CN112670401B - 约瑟夫森结及其超导器件与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种约瑟夫森结、超导器件及制备方法，约瑟夫森结制备包括：在衬底上形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层；刻蚀第二超导材料层形成上电极；在势垒材料层上沉积绝缘材料，然后刻蚀掉，紧接着刻蚀势垒层；最后刻蚀第一超导材料层，得到下电极。本发明在刻蚀势垒层之前，先沉积一层绝缘材料，基于同一掩膜层先刻蚀绝缘材料，不去除光刻胶，接着进行势垒层的刻蚀，很好的保护了势垒层，避免了势垒层与显影液反应生成黑色反应物。先沉积的绝缘层还可以提升后沉积的绝缘层的绝缘效果，减小漏电流，并且可以实现同质生长，两者不存在明显界面，对后续工艺无影响，可以提升超导电路的性能和稳定性，以及整体超导电路的工作范围。

Description

约瑟夫森结及其超导器件与制备方法

技术领域

本发明涉及超导量子器件技术领域，特别是涉及一种约瑟夫森结、超导SQUID器件、超 导SFQ器件及各自的制备方法。

背景技术

超导电路是利用超导材料制备而成的电子器件，主要包括超导量子干涉器(SQUID)，单 磁通量子器件(SFQ)等器件。超导量子干涉器件(superconducting quantuminterference 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***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/Hz^1/2量级(1Φ₀＝2.07×10^-15Wb)，其磁场噪声在fT/Hz^1/2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***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。其中，约瑟夫森结为超 导电路的关键器件，其形成与制备与超导电路的性能优良有着密切关系。约瑟夫森结一般是 由两块超导体夹以某种很薄的势垒层(厚度≤Coopper电子对的相干长度)而构成的结构，例如 S(超导体)—I(半导体或绝缘体)—S(超导体)结构，简称SIS，在其中超导电子可以通过隧道效 应从一边穿过半导体或绝缘体薄膜到达另一边。因而势垒层的制备形成直接影响约瑟夫森结 的性能优良，如何制备和光刻约瑟夫森结中势垒层是器件制备的关键，然而，势垒层一般很 薄，通常只有几个纳米，而且在光刻过程中普遍与碱性显影液反应，所以单独光刻控制性和 重复性较差，且容易在电路表面形成一些黑色的反应物，从而影响整个电路的工作。

因此，如何提供一种约瑟夫森结、基于其的超导器件及制备方法，以解决现有技术中上 述问题实属必要。

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约瑟夫森结、基于其的超导 器件及制备方法，用于解决现有技术中势垒层难以有效制备等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种约瑟夫森结的制备方法，所述制备方 法包括如下步骤：

(1)提供衬底；

(2)在所述衬底上依次形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层，其中，所 述势垒材料层包括含铝材料层；

(3)刻蚀所述第二超导材料层，以得到上电极；

(4)在步骤(3)得到的结构表面形成第一绝缘材料层；

(5)基于同一掩膜层刻蚀所述第一绝缘材料层及所述势垒材料层，得到势垒层及覆盖所 述势垒层及所述第一电极显露的表面的第一绝缘层，并去除刻蚀后的所述掩膜层；

(6)刻蚀所述第一超导材料层，以得到下电极。

可选地，所述制备方法还包括：

在步骤(6)得到的结构表面形成第二绝缘材料层；

刻蚀所述第二绝缘材料层形成第二绝缘层，所述第二绝缘层与第一绝缘层构成复合绝缘 层，并在所述复合绝缘层中形成显露所述上电极的第一开口及显露所述下电极的第二开口；

在所述复合绝缘层上制备第配线层，所述配线层包括通过所述第一开口与所述上电极电 连接的第一配线部及通过所述第二开口与所述下电极电连接的第二配线部。

可选地，所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种；形成所述掩膜 层的过程中包括采用碱性显影液进行显影的步骤。

可选地，所述衬底包括硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底及碳化硅衬底中的至少一种； 所述第一超导材料层包括氮化铌层及铌层中的至少一种；所述第二超导材料层包括氮化铌层 及铌层中的至少一种。

可选地，所述第一绝缘材料层的厚度介于5-50nm之间；所述第一绝缘材料层的沉积工艺 包括PECVD工艺；所述第一绝缘材料层的材质包括二氧化硅或氮化硅。

可选地，刻蚀所述第一绝缘材料层的方法包括使用反应离子刻蚀或电感耦合反应离子刻 蚀方法；刻蚀所述势垒材料层的方法包括离子束刻蚀方法，其中，所述离子束角度介于0°—50° 之间。

本发明还提供一种超导SQUID器件的制备方法，所述超导SQUID器件的制备方法包括 采用如上述步骤的任意一项所述的约瑟夫森结的制备方法制备约瑟夫森结的步骤，还包括： 在形成所述第一超导材料层、所述势垒材料层和所述第二超导材料层之前在所述衬底上制备 旁路电阻的步骤。

本发明还提供一种超导SFQ器件的制备方法，所述超导SFQ器件的制备方法包括采用 如上述步骤的任意一项所述的约瑟夫森结的制备方法制备约瑟夫森结的步骤，还包括：在形 成所述第一超导材料层、所述势垒材料层和所述第二超导材料层之前或者在形成所述下电极 之后在所述衬底上制备旁路电阻的步骤。

本发明还提供一种保护势垒层的约瑟夫森结结构，其中，所述约瑟夫森结结构优选采用 本发明的约瑟夫森结结构的制备方法制备得到，当然也可以采用其他方式，所述约瑟夫森结 包括：

衬底；

下电极，位于所述衬底上。

势垒层，位于所述下电极上，所述势垒层包括含铝材料层；

上电极，位于所述势垒层上；

第一绝缘层，覆盖所述势垒层及所述上电极显露的表面；

第二绝缘层，形成在所述衬底上，覆盖所下电极及所述第一绝缘层。

可选地，所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种；所述第一绝缘 材料层的厚度介于5-50nm之间；所述第一绝缘材料层的材质包括二氧化硅或氮化硅。

本发明还提供一种超导SQUID器件，所述超导SQUID器件包括如上述方案中任意一项 所述的约瑟夫森结。

本发明还提供一种超导SFQ器件，所述超导SFQ器件包括如上述方案中任意一项所述 的约瑟夫森结。

如上所述，本发明提供一种约瑟夫森结、基于其的超导器件及制备方法，通过在刻蚀势 垒层铝材料之前，先沉积一层绝缘层，基于同一掩膜层先刻蚀绝缘材料，不去除光刻胶，接 着进行势垒层的刻蚀，最后去除光刻胶的制备方法，避免了势垒层铝材料在光刻时会与显影 液反应的情况，很好的保护了势垒层，同时避免了黑色反应生成物的生成。另外，先沉积的 绝缘层还可以提升后沉积的结上绝缘层的绝缘效果，从而减小漏电流，并且可以与第二绝缘 层同质生长，两者可以不存在明显界面，对后续工艺没有任何影响。通过本发明所述的一种 保护势垒层的约瑟夫森结结构及其制备方法可以提升超导电路的性能和稳定性，进而提升整 体超导电路的工作范围。

附图说明

图1显示为本发明提供一种保护势垒层的约瑟夫森结的制备方法示意图。

图2显示为本发明实施例中约瑟夫森结器件结构制备中提供半导体衬底的结构示意图。

图3显示为本发明实施例中约瑟夫森结结构制备中沉积超导材料与势垒层材料示意图。

图4显示为本发明实施例中约瑟夫森结器件结构制备上电极的结构示意图。

图5显示为本发明实施例中约瑟夫森结器件结构制备中形成第一绝缘材料层的示意图。

图6显示为本发明实施例中约瑟夫森结器件结构制备中刻蚀第一绝缘材料层与势垒材料 层的示意图。

图7显示为本发明实施例中约瑟夫森结器件结构制备中形成下电极结构的示意图。

图8显示为本发明实施例中约瑟夫森结器件结构制备中沉积第二绝缘材料层的示意图。

图9显示为本发明实施例中约瑟夫森结器件结构制备中形成第一开口及第二开口图示。

图10显示为本发明实施例中约瑟夫森结器件结构制备中沉积第三超导材料层的示意图。

图11显示为本发明实施例中超导SQUID器件的结构示意图。

图12显示为本发明实施例中一件超导SFQ器件的结构示意图。

图13显示为本发明实施例中另一件超导SFQ器件的结构示意图。

元件标号说明

001 半导体衬底

002 第一超导材料层

003 势垒材料层

004 第二超导材料层

005 上电极层

006 第一绝缘材料层

007 第一绝缘层

008 势垒层

009 下电极层

100 第二绝缘材料层

101 复合绝缘层

102 配线层

200 半导体衬底

201 电阻层

202 第一绝缘材料层

205 上电极

206 势垒层

207 第二绝缘材料层

208 下电极

209 第三绝缘材料层

210 配线层

020 绝缘层

21 第一开口

22 第二开口

23 第三开口

24 第四开口

S1～S9 步骤

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。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部 放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中 应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的 空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这 些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。 此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一 个或多个介于其间的层。另外，本发明中使用的“介于……之间”包括两个端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二 特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例， 这样第一和第二特征可能不是直接接触。

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，遂图示 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，其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1所示，本发明提供一种约瑟夫森结的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1，提供衬底；

S2，在所述衬底上依次形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层，其中，所 述势垒材料层包括含铝材料层；

S3，刻蚀所述第二超导材料层，以得到上电极；

S4，在步骤S3得到的结构表面形成第一绝缘材料层；

S5，基于同一掩膜层刻蚀所述第一绝缘材料层及所述势垒材料层，得到势垒层及覆盖所 述势垒层及所述第一电极显露的表面的第一绝缘层，并去除刻蚀后的所述掩膜层；

S6，刻蚀所述第一超导材料层，以得到下电极。

下面将结合附图详细说明本发明的约瑟夫森结器件结构的制备方法，其中，需要说明的 是，上述顺序并不严格代表本发明约瑟夫森结器件结构的制备顺序，本领域技术人员可以依 据实际工艺步骤进行改变，图1仅示出了一种示例中的约瑟夫森结器件结构的制备步骤。

如图1中的S1及图2所示，进行步骤S1，提供半导体衬底001。所述半导体衬底001可以包括硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底及碳化硅衬底中的至少一种。本实施例中，所述半导体衬底001为Si(111)衬底，利用硅作为衬底。

如图1中的S2及图3所示，进行步骤S2，于所述半导体衬底001上依次形成第一超导材料层002、势垒材料层003、第二超导材料层004。

具体的，所述第一超导材料层002包括氮化铌层及铌层中的至少一种，即，可以是其中 的一种，也可以是两种构成的叠层结构；所述第二超导材料层004包括氮化铌层及铌层中的 至少一种，即，可以是其中的一种，也可以是两种构成的叠层结构；另外，所述势垒材料层 003为含铝材料层；所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种，即，可 以是其中的一种，也可以是两种或者以上构成的叠层结构。本实施例中，所述第一超导材料 层002为Nb层；所述第二超导材料层004为Nb层；所述势垒材料层003为Al-AlOx层。

如图1中的S3及图4所示，进行步骤S3，刻蚀所述第二超导材料层004，以得到上电极 005。可以采用现有的方式制备得到所述上电极005，例如，采用光刻-刻蚀的方式制备。所述 上电极005的形状及布局可以依据实际需求设计。

如图1中的S4及图5所示，进行步骤S4，在刻蚀完第二超导材料层004得到的结构表面形成第一绝缘材料层006。具体的，所述第一绝缘材料层006的厚度介于5-50nm之间，可以选择为10nm、20nm、30nm、40nm等。在一示例中，所述第一绝缘材料层006的沉积工艺 包括PECVD工艺，使用低的沉积速率制备，沉积低于20nm/min，例如，可以是15nm/min、 10nm/min、8nm/min、5nm/min；所述绝缘层直接保护约瑟夫森结，所述第一绝缘材料层006 同时覆盖所述上电极005及所述势垒材料层003，基于上述工艺可以使得第一绝缘材料层006 对其下面的器件结构具有很好的覆盖性。在一示例中，所述第一绝缘材料层006的材质包括 二氧化硅或氮化硅。

如图1中的S5及图6所示，进行步骤S5，利用掩膜层(图中未示出)刻蚀所述第一绝缘材料层006，不去胶，基于同一掩膜版直接刻蚀所述势垒材料层003，得到势垒层008及覆盖所述势垒层008表面和上电极005表面的第一绝缘层007，且在所述势垒层008形成后去除所述掩膜层。

在一示例中，刻蚀所述第一绝缘材料层006的方法包括使用反应离子刻蚀或电感耦合反 应离子刻蚀方法；刻蚀所述势垒材料层003的方法包括离子束刻蚀IBE方法，其中，所述离 子束角度介于0°—50°之间，例如可以选择为10°、20°、30°、40°等。在一示例中，两次刻蚀 用的是相同的光刻胶图形，刻蚀绝缘层利用三氟甲烷，该刻蚀条件下对势垒层的刻蚀几乎为 零，不会形成过刻，后续用IBE刻蚀势垒层时，调整刻蚀角度，减少IBE刻蚀产生的侧壁。

如图1中的S6及图7所示进行步骤S6，，刻蚀所述第一超导材料层002，以得到下电极 009。可以采用现有的方式制备得到所述下电极009，例如，采用光刻-刻蚀的方式制备。所述 下电极009的形状及布局可以依据实际需求设计。

另外，在一示例中，所述制备方法还包括步骤：

首先，如图8所示，在形成下电极009的结构表面继续沉积第二绝缘材料层(图中未示 出)，优选地，所述第二绝缘材料层的材质与所述第一绝缘材料层006的材质保持一致，从而 所述第二绝缘材料层可与所述第一绝缘材料层006实现同质生长为复合绝缘材料层100。复 合绝缘材料层100的材质可选择二氧化硅或氮化硅，所述第二绝缘材料层与所述第一绝缘材 料层006实现同质生长时两者可以不存在明显界面，对后续工艺无影响。

接着，如图9所示，得到所述复合绝缘材料层100之后还包括刻蚀所述复合绝缘材料层 100的步骤，以得到复合绝缘层101。其中所述复合绝缘层101中包括形成有显露所述上电极 005的第一开口1及显露所述下电极009的第二开口2。另外，所述复合绝缘材料层的刻蚀可 以采用现有的光刻-刻蚀工艺，当然，并不局限于此。

最后，如图10所示，在所述复合绝缘层101上沉积超导材料形成第配线层102，从而将 电信号引出。具体的，所述第配线层102的材质包括氮化铌及铌中的至少一种，本实施例中， 所述第配线层102为铌层；具体的，所述第配线层102通过所述第一开口1与所述上电极005 电连接形成第一配线部，及通过所述第二开口2与所述下电极009点连接形成第二配线部。

另外，如图10所示，并参阅图1-9，本发明还提供一种约瑟夫森结器件的器件结构。所 述约瑟夫森结器件结构包括：衬底001；下电极009，所述下电极009位于所述衬底001上；势垒层008，所述势垒层008位于所述下电极009上，所述势垒层008包括含铝材料层；复 合绝缘层101，所述复合绝缘层101位于所述势垒层008表面；上电极005，位于所述势垒层 008上；其中，所述复合绝缘层101由两部分构成，一部分覆盖所述势垒层及所述上电极显 露的表面的第一绝缘层007；另外一部分是覆盖所下电极及所述第一绝缘层的第二绝缘材料 层(图中未示出)。配线层102，所述第配线层102位于所述复合绝缘层101上面。

作为示例，所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种。

作为示例，所述第一绝缘层007的厚度介于5-50nm之间。

作为示例，所述第一绝缘层007与所述第二绝缘材料层的材质相同。优选地，所述第一 绝缘材料层的材质包括二氧化硅或氮化硅。

实施例二：

如图11所示，本发明还提供一种超导SQUID器件的制备方法，其中，本实施例二所述 超导SQUID器件的制备方法包括采用如实施例一中的任意一项所述的约瑟夫森结的制备方 法制备约瑟夫森结的步骤，还包括：在形成所述第一超导材料层、所述势垒材料层和所述第 二超导材料层之前在所述衬底上制备旁路电阻的步骤。

其中，在一具体示例中，所述的超导SQUID器件的制备方法包括：

(1)提供衬底200。

(2)制备超导电路并联电阻层201，构成所述旁路电阻，电阻层201位于衬底200表面。 在一示例中，可以是先在衬底200上形成一层绝缘材料层，再刻蚀所述绝缘材料层并沉积形 成所述电阻层201，所述电阻层的材料可以采用现有SQUID器件中的电阻材料。进一步可选 示例中，所述电阻层201形成在所述衬底200的表面。

(3)在衬底与所述电阻层201上形成绝缘材料层，刻蚀绝缘材料层形成绝缘层202。在 一示例中，所述电阻层201上覆盖有绝缘材料层。当然，在其他示例中，也可以是形成电阻 层的绝缘材料层构成所述绝缘层202。

接下来采用实施例一的方法制备后续的约瑟夫森结结构，例如，可以是：

(4)在所述第一绝缘层202上依次形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层。

(5)刻蚀所述第二超导材料层，以得到上电极203；

(6)在步骤(5)得到的结构表面形成第二绝缘材料层；

(7)基于同一掩膜层刻蚀所述第二绝缘材料层及所述势垒材料层，得到势垒层206及覆 盖所述势垒层表面和所述上电极的第二绝缘层207，且在所述势垒层形成后去除所述掩膜层；

(8)刻蚀所述第一超导材料层，以得到下电极208。

(7)在步骤(8)得到的结构表面形成第三绝缘材料层；在一示例中，沉积所述第三绝 缘材料层之前还包括在电阻层上表面的材料层中制备显露所述电阻层的第三开口23的步骤， 并进一步基于第三开口23形成连接所述下电极和所述电阻层的互连部。

(8)刻蚀所述第三绝缘材料层，以得到第三绝缘层209，所述第三绝缘层209可与第二 绝缘层207和第一绝缘层202实现同质生长为绝缘层020。所述绝缘层020中形成有显露所 述上电极的第一开口21、显露所述下电极的第二开口22、显露所述电阻层的第四开口24；

(9)在所述第三绝缘层上制备第配线层210，包括通过所述第一开口21与所述上电极连 接的第一配线部及通过所述第二开口22与所述下电极连接的第二配线部，以及所述第四开口 24与所述电阻层连接的第三配线部。

基于上述实施方式，本发明的保护势垒层的约瑟夫森结结构及其制备方法可以提升超导 电路的性能和稳定性，进而提升整体超导电路的工作范围。当然，旁路电阻还可以采用现有 技术中的其他方式制备，其结构、与约瑟夫森结的连接以及布局等均可以采用现有方法。

另外，本发明还提供一种超导SQUID器件，其中，本实施例二中的所述超导SQUID器件包括如实施例一中任意一项所述的约瑟夫森结。所述超导SQUID器件还包括旁路电阻，可以采用现有的旁路电阻的结构进行设计。其中，本实施例二中的所述超导SQUID器件优选采用本实施例的器件的制备方法制备得到，但并不以此为限。

实施例三：

另外，如图12和13所示，本发明还提供两种超导SFQ器件的制备方法，其中，本实施例三所述超导SFQ器件的制备方法包括采用如实施例一中的任意一项所述的约瑟夫森结的制 备方法制备约瑟夫森结的步骤，还包括：在形成所述第一超导材料层、所述势垒材料层和所 述第二超导材料层之前在所述衬底上制备旁路电阻的步骤，以及形成所述下电极之后制备与 约瑟夫森结并联的旁路电阻的步骤。

其中，在一具体示例中，如图12所示，所述的超导SFQ器件的制备方法包括：

(1)提供衬底300；

(2)制备超导电路并联电阻层301，构成所述旁路电阻，电阻层301位于衬底300表面。 在一示例中，可以是先在衬底300上形成一层绝缘材料层，再刻蚀所述绝缘材料层沉积形成 所述电阻层301，所述电阻层的材料可以采用现有器件中的电阻材料。进一步可选示例中， 所述电阻层301形成在所述衬底300的表面。

(3)在衬底与所述电阻层301上形成第一绝缘材料层，刻蚀第一绝缘材料层形成第一绝 缘层302。在一示例中，所述电阻层301上覆盖有绝缘材料层。当然，在其他示例中，也可 以是形成电阻层的绝缘材料层构成所述第一绝缘层。

(4)在所述第一绝缘层302上依次形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层。

(5)刻蚀所述第二超导材料层，以得到上电极303；

(6)在步骤(5)得到的结构表面形成第二绝缘材料层；

(7)基于同一掩膜层刻蚀所述第二绝缘材料层及所述势垒材料层，得到势垒层306及覆 盖所述势垒层表面和所述上电极的第二绝缘层307，且在所述势垒层形成后去除所述掩膜层；

(8)刻蚀所述第一超导材料层，以得到下电极308。

(7)在步骤(8)得到的结构表面形成第三绝缘材料层；在一示例中，沉积所述第三绝 缘材料层之前还包括在电阻层上表面的材料层中制备显露所述电阻层的第三开口33的步骤， 并进一步基于第三开口33形成连接所述下电极和所述电阻层的互连部。

(8)刻蚀所述第三绝缘材料层，以得到第三绝缘层309，所述第三绝缘层309可与第二 绝缘层307和第一绝缘层303实现同质生长。所述三层绝缘层中形成有显露所述上电极的第 一开口31、显露所述下电极的第二开口32、显露所述电阻层的第四开口34；

(9)在所述第三绝缘层上制备第三配线层311，包括通过所述第一开口31与所述上电极 连接的第一配线部及通过所述第二开口32与所述下电极连接的第二配线部，以及所述第四开 口34与所述电阻层连接的第三配线部。

(10)在步骤(9)得到的结构表面形成第四绝缘材料层；刻蚀所述第四绝缘材料层，以 得到第四绝缘层310，所述第四绝缘层310可与第三绝缘层309、第二绝缘层307和第一绝缘 层303实现同质生长为绝缘层030。所述绝缘层030中形成有显露所述第配线层的第五开口 35、第二六开口36、第七开口37；

(11)在所述第四绝缘层上制备第四配线层312，包括通过所述第五开口35、第六开口36、第七开口37；第四配线层接地。也就是说，在配线层311上再加绝缘层(第四绝缘层310) 和金属层(第四配线层312)各一层，上层金属层连到外面测试的地上，进行接地。

另外，在另一具体示例中，如图13所示，该示例中，可以参照图12的示例制备：衬底400、电阻层401、第一绝缘层402、上电极403、势垒层406、第二绝缘层407、下电极408、 第三绝缘层409、第一开口41、第二开口42、第三开口43、第四开口44、绝缘层040、第四 绝缘层410、第三配线层411、第四配线层412、第五开口45、第六开口46、第七开口47。 本示例中的SFQ器件与图12中所示的示例的SFQ器件的差异在于电阻层401(旁路电阻) 在下电极形成之后且在配线层制备之前制备形成，即，在一示例中可以是，形成下电极之后 制备绝缘层并光刻，接着进行超导电路并联电阻(所述电阻层401)的制备，然后，电阻上 沉积绝缘层和光刻，再沉积Nb超导配线层并对Nb超导配线层进行光刻形成图案，最后制备 绝缘层并光刻，制备超导Nb接地层，光刻形成图案。

另外，如图12和13所示，本发明还提供两种超导SFQ器件，其中，本实施例三中的所述超导SFQ器件包括如实施例一中任意一项所述的约瑟夫森结。所述超导SFQ器件还包括旁路电阻，可以采用现有的旁路电阻的结构进行设计。其中，本实施例三中的所述超导SFQ器件优选采用本实施例的器件的制备方法制备得到，但并不以此为限。

综上所述，本发明的约瑟夫森结、基于其的超导器件及制备方法，通过在刻蚀势垒层铝 材料之前，先沉积一层绝缘层，基于同一掩膜层先刻蚀绝缘材料，不去除光刻胶，接着进行 势垒层的刻蚀，最后去除光刻胶的制备方法，避免了势垒层铝材料在光刻时会与显影液反应 的情况，很好的保护了势垒层，同时避免了黑色反应生成物的生成。另外，先沉积的绝缘层 还可以提升后沉积的结上绝缘层的绝缘效果，从而减小漏电流，并且可以与第二绝缘层同质 生长，两者可以不存在明显界面，对后续工艺没有任何影响。通过本发明所述的一种保护势 垒层的约瑟夫森结结构及其制备方法可以提升超导电路的性能和稳定性，进而提升整体超导 电路的工作范围。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 (12)

1.一种约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)提供衬底；

(2)在所述衬底上依次形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层，其中，所述势垒材料层包括含铝材料层；

(3)刻蚀所述第二超导材料层，以得到上电极；

(4)在步骤(3)得到的结构表面形成第一绝缘材料层；

(5)基于同一掩膜层刻蚀所述第一绝缘材料层及所述势垒材料层，得到势垒层及覆盖所述势垒层及所述上电极显露的表面的第一绝缘层，并去除刻蚀后的所述掩膜层；其中，刻蚀所述势垒材料层的方法包括离子束刻蚀方法，所述离子束角度介于0°—50°之间；

(6)刻蚀所述第一超导材料层，以得到下电极。

2.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

在步骤(6)得到的结构表面形成第二绝缘材料层；

刻蚀所述第二绝缘材料层形成第二绝缘层，所述第二绝缘层与第一绝缘层构成复合绝缘层，并在所述复合绝缘层中形成显露所述上电极的第一开口及显露所述下电极的第二开口；

在所述复合绝缘层上制备第配线层，所述配线层包括通过所述第一开口与所述上电极电连接的第一配线部及通过所述第二开口与所述下电极电连接的第二配线部。

3.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种；形成所述掩膜层的过程中包括采用碱性显影液进行显影的步骤。

4.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述衬底包括硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底及碳化硅衬底中的至少一种；所述第一超导材料层包括氮化铌层及铌层中的至少一种；所述第二超导材料层包括氮化铌层及铌层中的至少一种。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘材料层的厚度介于5-50nm之间；所述第一绝缘材料层的沉积工艺包括PECVD工艺；所述第一绝缘材料层的材质包括二氧化硅或氮化硅。

6.根据权利要求5所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，刻蚀所述第一绝缘材料层的方法包括使用反应离子刻蚀或电感耦合反应离子刻蚀方法。

7.一种超导SQUID器件的制备方法，其特征在于，所述超导SQUID器件的制备方法包括采用如权利要求1-6中的任意一项所述的约瑟夫森结的制备方法制备约瑟夫森结的步骤，还包括：在形成所述第一超导材料层、所述势垒材料层和所述第二超导材料层之前在所述衬底上制备旁路电阻的步骤。

8.一种超导SFQ器件的制备方法，其特征在于，所述超导SFQ器件的制备方法包括采用如权利要求1-6中的任意一项所述的约瑟夫森结的制备方法制备约瑟夫森结的步骤，还包括：在形成所述第一超导材料层、所述势垒材料层和所述第二超导材料层之前或者在形成所述下电极之后在所述衬底上制备旁路电阻的步骤。

9.一种采用如权利要求1-6任一项所述的约瑟夫森结的制备方法制备的约瑟夫森结，其特征在于，所述约瑟夫森结包括：

衬底；

下电极，位于所述衬底上；

势垒层，位于所述下电极上，所述势垒层包括含铝材料层；

上电极，位于所述势垒层上；

第一绝缘层，覆盖所述势垒层及所述上电极显露的表面；第二绝缘层，形成在所述衬底上，覆盖所述下电极及所述第一绝缘层。

10.根据权利要求9所述的约瑟夫森结，其特征在于，所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种；所述第一绝缘材料层的厚度介于5-50nm之间；所述第一绝缘材料层的材质包括二氧化硅或氮化硅。

11.一种超导SQUID器件，其特征在于，所述超导SQUID器件包括如权利要求9-10中任意一项所述的约瑟夫森结。

12.一种超导SFQ器件，其特征在于，所述超导SFQ器件包括如权利要求9-10中任意一项所述的约瑟夫森结。

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