[論文レビュー] Fabrication of superconducting through-silicon vias

Justin Mallek, D. Yost+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 17被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、10 µm幅、200 µm深さ、20 µm長さの高長径比超伝導性 through-silicon vias (TSVs) を実現する via-first 製造プロセスを提示する。この TSV は 20 mA を超える臨界電流を達成し、1.6 K までの超伝導転移温度を示した。TSVs により、キュービットのコherency やマイクロ波性能を損なうことなく、超伝導量子プロセッサにおける高密度垂直接続が可能となった。

ABSTRACT

Increasing circuit complexity within quantum systems based on superconducting qubits necessitates high connectivity while retaining qubit coherence. Classical micro-electronic systems have addressed interconnect density challenges by using 3D integration with interposers containing through-silicon vias (TSVs), but extending these integration techniques to superconducting quantum systems is challenging. Here, we discuss our approach for realizing high-aspect-ratio superconducting TSVs extemdash 10 $μ$m wide by 20 $μ$m long by 200 $μ$m deep extemdash with densities of 100 electrically isolated TSVs per square millimeter. We characterize the DC and microwave performance of superconducting TSVs at cryogenic temperatures and demonstrate superconducting critical currents greater than 20 mA. These high-aspect-ratio, high critical current superconducting TSVs will enable high-density vertical signal routing within superconducting quantum processors.

研究の動機と目的

• 大規模超伝導量子プロセッサにおける配線の混雑を解消するため、3D 垂直信号ルーティングを可能にする。
• 余計な結合やスケーラビリティの問題を引き起こす平面的配線や flip-chip 結合の制限を克服する。
• 損失の大きい誘電体や電場への露出を最小限に抑えることで、高コherency 超伝導キュービットと互換性のある超伝導 TSV を開発する。
• 超伝導メタライゼーション層と一体的な 3D 結合を実現しながら、キュービットのコherency を保持する。
• 低温環境下で TSV の高性能マイクロ波および DC 動作を実証する。

提案手法

• 200-mm の薄型シリコンウェーハを用い、高長径比 TSV を作成する via-first 製造プロセスを採用する。
• 均一で低抵抗の被膜を得るため、チタン窒化物 (TaN) のコンフォーマルな原子層エピタクシー (ALD) および化学気相成長 (CVD) を採用する。
• TSV のパス長を短縮し、熱的および電気的性能を向上させるために、裏面ウェーハの薄型化を実施する。
• 中心トレースに二重 TSV を、グラウンドプレーン接続に複数の TSV を使用する、共面波ガイドの四分の一波長共振器に TSV を統合する。
• TSV の遷移部を共振器内での異なる位置に配置し、電場および磁場損失を評価する。
• デュアル・リファジゲーターを用いた低温測定により、超伝導臨界温度および臨界電流を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高長径比超伝導 TSV は、量子プロセッサ用途に適した十分な均一性と低抵抗性を有するように製造可能か？
• RQ2 低温環境下で共振器に埋め込まれた超伝導 TSV が、顕著なマイクロ波損失を引き起こすか？
• RQ3 コンフォーラル CVD TiN および Al メタライゼーションを用いて製造された超伝導 TSV で達成可能な最大臨界電流は何か？
• RQ4 共振器内における TSV 遷移部の配置が、品質因子および損失メカニズムに与える影響は何か？
• RQ5 TSV はキュービットのコherency や性能を損なうことなく、高密度垂直接続を可能にするか？

主な発見

• 製造された超伝導 TSV は最大 22 mA の臨界電流を達成し、実用的な量子回路動作に必要な 20 mA の閾値を超えた。
• 超伝導転移温度は 1.6 K に達し、低温条件下での高品質な超伝導挙動を示した。
• 埋め込まれた TSV 遷移部を有する共振器は、ウェーハ両面の平面的共振器と同等の内部品質因子を示し、TSV 由来の顕著なマイクロ波損失がないことを示した。
• 室温での電気的測定では、ウェーハ内での TSV 抵抗に高い均一性が確認され、プロセスの再現性が裏付けられた。
• TSV が途切れを起こした共振器では、TSV 遷移部の位置に応じた品質因子の顕著な傾向が認められず、電場または磁場損失が最小限であることが示された。
• TSV は 1 mm² 当たり 100 個の電気的に分離された TSV を有する高密度垂直信号ルーティングを可能にし、スケーラブルな 3D 結合を支援した。