Adsorbat-modifiziertes Wachstum ultradünner Seltenerdoxid ... - E-LIB

1 Einleitung
Seltenerdoxide werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen physikalischen und chemischen
Eigenschaften, die hauptsächlich aus dem nicht vollständig besetzten 4f-
Niveau resultieren, intensiv erforscht, um zum einen die grundlegenden physikalischen
Effekte dieser besonderen Eigenschaften zu verstehen und um zum anderen
spezielle Eigenschaften gezielt in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern einzusetzen.
Viel versprechende Anwendungsgebiete von Seltenerdoxiden umfassen unter anderem
Festoxidbrennstoffzellen (solid oxide fuel cell, SOFC) [4, 5], Sauerstoffsensoren
[6, 7] und supraleitende Filme [8, 9]. In der Mikroelektronik wird versucht, Seltenerdoxide
als Isolatorschicht für die silicon on insulator-Technik (SOI) [10, 11],
für das resistive switching [12, 13] und ganz besonders als Isolatorschicht mit hoher
dielektrischer Konstante (“High-k“-Gateoxid) für MOS-Transistoren [14–18] zu
verwenden.
Die potenzielle Anwendung von Seltenerdoxiden in der Mikroelektronik als High-k-
Gateoxid liegt darin begründet, dass bei der immer weiter zunehmenden Integrationsdichte
in integrierten Schaltungen (Mooresches Gesetz) die Verkleinerung von
MOS-Transistoren in der CMOS-Technologie von Leckströmen durch die Isolatorschicht
zwischen Gate und Silizium-Halbleiter begrenzt ist, die bei Verringerung der
Dicke des Gateoxids SiO 2 unterhalb von 3 nm exponentiell zunehmen [19]. Als alternative
Gateoxide kommen deshalb ultradünne Seltenerdoxid-Filme in Frage, da sie
große Bandlücken und relativ hohe dielektrische Konstanten aufweisen [19] und in
Kontakt mit Silizium thermodynamisch stabil sind [20]. Darüber hinaus ist die Gitterfehlanpassung
gegenüber Silizium äußerst gering, wodurch die Möglichkeit des
epitaktischen Wachstums gegeben ist. Unter den Kandidaten sind unter anderem
Lanthanoxid und Ceroxid, die dielektrische Konstanten von ca. 19 [21] bzw. etwa
26 [19, 22], Bandlücken von ungefähr 6 eV [22–24] und Gitterfehlanpassungen von
0,35 % für CeO 2 [25] und 4,6 % für La 2 O 3 [26] aufweisen.
Die erfolgreiche Integration von Seltenerdoxiden als High-k-Gateoxid in MOSFET-
Strukturen ist bislang jedoch daran gescheitert, dass Seltenerdmetalle die Oxidation
des Siliziumsubstrates an der Grenzfläche katalysieren [3, 14, 27] und es dadurch
im Allgemeinen zur Bildung von Siliziumoxid und Silikat an der Grenzfläche zwischen
Silizium und Seltenerdoxid-Film kommt [10, 28–30]. Die defektreichen SiO x -
und RESi x O y -Phasen an der Grenzfläche führen nicht nur zu einer hohen Dichte
an Ladungsfallen (charge traps), sondern weisen auch niedrigere dielektrische Konstanten
als die Seltenerdoxid-Filme auf, wodurch sich die effektive Oxidschichtdicke
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