Digital Etching of Single-Crystalline Silicon Fin Barriers Down to Sub-10 nm
本文提出了一种结合各向异性湿法刻蚀与由重复快速热氧化及气相氢氟酸刻蚀组成的数字刻蚀技术的制备工艺，用于生产高深宽比、厚度小于 10 纳米的单晶硅鳍片，从而为通过单晶硅电介质势垒构建超导量子比特建立了一条可扩展的途径。
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在构建量子计算机的过程中，科学家们正试图创造出微小且脆弱的电路，这些电路能够将信息保持在叠加态，即同时存在于多种状态之中。其中一种最有前景的设计是超导跨子比特（transmon qubit），这种设备依赖于一种被称为约瑟夫森结（Josephson junction）的特殊组件。这个结就像是一个电流的守门员，但它对周围环境极其敏感。如果结内部的材料在原子层面是紊乱或杂乱的，它们就会产生微小的缺陷，从而窃取量子比特的能量，导致其在计算完成之前就丢失信息。多年来，研究人员一直使用非晶态材料（类似于原子排列随机的冻结液体）来制造这些屏障。然而，这些随机结构充满了破坏量子性能的缺陷。理想的解决方案是使用完美的晶体，即每个原子都坐在精确、有序的行列中，但在复杂的电子设备内部制造一个极薄且完美的晶体屏障，已被证明是一项巨大的工程挑战。
一组研究人员现在开发出了一种新方法，可以从单块硅片中刻蚀出这些完美的晶体屏能，将其减薄到此前无法企及的尺度。他们从一块标准的硅片（几乎所有现代电子产品都使用的材料）开始，利用化学浴和热处理相结合的方法，将其雕刻成一个高而窄的墙，称为“鳍片”（fin）。目标是使这面墙变得足够薄，以充当约瑟夫森结的屏障，让电子能够以受控的方式通过隧道效应进行隧穿。挑战在于，最初用于塑造硅形的化学过程使得墙体变得不均匀，呈现出底部厚、顶部薄的锥形结构，而标准的进一步减薄方法往往会损坏这些脆弱的结构，或者留下过厚的残留物。
为了解决这个问题，研究人员首先使用了湿化学刻蚀，将硅浸入氢氧化钾溶液中，这种溶液会沿着特定方向侵蚀材料，留下光滑且带有角度的墙壁。这制造出了一个厚度约为七十四纳米的鳍片，但他们需要它小于十纳米才能作为量子屏障发挥作用。随后，他们转向了一种被称为“数字刻蚀”的技术，这种技术运作起来就像一个非常缓慢、受控的剥皮过程。他们将硅暴露在一种气体中，使最顶层的原子转化为一层薄薄的氧化物皮，然后使用氢氟酸蒸气将这层皮洗掉。通过重复这种“将表面氧化并洗去”的循环，他们可以逐层去除硅。在初步测试中，他们成功将鳍片减薄到了约十九纳米，但该过程存在一个缺陷：位于鳍片顶部的保护掩模会在鳍片变得太薄时脱落并掉落，这很可能是因为液体酸正在侵蚀固定掩模的“胶水”。
为了突破这一限制并达到低于十纳米的目标，团队将液态酸更换为气相工艺，并改变了加热硅的方式。他们使用了快速热退火技术——这是一种在炉中对硅进行极速加热的方法——来生长氧化层。通过精确控制炉内的温度和气体混合比例，他们可以精准调节每一轮循环中去除的硅量。他们发现，在高温下加热硅会使材料快速移除，这对于处理较厚的鳍片部分很有用；而在接近最终的超薄尺寸时，较低的温度则允许进行精细调节。这种方法使他们能够在不损坏掩模的情况下剥离硅，最终制造出了仅有六纳米厚的鳍片。
然而，这些鳍片仍然存在锥形问题，即顶部明显比底部薄，这会导致结的电学特性不一致。研究人员意识到，硅的加热方式导致顶部比底部氧化得更快，从而产生了厚度梯度。为了修复这个问题，他们放慢了加热过程，并将炉内的气氛从纯氧改为氮氧混合气体。这一细微的变化防止了顶部在整个结构达到目标温度之前反应过快。结果是均匀性得到了显著改善。在一个高1.2微米的鳍片上，顶部与底部的厚度差异从十七纳米减少到了仅三纳米。
最终的结构通过强大的电子显微镜进行了检查，结果显示，该团队成功制造出了单晶硅墙，其顶部厚度约为六纳米，底部为十五纳米，且具有极其笔直的轮廓。这种精度的提升表明，利用完美的单晶硅屏障来构建约瑟夫森结现在已成为可能，这有望消除旧材料中存在的夺取能量的缺陷。通过证明利用标准半导体工具可以制造出如此超薄且均匀的鳍片，研究人员为构建更稳定、更可靠的量子计算机开辟了一条清晰的路径，将完美晶体的理论优势转化为了现实应用。
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