[发明专利]一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结、制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结、制备方法和用途，在衬底上制备Ta（110）膜，光刻制备超导电路结构，掩膜光刻形成下电极Ta（110）层，下电极Ta（110）层表面制备Ta₂O₅氧化层作为中间层，掩膜光刻形成上电极Ta（110）层，制备得到所述的约瑟夫森结。本发明以Ta（110）超导薄膜作为约瑟夫森结的下电极和上电极，其表面的Ta₂O₅氧化层具有致密、稳定等特点，可采用食人鱼溶液进行钝化、优化，进一步去除光刻残胶，并保证超导电路结构及约瑟夫森结的稳定，具有工艺步骤简洁、稳定可控、集成度高等特点，可制备满足大晶圆尺寸范围内均一、稳定的约瑟夫森结，适用于不同面积的约瑟夫森结的调控。

技术领域

本发明属于超导芯片技术领域，涉及一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结、制备方法和用途。

背景技术

作为量子芯片的核心基础元件，超导约瑟夫森结的结构及其制备工艺受到了广泛研究。如何保证并提高约瑟夫森结性能且简化其制备工艺步骤成为了研究热点，同时，为了推动实现通用量子计算，制备满足大晶圆尺寸的稳定、可拓展的约瑟夫森结同样重要。

当前，悬胶结构及双倾角蒸镀技术仍然是制备约瑟夫森结的常用工艺手段，典型的例子是基于铝（Al）/氧化铝（AlO_x）/Al的超导约瑟夫森结。经过长期的发展、改进，约瑟夫森结的制备工艺流程已经得到了明显的简化，如CN108110131A公开的双倾角蒸镀约瑟夫森结的方案中，采用十字型约瑟夫森结图形，取消了复杂的悬胶结构。但倾斜镀膜方法仍然存在一定的弊端，例如：无法保证大晶圆尺寸范围内约瑟夫森结的膜厚和电阻均匀性，不利于高集成度。同时，受限于高分子材料掩膜层的存在，约瑟夫森结区的制备需控制在室温到200℃的低温段，无法达到超导膜层最优的生长温度。

从材料角度出发，Al具有低的超导温度和超导能隙，易造成准粒子注入而增加损耗。另外一方面，Al的化学性质较活泼，自然氧化的AlO_x在低温工作时具有一定的介电损耗。同时，该氧化层虽然较为致密，可实现对结区一定的钝化保护，但其在大气环境或者光刻工艺中仍然具有不稳定性，经受潮或者化学试剂处理后容易发生变性，进一步增加介电损耗，并会改变约瑟夫森结的临界电流。体心立方结构的钽（Ta）由于具有较高的超导转变温度和超导能隙，且在超导量子比特中具有准粒子密度小等特点而受到了极大关注。进一步地，超导Ta膜表面形成的五氧化二钽（Ta₂O₅）氧化层，具有较高的致密性、低的介电损耗和高的稳定性，在超导电路及约瑟夫森结中有重要的应用前景。

综上，如何提供一种约瑟夫森结的制备方法，实现高品质、高稳定性且可规模化的量子芯片，成为目前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结、制备方法和用途，采用掩膜光刻制备下电极Ta（110）层和上电极Ta（110）层，以Ta₂O₅氧化层作为中间层，期间，多次采用食人鱼溶液处理的化学钝化方法可对Ta膜表面氧化层及约瑟夫森结中间层进行优化，进一步去除光刻残胶，同时，有利保证超导电路结构及约瑟夫森结的稳定。本发明具有工艺步骤简洁、稳定可控、集成度高等特点，可制备满足大晶圆尺寸范围内均一、稳定的约瑟夫森结，适用于不同面积的约瑟夫森结的调控。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种满足大晶圆尺寸的约瑟夫森结的制备方法，所述的制备方法包括：

在衬底上制备Ta（110）膜，光刻制备超导电路结构，掩膜光刻形成下电极Ta（110）层，下电极Ta（110）层表面制备Ta₂O₅氧化层作为中间层，掩膜光刻形成上电极Ta（110）层，制备得到所述的约瑟夫森结。