크립톤 스퍼터링으로 탄탈럼 초전도 칩 증착 온도 절반 낮춰

탄탈럼의 가능성과 공정 온도 장벽

탄탈럼은 내부식성과 표면 안정성이 뛰어나 초전도 양자 소자의 핵심 재료로 주목받아 왔다. 다수의 초전도 부품에서 소자 성능 우위가 입증된 소재지만, 상용 반도체 제조 환경과의 통합에는 근본적인 제약이 따랐다. 실리콘 기판 위에 원하는 결정상을 형성하려면 통상 400°C를 초과하는 고온이 필요한 반면, 대부분의 반도체 파운드리 장비는 그 수준의 온도를 상정하지 않고 설계되어 공정 마진이 거의 없었다. 반대로 온도가 지나치게 높아지면 탄탈럼이 실리콘 기판과 반응해 두꺼운 계면층을 형성하고, 이로 인해 큐비트의 정보 손실과 소자 성능 저하가 초래된다는 이중 제약이 존재했다.

크립톤 이온이 해결책이 된 원리

연구의 제1저자인 Maciej Olszewski 박사후연구원은 스퍼터링에 사용하는 이온화 가스를 기존의 아르곤에서 크립톤으로 교체하는 방안을 제안했다. 크립톤은 아르곤보다 원자량이 커서 충돌 시 탄탈럼 원자에 더 큰 운동량을 전달하고, 이를 통해 낮은 기판 온도에서도 원하는 결정상이 안정적으로 형성된다는 물리적·재료과학적 원리에 근거한 접근이다. 그 결과 증착 온도를 200°C까지 낮추는 데 성공했으며, 생성된 박막은 전기 전도도 측면에서도 기존 대비 뚜렷한 향상을 보였다. 연구팀은 이전에 니오븀 계열 소재에 아르곤 스퍼터링을 적용하며 쌓은 표면과학 및 나노공정 노하우를 탄탈럼 연구에 적용해 이번 성과를 이끌어 냈다.

큐비트 성능과 조셉슨 접합의 역할

박막 공정과 더불어, 조셉슨 접합 형성 단계가 소자 최종 성능을 결정짓는 핵심 변수로 부각됐다. 조셉슨 접합은 두 금속 사이에 절연체를 삽입해 전자의 양자 터널링을 유도하는 구조로, 큐비트 동작의 물리적 토대를 이룬다. 연구팀은 이 단계의 미세한 공정 변화가 소자 성능에 명확한 차이를 만든다는 사실을 확인했다. 이는 소자 성능이 높아질수록 민감도가 증가하는 수준에 진입했음을 의미하며, 공정 최적화의 무게중심이 새로운 영역으로 이동하고 있음을 시사한다. 최종 제작된 탄탈럼 기반 큐비트는 세계 최고 수준에 근접한 품질을 기록했다고 연구팀은 밝혔다.

상용화 전망과 남은 과제

이번 공정의 가장 큰 함의는 제조 윈도우의 확대다. 증착 온도를 200°C로 낮춤으로써 기존 반도체 공정 라인에서도 탄탈럼 기반 초전도 칩 생산이 현실적으로 가능해질 수 있다. 연구를 주도한 Valla Fatemi 조교수는 이번 공정 변화가 비교적 단순한 개입이었음에도 학계 수준에서 선도적 소자 성능을 달성할 수 있었다고 설명했다. 다만 현재까지의 성과는 대학 연구실 환경에서 도출된 것으로, 상업용 파운드리 규모로의 이전 가능성과 수율 안정성은 추가 검증이 필요한 단계다. 이 연구는 Microelectronics Commons 프로그램과 미국 공군 과학연구소(AFOSR)의 지원을 받았으며, 코넬 나노과학기술시설(CNF)의 인프라가 활용됐다.