在2024年IEEE國際電子會議（IEDM）上，比利時微電子研究中心（imec）展示三款超導數字電路的關鍵組件，包括基於氮化鈮鈦（NbTiN）的內連導線、約瑟夫森接面和MIM電容。這些組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）和高性能計算革命性發展所設計的超導數字系統滿足目標規格。此次展出的技術，不僅具備可擴展性，也與CMOS製造技術兼容，消弭了實驗室規模的可行性研究走向業界製造的差距。
imec表示，運用超導材料在低溫狀態的零電阻特性，以超導數字技術為基礎的運算系統有望大幅超越最先進的CMOS處理器。imec通過一項系統技術協同優化（STCO）的研究顯示了第一代超導數字系統與7納米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，需要一項可擴展的技術來製造這類超導數字電路的關鍵組件，超導內連導線（電線和通孔）、作為主動組件的約瑟夫森接面，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）展示採用氮化鈮鈦（NbTiN）的功能性內連導線、約瑟夫森接面和MIM電容，這些組件完全兼容於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，過去採用半鑲嵌集成製程來創建雙金屬層方案，包含關鍵尺寸小至50納米的電線與通孔。低溫時的測量結果顯示高於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。
另外，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，這三種模塊滿足了未來設想的系統設計所提出的製程規格。
imec技術院士暨納米內連研究計劃主持人Zsolt Tokei表示，這些亮眼成果的關鍵在於採用結合氮化鈮鈦（NbTiN）的創新集成方案，該超導體材料的微縮潛能遠勝過鈮 （Nb）。這項技術可以擴展應用到高組件密度，已經超過目前最頂尖的超導技術500倍。
Zsolt Tokei還強調，imec開發的半鑲嵌集成製程方案可擴展到多個金屬層，為創建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益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英寸CMOS製程兼容。我們相信我們的技術展示對於邁向商用晶片廠的工業製造來說是關鍵的一步。
(首圖來源：imec提供)
