臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)包括超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)，單磁通量子器件(SFQ)等應(yīng)用超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的電路。
[0003]超導(dǎo)量子干涉器件(superconductingquantum interference device，SQUID)是基于約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化原理的超導(dǎo)量子器件，它的基本結(jié)構(gòu)是在超導(dǎo)環(huán)中插入兩個(gè)約瑟夫森結(jié)，SQUID是目前已知的最靈敏的磁通探測傳感器，典型的SQUID器件的磁通噪聲在4 0()/取1/2量級(jí)(10() = 2.07\10—15肫)，其磁場噪聲在打/取1/2量級(jí)(1打=1\ 10-15T)，由于其具有極高的靈敏度，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)心磁腦磁、材料探測、地球磁場、軍事、地震和考古等各方面，用其制備的磁通顯微鏡可從事基礎(chǔ)研究。
[0004]單磁通量子器件(Single Flux Quantum,SFQ)是利用約瑟夫森結(jié)內(nèi)的單個(gè)磁通量子來表示邏輯“I”和“O”的超導(dǎo)電路技術(shù)。以此為基礎(chǔ)的超導(dǎo)數(shù)字電路時(shí)鐘頻率可達(dá)770GHz，可用于雷達(dá)和通信系統(tǒng)的超寬帶模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、寬帶網(wǎng)絡(luò)交換器、射電天文的數(shù)字式自相關(guān)器以及超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等。因其具有速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，目前美國和日本均投入巨資進(jìn)行戰(zhàn)略研究。
[0005]在量子力學(xué)的概念里，當(dāng)兩塊金屬被一層薄的絕緣體分開時(shí)，金屬之間可以有電流通過，通常把這種“金屬一絕緣體一金屬”的疊層稱為隧道結(jié)，它們之間流動(dòng)的電流稱為隧道電流。假如，在這種疊層三明治結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或者兩個(gè)金屬是超導(dǎo)體，則稱為超導(dǎo)隧道結(jié)。根據(jù)Josephson效應(yīng)，在超導(dǎo)隧道結(jié)中，絕緣層具有超導(dǎo)體的一些性質(zhì)，但與常規(guī)超導(dǎo)體相比具有較弱的超導(dǎo)電性，被稱為“弱連接超導(dǎo)體”。
[0006]如圖1所示為約瑟夫森結(jié)(Josephson Junct1n)ll的結(jié)構(gòu)示意圖，包括第一超導(dǎo)材料層111、第二超導(dǎo)材料層113以及介于所述第一超導(dǎo)材料層111與所述第二超導(dǎo)材料層113之間的第一絕緣材料層112，其中所述第一絕緣材料層112的厚度很薄，通常在幾到十幾納米的厚度。
[0007]如圖2所示為典型的約瑟夫森隧道結(jié)的電流-電壓(1-V)特性曲線，當(dāng)約瑟夫森結(jié)中的電流小于理想狀態(tài)下結(jié)的臨界電流1時(shí)，約瑟夫森結(jié)兩端電壓始終為零，根據(jù)直流約瑟夫森效應(yīng)，此時(shí)的電流是由于庫?自(Cooper)對(duì)隧穿造成的超流;一旦電流超過理想狀態(tài)下結(jié)的臨界電流1，正常電子會(huì)參與到隧道效應(yīng)中，約瑟夫森結(jié)從零電阻狀態(tài)直接突變至正常電阻態(tài)，表現(xiàn)為結(jié)區(qū)電壓的突變?yōu)? Δ/e;反之，隨著電流減小，電壓的返回路徑跟隨另一條曲線，因此1-V曲線出現(xiàn)回滯。
[0008]超導(dǎo)電路中可利用不同數(shù)目的約瑟夫森結(jié)來制備不同應(yīng)用需求的超導(dǎo)器件，包含單個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電路制備成射頻超導(dǎo)量子干涉器(RF SQUID)件應(yīng)用交流約瑟夫森效應(yīng)，包含兩個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電路制備成的直流超導(dǎo)量子干涉器件(DC SQUID)應(yīng)用直流約瑟夫森效應(yīng)，包含幾萬，甚至幾十萬個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)數(shù)字電路制備的超導(dǎo)計(jì)算模塊則是應(yīng)用磁通量子化與電壓脈沖的高速轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)“O”與“I”的邏輯門。在實(shí)際制備這些規(guī)模不一的超導(dǎo)電路的工藝中，需要利用光刻工藝集成至少3層超導(dǎo)層和2層絕緣層。此外，為了匹配電路中工作參數(shù)，需要設(shè)計(jì)精確的電阻值和電感值，對(duì)應(yīng)工藝中的結(jié)構(gòu)為電阻材料的選擇以及電阻層與超導(dǎo)線的布局、尺寸、薄膜厚度的控制，其中關(guān)鍵的一點(diǎn)在于電阻有效穩(wěn)定地并聯(lián)至約瑟夫森結(jié)的回路中。
[0009]以往的超導(dǎo)電路的制備方法如下:首先，在襯底表面形成旁路電阻；其次，在所述旁路電阻表面形成第一絕緣材料層;然后，利用磁控濺射工藝制備由下至上依次包括下電極、第二絕緣材料層及上電極的約瑟夫森結(jié)。然而，上述制備方法中，前兩步制備工藝會(huì)影響所述下電極及所述上電極的制備，并會(huì)對(duì)作為中間勢皇層的所述第二絕緣材料層的穩(wěn)定性造成影響，影響約瑟夫森結(jié)的質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)性能及其穩(wěn)定性差等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中由于旁路電阻形成于約瑟夫森結(jié)下方而導(dǎo)致的對(duì)約瑟夫森結(jié)的穩(wěn)定性造成影響，進(jìn)而導(dǎo)致超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)性能及其穩(wěn)定性差等冋題。
[0011 ]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)的制備方法，所述臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)的制備方法至少包括以下步驟:
[0012]I)提供襯底，在所述襯底表面依次形成第一超導(dǎo)材料層、第一絕緣材料層及第二超導(dǎo)材料層的三層薄膜結(jié)構(gòu)；
[0013]2)分別刻蝕所述第二超導(dǎo)材料層、所述第一絕緣材料層及所述第一超導(dǎo)材料層以形成上電極及下電極，所述上電極與位于其下方的所述第一絕緣材料層及所述下電極共同構(gòu)成約瑟夫森結(jié)；
[0014]3)在步驟2)得到的結(jié)構(gòu)表面形成第二絕緣材料層，并在所述第二絕緣材料層對(duì)應(yīng)于所述上電極的位置及后續(xù)要形成的旁路電阻與所述下電極的連接區(qū)域的位置形成第一開口，所述第一開口暴露出所述上電極及所述連接區(qū)域；
[0015]4)沉積旁路電阻材料層，并刻蝕所述旁路電阻材料層以形成旁路電阻，所述旁路電阻一部分位于所述連接區(qū)域內(nèi)的所述下電極表面，另一部分位于所述上電極一側(cè)的所述第二絕緣材料層表面；
[0016]5)沉積第三超導(dǎo)材料層，并刻蝕所述第三超導(dǎo)材料層形成配線層及超導(dǎo)覆蓋層，所述配線層引出所述上電極，并將所述上電極與位于所述第二絕緣材料層表面的所述旁路電阻相連接，所述超導(dǎo)覆蓋層覆蓋所述連接區(qū)域。
[0017]作為本發(fā)明的臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述步驟2)包括以下步驟:
[0018]21)刻蝕所述第二超導(dǎo)材料層以形成所述上電極；
[0019]22)依次刻蝕所述第一絕緣材料層及所述第一超導(dǎo)材料層以形成所述下電極。
[0020]作為本發(fā)明的臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述步驟2)包括以下步驟:
[0021]21)依次刻蝕所述第二超導(dǎo)材料層、所述第一絕緣材料層及所述第一超導(dǎo)材料層以形成所述下電極；
[0022]22)定義約瑟夫森結(jié)區(qū)域，非結(jié)區(qū)繼續(xù)刻蝕所述第二超導(dǎo)材料層以形成所述上電極。
[0023]作為本發(fā)明的臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述旁路電阻的厚度小于所述第二絕緣材料層的厚度與所述下電極的厚度之差。
[0024]作為本發(fā)明的臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)之后，還包括沉積第三絕緣材料層，并在所述第三絕緣材料層對(duì)應(yīng)于所述旁路電阻的位置形成第二開口，所述第二開口暴露出所述旁路電阻。
[0025]本發(fā)明還提供一種臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)，所述臺(tái)階區(qū)域覆蓋有超導(dǎo)覆蓋層的超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)包括:
[0026]襯底；
[0027]約瑟夫森結(jié)，位于所述襯底表面，由下至上依次包括下電極、第一絕緣材料層及上電極；
[0028]第二絕緣材料層，覆蓋于所述襯底及所述第一絕緣材料層表面，所述第二絕緣材料層對(duì)應(yīng)于所述上電極的位置及后續(xù)要形成的旁路電阻與所述下電極的連接區(qū)域的位置設(shè)有第一開口，所述第一開口暴露出所述上電極及所述連接區(qū)域；
[0029]旁路電阻，一部分位于