Synthesis and investigation of gallium-implanted, omega-gated germanium nanowire Schottky barrier MOSFETs with self-aligned, atomically sharp Cu3Ge contacts

Abstract

Die kontinuierliche Verkleinerung von Bauteilstrukturen kann als die treibende Kraft des technologischen Fortschritts in integrierten Schaltungen angesehen werden. Aufgrund der steigenden Komplexität bei der Prozessierung von integrierten Schaltkreis- en wird der Einsatz neuer Materialien und die Erforschung neuartiger Bauelemente immer bedeutender. Eine Klasse von quasi-eindimensionalen Nanostrukturen, so genannten Nanowires, erlangt aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemi- schen Eigenschaften eine besondere Bedeutung. Insbesondere halbleitende Nanowires befinden sich im Zentrum des Interesses als alternative Bausteine für hochintegrierbare Feldeffekttransistoren (engl.: Metal Semiconductor Field Effect Transistors (FETs)).<br />Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und der elektrischen Charakterisierung von Germanium Nanowires sowie deren Integration in MOSFETs. Im Fokus der Arbeit liegt eine neue Kontaktierungsmethode, welche reproduzierbar ohmsche Kontakte innerhalb der Nanowires ermöglicht. Bemerkenswert ist die dabei erzeugte atomar scharfe Grenzfläche zwischen den quasi-metallischen Kontakten und dem Germanium Nanowire, wodurch MOSFETs mit definierten Kanallängen im nm - Bereich hergestellt werden können. Die Synthese der Germanium Nanowires erfolgt mit dem weit verbreiteten vapor-liquid-solid (VLS)-Verfahren. Dabei zeigt sowohl die Temperatur als auch der Druck großen Einfluss auf die Morphologie und die Dichte der gewachsenen Nanowires. Hochaufgelöste Transmissionselektronenmikroskop Untersuchungen bestätigen die <111>Richtungen als die Hauptwachstumsrichtung der gewachsenen Nanowires. Die Nanowires sind monokristallin, weitgehend defektfrei und mit einer ungefähr 2 nm dicken nativen Oxidschicht umgeben. Des Weiteren wird die Prozessierung von Kupfergermanid/Germanium Nanowire Heterostrukturen mit atomar scharfen Grenzflächen untersucht. Die Phasenumwandlung wird durch eine thermisch aktivierte chemische Reaktion zwischen dem metallischen Kupferpad und dem VLS gewachsenen Germanium Nanowire erzeugt. Der Prozess wird in-situ mit Hilfe eines Elektronenstrahlmikroskops bis in den sub 10 nm Bereich gesteuert. Die Geschwindigkeit der Phasenumwandlung nimmt mit steigendem Nanowire Durchmesser ab und kommt bei einem Durchmesser von größer 150 nm vollständig zum Erliegen. Anhand der elektrischen Charakterisierung von einzelnen Nanowires erfolgen die Bestimmung des spezifischen Widerstands, der Aktivierungsenergie sowie die Auswirkung der Temperatur und der Einfluss der Atmosphäre auf die Leitfähigkeit der intrinsischen Nanowires. Vierpunktmessungen zeigen eine Zunahme des spezifischen Widerstandes mit abnehmendem Nanowire Durchmesser. Die Implantation von Ga + mit der fokussierten Ionenstrahlmaschine (engl.: Focused Ion Beam (FIB)) ermöglicht es die Leitfähigkeit der Nanowires nach der Synthese zu verändern. Eine Dosis von 6,25*10 (12) ionen/cm 2 führt zu einer Zunahme der Leitfähigkeit um drei Größenordnungen, bemerkenswerterweise ohne Aktivierung. Die Cu3Ge/Ge/Cu3Ge Heterostrukturen verringern den Kontaktwiderstand bei gleich bleibendem spezifischen Widerstand des intrinsischen Germanium Nanowire Segments. Die elektrischen Transporteigenschaften der Cu3Ge/Ge/Cu3Ge Heterostruktur werden durch die Länge des mittleren Germanium Nanowire Segments beeinflusst.<br />Temperaturabhängige Messungen zeigen metallisches Verhalten der Cu3Ge Nanowires mit einer maximalen Stromdichte von 5*10 7 A/cm 2. Die Schottky Barriere zwischen den Cu3Ge Kontakten und den gewachsenen Germanium Nanowires wird anhand der thermionischen Emissionstheorie zu 218 meV berechnet. Der letzte Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von verschiedenen MOSFETs. Dabei wird der Einfluss verschiedener Parameter, wie die Anordnung der Gate Elektrode, die Dotierung des Nanowire und die Auswirkung unterschiedlich prozessierter Source/Drain Kontakte untersucht und die wesentlichen MOSFET Parameter aus der Transfer- und der Ausgangskennlinie extrahiert und miteinander verglichen. Die dabei hergestellten MOSFETs zeigen nahezu perfekte I/V Kennlinien mit hohen IEIN / IAUS Verhältnissen und Steilheiten im Unterschwellenbereich von 140 mV/dec. Durch den Einsatz von Cu3Ge/Ge/Cu3Ge Nanowire Heterostrukturen mit perfekt ohmschen Kontakten konnten MOSFETs mit maximalen Einschaltströmen von 5 uA erzeugt werden.<br />

Over the last four decades the continuous downscaling of device structures is the main driving force of technological progress in classical integrated circuit technology. Due to increased complexity, the introduction of new materials and new device concepts becomes more and more relevant. Thereby a new class of quasi one-dimensional nanostructures such as nanowires is attracting more and more attention because of their novel physical and chemical properties. In particular semiconducting nanowires have gained a lot of interest as alternative building blocks for metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs). The present work focuses on the synthesis and the electrical characterization of germanium nanowires as well as their integration in one-dimensional MOSFETs. A novel method to establish ohmic contacts to germanium nanowires is explored. Notably is the possibility to form these quasi-metallic Cu3Ge contacts with atomically sharp interfaces inside the nanowires leading to high performance MOSFETs with well controlled channel lengths.<br /> The germanium nanowires are synthesized via the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism in a hot-wall low-pressure chemical vapor deposition system.<br />The influence of the growth parameters on the morphology and the density of the grown nanowires are investigated. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) investigations proved the <111>growth direction and the nanowires appeared to be single crystalline and defect free with a 2 nm thick native germanium oxide shell. The electrical characterization of individual nanowires reveals the specific resistivity, the activation energy, the effect of temperature and the influence of environment. Four-probe measurements show an increase of the specific resistivity with decreasing nanowire diameter. Further, the conductivity of the germanium nanowires is enhanced by the incorporation of Ga + ions by a focused ion beam (FIB). An implantation dose of 6.25*10 (12) ions/cm 2 leads to an enhancement of the conductivity by three orders of magnitude without annealing. Furthermore, the formation of copper-germanide/germanium nanowire heterostructures with atomically sharp interfaces is investigated. The copper-germanide (Cu3Ge) formation process is induced by a thermally activated diffusion process between metallic copper pads and the VLS grown germanium nanowires. The atomic scale aligned formation of the Cu3Ge segments is controlled by in-situ scanning electron microscopy (SEM), enabling length control of the intrinsic germanium nanowire segment down to a few nm. For increasing nanowire diameter the diffusion of copper and thereby the copper-germanide phase formation becomes slower and stops completely for nanowires with diameters >150 nm. The formation of Cu3Ge/Ge/Cu3Ge nanowire heterostructures reveals a decrease of the contact resistance with constant conductivity of the remaining middle germanium nanowire segment. It is shown that the length of the remaining intrinsic germanium nanowire segment strongly influences the electric transport properties of the Cu3Ge/Ge/Cu3Ge nanowire heterostructure. Temperature dependent I/V measurements reveal the metallic properties of the Cu3Ge with a maximum current density of 5*10 7 A/cm 2. According to the thermionic emission theory an effective Schottky barrier height of 218 meV between the Cu3Ge contacts and the as grown germanium nanowires is determined.<br />In the last section of the thesis different types of MOSFETs are studied and investigations including the effect of the metal gate alignment, the influence of Ga + implantation by FIB and the effect of different processed source/drain contacts are done. Important MOSFET parameters of these devices are extracted from the transfer- and the output characteristics and compared to each other. The studied MOSFETs show high performance I/V characteristics with high ION / IOFF ratios and subthreshold slopes down to 140 mV/dec due to the implantation of Ga +.<br />Furthermore, the formation of Cu3Ge/Ge/Cu3Ge nanowire heterostructures leads to perfect ohmic contacts resulting in high ION currents of 5 uA.