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

In de zoektocht naar het bouwen van quantumcomputers proberen wetenschappers kleine, fragiele circuits te creëren die informatie kunnen vasthouden in een staat van superpositie, waarbij ze in meerdere toestanden tegelijk bestaan. Een van de meest veelbelovende ontwerpen voor deze circuits is de transmon-qubit, een apparaat dat steunt op een speciaal component genaamd een Josephson-overgang. Deze overgang fungeert als een poortwachter voor elektrische stroom, maar is berucht gevoelig voor zijn omgeving. Als de materialen binnen de overgang chaotisch of rommelig zijn op atomair niveau, creëren ze kleine defecten die energie stelen van de qubit, waardoor deze zijn informatie verliest voordat een berekening zelfs maar voltooid kan worden. Jarenlang hebben onderzoekers amorfe materialen gebruikt, die lijken op bevroren vloeistoffen met atomen die willekeurig gerangschikt zijn, om deze barrières te bouwen. Echter, deze willekeurige structuren zitten vol met precies die defecten die de quantumprestaties doden. De ideale oplossing zou het gebruik van een perfect kristal zijn, waarbij elk atoom in een precieze, ordelijke rij zit, maar het maken van een dunne, perfecte kristalbarrière binnen een complex elektronisch apparaat is een enorme technische uitdaging gebleken.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld om deze perfecte kristalbarrières uit een enkel stuk silicium te snijden, waarbij ze ze dunner maken tot een schaal die voorheen onbereikbaar was. Ze begonnen met een standaard siliciumwafer, een materiaal dat in bijna alle moderne elektronica wordt gebruikt, en gebruikten een combinatie van chemische baden en warmtebehandelingen om het materiaal te beeldhouwen tot een hoge, smalle wand, een zogenaamde 'fin' (vin). Het doel was om deze wand zo dun te maken dat deze als de barrière voor een Josephson-overgang zou kunnen dienen, waardoor elektronen op een gecontroleerde manier doorheen kunnen tunnelen. De uitdaging was dat het initiële chemische proces dat werd gebruikt om het silicium te vormen, de wanden ongelijkmatig achterliet, taps toelopend van dik aan de onderkant naar dun aan de bovenkant, en dat de standaardmethoden voor het verder verdunnen van het silicium de delicate structuren de neiging hadden om te breken of ze te dik achterlieten om te functioneren.

Om dit op te lossen, gebruikten de onderzoekers eerst een nat chemisch etsproces, waarbij het silicium in een kaliumhydroxide-oplossing werd gedoopt die het materiaal in een specifieke richting wegvreet, waardoor gladde, schuine wanden achterbleven. Dit creëerde een fin van ongeveer vierenzeventig nanometer dik, maar ze hadden het nodig om minder dan tien nanometer te zijn om als een quantumbarrière te kunnen fungeren. Vervolgens wenden ze zich tot een techniek genaamd digitale etsing, die werkt als een zeer traag, gecontroleerd afpelingsproces. Ze exposeerden het silicium aan een gas dat de bovenste laag atomen verandert in een dunne huid van oxide, en gebruikten vervolgens een damp van waterstoffluorzuur om die huid weg te wassen. Door deze cyclus van het omzetten van het oppervlak naar oxide en het wegwassen daarvan te herhalen, konden ze de siliciumlaag laag voor laag verwijderen. In hun eerste tests slaagden ze erin de fins te verdunnen tot ongeveer negentien nanometer, maar het proces had een gebrek: het beschermende masker dat bovenop de fin zat, raakte los en viel eraf zodra de fin te dun werd, waarschijnlijk omdat het vloeibare zuur de lijm die het masker op zijn plaats hield, wegvrat.

Om voorbij deze limiet te komen en de doelstelling van minder dan tien nanometer te bereiken, stapte het team over van een vloeibaar zuur naar een dampgebaseerd proces en veranderden ze de manier waarop het silicium werd verhit. Ze gebruikten 'rapid thermal annealing', een methode waarbij het silicium zeer snel in een oven wordt verhit, om de oxidelaag te laten groeien. Door de temperatuur en de gasmengeling in de oven nauwkeurig te controleren, konden ze exact bepalen hoeveel silicium er in elke cyclus werd verwijderd. Ze ontdekten dat het verhitten van het silicium tot zeer hoge temperaturen materiaal snel verwijderde, wat nuttig was voor de dikkere delen van de fin, terwijl lagere temperaturen ruimte boden voor fijnafstemming naarmate ze de uiteindelijke, ultra-dunne dimensies naderden. Deze aanpak stelde hen in staat om het silicium weg te strippen zonder het masker te beschadigen, waardoor ze uiteindelijk fins van slechts zes nanometer dik konden creëren.

De fins leden echter nog steeds aan het taps toelopende probleem, waarbij de bovenkant aanzienlijk dunner was dan de onderkant, wat de elektrische eigenschappen van de overgang inconsistent zou maken. De onderzoekers realiseerden zich dat de manier waarop het silicium werd verhit, ervoor zorgde dat de bovenkant sneller oxideerde dan de onderkant, wat een gradiënt in dikte creëerde. Om dit op te lossen, vertraagden ze het verhittingsproces en veranderden ze de atmosfeer in de oven van zuivere zuurstof naar een mengsel van stikstof en zuurstof. Deze subtiele verandering voorkwam dat de bovenkant van de fin te snel reageerde voordat de hele structuur de doeltemperatuur had bereikt. Het resultaat was een dramatische verbetering in uniformiteit. Op een fin van 1,2 micrometer hoog, werd het verschil in dikte tussen de bovenkant en de onderkant verminderd van zeventien nanometer naar slechts drie nanometer.

De uiteindelijke structuren werden onderzocht met krachtige elektronenmicroscopen, die onthulden dat het team erin geslaagd was single-kristal siliciumwanden te creëren die slechts ongeveer zes nanometer dik waren aan de bovenkant en vijftien nanometer aan de basis, met een opmerkelijk recht profiel. Dit niveau van precisie suggereert dat het nu mogelijk is om Josephson-overgangen te bouwen met perfecte, single-kristal siliciumbarrières, wat de energie-roofende defecten die in oudere materialen worden gevonden, zou kunnen elimineren. Door te bewijzen dat deze ultra-dunne, uniforme fins kunnen worden gemaakt met standaard halfgeleiderinstrumenten, hebben de onderzoekers een duidelijk pad geopend naar het bouwen van stabielere en betrouwbaardere quantumcomputers, waarmee ze een theoretisch voordeel van perfecte kristallen hebben omgezet in een praktische realiteit.