮化铌薄膜与原第一铌材料层同质生长，可保护第一铌材料层不容易被氧化，且与后续沉积的第二铌材料层也是同质，可以改善这几层间的界面。氮化铌(NbN)与绝缘的NbOx不同，其超导转变温度Tc比铌高，在超导电路工作温区也是很好的超导，这种层间超导连接通道克服了以往的连接通道的中可能存在的弱连接，改善了两层超导层连接位置的界面，有望提升第一铌材料层上约瑟夫森结的性能和稳定性，提升整体超导电路的工作范围。
综上所述，本发明提供一种超导连接通道及其制备方法，包括：1)制备一表层包括第一铌材料层的中间结构，于所述中间结构上覆盖第一绝缘材料层；2)图形化所述第一绝缘材料层，以形成通道开口并露出所述第一铌材料层的上表面，保留所述第一绝缘材料层上的光刻胶；3)将步骤2)形成的结构暴露于氮等离子化体中，对各通道开口处第一铌材料层的表面进行氮等离子化体注入，形成氮化铌薄膜；4)去除所述光刻胶后沉积第二铌材料层，并图形化所述第二铌材料层；其中，步骤2)及步骤3)在同一腔室中不破真空下进行。本发明的超导连接通道及其制备方法有效克服了以往的连接通道的约瑟夫森效应，提高了超导电路器件的性能及其稳定性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种超导连接通道的制备方法，其特征在于，所述超导连接通道的制备方法至少包括：
S1)制备一表层包括第一铌材料层的中间结构，于所述中间结构上覆盖第一绝缘材料层；
S2)图形化所述第一绝缘材料层，以形成通道开口并露出所述第一铌材料层的上表面，保留所述第一绝缘材料层上的光刻胶；
S3)将步骤S2)形成的结构暴露于氮等离子化体中，对各通道开口处第一铌材料层的表面进行氮等离子化体注入，形成氮化铌薄膜；
S4)去除所述光刻胶后沉积第二铌材料层，并图形化所述第二铌材料层；
其中，步骤S2)及步骤S3)在同一腔室中不破真空下进行。
2.根据权利要求1所述的超导连接通道的制备方法，其特征在于：所述中间结构包括衬底，依次形成于所述衬底上的下层超导材料层、第二绝缘材料层及上层超导材料层；所述下层超导材料层和/或所述上层超导材料层的材料为铌。
3.根据权利要求2所述的超导连接通道的制备方法，其特征在于：所述中间结构还包括与所述上层超导材料层位于同一层的绝缘材料层上的旁路电阻，则步骤S2)中图形化所述第一绝缘材料层形成的通道开口还露出所述旁路电阻的上表面。
4.根据权利要求1所述的超导连接通道的制备方法，其特征在于：所述中间结构包括衬底，依次形成于所述衬底上的下层超导材料层、第二绝缘材料层、上层超导材料层及叠层结构，所述叠层结构包括依次交替叠置的至少一层第三绝缘材料层与至少一层超导配线层；其中，至少一层超导配线层的材料为铌。
5.根据权利要求4所述的超导连接通道的制备方法，其特征在于：所述中间结构还包括与顶层超导配线层位于同一层的绝缘材料层上的旁路电阻，则步骤S2)中图形化所述第一绝缘材料层形成的通道开口还露出所述旁路电阻的上表面。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的超导连接通道的制备方法，其特征在于：所述第一绝缘材料层的材料包括二氧化硅、氮化硅、一氧化硅或氧化镁。
7.根据权利要求1～5任意一项所述的超导连接通道的制备方法，其特征在于：步骤S1)中采用刻蚀机图形化所述第一绝缘材料层；步骤S2)在所述刻蚀机的腔体中通入氮气，并利用所述刻蚀机的射频源将氮气等离子化，进而完成氮等离子体注入。
8.根据权利要求1～5任意一项所述的超导连接通道的制备方法，其特征在于：步骤S1)中在图形化所述第一绝缘材料层之前，先对所述第一绝缘材料层进行抛光处理。
9.一种超导连接通道，采用如权利要求1～8任意一项所述的超导连接通道的制备方法制备，其特征在于，所述超导连接通道至少包括：
第一铌材料层；
位于所述第一铌材料层上的绝缘层，所述第一绝缘材料层中形成有通道开口；
位于所述通道开口内的第一铌材料层表面的氮化铌薄膜；
位于所述氮化铌薄膜及所述第一绝缘材料层上的第二铌材料层。
10.根据权利要求9所述的超导连接通道，其特征在于：所述第一铌材料层为超导约瑟夫森结的下层超导材料层和/或上层超导材料层，所述第二铌材料层为超导约瑟夫森结的超导配线层。
11.根据权利要求9所述的超导连接通道，其特征在于：所述第一铌材料层及所述第二铌材料层分别为超导约瑟夫森结的任意两层超导配线层。
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