탄탈럼 산화막을 이용한 초저손실 조셉슨 접합 트릴레이어 설계

초록

탄탈럼(α‑Ta)의 낮은 손실 특성을 활용하기 위해 Ta₂O₅ 산화막을 장벽으로 사용하는 방법을 조사하였다. 튜브 퍼니스, 급속 열처리(RTA), 플라즈마 산화 3가지 공정을 비교한 결과, 플라즈마 산화가 가장 매끄러운 표면과 온도에 따른 두께 제어가 가능함을 확인했다. 또한 Nb 시드층을 도입해 α‑Ta/Ta₂O₅/α‑Ta 트릴레이어를 성공적으로 성장시켰다.

상세 분석

본 연구는 초저손실 초전도 회로에 필수적인 조셉슨 접합(JJ) 장벽으로서 Ta₂O₅의 실용성을 검증하기 위해 세 가지 산화 공정을 체계적으로 비교하였다. 첫 번째인 튜브 퍼니스 산화는 400 °C에서 1060 min 동안 O₂(20 000 sccm)를 주입했으며, XRR 분석 결과 산화막 두께가 37 nm에서 60 nm까지 증가하고, AFM으로 확인된 표면 거칠기는 0.51.7 nm로 비교적 거칠었다. 이는 두께가 두꺼워질수록 결함과 응력 축적 위험이 커짐을 시사한다. 두 번째인 급속 열처리(RTA)는 700 °C, 5 000 sccm O₂ 조건에서 110 min 가열했지만, 높은 열팽창계수 차이와 급격한 온도 구배로 인해 Ta/Nb/Si 스택이 박리·균열을 일으켜 XRR 측정이 불가능했다. 이는 RTA가 대규모 열응력을 유발해 얇은 산화막 형성에는 부적합함을 보여준다. 세 번째인 플라즈마 산화는 100 W RF 전력을 이용해 20 sccm O₂를 공급했으며, 기판 온도를 25 °C(상온)부터 400 °C까지 변화시켰다. 결과적으로 상온에서는 약 7–8 nm, 200 °C에서는 10 nm, 400 °C에서는 15 nm 두께의 Ta₂O₅가 형성되었고, 산화 시간(1 h vs 2 h) 차이는 두께에 거의 영향을 주지 않았다. AFM 분석에서 Rₐ는 0.10.34 nm로 매우 매끄러운 표면을 확보했으며, XPS 결과는 4f 피크가 Ta⁵⁺(Ta₂O₅)와 금속 Ta⁰만을 나타내어 완전 산화가 이루어졌음을 확인했다. 또한 온도에 따른 결합 에너지 이동(0.7–0.8 eV)은 산소 결함(산소 공핍)의 농도가 변함을 의미하며, 이는 장벽의 전기적 특성 및 TLS 밀도에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 트릴레이어 성장 측면에서는 α‑Ta의 c축 정렬 성장을 위해 Nb 시드층이 필수적이었다. Nb 없이 직접 Ta를 증착하면 비정질 Ta가 형성되는 반면, Nb를 삽입하면 α‑Ta가 균일한 컬럼형 구조로 성장하였다. 기판 선택에 따라 결정립 크기와 전위 결함이 달라졌는데, 사파이어(Al₂O₃) 기판은 큰 결정립과 우수한 정렬을 보였지만 전위 결함 밀도가 높았고, 실리콘 기판은 상대적으로 작은 결정립이지만 결함 밀도는 낮았다. 이러한 구조적 차이는 초전도 전류 전파와 손실 메커니즘에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 종합적으로, 플라즈마 산화는 온도에 의한 두께 제어와 매끄러운 표면을 동시에 제공함으로써, 인‑시투(실시간) Ta 증착과 연계된 공정 흐름에 가장 적합한 방법으로 판단된다. 또한 Nb 시드층을 활용한 α‑Ta/Nb/Ta₂O₅/α‑Ta 스택은 깨끗한 인터페이스와 결정성 장벽을 확보하여, 향후 Ta 기반 JJ의 TLS 감소와 코히어런스 시간 연장에 기여할 가능성이 크다.