用于含铌基约瑟夫森结的超导集成电路与量子比特的扩散阻挡层
超导电性
2015-01-05 v1
摘要
我们开发并展示了一种用于超导集成电路的新技术。该技术采用扩散阻挡层（DSL）来保护约瑟夫森结（JJ）免受层间杂质迁移的影响，改善JJ临界电流（Ic）的目标值与可重复性，消除老化效应，并消除集成电路中Nb/Al/AlOx/Nb结的Ic和隧穿特性中的图案依赖效应。后者效应是最近在集成于多层数字电路中的铌基JJ中发现的。例如，发现约瑟夫森临界电流密度（Jc）可能依赖于JJ的环境、与铌基极（BE）和结的对电极（CE）接触的金属层的类型和尺寸，并且还会随时间变化。这种电路内的Jc变化降低了电路性能和良率，并限制了集成规模。JJ的这种可变性被解释为在晶圆加工过程中氢对Nb层的污染，这改变了AlOx隧穿势垒的高度和结构特性。氢杂质通过沿Nb线扩散以及层间接触在JJ电极和其他电路层之间重新分布，导致了Jc的长期漂移。需要至少两层DSL来完全保护JJ免受杂质扩散效应的影响——一层紧接在结BE下方，另一层紧接在结CE上方。我们发现最简单且技术上最方便的DSL是薄层（3 nm至10 nm）的铝。它们被原位沉积在BE层下方，形成Al/Nb/Al/AlOx/Nb五层结构，以及沉积在结CE的第一布线层下方，形成Al/Nb布线双层结构。在150毫米晶圆上，Jc均匀性得到了显著改善，同时Jc目标值和批次间可重复性也大幅提升。
引用
@article{arxiv.1010.5449,
title = {Diffusion stop-layers for superconducting integrated circuits and qubits with Nb-based Josephson junctions},
author = {Sergey K. Tolpygo and Denis Amparo and Richard T. Hunt and John A. Vivalda and Daniel T. Yohannes},
journal= {arXiv preprint arXiv:1010.5449},
year = {2015}
}
备注
7 pages, 9 figures; to be published in IEEE Transactions of Applied Superconductivity