[发明专利]亚微米堆栈结构约瑟夫森结器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种亚微米堆栈结构约瑟夫森结器件及其制备方法。制备方法包括步骤：提供衬底，于衬底上形成约瑟夫森结堆栈结构；形成初始绝缘层覆盖衬底及约瑟夫森结堆栈结构；对位于约瑟夫森结堆栈结构正上方的初始绝缘层进行第一次光刻刻蚀，以形成第一绝缘环；对剩余的绝缘层进行第二次光刻刻蚀，以形成第二绝缘环；进行化学机械抛光；于剩余的绝缘层中形成接触孔；形成顶电极引出层和底电极引出层。本发明可以有效降低寄生电感以及避免在结区正上方开孔带来的漏电流和对结区尺寸的限制，为制备亚微米尺寸堆栈SNS约瑟夫森结器件提供了技术支持，还能够减小结电容，避免外部磁场噪声带来的影响，有助于提高制备良率和降低制备成本。

技术领域

本发明涉及超导器件技术领域，特别是涉及一种亚微米堆栈结构约瑟夫森结器件及其制备方法。

背景技术

SNS约瑟夫森结是一种由超导体层(S)-正常金属层(N)-超导体层(S)构成的三明治夹层结构，是构成许多超导器件和电路的核心元件，在可编程约瑟夫森电压基准、单磁通量子电路、超导量子干涉器件等方面得到广泛应用。由于SNS约瑟夫森结有非回滞以及基本可忽略的电感特性，因此具有工艺简单、器件稳定性强和工艺可重复的优势。在单磁通量子(SFQ)电路的应用中，特征电压V_c(～I_cR_n)和临界电流密度J_c是与电路最高工作频率息息相关的特征参数，分别决定了SFQ信号的脉冲高度和半高宽，提高特征电压和临界电流密度可以提高SFQ电路的工作频率。堆栈结构是提高特征电压的一个重要方法，它通过在垂直方向上将多个相同的约瑟夫森结串联，从而达到成倍提升特征电压的效果。在SFQ电路中需要的约瑟夫森结的数量可以达到万级甚至十万级，若想提高集成度以及满足高速数字电路的需求，则要求进一步缩减每个约瑟夫森结所占的面积；此外大尺寸约瑟夫森结器件在工作的过程中常常由于外部施加电流导致温度升高从而出现回滞和磁通钉扎现象，不利于实验中的测量与实际中的应用。

目前堆栈结构约瑟夫森结的制备中，器件尺寸取决于图形曝光分辨率的极限，虽然使用步进式投影光刻技术(stepper)可以达到亚微米的极限分辨率，但由于在约瑟夫森结的制备过程中需要在约瑟夫森结上方的绝缘层上打通一个小于结面积的小孔实现配线层与顶电极之间的连接，所以光刻分辨率决定了小孔的尺寸，一般约瑟夫森结的尺寸比小孔大0.5-1μm，所以当前工艺难以实现亚微米尺寸的约瑟夫森结的制备。

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亚微米堆栈结构约瑟夫森结器件及其制备方法，用于解决现有技术中，在制备约瑟夫森结时，需要在约瑟夫森结上方打通一个小于结面积的小孔以实现配线层与顶电极之间的连接，但受限于光刻尺寸极限，难以实现亚微米尺寸的约瑟夫森结的制备等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种亚微米堆栈结构约瑟夫森结器件的制备方法，包括步骤：

提供衬底，于所述衬底上形成约瑟夫森结堆栈结构，所述约瑟夫森结堆栈结构自下而上包括依次交替叠置的超导层和势垒层，以及位于顶部的顶层超导电极层，其中，位于最底部的超导层的厚度大于其他超导层的厚度，且最底部的超导层的上表面部分显露于所述约瑟夫森结堆栈结构的表面而成为电性引出区；

形成初始绝缘层，所述初始绝缘层覆盖所述衬底及所述约瑟夫森结堆栈结构，所述初始绝缘层具有非平坦表面，且所述初始绝缘层的上表面与所述约瑟夫森结堆栈结构的上表面具有间距；

对位于所述约瑟夫森结堆栈结构上方的所述初始绝缘层进行第一次光刻刻蚀，以形成第一绝缘环，并使剩余的绝缘层的上表面与所述约瑟夫森结堆栈结构的上表面具有间距；

对剩余的绝缘层进行第二次光刻刻蚀，以于所述第一绝缘环的外侧形成第二绝缘环，并使剩余的绝缘层的上表面与所述约瑟夫森结堆栈结构的上表面具有间距；

对前述步骤得到的结构进行化学机械抛光以显露出所述顶层超导电极层；