Ge interface quality by surface and annealing treatments

Ge interface quality by surface and annealing treatments

Accepted Manuscript Title: Improving the ALD-grown Y2 O3 /Ge interface quality by surface and annealing treatments Author: C. Zimmermann O. Bethge K. ...

862KB Sizes 0 Downloads 23 Views

Accepted Manuscript Title: Improving the ALD-grown Y2 O3 /Ge interface quality by surface and annealing treatments Author: C. Zimmermann O. Bethge K. Winkler B. Lutzer E. Bertagnolli PII: DOI: Reference:

S0169-4332(16)30235-5 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.apsusc.2016.02.066 APSUSC 32584

To appear in:

APSUSC

Received date: Revised date: Accepted date:

10-12-2015 4-2-2016 5-2-2016

Please cite this article as: C. Zimmermann, O. Bethge, K. Winkler, B. Lutzer, E. Bertagnolli, Improving the ALD-grown Y2 O3 /Ge interface quality by surface and annealing treatments, Applied Surface Science (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.02.066 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Improving the ALD‐grown Y2O3/Ge interface quality by surface and annealing  treatments 

ip t

C. Zimmermann1, O. Bethge1, K. Winkler1, B. Lutzer1 and E. Bertagnolli1    1 Institute of Solid State Electronics, Technische Universität Wien, Floragasse 7, 1040 Wien, Austria 

Highlights 

cr

 

an

us

• Investigation of interfacial mechanisms for hydrofluoric and thermal pre-treated Ge-surfaces • Improvement of interface trap density due to proper annealing treatments • Further improvement of interfacial and electrical properties due to catalytic acting thin platinum layer Abstract 

M

Metal Oxide Semiconductor capacitors are investigated, employing ALD grown Y2O3 as gate  dielectric, and n‐type (100) germanium as channel substrate. The effect of post deposition 

d

annealing (PDA) in oxygen and forming gas atmosphere using a thin catalytically acting 

te

platinum (Pt)‐layer on the Y2O3/Ge interface is electrically analysed for buffered hydrofluoric  (BHF) and thermally pre‐treated Ge‐surfaces.  

Ac ce p

The Pt‐assisted PDA ensures even for BHF pre‐treated samples very low values for the  interface trap density Dit of 1.55*1011 eV‐1cm‐2 and low leakage current densities J of <7*10‐9  A /cm2 outperforming conventional PDA treatments. The interfacial formation of GeO2 and  Yttrium germanate after PDA is proven by using X‐ray Photoelectron Spectroscopy  measurements.   

Introduction 

The successful use of silicon in Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)  technology in recent decades was largely based on the existence of a stable intrinsic oxide  and a high‐quality SiO2/Si interface. The progressive miniaturization of Si/SiO2 MOS  transistors has induced a dramatically increase of the leakage current caused by the  extremely thin SiO2. To overcome this issue the “High‐k + Metal Gate” (HKMG) technique was  successfully implemented [1]. In addition, the relatively low charge carrier mobility of the Si 

Page 1 of 18

channel used so far is considered as limiting factor for high‐speed CMOS devices. Germanium  has indeed a high hole and electron mobility (3900 cm²/Vs; 1900 cm²/Vs), but several  shortcomings like the thermodynamic instability (above of 400 °C) and the water solubility of  the native germanium‐oxide prevented the successful implementation of germanium in 

ip t

CMOS devices [2‐4]. Therefore, some research for suitable cleaning and passivation‐ techniques was done to improve and stabilize the interface quality in Ge based HKMG stacks 

cr

[5, 6]. 

Surface cleaning using hydrofluoric (HF), hydrogenbromid (HBr), hydrogenchlorid (HCl), and 

us

ammonium sulfide ((NH4)2S) provided partially the complete removal of GeOx and led to a  hydrogen (H), chlorine (Cl) and sulfide (S) terminated Ge‐surface [7‐12]. Conventional  cleaning methods with HF showed not only a rougher surface compared to HCl pre‐treated 

an

Ge‐surfaces [7], but also depending on the HF concentration a defective and deteriorated  surface quality [13]. The research carried out by Xue et al. showed that with a cyclic HF/DI 

M

water dip a smoother surface can be achieved in comparison to a highly concentrated HF  solution, which induce surface damage [9]. A complete removal of the native germanium‐ oxide by a thermal evaporation step at 360 °C in an ultrahigh vacuum UHV was demonstrated 

d

by Dimoulas et al., using reflection high‐energy electron diffraction (RHEED) measurement 

te

[14]. Prabhakaran et al. achieved an atomically clean Ge‐surface by thermally decomposing a  thin oxide layer at about 430 °C to 450 °C, identified by XPS and UPS measurements [3, 15]. 

Ac ce p

In literature a combination of both methods, wet chemical pre‐treatment with a following  thermal desorption step, is frequently reported. For example, Delabie et al. removed the  natural germanium‐oxide initially by a HF solution followed by thermal desorption at 650 °C  to remove O and C residues which arise after HF etching [7, 16].   Concerning a high quality surface passivation, an oxide free Ge‐surface or one of the Ge‐ oxides/nitrides (GeO2; Ge3N4; GeOxNy ...) combined with non‐native oxides like La2O3, Al2O3,  HfO2 or Y2O3 exhibiting promising interface characteristics [5, 6, 17‐21]. It is also important  that high‐k oxides form a good electrical transition with the semiconductor in terms of  roughness and defects at the interface. Especially high‐k oxides from the rare earths  elements, such as Y2O3, allow a lattice‐matched growth with only few lattice defects  between semiconductor and oxide [22‐24]. For the deposition of thin high‐k oxide films,  atomic layer deposition (ALD) is the method of choice due to ultra‐smooth and  homogeneous film‐surfaces with highest step coverage [25]. In comparison, techniques such 

Page 2 of 18

as reactive sputtering or metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) produce  uneven dielectric surfaces leading to charge trapping [26].  Dong and co‐workers reported that a porous Pt‐layer deposited on different metals is leading  to an increased oxidation of the metals during an O2 annealing process which is induced by 

ip t

dissociated O2 [27]. Henkel et al. demonstrated a reduction of the interface trap density Dit to  mid 10*1011 eV‐1 cm‐2 in ZrO2/La2O3/Ge capacitors by using the Pt‐assisted oxidation of the 

cr

Ge/high‐k interface [28]. Up to now, the lowest Dit of 4.5*1010 eV‐1 cm‐2 was achieved in 

Al2O3/GeO2/Ge capacitors by using an electron cyclotron resonance plasma formed GeO2 on 

us

a Ge‐surface pre‐treated by diluted HF [18]. Another promising passivation technique after  HF (0.5 %) pre‐treatment, is using O2 plasma for growing high quality GeO2 leading to an  interface trap density of 5*1011 eV‐1 cm‐2 in TiO2/HfO2/GeO2/n‐Ge capacitors [19]. By using a 

an

combined surface pre‐treatment of HF and thermal desorption at 650 °C, thermally grown  GeO2 in HfO2/GeO2/Ge capacitors yield also to low Dit of 3*1011 eV‐1 cm‐2 [16].  

M

In this study, the effect of Pt‐assisted annealing in oxygen and forming gas atmosphere  compared to conventional PDA annealing is discussed by using ALD grown Y2O3 on differently  pre‐treated Ge‐surfaces. The native oxide is either initially wet chemically removed or 

te

measurements. 

d

thermally desorbed from the Ge‐surface. The interface is examined by means of in‐situ XPS‐

As metal gate a titan nitride/tungsten (TiN/W) stack is used with W acting as a good cover 

Ac ce p

and conducting layer able to prevent an oxidation of the underlying TiN layer, which is  employed due to a proper work function for pMOS devices.  

Experimental 

For the fabrication of the MOS‐capacitors antimony (Sb) doped (100) Ge with a resistivity of  4.9 to 5.9 Ωcm (MTI Corporation) was used as substrate. Two methods were used for the  surface preparation (i) wet‐chemical treatment with a 3 min cyclical 15 sec NH4F/HF (7:1) /  15 sec DI‐water dip, denoted in the following as “BHF” and (ii) thermal surface treatment in  an ultrahigh vacuum (UHV) chamber by heating the sample, denoted in the following as  “desorb”. In order to analyse the semiconductor surface of remaining GeOx residues XPS‐ measurements were performed within 5 min after pre‐treatment. Subsequently, the samples  were transferred into the ALD chamber (TFS 200, Beneq) within 1 min without breaking the 

Page 3 of 18

vacuum. For this purpose a cluster tool is used consisting of ALD and XPS tool, which are  connected by a vacuum transfer system with load lock access.  As a metal organic precursor  tris(methylcyclopentadienyl)yttrium kept at 150 °C was used, which reacts with water as an  oxidizing agent to form Y2O3 on the surface and by‐products are purged by nitrogen. The 

ip t

growth rate of the as deposited yttrium oxide was measured to be 0.15 nm/cycle by using  spectroscopic ellipsometry (J.A. Woollam). To analyse interfacial reactions of the as 

cr

deposited Y2O3, the samples were transferred without breaking the vacuum for further XPS  investigations.  

us

Subsequently, 50 cycles Y2O3 (~7.5 nm) were deposited onto the different pre‐treated Ge‐ surfaces for the fabrication of MOS capacitors and on one subset of samples a 5 nm platinum  layer was sputtered (Von Ardenne) on the top of the as deposited oxide layer. All samples 

an

have been exposed to an O2 PDA for 10 min at 550 °C followed by forming gas annealing  (FGA) at 350 °C for 30 min in a rapid thermal annealing (RTA) furnace (UniTemp). A metal 

M

stack of TiN (25 nm) and W (78 nm) was deposited for the circular shaped gate electrodes  with a diameter of 100 µm which were lithographically patterned and structured by means of  reactive ion etching (RIE) in SF6 / N2 plasma. As back contact a Ti/Au‐metallization was 

d

applied after Ar+ cleaning of the Ge backside. Finally, one part of the samples underwent a 

te

post metallization annealing (PMA) in forming gas at 350 °C for 30 min.   Oxide and interface quality was evaluated via capacitance‐voltage (CV), conductance‐

Ac ce p

frequency (Gf) and current‐voltage (IV) measurements using a parameter analyser (4200‐SCS  Keithley), a capacitance bridge (AH‐2700A Andeen Hagerling) and a probe station (Cascade  MicroTech). Electrical properties like the oxide capacitance per area Cox_□, capacitance  equivalent thickness CET, flatband‐voltage VFB and hysteresis width were extracted from the  CV‐measurement. The CV‐curves were measured in a voltage range of ‐2 V to +2 V at  different frequencies (1 MHz, 500 kHz, 100 kHz, 50 kHz, 10 kHz, 1 kHz, 100 Hz). The influence  of a lossy dielectric interface layer or series resistance was eliminated by a correction formula  after Kwa et al. [29]. The CET was calculated according to CET = ε0*3.9/ Cox_□, whereat the  value of Cox_□ was taken from the 100 Hz CV‐curve in accumulation at +2 V. For the  determination of the hysteresis width, the voltage values at the capacitance Cmin + (Cmax ‐  Cmin)/2 were taken from the forward and backward CV‐curve at 1 MHz and the flat band  voltage was calculated by using the CVC‐program from Hauser et al. from the 1 MHz CV‐ curve [30]. Gf‐measurements were used for the calculation of the interface trap density Dit 

Page 4 of 18

after the conductance method [31, 32] in a frequency range from 1 kHz to 10 MHz. Dit values  were extracted close to the Ge mid‐gap state. Breakdown voltage Vbreak and leakage current  density J were obtained by IV‐measurements. The value of the breakdown voltage was  extracted from the IV‐measurement where a sudden increase of the current by several 

ip t

orders of magnitude occurs and the leakage current density was read‐off at 1V+VFB in  forward bias.  

cr

Chemical and interfacial properties of the films were examined by XPS using Al Kα as X‐ray  source (Phoibos 150 MCD‐9 detector, Specs). The binding energies of all XPS spectra were 

us

calibrated for the C1s and Ge2p states. For the fitting of the peak positions the Gaussian‐ Lorentzian line shape was used, provided by the analysing tool Casa XPS (VAMAS Processing  Software). 

an

 

Results and Discussion  

M

  (A) XPS analysis 

After the pre‐treatment of the Ge surface, XPS‐measurements (Fig.1) were performed in 

Ac ce p

te

d

order to analyse the surface of GeOx residues.  

  Fig.1: XPS of the Ge2p core‐level of thermally pre‐treated and BHF pre‐treated Ge surfaces. No  evidence of GeOx residuals are visible by XPS. The inset shows the Ge starting surface covered  by native oxide. 

The XPS‐measurements show for both preparation methods neither a GeO2‐peak at 1220.6  eV nor a GeOx (x <2) peak at 1219.3 eV [15]. This suggests that the substrate oxide of the  Page 5 of 18

starting surface (Fig.1, inset) was successfully reduced below the XPS detection limit of 0.1  atom%. Such removal of the native germanium‐oxide by thermal evaporation is already well  known [14]. Concerning the BHF treatment for GeOx removing, no unambiguous evidence  can be found in literature. It is reported by XPS study that no oxide after hydrofluoric (HF) 

ip t

pre‐treatment can be found [5] , while it was also contrary reported that non‐negligible sub‐ oxides (~ 5 Å) remain on the surface after HF etching, measured with second harmonic 

cr

generation (SHG) [5, 8].  

Deposited oxide thickness after 10 ALD cycles was measured by ellipsometry to be 1.58 nm 

us

for the BHF pre‐treated surface and 2.28 nm for the thermal pre‐treated surface. The   corresponding in situ XPS spectra of the Ge2p and Y3d state are shown in Fig.2 for the wet‐

Ac ce p

te

d

M

an

chemically (left) and thermally pre‐treated (right) Ge‐surfaces. 

Fig.2: In‐situ XPS spectra of the Ge2p and the Y3d state (inset) of (c) pre‐treated Ge‐surface  with Y3d state of Si/Y2O3 as reference (b) as deposited Y2O3 and (a) annealed Y2O3 (O2 at 550  °C for 30 sec) on wet‐chemically (left) and thermally (right) pre‐treated Ge surfaces. 

10 cycles of as deposited Y2O3 (Fig.2b, left), forms a broad shoulder in the Ge2p spectrum of  the wet‐chemical treated surface which indicates the growth of GeO (at 1218.88 eV) and  YGeO (at 1219.59 eV) on the differently pre‐treated starting surfaces (Fig.2c). Notably, in the  Page 6 of 18

as deposited samples significant formation of interfacial YGeOx is apparent also indicated by  the shift of the Y3d peak (Fig.2 insets) to higher binding energy (BHF: 156.92 eV/desorb:  156.93 eV) compared to Y2O3 deposited on Si (156.2 eV, Fig.2c inset) or compared to data as  reported elsewhere (156.6 eV) [33]. In the case of the thermally pre‐treated sample (Fig.2b, 

ip t

right), only a slight growth of GeO and YGeO is detected. The GeO vanishes by applying PDA  (Fig.2a) at 550 °C for 30 sec and the formation of a significant yttrium germanate phase 

cr

(YGeOx) as well as an additional growth of GeO2 is observed. Wang et al. reported that during  the process of annealing, GeO desorbs from the interface and is trapped into the oxygen 

us

deficient YGeOx leading to an oxygen densification, which suppresses GeO volatilization and  maintains the quality of Ge/GeO2 interfaces [24]. The peak deconvolution in Fig.2a reveals a  more pronounced YGeO peak of the wet‐chemically pre‐treated sample in comparison to the 

an

thermally pre‐treated sample. It seems that during the annealing a larger amount of GeO  desorbs from the interface of the wet‐chemically pre‐treated sample and incorporates into 

M

the yttrium germanate layer inducing a more pronounced germanate phase. In the case of  the thermally pre‐treated sample, however, less GeO desorbs from the interface resulting in 

d

an increased growth of interfacial GeO2. The good passivation properties of the grown GeO2 

   

te

layer are proven in the electrical characterization part of this study. 

Ac ce p

(B) Electrical characterization 

Electrical characterization was carried out based on W/TiN/Pt/Y2O3/n‐Ge and W/TiN/Y2O3/n‐ Ge capacitors. For the fabrication of the samples, two different methods of surface  preparation were used. On both sets of samples, ALD grown Y2O3 of 50 cycles resulted in a  layer thickness of ~7.5nm determined by means of ellipsometry. Measurements of several  samples show a small deviation in thickness of only +/‐ 0.24 nm. In the case of the BHF pre‐ treated samples, especially the influence of a thin catalytically acting Pt‐layer in conjunction  with a PMA on the electrical properties has been studied. Also the additional effect of PMA  was examined on the basis of the thermally pre‐treated samples.     From the CV‐characteristics of the gate stacks with wet‐chemically pre‐treated Ge‐surfaces,  shown in Fig.3(a, b) left, we can conclude that a Pt‐assisted PDA at 550 °C reduces the  hysteresis width which indicates a lower amount of oxide charges. In addition, the flat band 

Page 7 of 18

voltage is positively shifted compared to a sample with conventional PDA. This effect can be  explained by an increased amount of oxygen induced by the PDA, which decreases the  density of fixed oxide charges leading to a shift of the flat band voltage [34]. Thereby, also a  reduction of the Dit from 2.34*1011 eV‐1cm‐2 down to 1.55*1011 eV‐1cm‐2 was achieved. An 

ip t

improvement in the leakage current density by about two orders of magnitude, and a twice  as high breakdown voltage is also achieved by Pt‐assisted PDA. It is worth mentioning here 

cr

that the IV‐measurements were made at multiple spots distributed over the fabricated 

sample. In the case of the Pt‐assisted PDA sample the JV‐characteristic shows an almost 

us

homogeneous behaviour over different spots, whereas those of the sample with 

conventional PDA strongly differ for individual spots. Due to these discrepancies in leakage  current it is generally difficult to make clear statements about it. However, in principle it can 

an

be said that due to the conventional PDA less reinforced oxide growth at the Y2O3/Ge  interface occurs and therefore a lower oxide thickness results in higher leakage current. 

M

 

Ac ce p

te

d

 

Page 8 of 18

ip t cr us an M d te

 

Ac ce p

Fig.3: CV‐ and JV‐characteristic of the wet‐chemical pre‐treated W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS capacitors   with Pt‐assisted PDA (a), and conventional PDA (b) in oxygen at 550 °C for 10 min. FGA and PMA  each at 350 °C for 30 min were conducted on both samples.   

A further method to estimate the quality of the oxide is the determination of its conduction  mechanisms [35]. Based on the sample in Fig.3a, three different conduction mechanisms are  observed (Fig.4) within the Pt‐assisted PDA Y2O3‐stack deposited on a wet‐chemical pre‐ treated Ge‐substrate, whereby Fowler‐Nordheim (FN) tunnelling and direct tunnelling (DT)  are most significant. While for high bias (>7 V) FN tunnelling is the dominant mechanism, DT  is evident for the low bias region (<2.7 V). Also Poole‐Frenkel (PF) emission is observed in the  middle bias region (3.4 V‐4.6 V), indicating that the leakage current in this voltage range is  governed by a trap assisted mechanism [35].  

Page 9 of 18

ip t cr us an

 

Fig.4: Leakage current mechanisms of the BHF pre‐treated W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS capacitor  with Pt‐assisted PDA. Fowler‐Nordheim (FN), direct tunnelling (DT) and Poole‐Frenkel (PF) 

M

regimes are identified and indicated. FN tunnelling is observed in the high bias region (7.14  V‐10 V), DT in the low bias region (0.37 V‐2.7 V) and PF emission in the middle bias region 

te

 

d

(3.4 V‐4.6 V). 

In Fig.5, CV‐characteristics for thermally pre‐treated W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS‐capacitors are 

Ac ce p

shown employing Pt‐assisted PDA (Fig.5b, d) and conventional PDA (Fig.5a, c) at 550 °C for  10 min, as well as additional PMA (Fig.5c, d) treatments. Comparing the PDA sample in Fig.5a  with the Pt‐assisted PDA sample in Fig.5b where no PMA is provided, only minor differences  in the electrical parameters can be obtained, whereby the Dit is slightly reduced from  4.91*1011 eV‐1cm‐2 to 3.18*1011 eV‐1cm‐2.  By using a PMA, the Dit of the Pt‐assisted PDA  sample in Fig.5b can be reduced from 3.18*1011 eV‐1cm‐2 to a low value of 1.04*1011 eV‐1cm‐2  which is shown in Fig.5d. Additionally, the flat band voltage can be reduced from ‐468 mV to  ‐56.3 mV and the hysteresis width from 228 mV to 59.71 mV at constant CET and Cox_□. For  the sample with conventional PDA, shown in Fig.5a, only a slight reduction of Dit from  4.91*1011 eV‐1cm‐2 to 1.94*1011 eV‐1cm‐2 (Fig.5c) is observed whereby a noticeable reduction  of VFB and hysteresis width have been achieved.   

Page 10 of 18

ip t cr us an M d te

 

Ac ce p

Fig.5: CV‐characteristic of the thermal pre‐treated W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS capacitors  with Pt‐assisted PDA (b, d) and conventional PDA (a, c) in oxygen at 550 °C for 10 min. 

All samples received a FGA at 350 °C for 30 min after the oxygen annealing. PMA was 

applied to the samples c) and d) only.  

 

In Table1 all measured properties of the examined samples are depicted.   

Sample 

Dit 

CET 

J(VFB+1V) 

Vbreak  

VFB 

Hysteresis 

Cox_□ 

1/(eV*cm²) 

(nm) 

(A/cm²) 

(V) 

(mV) 

(mV) 

(µF/cm²) 

BHF w. Pt (PMA) 

1.55e11 

10.23 

6.46e‐09 

9.6 

‐6.66 

94.47 

0.34 

BHF w/o Pt (PMA) 

2.34e11 

4.61 

1.52e‐07 

4.73 

‐253.1 

606.49 

0.75 

Desorb w. Pt (PMA) 

1.04e11 

9.89 

6.07e‐09 

8.66 

‐56.26 

59.71 

0.35 

Desorb w. Pt  

3.18e11 

9.89 

‐ 

‐ 

‐468.3 

228.12 

0.35 

Desorb w/o Pt (PMA) 

1.94e11 

7.67 

8.52e‐09 

11.5 

‐115.9 

172.83 

0.45 

Page 11 of 18

Desorb w/o Pt 

4.91e11 

7.75 

‐ 

‐ 

‐307.6 

294.96 

0.45 

Table1: Measured electrical parameters of the wet‐chemically (BHF) and thermally (desorb) pre‐ treated surfaces of W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS capacitors with Pt‐assisted PDA (w. Pt) and conventional  PDA (w/o Pt) in oxygen at 550 °C for 10 min. A subsequent FGA at 350 °C for 30 min was applied to all 

ip t

samples after the oxygen annealing. The utilization of a PMA at 350 °C for 30 min is indicated. 

 

For the samples with conventional PDA and PMA (Fig.3b and Fig.5c) Dit's in the range of 

cr

2.34*1011 eV‐1cm‐2 for BHF and 1.94*1011 eV‐1cm‐2 for thermally pre‐treated Ge surfaces are 

us

achieved, comparable to values reported elsewhere [21, 23, 36‐38]. The CET is determined  between 4.5 nm (BHF‐samples) and 7.6 nm (desorb samples) and is well below the values of  the Pt‐assisted PDA samples (10.23 nm and 9.89 nm) also indicating a stronger growth of 

an

interfacial GeO2 by the Pt‐assisted PDA approach. Comparing the wet‐chemically pre‐treated  samples from Fig.3 with the thermally pre‐treated samples from Fig.5, an increased oxide 

M

growth at the interface can be observed for the Pt‐assisted PDA samples, which is  independent of the substrate pre‐treatment. This results in a relatively high CET of ~ 10 nm 

 

d

and a low capacitance per area Cox_□ of ~ 0.35 μF/cm², as shown in Table1. 

te

In agreement with the XPS investigations, the lower Dit for Pt‐assisted PDA samples can be  explained due to an enhanced growth of a GeO2 layer. The interface trap densities of the wet‐

Ac ce p

chemically and thermally pre‐treated surfaces stay nearly constant when they are annealed  under same conditions, while a higher hysteresis width of the BHF pre‐treated sample with  conventional PDA is notable. We expect that the broader hysteresis of the wet‐chemically  pre‐treated sample is most likely induced by a larger amount of GeO formed by ALD, which  desorbs from the interface during PDA [39]. The remaining dangling bonds at the interface  possibly saturate during the oxygen annealing leading to the low Dit even in case of the BHF  pre‐treated samples. Another explanation could be that more OH‐groups are dissociated in O  and H, whereas interstitial H [40] may be captured into the Y2O3 structure inducing the  broader hysteresis [32], while O remains at the interface continuing to saturate dangling  bonds. In Table1, it is also shown that CET of the thermally pre‐treated surface is about 1.7  times higher than the CET of the wet‐chemically pre‐treated surface when compared to the  samples with conventional PDA. We assume that after BHF pre‐treatment the Ge‐surface is  H‐terminated [7, 10]. In this case more GeO is formed during ALD compared to the thermal 

Page 12 of 18

pre‐treated samples as shown by XPS (Fig.2). The reduced CET of the BHF pre‐treated  samples is most likely due to a stronger GeO volatilization followed by delayed interfacial  GeO2 growth during oxygen annealing, which is also visible in the deconvoluted XPS spectra 

ip t

of Fig.2 (left). 

In summary, ALD‐grown Y2O3 on n‐type (100)‐Ge was electrically characterized by means of 

cr

CV‐ and IV‐measurements of W/TiN/Y2O3/n‐Ge and W/TiN/Pt/Y2O3/n‐Ge capacitors. XPS‐ 

measurements show that interfacial yttrium germanate is formed during the ALD process. 

us

The O2 PDA at 550 °C leads to an enhanced growth of interfacial GeO2 most likely inducing a  strong improvement of the interface quality. In this work a remarkable low Dit is achieved  with a 5 nm PVD deposited Pt‐layer on top of the gate oxide in conjunction with thermal 

an

annealing in oxygen. Notably, for simply BHF pre‐treated Ge samples, the Pt‐assisted  catalytic PDA leads to a low Dit of 1.55*1011 eV‐1cm‐2, low hysteresis width of 94.5 mV, low 

M

leakage currents of 6.46*10‐9 A/cm2 and high breakdown voltage of 9.6 V. It turns out that  along with the oxygen containing PDA also a PMA is necessary for reducing the interface 

Acknowledgement 

te

 

d

traps significantly from 3.18*1011 eV‐1cm‐2 down to 1.04*1011 eV‐1cm‐2.    

Ac ce p

This work is funded by the Austrian Science Fund (FWF), project № P24506 – N27. The  „Zentrum für Mikro‐ und Nanostrukturen (ZMNS)“ and the "Gesellschaft für Mikroelektronik  (GMe)" are gratefully  acknowledged. 

Page 13 of 18

  Fig.1: XPS of the Ge2p core‐level of thermally pre‐treated and BHF pre‐treated Ge surfaces. No  evidence of GeOx residuals are visible by XPS. The inset shows the Ge starting surface covered by  native oxide. 

ip t

Fig.2: In‐situ XPS spectra of the Ge2p and the Y3d state (inset) of (c) pre‐treated Ge‐surface with 

Y3d state of Si/Y2O3 as reference (b) as deposited Y2O3 and (a) annealed Y2O3 (O2 at 550 °C for 30 

cr

sec) on wet‐chemically (left) and thermally (right) pre‐treated Ge surfaces. 

Fig.3: CV‐ and JV‐characteristic of the wet‐chemical pre‐treated W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS capacitors  

us

with Pt‐assisted PDA (a), and conventional PDA (b) in oxygen at 550 °C for 10 min. FGA and PMA  each at 350 °C for 30 min were conducted on both samples.   

an

Fig.4: Leakage current mechanisms of the BHF pre‐treated W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS capacitor  with Pt‐assisted PDA. Fowler‐Nordheim (FN), direct tunnelling (DT) and Poole‐Frenkel (PF) 

M

regimes are identified and indicated. FN tunnelling is observed in the high bias region (7.14  V‐10 V), DT in the low bias region (0.37 V‐2.7 V) and PF emission in the middle bias region  (3.4 V‐4.6 V). 

d

Fig.5: CV‐characteristic of the thermal pre‐treated W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS capacitors 

te

with Pt‐assisted PDA (b, d) and conventional PDA (a, c) in oxygen at 550 °C for 10 min. All  samples received a FGA at 350 °C for 30 min after the oxygen annealing. PMA was 

Ac ce p

applied to the samples c) and d) only.  

Table1: Measured electrical parameters of the wet‐chemically (BHF) and thermally (desorb) pre‐ treated surfaces of W/TiN/Y2O3/n‐Ge MOS capacitors with Pt‐assisted PDA (w. Pt) and conventional  PDA (w/o Pt) in oxygen at 550 °C for 10 min. A subsequent FGA at 350 °C for 30 min was applied to all  samples after the oxygen annealing. The utilization of a PMA at 350 °C for 30 min is indicated. 

Page 14 of 18

References 

an

us

cr

ip t

[1] K. Mistry, C. Allen, C. Auth, B. Beattie, D. Bergstrom, M. Bost, M. Brazier, M. Buehler, A.  Cappellani, R. Chau, C.‐H. Choi, G. Ding, K. Fischer, T. Ghani, R. Grover, W. Han, D. Hanken, M.  Hattendorf, J. He, J. Hicks, R. Huessner, D. Ingerly, P. Jain, R. James, L. Jong, S. Joshi, C. Kenyon, K.  Kuhn, K. Lee, H. Liu, J. Maiz, B. Mcintyre, P. Moon, J. Neirynck, S. Pae, C. Parker, D. Parsons, C.  Prasad, L. Pipes, M. Prince, P. Ranade, T. Reynolds, J. Sandford, L. Shifren, J. Sebastian, J. Seiple, D.  Simon, S. Sivakumar, P. Smith, C. Thomas, T. Troeger, P. Vandervoorn, S. Williams, K. Zawadzki, “A  45nm Logic Technology with High‐k+Metal Gate Transistors, Strained Silicon, 9 Cu Interconnect  Layers, 193nm Dry Patterning, and 100% Pb‐free Packaging,” Electron Devices Meeting (IEDM),  IEEE International, p. 247 – 250, 10‐12 Dec. 2007. DOI: 10.1109/IEDM.2007.4418914    [2] K. Kita, S. Suzuki, H. Nomura, T. Takahashi, T. Nishimura, and A. Toriumi, “Direct Evidence of GeO  Volatilization from GeO2/Ge and Impact of Its Suppression on GeO2/Ge Metal–Insulator– Semiconductor Characteristics,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 47, no. 4, pp. 2349– 2353, 2008.    [3] K. Prabhakaran, F. Maeda, Y. Watanabe, and T. Ogino, “Distinctly Different Thermal  Decomposition Pathways of Ultrathin Oxide Layer on Ge and Si Surfaces,” Applied Physics Letters,  vol. 76, issue 16, p. 162244, February 2000. 

Ac ce p

te

d

M

[4] Y. Kamata, “High‐k/Ge MOSFETs for Future Nanoelectronics,” Materials Today, vol. 11, no. 1‐2,  pp. 30 – 38, 2008.    [5] A. Dimoulas, E. Gusev, P. C. McIntyre, M. Heyns, “Advanced Gate Stacks for High‐Mobility  Semiconductors,” Springer Series in advanced microelectronics, Berlin Heidelberg, 2007.    [6] Q. Xie, S. Deng, M. Schaekers, D. Lin, M. Caymax, A. Delabie, X.‐P. Qu, Y.‐L. Jiang, D. Deduytsche  and C. Detavernier, “Germanium surface passivation and atomic layer deposition of high k  dielectrics – a tutorial review on the based MOS capacitors,” Semiconductor Science and  Technology, vol. 27, 074012 (14pp), 2012. DOI: 10.1088/0268‐1242/27/7/074012    [7] S. Sun, Y. Sun, Z. Liu, D.‐I. Lee, S. Peterson and P. Pianetta, “Surface Termination and Roughness of  Ge(100) Cleaned by HF and HCl Solutions,” Applied Physics Letters, vol. 88, issue 2, p. 021903,   2006. DOI: 10.1063/1.2162699     [8] D. Bodlaki, H. Yamamoto, D.H. Waldeck, E. Borguet, “Ambient stability of chemically passivated  germanium interfaces,” Surface Science, 543, 63‐74, 2003. DOI:10.1016/S0039‐6028(03)00958‐0    [9] B.‐Q. Xue, H.‐D. Chang, B. Sun, S.‐K. Wang, H.‐G. Liu, “The Impact of HCl Precleaning and Sulfur  Passivation on the Al2O3/Ge Interface in Ge Metal Oxide Semiconductor Capacitors,” Chinese  Physics Letters, vol. 29, no. 4, 046801, 2012. DOI: 10.1088/0256‐307X/29/4/046801    [10] S. Rivillon, Y. J. Chabal, F. Amy and A. Kahn, “Hydrogen passivation of germanium (100) surface  using wet chemical preparation,” Applied Physics Letters, vol.  87, issue 25, p. 253101, 2005.  DOI: 10.1063/1.2142084     [11] B. Onsia, T. Conard, S. De Gendt, M. Heyns, I. Hoflijk, P. Mertens, M. Meuris, G. Raskin, S.  Sioncke, I. Teerlinck, A. Theuwis, J. Van Steenbergen and C. Vinckier, “A Study of the Influence of  Typical Wet Chemical Treatments on the germanium Wafer Surface,” Solid State Phenomena  Vols. 103‐104, pp. 27‐30, Trans Tech Publications, Switzerland, 2005.  DOI:10.4028/www.scientific.net/SSP.103‐104.27    Page 15 of 18

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

ip t

[12] O. Bethge, S. Abermann, C. Henkel, C. J. Straif, H. Hutter and E. Bertagnolli, “Impact of  Germanium Surface Conditioning and ALD‐growth Temperature on Al2O3 / ZrO2 High‐k  Dielectric Stacks,” Journal of The Electrochemical Society, 156 10 G168‐G172, 2009. DOI:  10.1149/1.3205455    [13] W. P. Bai, N. Lu, J. Liu, A. Ramirez, D.L. Kwong, D. Wristers, A. Ritenour, L. Lee, D. Antoniadis, “Ge  MOS Characteristics with CVD HfO2 Gate Dielectrics and TaN Gate Electrode,” IEEE VLSI  Technology, Digest of Technical Papers, Symposium on 10‐12 June 2003, pp. 121‐122, Kyoto,  Japan. DOI: 10.1109/VLSIT.2003.1221115    [14] A. Dimoulas, G. Mavrou, G. Vellianitis, E. Evangelou, N. Boukos, M. Houssa and M. Caymax,  “HfO2 high‐κ gate dielectrics on Ge (100) by atomic oxygen beam deposition,” Applied Physics  Letters, vol. 86, issue 3, p. 032908, 2005. DOI: 10.1063/1.1854195     [15] K. Prabhakaran, T. Ogino, “Oxidation of Ge(100) and Ge(111) surfaces––an UPS and XPS study,”  Surface Science, vol. 325, p. 263–271, March 1995. DOI:10.1016/0039‐6028(94)00746‐2    [16] A. Delabie, F. Bellenger, M. Houssa, T. Conard, S. Van Elshocht, M. Caymax, M. Heyns and M.  Meuris, “Effective electrical passivation of Ge(100) for high‐k gate dielectric layers using  germanium oxide,” Applied Physics Letters, vol.91, issue 8, p. 082904, August 2007. DOI:  10.1063/1.2773759    [17] A. Dimoulas, D. Tsoutsou, Y. Panayiotatos, A. Sotiropoulos, G. Mavrou, S. F. Galata, and E. Golias,  “The Role of La surface Chemistry in the Passivation of Ge,” Applied Physics Letters, vol. 96,  issue 1, p. 012902, January 2010. DOI: 10.1063/1.3284655    [18] Y. Fukuda, Y. Yazaki, Y. Otani, T. Sato, H. Toyota, and T. Ono, “Low‐Temperature Formation of  High‐Quality GeO2 Interlayer for High‐κ Gate Dielectrics/Ge by Electron‐Cyclotron‐Resonance  Plasma Techniques,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 57, p. 282‐287, 2010.  DOI:10.1109/TED.2009.2035030    [19] Q. Xie, D. Deduytsche, M. Schaekers, M. Caymax, A. Delabie, X.‐P. Qu and C. Detavernier,  “Implementing TiO2 as gate dielectric for Ge‐channel complementary metal‐oxide‐ semiconductor devices by using HfO2/GeO2 interlayer,” Applied Physics Letters, vol.97, issue 11,  p. 112905, 2010. DOI: 10.1063/1.3490710    [20] W. P. Bai, N. Lu, and D.‐L. Kwong, “Si interlayer passivation on germanium MOS capacitors with  high‐Κ dielectric and metal gate,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 26, Issue 6, p. 378‐380, June  2005, DOI: 10.1109/LED.2005.848128    [21] O. Bethge, C. Zimmermann, B. Lutzer, S. Simsek, J. Smoliner, M. Stöger‐Pollach, C. Henkel, E.  Bertagnolli, “Effective reduction of trap density at the Y2O3/Ge Interface by rigorous high  temperature oxygen annealing”, Journal of Applied Physics, vol. 116, issue 21, p. 214111, 2014.  DOI:10.1063/1.4903533    [22] J. Robertson, “High Dielectric Constant Oxides”, The European Physical Journal Applied Physics,  vol. 28, pp. 265–291, 2004.    [23] C. Lee, T. Nishimura, T. Tabata, S. Wang, K. Nagashio, K. Kita, and A. Toriumi, “Ge MOSFETs  Performance: Impact of Ge Interface Passivation,” in IEEE International Electron Devices  Meeting, pp. 18.1.1–18.1.4, December 2010.   

Page 16 of 18

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

ip t

[24] H. Wang, A. Chroneos, A. Dimoulas, U. Schwingenschlögl, “Interaction of oxygen vacancies in  yttrium germanates,” Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 14, p. 14630‐14634, 2012.  DOI:10.1039/c2cp42380d.    [25] T. Suntola and J. Antson,“Method for producing compound thin films,“ US Patent US 4058430,  November 1977.    [26] M. Bohr, R. Chau, T. Ghani, and K. Mistry, „The High‐k Solution,“ IEEE Spectrum, vol. 44, no. 10,  pp. 29‐35, October 2007.    [27] Q. Dong, G. Hultquist, G. I. Sproule, and M. J. Graham, “Platinum‐catalyzed high temperature  oxidation of metals,” Corrosion Science, vol. 49, p. 3348‐3360, 2007. DOI:  10.1016/j.corsci.2007.03.010    [28] C. Henkel, O. Bethge, S. Abermann, S. Puchner, H. Hutter, and E. Bertagnolli, “Pt assisted  Oxidation of (100)‐Ge/high‐k Interfaces and Improvement of their Electrical Quality,” Applied  Physics Letters, vol. 97, issue 15, p. 152904, October 2010.    [29] K. Kwa, S. Chattopadhyay, N. Jankovic, S. Olsen, L. Driscoll, and A. ONeill, “A Model for  Capacitance Reconstruction from Measured lossy MOS Capacitance‐Voltage Characteristics,”  Semiconductor Science and Technology, vol. 18, no. 2, 2003.    [30] J. Hauser, “CVC Hauser, NCSU Software, Department of Electrical and Computer Engineering,”  North Carolina State University, Raleigh, NC, 2000.    [31] E. Nicollian and A. Goetzberger, “Si‐SiO2 Interface ‐ Electrical Properties as Determined by the  Metal‐Insulator‐Silicon Conductance Technique,” Bell System Technical Journal, vol. 46, pp.  1055–1133, July/August 1967.    [32] D. Schroder, “Semiconductor Material And Device Characterization”, New York, John Wiley &  Sons, 2nd edition, 1998.    [33] B. V. Crist, “The Elements of Native Oxides,” Handbook of Monochromatic XPS Spectra, Wiley,  August 2000, ISBN: 978‐0‐471‐49265‐8    [34] S. Deng, Q.Xie, D. Deduytsche, M. Schaekers, D. Lin et al., “Effective reduction of fixed charge  densities in germanium based metal‐oxide‐semiconductor devices,” Applied Physics Letters, vol.  99, issue 5, p. 052906, 2011. DOI:10.1063/1.3622649     [35] S.M. Sze, Kwok K. Ng, “Physics of Semiconductor Devices“, Hoboken in New Jersey, published  simultaneously in Canada, John Wiley & Sons Inc., 3rd edition, 2007     [36] C. X. Li and P. T. Lai, “Wide‐bandgap High‐k Y2O3 as Passivating Interlayer for Enhancing the  Electrical Properties and High‐field Reliability of n‐Ge Metal‐Oxide‐Semiconductor Capacitors  with High‐k HfTiO Gate Dielectric,” Applied Physics Letters, vol. 95, issue 2, p. 022910, July 2009.    [37] Y.‐H. Wu, M.‐L. Wu, R.‐J. Lyu, J.‐R. Wu, L.‐L. Chen, and C.‐C. Lin, “Crystalline ZrO2‐gated Ge  Metal‐Oxide‐Semiconductor Capacitors Fabricated on Si Substrate with Y2O3 as Passivation  Layer,” Applied Physics Letters, vol. 98, issue. 20, p. 203502, May 2011.    [38] K. Kita, H. Nomura, T. Nishimura, and A. Toriumi, “Impact of Dielectric Material Selection on  Electrical Characteristics of High‐k/Ge Devices,” ECS Transactions, vol. 3, issue 3, p. 71‐78, 2006.  DOI:10.1149/1.2355700  Page 17 of 18

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

ip t

  [39] Y. Oniki, H. Koumo, Y. Iwazaki, and T. Ueno, “Evaluation of GeO desorption behavior in the  metal∕GeO2∕Ge structure and its improvement of the electrical characteristics,” Journal of  Applied Physics, vol. 107, issue 12, p. 124113, 2010. DOI: 10.1063/1.3452367    [40] C. G. Van de Walle, “Hydrogen in semiconductors and insulators,” Journal of Alloys and  Compounds, vol. 446–447, p. 48–51, 2007. DOI:10.1016/j.jallcom.2006.12.033   

Page 18 of 18