[논문 리뷰] Superconducting Through-Silicon Vias for Quantum Integrated Circuits

Mehrnoosh Vahidpour, William O’Brien외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 07.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 3인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 전자빔 증착를 통한 비균일 증착을 가능하게 하는 알루미늄 코팅, 기울기 벽을 가진 터널형 실리콘 비아(TSV)와 페리렌-C로 채운 초전도성 터널형 실리콘 비아(TSV)를 사용한 새로운 마이크로패터닝 공정을 제시한다. 주요 결과는 1.2 K 이하에서 비아 간 저항이 0이 되었으며, 초전도성과 함께 스케일러블 양자 통합 회로를 위한 공정의 타당성을 확인하였다.

ABSTRACT

We describe a microfabrication process for superconducting through-silicon vias appropriate for use in superconducting qubit quantum processors. With a sloped-wall via geometry, we can use non-conformal metal deposition methods such as electron-beam evaporation and sputtering, which reliably deposit high quality superconducting films. Via superconductivity is validated by demonstrating zero via-to-via resistance below the critical temperature of aluminum.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트와의 호환성 문제로 인해 마이크로파 손실, 옴스 히팅, 기판 오염이 발생하는 기존 구리 채운 TSV의 불일치 문제를 해결한다.
• 타일형 아키텍처에서 내부 큐비트에 신호를 전달하기 위한 수직 인터커넥트를 제공함으로써 초전도 양자 프로세서의 3D 통합을 가능하게 한다.
• 밀도 높은 초전도 TSV 어레이를 사용하여 기판 전자기 모드를 억제하고, 기본 모드 주파수를 운영 대역 이외로 높인다.
• 고품질 초전도 필름 증착과 낮은 온도 작동에 적합한 공정을 개발하며, CMP와 유전체 라이너를 회피한다.

제안 방법

• 10–20° 각도를 가진 기울기 벽 비아를 형성하기 위해 이중단계 공정(주요 비아 에칭 및 등방성 비아 에칭)을 사용한 깊은 반응성 이온 에칭을 시행하여 비균일 금속 증착을 가능하게 한다.
• 비아 벽과 뒷면에 초전도성 라이너를 형성하기 위해 전자빔 증착을 통해 2.5 µm 두께의 알루미늄 필름을 증착하며, 두께가 룬던 침투 깊이를 초과하도록 한다.
• 기계적 지지와 CMP가 필요 없도록 20 µm 두께의 PVD를 이용한 페리렌-С로 비아를 부분 채움으로써 기계적 지지 기능을 수행한다.
• 비아 형성 중 뒷면을 보호하고 버퍼드 HF 에칭을 통해 비아 노출을 가능하게 하기 위해 일시적인 산화질화물 막을 사용한다.
• 냉각기로 사용된 딜루션 냉각기와 4점 저항 측정 장치를 이용해 1K 이하의 온도에서 비아 쌍 간의 저항을 측정한다.
• 좋은 전기적 접촉을 확보하기 위해 현장에서 알루미늄 캡핑을 시행하기 전에 천연 산화막을 제거하기 위해 아르곤 이온 밀링을 시행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자빔 증착와 같은 비균일 증착 기법을 사용하여 초전도성 TSV를 제작할 수 있는가? 이때 구조적 안정성과 초전도 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ2 일반 금속 채움 대신 초전도성 알루미늄 라이너를 사용함으로써 양자 회로에서 마이크로파 손실과 옴스 히팅을 제거할 수 있는가?
• RQ3 비아 기하구조(기울기 벽)가 균일 증착 방법을 요구하지 않고도 신뢰성 있고 고품질의 초전도 필름 증착을 가능하게 하는가?
• RQ4 밀도 높은 초전도 TSV 어레이의 존재가 대규모 양자 칩에서 기판 전자기 모드를 효과적으로 억제하는가?
• RQ5 제작된 TSV가 알루미늄의 임계 온도 이하에서 0 저항을 나타내어 초전도 성능을 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 초전도성 TSV는 1.2 K 이하에서 비아 간 저항이 0이 되었으며, 알루미늄의 초전도 전이를 확인하고 공정의 타당성을 검증하였다.
• 4점 저항 측정 결과, 1.2 K 이하에서 급격한 저항 감소가 관찰되었으며, 이는 알루미늄의 예상 임계 온도와 일치하였다.
• 10–20° 기울기 벽 덕분에 전자빔 증착를 통한 비균일 증착이 가능해졌으며, 이는 수직적 균일 증착에서는 실현 불가능하다.
• 2.5 µm 두께의 알루미늄 필름은 10° 이상 기울기에서 벽면에 최소 250 nm 두께를 확보하여 룬던 침투 깊이(약 50 nm)를 초과하여 효과적인 차폐를 가능하게 한다.
• 20 µm 두께의 페리렌-С 채움은 기계적 지지 기능을 제공하며, 화학 기계 연마(CMP)가 필요 없게 하여 오염 위험을 감소시킨다.
• 비아 쌍의 임계 전류는 100 µA 이하로 제한되어 있으며, 비아 간 강력한 초전도성 결합이 이루어졌음을 시사한다.