在2024年IEEE国际电子会议（IEDM）上，比利时微电子研究中心（imec）展示三款超导数字电路的关键组件，包括基于氮化铌钛（NbTiN）的内连导线、约瑟夫森接面和MIM电容。这些组件不仅性能超越最顶尖的超导体技术，还能为推动人工智能（AI）和高性能计算革命性发展所设计的超导数字系统满足目标规格。此次展出的技术，不仅具备可扩展性，也与CMOS制造技术兼容，消弭了实验室规模的可行性研究走向业界制造的差距。

imec表示，运用超导材料在低温状态的零电阻特性，以超导数字技术为基础的运算系统有望大幅超越最先进的CMOS处理器。imec通过一项系统技术协同优化（STCO）的研究显示了第一代超导数字系统与7纳米CMOS系统相比，其所实现的系统功率效率增加100倍，性能也提升10-100倍。为了达到这些目标系统规格，需要一项可扩展的技术来制造这类超导数字电路的关键组件，超导内连导线（电线和通孔）、作为主动组件的约瑟夫森接面，以及用来供电的可调式MIM电容。

imec于2024年IEEE国际电子会议（IEDM）展示采用氮化铌钛（NbTiN）的功能性内连导线、约瑟夫森接面和MIM电容，这些组件完全兼容于CMOS制程和温度，关键指标也优于最佳的公开成果。超导内连导线方面，过去采用半镶嵌集成制程来创建双金属层方案，包含关键尺寸小至50纳米的电线与通孔。低温时的测量结果显示高于13K的临界温度和大于120 mA/µm² 的临界电流密度 （Jc） —在这种小规模的情况下创下了世界纪录。

另外，约瑟夫森接面配有由两个超导氮化铌钛（NbTiN）层夹心的非晶硅（aSi），展现超过2.5 mA/µm² 的临界电流密度（Jc）最高纪录。这些imec研究人员也证明了可调式氧化铪锆（HZO）电容搭配氮化铌钛（NbTiN）电极具备约为28 fF/µm² 的超高电容密度。具备上述特性，这三种模块满足了未来设想的系统设计所提出的制程规格。

imec技术院士暨纳米内连研究计划主持人Zsolt Tokei表示，这些亮眼成果的关键在于采用结合氮化铌钛（NbTiN）的创新集成方案，该超导体材料的微缩潜能远胜过铌 （Nb）。这项技术可以扩展应用到高组件密度，已经超过目前最顶尖的超导技术500倍。

Zsolt Tokei还强调，imec开发的半镶嵌集成制程方案可扩展到多个金属层，为创建16层金属层内连导线结构奠定基础，该结构内的接面和电容受益于导线零电阻的优势，将会采用嵌入式设计。这项拟议技术也能耐受传统后段制程的操作温度（420°C），而且与标准的12英寸CMOS制程兼容。我们相信我们的技术展示对于迈向商用芯片厂的工业制造来说是关键的一步。

(首图来源：imec提供)