코넬대, 크립톤 스퍼터링으로 탄탈럼 큐비트 증착 온도 200°C 달성

탄탈럼 큐비트의 제조 병목 문제

초전도 큐비트 소재로 기존 니오브(Nb) 대신 탄탈럼(Ta)이 주목받는 이유는 전도성이 높고 표면 산화물이 안정적이어서 유전체 손실을 줄일 수 있기 때문이다. 그러나 실리콘 기판 위에서 원하는 체심입방(BCC) 결정 구조인 α상을 얻으려면 기존 아르곤 스퍼터링 공정에서 기판 온도를 400°C 이상으로 올려야 했다. 이 열예산은 상용 반도체 파운드리의 BEOL 공정 허용 한계를 벗어날 뿐 아니라, 탄탈럼과 실리콘 계면에 혼합층을 형성해 큐비트 결맞음 특성을 저하시키는 원인이 됐다.

크립톤 이온의 운동량 효과

연구팀이 택한 접근법은 스퍼터링 가스 종류를 바꾸는 것이었다. 크립톤은 아르곤보다 원자 질량이 커서, 이온화됐을 때 타깃에서 방출되는 탄탈럼 원자에 더 높은 운동 에너지를 전달한다. 이 에너지가 기판 가열 없이도 α상 결정 격자를 안정화하는 구동력으로 작용하며, 증착 온도를 200°C까지 낮출 수 있었다. 탄탈럼-실리콘 계면 혼합층도 억제돼 계면 결함 유래 결맞음 손실이 줄어드는 효과도 함께 관찰됐다.

트랜스몬 큐비트 성능 측정 결과

이 공정으로 제작한 트랜스몬 큐비트는 20 μm 간격의 소형 캐패시터 구조를 채택했으며, 내부 품질 인수(Q factor)가 최대 1,690만을 기록했다. 초전도 큐비트에서 내부 Q factor는 마이크로파 에너지 손실 수준을 나타내는 핵심 지표로, 이 수치는 탄탈럼 기반 큐비트 연구에서 경쟁력 있는 수준에 해당한다.

파운드리 통합 가능성과 남은 과제

200°C의 공정 온도는 CMOS 제어 회로와 금속 배선 층이 손상되지 않는 범위에 해당해, 기존 파운드리 자동화 장비 라인에 탄탈럼 큐비트 공정을 편입할 수 있는 조건을 충족한다. 이 연구는 미국 공군과학연구소(AFOSR), 코넬 나노스케일 과학기술 시설(CNF), 그리고 미국 정부 마이크로일렉트로닉스 커먼즈 프로그램의 지원을 받았다. 다만 웨이퍼 규모 수율, 장기 열 안정성, 양산 환경에서의 재현성 등은 후속 연구를 통해 검증해야 할 과제로 남아 있다.