imec最新超導數位技術核心組件 展現可擴充性與CMOS製程相容性
前言：
基於氮化鈮鈦（NbTiN）的內連導線、約瑟夫森接面和MIM電容的性能突破紀錄，為人工智慧（AI）和高效能運算應用的高能源效率運算系統提供發展機會。
2024年12月10日--於本周舉行的2024年IEEE國際電子會議（IEDM）上，比利時微電子研究中心（imec）展示三款超導數位電路的關鍵組件：基於氮化鈮鈦（NbTiN）的內連導線、約瑟夫森接面和MIM電容。這些元件不僅性能超越最頂尖的超導體技術，還能為推動人工智慧（AI）和高效能運算革命性發展所設計的超導數位系統滿足目標規格。此次展出的技術不僅具備可擴充性，也與CMOS製造技術相容，消弭了實驗室規模的可行性研究走向業界製造的差距。
運用超導材料在低溫狀態的零電阻特性，以超導數位技術為基礎的運算系統可望大幅超越最先進的CMOS處理器。imec透過一項系統技術協同優化（STCO）的研究顯示了第一代超導數位系統與7奈米CMOS系統相比，其所實現的系統功率效率增加100倍，性能也提升10~100倍。為了達到這些目標系統規格，需要一項可擴充的技術來製造這類超導數位電路的關鍵組件：超導內連導線（電線和通孔）、作為主動元件的約瑟夫森接面，以及用來供電的可調式MIM電容。
imec於2024年IEEE國際電子會議（IEDM）展示基於氮化鈮鈦（NbTiN）的功能性內連導線、約瑟夫森接面和MIM電容，這些元件完全相容於CMOS製程和溫度，關鍵指標也優於最佳的公開成果。超導內連導線方面，過去採用半鑲嵌整合製程來建立雙金屬層方案，包含關鍵尺寸小至50奈米的電線與通孔。低溫時的量測結果顯示高於13K的臨界溫度和大於120 mA/µm2 的臨界電流密度（Jc）—在這種小規模的情況下創下了世界紀錄。約瑟夫森接面配有由兩個超導氮化鈮鈦（NbTiN）層夾心的非晶矽（aSi），展現超過2.5 mA/µm2的臨界電流密度（Jc）最高紀錄。這些imec研究人員也證明了可調式氧化鉿鋯（HZO）電容搭配氮化鈮鈦（NbTiN）電極具備約為28 fF/µm2的超高電容密度。具備上述特性，這三種模組滿足了未來設想的系統設計所提出的製程規格。
imec技術院士暨奈米內連研究計畫主持人Zsolt Tokei表示：「這些亮眼成果的關鍵在於採用結合氮化鈮鈦（NbTiN）的創新整合方案，該超導體材料的微縮潛能遠勝過鈮（Nb）。這項技術可以擴充應用到高元件密度，已經超過目前最頂尖的超導技術500倍。imec開發的半鑲嵌整合製程方案可擴展到多個金屬層，為建立16層金屬層內連導線結構奠定基礎，該結構內的接面和電容受惠於導線零電阻的優勢，將會採用嵌入式設計。這項擬議技術也能耐受傳統後段製程的操作溫度（420°C），而且與標準的12吋CMOS製程相容。我們相信我們的技術展示對於邁向商用晶圓廠的工業製造來說是關鍵的一步。」
圖1：（左圖）16層金屬層導線網絡的概念圖，包含嵌入該堆疊的約瑟夫森接面（JJ）和電容（Cap）陣列。（右圖從上至下）氮化鈮鈦（NbTiN）雙金屬層超導內連元件的穿透電子顯微鏡截面圖；氮化鈮鈦／a矽／氮化鈮鈦的約瑟夫森接面穿透電子顯微鏡截面圖；氮化鈮鈦／氧化鉿鋯（HZO）／氮化鈮鈦的可調式MIM電容穿透電子顯微鏡圖。
比利時微電子研究中心（imec）簡介
比利時微電子研究中心（imec）是在奈米電子與數位科技領域中領先世界的研究與創新中心。憑藉先進研發設備以及5500多名員工和頂尖研究人員組成的團隊，imec的研究技術包括先進半導體和系統微縮技術、矽光子、人工智慧、超5G通信和感測技術，並延伸其他領域的應用, 如健康與生命科學、交通運輸、工業4.0、農糧產業、智慧城市、永續能源、教育等應用領域。 imec結合了整個半導體核心價值鏈中的先行者、以佛蘭德斯為根基加上國際級科技、製藥、醫療和ICT公司，新創產業以及學術機構和研究中心。imec的總部位於比利時魯汶，在比利時、荷蘭、英國和美國設有研究機構，並在三個大洲設有辦事處。2023年，imec的收益（損益表）總計9.41億歐元。
有關比利時微電子研究中心（imec）的更多訊息，請到官網www.imec-int.com。
