專利名稱:在用于量子計(jì)算機(jī)的硅晶體中的替代的施主原子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米級(jí)產(chǎn)品，如制成納米精度的電子器件。本發(fā)明還涉及原子級(jí)產(chǎn)品，這里我們使用了術(shù)語納米級(jí)是指納米級(jí)和原子級(jí)產(chǎn)品。這種產(chǎn)品可以是量子計(jì)算機(jī)制造過程中的中間產(chǎn)品，但也可以有許多其它用途。本發(fā)明進(jìn)一步涉及制造這種產(chǎn)品的方法。本發(fā)明還涉及量子計(jì)算機(jī)。
背景技術(shù)：
用于基于硅的量子計(jì)算機(jī)的凱恩提議1，2使用磷核(I＝1/2)的核自旋作為同位素純28Si(I＝0)中嵌入的量子位(qubits)。在低溫下，施主電子仍束縛到P核，并且表面“A”柵極控制核和電子自旋之間的超精細(xì)相互作用，產(chǎn)生兩者的極化。兩個(gè)P施主需要分開～20nm以使相鄰施主電子的波函數(shù)重疊。使用分開的表面“J”柵極可以實(shí)現(xiàn)相鄰施主電子之間的耦合，實(shí)現(xiàn)qubits之間電子的間接相互作用。圖1(a)示出了該提議的結(jié)構(gòu)。
有許多專利申請(qǐng)和論文都與這種器件的構(gòu)造有關(guān)，引證如下1Kane，B.E.A silicon-based nuclear spin quantum computer.Nature 393，133(1998).
2Kane，B.E.Patent Application PCT/AU98/00778.
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12Lin，D.S.，Ku，T.S.，and Chen，R.P.Interaction of phosphine with Si(100)fromcore-level photoemission and real-time scanning tunneling microscopy Phys.Rev.B61，2799(2000).
14Wang，Y.，Chen，X.and Hamers，R.J.，Atomic-resolution study of overlayerformation and interfacial mixing in the interaction of phosphorus with Si(001)Phys.Rev.B 50，4534(1994).
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16Northrup，J.E.Theoretical studies of arsine adsorption on Si(100).Phys.Rev.B 51，2218-2222(1995).
到目前為止還沒有將來自如磷化氫的摻雜劑源的單個(gè)磷原子的結(jié)合引入到硅內(nèi)的STM研究。
本發(fā)明首次展示了獲得多種中間產(chǎn)品以及制備如符合凱恩提議的量子計(jì)算機(jī)的基于硅的原子級(jí)器件的必要步驟。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方案中，本發(fā)明為一種納米級(jí)產(chǎn)品，作為制造如量子計(jì)算機(jī)的原子級(jí)器件過程中的中間產(chǎn)品，納米級(jí)產(chǎn)品包括硅晶體，其中施主原子替代表面的硅原子，形成相互間隔100nm或更小的施主原子的陣列，并且其中施主原子時(shí)電激活的。
以下本發(fā)明的最佳方式首次展示了在硅表面中制備這種陣列。
硅表面可以是(100)晶向表面，具有帶σ鍵的硅二聚物(dimers)的各列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)。此時(shí)，施主原子代替表面中的硅原子形成施主硅異質(zhì)二聚物。
施主可以是磷，可以較高的精度設(shè)置磷原子，例如相隔50nm或20nm。
在第二方案中，本發(fā)明為納米級(jí)產(chǎn)品，作為如量子計(jì)算機(jī)的原子級(jí)器件制造過程的中間產(chǎn)品，納米級(jí)產(chǎn)品包括硅晶體，在晶體中密封有替代硅原子的施主原子層，其中基本上所有的施主原子是電激活的。
本發(fā)明的以下最佳方式首次展示了制備了濃度為0.1單層和更多的完全電激活的磷原子的密封層的產(chǎn)品。
密封層可以外延地生長(zhǎng)在施主原子層上。密封層的厚度可以在5與50nm之間。
硅表面可以是(100)晶向，其中施主原子代替硅原子，形成施主硅異質(zhì)二聚物。
施主可以是磷并且可以設(shè)置在陣列中。
根據(jù)第三方案，本發(fā)明為以上限定的納米級(jí)或原子級(jí)產(chǎn)品的制造方法，包括以下步驟(a)制備清潔的硅晶體表面。
(b)用原子氫鈍化該樣品表面。
(c)使用掃描隧道顯微鏡(STM)端頭從鈍化的表面選擇性地將單H原子解吸附，在氫層中形成露出區(qū)域的圖形，其中各區(qū)域相隔100nm或更少。
(d)將構(gòu)圖的表面暴露在施主分子下，以在露出區(qū)域中產(chǎn)生含有分子的單施主原子的陣列。
(e)在約300℃與約650℃之間退火具有陣列的表面，將電激活的施主原子引入到硅內(nèi)。
本發(fā)明的以下最佳方式首次展示了形成了引入硅內(nèi)的施主原子的預(yù)選擇陣列的這種方法的效果。使用退火步驟(e)可以獲得這種效果，在該步驟中，可以在約300℃或350℃和530℃之間選擇溫度范圍，以避免從硅表面解除吸附氫。然后使用STM或掃描電子顯微鏡(SEM)中得到的電子束或使用紫外線(UV)解除吸附氫。該過程可以還包括步驟(f)使用STM觀察硅表面上的施主原子，以確認(rèn)施主原子位于硅中的替代晶格位置中，并且因此被電激活。
硅表面可以是(100)晶向表面，具有帶σ鍵的硅二聚物(dimers)列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)。此時(shí)，施主原子代替表面中的硅原子形成施主硅異質(zhì)二聚物。
施主可以是磷，可以用較高的精度設(shè)置磷原子，如相隔50nm或20nm。
根據(jù)第四方案，本發(fā)明為以上限定的納米級(jí)或原子級(jí)產(chǎn)品的制造方法，包括以下步驟(a)制備清潔的硅晶體表面。
(b)用原子氫鈍化樣品表面。
(c)將施主原子插入到光刻地限定的區(qū)域中的硅內(nèi)，在該區(qū)域中使用STM端頭解除吸附氫。
(d)通過在約500℃和約650℃之間閃蒸(flashing)表面，或者使用STM或掃描電子顯微鏡(SEM)中得到的電子束或使用紫外線(UV)，從摻雜的表面解除吸附鈍化的氫原子。
(e)在約0℃和400℃之間生長(zhǎng)硅，以防止施主原子擴(kuò)散和密封表面中電激活的施主原子。
在下面本發(fā)明的最佳方式中，我們展示了在解吸附鈍化的氫之后通過在表面上生長(zhǎng)硅來選擇密封的這種方法。步驟(e)中生長(zhǎng)硅可以用低溫代替，如在約0℃和250℃之間，比如室溫。
本發(fā)明進(jìn)一步包括步驟(f)熱退火表面，以便表面變得原子級(jí)(atomically)光滑。
硅表面可以是(100)晶向表面，具有帶σ鍵的硅二聚物的各列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)。此時(shí)，施主原子代替表面中的硅原子形成施主硅異質(zhì)二聚物。
施主可以是磷，可以用較高的精度設(shè)置磷原子，例如相隔100nm、50nm或20nm。
根據(jù)第五方案，本發(fā)明為以上限定的納米級(jí)或原子級(jí)產(chǎn)品的制造方法，包括以下步驟(a)制備清潔的硅晶體表面。
(b)將表面暴露在施主分子下，以使施主分子吸附到硅表面上。
(c)在約300℃和約650℃之間退火具有陣列的表面，將電激活的施主原子引入到硅內(nèi)。
(d)使用STM觀察硅表面上的施主原子，以確認(rèn)施主原子位于硅中的替代晶格位置中，并且因此被電激活。
本發(fā)明的以下最佳方式首次展示了在納米級(jí)器件的制造期間使用STM觀察在硅表面中或下面的施主原子的使用方法。
退火步驟可以使用在300℃或350℃和530℃之間的溫度范圍，以避免從硅表面解吸附氫。然后使用STM或掃描電子顯微鏡(SEM)中得到的電子束或使用紫外線(UV)解吸附氫。備選地，退火步驟可以使用530℃和650℃之間的溫度范圍，以在一個(gè)步驟中引入施主原子和解吸附氫。
方法還可以包括步驟(e)在約0℃和400℃之間、約0℃和250℃之間或室溫，在表面上生長(zhǎng)硅，防止施主原子擴(kuò)散，并且密封表面中的電激活的施主原子。
方法還可以包括步驟(f)熱退火表面以便它變得原子級(jí)光滑。
硅表面可以是(100)晶向表面，具有帶σ鍵的硅二聚物的各列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)。此時(shí)，施主原子代替表面中的硅原子形成施主硅異質(zhì)二聚物。
施主可以是磷，可以用較高的精度設(shè)置磷原子，例如相隔100nm、50nm或20nm。
根據(jù)第六方案，本發(fā)明為以上限定的納米級(jí)或原子級(jí)產(chǎn)品的制造方法，包括以下步驟(a)制備清潔的硅晶體表面。
(b)將表面暴露到施主分子，以使施主分子吸附到硅表面上形成摻雜層。
(c)在約300℃和約650℃之間退火具有陣列的表面，將電激活的施主原子引入到硅內(nèi)。
(d)在約0℃和400℃之間在該表面上生長(zhǎng)硅，以防止施主原子擴(kuò)散，并且密封表面中的電激活的施主原子。
(f)測(cè)量摻雜層的電活性。
以下本發(fā)明最佳方式首次展示了使用該方法，其中制造納米級(jí)器件期間測(cè)量具有大于0.1單層濃度的磷原子的完整的電活性。
退火步驟可以使用在300℃或350℃和530℃之間的溫度范圍，以避免從硅表面解吸附氫。然后使用STM或掃描電子顯微鏡(SEM)中得到的電子束或使用紫外線(UV)解吸附氫。備選地，退火步驟可以使用530℃和650℃之間的溫度范圍，以在一個(gè)步驟中引入施主原子和解吸附氫。
在約0℃和250℃之間或室溫生長(zhǎng)硅，以防止在表面上施主原子擴(kuò)散，并且將表面中的電激活的施主原子密封。
硅表面可以是(100)晶向表面，具有帶σ鍵的硅二聚物的各列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)。此時(shí)，施主原子代替表面中的硅原子，形成施主硅異質(zhì)二聚物。
施主可以是磷，可以用較高的精度設(shè)置磷原子，例如相隔100nm、50nm或20nm。
可以在超真空環(huán)境中制備清潔的硅表面(i)(ii)通過使DC電流直接穿過樣品閃蒸樣品到～1200℃1分鐘，(iii)將樣品溫度降低到～950℃，然后緩慢從～950℃冷卻到室溫。
在相同的超高真空環(huán)境中用原子氫鈍化表面，通過監(jiān)控真空系統(tǒng)的總壓力控制劑量比率，以獲得表面的氫端接(hydrogen termination)，該表面具有一個(gè)與每個(gè)硅原子結(jié)合的一個(gè)氫原子的氫的單層鍵(單氫化物的二聚物)。
通過將高壓和隧道電流的脈沖施加到STM端頭1ms數(shù)量級(jí)的短時(shí)間周期，在相同的超高真空環(huán)境中使用STM端頭，從鈍化表面上選擇性地解吸附H原子，在氫層中形成圖形。
可以在相同的超高真空環(huán)境中將表面暴露在施主分子下，以使施主分子鍵合到表面中露出的圖形。
施主分子可以是磷化氫(PH3)，以釋放施主原子磷P。
具體地，這些工藝可以形成在用于硅基量子計(jì)算機(jī)的硅中以控制的間隔制備具有磷原子的原子陣列的工藝的一部分。這種固態(tài)量子計(jì)算機(jī)可以使用電子自旋3或磷核(I＝1/2)的核自旋作為同位素純28Si(I＝0)中嵌入的量子位(qubits)。
在第七方案中，本發(fā)明為根據(jù)以上定義的任何一種方法制造的量子計(jì)算機(jī)。



現(xiàn)在參考附圖介紹本發(fā)明的各方面和各例，其中圖1(a)為基于硅的量子計(jì)算機(jī)的凱恩提議的示意圖。
圖2(a)～(k)為根據(jù)本發(fā)明制造納米產(chǎn)品的一系列11個(gè)步驟。
圖3(a)和(b)為示出了晶體硅(100)的2×1表面的STM圖像和示意圖。
圖4(a)～(e)為STM圖像、示意圖和掃描隧道顯微鏡結(jié)果。
圖5(a)～(e)示出了在摻雜(dosing)磷化氫之前晶體硅表面上，以及摻雜磷化氫之后吸附的PH3/PH2分子的晶體硅表面上，沿二聚物排列的兩個(gè)懸掛鍵的STM圖像、示意圖和線輪廓。
圖6(a)～(f)示出了在摻雜磷化氫之前晶體硅表面上，以及摻雜磷化氫之后吸附的PH3/PH2分子的晶體硅表面上，沿二聚物排列的懸掛鍵的STM圖像、示意圖和線輪廓。
圖7(a)～(e)示出了具有許多缺陷的硅(100)表面的STM圖像。
圖8(a)和(b)為摻雜磷化氫之前、后硅(100)表面的STM圖像。
圖9(a)～(e)為摻雜磷化氫之后硅(100)表面的STM圖像。
圖10(a)～(i)為示出了摻雜磷化氫之后的硅表面以及加熱該表面的效果的一系列STM圖像和示意圖。
圖11(a)～(f)為硅晶格表面上的磷化氫分子并將它引入到硅內(nèi)的一系列圖、STM圖像和示意圖。
圖12(a)～(c)為中和(moderate)磷化氫劑量并加熱之后硅表面的一系列STM圖像，以及示出了摻雜飽和磷化氫并加熱之后硅表面的俄歇電子能譜術(shù)結(jié)果。
圖13a示出了在已解吸附氫處具有碎片(patch)的氫端接硅表面的STM圖像；(b)～(d)示出了退火到350℃之后的碎片。
圖14(a)～(h)為示出了沿光刻地制備的線摻雜磷化氫并退火以將磷原子引入到硅晶格內(nèi)的效果的一系列STM圖像以線輪廓。
圖15(a)～(d)示出了在不同的溫度生長(zhǎng)硅的效果的一系列STM圖像，圖15(e)～(h)示出了室溫生長(zhǎng)之后并在不同的溫度退火的硅襯底；圖15(i)、(j)以及(k)為介紹不同的與溫度相關(guān)的生長(zhǎng)模式的一系列示意圖。
圖16(a)～(e)示出了在250℃生長(zhǎng)之前、后并隨后在不同溫度退火的硅表面的一系列示意圖和STM圖像。
圖17(a)～(e)示出了在氫鈍化的表面上250℃硅生長(zhǎng)之前和之后以及隨后退火步驟的一系列示意圖和STM圖像。
圖18(a)示出了在清潔和氫端接的表面上不同的生長(zhǎng)溫度下退火之后的硅表面粗糙度的曲線圖；圖18(b)示出了在清潔和氫端接的表面上不同的生長(zhǎng)溫度下退火之后的缺陷密度。
圖19(a)～(h)示出了室溫密封磷化氫摻雜的硅表面及隨后退火的一系列圖和STM圖像。
圖20(a)～(i)示出了在260℃密封磷化氫摻雜的硅表面及隨后退火的一系列圖和STM圖像。
圖21示出了分別在室溫和260℃用5ML的Si過生長(zhǎng)的磷化氫摻雜表面之后的相對(duì)表面磷原子密度的退火。
圖22(a)～(d)示出了用磷化氫飽和硅表面，然后通過Si生長(zhǎng)退火和密封它，以在硅中制造磷δ摻雜層的一系列圖和STM圖像。
圖23(a)為具有用于霍耳效應(yīng)測(cè)量的歐姆接觸的磷δ摻雜硅樣品的示意圖；(b)和(c)示出了霍耳效應(yīng)測(cè)量的結(jié)果。
圖24示出了使用二次離子質(zhì)譜測(cè)量法測(cè)量的硅中磷δ摻雜層的質(zhì)量31深度輪廓的曲線圖。
具體實(shí)施方式
制造措施首先參考圖2，圖2示出了用于制造方案的各工藝步驟。通過在超高真空(UHV)中加熱到接近熔點(diǎn)形成清潔的Si(100)2×1表面。該表面具有2×1個(gè)晶胞，由σ鍵的硅二聚物的各列組成，每個(gè)Si原子上的其余懸掛鍵形成與它包含的二聚物的其它Si原子形成弱π鍵。
將該表面暴露到原子H能使弱Siπ鍵斷裂，使H原子鍵與Si懸掛鍵結(jié)合。在控制的條件下，有鍵合到每個(gè)Si原子的一個(gè)H原子可以形成單層H，滿足了活性懸掛鍵，有效地鈍化了表面，參見圖2(a)。
然后通過適當(dāng)?shù)碾妷汉退淼离娏?，使用STM端頭從鈍化的表面有選擇地解吸附H原子，在H抗蝕劑中形成圖形，參見圖2(b)。在該裸露的區(qū)域中，露出了活性Si原子，隨后使活性物種(species)直接吸附到Si表面。
借助連接到專門設(shè)計(jì)的磷化氫微摻雜系統(tǒng)的可控泄漏閥(leak valve)，磷化氫(PH3)氣體引入到真空系統(tǒng)內(nèi)。通過氫抗蝕劑中的孔，磷化氫分子牢固地鍵合到露出的Si(100)2×1表面；參見圖2(c)。
隨后加熱用于晶體生長(zhǎng)的STM構(gòu)圖的表面，使磷化氫分子分解并導(dǎo)致將P引入到Si的第一層內(nèi)，參見圖2(d)。因此將經(jīng)過構(gòu)圖的STM的H鈍化表面暴露在用于制造需要的P陣列的PH3下。
然后在室溫用硅過生長(zhǎng)之前，如圖2(f)所示，解吸附氫，如圖2(e)所示。已不考慮采用的方案是通過氫層直接生長(zhǎng)硅，如圖2(g)所示。
下一步驟是快速退火表面，如圖2(h)所示。
然后升高溫度在表面上生長(zhǎng)硅，如圖2(i)所示。然后生長(zhǎng)阻擋層，如圖2(j)所示。最后在表面上對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)電柵極，如圖2(k)所示。
在該制造方案中滿足了多個(gè)挑戰(zhàn)(challenges)。在以上概述的所有工藝中，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的操作，引入電荷和自旋雜質(zhì)很有可能是致命的。需要準(zhǔn)備其上制備有P陣列的大面積無缺陷Si(100)2×1。也有必要制備完全用H覆蓋、具有控制的解吸附作用的Si表面，以便僅在需要的位置吸附PH3。下面介紹這些挑戰(zhàn)的每一個(gè)如何滿足的詳細(xì)說明。
制備低缺陷密度表面(100)表面具有最好的特性，并且使最適合于硅生長(zhǎng)的表面，選擇該表面作為最適合候選表面，在其上可以嘗試設(shè)置用于制造凱恩量子計(jì)算機(jī)的原子級(jí)精度的磷陣列。
在該操作中使用的系統(tǒng)是微三室Omicro的UHV可變溫度(VT)的STM多探針RM系統(tǒng)。對(duì)于表面鈍化階段，原子氫源與分析室連接，該分析室由鎢絲、水冷卻加熱屏罩(shroud)以及泄露閥組成。借助UHV泄露閥和雙保護(hù)外殼(containment)氣體管線將磷化氫氣體引入到該室。
相同的真空環(huán)境內(nèi)的分離室容納了可買到的硅淀積單元。該儀器考慮到在一個(gè)UHV環(huán)境內(nèi)制備表面、設(shè)置磷陣列以及隨后的硅過生長(zhǎng)。
從可買到磷摻雜的n型硅晶片上分出2×10mm2尺寸的硅樣品，電阻率為1～10Ωcm，用在Omicro直接加熱的STM樣品支架上。通過以下標(biāo)準(zhǔn)的熱預(yù)備工序4在UHV條件下制備樣品表面，所述工序包含以下步驟(i)通過使用安裝在樣品支架后面的耐加熱元件進(jìn)行間接加熱，在～600℃下將樣品脫氣6小時(shí)，并在低于600℃的溫度下直接電流加熱脫氣3～6小時(shí)。(ii)通過使DC電流直接穿過樣品將樣品閃蒸到～1200℃30～60秒。該步驟從表面上除去了原始氧化層，并允許表面硅原子變得可移動(dòng)。(iii)將樣品溫度降低到～950℃，然后從～950℃逐漸地冷卻到室溫。顯已發(fā)現(xiàn)表面缺陷密度主要取決于最終的冷卻速率，如前面4已說明的。使用紅外高溫溫度計(jì)在該工序的整個(gè)過程中監(jiān)控樣品溫度。初始脫氣之后，真空室中的壓力保持在低1010mbar區(qū)或更低(包括閃蒸到1200℃)。
圖3(a)示出了根據(jù)以上工序制備的低缺陷密度Si(100)2×1表面的典型STM圖像?？梢钥吹揭粋€(gè)單原子臺(tái)階31產(chǎn)生兩個(gè)平坦的(100)階地(terrace)區(qū)32和33。上階地32清楚可見，雖然很難看到下階地33，但是可以看到在兩個(gè)階地中的二聚物列34以直角相交。由于表面平面相對(duì)于(100)晶向的稍微取向錯(cuò)誤，所以存在這些臺(tái)階。不可能制備出完全無缺陷的表面5，然而，圖3(a)所示的表面的缺陷密度近似1％，與文獻(xiàn)(例如參考文件5)中報(bào)道的最低缺陷密度表面一致?？梢杂秘?fù)樣品偏置獲得該圖像，同樣為用各二聚物的填充狀態(tài)圖像，表面為豆形突起35，有助于從二聚物6的π鍵的隧穿。
圖3(b)為晶體硅結(jié)構(gòu)的3維圖。
氫抗蝕劑制造工序的下一階段為利用氫鈍化Si(100)2×1表面。為此，我們使用原子氫源(AHS)。將AHS細(xì)絲加熱到～1500℃，來自99.999％的純分子氫源的氣體流借助泄露閥穿過AHS進(jìn)入U(xiǎn)HV室。AHS將分子氫的大部分轉(zhuǎn)變成原子氫，原子氫然后與樣品表面反應(yīng)，形成鈍化層。通過監(jiān)控UHV室中的總壓力控制摻雜率。使用質(zhì)譜儀監(jiān)控引入到室內(nèi)的氣體純度。
由于硅二聚物π鍵的很弱的性質(zhì)，Si(100)2×1表面的活性很強(qiáng)。撞擊到Si(100)2×1表面的氫原子使弱二聚物π鍵斷裂，產(chǎn)生兩個(gè)能吸附氫原子的活性表面點(diǎn)。僅具有一個(gè)吸附的H原子的二聚物稱做半二聚物。沒有被氫端接的二聚物的硅原子剩下具有第二個(gè)氫原子可以吸附的懸掛鍵。已用兩個(gè)氫原子完全鈍化的硅二聚物稱做單氫化二聚物。
為確定最佳的氫摻雜條件，得到均勻的單氫化物層，進(jìn)行了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。圖4(a)為鈍化表面41的STM圖像，其中我們?cè)?07mbar的室壓力下300～400℃的范圍內(nèi)摻雜樣品半小時(shí)。摻雜期間，樣品表面直接設(shè)置在AHS UHV入口前～10cm。結(jié)果是幾乎均勻的單氫化物層42，但具有二氫化物43和這兩相的組合物44，稱做H(3×1)相。此外，在表面上45處二聚物消失。
單氫化物42的結(jié)構(gòu)顯示在圖4(b)，并具有都用氫端接的二聚物的硅原子。
二氫化物43的結(jié)構(gòu)顯示在圖4(c)，并具有鍵合到兩個(gè)氫原子的每個(gè)硅原子。在圖4(a)中，該特征具有暗點(diǎn)的外形。
圖4(d)示出了這兩個(gè)相44的組合結(jié)構(gòu)，標(biāo)示在表面上。
圖4示出我們能夠用氫控制摻雜Si(100)表面，并標(biāo)示出所得的合成的表面物種。然而，要進(jìn)一步展示我們特性化清潔和氫化表面的能力，我們進(jìn)行了許多掃描隧穿譜分析技術(shù)(STS)實(shí)驗(yàn)22。我們將STM端頭固定在距離表面固定的位置和距離(通過脫離STM端頭的反饋機(jī)構(gòu))并通過-2V～2V的偏壓使端頭傾斜，同時(shí)測(cè)量隧穿電流。圖4(e)示出了用于這個(gè)既清潔又(圖3(a))和氫端相接的(圖4(a))表面的這些STS實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該清潔表面的光譜顯示π鍵和π*反鍵尖峰。氫端接表面的光譜顯示與硅本體的狀態(tài)密度相關(guān)的寬肩狀部及顯著的Si-H反鍵尖峰。這些結(jié)果都與以前的研究8一致。
氫光刻和磷陣列在Si表面上形成單層之后，下一步驟是使用STM端頭在H抗蝕劑選擇性地解吸附區(qū)域。這將露出用于控制P原子位置的Si表面區(qū)域。
要實(shí)現(xiàn)原子級(jí)分辨率，解吸附對(duì)STM端頭有嚴(yán)格的要求。通過將大偏壓施加到STM端頭可以實(shí)現(xiàn)可控制的解吸附，然而，也可以在解吸附氫的同時(shí)成像，由此非故意地露出的表面區(qū)域。我們展示了我們已克服了該障礙以控制和重復(fù)地解吸附了適用于制造凱恩量子計(jì)算機(jī)的陣列中的H。
為了實(shí)現(xiàn)原子級(jí)解吸附6分辨率，需要具有大錐形角度的很尖的鎢端頭。為了滿足這些要求，我們已使用了可買到的端頭蝕刻裝置(Omicron W-Tek半自動(dòng)的端頭蝕刻系統(tǒng))。在不銹鋼陰極環(huán)的中心，將W線(直徑＝0.38mm)插入到NaOH溶液內(nèi)～2mm的長(zhǎng)度。電極之間施加～5-10V產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，優(yōu)先在溶液的表面進(jìn)行。在～10分鐘內(nèi)，線被完全蝕刻掉，留下小的半徑端頭。氫氟酸中的2分鐘蝕刻除去了任何氧化層。在光學(xué)顯微鏡下檢查端頭以評(píng)估幾何形狀，如果滿足，30分鐘內(nèi)裝入U(xiǎn)HV系統(tǒng)以防止形成氧化物?？梢允褂闷渌亩祟^材料，例如PtIr，并且進(jìn)行類似的準(zhǔn)備。
通過在端頭和樣品之間施加可控制的電壓脈沖，使用STM端頭從表面解吸附氫。仔細(xì)地樂觀的鎢端頭的幾何圖形和可控制的電壓脈沖(樣品偏置～6V和對(duì)于～1ms的～1nA的隧道電流)，使原子級(jí)分辨率的解吸附成為可能。需要用恰當(dāng)?shù)牧谆瘹鋭┝拷馕絽^(qū)域，以便一個(gè)磷化氫分子并且因此僅一個(gè)磷原子可以鍵合在該區(qū)域中。
圖5(a)為示出了沿硅二聚物列的兩個(gè)解吸附位置的STM圖像(在摻雜磷化氫之前)。圖像中的亮圈51為沿二聚物列排列的兩個(gè)懸掛鍵。由于露出的硅懸掛鍵的硅二聚物表面狀態(tài)，作為電子密度從表面擴(kuò)展的結(jié)果，解吸附位置表現(xiàn)為亮突起。每個(gè)硅二聚物上的剩余氫已知為不穩(wěn)定的11，我們已觀察到隨著時(shí)間它從二聚物的一側(cè)擴(kuò)散到另一側(cè)。下一步驟是制備P陣列。STM光刻之后要露出Si(100)2×1表面的小區(qū)域，通過可控制的泄露閥，磷化氫氣體進(jìn)入室內(nèi)，以至于含分子的各磷被吸附到露出的硅表面上。
為了傳送高純度的磷化氫氣體，PH3微摻雜系統(tǒng)并且它連接到UHV STM，該UHV STM內(nèi)部使用了在絕對(duì)無塵室環(huán)境中裝配的電拋光的氣體管線。曝光期間108mbar的壓力下室中得到的質(zhì)譜顯示任何其它物種的分壓沒有顯著增加。清潔的硅表面上磷化氫的粘附系數(shù)為112。
圖5(b)為露出的兩個(gè)懸掛鍵位置處(圖5(a))吸附的磷化氫分子的STM圖像，每個(gè)懸掛鍵吸附一個(gè)分子。圖5(c)為通過其中一個(gè)懸掛鍵穿過圖5(a)的二聚物列上的線輪廓，并且示出了代表性的0.12nm高度。圖5(d)示出了吸附的磷化氫分子中的一個(gè)的線輪廓，代表性高度為0.17nm。
圖6(a)～(d)示出了與圖5(a)～(d)等效的圖像，除了垂直于二聚物列方向的三個(gè)懸掛鍵位置。
圖5(a)和6(a)中的STM圖像，利用這些位置之間的緊密間距，加強(qiáng)獲得的額原子級(jí)分辨率解吸附。這些位置之間的距離可以容易地增加到需要的20nm的qubit間距，我們已在長(zhǎng)度大于100nm的線中進(jìn)行了單吸附位置的控制光刻。圖像顯示這些解吸附位置足以允許僅一個(gè)磷化氫分子鍵合到每個(gè)位置處的表面。
所有的圖像都需要-1.8V的樣品偏壓和0.4nA的隧道電流。
圖5(d)和6(d)示出了在室溫下暴露到磷化氫氣體之后，與圖5(a)和6(a)相同的區(qū)域。
除了以前解吸附的氫位置之外，在摻雜磷化氫之后通過均勻的氫覆蓋顯示了作為磷化氫吸附的阻擋層的氫抗蝕劑的效果。為了觀察磷化氫曝光之后的任何變化，我們專門選擇了單氫解吸附位置，而不是較大的解吸附位置，并呈現(xiàn)了位置之間間距很小的高分辨率圖像。
分析圖5(f)和6(f)中線輪廓顯示摻雜磷之后突起高度增加～0.05nm的特性。由于掃描之間成像條件的微小變化造成頻繁發(fā)生這種變化，導(dǎo)致STM端頭進(jìn)一步延伸到二聚物列之間的間隙內(nèi)。然后測(cè)量由于PH3解吸附造成的從二聚物列的頂部到突起的頂部的高度差異，因此沒有受此影響。
在幾個(gè)圖像上所有的吸附位置觀察，相對(duì)于磷摻雜之前和之后在相同表面(未示出)上原子級(jí)臺(tái)階邊緣校正線輪廓中增加～0.05nm的高度。這種可再現(xiàn)的增加證實(shí)了PH3分子的吸附，并與露出的硅的懸掛鍵和吸附的磷化氫之間的差異相符合。硅二聚物上氫原子的瞬態(tài)特性可以說明最終圖像的不對(duì)稱性，在該圖像中一個(gè)磷化氫分子鍵合到二聚物(上)中留下的硅原子，另一磷化氫分子已鍵合到二聚物(下)中適當(dāng)?shù)墓琛?br> 研究磷化氫與清潔的Si(100)2×1表面10，13，14的相互作用提示PH3分子地吸附到硅二聚物的一端，然后分離為PH2，假設(shè)硅懸掛鍵在附近可以用來分離H進(jìn)行重新吸附。氫端接表面上存在的可得到的懸掛鍵位置，可以抑制該分離步驟。應(yīng)該理解分離工藝和Si-XH2結(jié)構(gòu)在Si(100)2×1表面上NH315和AsH316的吸附中發(fā)生，其中氮和砷與磷等電子。
以上結(jié)果很重要是由于首次我們展示了氫抗蝕劑作為磷化氫吸附阻擋層的有效性，并使用該技術(shù)用于在硅基量子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)中硅-中心臺(tái)階上控制含分子的單磷的布置。示出用于緊密間距控制摻雜的該工藝顯示可以獲得更寬的間距(～20nm)，在大面積上精確地定位磷qubit陣列。該制造工藝也適合于制造能利用有序的原子或摻雜劑陣列的其它微米或納米電子器件。
在Si(100)表面上檢測(cè)PHx為了理解將磷原子從磷化氫氣體引入到Si(100)2×1內(nèi)，首先需要能夠在硅表面上標(biāo)示與磷有關(guān)的物種，并將它們與包括Si(100)的表面缺陷的表面上其它特征區(qū)分開。圖7(a)為示出了多個(gè)缺陷的Si(100)表面的STM圖像。缺陷可以幾種形式發(fā)生，在二聚物列上可以看到為暗特征，在圖7(b)～(e)中四個(gè)這種缺陷的特點(diǎn)為填充和空狀態(tài)圖像。缺陷(和表面上的任何其它特征)具有填充和空狀態(tài)的特性外形的事實(shí)意味著我們可以得到每個(gè)特征的‘指紋’，由此可以將它們相互區(qū)分。
圖7b～7e中的圖像為下面缺陷的填充和空狀態(tài)圖像(b)遺失(missing)二聚物缺陷，(c)復(fù)合遺失二聚物缺陷，(d)C缺陷，以及(e)剝離二聚物缺陷。
使用0.1nA的隧道電流得到所有的圖像。使用的偏置電壓為(b)-1.8V，(c)+1.6V，(d)-1.8V，(e)+1.2V，(f)-1.8V，(g)+1.2V，(h)-1.3V，(i)+1.2V。
圖8示出了表面暴露到低劑量磷化氫之前(a)和之后(b)，面積為25×25nm2的Si(100)表面。摻雜之前(圖8(a))，在表面上存在幾個(gè)缺陷。摻雜之后呈現(xiàn)為圓圈并標(biāo)為81的一個(gè)這種復(fù)合遺失二聚物空位。然而，通常摻雜之后(圖8(b))，可以看出大多數(shù)的缺陷外形已改變，并且表面上的特征數(shù)量已顯著增加。例如，出現(xiàn)了亮突起82。表面外形的這種變化由PH3分子的吸附以及由PH3部分分離形成的物種造成。
成像條件為(a)-1.6V，0.2nA，和(b)-1.6V，0.2nA。
圖9(a)示出了用低劑量的PH3摻雜的Si(100)表面的50×50nm2面積的填充狀態(tài)的STM圖像。在圖像中可以看到幾個(gè)特征，這些特征在清潔的Si(100)表面的圖像中看不到。為了使摻雜PH3之后形成的吸附物種特性化，我們進(jìn)行了PH3摻雜表面的高分辨率填充和空狀態(tài)成像。研究填充和空狀態(tài)圖像中每個(gè)特征的特性外形，以及填充狀態(tài)圖像中特征的外形高度(參見圖9(b)～(e)，我們發(fā)現(xiàn)存在四種新物種。(b)和(c)為含分子的磷(PHx，其中x＝2，3)；(d)為半氫化物，即具有用一個(gè)氫原子飽和的一個(gè)懸掛鍵以及其它未反應(yīng)的懸掛鍵的硅二聚物。圖9(biv)、(ciii)、(diii)以及(eiii)示出了空狀態(tài)圖像的特征。圖9(bii)、(cii)、(dii)和(eii)示出了以上討論的填充狀態(tài)圖像中的特征的高度輪廓。(Chrislabes？)使用0.1nA的隧道電流得到所有的圖像。使用-1.8V(+1.2V)的偏壓得到填充(空)狀態(tài)圖像。
將P引入到表面內(nèi)—圖2(d)
圖10(a)示出了用低劑量的磷化氫摻雜Si(100)2×1表面，類似于圖9(a)。圖10(b)示出了隨后退火到350℃之后的表面，圖10(c)示出為退火到475℃之后的表面，圖10(d)示出為退火到700℃之后的表面。
摻雜磷之后，在圖10(a)中表面上成像的特征為圖9(a)中介紹的那些特征。
350℃退火之后，已知為磷化氫分子的亮點(diǎn)被去除。通過采用圖10(e)和(f)所示的填充狀態(tài)和空狀態(tài)圖像研究垂直于二聚物列的大的亮線101，這些圖像表明它們?yōu)橐痪S硅二聚物鏈。鏈由當(dāng)將P原子引入硅內(nèi)形成Si-P異質(zhì)二聚物時(shí)從表面排出的Si原子組成。分別使用-1.6V和+1.6V的樣品偏壓得到(e)和(f)中的圖像。
在圖10(g)的放大圖中更容易看出的暗條102為單氫化物，它們的結(jié)構(gòu)顯示在圖10(h)中。
在圖10(g)的放大圖中同樣容易看出的曲折圖形103為Si-P異質(zhì)二聚物，它們的結(jié)構(gòu)顯示在圖10(i)中。
退火到475℃之后，硅鏈101已沒有了，退火到700℃之后，在表面上不再存在單氫化物102和Si-P異質(zhì)二聚物103。
圖10中的圖像提供了在硅表面發(fā)生的與溫度成函數(shù)關(guān)系的反應(yīng)的詳細(xì)分析。在室溫，磷化氫吸附到表面上成為PH3，其中的大多數(shù)快速分解形成PH2和H。將該表面加熱到350℃，可以看出PHx(x＝2-3)分解形成Si-P異質(zhì)二聚物，包含將P原子結(jié)合到表面層內(nèi)并將從表面層排出的Si形成一維的Si鏈。PHx的分解也導(dǎo)致H吸附到單氫化物相的表面上。當(dāng)表面加熱到475℃，一維鏈中的Si原子提供有足夠的能量擴(kuò)散到臺(tái)階邊緣，所以鏈從表面消失。一旦表面溫度升高到700℃，單氫化物和P原子分別從表面上解吸附，分別成為H2和P2。
在圖11中提供了可以將P結(jié)合到清潔的Si(100)表面的頂層內(nèi)的事實(shí)的清楚顯示。圖11(a)介紹了在圖11(b)的填充狀態(tài)的STM圖像中所顯示的，即吸附到裸Si(100)表面上之后一對(duì)含P的分子。這通過圖11(c)的線輪廓可以證實(shí)。
通過比較，圖11(d)介紹了圖11(e)中所顯示的，即由于將摻雜磷化氫的表面退火到400℃，一對(duì)P原子已結(jié)合到表面內(nèi)。當(dāng)與圖11(c)比較時(shí)，圖11(f)的線輪廓顯示在未引入和引入P之間存在～0.06nm的特性高度差異，前者伸出高于表面平面。從圖11(a)和(b)中的示意性模型中該高度差異的原因變得很顯然，這兩個(gè)圖示出了用于兩種情況的P幾何配位。
圖12(a)為已具有低劑量的磷化氫并加熱到350℃的表面的STM圖像，圖12(b)使出了相同的特征。圖12(b)為類似的圖像，除了劑量為六倍。結(jié)果硅鏈121更長(zhǎng)并且更多，排出的鏈與表面上引入的硅有關(guān)。
為了確定在退火之后P保留在表面的區(qū)域中，我們使用專門的化學(xué)技術(shù)，俄歇電子能譜分析技術(shù)(AES)，以分析摻雜P的表面。對(duì)于一系列的劑量，監(jiān)控120eV時(shí)的磷AES尖峰特性，直到尖峰強(qiáng)度變得飽和，如圖12(c)中的122所示。然后表面退火到590℃，近似引入P使用的溫度范圍上限，采用另一AES光譜，如圖12(c)中所示的123。雖然P 120eV尖峰的強(qiáng)度降低～40％，可能是由于物理的PH3解吸附作用，它的強(qiáng)度很高足以推斷出在表面的區(qū)域中存在相當(dāng)大量的P。
將P引入光刻地定義的區(qū)域內(nèi)圖13示出了使用Si(100)上的H鈍化層作為抗蝕劑的基于STM的光刻，用于空間地控制磷化氫的吸附。用STM端頭解吸附H導(dǎo)致在H鈍化的表面上形成～200×50nm2的碎片131和裸Si的兩個(gè)～100nm長(zhǎng)線132和133，如圖13(a)所示。
用磷化氫摻雜表面并退火到～375℃之后，可以從硅二聚物鏈134的外形可以推知P原子引入到表面內(nèi)的解吸附碎片內(nèi)，參見圖13(b)。然而，周圍表面的H端接沒有受到暴露到磷化氫的影響。
圖13(c)和(d)是充滿和空狀態(tài)的圖像，所示的摻雜和退火的碎片的高分辨率圖像在填充和空狀態(tài)的圖像的圖13(c)和(d)所示，分別為(b)中的方框表示。在空狀態(tài)圖像中，排出的Si-Si二聚物鏈?zhǔn)境隽薙i-Si二聚物的分裂特性。
圖14示出了沿光刻線引入P摻雜劑原子。圖14(a)示出了在H端接的Si(100)表面中制造的裸Si的寬為～1nm的線141。暴露到0.3朗繆爾磷化氫氣體導(dǎo)致吸附PHx物種和H，參見圖14(b)。退火到～375℃之后，存在PHx物種的完全分解。這導(dǎo)致進(jìn)一步吸附H和引入P以及排出Si。一些H再次鈍化了硅表面，使它在圖14(c)中看起來更暗。圖14(d)和(e)分別示出了摻雜磷化氫和退火的線的填充和空狀態(tài)圖像，它們證實(shí)了線區(qū)域中硅二聚物鏈142的外形。在空狀態(tài)圖像中觀察到了襯底H端接的二聚物列的分裂特性。幾個(gè)單懸掛鍵144顯示為填充和空狀態(tài)圖像中的單個(gè)亮突起，由表面上的裸Si-Si二聚物造成的幾個(gè)懸掛鍵對(duì)145也同樣。
在圖像中心附近單個(gè)排出的二聚物鏈142是可見的。通過它取向垂直于襯底二聚物列并且它分裂成空狀態(tài)中的突起對(duì)的事實(shí)來識(shí)別該鏈。與圖13中看到的裸硅二聚物鏈不同，該二聚物鏈為氫端接，從鏈的強(qiáng)度可與周圍的懸掛鍵相對(duì)照的事實(shí)中顯而易見-裸Si-Si二聚物鏈比表面上的懸掛鍵亮得多。產(chǎn)生這種端接的H是從PH3分子分解出的。圖14(f)示出了摻雜和退火的線的高清晰度填充狀態(tài)圖像，已使表面特征變得更顯著，否則這些特征將被表面很亮的懸掛鍵遮蔽。箭頭指向P-Si-H異質(zhì)二聚物，其中幾個(gè)沿光刻線的長(zhǎng)度形成。
在圖14(h)中，顯示了由圖14(g)中的X和X’之間得到的線輪廓，以及得到線輪廓的部分表面圖。由于P-Si-H異質(zhì)二聚物的存在，造成了線輪廓中的最高尖峰。以上的結(jié)果示出了我們能夠使用STM在空間的位置處將P摻雜原子以亞納米精度引入Si(100)表面內(nèi)。
通過高純度硅密封引入的P
圖15～24都與硅密封工藝有關(guān)，特別為獲得原子級(jí)平滑層的最佳方式，由此我們可以將埋置的Si-P異質(zhì)二聚物成像并確保它們沒有移動(dòng)到它們的陣列外。
生長(zhǎng)硅—圖2(f)和(g)圖15示出了不利用P來生長(zhǎng)硅的兩種措施。圖15(a)～(d)與在室溫和升高的溫度下密封有關(guān)。圖15(e)～(h)與在室溫密封和隨后的退火有關(guān)。
圖15(i)～(k)示出了與溫度相關(guān)的硅的外延生長(zhǎng)方式的示意圖。
圖15(a)示出了在室溫淀積在Si(100)2×1襯底上的約12個(gè)單層厚度的硅外延層。表面上硅吸附原子的遷移率主要受低襯底溫度約束。由此，粘貼在表面上的硅吸附原子接近于由氣相淀積并且為3D Si島形式的位置。該工藝介紹在圖15(k)中，其中可以看出隨機(jī)生長(zhǎng)導(dǎo)致高表面粗糙度。
隨著襯底溫度增加，表面上硅吸附原子的遷移率增加，并且伸長(zhǎng)的Si島生長(zhǎng)。根據(jù)襯底溫度，同時(shí)生長(zhǎng)幾層。
在220℃，如圖15(b)所示，一次生長(zhǎng)三層，機(jī)理介紹在圖15(j)中。
在420℃，如圖15(c)所示，一次僅生長(zhǎng)兩層。
在較高的襯底溫度，例如圖15(d)中所示的590℃，在臺(tái)階流動(dòng)生長(zhǎng)方式中生長(zhǎng)Si，機(jī)理介紹在圖15(i)中。這里硅吸附原子的遷移率足夠高，以在階地上擴(kuò)散并達(dá)到它們引入到晶體內(nèi)的臺(tái)階邊緣。以與樣品閃蒸之后重新構(gòu)成Si(100)2×1表面相同的方式，得到平滑的晶體表面。
圖15(e)～(h)示出了備選的密封工序。圖15(e)與圖15(a)相同。然而，圖15(f)和(g)示出了在335℃退火1分鐘以及額外9分鐘的效果，圖15(h)示出了隨后在660℃退火1分鐘的效果。
總之，隨著退火溫度和時(shí)間的增加，可以看到表面粗糙度和缺陷密度降低。由此，隨著生長(zhǎng)和退火溫度增加，外延的Si層的結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高。圖15中的STM圖像示出了用兩種不同的措施獲得的類似的表面形貌。
圖16示出了對(duì)在250℃生長(zhǎng)然后在不同的溫度和時(shí)間退火的五個(gè)硅單層的更詳細(xì)的研究結(jié)果。
圖16(a)為示意圖，圖16(e)示出了任何硅生長(zhǎng)之前Si(100)表面的對(duì)應(yīng)填充狀態(tài)的STM圖像。
圖16(b)為示意圖，圖16(f)為在250℃硅生長(zhǎng)5個(gè)單層(ML)之后對(duì)應(yīng)的Si(100)表面的對(duì)應(yīng)填充狀態(tài)的STM圖像。在250℃的襯底溫度，以層挨層的生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)硅。
圖16中的剩余圖像示出了各種退火步驟之后的結(jié)果。328℃退火之后仍可以清楚地看到粗糙的表面結(jié)構(gòu)。在363℃和407℃退火導(dǎo)致形成類似于清潔的Si表面結(jié)構(gòu)的階地結(jié)構(gòu)。然而，階地含有小的Si島、空位區(qū)以及反相磁疇界面。表面還示出了高密度的遺失二聚物缺陷。在456℃和490℃的額外退火之后，移動(dòng)的單遺失二聚物形成多遺失二聚物缺陷。在548℃和605℃的進(jìn)一步退火修復(fù)了Si(100)表面的初始階地結(jié)構(gòu)，沒有Si島或孔，然而遺失二聚物缺陷的密度顯著高于閃蒸之后初始的清潔的Si表面上的上述缺陷。STM圖像的圖像尺寸為50×50nm2。
圖17示出了類似的研究結(jié)果，但在生長(zhǎng)硅之前硅表面已被氫鈍化。
圖17(a)為示意圖，圖17(e)為清潔的Si(100)表面的對(duì)應(yīng)的填充狀態(tài)的STM圖像。
圖17(f)為氫端接的Si(100)表面的填充狀態(tài)的STM圖像。單氫化物端接的表面示出了低密度的Si懸掛鍵，在STM圖像中呈現(xiàn)為亮的突起。
圖17(b)和圖17(g)為在氫端接的表面上250℃下生長(zhǎng)了5ML硅之后，樣品表面的對(duì)應(yīng)的填充狀態(tài)的STM圖像。由于氫端接表面上的Si原子擴(kuò)散主要被存在的氫抑制，因此以與層挨層生長(zhǎng)相對(duì)的島生長(zhǎng)方式，在清潔的Si(100)表面上生長(zhǎng)硅。
圖17(c)和(d)為示意圖，圖17為各種退火步驟之后表面的填充狀態(tài)的STM圖像。甚至315、345、350以及400℃的退火之后‘島’結(jié)構(gòu)還保留。
然而，在401℃進(jìn)一步退火55秒鐘之后，表面形貌變化。島被平坦并且具有伸長(zhǎng)的二聚物列結(jié)構(gòu)。二聚物列顯示出與單遺失二聚物缺陷類似的暗區(qū)。這些暗結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為仍吸附在Si表面上的單氫化物。在456℃下退火5秒鐘的下一步驟之后，表面顯示出低密度的暗結(jié)構(gòu)，表明退火期間發(fā)生了氫解吸附。在表面減少的氫密度允許較高的Si擴(kuò)散率，由此改變了表面形貌。在508℃下退火5秒鐘之后，重新排列Si原子以形成階地。然而，在階地上出現(xiàn)小Si島和孔以及反相疇界和高密度的遺失二聚物缺陷。在507、561以及560℃進(jìn)一步退火之后，Si階地示出了高密度的遺失二聚物缺陷，該缺陷與積極有利的缺陷列對(duì)準(zhǔn)。缺陷密度顯著高于生長(zhǎng)之前初始清潔表面上的缺陷密度，并且高于生長(zhǎng)之后在清潔的Si表面生長(zhǎng)和退火之后的缺陷密度。為了重新排列Si原子以在生長(zhǎng)之后形成階地表面，需要在561℃退火5秒鐘的步驟。這比清潔的Si表面上生長(zhǎng)溫度高約100℃，其中階地結(jié)構(gòu)已在456℃的溫度形成(參見圖16)。STM圖像的尺寸為50×50nm2。
圖18(a)示出了圖16(沒有H)和圖17(具有H)中顯示的STM圖像的RMS(平方根)Si表面粗糙度。對(duì)于低于約500℃以下的退火溫度，與清潔的沒有H端接的表面相比，在H端接表面上的生長(zhǎng)導(dǎo)致較高的表面粗糙度。在低于約400℃的溫度退火樣品沒有顯著改變表面粗糙度。樣品示出了與在約550℃和更高的退火溫度下清潔的Si表面(閃蒸之后)的粗糙度相比的表面粗糙度。
眼睛可以看到(guide)線。
圖18(b)示出了分別在清潔的和氫端接的Si(100)表面上生長(zhǎng)的、STM圖像確定的遺失二聚物缺陷密度。對(duì)于相等的熱預(yù)算，即在250℃生長(zhǎng)和隨后的退火步驟，Si表面顯示在氫端接表面上250℃生長(zhǎng)之后的缺陷密度顯著高于在清潔的Si表面上生長(zhǎng)之后的缺陷密度。較高缺陷密度的主要原因看起來是由于清潔的Si表面上250℃下與層挨層生長(zhǎng)相對(duì)的島生長(zhǎng)方式。島的初始高密度的變粗糙工藝導(dǎo)致在階地中形成反相疇界和空位區(qū)。然而，與閃蒸之后清潔的Si表面相比，這兩種樣品甚至在高于600℃退火1分鐘之后顯示出更高的缺陷密度。眼睛可以看到線。
這些結(jié)果表明要得到平滑的層，最好是首先除去氫。這樣得到較好的原子級(jí)平坦度以及減少缺陷數(shù)量。
摻雜表面上生長(zhǎng)硅圖2(f)和(h)(RT生長(zhǎng)和快速退火)圖19～21示出了在硅密封和隨后的退火步驟期間，不同的生長(zhǎng)溫度對(duì)隔離和將P原子擴(kuò)散到表面的影響。
圖19示出了室溫密封磷摻雜的表面以及隨后退火。
圖19(ai)為示意圖，圖19(aii)為清潔的Si(100)2×1重新構(gòu)成表面的填充狀態(tài)的STM圖像。
圖19(bi)為示意圖，圖19(bii)為在1×109mbar的室壓力下磷化氫飽和摻雜15min并退火至600℃將磷原子引入以及解吸附氫之后，表面的填充狀態(tài)的STM圖像。
圖19(ci)為示意圖，圖19(cii)為在室溫(RT)外延生長(zhǎng)5單層(ML)的硅之后的表面的填充狀態(tài)的STM圖像。
圖19(di)為示意圖，圖19(dii)、(diii)、(div)以及(dv)為分別在325℃、450℃、600℃以及750℃退火樣品1分鐘之后的表面的填充狀態(tài)的STM圖像。外延生長(zhǎng)之后的表面用3D硅島覆蓋，并在隨后的退火步驟期間平坦化。在325℃～600℃的退火步驟示出了表面上亮曲折特征的密度增加。這些特征與Si(100)表面的Si-P異質(zhì)二聚物有關(guān)，并顯示出由于來自外延生長(zhǎng)的硅層下面的重?fù)诫s磷層的這些原子擴(kuò)散，造成表面處磷原子密度增加。
圖19(ei)為示意圖，圖19(eii)為在900℃退火樣品1分鐘之后表面的填充狀態(tài)的STM圖像。該最終退火步驟之后，解吸附表面的磷原子之后修復(fù)了初始的清潔硅表面。
圖20示出了在260℃密封摻雜磷的表面并隨后退火。
圖20(ai)為示意圖，圖20(aii)為清潔的Si(100)2×1重新構(gòu)成表面的填充狀態(tài)的STM圖像。
圖20(bi)為示意圖，圖20(bii)為在室溫下?lián)诫s磷化氫，并在600℃進(jìn)行退火60s將磷原子引入到Si表面內(nèi)作為Si-P異質(zhì)二聚物之后，表面的填充狀態(tài)的STM圖像。Si-P異質(zhì)二聚物表現(xiàn)為沿二聚物列亮的曲折特征。
圖20(ci)為示意圖，圖20(cii)為在260℃生長(zhǎng)5單層(ML)之后的硅的表面的填充狀態(tài)的STM圖像。
圖20(di)為示意圖，圖20(dii)、(diii)、(div)、(dv)以及(dvi)和(dvii)為分別在350℃、399℃、454℃、500℃、552℃以及609℃退火樣品5秒鐘之后的表面的填充狀態(tài)的STM圖像。生長(zhǎng)之后的表面顯示出單二聚物列和伸長(zhǎng)的二聚物列島以及二聚物列中低密度的亮曲折特征。這些曲折特征被識(shí)別為Si-P異質(zhì)二聚物。隨著退火溫度的增加，亮曲折特征的密度增加。與清潔Si(100)表面上的生長(zhǎng)和退火(圖16)類似，退火也改變了表面形貌。然而在454℃退火5秒鐘之后，階地結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)，甚至在500℃退火之后，小島仍然出現(xiàn)在表面上。
圖19和20首次示出使用STM圖像直接地測(cè)量摻雜劑隔離和擴(kuò)散。
圖21示出了相對(duì)于摻雜磷化氫和引入P之后的初始磷密度，分別在室溫(RT)和260℃Si外延過生長(zhǎng)和退火之后，在Si表面中的磷原子密度的曲線圖。從圖20中顯示的STM圖像，分析在260℃生長(zhǎng)和退火之后P原子的密度。對(duì)于每個(gè)退火步驟，與RT相比，表面中的P原子密度在260℃生長(zhǎng)時(shí)密度顯著更高，這是由于生長(zhǎng)期間的P隔離。由此可以推斷與升高溫度生長(zhǎng)和退火相比，室溫生長(zhǎng)硅并隨后退火導(dǎo)致較少的隔離和P原子擴(kuò)散到表面。
硅生長(zhǎng)和每個(gè)退火步驟之后進(jìn)行的磷原子密度的俄歇電子波譜測(cè)量與STM圖像的分析一致。
磷δ摻雜為了用硅確定外延過生長(zhǎng)的磷原子的電活性，生長(zhǎng)磷δ摻雜層并制成Vander Pauw器件結(jié)構(gòu)，參見圖23(a)。對(duì)于這種器件的制造步驟在圖22中簡(jiǎn)述。
圖22(ai)為示意圖，圖22(aii)示出了清潔(100)2×1硅表面的STM圖像。
圖22(bi)為示意圖，圖22(bii)為在室溫下飽和摻雜磷化氫的STM圖像和放大圖。
圖22(ci)為示意圖，圖22(cii)為在550℃退火將磷原子引入表面內(nèi)作為P-Si二聚物之后的表面的STM圖像。
圖22(di)為示意圖，圖22(dii)為示出了在250℃外延生長(zhǎng)24nm硅之后表面的STM圖像。
圖23(a)為在Van der Pauw器件結(jié)構(gòu)中形成歐姆接觸之后所得器件。圖23(b)示出了表面電阻率，ρxx為在4K的樣品溫度下磁場(chǎng)B的函數(shù)。所得數(shù)據(jù)顯示在B＝0處有尖峰，電子的弱局限性。要消除弱局限性，校準(zhǔn)和計(jì)算霍耳斜率(圖23(c))允許我們估算2D層的遷移率為130.3cm2V-1Vs-1。
圖23(c)示出了具有2.0×1014cm-2的載流子密度的磷δ摻雜層的霍耳電阻率。該密度與2D摻雜劑密度完全吻合，表明引入硅晶體內(nèi)的所有磷摻雜劑都在測(cè)量誤差內(nèi)電激活。由于它顯示出使用該工藝引入的磷原子將以這些高摻雜密度電激活，所以對(duì)于制造電子器件結(jié)構(gòu)來說，這是重要的結(jié)果。
為了確定δ摻雜層內(nèi)P原子的局限程度，我們對(duì)δ摻雜的樣品進(jìn)行了二次離子質(zhì)量光譜測(cè)定(SIMS)測(cè)量。圖24示出了使用ATOMIKA系統(tǒng)中5.5keV的Cs+初級(jí)離子通過SIMS確定硅中磷δ摻雜層的質(zhì)量31深度輪廓。質(zhì)量31信號(hào)涉及30SiH和32P作為ATOMIKA系統(tǒng)的質(zhì)量識(shí)別，不足以區(qū)分30SiH和32P之間的小質(zhì)量差異。然而，使用CAMECA系統(tǒng)(圖24中插入)通過比較該測(cè)量值與高質(zhì)量分辨率的SIMS測(cè)量，我們能清除地識(shí)別出表面附近的尖峰作為由于表面處吸附的氫造成的30SiH尖峰以及～24nm的深度作為磷尖峰。該磷尖峰位于硅外延層和硅襯底之間的界面處，顯示～24nm的外延層厚度。由于測(cè)量偽跡(artefact)磷信號(hào)朝襯底緩慢降低，稱做離子束混合。這意味著被Cs+初級(jí)離子擊中的硅基質(zhì)中的磷原子進(jìn)一步被推入硅晶片內(nèi)，由此使磷尖峰變寬。由于離子束混合，磷尖峰的半峰全寬(FWHM)隨著初級(jí)離子的能量增加。我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于2keV的初級(jí)離子能量～5nm的最小的半峰全寬度(這里未示出)。考慮離子束混合，磷δ摻雜層的寬度為＜5nm。
最后，重要的是這里展示的制造措施也可以直接應(yīng)用于其它的硅基量子計(jì)算機(jī)構(gòu)造1。
本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該理解可以對(duì)具體實(shí)施例中示出的本發(fā)明進(jìn)行多種變化和/或修改，同時(shí)不脫離廣義介紹的本發(fā)明的精神和范圍。因此本發(fā)明為示例性的，而不是限定性的。
權(quán)利要求
1.一種納米級(jí)產(chǎn)品，作為用于制造如量子計(jì)算機(jī)的原子級(jí)器件的工藝的中間產(chǎn)品，該納米級(jí)產(chǎn)品包括硅晶體，其中施主原子代替在晶體表面中的硅原子，形成彼此間隔100nm或更小的施主原子陣列，并且施主原子是電激活的。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的納米級(jí)產(chǎn)品，其中硅表面為(100)晶向表面，該晶向表面具有帶σ-鍵的硅二聚物的列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)，并且施主原子代替表面中的硅原子，形成施主-硅異質(zhì)二聚物。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2的納米級(jí)產(chǎn)品，其中施主為磷。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3的納米級(jí)產(chǎn)品，其中施主原子彼此間隔50nm或更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3的納米級(jí)產(chǎn)品，其中施主原子彼此間隔20nm或更小。
6.一種納米級(jí)產(chǎn)品，作為用于制造如量子計(jì)算機(jī)的原子級(jí)器件的工藝的中間產(chǎn)品，該納米級(jí)產(chǎn)品包括硅晶體，在晶體中密封有代替硅原子的施主原子層，其中基本上所有的施主原子電激活。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6的納米級(jí)產(chǎn)品，其中在施主原子層上外延生長(zhǎng)密封層。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6或7的納米級(jí)產(chǎn)品，其中密封層深為5～50nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求
6、7或8的納米級(jí)產(chǎn)品，其中硅表面為(100)晶向的表面，并且施主原子代替硅原子形成施主-硅異質(zhì)二聚物。
10.根據(jù)權(quán)利要求
6～9中任意一個(gè)的納米級(jí)產(chǎn)品，其中施主為磷。
11.根據(jù)權(quán)利要求
6～10中任意一個(gè)的納米級(jí)產(chǎn)品，其中施主原子放在陣列中。
12.一種納米級(jí)或原子級(jí)產(chǎn)品的制造方法，包括如下步驟(a)準(zhǔn)備清潔的硅晶體表面；(b)用原子氫鈍化表面；(c)用STM端頭從鈍化的表面選擇性地解吸附單個(gè)氫原子，在氫層中形成暴露區(qū)域的圖形，其中各區(qū)域彼此間隔100nm或更?。?d)將構(gòu)圖的表面暴露在施主分子下，在暴露的區(qū)域中產(chǎn)生包含分子的單個(gè)施主原子的陣列；(e)在大約300℃～大約650℃之間的溫度下退火形成陣列的表面，將電激活的施主原子引入到硅中。
13.根據(jù)權(quán)利要求
12的方法，其中溫度范圍為300℃～530℃之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13的方法，其中溫度范圍為350℃～530℃之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求
13或14的方法，其中用電子束解吸附氫。
16.根據(jù)權(quán)利要求
15的方法，其中由STM或掃描電子顯微鏡(SEM)產(chǎn)生電子束。
17.根據(jù)權(quán)利要求
13或14的方法，其中用紫外(UV)光解吸附氫。
18.根據(jù)權(quán)利要求
12～17中任意一個(gè)的方法，還包括使用STM觀察在硅表面的施主原子的步驟，確定施主原子位于硅中替代的晶格位置中，并且因此電激活該硅。
19.根據(jù)權(quán)利要求
12～18中任意一個(gè)的方法，其中硅表面是(100)晶向表面，具有帶σ鍵的硅二聚物的列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)，并且施主原子代替表面中的硅原子形成施主-硅異質(zhì)二聚物。
20.根據(jù)權(quán)利要求
12到19中任意一個(gè)的方法，其中施主為磷。
21.根據(jù)權(quán)利要求
12到20中任意一個(gè)的方法，其中施主原子間隔50nm或更小。
22.根據(jù)權(quán)利要求
12到20中任意一個(gè)的方法，其中施主原子間隔20nm或更小。
23.一種制造納米級(jí)或原子級(jí)產(chǎn)品的方法，包括如下步驟(a)準(zhǔn)備清潔的硅晶體表面；(b)用原子氫鈍化表面；(c)將施主原子插入到光刻限定的區(qū)域中的硅內(nèi)，在該區(qū)域中使用STM端頭解吸附氫層；(d)通過在大約500℃到大約650℃之間閃蒸表面，或者使用電子束或使用紫外(UV)光，從摻雜的表面解吸附鈍化的氫原子；(e)在大約0℃到大約400℃之間生長(zhǎng)硅，防止施主原子擴(kuò)散并密封表面中電激活的施主原子。
24.根據(jù)權(quán)利要求
23的方法，其中在步驟(e)中硅的生長(zhǎng)發(fā)生在0℃和250℃之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求
24的方法，其中在步驟(e)中硅的生長(zhǎng)發(fā)生在室溫。
26.根據(jù)權(quán)利要求
23、24或25的方法，其中還包括熱退火表面以便它變得原子級(jí)光滑的步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求
23～26中任意一個(gè)的方法，其中硅表面是(100)晶向表面，具有帶σ鍵的硅二聚物的列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)，并且施主原子代替表面中的硅原子形成施主-硅異質(zhì)二聚物。
28.根據(jù)權(quán)利要求
23～27中任意一個(gè)的方法，其中施主是磷，并且磷原子彼此間隔100nm或更小。
29.根據(jù)權(quán)利要求
23～28中任意一個(gè)的方法，其中施主原子彼此間隔50nm或更小。
30.根據(jù)權(quán)利要求
23～29中任意一個(gè)的方法，其中施主原子彼此間隔20nm或更小。
31.一種制造納米級(jí)或原子級(jí)產(chǎn)品的方法，包括如下步驟(a)準(zhǔn)備清潔的硅晶體表面；(b)將表面暴露在施主分子下，施主分子吸附到硅表面上；(c)在大約300℃和大約650℃之間退火具有陣列的表面，將電激活的施主原子引入到硅內(nèi)；(d)使用STM觀察硅表面上的施主原子，確認(rèn)施主原子位于硅中的替代的晶格位置中，并且因此施主原子被電激活。
32.根據(jù)權(quán)利要求
31的方法，其中溫度范圍在300℃到530℃之間。
33.根據(jù)權(quán)利要求
31的方法，其中溫度范圍在350℃到530℃之間。
34.根據(jù)權(quán)利要求
32或33的方法，其中用電子束解吸附氫。
35.根據(jù)權(quán)利要求
34的方法，其中由STM或SEM產(chǎn)生低能量電子束。
36.根據(jù)權(quán)利要求
32或33的方法，其中用紫外(UV)光解吸附氫。
37.根據(jù)權(quán)利要求
31的方法，其中溫度范圍在530℃和650℃之間，在一個(gè)步驟中既引入施主原子又解吸附氫。
38.根據(jù)權(quán)利要求
31～27中任意一個(gè)的方法，還包括在約0℃和400℃之間在表面上生長(zhǎng)硅的步驟。
39.根據(jù)權(quán)利要求
38的方法，其中溫度為0℃和250℃之間。
40.根據(jù)權(quán)利要求
39的方法，其中溫度為室溫。
41.根據(jù)權(quán)利要求
31～40中任意一個(gè)的方法，還包括熱退火表面使表面變得原子級(jí)光滑的步驟。
42.根據(jù)權(quán)利要求
31～41中任意一個(gè)的方法，其中硅表面是(100)晶向表面，具有帶σ鍵的硅二聚物的列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)，并且施主原子代替表面中的硅原子形成施主-硅異質(zhì)二聚物。
43.根據(jù)權(quán)利要求
31～42中任意一個(gè)的方法，其中施主是磷，并且施主原子間隔100nm或更小。
44.根據(jù)權(quán)利要求
31～43中任意一個(gè)的方法，其中施主原子間隔50nm或更小。
45.根據(jù)權(quán)利要求
31～44中任意一個(gè)的方法，其中施主原子間隔20nm或更小。
46.一種制造納米級(jí)或原子級(jí)產(chǎn)品的方法，包括如下步驟(a)準(zhǔn)備清潔的硅晶體表面；(b)將表面暴露在施主分子中，施主分子吸附到硅表面上，形成摻雜層；(c)在大約300℃和大約650℃之間退火表面，將施主原子引入到硅表面；(d)在大約0℃和大約400℃之間在表面上生長(zhǎng)硅，以防止施主原子擴(kuò)散，并密封表面中的電激活的施主原子；(e)測(cè)量摻雜層的電活性。
47.根據(jù)權(quán)利要求
46的方法，其中退火步驟的溫度范圍在300℃和530℃之間。
48.根據(jù)權(quán)利要求
47的方法，其中溫度范圍在350℃和530℃之間。
49.根據(jù)權(quán)利要求
47或48的方法，其中用電子束解吸附氫。
50.根據(jù)權(quán)利要求
49的方法，其中由STM或SEM產(chǎn)生電子束。
51.根據(jù)權(quán)利要求
47或48的方法，其中用紫外(UV)光解吸附氫。
52.根據(jù)權(quán)利要求
46的方法，其中溫度范圍在530℃和650℃之間，在一個(gè)步驟中引入施主原子和解吸附氫.
53.根據(jù)權(quán)利要求
46的方法，其中生長(zhǎng)步驟所用溫度為0℃和250℃之間。
54.根據(jù)權(quán)利要求
53的方法，其中溫度為室溫。
55.根據(jù)權(quán)利要求
46～54中任意一個(gè)的方法，其中硅是具有帶σ鍵的硅二聚物的列的2×1晶胞表面結(jié)構(gòu)的(100)或(001)，并且施主原子代替表面中的硅原子形成施主-硅異質(zhì)二聚物。
56.根據(jù)權(quán)利要求
46～55中任意一個(gè)的方法，其中施主是磷。
57.根據(jù)權(quán)利要求
46～56中任意一個(gè)的方法，其中施主原子間隔50nm或更小。
58.根據(jù)權(quán)利要求
46～57中任意一個(gè)的方法，其中施主原子間隔20nm或更小。
59.一種根據(jù)權(quán)利要求
12～58中的任意一個(gè)制造的量子計(jì)算機(jī)。
專利摘要
通過退火或熱處理將電激活的施主原子的構(gòu)圖層引入到硅晶體的表面中。通過外延生長(zhǎng)硅來壓縮構(gòu)圖層。構(gòu)圖層包括磷原子，并通過將選擇性解吸附氫鈍化層暴露在磷化氫氣體中形成。用掃描隧道顯微鏡觀察施主原子，并測(cè)量其電活性。在固態(tài)量子計(jì)算機(jī)中施主原子可以用作量子位(qubits)。
文檔編號(hào)G01Q60/00GKCN1545485SQ02816394
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2002年8月20日
發(fā)明者羅伯特·格雷姆·克拉克, 羅伯特 格雷姆 克拉克, 喬納森 柯森, 尼爾·喬納森·柯森, 哈勒姆, 托比·哈勒姆, 奧伯貝克, 拉斯·奧伯貝克, 里查德 斯科菲爾德, 史蒂夫·里查德·斯科菲爾德, 尤文 西蒙斯, 米切爾·尤文·西蒙斯 申請(qǐng)人:尤尼瑟馳有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan