具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的制作方法

1.本发明一般涉及用于减少超导量子逻辑电路中的量子位的占用面积的超导器件、制造方法和制造系统。更具体地说，本发明涉及具有沟槽式电容器结构的transmon量子位(transmon qubits)的装置、方法和系统。


背景技术：

2.在下文中，除非在使用时明确区分，否则短语的词中的“q”或“q”前缀指示在量子计算背景下引用该词或短语。
3.分子、原子和亚原子粒子遵循量子力学定律，量子力学是探索物理世界如何在最基本的水平上工作的物理分支。在这个级别，粒子的行为不直观，同时呈现多于一种状态(叠加)，并且粒子可以显示强相关性，这不能通过经典物理学(纠缠)来解释。量子计算利用这些量子现象来处理信息。
4.我们现在使用的计算机被称为传统计算机(这里也称为“传统”计算机或传统节点，或“cn”)。传统的计算机使用传统的处理器，该处理器使用半导体材料和技术、半导体存储器和磁或固态存储设备来制造，这被称为冯诺依曼架构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。
5.量子处理器(q处理器)使用纠缠量子位器件(在本文中简称为“量子位”，多个“量子位”)的奇数性质来执行计算任务。在量子力学工作的特定领域，物质粒子可以以多种状态存在，例如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态。在使用半导体处理器的二进制计算被限制在仅仅使用on和off状态(等同于二进制码中的1和0)的情况下，量子处理器利用这些物质的量子状态来输出可用于数据计算的信号。
6.常规计算机以比特对信息进行编码。每一比特可以取1或0的值，这些1和0用作最终驱动计算机功能的开/关开关。另一方面，量子计算机基于量子比特(qubit，量子位)，其根据量子物理学的两个关键原理进行操作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子位可以同时表示1和0。纠缠意味着量子位可以以非经典方式彼此相关；即，一个的状态(是1或0或两者)可以取决于另一个的状态，并且当两个量子位纠缠时比当它们被单独处理时有更多的信息可以被确定。
7.使用这两个原理，量子位作为更复杂的信息处理器来运行，使量子计算机能以理论上允许它们解决使用常规计算机难以处理的问题的方式来运行。ibm已经成功地构建并证明了量子处理器的可操作性(ibm是国际商业机器公司在美国和其它国家的注册商标)。
8.超导量子位可以包括约瑟夫逊结。通过非超导材料分隔两个薄膜超导材料层形成约瑟夫逊非结。当超导层中的金属处于超导状态时，例如通过将金属的温度降低到特定的低温温度，电子对(称为库珀对)可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一个超导层。在超导量子位中，约瑟夫逊结——具有小电感——与一个或多个形成非线性谐振器的电容电路元件并联电耦合。
9.这些类型的量子位中编码的信息是微波频率范围中的微波能量的形式。单个微波
激励可以出现在量子位中，也可以不出现，对应于1或0。为了使量子计算可靠，量子电路，例如量子位本身、与量子位相关的读出电路、以及其它类型的超导量子逻辑电路，必须不改变量子位的能量状态激励。对以量子信息操作的任何电路的这种操作约束使得在制造用于这种电路的半导体结构时需要特别考虑。


技术实现要素：

10.说明性实施例提供了半导体器件及其制造方法和制造系统。量子位的实施例包括基板，以及第一电容器结构，该第一电容器结构具有形成在基板表面上的下部和在基板表面上方延伸的至少一个第一凸起部分。该实施例还包括第二电容器结构，其具有形成在基板表面上的下部和在基板表面上方延伸的至少一个第二凸起部分。在实施例中，第一电容器结构和第二电容器结构由超导材料形成。该实施例还包括第一电容器结构和第二电容器结构之间的结。在实施例中，结设置在距基板的表面预定距离处，并且具有与第一凸起部分接触的第一端和与第二凸起部分接触的第二端。
11.在另一个实施例中，结由夹在超导材料之间的绝缘材料形成。在另一个实施例中，超导材料是铝。
12.在另一个实施例中，结包括约瑟夫逊结。
13.在另一个实施例中，超导材料是铌(nb)并且基板包括硅(si)。
14.在另一实施例中，第一电容器结构和第二电容器结构是梯形形状。
15.另一实施例进一步包括形成于结与基板之间的腔。
16.一实施例包括用于制造半导体器件的制造方法。
17.一实施例包括用于制造半导体器件的制造系统。
附图说明
18.本发明的新颖特征在所附权利要求中阐述。然而，通过参考以下结合附图对说明性实施例的详细描述，将最好地理解本发明本身及其优选使用模式、进一步的目的和优点，其中：
19.图1描绘了根据说明性实施例的量子位的示意图；
20.图2描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的步骤；
21.图3描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤；
22.图4描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤；
23.图5描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤；
24.图6描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤；
25.图7描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一个步骤；
26.图8描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤；
27.图9描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤；以及
28.图10描绘了根据说明性实施例的用于制造具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性工艺的流程图。
具体实施方式
29.用于描述本发明的说明性实施例一般地处理和解决了减小超导量子逻辑电路中的量子位的覆盖区域(footprint)的问题。说明性实施例提供了一种用于具有沟槽式电容器结构的量子位的制造方法。
30.参考图1，该图描绘了根据说明性实施例的量子位100的示意图。电容器102被耦合到量子位100中的约瑟夫逊结104。说明性实施例认识到，必须根据操作约束来制造电容器，例如在超导量子逻辑电路中并且特别是在量子位中使用的电容器102，例如结合约瑟夫逊结。目前在一量子位中使用的电容器结构在尺寸上显著大于其中的约瑟夫逊结(例如约瑟夫逊结104)的尺寸。
31.电容器的大尺寸限制了可以在制造工艺中每个裸芯制造的量子位和其它量子读出电路的数量。说明性实施例认识到，需要一种制造量子位的方法，该方法与目前使用的量子电路、例如量子位100中的电容结构相比，在芯片上占据的面积方面显著地更小。电容器是使用超导材料制造的电容器件结构，其中电容结构可用于在量子逻辑电路的操作周期期间能够存储单个量子的微波能量的超导量子逻辑电路中。该能量的任何吸收或耗散、任何自发的能量添加、或在电容器中出现的电容波动将降低电路性能。可以为电容器定义这些效应的可接受的最大阈值以在量子逻辑电路中起作用。如本文所述，电容器可通过在半导体制造工艺中在硅基板上使用一种或一种以上超导材料来制造。
32.在此描述的一个实施提供了transmon量子位以及具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的制造方法，该方法减小了量子位的总体尺寸，由此减小了与量子位尺寸相关联的损耗。一个或多个实施方案提供了一种量子位设计，该量子位设计减少了与外部器件的远场和近场耦合并且减少了由量子位占据的总面积。
33.一个实施例可以在超导量子逻辑电路中实现为量子位器件，包括但不限于作为耦合到量子位芯片中的约瑟夫逊结的电容器。制造方法可以实现为软件应用。实现实施例的应用可以被配置成与现有的半导体制造系统(例如光刻系统)结合操作。
34.为了描述的清楚，并且不暗示对其的任何限制，使用附图和说明性实施例中的示例性量子位的简化图来描述说明性实施例。在实际的量子位制造中，这里没有示出或描述的附加结构，或者与这里示出和描述的结构不同的结构，都可以被呈现而不偏离说明性实施例的范围。类似地，在说明性实施例的范围内，在示例性量子位中示出或描述的结构可以被不同地制造以产生如在此描述的类似的操作或结果。
35.如本文所述，示例性结构、层和形式的二维图中的不同阴影部分旨在表示示例性制造中的不同结构、层、材料和形式。不同的结构、层、材料和形式可以使用本领域普通技术人员已知的合适材料来制造。
36.本文所描绘的形状的特定形状、位置、定位或尺寸不希望限制说明性实施例，但此特性明确地描述为实施例的特征。选择形状、位置、定位、尺寸或它们的一些组合仅为了附图和说明的清楚，并且可能已经相对于可能在实际的光刻中使用的实际形状、位置、定位或尺寸被夸大、最小化或以其它方式改变，以实现根据说明性实施例的目标。
37.当在应用中实现时，实施例使得制造工艺执行如本文所述的一些步骤。在几个附图中描绘了制造工艺的步骤。在特定的制造工艺中，并非所有的步骤都是必需的。一些制造工艺可以以不同的顺序实现步骤、组合某些步骤、移除或替换某些步骤、或执行这些和其它步骤操作的某种组合，而不脱离说明性实施例的范围。
38.关于仅作为示例的特定类型的材料、电特性、结构、形成、层取向、方向、步骤、操作、平面、尺寸、数量、数据处理系统、环境、部件和应用来描述说明性实施例。这些和其它类似的制品的任何特定表现形式不是要限制本发明。可以在示例性实施例的范围内选择这些和其它类似制品的任何适当表现。
39.使用具体设计、架构、布局、示意图和工具仅作为示例来描述说明性实施例，并且不限制说明性实施例。说明性实施例可以结合其他相当的或类似目的设计、架构、布局、示意图和工具来使用。
40.本公开中的示例仅用于清楚描述，而不是限制于说明性实施例。本文列出的任何优点仅是示例，并且不旨在限制说明性实施例。通过特定的说明性实施例可以实现附加的或不同的优点。此外，特定说明性实施例可具有上文所列优点中的一些、全部或不具有上文所列优点。
41.量子位仅用作其中可以使用实施例的非限制性示例性超导量子逻辑电路。根据本公开，本领域的普通技术人员将能够构想出许多其它超导量子逻辑电路，其中，将可使用示例性实施例的沟槽式电容器结构，并且在示例性实施例的范围内可以设想相同的情况。
42.图2
‑
9示出了根据说明性实施例的用于制造具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的一个示例性制造工艺的各个示例步骤的俯视图和侧视图。参考图2，该图描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的步骤。在步骤200中，将合适的牺牲材料的层204沉积在基板202的顶表面上。作为示例，基板202由合适的基板材料形成，例如但不限于硅(si)，或者，在特定实施例中，可使用蓝宝石代替硅。基本上，这些类型的基板与微波区域的低损耗相适应。作为示例，牺牲材料层204由牺牲氧化物形成。对于非限制性的分层沉积方法，可以使用溅射。
43.参考图3，该图描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤。在步骤300中，量子位袋(qubit pocket)302a和302b使用单步光刻工艺图案化为牺牲材料层204的限定部分，并且牺牲材料层204的限定部分被向下蚀刻到基板202。在所展示的实施例中，量子位袋302a和302b被示出为具有矩形形状。在其他具体实施方案中，可以将具有任何希望的形状和/或大小的任何数量的合适的量子位袋蚀刻到基板202中。步骤300的图案化和蚀刻工艺可以使用现有的光刻系统来实现。
44.参考图4，该图描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤。在步骤400中，使用蚀刻工艺，在量子位袋302a和302b处蚀刻基板202至指定深度，以形成具有成角度的侧壁和平坦的底部并具有梯形横截面的沟槽402a和402b。在一具体实施例中，使用各向异性湿法蚀刻工艺沿(100)硅平面在量
子位袋302a和302b处蚀刻基板202，以创建具有梯形截面的沟槽。在其它特定实施例中，沟槽402a和402b可具有任何合适的形状和/或几何形状，例如具有垂直侧壁。
45.参考图5，该图描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤。在步骤500中，超导材料502沉积在沟槽402a和402b的底部和侧壁上，以在牺牲材料层204的剩余部分上形成沟槽结构504a和504b。在一特定实施例中，超导材料502包括诸如铌(nb)的超导金属。对于超导材料502的非限制性沉积方法，可以使用溅射或其它覆盖沉积工艺(blanket deposition process)。
46.参考图6，该图描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤。在步骤600中，从基板202的非沟槽部分移除超导材料502和牺牲材料层204，以形成电容器结构602a和602b。在特定实施例中，使用化学机械抛光(cmp)工艺和氧化物湿法蚀刻工艺从基板202的非沟槽部分移除超导材料502和牺牲材料层204。
47.参考图7，该图描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤。在步骤700中，在基板202和电容器结构602a和602b的顶表面上沉积图案膜702且执行光刻工艺以为约瑟夫逊结制造作准备。在特定实施例中，使用抗蚀剂旋涂工艺来沉积光致抗蚀剂图案填充，接着执行光刻曝光和显影以为结蒸发作准备。
48.参考图8，该图描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤。在步骤800中，使用离子研磨工艺从电容器结构602a和602b移除剩余的氧化物。使用蒸发和剥离技术在电容器结构602a和602b之间制造约瑟夫逊结802，约瑟夫逊结802的第一端和第二端分别与电容器结构602a和602b的一部分接触。在特定实施例中，约瑟夫逊结802由诸如铝(al)的金属材料形成。在其它特定实施例中，任何合适的材料都可以用于形成约瑟夫逊结802。
49.在图8所示的实施例中，约瑟夫逊结802包括连接至第一电容器结构602a的第一超导材料层804、连接至第二电容器结构602b的第二超导材料层806、以及设置在第一超导材料层804和第二超导材料层806之间的隧道势垒808。在特定实施例中，第一超导材料层804和第二超导材料层806由铝或另一种合适的超导材料形成，并且隧道势垒808由氧化铝形成。
50.在特定实施例中，约瑟夫逊结802是通过将蒸发掩模悬挂在基板202上方并以预定角度投射掩模的阴影、使用阴影蒸发工艺来形成的。在特定实施例中，相对于基板202的俯视图，在包含第一方向和大体上垂直于第一方向的第二方向的两个不同方向上执行结蒸发。
51.参考图9，该图描绘了根据说明性实施例的具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例性制造工艺中的另一步骤。在步骤900中，使用减法蚀刻工艺移除基板202的部分，以暴露电容器结构602a和602b的凸起部分，并在约瑟夫逊结802和基板202之间形成腔902。结果，电容器结构602a和602b中的每一个具有形成在基板202的表面上的下部和在基板202的表面上方延伸的至少一个凸起部分。此外，约瑟夫逊结802悬置在基板202上方预定距离处。在特定实施例中，电容器结构602a及602b具有大体梯形形状。在特定实施例中，与量子位相关联的电容可以基于该预定距离而改变。因此，形成一量子位，该量子位与常规制
造的量子位相比具有减小的占位面积和/或减小的损耗。在特定实施例中，对于10微米深度，量子位的电容可以增加50％，因此减小了量子位尺寸以及与量子位相关联的损耗。在特定实施例中，通过移除基板的包围电容器结构的部分，可以显著地减少基板/金属到空气的损耗。
52.参考图10，该图描绘了根据说明性实施例的用于制造具有沟槽式电容器结构的transmon量子位的示例工艺1000的流程图。在一个或多个实施例中，工艺1000可由制造系统植入以执行图2
‑
9的一个或多个步骤。
53.在方框1002中，制造系统接收基板202。在方框1004中，制造系统在基板202的顶表面上沉积牺牲材料层204。作为示例，基板202由适当的基板材料形成，例如但不限于硅(si)。或者，在特定实施例中，可使用蓝宝石代替硅。作为示例，牺牲材料层204由牺牲氧化物形成。对于非限制性的分层沉积方法，可以使用溅射。
54.在方框1006中，制造系统使用单步光刻工艺限定牺牲材料层204的部分，并且将牺牲材料层204的限定部分向下蚀刻到基板202来形成量子位袋302a和302b。在特定实施例中，步骤300的图案化和蚀刻工艺可使用现有光刻系统来实施。在方框1108中，制造系统蚀刻量子位袋302a和302b以形成沟槽402a和402b。在特定实施例中，沟槽402a和402b形成有成角度的侧壁及平坦的底部，且具有梯形横截面。在特定实施例中，使用各向异性湿法蚀刻工艺沿(100)硅平面在量子位袋302a和302b处蚀刻基板202以创建具有梯形截面的沟槽。在其它特定实施例中，沟槽402a和402b可具有任何合适的形状和/或几何形状，例如具有垂直侧壁。
55.在方框1010中，制造系统在沟槽402a和402b的底部和侧壁上沉积超导材料502，以形成沟槽结构504a和504b，并沉积在牺牲材料层204的剩余部分上。在特定实施例中，超导材料502包括超导金属，例如铌(nb)。对于超导材料502的非限制性沉积方法，可以使用溅射或其它覆盖沉积工艺。
56.在方框1012中，制造系统从基板202的非沟槽部分移除超导材料502和牺牲材料层204，以形成电容器结构602a和602b。在特定实施例中，使用化学机械抛光(cmp)工艺和氧化物湿法蚀刻工艺从基板202的非沟槽部分移除超导材料502和牺牲材料层204。
57.在方框1014中，制造系统在基板202和电容器结构602a和602b的顶表面上沉积图案膜702，并且执行光刻工艺以为约瑟夫逊结制造作准备。在特定实施例中，使用抗蚀剂旋涂工艺来沉积光致抗蚀剂图案填充物，随后进行光刻曝光和显影以为结蒸发作准备。
58.在块1016中，制造系统使用蒸发和剥离技术在电容器结构602a和602b之间制造结，例如约瑟夫逊结802，约瑟夫逊结802的第一端和第二端分别与电容器结构602a和602b的一部分接触。在特定实施例中，结由金属材料形成，例如铝(al)。在其它特定实施例中，任何合适的材料都可以用于形成结。
59.在特定实施例中，通过将蒸发掩模悬挂在基板202上方并以预定角度投射掩模的阴影，使用阴影蒸发技术形成结。在特定实施例中，相对于基板202的俯视图，在包含第一方向和大体上垂直于第一方向的第二方向的两个不同方向上执行结蒸发。
60.在方框1018中，制造系统使用减性蚀刻工艺移除结下的基板202，以暴露电容器结构602a和602b的支腿部分并且在结和基板202之间形成腔。结果，结悬置在基板202上方预定距离处。因此，制造了具有沟槽式电容器结构的transmon量子位。工艺1000然后结束。
61.在此参考相关附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想出替代实施例。尽管在以下描述和附图中阐述了元件之间的各种连接和位置关系(例如上方、下方、相邻等)，但是本领域技术人员将认识到，当即使改变了取向也保持了所描述的功能时，本文描述的许多位置关系是与取向无关的。除非另有说明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并不旨在在这方面进行限制。因此，实体的耦合可以指直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接位置关系。作为间接位置关系的示例，本说明书中提到在层“b”上形成层“a”包括这样的情况，其中一个或多个中间层(例如层“c”)在层“a”和层“b”之间，只要层“a”和层“b”的相关特性和功能基本上不被中间层改变。
62.以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列要素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置不一定仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置固有的其他要素。
63.另外，术语“说明性”在本文中用于表示“充当示例、例子或说明”。本文描述为“说明性”的任何实施例或设计不一定被解释为比其它实施例或设计优选或有利。术语“至少一个”和“一个或多个”被理解为包括大于或等于一的任何整数，即一、二、三、四等。术语“多个”被理解为包括大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五等。术语“连接”可包括间接“连接”和直接“连接
64.说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以包括或者可以不包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合其它实施例来影响这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的，而不管是否明确描述。
65.术语“约”、“大体上”、“大约”及其变体旨在包括与基于提交本技术时可用的设备的特定量的测量相关联的误差度。例如，“约”可以包括给定值的
±
8％或5％或2％的范围。
66.已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所描述的实施例。