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Silicon to nickel silicide longitudinal nanowire heterostructures [Elektronische Ressource] : synthesis, electrical characterization and novel devices / Walter Michael Weber

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TECHNISCHE UNIVERSITAT MUNCHENLehrstuhl fur NanoelektronikSilicon to Nickel Silicide LongitudinalNanowire Heterostructures:Synthesis, Electrical Characterization andNovel DevicesWalter Michael WeberVollst andiger Abdruck der von der Fakult at fur Elektrotechnik undInformationstechnik der Technischen Universit at Munc hen zur Erlangungdes akademischen Grades einesDoktor-Ingenieursgenehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Ing. Markus-Christian AmannPrufer der Dissertation:1. Univ.-Prof. Dr. Paolo Lugli, Ph.D.2. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Henning RiechertHumboldt-Universit at zu BerlinDie Dissertation wurde am 24.06.2008 bei der Technischen Universit atMunc hen eingereicht und durch die Fakult at fur Elektrotechnik undInformationstechnik am 11.11.2008 angenommen.AbstractThe scope of this thesis is the synthesis and electrical characterization ofSi to Ni silicide nanowire heterostructures with the focus on investigatingtheir electronic transport properties and conceiving a novel type of tran-sistor with added functionality. Nominally intrinsic Si nanowires (SiNW)were grown by chemical vapor deposition employing the vapor-liquid-solidmechanism. Growth was optimized to provide a controllable and uniformSiNW diameter distribution with mean values down to 7 nm. As a rst steptowards vertical monolithic integration, SiNWs were grown on amorphousmetallic layers and guided vertically through high aspect ratio trenches.

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Published 01 January 2008
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Language English
Document size 12 MB

TECHNISCHE UNIVERSITAT MUNCHEN
Lehrstuhl fur Nanoelektronik
Silicon to Nickel Silicide Longitudinal
Nanowire Heterostructures:
Synthesis, Electrical Characterization and
Novel Devices
Walter Michael Weber
Vollst andiger Abdruck der von der Fakult at fur Elektrotechnik und
Informationstechnik der Technischen Universit at Munc hen zur Erlangung
des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Ing. Markus-Christian Amann
Prufer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr. Paolo Lugli, Ph.D.
2. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Henning Riechert
Humboldt-Universit at zu Berlin
Die Dissertation wurde am 24.06.2008 bei der Technischen Universit at
Munc hen eingereicht und durch die Fakult at fur Elektrotechnik und
Informationstechnik am 11.11.2008 angenommen.Abstract
The scope of this thesis is the synthesis and electrical characterization of
Si to Ni silicide nanowire heterostructures with the focus on investigating
their electronic transport properties and conceiving a novel type of tran-
sistor with added functionality. Nominally intrinsic Si nanowires (SiNW)
were grown by chemical vapor deposition employing the vapor-liquid-solid
mechanism. Growth was optimized to provide a controllable and uniform
SiNW diameter distribution with mean values down to 7 nm. As a rst step
towards vertical monolithic integration, SiNWs were grown on amorphous
metallic layers and guided vertically through high aspect ratio trenches. An
innovative approach to transform SiNW segments into metallic Ni silicide
nanowires was developped. Accordingly, Ni silicide intrudes longitudinally
into the SiNWs, resulting in interfaces with a sharpness of at most a cou-
ple of nanometers. By synthesizing Ni silicide/ Si / Ni silicide longitudinal
nanowire heterostructures on top of back gate stacks, Schottky barrier eld
e ect transistors (SBFET) were formed. As the silicide formation advances
from both SiNW ends, the metallurgic gate length (L ) was reduced, e.g.g
from 1 m down to 7 nm. Hundreds of SBFETs based on single nanowire
heterostructures with di erent active region geometries were fabricated and
extensively electrically characterized. Devices built from thin SiNWs (diam-
eters20 nm) exhibited unipolar p-conductance with remarkable electrical
performance: record on-conductances, on/o current ratios and on-current
densities for intrinsic SiNW SBFETs. The e cient gate control is attributed
to the electric eld enhancement at the needle-shaped silicide electrode tips
where the Schottky contacts are located. Measurements indicate that the
gate potential can e ectively tune the Schottky barrier width to control car-
rier injection. The e ect of scaling the active region size in SiNW based de-
vices was systematically studied for the rst time. A gate length dependent
study showed current limitation by the Schottky contacts for devices with
L < 1 m and exponentially decreasing currents forL > 1 m. The scalingg g
behavior of the SiNW diameter revealed the impact of the Schottky contacts
on the electronic transport. As the diameter increases a gradual transition
iii
???iv
from unipolarp-type to ambipolar conduction was observed, approaching the
expected operation of bulk devices. It was proven that the device polarity
is exclusively controlled by the Schottky junctions. This property was used
to develop a novel device concept, where each Schottky contact is indepen-
dently gated. Carrier injection of one type of carrier was stimulated while the
other carrier type was blocked at the other Schottky junction. Consequently,
the same SiNW SBFETs were tuned to enable n-type and p-type opera-
tion, completely avoiding doping. The sharp metallurgical interfaces, thin
Si body, and dopant-free control of polarity are promising attributes which
may principally enable complementary logic at nanoscale gate lengths.Kurzfassung
Im Kern befasst sich diese Dissertation mit der Synthese und der elek-
trischen Charakterisierung von longitudinalen Silizium zu Nickel-Silizid Het-
erostrukturen in Nanodr ahten mit dem prim aren Ziel, die elektronischen
Transportmechanismen darin zu untersuchen und neuartige Bauelemente
daraus zu entwickeln. Nominell intrinsische Si-Nanodr ahte wurden durch
chemische Gasphasenabscheidung mittels einer Gas-Flussigk eit-Festk orper-
Reaktion gewachsen. Die Wachstumsparameter wurden so optimiert, dass
kontrollierbare und gleichm a ige Durchmesserverteilungen der Nanodr ahte
erzielt wurden. Des weiteren wurde zum ersten Mal das senkrechte Nanodraht-
Wachstum auf amorphen metallischen Schichten demonstriert, indem die
Si-Nanodr ahte aus vorprozessierten Gr aben herausgefuhrt wurden. Einen
Hauptteil dieser Arbeit stellt die Entwicklung eines neuartigen Prozesses dar,
der die Umwandlung von longitudinalen halbleitenden Si-Nanodrahtsegmenten
in metallisches einkristallines Ni-Silizid erm oglicht. Die dabei entstehenden
Grenz achen wiesen eine Sch arfe im Nanometerbereich auf. Somit kon-
nten Ni-Silizid / Si / Ni-Silizid Nanodraht-Heterostrukturen erzeugt wer-
den, die zusammen mit einer darunter liegenden Gatter-Anordnung einen
Schottky-Barrieren Feld E ekt Transistor (SBFET) bildeten. Durch das
beidseitige Voranschreiten der Silizid-Bildung im Nanodraht konnte die met-
allurgische Gatter-L ange ( L ) verkurzt werden, beispielsweise von 1 m aufg
7 nm. Hunderte SBFETs mit unterschiedlichen Abmessungen des aktiven
Gebietes wurden hergestellt und elektrisch charakterisiert. Transistoren aus
dunnen Nanodr ahten zeigten unipolares p-leitendes Verhalten und Rekordw-
erte fur Str ome und Leitf ahigkeiten im eingeschalteten Zustand sowie fur die
Stromverh altnisse zwischen ein- und ausgeschaltetem fur SBFETs
basierend auf intrinsischen Si Nanodr ahten. Die e ziente Gatter-Kopplung
wird der elektrischen Feldub erh ohung an den Schottky-Kontakten durch die
nadelartige Form der Silizid-Segmente zugeschrieben. Messungen deuteten
auf die Kontrolle der Schottky-Barrierenbreiten durch das Gatter-Potential
und auf die daraus resultierende Kontrolle der Ladungstr ager-Injektion durch
die Kontakte hin. Zum ersten Mal wurde eine systematische Untersuchung
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des Skalierungsverhaltens von Si-Nanodraht SBFETs durchgefuhrt. Die L -g
Abh angigkeit zeigte fur L < 1 m eine Strombegrenzung durch die Schottky-g
Kontakte sowie fur L > 1 m ein exponentielles Abklingen mit steigendemg
L . Die Untersuchung der Abh angigkeit vom Nanodraht-Durchmesser er-g
gab einen stetigen Ubergang von unipolarer p- zu ambipolarer Leitung mit
steigendem Durchmesser, wobei die erwartete Ambipolarit at eines klassis-
chen Volumen-SBFETs angen ahert wurde. Darausasstl sich vermuten, dass
die Polaritat der SBFETs allein durch die Schottky-Barrieren bestimmt wird.
Um diese Annahme zu beweisen, wurden neuartige SBFETs mit voneinan-
der unabh angigen Gatter-Kopplungen der einzelnen Schottky-Barrieren en-
twickelt. In diesem Konzept werden die Ladungstr ager einer Art durch die
eine Schottky-Barriere injiziert, w ahrend die andere Ladungstr agerart durch
die andere Barriere blockiert wird. Demgem a konnte ein und derselbe in-
trinsische Si-Nanodraht-SBFETs sowohln- als auchp-leitend betrieben wer-
den, ohne von Dotierung Gebrauch zu machen. Die scharfen metallurgischen
Grenz achen, die dun nen aktiven Si-Gebiete und die dotierungsunabh angige
Kontrolle der Polarit at k onnten prinzipiell zukunftige komplemenaret Logik
auch bei nanoskaligen Gatter-L angen erm oglichen.
??Contents
Introduction 1
1 From CMOS Scaling to Nanowire Electronics 5
1.1 and Moore’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Bulk MOSFET Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Short Channel E ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Novel Device Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Nanowires as Attractive
Device Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Nanowire Fabrication Methods . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 Historical development of the nanowire growth . . . . . 12
2 Growth of Silicon Nanowires 15
2.1 Basics of Nanowire Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Nanowire Growth Mechanism . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Setup for Nanowire Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Aims of the Growth Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1 Catalyst Selection and Deposition . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Growth on Amorphous Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1 Catalyst Treatment for Enhanced Coalescence . . . . . 27
2.4.2 Growth Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.3 Concluding Remarks: Optimal Parameters . . . . . . . 39
2.5 Growth on Crystalline Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.1 Immediate Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.2 Minimal growth temperature . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6 Position Controlled Vertical Growth of SiNWs . . . . . . . . . 47
2.7 TEM Characterization of Si-Nanowires . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.1 SiNWs Grown on SiO Substrates . . . . . . . . . . . . 512
2.7.2 SiNWs grown on (001) Si . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7.3 Conclusions on the SiNW Growth . . . . . . . . . . . . 54
viiviii CONTENTS
3 Silicon Nanowire Integration and Device Fabrication 55
3.1 Nanowire Suspension and
Dispersion Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1 Nanowire Suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.2 Nanowire Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Fabrication of Test Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.1 Patterning of Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3 Contact Improvement by
Electroless Plating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.1 Practical Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3.2 Evaluation of Electroless Plating Contacting NWs . . . 63
3.4 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Longitudinal Nanowire Silicidation 67
4.1 Basic Theory of Impurity Di usion
in Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.1 Thermodynamical Description of Di usion . . . . . . . 68
4.1.2 Microscopic Di usion Mechanisms . . . . . . . . . . . . 70
4.2 Basic Theory of Silicidation:
Metal Silicon Solid State Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.1 Kinetics of Silicidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.2 Interface Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Nickel Silicides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.1 Nickel Silicide NWs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4 Longitudinal Nickel Silicidation of SiNWs . . . . . . . . . . . . 75
4.4.1 Furnaces for Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.2 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.3 Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.4 SEM and EDX Analysis of Results . . . . . . . . . . . 77
4.4.5 TEM Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.6 Reaction Kinetics, In-Situ TEM Silicidation . . . . . . 83
4.4.7 State-of-the-Art: Silicide NWs . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Electrical Characteristics of
Ni-Silicide Nanowires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5 Silicon Nanowire Schottky Barrier Field E ect Transistors 89
5.1 Schottky Barrier Field E ect Transistors . . . . . . . . . . . . 89
5.1.1 Schottky Barrier Formation . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.1.2 Electronic Transport Mechanisms
Through the Schottky Contact . . . . . . . . . . . . . 93CONTENTS ix
5.1.3 Electrical behavior of Schottky Barrier FETs . . . . . . 97
5.2 The SiNW SBFET with Intruded
Ni-Silicide Segments: Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.1 Horizontal Back-Gated Geometry . . . . . . . . . . . . 99
5.2.2 Initial Fabrication Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.3 Self-Aligned Down-scaling of the
Active Region’s Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 Electrical Characteristics of
SiNW SBFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.1 Subthreshold Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.2 Output Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3.3 High Performance SiNW-SBFETs . . . . . . . . . . . . 108
5.3.4 Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6 Scaling and Transport of
SiNW SBFETs 115
6.1 Combined Study on Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.1.1 Hysteresis Prevention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2 E ect of Length Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.1 Selection of Comparable Device Geometries . . . . . . 120
6.2.2 L Dependent Comparison of SiNW SBFETs . . . . . 121g
6.2.3 Limited I for L < 1 m . . . . . . . . . . . . . . . . 123on g
6.2.4 Exponential Decay of I for L > 1 m . . . . . . . . . 124on g
6.3 E ect of Diameter Scaling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.1 Characteristics of SiNW SBFETs
with thick NW diameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.2 Diamater-dependent Ambipolarity . . . . . . . . . . . . 129
6.4 Nanoscale Schottky Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.1 Speci c Contact Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.2 Field Enhancement at the S/D Contacts . . . . . . . . 134
6.4.3 E ective Barrier Height . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.4.4 The Role of Nanoscale Schottky Contacts . . . . . . . 138
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7 Polarity Control in Multi Gated SiNW SBFETs 141
7.1 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.1.1 Top Gate Dielectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.1.2 Top Gate Patterning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.2 Local Control of Carrier Injection by Multiple
Top-Gate Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
??x CONTENTS
7.2.1 Back Gated Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2.2 Polarity Control by TGs . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.2.3 Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.2.4 Dopant-Free Logic Device . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.2.5 Doping in Nanowires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.2.6 Further Implementation Issues . . . . . . . . . . . . . . 151
7.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Conclusions 153
Variables and Constants 160
Abbreviations 163
Publications and Conferences 171
Invention Disclosures 177
Literature 190
Acknowledgements 191