[論文レビュー] Superconducting Through-Silicon Vias for Quantum Integrated Circuits

Mehrnoosh Vahidpour, William O’Brien+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Semiconductor materials and devices参考文献 3被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、アルミニウム被膜を施した傾斜壁を持つビアとパリレン-Cで充填する、超伝導性の通孔シリコンビア（TSV）を用いた新規なマイクロフォーミングプロセスを提示する。電子線蒸着による非コンフォーマル堆積が可能となり、1.2 K未満でビア間抵抗がゼロとなることが実証された。これは超伝導性を確認し、スケーラブルな量子統合回路へのプロセスの妥当性を裏付けた。

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.

研究の動機と目的

• マイクロ波損失、オーム加熱、基板汚染の問題により、従来の銅充填TSVが超伝導キュービットと互換性がないことに対処する。
• タイル型アーキテクチャにおける内部キュービットへの信号配信を可能にする垂直接続を提供することで、超伝導量子プロセッサにおける3次元統合を実現する。
• 高密度の超伝導性TSVアレイを用いて基板の電磁モードを抑制し、基本モード周波数を動作帯域以上に引き上げる。
• 化学機械研磨（CMP）および誘電体ライナーを回避する高品質な超伝導膜堆積および低温動作に適合したプロセスを開発する。

提案手法

• 10–20°の傾斜角を持つ傾斜壁ビアを形成するため、2段階プロセス（主なビアエッチングと等方的エッチング）を用いた深めリアクティブアイオングラフト（DRIE）を実施し、非コンフォーマル金属堆積を可能にする。
• 電子線蒸着を用いて2.5 µmのアルミニウム膜を堆積させ、ビアの側壁および背面に超伝導性ライナーを形成。膜厚はロンドン浸透深さを超えるよう確保する。
• 構造的サポートを確保し、化学機械研磨（CMP）の必要を回避するため、20 µmのパリレン-CをPVD法で部分的に充填する。
• ビア形成中の背面保護とバッファドHFエッチングによるビア露出を可能にする一時的酸化窒化物膜を採用する。
• 4端子抵抗測定装置を用い、デュアルフリーザーを用いて1K未満の温度帯でビア対間の抵抗を測定する。
• 良好な電気的接触を確保するため、イン・スイット・アルミニウムキャップの前に、アルゴンイオンマッピングでアルミニウム表面の自然酸化被膜を除去する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子線蒸着のような非コンフォーマル堆積技術を用いても、構造的整合性と超伝導性能を維持できる超伝導性TSVを実現できるか？
• RQ2 通常金属充填ではなく、超伝導性アルミニウムライナーを用いることで、量子回路におけるマイクロ波損失とオーム加熱が排除できるか？
• RQ3 ビアの幾何形状（傾斜壁）が、コンフォーマル堆積法を必要とせずに、信頼性高く高品質な超伝導膜堆積を可能にするか？
• RQ4 高密度の超伝導性TSVアレイが、大規模量子チップにおける基板の電磁モードを有効に抑制できるか？
• RQ5 プロセスで作製されたTSVが、アルミニウムの臨界温度未満で抵抗ゼロを示すか、すなわち超伝導挙動を確認できるか？

主な発見

• 作製された超伝導性TSVは1.2 K未満でビア間抵抗がゼロとなり、アルミニウムの超伝導転移が確認され、プロセスの妥当性が裏付けられた。
• 4端子抵抗測定では、1.2 K未満で急激に抵抗がゼロに低下し、アルミニウムの予想される臨界温度と一致した。
• 10–20°の傾斜壁を持つビアにより、電子線蒸着による非コンフォーマルアルミニウム堆積が可能となり、垂直なコンフォーマル堆積では実現できない。
• 2.5 µmのアルミニウム膜により、10°以上の角度の側壁部に最低250 nmの厚さが確保され、効果的なシールドに必要なロンドン浸透深さ（約50 nm）を上回った。
• 20 µmのパリレン-C充填により機械的サポートが得られ、化学機械研磨の必要がなくなり、汚染リスクが低減された。
• ビア対の臨界電流は100 µA未満で境界づけられており、ビア間の強固な超伝導結合が示された。