(57)【要約】【課題】超伝導キュービットに関する技術を提供する。【解決手段】ジョセフソン接合が、非超伝導金属の上に形成された第１の超伝導体および第２の超伝導体を含む。キャパシタがジョセフソン接合と並列に結合される。【選択図】図３
2020532099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非超伝導金属の上に形成された第１の超伝導体および第２の超伝導体を含むジョセフソン接合と、
前記ジョセフソン接合と並列なキャパシタと
を備える、超伝導キュービット。
【請求項２】
前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体が互いに分離される、請求項１に記載の超伝導キュービット。
【請求項３】
スペースが、前記第１の超伝導体と前記第２の超伝導体とを分離する、請求項１に記載の超伝導キュービット。
【請求項４】
前記スペースの寸法が約０．１〜１０ミクロンである、請求項３に記載の超伝導キュービット。
【請求項５】
前記非超伝導金属が半導体の上に形成される、請求項１に記載の超伝導キュービット。
【請求項６】
前記非超伝導金属が銅を含む、請求項１に記載の超伝導キュービット。
【請求項７】
前記非超伝導金属が白金を含む、請求項１に記載の超伝導キュービット。
【請求項８】
超伝導キュービットを製造する方法であって、
ジョセフソン接合を設けることであり、前記ジョセフソン接合が非超伝導金属の上に形成された第１の超伝導体および第２の超伝導体を含む、前記設けることと、
前記ジョセフソン接合と並列にキャパシタを結合することと
を含む、方法。
【請求項９】
前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体が互いに分離される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
スペースが、前記第１の超伝導体と前記第２の超伝導体とを分離する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記スペースの寸法が約０．１〜１０ミクロンである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記非超伝導金属が半導体の上に形成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記非超伝導金属が銅を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記非超伝導金属が白金を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
第１の超伝導体と第２の超伝導体との間に形成された非超伝導金属を含むジョセフソン接合と、
前記ジョセフソン接合と並列なキャパシタと
を備える、超伝導キュービット。
【請求項１６】
前記非超伝導金属が、前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体の両方の一部の最上部に形成される、請求項１５に記載の超伝導キュービット。
【請求項１７】
前記非超伝導金属、前記第１の超伝導体、および前記第２の超伝導体が、基板の一部分の上にそれぞれ形成される、請求項１５に記載の超伝導キュービット。
【請求項１８】
前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体が互いに分離される、請求項１５に記載の超伝導キュービット。
【請求項１９】
前記非超伝導金属がシリコンの上に形成される、請求項１５に記載の超伝導キュービット。
【請求項２０】
前記非超伝導金属が銅を含む、請求項１５に記載の超伝導キュービット。
【請求項２１】
前記非超伝導金属が白金を含む、請求項１５に記載の超伝導キュービット。
【請求項２２】
超伝導キュービットを製造する方法であって、
ジョセフソン接合を設けることであり、前記ジョセフソン接合が第１の超伝導体と第２の超伝導体との間に形成された非超伝導金属を含む、前記設けることと、
前記ジョセフソン接合と並列にキャパシタを結合することと
を含む、方法。
【請求項２３】
前記非超伝導金属が、前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体の両方の一部の最上部に形成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記非超伝導金属、前記第１の超伝導体、および前記第２の超伝導体が、基板の一部分の上にそれぞれ形成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
マイクロ波デバイスを形成する方法であって、
超伝導キュービットを設けることであり、前記超伝導キュービットが第１の超伝導体、第２の超伝導体および非超伝導金属を有するジョセフソン接合を含む、前記設けることと、
前記超伝導キュービットに読出し共振器を結合することと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に超伝導デバイスに関する。より詳細には、本発明は、改善型キュービットのためのジョセフソン接合に関する。
【背景技術】
【０００２】
いくつかの物理的な物体が、キュービットの潜在的な実装形態として提案されてきている。しかしながら、固体回路、そして特に超伝導回路は、多数の相互に作用するキュービットを用いて回路が形成されることを可能にするスケーラビリティを提供するので非常に関心の高いものである。超伝導キュービットは、典型的にはジョセフソン接合を基礎にしている。ジョセフソン接合は、例えば、薄い絶縁障壁により結合された２つの超伝導体である。ジョセフソン接合を、超伝導電極同士の間のＡｌ２Ｏ３などの絶縁トンネル障壁によって製造することができる。このようなジョセフソン接合に関して、最大許容超伝導電流が、臨界電流Ｉｃである。超伝導量子チップにおいて使用される超伝導トンネル接合（またジョセフソン接合とも呼ばれる）は、ジョセフソン・インダクタンスを示し、これは、超伝導電流を与える能力を除いて回路内の従来のインダクタと同等である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
改善型キュービットのためのジョセフソン接合を備えた超伝導キュービット、超伝導キュービットを製造する方法およびマイクロ波デバイスを形成する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、超伝導キュービットを対象とする。超伝導キュービットの非限定的な例は、非超伝導金属の上に形成された第１の超伝導体および第２の超伝導体を含むジョセフソン接合と、ジョセフソン接合と並列なキャパシタとを含む。
【０００５】
本発明の実施形態は、超伝導キュービットを製造する方法を対象とする。方法の非限定的な例は、ジョセフソン接合を設けることであり、ジョセフソン接合が非超伝導金属の上に形成された第１の超伝導体および第２の超伝導体を含む、上記設けることと、ジョセフソン接合と並列にキャパシタを結合することとを含む。
【０００６】
本発明の実施形態は、超伝導キュービットを対象とする。超伝導キュービットの非限定的な例は、第１の超伝導体と第２の超伝導体との間に形成された非超伝導金属を含むジョセフソン接合と、ジョセフソン接合と並列なキャパシタとを含む。
【０００７】
本発明の実施形態は、超伝導キュービットを製造する方法を対象とする。方法を機能させる非限定的な例は、ジョセフソン接合を設けることであり、ジョセフソン接合が第１の超伝導体と第２の超伝導体との間に形成された非超伝導金属を含む、上記設けることと、ジョセフソン接合と並列にキャパシタを結合することとを含む。
【０００８】
本発明の実施形態は、マイクロ波デバイスを形成する方法を対象とする。方法の非限定的な例は、超伝導キュービットを設けることであり、超伝導キュービットが第１の超伝導体、第２の超伝導体および非超伝導金属を有するジョセフソン接合を含む、上記設けることと、超伝導キュービットに読出し共振器を結合することとを含む。
【０００９】
さらなる技術的な特徴および利点は、本発明の技術を通して実現される。発明の実施形態および態様が、本明細書において詳細に説明され、そして権利を主張する主題の一部と考えられる。より良く理解するために、詳細な説明および図面を参照されたい。
【００１０】
本明細書において記述する排他的な権利の具体的なものが、添付の特許請求の範囲に特に示されておりそして明確に権利を主張している。発明の実施形態の前述のおよび他の特徴および利点は、添付の図面とともに下記の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービットを製造する上面図である。
【図２】本発明の実施形態による図１の断面図である。
【図３】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービットを製造する上面図である。
【図４】本発明の実施形態による図３の断面図である。
【図５】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービットを製造する上面図である。
【図６】本発明の実施形態による図５の断面図である。
【図７】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット１００を製造する上面図である。
【図８】本発明の実施形態による図７の断面図である。
【図９】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービットを製造する上面図である。
【図１０】本発明の実施形態による図９の断面図である。
【図１１】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービットを製造する上面図である。
【図１２】本発明の実施形態による図１１の断面図である。
【図１３】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービットを製造する上面図である。
【図１４】本発明の実施形態による図１３の断面図である。
【図１５】本発明の実施形態による量子コンピューティングにおいて利用することができるマイクロ波デバイスの概略図である。
【図１６】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービットを製造する方法のフロー・チャートである。
【図１７】本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービットを製造する方法のフロー・チャートである。
【図１８】本発明の実施形態にしたがってマイクロ波デバイスを形成するフロー・チャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書に描かれた図は、例示である。発明の思想から乖離することなく本明細書に記述した図または動作に対して多くの変形形態があってもよい。例えば、行為を違った順番で実行することができる、または行為を、追加する、削除するもしくは修正することができる。また、「結合した（coupled）」という用語およびその変形形態は、２つの要素同士の間に通信経路を有することを記述し、その要素同士の間に介在する要素／接続のない状態でその要素同士の間の直接接続を必然的に含むことはない。これらの変形形態のすべてが、明細書の一部と考えられる。
【００１３】
開示した実施形態の添付の図および下記の詳細な説明では、図に図示された様々な要素は、２桁または３桁の参照番号を与えられる。僅かな例外を除き、各参照番号の最も左の桁は、その要素が最初に図示された図に対応する。
【００１４】
簡潔さの目的で、半導体デバイスおよび集積回路（ＩＣ）製造に関する従来技術を、本明細書では詳細に説明することも説明しないこともある。その上、本明細書において説明する様々なタスクおよびプロセス・ステップを、本明細書では詳細に記述しない追加のステップまたは機能を有するさらに包括的な手順またはプロセスへと組み込むことができる。特に、半導体デバイスおよび半導体に基づくＩＣの製造における様々なステップは、良く知られており、そのように簡潔さのために、多くの従来のステップを、本明細書では簡潔に述べるだけであろう、または良く知られているプロセスの詳細を提供せずに完全に省略するだろう。
【００１５】
発明の態様により具体的に関係する技術の全体像にここで転じて、ゲート方式の（gate-based）超伝導量子コンピューティングに関して、（回路を形成している）キュービットの周波数が十分に制御されており、狭い分布を有することが重要である。最先端技術では、キュービットは、ジョセフソン接合を形成するために酸化物トンネル接合を使用し、そしてジョセフソン接合が回路／デバイスに非線形インダクタンスを与える。シャント・キャパシタが製作され、キュービットとして働く非線形オシレータを作り出す。このキュービットの周波数は、式
【数１】
2020532099.tif 000003
により与えられる、ここでＬがジョセフソン接合の非線形インダクタンスであり、Ｃがシャント・キャパシタンスである。各ジョセフソン接合は超伝導臨界電流Ｉｃを有し、そしてジョセフソン・インダクタンスを式
【数２】
2020532099.tif 000004
によりＩｃに関係させる、ここでφ０は磁束量子である。これらの２つの式を組み合わせると、狭い周波数分布（これは、名目上同一のキュービットの周波数の差を指す）は、ジョセフソン接合およびシャント・キャパシタンスＣの臨界電流の変動性によるものである。名目上同一のキュービットの集合（population）の周波数広がりは、標準リソグラフィおよびパターニング法により形成されるキャパシタンスとは対照的にジョセフソン接合の臨界電流（Ｉｃ）の広がりとして始まることが知られている。加えて、内部のどこかからデバイスへのまたは外部システムへのいずれかのキュービットからのエネルギー損失のすべての源を減少させることによりキュービットのコヒーレンス時間を増加させることが望ましい。（トンネル障壁それ自体のために使用される酸化物などの）誘電体を含むことが、さらなる損失およびコヒーレンス時間の関連する減少につながることがある。
【００１６】
接合の臨界電流Ｉｃの広がり（すなわち、違い）（または同様に抵抗の違い）は、ほぼ
【数３】
2020532099.tif 000005
のように変化する、ここでＡが接合の面積である。この依存性は、ジョセフソン接合で、またＭｇＯ２およびＡｌＯ２の両方が障壁として使用されてきている磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）トンネル接合でも観察されてきている。このことは、臨界電流Ｉｃの値に対する面積Ａの依存性が普遍的な振る舞いであることを示している。この問題が何十年にわたり研究されてきているとはいえ、所与の大きさのジョセフソン接合に関して広がり（すなわち臨界電流Ｉｃの違い）を減少させることにおいて、事実上何の進歩も報告されていない。広がりの狭い制御をともなう多くのキュービットを作らなければならない量子コンピューティングのケースでは、この問題はますます重要になってくる。酸化物接合の広がりを制御する（すなわち、所与の大きさのジョセフソン接合を用いてそれぞれ設計されたジョセフソン接合デバイス同士の間の酸化物接合の違いを制御する）際に、さらなる進歩がなされ得ることが可能であるはずであるけれども、実際的な量子コンピュータが作られようとしている場合には、代替案の探究は、新たな緊急性を持つようになる。
【００１７】
発明の態様の全体像にここで転じて、発明の１つまたは複数の実施形態は、トランスモン・キュービットに対して超伝導絶縁体超伝導ジョセフソン接合を使用する代わりに、超伝導−通常−超伝導ジョセフソン接合を使用することにより先行技術の上に記述した欠点に対処する。初めは、接合特性同士が２つのケースに対して類似している、すなわち、両者に対して同じ位相／電圧関係をともなうことが現れることも現れないこともある。しかしながら、名目上同一の超伝導絶縁体超伝導接合に関する臨界電流Ｉｃの揺らぎの起源が、障壁厚さについてのトンネル電流Ｉｃの急峻な指数関数的依存性により強調されたトンネル障壁厚さの微妙な違いから生じると考えられている。加えて、Ｉｃ揺らぎは、しばしば二準位系（ＴＬＳ）と呼ばれる酸化物障壁内のまたは酸化物／金属界面のところの欠陥に由来することがある。本発明の実施形態によれば、秩序パラメータの減衰に関する特性長目盛り（scale）は、超伝導絶縁体超伝導接合に対してよりも超伝導通常金属超伝導接合に対して１０〜１００倍長いことがある。したがって、臨界電流Ｉｃの制御は、キャパシタおよび超伝導通常金属超伝導ジョセフソン接合から形成された超伝導キュービットを有することによって得ることが比例して容易である。通常金属は、超伝導金属ではない、このことは通常金属（非超伝導金属）が、（９ケルビン（Ｋ）、４Ｋ、等以下などの）低温で超伝導にならないことを意味する。通常金属は、酸化物層などの誘電体材料の代わりにトンネル金属として利用される。超伝導通常金属超伝導接合を用いて作られたジョセフソン接合を有する名目上同一の超伝導キュービットは、超伝導絶縁体超伝導接合を用いて作られたジョセフソン接合を有する名目上同一の超伝導キュービットに対するよりも臨界電流Ｉｃのより小さな広がりを有する（これは、臨界電流Ｉｃがほとんど同じ（すなわち、狭く分布している）ことを意味する）。酸化物トンネル障壁を削除し、そしてこれを通常金属で置き換えることにより、ＴＬＳ含有誘電材料の除去の結果、コヒーレンスが改善される。
【００１８】
本発明の態様のより詳細な説明にここで転じて、図１〜図８は、本発明の実施形態による超伝導キュービット１００の製造を描いている。図１は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット１００を製造する上面図を描いている。図２は、本発明の実施形態による図１の断面図を描いている。超伝導キュービット１００の製造は、コンタクトが先のプロセス（contacts first process）を使用し、そこではコンタクト（すなわち、超伝導電極）を非超伝導材料であるトンネル障壁材料の前に堆積する。
【００１９】
超伝導材料１０２を、基板２０２の最上部に形成する。超伝導材料１０２の非限定的な例は、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、および他の適した超伝導体などの材料を含む。
【００２０】
基板２０２にとって適した材料の非限定的な例は、Ｓｉ（シリコン）、歪Ｓｉ、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）、ＳｉＧｅＣ（シリコン−ゲルマニウム−炭素）、Ｓｉ合金、Ｇｅ合金、ＩＩＩ−Ｖ材料（例えば、ＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）、ＩｎＡｓ（インジウム・ヒ素）、ＩｎＰ（インジウム・リン）、もしくはアルミニウム・ヒ素（ＡｌＡｓ））、ＩＩ−ＶＩ材料（例えば、ＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、もしくはＺｎＴｅ（テルル化亜鉛））、またはこれらの任意の組み合わせを含む。半導体材料の他の非限定的な例は、ＩＩＩ−Ｖ材料、例えば、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）、アルミニウム・ヒ素（ＡｌＡｓ）、またはこれらの任意の組み合わせを含む。ＩＩＩ−Ｖ材料は、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、などの少なくとも１種の「ＩＩＩ族元素」、および窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などの少なくとも１種の「Ｖ族元素」を含むことができる。
【００２１】
図３は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット１００を製造する上面図を描いている。図４は、本発明の実施形態による図３の断面図を描いている。超伝導キュービット１００の超伝導材料１０２をパターニングする。図を不明瞭にしないように超伝導キュービット１００に関係するそれぞれの素子を示さないけれども、製造プロセスは、単一ステップ・リソグラフィおよび引き続くエッチングを用いて、読出し共振器、グランド・プレーン（ground plane）、キャパシタまたは接合コンタクトあるいはこれらの組み合わせをパターニングする。一例として、超伝導材料１０２の最上部にレジスト層（これはポジ・レジストであってもネガ・レジストであってもよい）を堆積しそして所望のパターンにパターニングするために、リソグラフィを実行することができる。適宜に、超伝導材料１０２（例えば、ＴｉＮまたはＮｂ）のエッチングを、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）中にＣｌ２またはＢＣｌ３エッチャントで実現することができる。ＴｉＮのエッチングを、「標準洗浄１」（ＮＨ４ＯＨ＋Ｈ２Ｏ２）などのウェット・エッチを用いてやはり実現することもできる。
【００２２】
超伝導材料１０２のパターニングは、超伝導電極３０４Ａと３０４Ｂとの間にスペース３０２をもたらす。スペース３０２は、非超伝導材料（すなわち、通常金属）を堆積するための準備である。スペース３０２（すなわち、ギャップ）の間隔は、約０．１〜１０ミクロン（μｍ）の範囲にわたることがある。加えて、超伝導材料１０２のパターニングは、超伝導キュービット１００用のシャント・キャパシタであるキャパシタ３１０  Ｃ１およびキャパシタ３１２  Ｃ２をもたらす。本発明のいくつかの実施形態では、両方のキャパシタ３１０  Ｃ１と３１２  Ｃ２を利用することができる。本発明のいくつかの実施形態では、１つだけのキャパシタがパターニングされるように、キャパシタ３１０  Ｃ１または３１２  Ｃ２のうちの一方だけを利用することができる。
【００２３】
図５は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット１００を製造する上面図を描いている。図６は、本発明の実施形態による図５の断面図を描いている。見られるように、非超伝導金属５０２を、超伝導材料１０２および基板２０２の最上部に堆積する。非超伝導金属５０２を、トンネル障壁になるようにスペース３０２内に堆積する。例えば、超伝導キュービット１００の表面をその場で洗浄することができ、次いで非超伝導金属５０２の金属堆積を実行する。非超伝導金属５０２を、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、等とすることができる。他の適したトンネル非超伝導金属５０２の別の例は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、等を含むことができる。どの金属のペアを超伝導金属および通常金属に対して使用するかの選択は、いくつかの要因により決められるだろう。第１に、材料の清浄度を要因とすることができ、特に通常金属が重要であり、通常金属では多くの関心事が材料中の電子の平均自由行程によってある部分支配されるコヒーレンス長である。加えて、（要因としての）所望の動作温度が、超伝導遷移温度の最小の限界を設定するだろう。最後に、２つの金属の加工および共存の容易さを要因とすることができ、特に形成する際に、清浄な非散乱界面が重要であろう。
【００２４】
非超伝導金属５０２の高さＨ１または厚さは、約１０〜１０００ナノメートル（ｎｍ）の範囲にわたることがあり、ほぼ２００ｎｍが好まれる（しかし必ずしも必要でない）ことをともなう。
【００２５】
図７は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット１００を製造する上面図を描いている。図８は、本発明の実施形態による図７の断面図を描いている。
【００２６】
非超伝導金属５０２を、接合領域内だけになるようにパターニングし、これによりジョセフソン接合７０２を形成する。接合領域は、２つの超伝導電極３０４Ａと３０４Ｂとの間である。ジョセフソン接合７０２を、超伝導電極３０４Ａ、非超伝導金属５０２、および超伝導電極３０４Ｂから形成する。非超伝導金属５０２の一部分が、超伝導電極３０４Ａと３０４Ｂの最上部に残っても残らなくてもよい。非超伝導金属５０２を、基板２０２および超伝導金属１０２の他の部分から除去する。本発明のいくつかの実施形態では、非超伝導金属５０２を、スペース３０２内にだけ残るようにパターニングすることができる。本発明のいくつかの実施形態では、非超伝導金属５０２を、超伝導電極３０４Ａと３０４Ｂを完全に覆う（または８０％、９０％、等を超えて覆う）ようにパターニングすることができる。
【００２７】
非超伝導金属５０２であるトンネル接合をパターニングするために、リソグラフィを実行し（例えば、フォトレジストを堆積してパターニングすることができ）、そして、リソグラフィを使用して形成したパターンにしたがって、トンネル金属を超伝導金属１０２およびシリコン（例えば、基板２０２）に対して選択的にエッチングする。これゆえ、超伝導金属１０２およびシリコン（例えば、基板２０２）を残したままで（またはエッチングしないで）、非超伝導金属５０２の所望の部分を除去する。例えば、（非超伝導金属５０２としての）Ｃｕを、多数の市販のエッチャントを使用して（超伝導金属１０２としての）ＴｉＮに対して選択的にエッチングすることができる。例の市販のエッチャントは、（ＫＭＧ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓと合併した）Ｃｙａｎｔｅｋ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるクロム・エッチャントＣＲ−７、Ｔｒａｎｓｅｎｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｉｎｃ．からのアルミニウム・エッチャントＥｔｃｈ  Ａ、またはＴｒａｎｓｅｎｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｉｎｃ．からの銅エッチャントを含むことができる。
【００２８】
図８に超伝導温度における臨界／超伝導電流Ｉｃの電気的な流れを図示するための任意の方向として、臨界電流Ｉｃは、超伝導電極３０４Ａから非超伝導金属５０２へと接合領域の非超伝導金属５０２をトンネルして通り、超伝導電極３０４Ｂへと戻って流れることができる。本明細書において論じた技術を使用して、名目上同一の超伝導キュービット１００（または下記に論じる名目上同一の超伝導キュービット９００）を、それらそれぞれの臨界電流Ｉｃについて同じ値またはほぼ同じ値に形成することができ、これにより超伝導体絶縁体超伝導体ジョセフソン接合を用いる名目上同一の最先端技術キュービットに関する臨界電流Ｉｃよりもそれらの臨界電流Ｉｃに関する値のより小さな広がりを有する。
【００２９】
図９〜図１４は、本発明の実施形態による超伝導キュービット９００の製造を描いている。図９は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット９００を製造する上面図を描いている。図１０は、本発明の実施形態による図９の断面図を描いている。超伝導キュービット９００の製造は、二層プロセスを使用し、そこでは非超伝導材料であるトンネル障壁材料を、コンタクト（すなわち超伝導電極）の前に／下に堆積する。
【００３０】
非超伝導金属５０２を、基板２０２の最上部に堆積する。超伝導材料１０２を、非超伝導金属５０２の最上部に堆積する。のように、非超伝導金属５０２を、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、等とすることができる。他の適したトンネル非超伝導金属５０２の別の例は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、等を含むことができる。超伝導材料１０２の非限定的な例は、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、および他の適した超伝導体などの材料を含む。
【００３１】
図１１は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット１００を製造する上面図を描いている。図１２は、本発明の実施形態による図１１の断面図を描いている。超伝導材料１０２および非超伝導金属５０２の両方をパターニングする。超伝導キュービット１００に関係する各素子が図を不明確にしないために示されていないとはいえ、製造プロセスはやはり、単一ステップ・リソグラフィおよび引き続くエッチングを用いて、読出し共振器、グランド・プレーン、キャパシタまたは接合コンタクトあるいはその組み合わせもパターニングする。例えば、非超伝導金属５０２および超伝導材料１０２用のパターンをレイアウトするために（例えば、パターニングしたフォトレジストを使用して）リソグラフィを実行し、そして超伝導材料１０２（例えば、ＴｉＮ、Ｎｂ）および非超伝導金属５０２（Ｃｕ）のエッチングを、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）中にＣｌ２系のエッチャントで行うことができる。図１１は、シャント・キャパシタ３１０  Ｃ１と３１２  Ｃ２を形成することを示している。のように、２つのシャント・キャパシタが必ずしも必要ないことがあり、シャント・キャパシタ３１０  Ｃ１と３１２  Ｃ２とのうちの一方だけを、本発明のいくつかの実施形態では利用するかもしれない。この点で、パターニングがまだ短絡した接合を残し、接合が引き続いてパターニングされるだろうことに留意されたい。本発明のいくつかの実施形態では、接合をこの時点で形成することができる。これは、本発明のいくつかの実施形態についてのパターニングのほんの一例のシーケンスであることに留意されたい。発明の他の実施形態では、ジョセフソン接合が製造の最後まで保護されるので、接合を後のある時点に限って形成することが有利かもしれない。
【００３２】
図１３は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット９００を製造する上面図を描いている。図１４は、本発明の実施形態による図１３の断面図を描いている。
【００３３】
超伝導金属１０２を接合領域内でパターニングして、ギャップ１４０２を形成し、そして超伝導電極３０４Ａと３０４Ｂを形成する、これによりジョセフソン接合１３０２を形成する。接合領域は、２つの超伝導電極３０４Ａと３０４Ｂとの間であるがこれらの下である。ジョセフソン接合１３０２を、超伝導電極３０４Ａ、下の非超伝導金属５０２、および超伝導電極３０４Ｂから形成する。
【００３４】
コンタクト内にギャップ１４０２（すなわち、超伝導電極３０４Ａと３０４Ｂ）をパターニングするために、（例えば、フォトレジストを使用して）リソグラフィを実行し、超伝導材料１０２を選択的にエッチングし、下にあるトンネル金属（すなわち、非超伝導金属５０２）エッチングしないように反応性イオン・エッチングを実行する。例えば、ＤｕＰｏｎｔ（商標）ＣｕＳｏｌｖｅ（商標）ＥＫＣ（商標）５７５などの多数の市販のエッチャントを使用して、ＴｉＮ（超伝導材料１０２）をＣｕ（非超伝導金属５０２）に対して選択的にエッチングすることができる。
【００３５】
非超伝導金属５０２の高さＨ２または厚さは、約１０〜１０００ｎｍの範囲にわたることがあり、好ましくは（しかし必ずしも必要ではないが）２００ｎｍである。
【００３６】
図１４に超伝導温度における臨界／超伝導電流Ｉｃの電気的な流れを図示するための任意の方向として、臨界電流は、超伝導電極３０４Ａから下の非超伝導金属５０２へと下り、接合領域内の非超伝導金属５０２をトンネルして通り、超伝導電極３０４Ｂへと上へ戻って流れることができる。理解できるように、最先端技術では置かれたはずであるように、ギャップ１４０２内にはトンネル障壁がない。むしろ、臨界電流は、ギャップ１４０２の下方で下にある非超伝導金属５０２内を進む。ギャップ１４０２に最も近い超伝導電極３０４Ａと３０４Ｂの端部の下にある非超伝導金属５０２の一部分は、ギャップ１４０２の下にある非超伝導金属５０２とともにトンネル障壁として作用する。
【００３７】
回路量子電気力学では、量子コンピューティングは、量子情報を操作し記憶するための非線形超伝導デバイス（すなわち、キュービット）、およびキュービット同士の間の対話を読み出すまたは容易にするあるいはその両方のための（例えば、二次元（２Ｄ）平面導波路としてまたは三次元（３Ｄ）マイクロ波キャビティとして）共振器を採用する。一例として、各超伝導キュービットは、接合と並列なキャパシタによりシャントされた１つまたは複数のジョセフソン接合を含む。キュービットは、２Ｄまたは３Ｄマイクロ波キャビティに容量性結合される。キュービットに関係する電磁エネルギーは、キュービットを形成するジョセフソン接合ならびに容量および誘導素子に蓄えられる。図１５は、本発明の実施形態にしたがって量子コンピューティングで利用することができるマイクロ波デバイス１５００の概略を描いている。マイクロ波デバイス１５００は、超伝導キュービット１００または９００を含む。１つのマイクロ波デバイス１５００が例として示されており、当業者なら理解するように、多数のマイクロ波デバイス１５００を量子コンピュータでは含むことができることを理解すべきである。マイクロ波デバイス１５００を、超伝導キュービット１００、９００にエネルギーを与えるため（すなわち、駆動するため）そして読み出すために利用することができる。この例では、超伝導キュービット１００、９００を、反射でエネルギーを与えそして読み出すことができる。他の実装形態では、当業者なら理解するように、超伝導キュービット１００、９００に伝送でエネルギーを与えそして読み出すことができる。
【００３８】
マイクロ波デバイス１５００は、結合キャパシタ１５２０Ａと１５２０Ｂにより読出し共振器１５０５に容量性結合されたキュービット１００または９００を含む。読出し共振器１５０５は、２Ｄ平面導波路または３Ｄマイクロ波キャビティを表すことができる。読出し共振器１５０５を、共振器結合キャパシタ１５２５によりポート１５５０に容量性結合させる。ポート１５５０は、マイクロ波信号（例えば、キュービット１００、９００にエネルギーを与えるためのキュービット駆動信号および読出し共振器１５０５を読み出しこれによりキュービット１００、９００の状態を読み出すための共振器読出し信号）を受信するためおよび読出し共振器１５０５から反射されたマイクロ波信号を測定する（すなわち、キュービット１００、９００の状態を受信する）ためのマイクロ波デバイス１５００用である。
【００３９】
図１６は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット９００を製造する方法のフロー・チャート１６００を描いている。ブロック１６０２において、非超伝導金属５０２の上に形成された第１の超伝導体３０４Ａおよび第２の超伝導体３０４Ｂを含むジョセフソン接合１３０２を設ける。ブロック１６０４において、シャント・キャパシタ（例えば、キャパシタＣ１  ３１０、キャパシタＣ２  ３１２、または両方のキャパシタＣ１とＣ２）をジョセフソン接合１３０２と並列に結合する。
【００４０】
第１の超伝導体３０４Ａおよび第２の超伝導体３０４Ｂは、互いに分離されている。第１の超伝導体および第２の超伝導体は、互いを分離するスペース（例えば、ギャップ１４０２）を有する。スペース（ギャップ１４０２）は、約０．１〜１０μｍである。非超伝導金属を半導体の上に形成する。非超伝導金属は銅である。非超伝導金属は白金である。
【００４１】
図１７は、本発明の実施形態にしたがって超伝導キュービット１００を製造する方法のフロー・チャート１７００を描いている。ブロック１７０２において、第１の超伝導体３０４Ａと第２の超伝導体３０４Ｂとの間に形成された非超伝導金属５０２を含むジョセフソン接合７０２を設ける。ブロック１７０４において、シャント・キャパシタ（例えば、キャパシタＣ１  ３１０、キャパシタＣ２  ３１２、または両方のキャパシタＣ１とＣ２）をジョセフソン接合７０２と並列に結合する。
【００４２】
非超伝導金属５０２を、第１の超伝導体３０４Ａと第２の超伝導体３０４Ｂの両方の一部の最上部に形成する。非超伝導金属５０２、第１の超伝導体３０４Ａ、および第２の超伝導体３０４Ｂを、基板２０２の一部分の上にそれぞれ形成する。第１の超伝導体３０４Ａと第２の超伝導体３０４Ｂとは、ギャップ３０２により互いに分離される。ギャップ３０２の間隔は、約０．１〜１０μｍの範囲にわたることがある。非超伝導金属を、シリコンの上に形成する。非超伝導金属は銅である。非超伝導金属は白金である。
【００４３】
図１８は、本発明の実施形態にしたがってマイクロ波デバイス１５００を形成する方法のフロー・チャート１８００を描いている。ブロック１８０２において、超伝導キュービット１００または９００を設ける、そこでは超伝導キュービット１００、９００が第１の超伝導体３０４Ａ、第２の超伝導体３０４Ｂ、および非超伝導金属５０２を有するジョセフソン接合７０２、１３０２を含む。ブロック１８０４において、読出し共振器１５０５を超伝導キュービット１００，９００に結合する。
【００４４】
回路１００、７０２、１５００の回路素子を、超伝導材料から作ることができる。それぞれの共振器、伝送／給電／ポンプ線路を、超伝導材料から作る。（典型的には０．１から２０ケルビン（Ｋ）までの範囲にわたる低温における）超伝導材料の例は、ニオブ、アルミニウム、タンタル、等を含む。例えば、近接効果接合を超伝導材料から作り、トンネル領域を非超伝導材料から作る。キャパシタを、（典型的に損失の大きい）誘電体とは対照的に真空により分離された超伝導材料から作ることができる。様々な素子を接続している伝送線路（すなわち、電線）を、超伝導材料から作る。
【００４５】
本発明の様々な実施形態を、関係する図面を参照して本明細書では説明している。代替の実施形態を、この発明の範囲から逸脱せずに考案することができる。様々な接続関係および位置関係（例えば、覆って、下方に、隣接して、等）を下記の説明ではそして図面では素子同士の間で述べているけれども、向きを変えたとしても説明した機能が維持されるときには、本明細書において説明する位置的関係の多くは向きに依存しないものであることを、当業者なら認識するだろう。これらの接続関係または位置関係あるいはその両方は、別なふうに指定されない限り、直接的であっても間接的であってもよく、本発明は、この点で限定されるものではない。したがって、実体同士の結合は、直接結合または間接結合のいずれを言及することもでき、実体同士の間の位置関係は、直接的な位置関係であっても間接的であってもよい。間接的な位置関係の例として、層「Ｂ」を覆って層「Ａ」を形成するという本明細書における言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関係する特性および機能性が中間の層により実質的に変化しない限り、１つまたは複数の中間の層（例えば、層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」との間にあるという状況を含む。
【００４６】
下記の定義および略語を、特許請求の範囲および明細書の解釈のために使用すべきである。本明細書において使用するように、「備える（comprises）」、「備えている（comprising）」、「含む（includes）」、「含んでいる（including）」、「有する（has）」、「有している（having）」、「含有する（contains）」、もしくは「含有している（containing）」という用語、またはこれらの任意の他の変形形態は、非排他的な包含関係をカバーするものである。例えば、一連の要素を含む組成、混合物、プロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもこれらの要素だけに限定される必要はないどころか、明示的には列挙されていない他の要素またはこのような組成、混合物、プロセス、方法、物品、もしくは装置に固有な他の要素を含むことができる。
【００４７】
加えて、「例示的な」という用語を、「例（example）、事例（instance）または実例（illustration）として働くこと」を意味するように本明細書では使用する。「例示的な」として本明細書において説明したいずれかの実施形態または設計を、他の実施形態または設計に対して好ましいまたは有利であると必ずしも解釈する必要はない。「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」という用語を、１以上の任意の整数、すなわち、１、２、３、４、等を含むように理解する。「複数の」という用語を、２以上の任意の整数、すなわち、２、３、４、５、等を含むように理解する。「接続」という用語は、間接「接続」および直接「接続」を含むことができる。
【００４８】
「１つの実施形態」、「ある実施形態」、「ある例の実施形態」、等への本明細書における言及は、記述した実施形態がある特定の特徴、構造、または特性を含むことができるが、すべての実施形態がその特定の特徴、構造、または特性を含んでも含まなくてもよいことを示す。その上、このような言い回しは、同じ実施形態を必ずしも参照する必要はない。さらに、ある特定の特徴、構造、または特性がある実施形態に関連して記述されるときには、明示的に記述されているか否かに拘わらず他の実施形態に関連してこのような特徴、構造、または特性に影響を及ぼすことが当業者の知識内であることが意図されている。
【００４９】
以降の説明の目的で、「上部（upper）」、「下部（lower）」、「右（right）」、「左（left）」、「垂直（vertical）」、「水平（horizontal）」、「最上部（top）」、「底部（bottom）」という用語およびこれらの派成物は、図面に向きを示されたように、記述した構造および方法に関係する。「上に横たわる（overlying）」、「頂部に（atop）」、「最上部に（on top）」、「上に位置する（positioned on）」または「頂部に位置する（positioned atop）」という用語は、第１の構造などの第１の要素が第２の構造などの第２の要素の上に存在することを意味し、ここでは界面構造などの介在する要素が第１の要素と第２の要素との間に存在してもよい。「直接接触」という用語は、第１の構造などの第１の要素および第２の構造などの第２の要素を、この２つの要素の界面のところに何らかの介在の導電性層、絶縁性層または半導体層なしに接続することを意味する。
【００５０】
例えば、「第２の要素に対して選択的に第１の要素」などの「に対して選択的に」という言い回しは、第１の要素をエッチングすることができ、そして第２の要素がエッチ・ストップとして作用できることを意味する。
【００５１】
「約（about）」、「実質的に（substantially）」、「ほぼ（approximately）」という用語、およびこれらの変形は、出願の提出の時点で利用可能な装置に基づく特定の量の測定に関連する誤差の程度を含むものである。例えば、「約」は、所与の値の±８％または５％または２％の範囲を含むことがある。
【００５２】
本明細書においてこれまでに記したように、簡潔さの目的で、半導体デバイスおよび集積回路（ＩＣ）製造に関する従来技術を本明細書において詳細に説明することも説明しないこともある。背景として、しかしながら、本発明の１つまたは複数の実施形態を実装する際に利用することができる半導体デバイス製造プロセスのより一般的な説明を、ここで提供しよう。本発明の１つまたは複数の実施形態を実装する際に使用する具体的な製造作業を個別に知ることができるとはいえ、本発明の作業の説明した組み合わせまたは得られる構造あるいはその両方は、他に類を見ない。したがって、本発明による半導体デバイスの製造に関連して説明した作業の他に類を見ない組み合わせは、半導体（例えば、シリコン）基板に実行される様々な個々に知られている物理的および化学的プロセスを利用し、そのいくつかを、すぐ下の段落で説明する。
【００５３】
一般に、ＩＣへとパッケージングされるマイクロ−チップを形成するために使用する様々なプロセスは、４つの一般的なカテゴリ、すなわち、膜堆積、除去／エッチング、半導体ドーピング、およびパターニング／リソグラフィに分類される。堆積は、ウェハの上へと材料を成長させる、コーティングする、またはそれ以外には移動させる任意のプロセスである。利用可能な技術は、物理気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、電気化学堆積（ＥＣＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、およびごく最近では、とりわけ原子層堆積（ＡＬＤ）を含む。除去／エッチングは、ウェハから材料を取り除く任意のプロセスである。例は、エッチング・プロセス（ウェットまたはドライのいずれか）、および化学機械研磨（ＣＭＰ）、等を含む。半導体ドーピングは、一般に拡散によりまたはイオン注入によりあるいはその両方により、例えば、トランジスタ・ソースおよびドレインをドーピングすることによる電気的特性の調整（modification）である。これらのドーピング・プロセスは、炉アニーリングまたは急速熱アニーリング（ＲＴＡ）が続く。アニーリングは、注入したドーパントを活性化させるように働く。導体（例えば、ポリシリコン、アルミニウム、銅、等）および絶縁体（例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン、等の様々な形態）の両方の膜が、トランジスタおよびその構成要素を接続しそして分離するために使用される。半導体基板の様々な領域の選択ドーピングは、基板の導電性が電圧の印加で変えられることを可能にする。これらの様々な構成要素の構造を作製することにより、最新のマイクロエレクトロニック・デバイスの複雑な回路を形成するために、数百万個のトランジスタを、作りそして一緒に配線することができる。半導体リソグラフィは、基板へのパターンの後の転写のため、半導体基板上への３次元レリーフ像またはパターンの形成である。半導体リソグラフィでは、フォトレジストと呼ばれる感光性ポリマにより、パターンを形成する。トランジスタおよび回路の数百万個のトランジスタを接続する多くの配線を作成する複雑な構造を作るために、リソグラフィおよびエッチ・パターン転写ステップが、複数回繰り返される。ウェハ上に焼き付けられるそれぞれのパターンを、これまでに形成したパターンに位置を合わせ、ゆっくりと導体、絶縁体および選択的にドープした領域を、最終デバイスを形成するために作る。
【００５４】
図のフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態による製造方法または作業方法あるいはその両方の可能性のある実装形態を図示している。方法の様々な機能／作業が、ブロックにより流れ図に表されている。いくつかの代替の実施形態では、ブロックに記した機能が、図に記したものとは違う順番で存在することがある。例えば、連続して示された２つのブロックが、含まれる機能に応じて、実際には、実質的に同時に実行されることがある、またはブロックを逆の順番でときには実行することがある。
【００５５】
政府支援の研究または開発に関する声明
この発明は、アメリカ国家安全保障局により認められた契約番号Ｈ９８２３０−１３−Ｄ−０１７３の下に政府援助により行われた。政府は、この発明にある程度の権利を有する。
【００５６】
本発明の様々な実施形態の説明を、例示の目的で提示してきているが、網羅的であるまたは開示した実施形態に限定するものではない。多くの修正形態または変更形態が、記載した実施形態の範囲および思想から逸脱することなく当業者には明らかであろう。本明細書において使用した用語法は、実施形態の原理、実際的な応用もしくは市場において見出された技術に対する技術的な改善を最も良く説明するために、または当業者が本明細書において説明した実施形態を理解することを可能にするために選択された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2020532099.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月20日(2020.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非超伝導金属の上に形成された第１の超伝導体および第２の超伝導体を含むジョセフソン接合と、
前記ジョセフソン接合と並列に結合されるキャパシタと
を備える、超伝導キュービット。
【請求項２】
前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体が互いに分離される、請求項１に記載の超伝導キュービット。
【請求項３】
スペースが、前記第１の超伝導体と前記第２の超伝導体とを分離する、請求項１または２に記載の超伝導キュービット。
【請求項４】
前記スペースの寸法が約０．１〜１０ミクロンである、請求項３に記載の超伝導キュービット。
【請求項５】
前記非超伝導金属が半導体の上に形成される、請求項１ないし４のいずれかに記載の超伝導キュービット。
【請求項６】
前記非超伝導金属が銅を含む、請求項１ないし５のいずれかに記載の超伝導キュービット。
【請求項７】
前記非超伝導金属が白金を含む、請求項１ないし６のいずれかに記載の超伝導キュービット。
【請求項８】
前記非超伝導金属が、前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体の両方の一部の最上部に形成される、請求項１ないし７のいずれかに記載の超伝導キュービット。
【請求項９】
前記非超伝導金属、前記第１の超伝導体、および前記第２の超伝導体が、基板の一部分の上にそれぞれ形成される、請求項１ないし７のいずれかに記載の超伝導キュービット。
【請求項１０】
超伝導キュービットを製造する方法であって、
ジョセフソン接合を設けることであり、前記ジョセフソン接合が非超伝導金属の上に形成された第１の超伝導体および第２の超伝導体を含む、前記設けることと、
前記ジョセフソン接合と並列にキャパシタを結合することと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体が互いに分離される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
スペースが、前記第１の超伝導体と前記第２の超伝導体とを分離する、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記スペースの寸法が約０．１〜１０ミクロンである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記非超伝導金属が半導体の上に形成される、請求項１０ないし１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記非超伝導金属が銅を含む、請求項１０ないし１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記非超伝導金属が白金を含む、請求項１０ないし１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記非超伝導金属が、前記第１の超伝導体および前記第２の超伝導体の両方の一部の最上部に形成される、請求項１０ないし１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記非超伝導金属、前記第１の超伝導体、および前記第２の超伝導体が、基板の一部分の上にそれぞれ形成される、請求項１０ないし１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
マイクロ波デバイスを形成する方法であって、
超伝導キュービットを設けることであり、前記超伝導キュービットが第１の超伝導体、第２の超伝導体および非超伝導金属を有するジョセフソン接合を含む、前記設けることと、
前記超伝導キュービットに読出し共振器を結合することと
を含む、方法。
【国際調査報告】
2020532099.tif 000024
2020532099.tif 000025
2020532099.tif 000026