L'introduction de la supraconductivité dans des structures de type MOSFET en silicium ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche en physique. Dans cette thèse, on s'intéresse aux propriétés de transport électronique au sein d'un MOSFET fabriqué avec des sources et drains supraconducteurs. Afin de garantir la reproductibilité de ces dispositifs, il est important d'intégrer des matériaux supraconducteurs compatibles avec la technologie CMOS exploitant la technologie silicium qui a pour énorme avantage d'être véritablement fiable et mature. L'idée fondamentale est de réaliser un nouveau type de circuit supraconducteur avec une géométrie de type transistor dans lequel un supracourant non dissipatif circulant au sein du dispositif, de la source vers le drain, serait modulé par une tension de grille : un JOFET. Une perspective importante est la réalisation d'un qubit supraconducteur grâce à une technologie parfaitement reproductible et mature. Cependant, à très basse température et avec la diminution de la taille des dispositifs, deux phénomènes a priori antagonistes entrent en compétition, à savoir la supraconductivité qui implique un grand nombre d'électrons condensés dans le même état quantique macroscopique et l'interaction Coulombienne qui décrit des processus de transport à une particule. L'intérêt de l'étude est donc de réaliser de tels transistors afin de mieux comprendre comment ce genre de dispositif hybride peut s'adapter à des propriétés opposées. Dans cette thèse, j'ai étudié deux façons d'introduire la supraconductivité dans nos dispositifs. La première option est de réaliser des sources et drains en silicium rendus supraconducteurs par dopage en bore et recuit laser effectué grâce à des techniques de dopage hors-équilibre robustes et bien maîtrisées. Même si la supraconductivité du silicium très fortement dopé en bore est connue depuis 2006 et son état supraconducteur a été très bien caractérisé sur des couches bidimensionnelles, la supraconductivité du SOI, qui est le substrat initial à la base de certains transistors, n'a jamais encore été testée et étudiée. L'objectif est de pouvoir adapter ces techniques de dopage au SOI afin de le rendre supraconducteur et de pouvoir l'intégrer par la suite dans des dispositifs de type MOSFET. La seconde option considérée est la réalisation de source et drain à base de siliciures supraconducteurs tel que le PtSi. Ce siliciure est intéressant du point de vue de sa température critique relativement haute de 1K. D'un point de vue technologique, les MOSFETs à barrière Schottky présentant des contacts en PtSi supraconducteur ont été élaborés au CEA/LETI. Les mesures à très basse température au sein d'un cryostat à dilution ont mis en évidence cette compétition entre la supraconductivité et les effets d'interaction Coulombienne et ont également révélé la supraconductivité dans le MOSFET comportant des contacts en PtSi grâce notamment à l'observation du gap induit dans le dispositif. / Superconducting transport through a silicon MOSFET can open up many new possibilities ranging from fundamental research to industrial applications. In this thesis, we investigate the electric transport properties of a MOSFET built with superconducting source and drain contacts. Due to their advantages in terms of scalability and reproducibility, we want to integrate superconducting materials compatible with CMOS technology, thus exploiting the reliable and mature silicon technology. The idea is to realize a new type of superconducting circuits in a transistor geometry in which a non-dissipative supercurrent flowing through the device from source to drain will be modulated by a gate: a JOFET. One important outcome is the realization of superconducting qubits in a perfectly reproducible and mature technology. However, at low temperature and with the reduction of the size of the devices, two antagonistic phenomena appear. The dissipation-free transport of Cooper pairs competes with lossy single-particle processes due to Coulomb interactions. The goal is to understand how these two conflicting properties manifest in such hybrid devices. In this thesis, I studied two different ways of introducing superconductivity in the devices. We deployed a high boron doping and a laser annealing provided by well-controlled out-of-equilibrium doping techniques to make the silicon superconducting. Although highly boron-doped silicon has been known to be superconducting since 2006, superconductivity of SOI, the basic brick of some transistors, was never tested before. We aim at adapting those doping techniques on SOI in order to make it superconducting and to integrate it in transistor-like devices. In a second project, we study source and drain contacts fabricated with superconducting silicides such as PtSi. Such Schottky barrier MOSFETs with superconducting PtSi contacts are elaborated at the CEA/LETI. Measurements at very low temperature revealed the competition between superconductivity and Coulomb interactions and moreover, have brought evidence of superconductivity in PtSi based silicon Schottky barrier MOSFET.

A demanda por combustível nuclear para reatores de pesquisa está aumentando em nível mundial, enquanto várias de suas fábricas têm pequeno volume de produção. Este trabalho estabeleceu um modelo conceitual com duas estratégias para o aumento da capacidade produtiva dessas fábricas. Foram abordadas as fábricas que produzem elementos combustíveis tipo placa carregados com LEU U3Si2-Al, tipicamente usados em reatores nucleares de pesquisa. A primeira estratégia baseia-se na literatura da área de administração da produção e é uma prática frequente nas fábricas em geral. A segunda estratégia aproveita a possibilidade de desmembrar setores produtivos, comum em instalações de produção de combustível nuclear. Ambas as estratégias geraram diferentes cenários de produção, os quais devem ser seguros em relação à criticalidade. Foram coletados dados de uma fábrica real de combustível nuclear para reatores de pesquisa. As duas estratégias foram aplicadas a esses dados com a finalidade de testar o modelo proposto, o que configurou um estudo de caso. A aplicação das estratégias aos dados coletados deu-se por meio de simulação de eventos discretos em computador. Foram criados diversos modelos de simulação para abranger todos os cenários gerados, de forma que o teste indicou um aumento da capacidade produtiva de até 207% sem necessidade de aquisição de novos equipamentos. Os resultados comprovam que o modelo atingiu plenamente o objetivo proposto. Como principal conclusão pode-se apontar a eficácia do modelo proposto, fato que foi validado pelos dados da fábrica. / Although many nuclear fuel factories have small production volumes, the demand for nuclear fuel for research reactors is increasing worldwide. This work established a conceptual model with two strategies to increase the production capacity of these factories. We addressed factories that produce plate-type fuel elements loaded with LEU U3Si2-Al, which are typically used in nuclear research reactors. The first strategy is based on production management literature and is a regular practice in general manufacturing plants. The second strategy takes advantage of the fact that productive sectors can be separated in nuclear fuel production facilities. Both strategies have generated different production scenarios that are assumed to be safe in relation to nuclear criticality. We collected data from a real plant that produces nuclear fuel for research reactors and applied the model to that data, aiming to test the proposed model by setting up a case study. Through the use of computer software, we applied the two strategies to this data by means of discrete events simulation and created several simulation models in order to cover all generated scenarios. Our tests indicated an increase of up to 207% in productive capacity without the need of acquiring new equipment, thus showing that the model has fully achieved its proposed objective. One of the main conclusions that we point out is the models effectiveness, which was validated by the factory data.

Silizide spielen ein wesentliche Rolle in den technologisch fortschrittlichsten CMOS Bauteilen. Sie finden Verwendung als Kontaktmaterial auf den Aktivgebieten und dem Silizium Gatter von Transistoren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Systemen: Co-Si, Co-Ni-Si und Ni-Si. Sowohl in situ Hochtemperatur-SR-XRD Experimente als auch CBED wurden zur Phasenidentifikation herangezogen. AES erlaubte es, Elementverteilungen in Schichtstapeln zu bestimmen. Für Studien über Agglomerationserscheinungen wurde REM eingesetzt. TEM und analytisches TEM trugen nicht nur zu Einblicken in Schichtstrukturen und Kornformen bei, sondern lieferten auch Daten zu Elementverteilungen in Silizidschichten. Diese Dissertation gliedert sich in zwei Hauptteile. Der erste Teil beschäftigt sich mit den Phasenbildungsabfolgen und den Phasenbildungs- und Umwandlungstemperaturen in nanoskaligen dünnen Schichten. Als Trägermaterial wurden einkristalline und polykristalline Siliziumsubstrate verwendet. Der Einfluß verschiedener Dotierungen im Vergleich zu undotierten Substraten sowie die Beeinflussung der Silizidierung durch eine Deckschicht wurden untersucht. Im zweiten Teil waren Größeneffekte verschiedener Schichtdicken und Agglomerationserscheinungen Gegenstand von Untersuchungen. Unterschiede bei der Silizidierung in Zusammenhang mit unterschiedlichen Schichtdicken wurden bestimmt. Darüberhinaus wurde eine ternäre CoTiSi Phase gefunden und identifiziert. Außerdem konnte die stark eingeschränkte Mischbarkeit der Monosilizide CoSi und NiSi gezeigt werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von NiSi im Temperaturbereich 400?700°C und sein nicht-lineares Verhalten wurden bestimmt. / Silicides are an essential part of state-of-the-art CMOS devices. They are used as contact material on the active regions as well as on the Si gate of a transistor. In this work, investigations were performed in the systems Co-Si, Co-Ni-Si, and Ni-Si. In situ high temperature SR-XRD and CBED techniques were used for phase identification. AES enabled the determination of elemental concentrations in layer stacks. SEM was applied to agglomeration studies. TEM imaging and analytical TEM provided insights into layer structures, grain morphology as well as information about the distribution of chemical elements within silicide layers. This thesis is divided into two main parts. The first part deals with the phase formation sequences and the phase formation and conversion temperatures in nanoscale thin films on either single crystal or polycrystalline Si substrates. The effect of different types of dopants vs. no doping and the impact of a capping layer on the phase formation and conversion temperatures were studied. In the second part, size effects and agglomeration of thin silicide films were investigated. The effect of different layer thicknesses on the silicidation process was studied. Additionally, the degree of agglomeration of silicide films was calculated. Furthermore, the ternary CoTiSi phase was found and identified as well as the severely limited miscibility of the monosilicides CoSi and NiSi could be shown. The CTE of NiSi between 400?700 ±C and its non-linear behavior was determined.

Die elektrische Leitfähigkeit und der Hall-Effekt der halbleitenden Silicide Beta-FeSi2 und MnSi1,73 werden im Temperaturbereich zwischen 4,2 und 300 K untersucht. In ergänzenden Untersuchungen werden strukturelle und optische Eigenschaften dieser Materialien bestimmt. Die Ergebnisse der Messungen an MnSi1,73 - Schichten werden im Rahmen der Boltzmann-Gleichung in Relaxationszeitnäherung interpretiert. Die Temperatur- abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit und der Hall-Beweglichkeit der Mangansilicid-Schichten kann unter Einbeziehung der Ladungsträgerstreuung an Korngrenzen und akustischen Phononen erklärt werden. In einer kritischen Diskussion werden die Grenzen des verwendeten Transportmodells aufgezeigt. Den Schwerpunkt der Untersuchungen an Beta-FeSi2 bildet die Analyse des Hall-Koeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Magnetfeld. Mit einem neuen dynamischen Meßverfahren werden umfassende Ergebnisse für den Hall-Koeffizienten in dünnen Schichten und Einkristallen erhalten, die eine herkömmliche Interpretation des Hall-Effekts in Beta-FeSi2 in Frage stellen. Unter Einbeziehung eines wesentlichen Einflusses des anomalen Hall-Effekts in die Interpretation, können die Eigenschaften des Hall-Effekts in Beta-FeSi2 verstanden werden.

In dieser Arbeit wurden elektronische Transporteigenschaften ungeordneter metallischer und isolierender Materialien untersucht. Es wurde gezeigt, dass die zugrunde liegende Vielfachstreumethode für Schichten (LKKR) auch auf isolierende Materialien angewendet werden kann. Als isolierendes Material wurde amorphes Silizium gewählt. Für die Strukturmodellierung wurde ein spezieller RMC-Algorithmus für Netzwerke entwickelt. Um eine Lücke in der elektronischen Zustandsdichte zu erhalten, wurden diese Strukturen anschließend mit einer MD-Methode relaxiert. Zur Charakterisierung der dabei auftretenden mittelreichweitigen Strukturänderungen wurde ein analytisches Modell des Strukturfaktors aufgestellt. Die Verbindung zwischen elektronischen und strukturellen Defekten beim Übergang von den metallischen Ausgangsnetzwerken zu den isolierenden amorphen Siliziumstrukturen wurde untersucht. Die Winkelschwankung, unterkoordinierte Siliziumatome und ein spezieller topologischer Defekt wurden als Ursache für elektronische Defekte bei der Fermienergie identifiziert. Für die Widerstandsberechnung wurde vom Stromfluss durch einen quasi-eindimensionalen Draht ausgegangen (Landauer-Büttiker-Ansatz). Für ein stark streuendes Modellsystem (amorphes Eisen) wurde gezeigt, dass dieser Ansatz auch bei kohärenter Vielfachstreuung einen längenproportionalen Widerstand für kleine Drahtlängen liefert. Für metallische Materialien kann die Leitfähigkeit aus der Längenabhängigkeit des Drahtwiderstandes bestimmt werden. Zwei Erweiterungen dieses Landauer-Büttiker-Ansatzes für eine unvollständige Berechnung der kohärenten Streuung wurden in dieser Arbeit abgeleitet. Der direkte Einfluss der Struktur für schwache Streuer wurde in Einfachstreunäherung untersucht. Im Grenzfall eines Mediums führt die abgeleitete Leitwertformel auf die Zimanformel für den spezifischen Widerstand. Die Widerstandsberechnung wurde außerdem auf inkohärente Streuung erweitert, so dass auch für isolierende Materialien eine Leitfähigkeit bestimmt werden kann. Im Gegensatz zu ungeordneten Metallen verschwindet die Leitfähigkeit bei verschwindender inkohärenter Streuung, so dass metallische und isolierende Materialien unterschieden werden können. Der unordnungsinduzierte Metall-Isolator-Übergang (Anderson-Übergang) wurde für amorphes Nickelsilizid betrachtet. %Die bestimmte kritische Nickelkonzentration liegt wegen der %im Vergleich zu amorphen Silizium fehlenden Relaxierung der Strukturen %unterhalb experimenteller Werte. Wegen des geringen Querschnitts der Drähte tritt metallisches und isolierendes Verhalten parallel auf. Die notwendige Mittelung führt zu einer abnehmenden Leitfähigkeit bei abnehmender inkohärenter Streuung auch für metallische Proben. Dieses Verhalten wird in dreidimensionalen Systemen mit schwacher Lokalisierung in Verbindung gebracht.

The main focus of the present work was the Ge-rich part of the binary Ba – Ge system, in which by inspecting the behavior of the clathrate-I Ba8Ge43 under pressure, several new phases were found. The new phases in this system have the following compositions: BaGe3 (with two modifications), BaGe5, BaGe5.5 and BaGe6, therefore they are quite close in composition range: 75% - ~85% at. Ge. Concerning the conditions required for the synthesis of each phase, several combinations of temperature and pressure were employed in order to find a stability range. It was possible to establish such a formation range for all phases. In some cases two phases were found for a given conditions and in many other cases three or more phases were found to coexist. Thus, the stability range of pressure and temperature for single phase formation turned out to be very narrow. By inspecting of some structural features, for instance the interatomic distances, it is found that the average of the Ge – Ge distances change in line with the composition, i.e. the shorter contacts belong to BaGe6 while the longer distances are present in BaGe3 (both modification). An opposite trend is observed for the calculated density of each phase (neglecting the tI32 form of BaGe3): the lower density is found for BaGe3 and the denser compound is found to be BaGe6. Of course this is not coincidence, since due to the Ge content, BaGe6 has the largest molar mass. Similarly, by examining the density as a function of the interatomic distance. In such case, the denser compound is characterized by shorter Ge – Ge contacts, while the less dense phase holds the longest Ge – Ge contacts. This is in agreement with the building motifs within each crystal structure: columns in BaGe3 (open framework) passing through layers in BaGe5, ending in a three-dimensional network (closed framework) in BaGe6.

Die vorliegende Dissertation stellt die experimentelle Bestimmung von grundlegenden thermodynamischen und kinetischen Stoffdaten im System Lithium-Silicium vor. Ausgehend von der Synthese qualitativ hochwertiger Lithiumsilicide wurden Wärmekapazitäten über einen großen Temperaturbereich (2-873 K) bestimmt, die aufgrund der Ergebnisse bei tiefen Temperaturen die Ermittlung weiterer Parameter wie beispielsweise der Standardentropien bzw. der Bildungsentropien der Lithiumsilicide ermöglichte. Die Eigenschaft der Silicide, mit Wasserstoff Verbindungen einzugehen, führte zudem zur Ausdehnung der Untersuchungen auf das System Li-Si-H. Aus der Erweiterung resultierte neben der formalkinetischen Beschreibung ablaufender Gleichgewichtsreaktionen die Bestimmung von Bildungsenthalpien der Silicide. Auf Grundlage der experimentell bestimmten Stoffgrößen (Cp, S°, ∆BH°), die für theoretische und praxisrelevante Berechnungen sehr verlässliche Stoffdaten darstellen, wurden thermodynamische Modellierungen im stofflichen System durchgeführt.

Avec la réduction de taille des composants microélectroniques, le monosiliciure de nickel (NiSi) a été largement utilisé dans les transistors CMOS (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor) en tant que contacts pour les sources, drains et grilles. Cependant, NiSi se dégrade lors du recuit à haute température. Il apparait essentiel d'étudier la séquence de formation de phases et la stabilité du monosilicide en présence d’éléments d'alliage. Les réactions à l'état solide entre des films de Ni allié en W et/ou Pt et un substrat de Si ont été étudiées principalement par diffraction des rayons X (DRX) in-situ et sonde atomique tomographique (SAT). L'analyse combinatoire de la réaction entre des films Ni avec différents composition gradients et le Si a permis de comprendre la séquence de formation. Les concentrations des éléments d'alliage (W et Pt) ont un impact significatif sur la séquence de formation des siliciures de Ni et sur la cinétique de formation des phases. Le mécanisme d'agglomération des films minces de NiSi a également été étudié au cours de cette thèse. Un film de Ni pur de 15 nm a été déposé sur un substrat de Si enrichi de multicouches de Si isotopique. Des analyses SAT ont été effectuées sur l'échantillon de Ni/Si (isotope) après un recuit à 600°C. En observant la distribution des isotopes de Si, un mécanisme d'agglomération de NiSi a été proposé selon que les isotopes de Si restent sous forme de multicouches ou qu'ils se mélangent. Cette étude rendue possible grâce à la capacité unique de la SAT d'observer les isotopes en 3D et à l'échelle atomique apporte une meilleure compréhension de l'agglomération de films minces poly-cristallin d'intermétallique / With the downscaling of microelectronic devices, NiSi has been widely used in complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors as contact on source, drain and gate. However, NiSi suffers from degradation upon annealing at high temperatures. Adding alloying elements is an effective method to increase the stability of nickel monosilicide but the formation sequence of Ni silicides is substantially modified. Therefore, the studies of the phase formation sequence and the stability of monosilicide are of great importance.The solid-state reactions between Ni films alloyed with W and/or Pt and Si substrates were studied mainly by in-situ X-ray diffraction (XRD) and atom probe tomography (APT) using combinatorial analysis of co-deposited gradient films. The phase sequence was monitored by in-situ XRD and APT was used to examine the silicides and reveal the redistribution of alloying elements. The content of alloying elements (W and Pt) has a large impact on the phase sequence of Ni silicides and the kinetics of phase formation. The basic agglomeration mechanism of NiSi thin films was studied. A 15nm pure Ni film was deposited on a Si substrate enriched with isotope multilayers. APT analyses were performed on the sample of Ni/Si (isotope) after an annealing at 600°C. By observing the distribution of Si isotopes (30Si, 29Si and 28Si), whether they maintain a multilayer structure or are mixed together, a mechanism of the agglomeration of NiSi was proposed. This was possible because of the unique capability of APT to observe isotopes in 3D at the atomic scale and it allows a better understanding and to control of the agglomeration of poly-crystalline compound thin films

No description available.

Our society demands for increasingly powerful and efficient microprocessors. However, the conventional method to achieve this, i.e. by reducing the device dimensions and operation voltage of field-effect transistors (FETs), is approaching physical limits. This state of things is driving science and industry to consider new approaches for the generation of efficient logic devices. An emerging solution is the use of reconfigurable FETs (RFETs) that – unlike conventional CMOS transistors – do not need doping but can be toggled between p- and n-type behavior in runtime. For this to be possible, it is necessary to employ an intrinsic channel with Schottky junctions at source and drain. A program gate then toggles the polarity of the device at the Schottky junction on the drain side while one or more additional control gates switch the transistor on or off. This allows to create compact and delay-efficient logic gates that can switch their functionality dynamically, e.g. to save area or to prevent the disclosure of the circuit functionality. Additionally, the ability to include multiple gates in a single transistor to implement a wired-AND functionality allows to create power- and delay-efficient circuits. This thesis demonstrates that such devices can be created by means of a lithographic top-down technology based on commercial silicon-on-insulator (SOI) wafers. In order to ensure a compatibility with future CMOS process lines, the channels are created from silicon nanosheets and nanowires, which will most likely substitute the current FinFET and FD-SOI technology in the future. Nano-dimensional channels allow for ideal electrostatic control by the gates especially if the gates surround them. For this purpose, a process employing multiple oxide etching and oxidation steps, nickel silicide formation and the structuring of conformal metal gates is developed to create shrank and omega-gated nanosheets and nanowires with atomically sharp source and drain Schottky junctions. The resulting RFETs feature high on-current densities, high on/off current ratios and up to four individual gates that realize a wired-AND functionality. More importantly, in contrast to top-down fabricated RFETs in earlier works, these RFETs provide symmetrical electrical characteristics for p- and n-configuration but only need a single supply voltage. These properties will allow to create circuits of cascaded, static logic gates with polarity-independent signal delay times and no need for interposed buffers to refresh the signals. Additionally, the use of ferroelectric materials to create RFETs with nonvolatile programming has been tested at a Schottky-barrier MOSFET. Unfortunately, contact fabrication by self-aligned silicidation can lead to some difficulties: The silicide intrusion length varies widely even between similar nanowires on the same chip, which makes the fabrication of short channels and the application of narrow gates particularly challenging. Detailed analyses in this work show that the variation is mainly caused by the variable amount of nickel supplied. Several material-, temperature- and geometry-based methods to gain a more homogeneous silicidation length are tested. One of these methods employs the layout freedom of the top-down technology to create novel structures of nanowires with local volume extensions. When using a single nickel source, these structures allow to study the impact of wire geometry on silicidation dynamics independently from the nickel contact quality. The gained findings have implications well beyond the application in RFETs, as nickel silicidation is widely used in state-of-the-art semiconductor technology.:Abstract Kurzzusammenfassung 1 Introduction 2 Fundamentals and state-of-the-art of reconfigurable field-effect transistors 2.1 Schottky junction 2.2 Schottky-barrier field-effect transistor 2.3 Current control by the gate voltage 2.4 Reconfigurable FETs 2.4.1 Working principle 2.4.2 Architectures and channel materials of RFETs in prior works 2.4.3 Applications 2.4.4 Requirements for the use in circuits 3 Transistor fabrication 3.1 Electron-beam lithography 3.2 Top-down nanowire fabrication 3.3 Nanowire oxidation and underetch 3.3.1 Oxidation of nanowires 3.3.2 Oxidation processes 3.4 Top-gate fabrication 3.4.1 Basic process for tri-gate 3.4.2 Advanced process for omega-gate 3.4.3 Integration of ferroelectric hafnium-zirconium oxide 3.5 Contact formation by nickel silicidation 3.5.1 Contact metal selection 3.5.2 Nickel deposition and silicide formation 3.5.3 Influences on nickel silicidation in nanowires 3.5.3.1 General 3.5.3.2 Silicide and void formation in different nanowire orientations 3.5.3.3 Influence of nanowire width on silicidation length 3.5.3.4 Importance of an oxide shell 3.5.3.5 Titanium interlayer and exhaustible nickel source 3.5.3.6 Influence of the contact to the nickel supply 3.5.3.7 Effect of temperature on silicidation length homogeneity 3.6 Gate-first and gate-last approach 3.7 RFET circuit realization 3.7.1 Logic gate layout 3.7.2 Mix-and-match technology 4 Nickel silicidation in extended wire geometries 4.1 Silicidation into areas 4.2 Control of silicide growth regime by extensions to nanowires 4.3 Polder extensions for controlled silicidation lengths 4.3.1 Concept and model 4.3.2 Experimental verification 5 Transistor characteristics 5.1 Measurement setup 5.2 Single gate Schottky-barrier MOSFET 5.2.1 Back-gate control 5.2.2 Single top-gate control 5.3 Double top-gate RFET 5.3.1 Tri-gate architecture by gate-last fabrication 5.3.2 Omega-gate architecture by gate-first fabrication 5.4 Multiple independent top-gate RFET 5.4.1 Value of multiple independent gates 5.4.2 Single channel MIG-RFET 5.4.3 Multiple channel MIG-RFET 5.5 Towards nonvolatile RFETs using ferroelectric gate dielectric 5.5.1 Fundamentals and applications of ferroelectric materials in FETs 5.5.2 Schottky-barrier MOSFET with ferroelectric gate 5.6 Performance comparison to state-of-the-art RFETs 6 Conclusion 7 Outlook 7.1 Enhanced understanding, performance and yield of RFETs 7.2 RFETs with split channels 7.3 Silicidation control 8 Appendix 8.1 Analysis of unsuccessful silicidation on circuit chips Bibliography Own publications List of constants and symbols List of abbreviations Acknowledgments Curriculum Vitae / Unsere Gesellschaft verlangt nach immer leistungsfähigeren und effizienteren Mikroprozessoren. Die herkömmlichen Methoden, d.h. das Reduzieren der Bauelementabmessungen und der Betriebsspannung von Feldeffekttransistoren (FETs), nähern sich jedoch physikalischen Grenzen. Diese Tatsache veranlasst Forschung und Industrie dazu, neue Ansätze bei der Erzeugung von effizienten logischen Schaltkreisen zu verfolgen. Auf großes Interesse stößt dabei die Verwendung von rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren (RFETs), die im Gegensatz zu herkömmlichen FETs keine Dotierung benötigen, sondern jederzeit zwischen p- und n-Typ Verhalten umgeschaltet werden können. Dazu wird ein intrinsischer Kanal mit Schottky-Kontakten an den Drain- und Source-Anschlüssen benötigt. Außerdem wird ein Programmier-Gate verwendet um die Polarität des Bauelements festzulegen, und ein oder mehrere weitere Kontroll-Gates schalten den Transistor ein oder aus. Dies ermöglicht es kompakte und laufzeiteffiziente Logikgatter zu konstruieren, die ihrer Funktionalität dynamisch verändern können, zum Beispiel um den Flächenverbrauch zu reduzieren oder um eine Enthüllung der Schaltkreisfunktionalität zu verhindern. Außerdem können in einem einzelnen Transistor mehrere Gates angelegt werden. Die sich ergebende nicht-komplementäre UND-Verkettung kann dazu genutzt werden, um energie- und laufzeit-sparende Schaltkreise zu generieren. Diese Arbeit weist nach, dass solche Bauelemente mit einem lithographischen Top-Down-Ansatz auf Basis von kommerziellen Silizium-auf-Isolator Substraten (sog. SOI-Wafern) realisierbar sind. Um eine Kompatibilität mit zukünftigen CMOS-Prozesslinien sicherzustellen, wurden die Kanäle aus nanometer-dünnen Silizium-Drähten oder -Bändern gebildet. Es wird erwartet, dass solche Kanalgeometrien bald die heutigen FinFET und FD-SOI Technologien ablösen werden, weil sie insbesondere mit umschließendem Gate eine optimale elektrostatische Gate-Kontrolle über den Kanal aufweisen. Der in dieser Arbeit entwickelte Prozess umfasst daher mehrfache Oxid-Ätzungen und Oxidationen zur Schrumpfung und teilweisen Unterätzung der Kanäle, die Bildung von abrupten Schottky-Kontakten aus Nickel-Silizid und die Strukturierung umschließender Metall-Gates. Die erzeugten RFETs weisen besonders hohe Stromdichten im An-Zustand und sehr hohe Verhältnisse von An- zu Aus-Strom auf. Außerdem besitzen sie bis zu vier unabhängige Gates, deren Eingänge somit quasi UND-verknüpft sind. Vor allem aber weisen diese RFETs im Gegensatz zu vorangegangenen Arbeiten symmetrische elektrische Charakteristiken für p- und n-Konfiguration auf, wozu sie sogar nicht mehr als eine Betriebsspannung benötigen. Diese Eigenschaften ermöglichen die Erzeugung von Schaltkreisen aus verkoppelten Logikgattern, bei denen die Signal-Laufzeit nicht von der Polarität der Transistoren abhängt und bei denen die Signale nicht durch zwischengeschaltete Pufferschaltungen aufgefrischt werden müssen. Darüber hinaus wurde in einem Schottky-Barrieren FET die Verwendung ferroelektrischer Materialien erprobt, mit denen zukünftig RFETs mit nichtflüchtiger Programmierung erzeugt werden könnten. Leider bereitet die Kontaktbildung durch die selbst-ausgerichtete Silizidierung häufig Probleme: Die Silizid-Eindringlänge schwankt stark, selbst zwischen ähnlichen Nanodrähten auf demselben Chip, was die Herstellung kurzer Kanäle und die Verwendung schmaler Gates besonders erschwert. Detaillierte Analysen in dieser Arbeit zeigen, dass insbesondere der ungleiche Nachschub von Nickel diese Varianz verursacht. Verschiedene material-, temperatur- und geometrie-basierte Ansätze wurden getestet um homogenere Silizid-Eindringlängen zu erreichen. Einer dieser Ansätze macht sich zunutze, dass mit der Top-Down-Technologie beliebige Strukturen definiert werden können, sodass Nanodrähte lokal erweitert werden können. Wenn solche Strukturen mit nur einer einzelnen Nickelquelle verbunden sind, kann der Einfluss der Drahtgeometrie auf den Silizidierungsprozess unabhängig von der Güte des Nickel-Kontakts beobachtet werden. Die auf diese Weise gewonnenen Erkenntnisse sind über die Arbeit an RFETs hinaus von Relevanz, da die Nickel-Silizidierung in vielen modernen Halbleiterprozessen zum Einsatz kommt.:Abstract Kurzzusammenfassung 1 Introduction 2 Fundamentals and state-of-the-art of reconfigurable field-effect transistors 2.1 Schottky junction 2.2 Schottky-barrier field-effect transistor 2.3 Current control by the gate voltage 2.4 Reconfigurable FETs 2.4.1 Working principle 2.4.2 Architectures and channel materials of RFETs in prior works 2.4.3 Applications 2.4.4 Requirements for the use in circuits 3 Transistor fabrication 3.1 Electron-beam lithography 3.2 Top-down nanowire fabrication 3.3 Nanowire oxidation and underetch 3.3.1 Oxidation of nanowires 3.3.2 Oxidation processes 3.4 Top-gate fabrication 3.4.1 Basic process for tri-gate 3.4.2 Advanced process for omega-gate 3.4.3 Integration of ferroelectric hafnium-zirconium oxide 3.5 Contact formation by nickel silicidation 3.5.1 Contact metal selection 3.5.2 Nickel deposition and silicide formation 3.5.3 Influences on nickel silicidation in nanowires 3.5.3.1 General 3.5.3.2 Silicide and void formation in different nanowire orientations 3.5.3.3 Influence of nanowire width on silicidation length 3.5.3.4 Importance of an oxide shell 3.5.3.5 Titanium interlayer and exhaustible nickel source 3.5.3.6 Influence of the contact to the nickel supply 3.5.3.7 Effect of temperature on silicidation length homogeneity 3.6 Gate-first and gate-last approach 3.7 RFET circuit realization 3.7.1 Logic gate layout 3.7.2 Mix-and-match technology 4 Nickel silicidation in extended wire geometries 4.1 Silicidation into areas 4.2 Control of silicide growth regime by extensions to nanowires 4.3 Polder extensions for controlled silicidation lengths 4.3.1 Concept and model 4.3.2 Experimental verification 5 Transistor characteristics 5.1 Measurement setup 5.2 Single gate Schottky-barrier MOSFET 5.2.1 Back-gate control 5.2.2 Single top-gate control 5.3 Double top-gate RFET 5.3.1 Tri-gate architecture by gate-last fabrication 5.3.2 Omega-gate architecture by gate-first fabrication 5.4 Multiple independent top-gate RFET 5.4.1 Value of multiple independent gates 5.4.2 Single channel MIG-RFET 5.4.3 Multiple channel MIG-RFET 5.5 Towards nonvolatile RFETs using ferroelectric gate dielectric 5.5.1 Fundamentals and applications of ferroelectric materials in FETs 5.5.2 Schottky-barrier MOSFET with ferroelectric gate 5.6 Performance comparison to state-of-the-art RFETs 6 Conclusion 7 Outlook 7.1 Enhanced understanding, performance and yield of RFETs 7.2 RFETs with split channels 7.3 Silicidation control 8 Appendix 8.1 Analysis of unsuccessful silicidation on circuit chips Bibliography Own publications List of constants and symbols List of abbreviations Acknowledgments Curriculum Vitae