三層約瑟夫森結結構及其形成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三層約瑟夫森結結構及其形成方法。電介質層在基底電極層上，基底電極層在基板上。對置電極層在所述電介質層上。第一和第二對置電極由對置電極層形成。第一和第二電介質層由電介質層形成。第一和第二基底電極由基底電極層形成。所述第一對置電極、第一電介質層和第一基底電極形成第一堆疊。所述第二對置電極、第二電介質層和第二基底電極形成第二堆疊。分流電容器在第一和第二基底電極之間。ILD層沉積在基板、第一和第二對置電極以及所述第一和第二基底電極上。接觸橋連接所述第一和第二對置電極。通過移除ILD，空氣間隙形成于所述接觸橋下方。
【專利說明】
三層約瑟夫森結結構及其形成方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及超導技術，并且更具體地，涉及用于超導量子比特的具有小空氣橋而不具有層間電介質的三層約瑟夫森結(Josephson junct1n) 0
【背景技術】
[0002]在一種被稱為電路量子電動力學系統(tǒng)的方案中，量子計算米用了被稱為量子比特的有源超導裝置來操作并存儲量子信息，并且采用了諧振器(例如，作為二維(2D)平面波導或作為三維(3D)微波腔)來讀取并促進量子比特之間的交互。每個超導量子比特包括一個或多個約瑟夫森結，約瑟夫森結通過與其并聯(lián)的電容器分流。量子比特電容耦合至2D或3D微波腔。與量子比特相關的能量存在于該約瑟夫森結周圍的電磁場中，尤其存在于相對較大的分流電容結構附近。迄今為止，主要的關注點一直在于延長量子比特的壽命從而允許在量子比特的退相干(decoherence)失去信息之前進行計算(8卩，操作和讀取)。目前，超導量子比特相干時間可高達100微秒，并且正致力于延長該相干時間。與延長相干時間相關的其中一個研究領域專注于消除來自于具有相對較高的電磁場能量密度的區(qū)域的致?lián)p材料(lossy material)，這些區(qū)域例如在包含該量子比特的薄膜的尖角或邊緣附近?？拷孔颖忍氐倪@種材料可能包括支持已知為二級系統(tǒng)(two-level systems，TLSs)的缺陷的瑕瘋。

【發(fā)明內容】

[0003]根據一實施例，提供一種三層約瑟夫森結結構的形成方法。所述方法包括:在基底電極層上沉積電介質層，其中所述基底電極層沉積在基板上;在所述電介質層上沉積對置電極層；以及由所述對置電極層形成第一對置電極和第二對置電極。所述方法包括:由所述電介質層形成第一電介質層和第二電介質層；以及由所述基底電極層形成第一基底電極和第二基底電極。所述第一對置電極、第一電介質層和第一基底電極形成第一堆疊。所述第二對置電極、第二電介質層和第二基底電極形成第二堆疊。分流電容器形成在所述第一基底電極和第二基底電極之間。所述方法還包括在所述第一對置電極和第二對置電極、所述第一基底電極和第二基底電極、以及所述基板的頂表面上共形地沉積層間電介質層;在平坦化所述層間電介質層以暴露所述第一對置電極和第二對置電極的頂部之后，形成連接所述第一對置電極和第二對置電極的接觸橋；以及通過移除所述層間電介質層而在所述接觸橋下方形成空氣間隙。
[0004]根據一實施例，提供了一種三層約瑟夫森結。第一堆疊由第一對置電極、第一電介質層和第一基底電極形成。第二堆疊由第二對置電極、第二電介質層和第二基底電極形成，其中所述第一基底電極和第二基底電極在基板上，并且其中分流電容器形成于所述第一基底電極和第二基底電極之間。接觸橋連接所述第一對置電極和第二對置電極。空氣間隙在所述接觸橋下方。
[0005]根據一實施例，提供了一種三層約瑟夫森結結構。第一堆疊由第一對置電極、第一電介質層和第一基底電極形成。第二堆疊由第二對置電極、第二電介質層和第二基底電極形成。所述第一基底電極和第二基底電極在基板上。分流電容器形成于所述第一基底電極和第二基底電極之間。接觸橋連接所述第一對置電極和第二對置電極。層間電介質材料包封所述第一堆疊的第一部分并且包封所述第二堆疊的第二部分。
[0006]可通過本發(fā)明的技術實現(xiàn)其他特征和優(yōu)勢。在此詳細描述了本發(fā)明的其他實施例和方面，并且其應視為是所請求保護的發(fā)明的一部分。為了更好地理解本發(fā)明的優(yōu)勢和特征，請參照說明書和附圖。
【附圖說明】
[0007]在權利要求書中具體指明并且清楚地請求了被視為本發(fā)明的發(fā)明主題。本發(fā)明的前述及其他特征和優(yōu)勢將通過以下結合附圖的詳細說明而清楚可見。
[0008]圖1A至IL示例了根據一實施例的制造用于超導量子比特的具有小空氣橋的三層約瑟夫森結結構的工藝流程，其中:
[0009]圖1A是三層約瑟夫森結結構的起始堆疊的俯視圖(top-downview)；
[0010]圖1B是所述起始堆疊的橫截面視圖；
[0011 ] 圖1C是對置電極(counter electrode)圖案化的俯視圖；
[0012]圖1D是對置電極的橫截面視圖；
[0013]圖1E是包括叉指分流電容器(interdigitatedfinger shunting capacitor)的基底電極圖案化的俯視圖；
[0014]圖1F是基底電極圖案化的橫截面視圖；
[0015]圖1G是填充并且平坦化約瑟夫森結附近的比特量子結構的俯視圖；
[0016]圖1H是填充并且平坦化比特量子結構的橫截面視圖；
[0017]圖1I是執(zhí)行跨接(cross-over)圖案化的橫截面視圖；
[0018]圖1J是跨接圖案化的橫截面視圖；
[0019]圖1K是示例了層間電介質(ILD)層的移除的俯視圖；
[0020]圖1L是示例了移除了該層間電介質層以形成空氣間隙的橫截面視圖；
[0021]圖2A是根據另一實施例的三層約瑟夫森結結構的俯視圖；
[0022]圖2B是根據該另一實施例的三層約瑟夫森結結構的橫截面視圖；
[0023]圖2C是根據該另一實施例的示出了額外的電極指(electrodefinger)的三層約瑟夫森結結構的俯視圖；
[0024]圖3A是根據又一實施例的制造三層約瑟夫森結結構的工藝流程的橫截面視圖；
[0025]圖3B是根據該又一實施例的形成于三層約瑟夫森結結構中的非平坦化接觸的橫截面視圖；
[0026]圖4A和4B—起示例了根據一實施例的形成三層約瑟夫森結結構的方法。
【具體實施方式】
[0027]當前，高相干超導量子比特采用使用雙角式陰影蒸發(fā)工藝制造的Α1/Α10χ/Α1約瑟夫森結結合通常由Nb制成的叉指分流電容器。此方案最小化了包含二級系統(tǒng)(TLSs)的沉積電介質的存在，TLS已知用于減少量子比特相干時間。然而，將此類工藝的規(guī)模擴大至大量穩(wěn)定、可重現(xiàn)的約瑟夫森結是成問題的。
[0028]同時，現(xiàn)在普遍使用三層結工藝來制造約瑟夫森結邏輯裝置和集成電路以及約瑟夫森結電壓標準。該工業(yè)標準方案涉及Nb/A10x/Nb三層膜。這種結合了干法刻蝕、共形地沉積層間電介質(ILD)和化學機械拋光(CMP)平坦化技術的耐受三層膜能夠實現(xiàn)非常可控、可重現(xiàn)并且穩(wěn)定的、具有自對準對置電極接觸的深亞微米結。不幸的是，使用此類工藝制造量子比特的嘗試所產生的結果相對較差，最佳Tl和T2時間小于500ns。假設存在于ILD(例如，沉積的S1x或SiN)或者可能存在于結勢皇本身中的二級系統(tǒng)處于故障中。Α1/Α10χ/Α1三層結的結果是相當?shù)摹τ诖祟愌b置，分流電容器已被典型地構造為超導/ILD/超導的三明治結構，其中，ILD在確定相干時間Tl和T2時具有較大的參與率(量子比特的電磁場能量的分數(shù))。通過移除ILD以形成空氣間隙電容器結構的嘗試尚未能獨立于三層而改進量子比特性會K。
[0029]Tl被稱為“馳豫時間”、“縱向相干時間”、“自發(fā)發(fā)射時間”或“振幅阻尼” Jl測量量子比特系統(tǒng)的能量損失。Tl是量子比特從激發(fā)態(tài)衰減至基態(tài)所花費的多長時間的量度標準。T2被稱為量子比特的“相位相干時間”。12是量子比特在可預言相位保持相干多長時間的量度標準。
[0030]據說，在迄今為止展示過的三層量子比特中，尚未能勝任執(zhí)行三層結，因為其結果均受到電容器損耗的嚴重污染。即使是在空氣間隙的情況下，仍然存在由電容器的廣闊內表面區(qū)域造成的較大參與率，已知的是，在殘留在可能包含二級系統(tǒng)的表面上的致?lián)p碎片(lossy debris)的方面，這樣的表面是成問題的。
[0031]根據一實施例，示出叉指電容以避免這一問題，通過該表面中場能僅具有相對小的分數(shù)以及通過具有例如高純度藍寶石或硅的低損耗基板。實施例描述了由叉指電容器與三層結相結合而構成的量子比特，其中該三層結已移除了層間電介質(ILD)以形成用于接觸基底電極的非常小的空氣間隙結構。這使得生成的量子比特具有與不具有ILD的三層約瑟夫森結相結合的現(xiàn)有“優(yōu)秀”量子比特(上方或下方不具有ILD)實質相同的叉指電容器。對于Α1/Α10χ/Α1結，其性能應與現(xiàn)有技術中使用陰影蒸發(fā)的Α1/Α10χ/Α1結獲得的性能相當。對于Nb/A10x/Nb結，其性能可與現(xiàn)有技術的相當，盡管該性能有可能因結本身的損耗而降級;然而，如果使用Α1/Α10χ/Α1結，這些損耗可以是可忽略的。
[0032]圖1A至圖1L示例了根據一實施例的制造用于超導量子比特的、具有小空氣橋而不具有層間電介質的三層約瑟夫森結結構100的工藝流程的視圖。在一種情況下，該超導量子比特可為傳輸子(transmon)量子比特。
[0033]圖1A示例了該三層約瑟夫森結結構100的起始堆疊的俯視圖，而圖1B示例了該三層約瑟夫森結結構100的起始堆疊的橫截面視圖。結構100包括基板5，其可為晶片?；?可為硅、藍寶石等?；纂姌O層10沉積在基板5的頂部上，電介質層15沉積在基底電極層10的頂部上。對置電極層20沉積在電介質層15的頂部上。圖1A示出了對置電極層20并且識別該橫截面視圖是截取自線A-A’。
[0034]堆疊110由該基底電極層10、電介質層15和對置電極層20形成。在一個實例中，對于硅基板5，該堆疊110中的基底電極層10可為鈮(Nb)，電介質層15可為鋁(Al)和鋁氧化物(AlOx)的組合，對置電極層20可為銀(Nb)。而且，該堆疊110可為娃基板5上的Nb/A10x/Nb。
[0035]在另一實例中，對于藍寶石基板5，該堆疊110中的基底電極層10可為鈦氮化物(TiN)，電介質層15可為鉿氧化物(HfO2),對置電極層20可為鈦氮化物(TiN)。
[0036]圖1C是示例了對置電極層20的對置電極圖案化的俯視圖。該對置電極層20被刻蝕為大對置電極21A和小對置電極21B。在圖1C中，沿線B-B’截取了橫截面視圖。圖1D是該對置電極層20的對置電極圖案化的橫截面視圖。圖1D示出了電介質層15隨著對置電極層20—起被圖案化，從而在該大對置電極層21A下方形成大電介質層16A并且在該小對置電極層21B下方形成小電介質層16B。
[0037]在大電介質層16A和大對置電極21A的界面處形成大接觸結25A。類似地，在小電介質層16B和小對置電極21B的界面處形成量子比特結25B。圖1C和ID示出了刻蝕可在電介質層15上停止。在另一實施方式中，刻蝕可在基底電極層10內停止(無需到達基板5)。
[0038]小對置電極21B在X軸上的寬度可在從30至1000納米(nm)的范圍內。在一種情況下，小對置電極21B的寬度可近似為10nm0
[0039]大對置電極21A在X軸上的寬度在一個實例中可為0.5μηι，或在另一實例中可為1μm。大對置電極21Α在X軸上的寬度可在從0.5μπι至Ιμπι的范圍內。該大對置電極21Α的面積(由X軸和y軸測得)形成為是小對置電極21Β的5倍和/或更多。在大對置電極21Α與小對置電極21B之間限定距離D1。該距離Dl可近似為100至lOOOnm。
[0040]圖1E是基底電極層1的基底電極圖案化的俯視圖。該基底電極層10被圖案化為基底電極部分IlA和基底電極部分11B?；纂姌O部分IlA形成分流電容器的一個叉指電極，而該基底電極部分IlB形成分流電容器的另一個叉指電極。盡管為了簡化的目的而僅示出了三個叉指，但本領域技術人員應理解的是，叉指的數(shù)量可在2至21個或更多的范圍內變化。例如，圖2C示出了更多個叉指。
[0041 ]圖1F是基底電極層1的基底電極圖案化的橫截面視圖?；纂姌O部分11A直接位于大電介質層16A的下方，而基底電極部分IlB直接位于小電介質層16B的下方。在基底電極部分IIA和基底電極部分IIB之間限定距離D2。該距離D2可近似為50至500nm，并且小于Dl。
[0042]圖1G是填充并且平坦化結構100的俯視圖。層間電介質(ILD)材料25可共形地沉積在結構100上并且之后被平坦化。圖1H是填充和平坦化結構100的橫截面視圖。層間電介質(ILD)材料25可通過例如旋涂、濺射或CVD技術沉積。該層內電介質(ILD)材料25可為多晶硅、氧化物、氮化物等等。平坦化可通過化學機械平坦化/拋光和/或刻蝕實現(xiàn)。如可見的，該結構100被平坦化以在z軸上暴露大對置電極21A的頂部和小對置電極21B的頂部。圖1G中示出的隱藏線代表基底電極部分IIA和基底電極部分IlB，其二者均由層間電介質層25覆蓋。
[0043]圖1I是執(zhí)行跨接圖案化的俯視圖，而圖1J是跨接圖案化的橫截面視圖。形成自對準的接觸橋30，其中自對準指的是不像非平坦工藝的情況下那樣必須適應額外的對準公差這一事實，該非平坦工藝要求接觸孔穿過基座結構(層21B的頂表面)上方的電介質并且完全位于該基座結構的周界以內。接觸橋30形成在大對置電極21A和小對置電極21B 二者的頂部上，由此提供二者之間的電連接。該接觸橋30還覆蓋層間電介質層25的一部分。接觸橋30可以是金屬，比如鈮、鋁和/或其他超導材料。在一種情況下，沉積接觸橋30的超導材料，然后執(zhí)行剝離以留下圖案化的接觸橋30。在另一情況下，當沉積了接觸橋30的超導材料之后，執(zhí)行刻蝕以圖案化接觸橋30。
[0044]圖1K是示例了移除層間電介質層(ILD)25的俯視圖。圖1K示出了頂部不具有層間電介質層25的基板5的表面。而且，已從基底電極部分IlA和基底電極部分IlB移除了該層間電介質材料25。
[0045]圖1L是示例了移除層間電介質層25的橫截面視圖。該層間電介質層25可通過濕法刻蝕、干法刻蝕和/或干濕法刻蝕的組合來移除。移除層間電介質層25，在接觸橋30下方留下空氣間隙35(在接觸橋30下方，大對置電極21A和小對置電極2IB之間，基底電極部分IIA和IlB之間，豎向的接觸橋30和基板5之間)。相應地，形成三層約瑟夫森結結構100。該三層約瑟夫森結結構100具有基底電極部分11B、電介質層16B和小對置電極21B的三層(其為形成超導量子比特的三層堆疊)。接觸橋30是具有下方的空氣間隙35的空氣橋。大接觸結(21A、16A和部分11A)充當短路件，以將量子比特約瑟夫森結(21B、16B和部分11B)的對置電極21B電性接回至下部金屬層11A，下部金屬層IlA進而形成分流電容器的其他電極。分流電容器形成于該基底電極部分IlA和IlB之間，具體地，形成于基底電極部分IlA和IlB的指之間。本領域技術人員理解的是，基底電極部分IlA和IlB的指形成叉指電容器。
[0046]與各實施例相比，現(xiàn)有技術的三層工藝對于量子比特并不理想，因為現(xiàn)有技術的結構填充有ILD;該ILD是致?lián)p的(S卩，經由二級系統(tǒng)吸收能量)并且劣化該超導量子比特的相干時間。
[0047]然而，與現(xiàn)有技術的結構不同，該三層約瑟夫森結結構100已移除了該層間電介質材料25 (例如，氧化物)。
[0048]在圖2A、2B和2C中示例了的三層約瑟夫森結結構200的替換實施例。圖2A和2B包括上文中在圖1A至圖1J中討論過的工藝流程。圖1G和IH所示的工藝流程顯示已沉積并且平坦化了層間電介質層25。當在圖11和IJ中沉積并且圖案化接觸橋30之后，圖2A是示例了在刻蝕之后保留了該層間電介質材料25的一部分的俯視圖。圖2B是示出了該層間電介質材料25保留在大接觸結21A和量子比特結21B的緊接區(qū)域中的橫截面視圖。需要額外一級光刻來定義保留了該層間電介質材料25的有限區(qū)域。對于以這種方式制造的代表性量子比特，這使得分流電容器的大部分處于與具有蒸發(fā)的Α1/Α10χ/Α1結的標準高相干時間量子比特和具有若干交叉Nb指的情況同樣的情況。
[0049]圖2C示出了在X軸上延伸的額外的電極指(electrodefinger)的俯視圖。該額外的電極指附著至基底電極部分IlA和11B。本領域技術人員會理解，在此討論的超導量子比特不限于僅具有3指的叉指分流電容器。而是，叉指分流電容器可具有多個指以產生足夠大的電容來實現(xiàn)期望的量子比特特性。圖2C示例了僅三層約瑟夫森結結構200的小部分在由層21B、16B和IlB的組合/三明治結構形成的隧道結的緊接附近處具有層間電介質材料25，而從分別從基底電極部分IlA和IlB延伸的其他指狀電極的下方、旁邊和/或頂部完全移除層間電介質材料25。
[0050]圖3A和3B是用于制造根據替換實施例的三層約瑟夫森結結構300的工藝流程的橫截面視圖。在本替換方案中，使用非平坦化接觸來代替大對置電極21A。具體地，使用基底電極部分IlA來代替該大對置電極21A。在如圖1G和IH所討論的那樣平坦化該層間電介質材料25之后(但沒有該大對置電極IlA和大電介質層16A)，執(zhí)行刻蝕以圖案化錐形接觸孔305，該接觸孔305穿過該平坦化的層間電介質層25直至該基底電極部分11A，以使該基底電極部分IIA露出。圖3B是示出了形成非平坦化接觸320的橫截面視圖。該非平坦化接觸320是通過在圖3A中的結構300的層間電介質材料25的頂部上共形地沉積非平坦化接觸320的超導材料而形成的(未示出)。沉積該非平坦化接觸320的該超導材料也填充了圖案化的接觸孔305。非平坦化接觸320的超導材料被圖案化，并且層間電介質材料25被刻蝕掉(如在此討論過的)。刻蝕掉層間電介質材料25，在基底電極部分IIA的頂部上以及小對置電極21B的頂部上留下非平坦化接觸305。非平坦化接觸320具有帶角度的類似臺階的形狀，并且使用該非平坦化接觸320來代替大接觸結25A。在本實施例中，傾斜的非平坦化接觸305成為具有空氣間隙350(類似于空氣間隙35)的空氣橋。非平坦化接觸320的超導材料可包括鋁、鈮以及其他超導材料。
[0051]盡管已關于具有叉指的隧道結(例如，被稱為2D量子比特)進行了討論，實施例也可應用于包括與3D腔結合使用的所謂3D量子比特的其他幾何排列(geometries)。在這種情況下，3D量子比特不具有叉指分流電容器，而是在量子比特的右側上具有一個矩形槳狀物(paddle)(墊)而在量子比特的左側上具有另一個矩形槳狀物(墊)。量子比特通過電極連接至左、右側的矩形槳狀物。
[0052]圖4A和4B示例了根據一實施例的形成三層約瑟夫森結結構100的方法400。
[0053 ]在方框405，在基底電極層1的頂部上沉積電介質層15，其中該基底電極層1沉積在基板5的頂部上。
[0054]在方框410，在電介質層15的頂部上沉積對置電極層20。
[0055]在方框415，由對置電極層20形成第一對置電極(例如，大對置電極21A)和第二對置電極(例如，小對置電極21B)。
[0056]在方框420，由電介質層15形成第一電介質層(例如，大電介質層16A)和第二電介質層(例如，小電介質層16B)。
[0057]在方框425，由基底電極層10形成第一基底電極(例如，基底電極部分11A)和第二基底電極(例如，基底電極部分11B)，其中，第一對置電極(例如，大對置電極21A)、第一電介質層(例如，大電介質層16A)和第一基底電極(例如，基底電極部分11A)形成第一堆疊，并且其中，第二對置電極(例如，小對置電極21B)、第二電介質層(例如，小電介質層16B)和第二基底電極(例如，基底電極部分11B)形成第二堆疊。該第二堆疊是量子比特隧道結。在第一基底電極(例如，基底電極部分IIA)和第二基底電極(基底電極部分IIB)之間形成分流電容器。
[0058]在方框430處，在第一和第二對置電極(大、小對置電極21A和21B)、第一和第二基底電極(基底電極部分11A和11B)以及基板5的頂表面上共形地沉積層間電介質層25，如圖1G和IH所示。
[0059]在方框435處，在平坦化該層間電介質層25以露出第一和第二對置電極的頂部之后，在第一對置電極(例如，大對置電極2IA)和第二對置電極(例如，小對置電極2IB)的頂部上形成連接至第一對置電極和第二對置電極的接觸橋30，如圖1I和IJ所示。
[0060]在方框440處，通過移除層間電介質層25而在接觸橋30下方形成空氣間隙35。
[0061]該層間電介質層25可包括氧化物、多晶硅和/或氮化物中的至少之一。
[0062]接觸橋30下方的空氣間隙35在接觸橋30和基板5之間豎向(在z軸上)延伸，如圖1L所示。而且，接觸橋30下方的空氣間隙35在第一對置電極(例如，大對置電極21A)和第二對置電極(例如，小對置電極2IB)之間水平(在X軸上)延伸。接觸橋30下方的空氣間隙35在第一基底電極(例如，基底電極部分11A)和第二基底電極(例如，基底電極部分11B)之間水平(在X軸上)延伸。
[0063]第一電介質層(例如，大電介質層16A)和第二電介質層(例如，小電介質層16B)包括氧化物。第一電介質層和第二電介質層包括鉿氧化物、鋁氧化物和/或聚合物材料中的至少之一。
[0064]第一基底電極(例如，基底電極部分11A)和第二基底電極(例如，基底電極部分11B)包括鈮、鈦氮化物、鋁和/或鈮氮化物中的至少之一。第一對置電極(例如，大對置電極21A)和第二對置電極(例如，小對置電極21B)包括鈮、鈦氮化物、鋁和/或鈮氮化物中的至少一個。第一基底電極(基底電極部分11A)和第二基底電極(基底電極部分11B)形成基板5上的叉指電極，如圖1E和IG所示。
[0065]目前的技術發(fā)展水平中，展示良好相干時間的超導量子比特的一個實例是通過以兩個交叉的Nb梳齒形式存在的叉指電容器分流的、小的(約10nm X 10nm)陰影蒸發(fā)的Al/Α10χ/Α1約瑟夫森結。該結居中定位并且設置在其中一個指尖與對置梳齒的本體之間。來自結區(qū)域的Al引線連接至先前制造的Nb梳齒結構。此類量子比特的物理尺寸受到由電容器所占面積的影響，并且此面積可為ΙΟΟμπι乘以ΙΟΟμπι或更大。為了使裝置更緊湊，已進行了多種嘗試來將電容器制造為具有基底電極、沉積的層間電介質層和對置電極的平行板結構。這些嘗試典型的還包含了某種形式的三層結技術。相干特性較差，相干時間典型的小于300ns。包括移除ILD的改善相干性的嘗試尚未能改善相干性。這很有可能是因為難以從平行板電容器結構中完全移除ILD，平行板電容結構中三明治狀ILD的寬高比可能為近似100或更大。任何殘留的ILD碎片都可能包含TLS，其阻礙了相干性的顯著改善。還有可能的是，尚未獨立檢測(vetted)的三層結可能會限制相干性。寬高比描述了寬度和高度之間的關系，因此，100的高寬比是指寬度與高度的比率為100:1。
[0066]根據實施例，在本方案中，隧道結和電容器更干凈地分開。已知的是，Nb叉指電容與優(yōu)異的量子比特相干性一致。移除ILD(例如，層間電介質25)之后，已知的良好的叉指結構得以恢復。可用干法或濕法刻蝕技術完全移除ILD，在實施例中不可能殘留任何ILD，與寬高比較高的情形不同。即使是在約瑟夫森結附近，寬高比最多僅為3或4，此外，這是一個小區(qū)域，在該處僅有非常小比率的量子比特電磁場能。因此，本方案將良好的電容器設計與已知具有極好的穩(wěn)定性和可測量性特征的三層約瑟夫森結技術相結合。如果發(fā)現(xiàn)Nb/A10x/Nb結本身對退相干起到顯著的作用，則可使用具有例如Α1/Α10χ/Α1三層結的替換性方案，其中，A1/A10X/A1與優(yōu)異的相干性一致。
[0067]應注意的是，本領域技術人員會理解，可采用各種微電子裝置制造方法來制造在此討論過的組件/元件。在半導體裝置制造中，各種加工步驟落入四個一般分類:沉積、移除、圖案化和電特性的修改。
[0068]沉積是將材料生長、涂覆或者轉移到晶片上的任意工藝?？捎玫募夹g包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、電化學沉積(ECD)、分子束外延(MBE)以及最近的原子層沉積(ALD)。
[0069]移除是將材料從晶片上移除的任意工藝:示例包括刻蝕工藝(濕法或干法)和化學-機械平坦化(CMP)等。
[0070]圖案化是對沉積的材料進行的成形或改形，通常被稱為光刻。例如，在傳統(tǒng)光刻中，晶片涂覆有稱為光刻膠的化學物質;然后，被稱為步進電機的機器聚焦、對準并且移動掩膜，使其下方晶片的選定部分暴露于短波長光;通過顯影劑洗掉暴露區(qū)域。在刻蝕或其他工藝之后，移除剩余的光刻膠。圖案化還包括電子束光刻。
[0071]電特性的修改可包括摻雜，比如摻雜晶體管源極和漏極，通常通過擴散和/或通過離子注入。這些摻雜工藝之后有爐內退火或者快速熱退火(RTA)。退火用于活化注入的摻雜物。
[0072]附圖中的流程圖和框圖示例了根據本發(fā)明的各種實施例的系統(tǒng)、方法和計算機程序產品的可能實施方式的架構、功能性和操作。就這一點而言，流程圖或者框圖中的每個方框可代表模塊、段或程序的一部分，其包括一個或多個用于實施指定邏輯功能的可運行指令。在一些替換性的實施方式中，方框中注明的功能可以不按照圖中標注的順序執(zhí)行。例如，按先后順序顯示的兩個方框實際上可大致同時運行，或者，各方框有時可以以相反的順序運行，取決于所涉及的功能。還應注意到的是，框圖和/或流程圖中例示的每個方框以及框圖和/或流程圖中例示的各方框的組合可通過基于專用目的硬件的系統(tǒng)實施，該系統(tǒng)執(zhí)行指定功能或者充當或實施專用目的硬件和計算機指令的組合。
[0073]關于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明
[0074]本發(fā)明根據國防部頒發(fā)的合同第H98230-13-C-0220號而在政府支持下進行。政府對本發(fā)明具有一定權利。
【主權項】
1.一種三層約瑟夫森結結構的形成方法，所述方法包括: 在基底電極層上沉積電介質層，其中所述基底電極層沉積在基板上； 在所述電介質層上沉積對置電極層； 由所述對置電極層形成第一對置電極和第二對置電極； 由所述電介質層形成第一電介質層和第二電介質層； 由所述基底電極層形成第一基底電極和第二基底電極，其中所述第一對置電極、所述第一電介質層和所述第一基底電極形成第一堆疊，其中所述第二對置電極、所述第二電介質層和所述第二基底電極形成第二堆疊，并且其中在所述第一基底電極和所述第二基底電極之間形成分流電容器； 在所述第一對置電極和第二對置電極、所述第一基底電極和第二基底電極、以及所述基板的頂表面上共形地沉積層間電介質層； 在平坦化所述層間電介質層以露出所述第一對置電極和所述第二對置電極的頂部之后，形成連接所述第一對置電極和所述第二對置電極的接觸橋;以及通過移除所述層間電介質層，在所述接觸橋下方形成空氣間隙。2.如權利要求1所述的方法，其中，所述層間電介質層是氧化物、多晶硅、氮化物和聚合物材料中的至少之一。3.如權利要求1所述的方法，其中，所述接觸橋下方的所述空氣間隙在所述接觸橋和所述基板之間豎向延伸。4.如權利要求1所述的方法，其中，所述接觸橋下方的所述空氣間隙在所述第一對置電極和所述第二對置電極之間水平延伸。5.如權利要求1所述的方法，其中，所述接觸橋下方的所述空氣間隙在所述第一基底電極和所述第二基底電極之間水平延伸。6.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一電介質層和所述第二電介質層包括氧化物。7.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一電介質層和所述第二電介質層包括鉿氧化物、鋁氧化物和鈮氮化物中的至少之一。8.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一基底電極和所述第二基底電極包括鈮、鈦氮化物、鋁和鈮氮化物中的至少之一;并且 其中，所述第一對置電極和所述第二對置電極包括鈮、鈦氮化物、鋁、和鈮氮化物中的至少之一。9.如權利要求1所述的方法，其中，所述第二堆疊是量子比特隧道結。10.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一基底電極和所述第二基底電極是所述基板上的叉指電極。11.一種三層約瑟夫森結結構，所述結構包括: 由第一對置電極、第一電介質層和第一基底電極形成的第一堆疊； 由第二對置電極、第二電介質層和第二基底電極形成第二堆疊，其中所述第一基底電極和所述第二基底電極在基板上，并且其中分流電容器形成于所述第一基底電極和所述第二基底電極之間； 連接所述第一對置電極和所述第二對置電極的接觸橋；以及 所述接觸橋下方的空氣間隙。12.如權利要求11所述的結構，其中，所述接觸橋下方的所述空氣間隙在所述接觸橋和所述基板之間豎向延伸。13.如權利要求11所述的結構，其中，所述接觸橋下方的所述空氣間隙在所述第一對置電極和所述第二對置電極之間水平延伸。14.如權利要求11所述的結構，其中，所述接觸橋下方的所述空氣間隙在所述第一基底電極和所述第二基底電極之間水平延伸。15.如權利要求11所述的結構，其中，所述第一電介質層和所述第二電介質層包括鉿氧化物和鋁氧化物中的至少之一。16.如權利要求11所述的結構，其中，所述第一基底電極和所述第二基底電極包括鈮、鈦氮化物和鋁中的至少之一;并且 其中，所述第一對置電極和所述第二對置電極包括鈮、鈦氮化物和鋁中的至少之一。17.如權利要求11所述的結構，其中，所述第一基底電極和所述第二基底電極是所述基板上的叉指電極。18.一種三層約瑟夫森結結構，所述結構包括: 由第一對置電極、第一電介質層和第一基底電極形成的第一堆疊； 由第二對置電極、第二電介質層和第二基底電極形成第二堆疊，其中所述第一基底電極和所述第二基底電極在基板上，并且其中分流電容器形成于所述第一基底電極和所述第二基底電極之間； 連接所述第一對置電極和所述第二對置電極的接觸橋；以及 包封所述第一堆疊的第一部分和所述第二堆疊的第二部分的層間電介質材料。19.如權利要求18所述的結構，其中，所述第一堆疊的所述第一部分包括所述第一對置電極和所述第一電介質層； 其中，所述第二堆疊的所述第二部分包括所述第二對置電極和所述第二電介質層;并且 其中，所述接觸橋下方的區(qū)域填充有所述層間電介質材料。20.如權利要求18所述的結構，其中，所述層間電介質材料僅在圍繞所述第一部分和所述第二部分的區(qū)域處覆蓋所述第一基底電極和所述第二基底電極;并且 其中，所述第一基底電極和所述第二基底電極的不圍繞所述第一部分和所述第二部分的區(qū)域沒有所述層間電介質材料。
【文檔編號】H01L39/24GK106098926SQ201610108859
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年2月26日 公開號201610108859.3, CN 106098926 A, CN 106098926A, CN 201610108859, CN-A-106098926, CN106098926 A, CN106098926A, CN201610108859, CN201610108859.3
【發(fā)明人】J.B.張, G.W.吉布森, M.B.凱琴
【申請人】國際商業(yè)機器公司