Niobium nitride (NbN) is a metallic superconductor that is widely used for superconducting electronics due to its high transition temperature ( T c) and kinetic inductance. Processing-induced damage negatively affects the performance of these devices by increasing the microwave surface loss. Atomic layer etching (ALE), with its ability to etch with angstrom-scale control and low damage, has the potential to address these issues, but no ALE process is known for NbN. Here, we report such a process consisting of sequential exposures of O2 plasma and H2/SF6 plasma. Exposure to O2 plasma rather than O2 gas yields a greater fraction of Nb in the +5 oxidation state, which is then volatilized by NbF5 formation with exposure to an H2/SF6 plasma. The SF6:H2 flow rate ratio is chosen to produce selective etching of Nb2O5 over NbN, enabling self-limiting etching within a cycle. An etch rate of 1.77 Å/cycle was measured at 125  °C using ex situ ellipsometry. The T c of the ALE-treated film is higher than that of a reactive ion etching-treated film of similar thickness, highlighting the low-damage nature of the process. These findings have relevance for applications of NbN in single-photon detectors and superconducting microresonators.

1.
Y. M.
Shy
,
L. E.
Toth
, and
R.
Somasundaram
,
J. Appl. Phys.
44
,
5539
(
1973
).
2.
S.
Frasca
et al.,
Phys. Rev. Appl.
20
,
044021
(
2023
).
3.
A.
Anferov
,
A.
Suleymanzade
,
A.
Oriani
,
J.
Simon
, and
D. I.
Schuster
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
024056
(
2020
).
4.
V.
Anant
,
A. J.
Kerman
,
E. A.
Dauler
,
J. K. W.
Yang
,
K. M.
Rosfjord
, and
K. K.
Berggren
,
Opt. Express
16
,
10750
(
2008
).
5.
A.
Verevkin
et al.,
Appl. Phys. Lett.
80
,
4687
(
2002
).
6.
S.
Ariyoshi
et al.,
Appl. Phys. Express
6
,
064103
(
2013
).
7.
G. N.
Gol’tsman
et al.,
Appl. Phys. Lett.
79
,
705
(
2001
).
8.
S.
Kim
,
H.
Terai
,
T.
Yamashita
,
W.
Qiu
,
T.
Fuse
,
F.
Yoshihara
,
S.
Ashhab
,
K.
Inomata
, and
K.
Semba
,
Commun. Mater.
2
,
1
(
2021
).
9.
J. W.
Kooi
,
J. J. A.
Baselmans
,
M.
Hajenius
,
J. R.
Gao
,
T. M.
Klapwijk
,
P.
Dieleman
,
A.
Baryshev
, and
G.
de Lange
,
J. Appl. Phys.
101
,
044511
(
2007
).
10.
N. N.
Iosad
,
V. V.
Roddatis
,
S. N.
Polyakov
,
A. V.
Varlashkin
,
B. D.
Jackson
, and
P. N.
Dmitriev
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
11
,
3832
(
2001
).
11.
A. J.
Annunziata
,
D. F.
Santavicca
,
L.
Frunzio
,
G.
Catelani
,
M. J.
Rooks
,
A.
Frydman
, and
D. E.
Prober
,
Nanotechnology
21
,
445202
(
2010
).
12.
J. J. A.
Baselmans
,
F.
Facchin
,
A. P.
Laguna
,
J.
Bueno
,
D. J.
Thoen
,
V.
Murugesan
,
N.
Llombart
, and
P. J.
de Visser
,
Astron. Astrophys.
665
,
A17
(
2022
).
13.
B. A.
Mazin
, arXiv:2004.14576 (2020).
15.
I.
Esmaeil Zadeh
et al.,
ACS Photon.
7
,
1780
(
2020
).
16.
F. W.
Carter
,
T.
Khaire
,
C.
Chang
, and
V.
Novosad
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
092602
(
2019
).
17.
W.
Zhang
,
Q.
Jia
,
L.
You
,
X.
Ou
,
H.
Huang
,
L.
Zhang
,
H.
Li
,
Z.
Wang
, and
X.
Xie
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
044040
(
2019
).
18.
W.
Zhang
et al.,
Sci. China Phys. Mech. Astron.
60
,
1
(
2017
).
19.
R.
Barends
,
H. L.
Hortensius
,
T.
Zijlstra
,
J. J. A.
Baselmans
,
S. J. C.
Yates
,
J. R.
Gao
, and
T. M.
Klapwijk
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
223502
(
2008
).
20.
J.
Gao
,
M.
Daal
,
A.
Vayonakis
,
S.
Kumar
,
J.
Zmuidzinas
,
B.
Sadoulet
,
B. A.
Mazin
,
P. K.
Day
, and
H. G.
Leduc
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
152505
(
2008
).
21.
A. J.
Kerman
,
E. A.
Dauler
,
J. K. W.
Yang
,
K. M.
Rosfjord
,
V.
Anant
,
K. K.
Berggren
,
G. N.
Gol’tsman
, and
B. M.
Voronov
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
101110
(
2007
).
22.
S.
Frasca
et al.,
Phys. Rev. B
100
,
054520
(
2019
).
24.
T.
Lill
,
K. J.
Kanarik
,
S.
Tan
,
M.
Shen
,
E.
Hudson
,
Y.
Pan
,
J.
Marks
,
V.
Vahedi
, and
R. A.
Gottscho
, in Encyclopedia of Plasma Technology (CRC, Boca Raton, FL, 2016), pp. 133–142.
25.
K. J.
Kanarik
,
S.
Tan
, and
R. A.
Gottscho
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
4814
(
2018
).
26.
K. J.
Kanarik
,
T.
Lill
,
E. A.
Hudson
,
S.
Sriraman
,
S.
Tan
,
J.
Marks
,
V.
Vahedi
, and
R. A.
Gottscho
,
J. Vac. Sci. Technol. A
33
,
020802
(
2015
).
27.
G. S.
Oehrlein
,
D.
Metzler
, and
C.
Li
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
4
,
N5041
(
2015
).
28.
H.
Sakaue
,
S.
Iseda
,
K.
Asami
,
J.
Yamamoto
,
M.
Hirose
, and
Y.
Horiike
,
Jpn. J. Appl. Phys.
29
,
2648
(
1990
).
29.
K. K.
Ko
and
S. W.
Pang
,
J. Vac. Sci. Technol. B
11
,
2275
(
1993
).
31.
S. M.
George
and
Y.
Lee
,
ACS Nano
2016
,
5
(
2016
).
32.
N. J.
Chittock
,
Y.
Shu
,
S. D.
Elliott
,
H. C. M.
Knoops
,
W. M. M.
Kessels (Erwin)
, and
A. J. M.
Mackus
,
J. Appl. Phys.
134
,
075302
(
2023
).
33.
D. S.
Catherall
,
A. A.
Hossain
,
A. J.
Ardizzi
, and
A. J.
Minnich
,
J. Vac. Sci. Technol. A
42
,
052605
(
2024
).
34.
H.
Wang
,
A.
Hossain
,
D.
Catherall
, and
A. J.
Minnich
,
J. Vac. Sci. Technol. A
41
,
032606
(
2023
).
35.
I. I.
Chen
et al.,
J. Vac. Sci. Technol. A
42
,
062603
(
2024
).
36.
Y.
Lee
,
J. W.
DuMont
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
27
,
3648
(
2015
).
37.
J. W.
DuMont
,
A. E.
Marquardt
,
A. M.
Cano
, and
S. M.
George
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
10296
(
2017
).
38.
S. D.
Park
,
C. K.
Oh
,
J. W.
Bae
,
G. Y.
Yeom
,
T. W.
Kim
,
J. I.
Song
, and
J. H.
Jang
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
043109
(
2006
).
39.
Y.
Aoyagi
,
K.
Shinmura
,
K.
Kawasaki
,
T.
Tanaka
,
K.
Gamo
,
S.
Namba
, and
I.
Nakamoto
,
Appl. Phys. Lett.
60
,
968
(
1992
).
40.
E.
Mohimi
,
X. I.
Chu
,
B. B.
Trinh
,
S.
Babar
,
G. S.
Girolami
, and
J. R.
Abelson
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
7
,
P491
(
2018
).
41.
R.
Sheil
,
J. M. P.
Martirez
,
X.
Sang
,
E. A.
Carter
, and
J. P.
Chang
,
J. Phys. Chem. C
125
,
1819
(
2021
).
42.
N. R.
Johnson
and
S. M.
George
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
34435
(
2017
).
43.
W.
Xie
,
P. C.
Lemaire
, and
G. N.
Parsons
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
9147
(
2018
).
44.
X.
Sang
,
Y.
Xia
,
P.
Sautet
, and
J. P.
Chang
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
043005
(
2020
).
45.
A.
Fischer
,
A.
Routzahn
,
S. M.
George
, and
T.
Lill
,
J. Vac. Sci. Technol. A
39
,
030801
(
2021
).
46.
M. D.
Piña
,
M. P.
Whalen
,
J. Q.
Xiao
, and
A. V.
Teplyakov
,
Chem. Mater.
36
,
8056
(
2024
).
47.
K. J.
Kanarik
et al.,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
05C302
(
2017
).
48.
S. H.
Gerritsen
,
N. J.
Chittock
,
V.
Vandalon
,
M. A.
Verheijen
,
H. C. M.
Knoops
,
W. M. M.
Kessels
, and
A. J. M.
Mackus
,
ACS Appl. Nano Mater.
5
,
18116
(
2022
).
49.
A. A.
Hossain
,
H.
Wang
,
D. S.
Catherall
,
M.
Leung
,
H. C. M.
Knoops
,
J. R.
Renzas
, and
A. J.
Minnich
,
J. Vac. Sci. Technol. A
41
,
062601
(
2023
).
50.
Y.
Lee
and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
29
,
8202
(
2017
).
51.
J. L.
van Hemmen
,
S. B. S.
Heil
,
J. H.
Klootwijk
,
F.
Roozeboom
,
C. J.
Hodson
,
M. C. M.
van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
J. Electrochem. Soc.
154
,
G165
(
2007
).
52.
O.
Medeiros
,
M.
Colangelo
,
I.
Charaev
, and
K. K.
Berggren
,
J. Vac. Sci. Technol. A
37
,
041501
(
2019
).
53.
T. D. B.
Jacobs
,
T.
Junge
, and
L.
Pastewka
,
Surf. Topogr. Metrol. Prop.
5
,
013001
(
2017
).
54.
Z.
Yang
,
X.
Lu
,
W.
Tan
,
J.
Zhao
,
D.
Yang
,
Y.
Yang
,
Y.
He
, and
K.
Zhou
,
Appl. Surf. Sci.
439
,
1119
(
2018
).
55.
A. V.
Lubenchenko
,
A. A.
Batrakov
,
I. V.
Shurkaeva
,
A. B.
Pavolotsky
,
S.
Krause
,
D. A.
Ivanov
, and
O. I.
Lubenchenko
,
J. Surf. Invest.
12
,
692
(
2018
).
56.
A.
Darlinski
and
J.
Halbritter
,
Surf. Interface Anal.
10
,
223
(
1987
).
57.
G.
Jouve
,
C.
Séverac
, and
S.
Cantacuzène
,
Thin Solid Films
287
,
146
(
1996
).
58.
A. E.
Dane
,
A. N.
McCaughan
,
D.
Zhu
,
Q.
Zhao
,
C.-S.
Kim
,
N.
Calandri
,
A.
Agarwal
,
F.
Bellei
, and
K. K.
Berggren
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
122601
(
2017
).
59.
I. A.
Stepanov
et al.,
APL Mater.
12
,
021127
(
2024
).
60.
N. N.
Greenwood
and
A.
Earnshaw
,
Chemistry of the Elements
(
Butterworth-Heinemann
,
Oxford, England, UK
,
1997
).
61.
F.
Fairbrother
and
W. C.
Frith
,
J. Chem. Soc.
3051
(
1951
).
62.
P.
Ehrlich
,
F.
Plöger
, and
G.
Pietzka
,
Z. Anorg. Allg. Chem.
282
,
19
(
1955
).
63.
F. P.
Gortsema
and
R.
Didchenko
,
Inorg. Chem.
4
,
182
(
1965
).
64.
T. C.
Dias
,
C.
Fromentin
,
L. L.
Alves
,
A.
Tejero-del Caz
,
T.
Silva
, and
V.
Guerra
,
Plasma Sources Sci. Technol.
32
,
084003
(
2023
).
65.
Z.
Zhang
et al.,
Appl. Surf. Sci.
475
,
143
(
2019
).
66.
B.
Giaccone
,
M.
Martinello
, and
J.
Zasadzinski
,
Study of the Niobium Oxide Structure and Microscopic Effect of Plasma Processing on the Niobium Surface
(
JACOW
,
Geneva, Switzerland
,
2022
).
67.
Z. P.
Hu
,
Y. P.
Li
,
M. R.
Ji
, and
J. X.
Wu
,
Solid State Commun.
71
,
849
(
1989
).
68.
T.
Harada
,
K.
Gamo
, and
S.
Namba
,
Jpn. J. Appl. Phys.
20
,
259
(
1981
).
69.
M.
Obara
and
T.
Fujioka
,
Jpn. J. Appl. Phys.
13
,
675
(
1974
).
70.
J. J.
Hinchen
and
C. M.
Banas
,
Appl. Phys. Lett.
17
,
386
(
1970
).
71.
D. M.
Neumark
,
A. M.
Wodtke
,
G. N.
Robinson
,
C. C.
Hayden
, and
Y. T.
Lee
,
J. Chem. Phys.
82
,
3045
(
1985
).
72.
P. A.
Pankratiev
,
Y. V.
Barsukov
,
A. A.
Kobelev
,
A. Y.
Vinogradov
,
I. V.
Miroshnikov
, and
A. S.
Smirnov
,
J. Phys. Conf. Ser.
1697
,
012222
(
2020
).
73.
V.
Volynets
,
Y.
Barsukov
,
G.
Kim
,
J.-E.
Jung
,
S. K.
Nam
,
K.
Han
,
S.
Huang
, and
M. J.
Kushner
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
023007
(
2020
).
74.
J.-E.
Jung
,
Y.
Barsukov
,
V.
Volynets
,
G.
Kim
,
S. K.
Nam
,
K.
Han
,
S.
Huang
, and
M. J.
Kushner
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
023008
(
2020
).
75.
H. S.
Gil
,
D. S.
Kim
,
Y. J.
Jang
,
D. W.
Kim
,
H. I.
Kwon
,
G. C.
Kim
,
D. W.
Kim
, and
G. Y.
Yeom
,
Sci. Rep.
13
,
1
(
2023
).
76.
A.
Prudnikava
,
Y.
Tamashevich
,
A.
Makarova
,
D.
Smirnov
, and
J.
Knobloch
,
Supercond. Sci. Technol.
37
,
075007
(
2024
).
77.
J.
Hennessy
,
C. S.
Moore
,
K.
Balasubramanian
,
A. D.
Jewell
,
K.
France
, and
S.
Nikzad
,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
041512
(
2017
).
78.
D.
Metzler
,
C.
Li
,
C. S.
Lai
,
E. A.
Hudson
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
254006
(
2017
).
79.
A.
Fischer
,
R.
Janek
,
J.
Boniface
,
T.
Lill
,
K. J.
Kanarik
,
Y.
Pan
,
V.
Vahedi
, and
R. A.
Gottscho
,
Proc. SPIE
10149
,
101490H
(
2017
).
80.
R.
Cheng
,
S.
Wang
, and
H. X.
Tang
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
241101
(
2019
).
81.
M. D.
Malev
and
D. C.
Weisser
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A
364
,
409
(
1995
).
82.
M.
Manzo-Perez
,
M.
Jamalzadeh
,
Z.
Huang
,
X.
Tong
,
K.
Kisslinger
,
D.
Nykypanchuk
, and
D.
Shahrjerdi
,
Appl. Phys. Lett.
125
,
112602
(
2024
).
83.
Y.
Ivry
,
C.-S.
Kim
,
A. E.
Dane
,
D.
De Fazio
,
A. N.
McCaughan
,
K. A.
Sunter
,
Q.
Zhao
, and
K. K.
Berggren
,
Phys. Rev. B
90
,
214515
(
2014
).
84.
N.
Miyoshi
,
N.
McDowell
, and
H.
Kobayashi
,
J. Vac. Sci. Technol. A
40
,
032601
(
2022
).
85.
D.
Shim
,
J.
Kim
,
Y.
Kim
, and
H.
Chae
,
J. Vac. Sci. Technol. B
40
,
022208
(
2022
).
You do not currently have access to this content.