The advent of high surface-to-volume ratio devices has necessitated a revised approach to parameter extraction and process evaluation in field-effect transistor technologies. In this work, active doping concentrations are extracted from the electrical analysis of Si nanowire devices with high surface-to-volume ratios. Nanowire resistance and Si resistivity are extracted, by first extracting and subtracting out the contact resistance. Resistivity (ρ) is selected as the benchmark parameter to compare different doping processes with each other. The impacts of nanowire diameter scaling to 10 nm and of nanowire spacing scaling to <20 nm are extracted for monolayer doping and beam-line ion implantation. Despite introducing significant crystal damage, P beam-line ion implantation beats allyldiphenylphosphine (ADP) P monolayer doping with a SiO2 cap in terms of lower Si resistivity and higher dopant activation, with dependencies on the nanowire width greater than on nanowire spacing. Limitations in ADP P monolayer doping with a SiO2 cap are due to the difficulties in dopant incorporation, as it is based on in-diffusion, and P atoms must overcome a potential barrier on the Si surface.

1.
M. J. H.
Van Dal
,
N.
Collaert
,
G.
Doornbos
,
G.
Vellianitis
,
G.
Curatola
,
B. J.
Pawlak
,
R.
Duffy
,
C.
Jonville
,
B.
Degroote
,
E.
Altamirano
,
E.
Kunnen
,
M.
Demand
,
S.
Beckx
,
T.
Vandeweyer
,
C.
Delvaux
,
F.
Leys
,
A.
Hikavyy
,
R.
Rooyackers
,
M.
Kaiser
,
R. G. R.
Weemaes
,
S.
Biesemans
,
M.
Jurczak
,
K.
Anil
,
L.
Witters
, and
R. J. P.
Lander
, in
2007 Digest of Technical Papers - Symposium on VLSI Technology
(
2007
), p.
110
.
2.
M. J. H.
van Dal
,
G.
Vellianitis
,
G.
Doornbos
,
B.
Duriez
,
T. M.
Shen
,
C. C.
Wu
,
R.
Oxland
,
K.
Bhuwalka
,
M.
Holland
,
T. L.
Lee
,
C.
Wann
,
C. H.
Hsieh
,
B. H.
Lee
,
K. M.
Yin
,
Z. Q.
Wu
,
M.
Passlack
, and
C. H.
Diaz
, in
Proceedings of the IEEE International Electron Devices Meeting 2012
(
2012
), p.
521
.
3.
A.
Veloso
,
G.
Hellings
,
M. J.
Cho
,
E.
Simoen
,
K.
Devriendt
,
V.
Paraschiv
,
E.
Vecchio
,
Z.
Tao
,
J. J.
Versluijs
,
L.
Souriau
,
H.
Dekkers
,
S.
Brus
,
J.
Geypen
,
P.
Lagrain
,
H.
Bender
,
G.
Eneman
,
P.
Matagne
,
A. D.
Keersgieter
,
W.
Fang
,
N.
Collaert
, and
A.
Thean
, in
2015 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers
(
2015
), p.
T138
.
4.
A.
Veloso
,
A. D.
Keersgieter
,
P.
Matagne
,
N.
Horiguchi
, and
N.
Collaert
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
62
,
2
(
2017
).
5.
N.
Singh
,
A.
Agarwal
,
L. K.
Bera
,
T. Y.
Liow
,
R.
Yang
,
S. C.
Rustagi
,
C. H.
Tung
,
R.
Kumar
,
G. Q.
Lo
,
N.
Balasubramanian
, and
D.-L.
Kwong
,
IEEE Electron Device Lett.
27
,
383
(
2006
).
6.
R.
Gandhi
,
Z.
Chen
,
N.
Singh
,
K.
Banerjee
, and
S.
Lee
,
IEEE Electron Device Lett.
32
,
1504
(
2011
).
7.
K. J.
Kuhn
,
IEEE Trans. Electron Devices
59
,
1813
(
2012
).
8.
J. C.
Ho
,
R.
Yerushalmi
,
Z. A.
Jacobson
,
Z.
Fan
,
R. L.
Alley
, and
A.
Javey
,
Nat. Mater.
7
,
62
(
2008
).
9.
J. C.
Ho
,
R.
Yerushalmi
,
G.
Smith
,
P.
Majhi
,
J.
Bennett
,
J.
Halim
,
V. N.
Faifer
, and
A.
Javey
,
Nano Lett.
9
,
725
(
2009
).
10.
W. P.
Voorthuijzen
,
M. D.
Yilmaz
,
W. J. M.
Naber
,
J.
Huskens
, and
W. G.
van der Wiel
,
Adv. Mater.
23
,
1346
(
2011
).
11.
K.-W.
Ang
,
J.
Barnett
,
W.-Y.
Loh
,
J.
Huang
,
B.-G.
Min
,
P. Y.
Hung
,
I.
Ok
,
J. H.
Yum
,
G.
Bersuker
, and
M.
Rodgers
, in
Proceedings of the IEEE International Electron Devices Meeting 2011
(
2011
), p.
35.5.1
.
12.
B.
Long
,
G.
Alessio Verni
,
J.
O'Connell
,
J.
Holmes
,
M.
Shayesteh
,
D.
O'Connell
, and
R.
Duffy
, in Proceedings of the 20th International Conference on Ion Implantation Technology (IIT) (
2014
), pp.
1
4
.
13.
14.
M. I.
Current
,
Industrial Accelerators and their Applications
(
World Scientific Publishing Co.
,
2012
), pp.
9
56
.
15.
B.
Colombeau
,
B.
Guo
,
H.-J.
Gossmann
,
F.
Khaja
,
N.
Pradhan
,
A.
Waite
,
K. V.
Rao
,
C.
Thomidis
,
K.-H.
Shim
,
T.
Henry
, and
N.
Variam
,
Phys. Status Solidi A
211
,
101
(
2014
).
16.
C.-N.
Ni
,
K. V.
Rao
,
F.
Khaja
,
S.
Sharma
,
S.
Tang
,
J. J.
Chen
,
K. E.
Hollar
,
N.
Breil
,
X.
Li
,
M.
Jin
,
C.
Lazik
,
J.
Lee
,
H.
Maynard
,
N.
Variam
,
A. J.
Mayur
,
S.
Kim
,
H.
Chung
,
M.
Chudzik
,
R.
Hung
,
N.
Yoshida
, and
N.
Kim
, in
Digest of Technical Papers - Symposium on VLSI Technology 2016
(
2016
), p.
7573383
.
17.
P. K.
Chu
,
S.
Qin
,
C.
Chan
,
N. W.
Cheung
, and
L. A.
Larson
,
Mater. Sci. Eng., R
17
,
207
(
1996
).
18.
Y.
Sasaki
,
K.
Okashita
,
B.
Mizuo
,
M.
Kubota
,
M.
Ogura
, and
O.
Nishijima
,
J. Appl. Phys.
111
,
013712
(
2012
).
19.
B. H.
Kim
,
S. M.
Park
,
S. W.
Park
,
Y. B.
Park
,
H. J.
Kim
, and
C. G.
Park
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
213113
(
2012
).
20.
L.
Ye
,
M. P.
de Jong
,
T.
Kudernac
,
W. G.
van der Wiel
, and
J.
Huskens
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
57
,
166
(
2017
).
21.
B.
Long
,
G.
Alessio Verni
,
J.
O'Connell
,
M.
Shayesteh
,
A.
Gangnaik
,
Y. M.
Georgiev
,
P.
Carolan
,
D.
O'Connell
,
K. J.
Kuhn
,
S. B.
Clendenning
,
R.
Nagle
,
R.
Duffy
, and
J. D.
Holmes
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
62
,
196
(
2017
).
22.
E.
Rosseel
,
H. B.
Profijt
,
A.
Hikavyy
,
J.
Tolle
,
S.
Kubicek
,
G.
Mannaert
,
C.
L'abbé
,
K.
Wostyn
,
N.
Horiguchi
,
T.
Clarysse
,
B.
Parmentier
,
S.
Dhayalan
,
H.
Bender
,
J. W.
Maes
,
S.
Mehta
, and
R.
Loo
,
ECS Trans.
64
,
977
(
2014
).
23.
A.
Hikavyy
,
E.
Rosseel
,
G.
Eneman
,
P.
Favia
, and
R.
Loo
,
ECS Trans.
60
,
497
(
2014
).
24.
L.
Pelaz
,
R.
Duffy
,
M.
Aboy
,
L.
Marques
,
P.
Lopez
,
I.
Santos
,
B. J.
Pawlak
,
M. J. H.
van Dal
,
B.
Duriez
,
T.
Merelle
,
G.
Doornbos
,
N.
Collaert
,
L.
Witters
,
R.
Rooyackers
,
W.
Vandervorst
,
M.
Jurczak
,
M.
Kaiser
,
R. G. R.
Weemaes
,
J. G. M.
van Berkum
,
P.
Breimer
, and
R. J. P.
Lander
, in
Technical Digest - International Electron Devices Meeting
(
2008
), p.
4796744
.
25.
M.
Togo
,
Y.
Sasaki
,
G.
Zschätzsch
,
G.
Boccardi
,
R.
Ritzenthaler
,
J. W.
Lee
,
F.
Khaja
,
B.
Colombeau
,
L.
Godet
,
P.
Martin
,
S.
Brus
,
S. E.
Altamirano
,
G.
Mannaert
,
H.
Dekkers
,
G.
Hellings
,
N.
Horiguchi
,
W.
Vandervorst
, and
A.
Thean
, in
Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers
(
2013
), p.
196
.
26.
O.
Hazut
,
A.
Agarwala
,
T.
Subramani
,
S.
Waichman
, and
R.
Yerushalmi
,
J. Visualized Exp.
2
,
50770
(
2013
).
27.
Y.
Shimizu
,
H.
Takamizawa
,
K.
Inoue
,
F.
Yano
,
Y.
Nagai
,
L.
Lamagna
,
G.
Mazzeo
,
M.
Perego
, and
E.
Prati
,
Nanoscale
6
,
706
(
2014
).
28.
R. A.
Puglisi
,
S.
Caccamo
,
L.
D'Urso
,
G.
Fisichella
,
F.
Giannazzo
,
M.
Italia
, and
A.
La Magna
,
Phys. Status Solidi A
212
,
1685
(
2015
).
29.
L.
Ye
,
S. P.
Pujari
,
H.
Zuilhof
,
T.
Kudernac
,
M. P.
de Jong
,
W. G.
van der Wiel
, and
J.
Huskens
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
3231
(
2015
).
30.
E.
Arduca
,
M.
Mastromatteo
,
D. D.
Salvador
,
G.
Seguini
,
C.
Lenardi
,
E.
Napolitani
, and
M.
Perego
,
Nanotechnology
27
,
75606
(
2016
).
31.
T.
Alphazan
,
L.
Mathey
,
M.
Schwarzwälder
,
T.-H.
Lin
,
A. J.
Rossini
,
R. L.
Wischert
,
V.
Enyedi
,
H.
Fontaine
,
M.
Veillerot
,
A.
Lesage
,
L.
Emsley
,
L.
Veyre
,
F.
Martin
,
C.
Thieuleux
, and
C.
Copéret
,
Chem. Mater.
28
,
3634
(
2016
).
32.
J.
Veerbeek
,
L.
Ye
,
W.
Vijselaar
,
T.
Kudernac
,
W. G.
van der Wiel
, and
J.
Huskens
,
Nanoscale
9
,
2836
(
2017
).
33.
H.
Wu
,
B.
Guan
,
Y.
Sun
,
Y.
Zhu
, and
Y.
Dan
,
Sci. Rep.
7
,
41299
(
2017
).
34.
J.
O'Connell
,
G. A.
Verni
,
A.
Gangnaik
,
M.
Shayesteh
,
B.
Long
,
Y. M.
Georgiev
,
N.
Petkov
,
G. P.
McGlacken
,
M. A.
Morris
,
R.
Duffy
, and
J. D.
Holmes
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
15514
(
2015
).
35.
J.
O'Connell
,
G.
Collins
,
G. P.
McGlacken
,
R.
Duffy
, and
J. D.
Holmes
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
4101
(
2016
).
36.
T. F.
Kelly
and
M. K.
Miller
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
031101
(
2007
).
37.
Z.
Sun
,
O.
Hazut
,
B.-C.
Huang
,
Y.-P.
Chiu
,
C.-S.
Chang
,
R.
Yerushalmi
,
L. J.
Lauhon
, and
D. N.
Seidman
,
Nano Lett.
16
,
4490
(
2016
).
38.
P. D.
Wolf
,
R.
Stephenson
,
T.
Trenkler
,
T.
Clarysse
,
T.
Hantschel
, and
W.
Vandervorst
,
J. Vac. Sci. Technol. B
18
,
361
(
2000
).
39.
See http://www.itrs2.net/ for Semiconductor Technology trends and projections.
40.
S. M.
Sze
,
VLSI Technology
(
McGraw-Hill Book Co
.,
Singapore
,
1983
).
41.
R. S.
Muller
and
T. I.
Kamins
,
Device Electronics for Integrated Circuits
, 2nd ed. (
John Wiley & Sons
,
New York
,
1977
).
42.
R.
Duffy
,
M. J. H.
Van Dal
,
B. J.
Pawlak
,
M.
Kaiser
,
R. G. R.
Weemaes
,
B.
Degroote
,
E.
Kunnen
, and
E.
Altamirano
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
241912
(
2007
).
43.
L.
Pelaz
,
L.
Marques
,
M.
Aboy
,
P.
Lopez
,
I.
Santos
, and
R.
Duffy
, in
Technical Digest - International Electron Devices Meeting
(
2009
), p.
513
.
44.
E.
Lampin
and
C.
Krzeminski
,
J. Appl. Phys.
109
,
123509
(
2011
).
45.
I.
Martin-Bragado
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
233109
(
2011
).
46.
See http://www.srim.org for Modelling Interactions of Ions with Matter.
47.
R.
Duffy
,
M. J. H.
van Dal
,
B. J.
Pawlak
,
N.
Collaert
,
L.
Witters
,
R.
Rooyackers
,
M.
Kaiser
,
R.
Weemaes
,
M.
Jurczak
, and
R.
Lander
, in
Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC)
(
2008
), p.
334
.
48.
M.
Shayesteh
and
R.
Duffy
,
IEEE Trans. Semicond. Manuf.
28
,
508
(
2015
).
49.
F. A.
Trumbore
,
Bell Syst. Tech. J.
39
,
205
(
1960
).
50.
P.
Pichler
,
Intrinsic Point Defects, Impurities, and Their Diffusion in Silicon
(
Springer
,
Berlin
,
2004
).
51.
R.
Duffy
,
V. C.
Venezia
,
J.
Loo
,
M. J. P.
Hopstaken
,
M. A.
Verheijen
,
J. G. M.
Van Berkum
,
G. C. J.
Maas
,
Y.
Tamminga
,
T.
Dao
, and
C.
Demeurisse
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
081917
(
2005
).
52.
S.
Ruffell
,
I. V.
Mitchell
, and
P. J.
Simpson
,
J. Appl. Phys.
97
,
123518
(
2005
).
53.
H. C. H.
Wang
,
C.-C.
Wang
,
C.-S.
Chang
,
T.
Wang
,
P. B.
Griffin
, and
C. H.
Diaz
,
IEEE Electron Device Lett.
22
,
65
(
2001
).
54.
R.
Duffy
,
V. C.
Venezia
,
A.
Heringa
,
T. W. T.
Hüsken
,
M. J. P.
Hopstaken
,
N. E. B.
Cowern
,
P. B.
Griffin
, and
C. C.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
3647
(
2003
).
55.
M. J. P.
Hopstaken
,
Y.
Tamminga
,
M. A.
Verheijen
,
R.
Duffy
,
V. C.
Venezia
, and
A.
Heringa
,
Appl. Surf. Sci.
231–232
,
688
(
2004
).
56.
M.
Ferri
,
S.
Solmi
,
D.
Giubertoni
,
M.
Bersani
,
J. J.
Hamilton
,
M.
Kah
,
K.
Kirkby
,
E. J. H.
Collart
, and
N. E. B.
Cowern
,
J. Appl. Phys.
102
,
103707
(
2007
).
57.
M.
Ferri
,
S.
Solmi
,
A.
Parisini
,
M.
Bersani
,
D.
Giubertoni
, and
M.
Barozzi
,
J. Appl. Phys.
99
,
113508
(
2006
).
58.
B.
Kalkofen
,
M.
Lisker
, and
E. P.
Burte
,
Mater. Sci. Eng., B
114–115
,
362
(
2004
).
59.
Y.
Kiyota
,
T.
Nakamura
,
K.
Muraki
, and
T.
Inada
,
J. Electrochem. Soc.
141
,
2241
(
1994
).
60.
Y.
Kiyota
and
T.
Inada
,
J. Vac. Sci. Technol. A
19
,
2441
(
2001
).
61.
C. M.
Ransom
,
T. N.
Jackson
,
J. F.
DeGelormo
,
C.
Zeller
,
D. E.
Kotecki
,
C.
Graimann
,
D. K.
Sadana
, and
J.
Benedic
,
J. Electrochem. Soc.
141
,
1378
(
1994
).
62.
Y.-H.
Song
,
K.-T.
Park
,
H.
Kurino
, and
M.
Koyanagi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
39
,
26
(
2000
).
63.
M.
Perego
,
G.
Seguini
,
E.
Arduca
,
J.
Frascaroli
,
D.
De Salvador
,
M.
Mastromatteo
,
A.
Carnera
,
G.
Nicotra
,
M.
Scuderi
,
C.
Spinella
,
G.
Impellizzeri
,
C.
Lenardie
, and
E.
Napolitani
,
Nanoscale
7
,
14469
(
2015
).
64.
S.
Pantelides
,
Solid State Commun.
84
,
221
(
1992
).
65.
P.
Taheri
,
H. M.
Fahad
,
M.
Tosun
,
M.
Hettick
,
D.
Kiriya
,
K.
Chen
, and
A.
Javey
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
20648
(
2017
).
66.
O.
Hazut
,
A.
Agarwala
,
I.
Amit
,
T.
Subramani
,
S.
Zaidiner
,
Y.
Rosenwaks
, and
R.
Yerushalmi
,
ACS Nano
6
,
10311
(
2012
).
67.
L.
Ye
,
A.
Gonzalez-Campo
,
T.
Kudernac
,
R.
Nuńez
,
M.
de Jong
,
W. G.
van der Wiel
, and
J.
Huskens
,
Langmuir
33
,
3635
(
2017
).
68.
O.
Hazut
and
R.
Yerushalmi
,
Langmuir
33
,
5371
(
2017
).
69.
L.
Lin
,
Z.
Li
,
J.
Feng
, and
Z.
Zhang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
6063
(
2013
).
70.
G.
Cantele
,
E.
Degoli
,
E.
Luppi
,
R.
Magri
,
D.
Ninno
,
G.
Iadonisi
, and
S.
Ossicini
,
Phys. Rev. B
72
,
113303
(
2005
).
71.
T.-L.
Chan
,
M. L.
Tiago
,
E.
Kaxiras
, and
J. R.
Chelikowsky
,
Nano Lett.
8
,
596
(
2008
).
72.
D.
Hiller
,
J.
López-Vidrier
,
S.
Gutsch
,
M.
Zacharias
,
K.
Nomoto
, and
D.
König
,
Sci. Rep.
7
,
863
(
2017
).
73.
D.
Hiller
,
J.
López-Vidrier
,
S.
Gutsch
,
M.
Zacharias
,
M.
Wahl
,
W.
Bock
,
A.
Brodyanski
,
M.
Kopnarski
,
K.
Nomoto
,
J.
Valenta
, and
D.
König
,
Sci. Rep.
7
,
8337
(
2017
).
74.
D.
König
,
S.
Gutsch
,
H.
Gnaser
,
M.
Wahl
,
M.
Kopnarski
,
J.
Göttlicher
,
R.
Steininger
,
M.
Zacharias
, and
D.
Hiller
,
Sci. Rep.
5
,
9702
(
2015
).
75.
M. V.
Fernández-Serra
,
C.
Adessi
, and
X.
Blase
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
166805
(
2006
).
76.
M.
Diarra
,
Y.-M.
Niquet
,
C.
Delerue
, and
G.
Allan
,
Phys. Rev. B
75
,
045301
(
2007
).
77.
M. T.
Björk
,
H.
Schmid
,
J.
Knoch
,
H.
Riel
, and
W.
Riess
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
103
(
2009
).
78.
S. H.
Jain
,
P. B.
Griffin
,
J. D.
Plummer
,
S.
McCoy
,
J.
Gelpey
,
T.
Selinger
, and
D. F.
Downey
,
IEEE Trans. Electron Devices
52
,
1610
(
2005
).
79.
S.
Earles
,
M.
Law
,
R.
Brindos
,
K.
Jones
,
S.
Talwar
, and
S.
Corcoran
,
IEEE Trans. Electron Devices
49
,
1118
(
2002
).
80.
R.
Duffy
,
T.
Dao
,
Y.
Tamminga
,
K.
van der Tak
,
F.
Roozeboom
, and
E.
Augendre
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
071915
(
2006
).
You do not currently have access to this content.