[论文解读] 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 17

一句话总结

本文提出了一种用于高深宽比超导穿硅通孔（TSVs）的通孔优先制造工艺，通孔宽度为10 µm，深度为200 µm，长度为20 µm，实现临界电流超过20 mA，超导转变温度高达1.6 K。该TSV实现了超导量子处理器中高密度的垂直互连，且未降低量子比特相干性或微波性能。

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.

研究动机与目标

• 通过实现3D垂直信号布线，解决大规模超导量子处理器中的互连拥挤问题。
• 克服平面互连和倒装芯片集成带来的寄生耦合与可扩展性问题。
• 通过最小化损耗性电介质和电场暴露，开发与高相干性超导量子比特兼容的超导TSV。
• 在保持量子比特相干性的同时，实现与超导金属化层一体化的3D集成。
• 在低温条件下展示TSV在微波和直流操作下的高性能表现。

提出的方法

• 在200-mm减薄硅片上采用通孔优先的制造工艺，构建高深宽比TSV。
• 采用原子层沉积（ALD）和化学气相沉积（CVD）的氮化钛（TaN）实现均匀、低电阻的衬垫层。
• 实施背面减薄工艺，以缩短TSV路径长度，提升热学与电学性能。
• 将TSV集成到共面波导四分之一波长谐振器中，使用双TSV连接中心导体，使用多个TSV连接接地平面。
• 在谐振器内不同位置设置TSV过渡，以探测电场与磁场损耗。
• 在稀释制冷机中进行低温测量，评估超导临界温度与临界电流。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以足够的均匀性与低电阻率制造出适用于量子处理器的高深宽比超导TSV？
• RQ2 在低温条件下嵌入谐振器的超导TSV是否会引入显著的微波损耗？
• RQ3 采用共形CVD氮化钛（TiN）与铝金属化工艺制造的超导TSV，其最大临界电流可达多少？
• RQ4 TSV过渡在谐振器内的位置如何影响品质因数与损耗机制？
• RQ5 TSV能否在不降低量子比特相干性或性能的前提下，实现高密度的垂直互连？

主要发现

• 所制造的超导TSV实现了高达22 mA的临界电流，超过实用量子电路运行所需的20 mA阈值。
• 超导转变温度达到1.6 K，表明在低温条件下具有优异的超导性能。
• 嵌入TSV过渡的谐振器表现出与晶圆两侧平面谐振器相当的内部品质因数，表明TSV引入的微波损耗可忽略不计。
• 室温下的电学测量显示TSV电阻在晶圆内具有高度均匀性，证实了工艺的可重复性。
• TSV中断的谐振器未表现出品质因数随TSV过渡位置变化的显著趋势，表明电场或磁场损耗极小。
• TSV实现了每平方毫米100个电隔离TSV的高密度垂直信号布线，支持可扩展的3D集成。