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

4.1 Stand der Wissenschaft
Zarraga-Colina et al. [143] schlugen als weiteren Ansatz zur Unterdrückung der
amorphen Grenzflächen-Schicht eine CaF 2 -Zwischenschicht zwischen Si(111) und
CeO 2 -Film vor. Sie konnten einen epitaktisch CeO 2 -Film ohne amorphe SiO x -Bildung
an der Silizium-Grenzfläche nachweisen. Da es oberhalb von 400 ℃ jedoch zu einer
erheblichen Diffusion von Fluor aus der CaF 2 -Schicht in den Ceroxid-Film kommt,
ist dieser Ansatz auf Temperaturen unterhalb von 400 ℃ limitiert und begrenzt
damit auch die Kristallinität des Ceroxid-Films.
Neuere Studien, die sich mit der Grenzfläche zwischen Ceroxid und Silizium und
Silikat-Modellsystemen beschäftigen sind von Barnes et al. [149], Mamatrishat et
al. [150], Pagliuca et al. [151] und Skála et al. [152] veröffentlich worden.
Barnes et al. [149] konnten durch XPS und medium energy ion scattering (MEIS)
zeigen, dass Ceroxid-Filme mit einer Schichtdicke von 4 nm, welche mit PLD auf
Si(100) bei Raumtemperatur deponiert wurden, nach dem anneling zu 400 ℃ aus
einem SiO 2 /Ce 2 Si 2 O 7 /CeO 2 -Film bestehen. Ein Heizen auf 750 ℃ führte hingegen
zu der Ausbildung eines Ce 2 Si 2 O 7 /Ce 2 O 3 (SiO 2 ) 1,2 -Silikat-Films.
Mamatrishat et al. [150] bestätigen mit Hilfe von XPS und Cross-sectional HRTEM-
Aufnahmen anhand von Ceroxid-Filmen mit 3 nm Schichtdicke auf Si(100), dass das
Heizen auf 500 ℃ zu einer Zunahme von SiO 2 und Cersilikat, welches unter anderem
aus Ce 2 Si 2 O 7 besteht, an der Grenzfläche führt.
Pagliuca et al. [151] untersuchten mit Hilfe von XPS die Silikat- und Siliziumoxid-
Bildung an der Grenzfläche zwischen Ceroxid und Si(111) und Si(100) beim Raumtemperatur-Wachstum
und nach dem Heizen auf 1040 K in einem Sauerstoffhintergrunddruck
von p O2 = 1 × 10 −7 mbar. Sie konnten zeigen, dass nach der Deposition
von Ceroxid das im Silikat gebundene Cer einen Oxidationszustand von Ce 3+
aufweist und vermuten, dass unterschiedliche Silikat-Phasen vorliegen (Ce 2 SiO 5 ,
Ce 4,67 (SiO 4 ) 3 O und Ce 2 Si 2 O 7 ). Nach dem Heizen nimmt die Silikat-Schichtdicke zu
und die Stöchiometrie des Silikates verschiebt sich zur Silizium-reichen Ce 2 Si 2 O 7 -
Phase. Dabei konnten sie für die Silikatbildung keinen Unterschied zwischen den
Siliziumsubstraten feststellen.
Skála et al. [152] untersuchten die Bildung von Silikat an der Grenzfläche durch
sequentielles Wachstum von wenigen Ångström Ceroxid bei 800 K auf Si(111). Auf
Basis der XPS-Analyse der gewachsenen Schichten vermuten sie ein Ce 4,67 (SiO 4 ) 3 O-
Silikat an der Grenzfläche. Beim anfänglichen Ceroxid-Wachstum bildet sich neben
dem Silikat ein Siliziumoxid aus.
Die Studien zum Lanthanoxid-Wachstum auf Silizium fokussieren hauptsächlich auf
die elektrische Charakterisierung der Filme bezüglich der Anwendung als High-k-
Gateoxid, zeigen jedoch auch analog zum Ceroxid-Wachstum auf Silizium die Problematik
der Grenzflächen-Schicht-Bildung hauptsächlich durch Silikat auf [16, 21,
153–158]. Die Grenzfläche wurde dabei mit Hilfe von XPS und TEM untersucht und
Copel et al. wiesen dem Silikat die La 2 Si 2 O 7 -Stöchiometrie zu. Dazu untersuchten
sie die Grenzfläche nach dem Heizen auf 850 ℃ in Sauerstoffhintergrunddruck eines
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