13
Tuning Work Func-on Of HalfniaGold Interface With Organophosphonates Ma=hew Kwan Graduate Student Department of Material Science and Engineering Rensselaer Polytechnic Ins:tute, Troy, NY, USA 2014 Rensselaer Nanotechnology Center Research Symposium Wednesday, October 29, 2014 Ganpa- Ramanath P.H. Mu-n, R. Ramprasad, Na-onal Science Founda-on

TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Tuning  Work  Func-on  Of  Halfnia-­‐Gold  Interface  With  Organophosphonates  

Ma=hew  Kwan  Graduate  Student  

Department  of  Material  Science  and  Engineering                    Rensselaer  Polytechnic  Ins:tute,  Troy,  NY,  USA  

2014  Rensselaer  Nanotechnology  Center  Research  Symposium  Wednesday,  October  29,  2014  

 Ganpa-  Ramanath    

P.H.  Mu-n,  R.  Ramprasad,    

Na-onal  Science  Founda-on    

Page 2: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Enhancing  the  metal/oxide  interface  for  electronic  devices  

•  HfO2  is  used  as  a  high  performance  gate  oxide  in  MOS  devices  •  New  gate  interconnects  must  be  engineered  to  adapt  to  HfO2  •  Phosphonic  acids  can  be  used  to  modify  metal-­‐oxide  interface  

–  Will  allow  more  flexibility  in  selec-on  of  metals  to  be  used  with  HfO2  by:  •  Improving  adhesion  •  Improving  thermal  conduc-vity  •  tuning  the  work  func-on  

Source   Drain  

Substrate  

Gate  Metal  

Gate  Oxide  

MNL  

Page 3: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Organophosphonates  used  to  modify  metal-­‐oxide  interfaces  

•  1-­‐Dodecylphosphonic  acid  (DDPA)    

•  12-­‐Mercaptododecylphosphonic  acid  (MDPA)  

•  3-­‐Mercatopropylphosphonic  acid  (MPPA)    

 •  10-­‐Carboxydecylphosphonic  acid  (CDPA)  

•  (12-­‐phosphonododecyl)phosphonic  acid  (PDPA)  

CH3  

SH  

1  mM  ethanol  or  methanol  solu-on  for  24  hours  

HfO2  

wash  and  deposit  metal  

Page 4: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Previous  work:  Modifying  Au-­‐TiO2  interface  to  enhance  thermal  conduc-vity  and  adhesion  

•  MDPA  (-­‐SH)  added  to  the  Au-­‐TiO2  interface  –  adhesion  of  monolayer  >  mul-layer  >  no  MDPA  –  adhesion  é  due  to  S-­‐Au  and  P-­‐O-­‐Ti  covalent  bonds    

•  ordered  monolayer  with  both  Au  and  Ti  linkages  is  more  effec-ve  than  disordered  

–  Thermal  conductance  é  with  adhesion  –  heat  transport  é  when  interface  bonding  é  

from  1)  P.K.  Chow,  et  al.,  Appl.  Phys.  Le=.  102,  201605  (2013).   from  2)  P.J.  O’Brien  et  al.,  Nature  Mater.  12,  118  (2012).    

Heating pulses

Probe Au

NML

TiO2 Si

Page 5: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

How  the  work  func-on  shics  are  measured  with  UPS  

•  ΔEvac  due  to  shics  in  the  surface  poten-al  from  bonding  or  electron  distribu-on  •  EWF  =  hν - (ESEO  –  EF)    •  as  ESEO  é,  Evac    and  EWF  ê  

EWF   Kine

-c  Ene

rgy  (eV)  

ESEO  

Clean  Substrate   with  MNL  

HeI    hν=21.22  eV    

Evac  

EF  ELUMO  

EHOMO  

21.22  

UPS  data    

EF  

Inte

nsity

(a.u

.)esdNML

-­‐  -­‐  -­‐  -­‐  -­‐  -­‐  -­‐  -­‐  -­‐  

+  +  +  +  +  +  +  

Valence  Ba

nd  structure  

0  

Page 6: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Tuning  work  func-on  of  Au  and  Pt  with  organophosphonates  

•  MDPA  and  MPPA  MNLs  on  Au  and  Pt  surfaces  •  Effec-ve  work  func-on  (φeff)  ê  as  molecular  length  ê    

–  Contrary  to  MD  calcula-on  of  monolayers  on  Au  and  Pt  –  We  had  mul-layered  MNLs  on  Au  and  Pt  –  Δφeff  for  mul-layer/bilayer  >  monolayer    

-5 0 5 10 15 20-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

PA-(CH2)

n-S/Au

PA-(CH2)

n-S/Pt

HS-(CH2)

3-PA:PA-(CH

2)

3-S/Au

6\

eff (eV

)

number of CH2 groups, n From  3)  G.  Ramanath,  M.  Kwan,  et  al.,  Appl.  Phys.  Le=.,  

105,  081601  (2014).  

Page 7: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Variable  angle  XPS  indicates  that  MNLs  are  mul-layers  on  Au  and  Pt  surface  

•  S  2p  binding  energy  indicates  two  forms  of  S  –   -­‐S-­‐Au  and  –S-­‐H  

•  as  θsd  ê  -­‐S-­‐Au  intensity  ê  while  –S-­‐H  intensity    é  –  a  Au  bound  monolayer  lies  below  the  physisorbed  mul-layer  

Inte

nsity

(a.u

.)hi

esd

detector

NML

From  3)  G.  Ramanath,  M.  Kwan,  et  al.,  Appl.  Phys.  Le=.,  105,  081601  (2014).  

Page 8: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Mul-layer  bonding  between  organophosphonates  affect  φeff  

•  The  untethered  moiety’s  (-­‐PO3)  binding  energy  é  as  Δφeff  ê  –  as  hydrogen  bonding  é  between  -­‐PO3  the  binding  energy  é  –  The  MNL’s  first  layer  has  ordered  hydrogen  bonding  and  makes  Δφeff  ê  –  intra-­‐MNL  hydrogen  bonding  |Δφeff|  >  MNL-­‐metal  covelent  bonding  |Δφeff|  

From  3)  G.  Ramanath,  M.  Kwan,  et  al.,  Appl.  Phys.  Le=.,  105,  081601  (2014).  

Page 9: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Tuning  work  func-on  of  halfnia-­‐gold  interface  with  organophosphonates  

•  The  Evac  and  φeff  is  measured  on  Au-­‐HfO2  interface,  HfO2  and  Au  surface  –  each  substrate  allows  the  MNL  to  be  measure  with  different  bonding  and  orienta-ons  

•  Can  separate  MNL’s  contribu-ons  to  Evac  and  φeff  into:  –  MNL-­‐HfO2  bonding  –  MNL  morphology  and  polarity  –  Au-­‐MNL  bonding  

20 15 10 5 0

Inte

nsity

(a.u

.)

MDPA AuPDPA Au

CDPA AuDDPA Au

Au20 15 10 5 0

Inte

nsity

(a.u

.)

HfO2

DDPA HfO2

CDPA HfO2

PDPA HfO2

MDPA HfO2

20 15 10 5 0

Au on MDPA HfO2Au on PDPA HfO2

Au on CDPA HfO2

Au on DDPA HfO2

Inte

nsity

(a.u

.)

Au on HfO2

e-

hi=21.2 eV

-+-+

-+

HfO2

AuVarious dipole contributions to 6q

-+

-+

-

+-+

Binding Energy (eV)

Page 10: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Variable  angle  XPS  shows  all  MNLs  are  monolayers  tethered  to  HfO2  through  PO3    

•  MDPA  had  the  most  complex  orienta-on  –  P  and  SOx  peak  intensity  decrease  at  lower  angles  –  SOx  a=enua-on  is  greater  than  P  

•  C  and  HS  are  at  the  surface  of  the  MNL  •  Both  P  and  SOx  are  near  the  interface,  but  HfO2  favors  bonding  to  SOx    over  P  

295 290 285 28025 20 15

Inte

nsity

(a.u

.)

540 535 530 525140 135 130 125

Binding Energy (eV)175 170 165 160 155

Hf 4f C 1sS 2p P 2p O 1s75o

30o

HfO2

-PO3

C-C

C-PO3

-SOx

-SH

MDPA CDPA

PDPADDPA

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

90.0o 56.5o 45.6o 38.7o 33.8o 30.0o

sin(e<�

Nor

mal

ized

Inte

nsity

(a.u

.)

S 2p (SOx)

S 2p (HS)

P 2p

C 1s

e

hi

esd

detector

NML

Page 11: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Organophosphates  at  Au-­‐HfO2  interfaces  have  a  broader  range  of  ΔEvac  than  at  HfO2  surfaces  

-+-+

-+

-+

-+

•  ΔEvac  is  constant  on  HfO2  •  As  binding  energy  é,  bond  strength  é.  As  |ΔEvac|  é,  surface  polarity/dipole  é  

–  Bond  strength  and  morphology  between  different  MNLs  varies,  but  surface  polarity  remains  the  same    

•  At  the  Au-­‐HfO2  interface  only  MDPA  (-­‐SH)  wilΔl  covalently  bond  with  Au  –  Covalent  bond  ê  ΔEvac,  while  weaker  interac-ons  é  ΔEvac  –  Aside  from  MDPA  as  P-­‐O-­‐Hf  bond  strength  é,  ΔEvacê

17

-0.5

0.0

0.5

HfO

2 6E va

c(eV

)

530 530.5

Au-MNL-HfO2

MNL-HfO2

133 133.5

DDPA

PDPAMDPACDPA

Hf 4f 7/2 (eV) P 2p (eV) HfO2, O 1s (eV)

6E va

c (eV

)

Thickness (nm)

17

-0.5

0.0

0.5

Au-

HfO

2 6

E vac(e

V)

530 530.5133 133.5Hf 4f 7/2 (eV) P 2p (eV) HfO2 O 1s (eV)

(b)

16.5

16.5

(a)

Au 6

E vac (

eV)

MDPA DDPA PDPA CDPA-1.0

-0.5

0.0

0.5

MNL/Au

Au/MNL-

Moiety polarity

Au-MNLcovalent bond

0.5 1.0 1.5

-0.5

0.0

0.5

DDPACDPAMDPAPDPA

Page 12: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

ΔEvac  of  MNL  on  Au  matches  the  extrapolated  ΔEvac  of  Au  on  MNL  

•  (Au/MNL/HfO2  data)  –  (MNL/HfO2  data)  gives  the  Au-­‐MNL  bond  contribu-on  to  ΔEvac  

•  Except  MDPA,  MNLs  on  Au  formed  disordered  physisorbed  mul-layers  –  ΔEvac  only  depends  on  van  der  Waals  interac-ons  between  MNL  and  Au  surface  –  van  der  Waals  interac-ons  é  when  the  non-­‐phosphonic  acid  moiety’s  polarity  ê  

•  MDPA  on  Au  forms  a  chemisorbed  monolayer  –  ΔEvac  depends  on  the  covalent  bond  and  the  dipole  of  the  molecule  

+-+

-

+-+

17

-0.5

0.0

0.5

H

fO2 6

E vac(e

V)

530 530.5

Au-MNL-HfO2

MNL-HfO2

133 133.5

DDPA

PDPAMDPACDPA

Hf 4f 7/2 (eV) P 2p (eV) HfO2, O 1s (eV)

6E va

c (eV

)

Thickness (nm)

17

-0.5

0.0

0.5

Au-

HfO

2 6

E vac(e

V)

530 530.5133 133.5Hf 4f 7/2 (eV) P 2p (eV) HfO2 O 1s (eV)

(b)

16.5

16.5

(a)

Au 6

E vac (

eV)

MDPA DDPA PDPA CDPA-1.0

-0.5

0.0

0.5

MNL/Au

Au/MNL-

Moiety polarity

Au-MNLcovelent bond

0.5 1.0 1.5

-0.5

0.0

0.5 -

+-+

Page 13: TuningWorkFunconOf Halfnia3Gold&Interface&With ...rnc.rpi.edu/2014Symposium/Kwan, Matthew - 2014 RNC Symposium.… · Tuningworkfunconof halfnia3gold&interface&with& organophosphonates&

Acknowledgements    

This  work  is  support  by  the  NSF  ECCS  1002282/301  grant  Thanks  to  the  MNCR  staff,  and  Rob  Planty      

   References    

1  P.K.  Chow,  Y.  Cardona  Quintero,  P.  O’Brien,  P.H.  Mu-n,  M.  Lane,  R.  Ramprasad,  and  G.  Ramanath,  Appl.  Phys.  Le=.  102,  201605  (2013).  2  P.J.  O’Brien,  S.  Shenogin,  J.  Liu,  P.K.  Chow,  D.  Laurencin,  P.H.  Mu-n,  M.  Yamaguchi,  P.  Keblinski,  and  G.  Ramanath,  Nature  Mater.  12,  118  (2012).  3  G.  Ramanath,  M.  Kwan,  P.  K.  Chow,  Y.  Cardona  Quintero,  P.  H.  Mu-n,  and  R.  Ramprasad,  Appl.  Phys.  Le=.,  105,  081601  (2014).