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Comparative STM-based study of thermal evolution of Co and Ni germanide nanostructures on Ge(001)

Vergleichende STM-basierte Studie der thermischen Evolution von Co- und Ni-Germanid-Nanostrukturen auf Ge(001)

  • Since 1947, when Bardeen and Brattain initiated the era of microelectronics by constructing the first Germanium (Ge) transistor, semiconductors have become the main material platform for advanced integrated circuit (IC) technologies. Later on, given in particular the electrical stability of its native oxide, IC technology shifted from Ge to Silicon (Si) substrates and the dominance of Si-based complementary metal oxide semiconductor (CMOS) microelectronics is today unquestionable. However, as the semiconductor industry is approaching the limits of traditional Si CMOS scaling, the integration of new materials into Si micro- and nano-electronics is required to extend the performance and functionality of future CMOS-based IC technologies. Recently, Ge due to its superior optoelectronic properties and compatibility with conventional Si CMOS technology has re-emerged as an alternative semiconductor material on the mainstream Si technology platform. Many of the Ge integration challenges, such as e.g. doping, epitaxial quality etc., haveSince 1947, when Bardeen and Brattain initiated the era of microelectronics by constructing the first Germanium (Ge) transistor, semiconductors have become the main material platform for advanced integrated circuit (IC) technologies. Later on, given in particular the electrical stability of its native oxide, IC technology shifted from Ge to Silicon (Si) substrates and the dominance of Si-based complementary metal oxide semiconductor (CMOS) microelectronics is today unquestionable. However, as the semiconductor industry is approaching the limits of traditional Si CMOS scaling, the integration of new materials into Si micro- and nano-electronics is required to extend the performance and functionality of future CMOS-based IC technologies. Recently, Ge due to its superior optoelectronic properties and compatibility with conventional Si CMOS technology has re-emerged as an alternative semiconductor material on the mainstream Si technology platform. Many of the Ge integration challenges, such as e.g. doping, epitaxial quality etc., have been recently solved or minimized to an acceptable level. However, the fabrication of low resistance, thermally stable metal/Ge contacts is still one of the main barriers towards the full use of the potential offered by Ge. In particular, the formation of ohmic contacts is relevant for applications where high current densities are of importance (i.p. Ge p-MOSFET and Ge laser applications). Consequently, intensive investigations of metal/Ge contacts are imperative for future applications of Ge. Various metal/Ge contact systems were studied and demonstrated good thermal stability and promising electrical properties. However, given their widespread use in Si CMOS technologies in form of their respective silicides, Co- and Ni-germanides seem to be an obvious choice for electrical contacts in Ge-based devices. Both metal/Ge systems exhibit a complex bulk phase diagrams with a wide range of different physical properties. It is generally acknowledged that the stoichiometric CoGe2 and NiGe phases are best suited for ohmic metal contact formation, mainly due to their low resistivity. It is worth noting that the bulk phase diagram is limited in its use for nanoscience due to an increased surface/volume ratio as well as by the strong nanostructure/substrate interface influence. This PhD thesis sheds light on the formation process at the atomic level of Co and Ni germanide nanostructures on clean, reconstructed Ge(001) substrates. The main part of the presented research is based on in-situ scanning tunneling microscopy (STM) studies on the influence of subsequent, post-evaporation annealings at various temperatures in order to follow and investigate on the nano-scale the structural evolution of a few monolayers of Co and Ni metal (deposited at RT and in UHV conditions) on an atomically clean, reconstructed Ge(001) surface. Furthermore, additional techniques like LEED, (S)TEM-EDX and XPS were used to corroborate and complement the STM derived insights. It was demonstrated that - for both investigated systems - room temperature deposition of a few metal monolayers on clean Ge(001) results in a Volmer Weber growth mode. Starting with annealing treatments at relatively low temperature ranges, the formation of a continuous MetalxGey wetting layer from as-deposited 3D metal clusters on Ge(001) was detected. It should be noted that a very flat wetting layer was observed for the Co/Ge(001) system, which is different for the Ni/Ge(001) system where inhomogeneous terraced domains were formed. Finally, the 2D wetting layer gradually evolves with increasing temperature into well-ordered 3D MetalxGey nanostructures, surrounded by clean, reconstructed Ge(001). Analysis of these Co and Ni germanide nanostructures shows that the growth mechanism is different: in particular the Ni/Ge system is more reactive by means of Ni bulk diffusion and results in 3D Ni germanide nanostructures which show a strong tendency to be embedded into the Ge(001) substrate. In contrast, Co germanide nanostructures are situated initially on top of the Ge(001) substrate due to the fact that Ge diffusion dominates in the low temperature range. Only at higher annealing temperatures, Co diffusion into the bulk occurs and Co germanide nanostructures penetrate into the Ge substrate. For the Co- as well as Ni-Germanide system, the nanostructures undergo Ostwald ripening phenomena in the high temperature range. The present PhD thesis thus allows to understand on the nano-scale the main growth and reaction mechanisms of the Walser and Benè rule set up about 40 years ago to describe metal/semiconductor interface reaction on the macro-scale.show moreshow less
  • Seit 1947 als Bardeen und Brattain die Ära der Mikroelektronik, durch die Konstruktion des ersten Germanium (Ge) Transistors, einleiteten, wurden Halbleiter zur Hauptgrundlage für fortschrittliche „integrated circuit“ (IC)-Technologien. Später wechselten IC-Technologien von Ge zu Silizium (Si)-Substraten, bedingt durch die elektrische Stabilität der natürlichen Oxide, wodurch die Dominanz von Si-basierten „complementary metal oxide semiconductor“ (CMOS) Mikroelektronik unangefochten wurde. Jedoch wird, durch die Annäherung an die Limitierung der traditionellen Si-CMOS-Skalierung, die Integration von neuen Materialien in die Si-Mikro- und Nanoelektronik notwendig, um die Leistung und Funktionalität von zukünftigen CMOS-basierten IC-Technologien weiter auszubauen. Jüngst hat sich Ge, durch seine optoelektronische Eigenschaften und Kompatibilität mit konventionellen Si-CMOS-Technologien, wieder als alternatives Halbleitermaterial auf einer Si-Technologieplattform hervorgetan. Viele der Ge-Integrationsherausforderungen, wie z.B.Seit 1947 als Bardeen und Brattain die Ära der Mikroelektronik, durch die Konstruktion des ersten Germanium (Ge) Transistors, einleiteten, wurden Halbleiter zur Hauptgrundlage für fortschrittliche „integrated circuit“ (IC)-Technologien. Später wechselten IC-Technologien von Ge zu Silizium (Si)-Substraten, bedingt durch die elektrische Stabilität der natürlichen Oxide, wodurch die Dominanz von Si-basierten „complementary metal oxide semiconductor“ (CMOS) Mikroelektronik unangefochten wurde. Jedoch wird, durch die Annäherung an die Limitierung der traditionellen Si-CMOS-Skalierung, die Integration von neuen Materialien in die Si-Mikro- und Nanoelektronik notwendig, um die Leistung und Funktionalität von zukünftigen CMOS-basierten IC-Technologien weiter auszubauen. Jüngst hat sich Ge, durch seine optoelektronische Eigenschaften und Kompatibilität mit konventionellen Si-CMOS-Technologien, wieder als alternatives Halbleitermaterial auf einer Si-Technologieplattform hervorgetan. Viele der Ge-Integrationsherausforderungen, wie z.B. Dotierung, epitaktische Qualität etc., wurden mittlerweile gelöst oder auf ein akzeptables Niveau reduziert. Jedoch ist die Herstellung von niederohmigen, thermisch stabilen Metall/Ge-Kontakten immer noch eine der Hauptbarrieren zur vollständigen Nutzung des Potentials von Ge. Die Bildung von ohmschen Kontakten ist insbesondere für Anwendungen mit hohen Stromdichten (z.B. p-MOSFET und Laser) von großer Relevanz. Entsprechend sind intensive Untersuchungen von Metall/Ge-Kontakten zwingend notwendig für zukünftige Anwendungen von Ge. Es wurden diverse Metall/Ge-Systeme studiert, welche eine gute thermische Stabilität und vielversprechende elektrische Eigenschaften demonstrierten. Co- und Ni-Germanide, in Betracht ihrer weiten Verbreitung in CMOS-Technologien als entsprechende Silizide, scheinen offensichtlich eine gute Wahl für elektrische Kontakte in Ge-basierten Bauteilen zu sein. Beide Metall/Ge-Systeme weisen ein komplexes Volumenphasendiagramm, mit unterschiedlichsten physikalischen Eigenschaften, auf. Es ist allgemein anerkannt, dass die CoGe2- und NiGe-Phase sich am besten als ohmsche Metallkontakte durch ihren geringen Widerstand eignen. Es sollte erwähnt werden, dass das Volumenphasendiagramm in der Anwendbarkeit in den Nanowissenschaften, durch die erhöhte Oberflächen/Volumen-Ratio genauso wie durch den starken Nanostruktur/Substrat-Einfluss, limitiert ist. Diese Dissertation soll die Bildungsprozesse von Co- und Ni-Germanidnanostrukturen auf sauberen, rekonstruierten Ge(001) Substraten auf einem atomistischen Niveau näher beleuchten. Der Hauptteil der hier präsentierten Forschung basiert auf in-situ „scanning tunneling microscopy“ (STM)-Studien, bezüglich des Einflusses von aufeinanderfolgenden Temperschritten bei unterschiedlichen Temperaturen, um die nanoskalierte, strukturelle Evolution von wenigen Monolagen Co- und Ni-Metall nach der Abscheidung (bei RT und unter UHV-Bedingungen) auf einer atomar reinen, rekonstruierten Ge(001)-Oberfläche zu verfolgen und zu untersuchen. Des Weiteren wurden zusätzliche Techniken wie LEED, (S)TEM-EDX, und XPS verwendet, um die mit STM erzielten Ergebnisse zu bekräftigen und zu vervollständigen. Es wurde demonstriert, dass für die beiden untersuchten Systeme die Raumtemperatur-abscheidung von wenigen Monolagen Metall auf reinem Ge(001) in einem Volmer-Weber-Wachstumsmodus resultiert. Temperschritte bei relativ niedrigen Temperaturen führten anfangs zur Detektion von kontinuierlichen MetallxGey Benetzungsschichten ausgehend von den abgeschiedenen 3D Metallclustern auf Ge(001). Zu beachten ist, dass eine sehr flache Benetzungsschicht für das Co/Ge(001) beobachtet wurde, was sich zu dem Ni/Ge(001)-System unterscheidet, wo sich inhomogene Domänen mit Terrassen bildeten. Mit ansteigender Temperatur entwickelt sich die 2D Benetzungsschicht allmählich zu wohlgeordneten 3D MetallxGey Nanostrukturen umgeben von sauberen, rekonstruierten Ge(001)-Flächen. Eine genaue Analyse dieser Co- und Ni-Germanid-Nanostrukturen zeigt, dass ihre Wachstumsmechanismen unterschiedlich sind. So ist das Ni/Ge-System reaktiver, was sich durch eine erhöhte Ni-Volumendiffusion andeutet, wodurch sich eine starke Tendenz zu in Ge(001) eingebetteten 3D Ni-Germanid-Nanostrukturen ergibt. Im Gegensatz dazu befinden sich Co-Germanid-Nanostrukturen anfänglich auf dem Ge(001)-Substrat, da die Germaniumdiffusion bei niedrigen Temperaturen dominiert. Nur bei höheren Temperaturen tritt eine Co-Diffusion auf und die Co-Nanostrukturen dringen in das Ge-Substrat ein. Sowohl für das Co- sowie auch das Ni-Germanid-System vollziehen die Nanostrukturen einen Ostwald-Reifungsprozess bei hohen Temperaturen. Die vorliegende Dissertation erlaubt so Einblicke in das Verständnis von nanoskalierten Wachstums- und Reaktionsmechanismen der Walser und Benè Regeln, die schon vor 40 Jahren aufgesetzt wurden, um die Metall/Halbleiter-Grenzflächenreaktion auf einer makroskopischen Skala zu beschreiben.show moreshow less

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Metadaten
Author: Tomasz Grzela
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36234
Referee / Advisor:Prof. Dr. Thomas Schroeder
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/11/18
Release Date:2015/12/03
Tag:Kobalt Germanide; Nickel Germanide; Rastertunnelmikroskop
Cobalt germanides; Germanium; Nickel germanides; STM; Scanning Tunneling Microscope
GND Keyword:Intermetallische Verbindungen; Schichtwachstum; Nanostruktur; Germanide; Rastertunnelmikroskop; Halbleiter
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Halbleitermaterialien
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Halbleitermaterialien
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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