Surface chemistry and interface formation during the atomic layer deposition of alumina from trimethylaluminum and water on indium phosphide

Chemistry of Materials

Volumn 25, Issue 7, 2013, Pages 1078-1091

  Adelmann, Christoph ^a   Cuypers, Daniel ^a,b   Tallarida, Massimo ^c   Rodriguez, Leonard N J ^a   De Clercq, Astrid ^a,b   Friedrich, Daniel ^c   Conard, Thierry ^a   Delabie, Annelies ^a,b   Seo, Jin Won ^b   Locquet, Jean Pierre ^b   De Gendt, Stefan ^a,b   Schmeisser, Dieter ^c   Van Elshocht, Sven ^a   Caymax, Matty ^a  

^a IMEC   (Belgium)

^b UNIVERSITY OF LEUVEN   (Belgium)

^c BRANDENBURG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY   (Germany)

Author keywords

Al2O3; atomic layer deposition; InP; interface formation; trimethylaluminum

Indexed keywords

CONDUCTION BAND EDGE; HYDROGEN PHOSPHATES; INP; INTERFACE FORMATION; SUBSURFACE SITES; SURFACE DOPING; SYNCHROTRON RADIATION PHOTOEMISSION SPECTROSCOPY; TRIMETHYLALUMINUM;

ALUMINA; ALUMINUM; CONDUCTION BANDS; DEPOSITION; FERMI LEVEL; SCANNING TUNNELING MICROSCOPY; SURFACE CHEMISTRY; SURFACE CLEANING;

ATOMIC LAYER DEPOSITION;

EID: 84875984212     PISSN: 08974756     EISSN: 15205002     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cm304070h     Document Type: Article

References (99)

1. International Technology Roadmap for Semiconductors. www.itrs.net (accessed December 6, 2012).
2. Chau, R.; Datta, S.; Majumdar, A. IEEE Compd. Semicond. Integr. Circuit Symp., IEEE CSIC, Tech. Dig. 2005, 17
3. Heyns, M.; Tsai, W. MRS Bull. 2009, 34, 485
4. Wilmsen, C. W. Physics and Chemistry of III-V Compound Semiconductor Interfaces; Plenum: New York, 1985.
5. Spicer, W. E.; Lindau, I.; Skeath, P.; Su, C. Y.; Chye, P. Phys. Rev. Lett. 1980, 44, 420
6. Spicer, W. E.; Lindau, I.; Skeath, P.; Su, C. Y. J. Vac. Sci. Technol. 1980, 17, 1019
7. Winn, D. L.; Hale, M. J.; Grassman, T. J.; Sexton, J. Z.; Kummel, A. C.; Passlack, M.; Droopad, R. J. Chem. Phys. 2007, 127, 134705
8. Passlack, M.; Droopad, R.; Yu, Z.; Medendorp, N.; Braddock, D.; Wang, X. W.; Ma, T. P.; Büyüklimanli, T. IEEE Electron Device Lett. 2008, 29, 1181
9. Passlack, M.; Droopad, R.; Brammertz, G. IEEE Trans. Electron Devices 2010, 57, 2944
10. Kobayashi, H.; Namba, K.; Mori, T.; Nakato, Y. Phys. Rev. B 1995, 52, 5781
11. Passlack, M.; Hong, M.; Mannaerts, J. P. Appl. Phys. Lett. 1996, 68, 1099
12. Passlack, M.; Hong, M.; Mannaerts, J. P.; Opila, R. L.; Chu, S. N. G.; Moriya, N.; Ren, F.; Kwo, J. R. IEEE Trans. Electron Devices 1997, 44, 214
13. Hong, M.; Kwo, J.; Kortan, A. R.; Mannaerts, J. P.; Sergent, A. M. Science 1999, 283, 1897
14. Ye, P. D.; Wilk, G. D.; Yang, B.; Kwo, J.; Chu, S. N. G.; Nakahara, S.; Gossmann, H.-J. L.; Mannaerts, J. P.; Hong, M.; Ng, K. K.; Bude, J. Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 180
15. Ye, P. D.; Wilk, G. D.; Kwo, J.; Yang, B.; Gossmann, H.-J. L.; Frei, M.; Chu, S. N. G.; Mannaerts, J. P.; Sergent, M.; Hong, M.; Ng, K. K.; Bude, J. IEEE Electron Device Lett. 2003, 24, 209
16. Frank, M. M.; Wilk, G. D.; Starodub, D.; Gustafsson, T.; Garfunkel, E.; Chabal, Y. J.; Grazul, J.; Muller, D. A. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 152904
17. Huang, M. L.; Chang, Y. C.; Chang, C. H.; Lee, Y. J.; Chang, P.; Kwo, J.; Wu, T. B.; Honga, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 252104
18. Hinkle, C. L.; Sonnet, A. M.; Vogel, E. M.; McDonnell, S.; Hughes, G. J.; Milojevic, M.; Lee, B.; Aguirre-Tostado, F. S.; Choi, K. J.; Kim, H. C.; Kim, J.; Wallace, R. M. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 071901
19. Milojevic, M.; Hinkle, C. L.; Aguirre-Tostado, F. S.; Kim, H. C.; Vogel, E. M.; Kim, J.; Wallace, R. M. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 252905
20. Milojevic, M.; Aguirre-Tostado, F. S.; Hinkle, C. L.; Kim, H. C.; Vogel, E. M.; Kim, J.; Wallace, R. M. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 202902
21. Lee, H. D.; Feng, T.; Yu, L.; Mastrogiovanni, D.; Wan, A.; Gustafsson, T.; Garfunkel, E. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 222108
22. Tallarida, M.; Adelmann, C.; Delabie, A.; Van Elshocht, S.; Caymax, M.; Schmeisser, D. Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 042906
23. Chang, C. H.; Chiou, Y. K.; Chang, Y. C.; Lee, K. Y.; Lin, T. D.; Wu, T. B.; Hong, M.; Kwo, J. Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 242911
24. Hinkle, C. L.; Milojevic, M.; Brennan, B.; Sonnet, A. M.; Aguirre-Tostado, F. S.; Hughes, G. J.; Vogel, E. M.; Wallace, R. M. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 162101
25. Clemens, J. B.; Chagarov, E. A.; Holland, M.; Droopad, R.; Shen, J.; Kummel, A. C. J. Chem. Phys. 2010, 133, 154704
26. Aguirre-Tostado, F. S.; Milojevic, M.; Choi, K. J.; Kim, H. C.; Hinkle, C. L.; Vogel, E. M.; Kim, J.; Yang, T.; Xuan, Y.; Ye, P. D.; Wallace, R. M. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 061907
27. Kim, C. Y.; Cho, S. W.; Cho, M.-H.; Chung, K. B.; An, C.-H.; Kim, H.; Lee, H. J.; Ko, D.-H. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 192902
28. Lüth, H.; Büchel, M.; Dorn, R.; Liehr, M.; Matz, R. Phys. Rev. B 1977, 15, 865
29. Brammertz, G.; Lin, H. C.; Martens, K.; Mercier, D.; Merckling, C.; Penaud, J.; Adelmann, C.; Sioncke, S.; Wang, W. E.; Caymax, M.; Meuris, M.; Heyns, M. J. Electrochem. Soc. 2008, 155, H945
30. Engel-Herbert, R.; Hwang, Y.; Stemmer, S. J. Appl. Phys. 2010, 108, 124101
31. Wolkenstein, T. In Electronic Processes on Semiconductor Surfaces during Chemisorption; Morrison, R., Ed.; translated from Russian by E. M. Yankovskii; Consultants Bureau: New York, 1991.
32. Schwartz, G. P.; Sunder, W. A.; Griffiths, J. E. J. Electrochem. Soc. 1982, 129, 1361
33. Schwartz, G. Thin Solid Films 1983, 103, 1
34. Hollinger, G.; Bergignat, E.; Commère, B.; Viktorvitch, P.; Froment, M. J. Vac. Sci. Technol., B 1987, 5, 1108
35. van de Ven, J.; Binsma, J. J. M.; de Wild, N. M. A. J. Appl. Phys. 1990, 67, 7568
36. Robach, Y.; Besland, M. P.; Joseph, J.; Hollinger, G.; Viktorovitch, P.; Ferret, P.; Pitaval, M.; Falcou, A.; Post, G. J. Appl. Phys. 1992, 71, 2981
37. Djenizian, T.; Sproule, G. I.; Moisa, S.; Landheer, D.; Wu, X.; Santinacci, L.; Schmuki, P.; Graham, M. J. Electrochim. Acta 2002, 47, 2733
38. Simon, N.; Quach, N. C.; GoncÌalves, A. M.; Etcheberry, A. J. Electrochem. Soc. 2007, 154, H340
39. Devnath, V.; Bhat, K. N.; Rao, P. R. S. IEEE Electron Device Lett. 1997, 18, 114
40. Brennan, B.; Dong, H.; Zhernokletov, D.; Kim, J.; Wallace, R. M. Appl. Phys. Express 2011, 4, 125701
41. Tallarida, M.; Weisheit, M.; Kolanek, K.; Michling, M.; Engelmann, H. J.; Schmeisser, D. J. Nanopart. Res. 2011, 13, 5975
42. NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database, version 3.5; National Institute of Standards and Technology: Gaithersburg, 2003; http://srdata.nist. gov/xps/ (accessed December 20, 2012).
43. Puurunen, R. L. J. Appl. Phys. 2005, 97, 121301
44. Wind, R. A.; George, S. M. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 1281
45. Schwartz, G. P.; Sunder, W. A.; Griffiths, J. E. Appl. Phys. Lett. 1980, 37, 925
46. Nelson, A.; Geib, K. M.; Wilmsen, C. W. J. Appl. Phys. 1983, 54, 4134
47. Bergignat, E.; Hollinger, G.; Robach, Y. Surf. Sci. 1987, 189/190, 353
48. Hollinger, G.; Bergignat, E.; Joseph, J.; Robach, Y. J. Vac. Sci. Technol., A 1985, 3, 2082
49. Gann, R. G.; Geib, K. M.; Wilmsen, C. W.; Costello, J.; Hrychowain, G.; Zeto, R. J. J. Appl. Phys. 1988, 63, 506
50. Chen, G.; Visbeck, S. B.; Law, D. C.; Hicks, R. F. J. Appl. Phys. 2002, 91, 9362
51. Grunthaner, F. J.; Grunthaner, P. J.; Vasquez, R. P.; Lewis, B. F.; Maserjian, J.; Madhukar, A. Phys. Rev. Lett. 1979, 43, 1683
52. Tao, Y.; Lu, Z. H.; Graham, M. J.; Tay, S. P. J. Vac. Sci. Technol., B 1994, 12, 2500
53. Keister, J. W.; Rowe, J. E.; Kolodziej, J. J.; Niimi, H.; Tao, H.-S.; Madey, T. E.; Lucovsky, G. J. Vac. Sci. Technol., A 1999, 17, 1250
54. Pasquarello, A.; Hybertsen, M. S.; Car, R. Phys. Rev. B 1996, 53, 10942
55. Welsh, I. D.; Sherwood, P. M. A. Chem. Mater. 1992, 4, 133
56. Gaskell, K. J.; Smith, M. M.; Sherwood, P. M. A. J. Vac. Sci. Technol., A 2004, 22, 1331
57. Sherwood, P.M.A. In Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy; Briggs, D.; Grant, J. T., Eds.; IM Publications: Chichester, U.K., 2003; p 544.
58. Thomas, S.; Sherwood, P. M. A. Anal. Chem. 1992, 64, 2480
59. Rotole, J. A.; Sherwood, P. M. A. J. Vac. Sci. Technol., A 1999, 17, 1091
60. Sun, Y.; Liu, Z.; Machuca, F.; Pianetta, P.; Spicer, W. E. J. Vac. Sci. Technol., A 2003, 21, 219
61. Hinkle, C. L.; Milojevic, M.; Vogel, E. M.; Wallace, R. M. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 151905
62. Doniach, S.; Sunjic, M. J. Phys. C 1970, 3, 285
63. Hewitt, R. W.; Winograd, N. J. Appl. Phys. 1980, 51, 2620
64. Powell, C. J.; Jablonksi, A. NIST Electron Effective-Attenuation-Length Database, version 1.0; National Institute of Standards and Technology: Gaithersburg, MD, 2001.
65. Nelson, A.; Geib, K.; Wilmsen, C. W. J. Appl. Phys. 1983, 54, 4134
66. Yeh, J. J.; Lindau, I. At. Data Nucl. Data Tables 1985, 32, 1
67. The XPS quantifications have been performed using the MULTIQUANT 7.0 software, available at http://www.chemres.hu/aki/XMQpages/XMQhome.htm (accessed September 18, 2012).
68. See: Mohai, M. Surf. Interface Anal. 2004, 36, 828
69. Waldrop, J. R.; Kowalczyk, S. P.; Grant, R. W. Appl. Phys. Lett. 1983, 42, 454
70. Tuck, B.; Baker, A. J. J. Mater. Sci. 1973, 8, 1559
71. Klockenbrink, R.; Peiner, E.; Wehmann, H.-H.; Schlachetzki, A. J. Electrochem. Soc. 1994, 141, 1594
72. Hattori, K.; Torii, Y. J. Appl. Phys. 1991, 69, 3130
73. The phase diagram has been calculated using FactSage 6.2 software in combination with the SGPS and SGTE databases. See: Bale, C. W.; Chartrand, P.; Degterov, S. A.; Eriksson, G.; Hack, K.; Ben Mahfoud, R.; MelancÌon, J.; Pelton, A. D.; Petersen, S. CALPHAD: Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. 2002, 26, 189
74. Rotole, J. A.; Sherwood, P. M. A. Surf. Sci. Spectra 1998, 5, 60
75. Gaskell, K. J.; Smith, M. M.; Sherwood, P. M. A. J. Vac. Sci. Technol., A 2004, 22, 1331
76. Klejna, S.; Elliott, J. Nanosci. Nanotechnol. 2011, 11, 8246
77. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 643.
78. Pelavin, M.; Hendrickson, D. N.; Hollander, I. M.; Jolly, W. L. J. Phys. Chem. 1970, 74, 1116
79. Maeda, F.; Watanabe, Y.; Oshima, M. Appl. Phys. Lett. 1993, 62, 297
80. Lee, Y. S.; Anderson, W. A. J. Appl. Phys. 1989, 65, 4051
81. Lu, H.-L.; Terada, Y.; Shimogaki, Y.; Nakano, Y.; Sugiyama, M. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 152103
82. Yu, X.-R.; Liu, F.; Wang, Z.-Y.; Chen, Y. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1990, 50, 159
83. Maeda, F.; Watanabe, Y.; Oshima, M. Appl. Phys. Lett. 1993, 62, 297
84. Maeyama, S.; Sugiyama, M.; Heun, S.; Oshima, M. J. Electron. Mater. 1996, 25, 593
85. Fukuda, Y.; Suzuki, Y.; Sanada, N.; Sasaki, S.; Ohsawa, T. J. Appl. Phys. 1994, 76, 3059
86. Chassé, T.; Chassé, A.; Peisert, H.; Streubel, P. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 1997, 65, 543
87. Yuan, Z. L.; Ding, X. M.; Lai, B.; Hou, X. Y.; Lu, E. D.; Xu, P. S.; Zhang, X. Y. Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 2977
88. Jin, J.-M; Dharma-wardana, M. W. C.; Lockwood, D. J.; Aers, G. C.; Lu, Z. H.; Lewis, L. J. Phys. Rev. Lett. 1995, 75, 878
89. Grundmann, D.; Jürgensen, H.; Heyen, M.; Korec, J.; Balk, P. J. Electron. Mater. 1985, 14, 749
90. Chen, P. T.; Sun, Y.; Kim, E.; McIntyre, P. C.; Tsai, W.; Garner, M.; Pianetta, P.; Nishi, Y.; Chui, C. O. J. Appl. Phys. 2008, 103, 034106
91. Long, R. D.; O'Connor, é.; Newcomb, S. B.; Monaghan, S.; Cherkaoui, K.; Casey, P.; Hughes, G.; Thomas, K. K.; Chalvet, F.; Povey, I. M.; Pemble, M. E.; Hurley, P. K. J. Appl. Phys. 2009, 106, 084508
92. Qin, X. R.; Lu, Z. H.; Shapter, J. G.; Coatsworth, L. L.; Griffiths, K.; Norton, P. R. J. Vac. Sci. Technol., A 1998, 16, 163
93. Chou, H.-Y.; Afanas'ev, V. V.; Stesmans, A.; Lin, H. C.; Hurley, P. K.; Newcomb, S. B. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 132112
94. Delabie, A.; Sioncke, S.; Rip, J.; Van Elshocht, S.; Caymax, M.; Pourtois, G.; Pierloot, K. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 17523
95. Delabie, A.; Sioncke, S.; Rip, J.; Van Elshocht, S.; Pourtois, G.; Mueller, M.; Beckhoff, B.; Pierloot, K. J. Vac. Sci. Technol., A 2011, 30, 01A127
96. Mishra, K. C.; Osterloh, I.; Anton, H.; Hannebauer, B.; Schmidt, P. C.; Johnson, K. H. J. Luminesc. 1997, 72-74, 144
97. Christie, D. M.; Troullier, N.; Chelikowsky, J. R. Solid State Commun. 1996, 98, 923
98. Shannon, R. D. J. Appl. Phys. 1993, 73, 348
99. Yuan, Y.; Yu, B.; Ahn, J.; McIntyre, P. C.; Asbeck, P. M.; Rodwell, M. J. W.; Taur, Y. IEEE Trans. Electron Devices 2012, 59, 2100