[논문 리뷰] Fabrication of superconducting through-silicon vias

Justin Mallek, D. Yost외 16명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 15.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design참고 문헌 17인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 10 µm 너비, 200 µm 깊이, 20 µm 길이를 가진 고비율 슈퍼전도체 터널링 실리콘 비아(TSV)를 위한 비아-프리스트 공정을 제시한다. 이 TSV는 20 mA를 초과하는 임계 전류와 최대 1.6 K의 슈퍼전도 전이를 달성하였으며, 큐비트의 코herence나 마이크로파 성능을 떨어뜨리지 않으면서 슈퍼전도 큐빅 프로세서에서 고밀도 수직 인터커넥트를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 슈퍼전도 큐빅 프로세서에서 인터커넥트 과밀을 해결하기 위해 3D 수직 신호 루팅을 가능하게 한다.
• 비플레인 인터커넥트와 플립-초프 통합 방식이 야기하는 비정상적 결합과 확장성 문제를 극복한다.
• 손실이 큰 유전체와 전기장 노출을 최소화하여 고코herence 슈퍼전도 큐비트와 호환되는 슈퍼전도 TSV를 개발한다.
• 슈퍼전도 메탈라이제이션 층과 함께 단일체 3D 통합을 실현하면서 큐비트의 코herence를 유지한다.
• 저온에서 TSV의 고성능 마이크로파 및 DC 동작을 입증한다.

제안 방법

• 200-mm로 얇은 실리콘 웨이퍼를 대상으로 고비율 TSV를 제작하기 위해 비아-프리스트 공정을 적용한다.
• 균일하고 저저항의 라이너로 탄탈룸 질화물(TaN)의 형광 원자층 증착(ALK) 및 화학기상증착(CVD)을 사용한다.
• TSV 경로 길이를 단축하고 열적·전기적 성능을 향상시키기 위해 후면 웨이퍼를 얇게 한다.
• 중앙 트레이스를 위한 이중 TSV와 지면 평면 연결을 위한 다중 TSV를 포함한 공면파일드 웨이브가이드 반파장 공진기로 TSV를 통합한다.
• 전기장 및 자장 손실을 조사하기 위해 공진기 내부에서 TSV 전환 위치를 다양하게 배치한다.
• 저온에서의 측정을 위해 냉각기에서 초저온 측정을 실시하여 슈퍼전도 임계 온도와 임계 전류를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고비율 슈퍼전도 TSV는 큐빅 프로세서에서 사용하기에 충분한 균일성과 저저항성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 저온에서 공진기에 내장된 슈퍼전도 TSV가 마이크로파 손실을 유의미하게 유발하는가?
• RQ3 형광 CVD 타이타늄 질화물(TiN)과 알루미늄 메탈라이제이션을 사용해 제작된 슈퍼전도 TSV에서 도달할 수 있는 최대 임계 전류는 얼마인가?
• RQ4 공진기 내부에서 TSV 전환 위치의 배치가 품질 인자와 손실 메커니즘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 TSV는 큐비트의 코herence나 성능을 떨어뜨리지 않으면서 고밀도 수직 인터커넥트를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제작된 슈퍼전도 TSV는 최대 22 mA의 임계 전류를 달성하여 실용적 큐빅 회로 운영을 위한 20 mA 기준을 초과하였다.
• 슈퍼전도 전이 온도는 1.6 K에 도달하여 저온 조건에서 높은 품질의 슈퍼전도 거동을 나타내었다.
• 내장된 TSV 전환을 가진 공진기는 웨이퍼 양면의 평판 공진기 수준의 내부 품질 인자를 보였으며, TSV로 인한 마이크로파 손실이 거의 없음을 시사하였다.
• 실온 전기 측정에서 TSV 저항의 높은 웨이퍼 내 균일성이 확인되어 공정의 재현 가능성을 입증하였다.
• TSV가 끊어진 공진기는 TSV 전환 위치에 따른 품질 인자 변화가 없었으며, 전기적 또는 자장 손실이 최소화되었음을 시사하였다.
• TSV는 1 mm²당 100개의 전기적으로 분리된 TSV를 포함하는 고밀도 수직 신호 루팅을 가능하게 하여 확장 가능한 3D 통합을 지원하였다.