在 2024 年 IEEE 國際電子會議（IEDM）上，比利時微電子研究中心（imec）展示三款超導數位電路的關鍵組件，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。

imec 表示，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）、做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。

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。

Zsolt Tokei 還強調，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。

(首圖來源：imec 提供)

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