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

4 Strukturelle und chemische Zusammensetzung von Seltenerdoxid-Filmen
auf Si(111)
tergrunddrucks im Bereich von p O2 = 1 × 10 −7 mbar bis p O2 = 5 × 10 −7 mbar und
der Wachstumsrate. Zusätzlich wird die Auswirkung der Chlor-Passivierung auf die
Kristallinität der Filme und auf die Schichtdicke der amorphen Grenzfläche zwischen
Ceroxid-Film und Silizium-Substrat untersucht.
4.5.2.1 Oxidationszustand
Bevor die Ergebnisse der Röntgenbeugung im Folgenden besprochen werden, wird
zunächst auf den Oxidationszustand der untersuchten Ceroxid-Filme mit Schichtdicken
von mehreren Nanometern eingegangen. Im Abschnitt 4.2 konnte für ultradünne
Ceroxid-Filme gezeigt werden, dass sie ausschließlich den Ce 3+ -Oxidationszustand
aufweisen. Es ist jedoch bekannt [146], dass der Oxidationszustand mit zunehmender
Schichtdicke ansteigt. So konnten eigene XPS-Untersuchungen (Daten nicht
gezeigt) belegen, dass bei Wachstum unter einem Sauerstoffhintergrunddruck von
p O2 = 1 × 10 −7 mbar ((1) und (1-Cl)) der reine Ce 2 O 3 -Oxidationszustand bis zu
einer Schichtdicke von etwa 3 nm vorherrscht. Bei einem Sauerstoffhintergrunddruck
von p O2 = 5 × 10 −7 mbar ((5) und (5-Cl)) wird bei einer Schichtdicke von 10 nm
bereits ein Oxidationszustand von CeO 1,9 erreicht. Da zu den meisten mit XRD
untersuchten Ceroxid-Filmen keine in-situ XPS-Untersuchungen vorliegen, muss im
Folgenden davon ausgegangen werden, dass Ceroxid-Filme bis zu einer Schichtdicke
von etwa 3 nm im Ce 2 O 3 -Oxidationszustand vorliegen und es mit zunehmender
Schichtdicke in Abhängigkeit des zum Wachstum verwendeten Sauerstoffhintergrunddrucks
zu einer Erhöhung des Oxidationszustandes kommt. Dabei nimmt der
Oxidationszustand bei einem höheren Sauerstoffhintergrund mit der Schichtdicke
wahrscheinlich schneller zu als bei einem niedrigeren Sauerstoffhintergrunddruck.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die XRD-Untersuchungen unter ambienten
Bedingungen stattfanden. Die Ceroxid-Filme wurden jedoch nicht immer mit einer
Silizium-Schutzschicht versehen, sodass es zu einer Nachoxidation unter ambienten
Bedingungen gekommen ist, die den Oxidationszustand der Filme nachträglich erhöhte.
4.5.2.2 Spekulare Beugung
Zunächst wird die kristalline Qualität der Ceroxid-Filme mit Hilfe der spekularen
Beugung untersucht. Abb. 4.43 zeigt den (00l)-CTR in der Umgebung des
Si(111) B -Reflexes ‡ sowie Röntgenreflektometrie-Daten eines Ceroxid-Films, welcher
auf nicht passiviertem Si(111)-(7 × 7) bei einem Sauerstoffhintergrunddruck von
p O2 = 1 × 10 −7 mbar (1) gewachsen wurde und anschließend mit einer amorphen
Silizium-Schutzschicht versehen wurde, um den Ceroxid-Film vor Verunreinigungen
und nachträglicher Oxidation zu schützen. Aus der Lage des Bragg-Peaks des
Ceroxid-Films in Abb. 4.43 (a) kann ein Gitterebenenabstand von 3,28 Å abgeleitet
‡ Der Index B bezeichnet im Folgenden Volumenkoordinaten
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