Digital Etching of Single-Crystalline Silicon Fin Barriers Down to Sub-10 nm

Auf der Suche nach dem Bau von Quantencomputern versuchen Wissenschaftler, winzige, zerbrechliche Schaltkreise zu erschaffen, die in der Lage sind, Informationen in einem Zustand der Superposition zu halten, also gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren. Eines der vielversprechendsten Designs für diese Schaltkreise ist das Transmon-Qubit, ein Bauteil, das auf einem speziellen Element namens Josephson-Kontakt basiert. Dieser Kontakt fungiert als Wächter für den elektrischen Strom, ist jedoch äußerst empfindlich gegenüber seiner Umgebung. Wenn die Materialien innerhalb des Kontakts auf atomarer Ebene ungeordnet oder unordentlich sind, erzeugen sie winzige Defekte, die dem Qubit Energie entziehen und so dazu führen, dass es seine Information verliert, noch bevor eine Berechnung abgeschlossen werden kann. Jahrelang verwendeten Forscher amorphe Materialien, die wie gefrorene Flüssigkeiten mit zufällig angeordneten Atomen sind, um diese Barrieren zu bauen. Diese ungeordneten Strukturen sind jedoch voller jener Defekte, die die Quantenleistung zunichtemachen. Die ideale Lösung wäre die Verwendung eines perfekten Kristalls, bei dem jedes Atom in einer präzisen, geordneten Reihe sitzt, aber die Herstellung einer dünnen, perfekten Kristallbarriere innerhalb eines komplexen elektronischen Bauteils hat sich als eine immense technische Herausforderung erwiesen.

Ein Team von Forschern hat nun eine neue Methode entwickelt, um diese perfekten Kristallbarrieren aus einem einzigen Stück Silizium herauszuarbeiten und sie auf eine Skala zu verdünnen, die zuvor unerreichbar war. Sie begannen mit einem Standard-Siliziumwafer, einem Material, das in fast allen modernen Elektronikgeräten verwendet wird, und nutzten eine Kombination aus chemischen Bädern und Wärmebehandlungen, um ihn zu einer hohen, schmalen Wand, einer sogenannten Fin (Flosse), zu skulpturieren. Das Ziel war, diese Wand so dünn zu machen, dass sie als Barriere für einen Josephson-Kontakt dienen konnte, was es Elektronen ermöglicht, auf kontrollierte Weise hindurchzutunneln. Die Herausforderung bestand darin, dass der anfängliche chemische Prozess, der das Silizium formte, die Wände ungleichmäßig hinterließ – konisch zulaufend von dick am Boden zu dünn an der Spitze –, und die Standardmethoden zur weiteren Verdünnung des Siliziums dazu tendierten, die empfindlichen Strukturen zu beschädigen oder sie zu dick zurückzulassen, um funktionsfähig zu sein.

Um dies zu lösen, verwendeten die Forscher zuerst eine Nasschemie-Ätzung, bei der das Silizium in eine Kaliumhydroxidlösung getaucht wurde, die das Material in eine bestimmte Richtung wegätzt und so glatte, angewinkelte Wände hinterlässt. Dies erzeugte eine Fin, die etwa vierundsiebzig Nanometer dick war, aber sie mussten weniger als zehn Nanometer dünn sein, um als Quantenbarriere zu fungieren. Sie wandten sich daraufhin einer Technik namens Digitalätzen zu, die wie ein sehr langsamer, kontrollierter Abschälprozess funktioniert. Sie setzten das Silizium einem Gas aus, das die oberste Atomschicht in eine dünne Oxidhaut verwandelt, und nutzten dann einen Dampf aus Fluorwasserstoffsäure, um diese Haut abzuwaschen. Durch die Wiederholung dieses Zyklus aus dem Umwandeln der Oberfläche in Oxid und dem Abwaschen davon konnten sie die Siliziumschicht Schicht für Schicht abtragen. In ihren ersten Tests gelang es ihnen, die Fins auf etwa neunzehn Nanometer zu verdünnen, aber der Prozess hatte einen Fehler: Die schützende Maske, die oben auf der Fin saß, löste sich und fiel ab, sobald die Fin zu dünn wurde, wahrscheinlich weil die flüssige Säure das Material wegätzte, das die Maske an Ort und Stelle hielt.

Um diese Grenze zu überwinden und das Ziel von unter zehn Nanometern zu erreichen, wechselte das Team von einem flüssigen Säureverfahren zu einem gasbasierten Prozess und änderte die Art und Weise, wie sie das Silizium erhitzten. Sie nutzten das Rapid Thermal Annealing, eine Methode, bei der das Silizium in einem Ofen sehr schnell erhitzt wird, um die Oxidschicht wachsen zu lassen. Durch die sorgfältige Steuerung der Temperatur und der Gasmischung im Ofen konnten sie genau steuern, wie viel Silizium in jedem Zyklus entfernt wurde. Sie fanden heraus, dass das Erhitzen des Siliziums auf sehr hohe Temperaturen das Material schnell entfernte, was für die dickeren Teile der Fin nützlich war, während niedrigere Temperaturen eine Feinabstimmung ermöglichten, wenn sie sich den endgültigen, ultradünnen Dimensionen näherten. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, das Silizium abzutragen, ohne die Maske zu beschädigen, wodurch sie schließlich Fins von nur sechs Nanometern Dicke erzeugten.

Die Fins litten jedoch immer noch unter dem Verjüngungsproblem, bei dem die Spitze signifikant dünner ist als der Boden, was die elektrischen Eigenschaften des Kontakts inkonsistent machen würde. Die Forscher erkannten, dass die Art und Weise, wie das Silizium erhitzt wurde, dazu führte, dass die Spitze schneller oxidierte als der Boden, was einen Gradienten in der Dicke erzeugte. Um dies zu beheben, verlangsamten sie den Heizprozess und änderten die Atmosphäre im Ofen von reinem Sauerstoff zu einer Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff. Diese subtile Änderung verhinderte, dass die Spitze der Fin zu schnell reagierte, bevor die gesamte Struktur die Zieltemperatur erreicht hatte. Das Ergebnis war eine dramatische Verbesserung der Gleichmäßigkeit. Bei einer Fin, die 1,2 Mikrometer hoch war, wurde der Unterschied in der Dicke zwischen der Spitze und dem Boden von siebzehn Nanometern auf nur drei Nanometer reduziert.

Die fertigen Strukturen wurden mit leistungsstarken Elektronenmikroskopen untersucht, die zeigten, dass es dem Team gelungen war, Einkristall-Siliziumwände zu schaffen, die an der Spitze nur etwa sechs Nanometer und an der Basis fünfzehn Nanometer dick waren, mit einem bemerkenswert geraden Profil. Diese Präzision deutet darauf hin, dass es nun möglich ist, Josephson-Kontakte unter Verwendung perfekter Einkristall-Siliziumbarrieren zu bauen, was die energiezehrenden Defekte älterer Materialien eliminieren könnte. Indem sie bewiesen haben, dass diese ultradünnen, gleichmäßigen Fins mit Standard-Halbleiterwerkzeugen hergestellt werden können, haben die Forscher einen klaren Weg zum Bau stabilerer und zuverlässigerer Quantencomputer eröffnet und damit einen theoretischen Vorteil perfekter Kristalle in eine praktische Realität verwandelt.