Nickel und Nickel (II) -oxid werden in großem Umfang in fortgeschrittenen elektronischen Geräten verwendet. In der Mikroelektronik-Industrie wird Nickel verwendet werden, um Nickelsilizid bilden. Die Nickelmono Silizid (NiSi) wurde als ausgezeichnetes Material für Source-Drain-Kontaktanwendungen unter 45 nm-CMOS-Technologie entwickelt. Im Vergleich zu anderen Siliziden für die Kontaktanwendungen verwendet wird NiSi wegen seines niedrigen spezifischen Widerstand, niedrigen Kontaktwiderstand, relativ niedrigen Bildungstemperatur und niedrigem Siliziumverbrauchs bevorzugt. Nickel in Nickelbasis-Akkus und ferromagnetischen Direktzugriffsspeicher (RAMs) verwendet. Nickel (II) oxid wird als Transistor-Gate-Oxid und Oxid in resistive RAM genutzt wird. Atomic Layer Deposition (ALD) ist eine spezielle Art der Chemical Vapor Deposition (CVD), das verwendet wird, um sehr glatte sowie homogene Dünnfilme mit hervorragenden Treue auch bei hohen Seitenverhältnissen abzuscheiden. Es basiert auf selbstabschließenden sequentielle Gas-Feststoff-Reaktionen, die eine präzise Steuerung der Filmdicke auf wenige Angström lassen sich auf der Basis. Zur Herstellung der heutigen 3D-elektronische Geräte, sind Technologien wie ALD erforderlich. Trotz der Vielzahl von praktischen Anwendungen von Nickel und Nickel (II) -oxid, sind einige Nickelvorstufen zur thermischen basierend ALD erhältlich. Darüber hinaus haben diese Vorstufen bei schlechten Filmeigenschaften führte und die Prozesseigenschaften wurden ebenfalls begrenzt. Daher in dieser Masterarbeit mussten die Eigenschaften verschiedener neuartiger Nickelvorstufen zu bewerten. Alle neuen Vorstufen heteroleptische (verschiedene Arten von Liganden) und Komplexe wurden vom Hersteller speziell zur thermischen basierend ALD aus reinem Nickel mit H 2 als ein Co-Reaktionsmittel gestaltet. Um die neuartige Vorläufer zu untersuchen, wurde eine neue Methode entwickelt, um kleine Mengen in einer sehr zeitsparend (bis zu 2 g) von Ausgangsstoffen zu testen. Diese Methodologie beinhaltet: TGA / DTA-Kurve analysiert der Vorstufen, thermische Stabilitätstests in dem die Vorläufer (<0,1 g) wurden bei erhöhter Temperatur in einer abgedichteten Umgebung für mehrere Stunden wurde die Abscheidung Experimenten und Film Charakterisierungen erhitzt. Die Abscheidungen wurden mit Hilfe der in situ Quarzmikrowaage überwacht, während die anwendungsbezogenen Filmeigenschaften, wie chemische Zusammensetzung, physikalische Phase, Dicke, Dichte, Härte und Schichtwiderstand wurden mit Hilfe von ex situ Messverfahren untersucht. Vor der Evaluierung neuartiger Nickelvorstufen ein Benchmark ALD-Prozess war vom Referenznickelvorläufer (Ni (AMD)) und Luft als Reaktionspartner entwickelt. Das Hauptziel der Entwicklung und Optimierung von solchen Benchmark-ALD-Prozess war es, Standard-Prozessparameter wie zweite Reaktionspartner Belichtungszeiten, Argonspülung Zeiten, gesamtprozessdruck, beginnend Abscheidungstemperatur und Gasströme zu extrahieren. Diese Standard-Prozessparameter mussten verwendet, um die Prozessentwicklung Aufgabe (das spart Vorläufer Verbrauch) zu verkürzen und die Sublimationstemperatur Optimierung für jede neuartige Vorstufe werden. Die ALD Verhalten wurde in Bezug auf die Wachstumsrate durch Variation des Nickelvorläuferbelichtungszeit, Vorläufer Temperatur und Niederschlagstemperatur überprüft. / Nickel and nickel(II) oxide are widely used in advanced electronic devices . In microelectronic industry, nickel is used to form nickel silicide. The nickel mono-silicide (NiSi) has emerged as an excellent material of choice for source-drain contact applications below 45 nm node CMOS technology. As compared to other silicides used for the contact applications, NiSi is preferred because of its low resistivity, low contact resistance, relatively low formation temperature and low silicon consumption. Nickel is used in nickel-based rechargeable batteries and ferromagnetic random access memories (RAMs). Nickel(II) oxide is utilized as transistor gate-oxide and oxide in resistive RAMs. Atomic Layer Deposition (ALD) is a special type of Chemical Vapor Deposition (CVD) technique, that is used to deposit very smooth as well as homogeneous thin films with excellent conformality even at high aspect ratios. It is based on self-terminating sequential gas-solid reactions that allow a precise control of film thickness down to few Angstroms. In order to fabricate todays 3D electronic devices, technologies like ALD are required. In spite of huge number of practical applications of nickel and nickel(II) oxide, a few nickel precursors are available for thermal based ALD. Moreover, these precursors have resulted in poor film qualities and the process properties were also limited. Therefore in this master thesis, the properties of various novel nickel precursors had to be evaluated. All novel precursors are heteroleptic (different types of ligands) complexes and were specially designed by the manufacturer for thermal based ALD of pure nickel with H 2 as a co-reactant. In order to evaluate the novel precursors, a new methodology was designed to test small amounts (down to 2 g) of precursors in a very time efficient way. This methodology includes: TGA/DTA curve analyses of the precursors, thermal stability tests in which the precursors (< 0.1 g) were heated at elevated temperatures in a sealed environment for several hours, deposition experiments, and film characterizations. The depositions were monitored with the help of in situ quartz crystal microbalance, while application related film properties like chemical composition, physical phase, thickness, density, roughness and sheet resistance were investigated with the help of ex situ measurement techniques. Prior to the evaluation of novel nickel precursors, a benchmark ALD process was developed from the reference nickel precursor (Ni(amd)) and air as a co-reactant. The main goal of developing and optimizing such benchmark ALD process was to extract standard process parameters like second-reactant exposure times, Argon purge times, total process pressure, starting deposition temperature and gas flows. These standard process parameters had to be utilized to shorten the process development task (thus saving precursor consumption) and optimize the sublimation temperature for each novel precursor. The ALD behaviour was checked in terms of growth rate by varying the nickel precursor exposure time, precursor temperature and deposition temperature.

The thermal atomic layer deposition (ALD) of copper oxide films from the non-fluorinated yet liquid precursor bis(tri-<it>n</it>-butylphosphane)copper(I)acetylacetonate, [(^<it>n</it>Bu₃P)₂Cu(acac)], and wet O₂ on Ta, TaN, Ru and SiO₂ substrates at temperatures of < 160&deg;C is reported. Typical temperature-independent growth was observed at least up to 125&deg;C with a growth-per-cycle of ~ 0.1 &Aring; for the metallic substrates and an ALD window extending down to 100&deg;C for Ru. On SiO₂ and TaN the ALD window was observed between 110 and 125&deg;C, with saturated growth shown on TaN still at 135&deg;C. Precursor self-decomposition in a chemical vapor deposition mode led to bi-modal growth on Ta, resulting in the parallel formation of continuous films and isolated clusters. This effect was not observed on TaN up to about 130&deg;C and neither on Ru or SiO₂ for any processing temperature. The degree of nitridation of the tantalum nitride underlayers considerably influenced the film growth. With excellent adhesion of the ALD films on all substrates studied, the results are a promising basis for Cu seed layer ALD applicable to electrochemical Cu metallization in interconnects of ultralarge-scale integrated circuits.<br> &copy; 2009 The Electrochemical Society. All rights reserved. <br> / Es wird die thermische Atomlagenabscheidung (ALD) von Kupferoxidschichten, ausgehend von der unfluorierten, fl&uuml;ssigen Vorstufenverbindung Bis(tri-<it>n</it>-butylphosphan)kupfer(I)acetylacetonat, [(^<it>n</it>Bu₃P)₂Cu(acac)], sowie feuchtem Sauerstoff, auf Ta-, TaN-, Ru- und SiO₂-Substraten bei Temperaturen < 160&deg;C berichtet. Typisches temperaturunabh&auml;ngiges Wachstum wurde zumindest bis 125&deg;C beobachtet. Damit verbunden wurde f&uuml;r die metallischen Substrate ein Zyklenwachstum von ca. 0.1 &Aring; erzielt sowie ein ALD-Fenster, das f&uuml;r Ru bis zu einer Temperatur von 100&deg;C reicht. Auf SiO₂ und TaN wurde das ALD-Fenster zwischen 110 und 125&deg;C beobachtet, wobei auch bei 135&deg;C noch ges&auml;ttigtes Wachstum auf TaN gezeigt werden konnte. Die selbst&auml;ndige Zersetzung des Precursors &auml;hnlich der chemischen Gasphasenabscheidung f&uuml;hrte zu einem bimodalen Schichtwachstum auf Ta, wodurch gleichzeitig geschlossene Schichten und voneinander isolierte Cluster gebildet wurden. Dieser Effekt wurde auf TaN bis zu einer Temperatur von 130&deg;C nicht beobachtet. Ebensowenig trat er im untersuchten Temperaturbereich auf Ru oder SiO₂ auf. Der Nitrierungsgrad der TaN-Schichten beeinflusste hierbei das Schichtwachstum stark. Mit einer sehr guten Haftung der ALD-Schichten auf allen untersuchten Substratmaterialien erscheinen die Ergebnisse vielversprechend f&uuml;r die ALD von Kupferstartschichten, die f&uuml;r die elektrochemische Kupfermetallisierung in Leitbahnsystemen ultrahochintegrierter Schaltkreise anwendbar sind.

Nickel und Nickel (II) -oxid werden in großem Umfang in fortgeschrittenen elektronischen Geräten verwendet. In der Mikroelektronik-Industrie wird Nickel verwendet werden, um Nickelsilizid bilden. Die Nickelmono Silizid (NiSi) wurde als ausgezeichnetes Material für Source-Drain-Kontaktanwendungen unter 45 nm-CMOS-Technologie entwickelt. Im Vergleich zu anderen Siliziden für die Kontaktanwendungen verwendet wird NiSi wegen seines niedrigen spezifischen Widerstand, niedrigen Kontaktwiderstand, relativ niedrigen Bildungstemperatur und niedrigem Siliziumverbrauchs bevorzugt. Nickel in Nickelbasis-Akkus und ferromagnetischen Direktzugriffsspeicher (RAMs) verwendet. Nickel (II) oxid wird als Transistor-Gate-Oxid und Oxid in resistive RAM genutzt wird. Atomic Layer Deposition (ALD) ist eine spezielle Art der Chemical Vapor Deposition (CVD), das verwendet wird, um sehr glatte sowie homogene Dünnfilme mit hervorragenden Treue auch bei hohen Seitenverhältnissen abzuscheiden. Es basiert auf selbstabschließenden sequentielle Gas-Feststoff-Reaktionen, die eine präzise Steuerung der Filmdicke auf wenige Angström lassen sich auf der Basis. Zur Herstellung der heutigen 3D-elektronische Geräte, sind Technologien wie ALD erforderlich. Trotz der Vielzahl von praktischen Anwendungen von Nickel und Nickel (II) -oxid, sind einige Nickelvorstufen zur thermischen basierend ALD erhältlich. Darüber hinaus haben diese Vorstufen bei schlechten Filmeigenschaften führte und die Prozesseigenschaften wurden ebenfalls begrenzt. Daher in dieser Masterarbeit mussten die Eigenschaften verschiedener neuartiger Nickelvorstufen zu bewerten. Alle neuen Vorstufen heteroleptische (verschiedene Arten von Liganden) und Komplexe wurden vom Hersteller speziell zur thermischen basierend ALD aus reinem Nickel mit H 2 als ein Co-Reaktionsmittel gestaltet. Um die neuartige Vorläufer zu untersuchen, wurde eine neue Methode entwickelt, um kleine Mengen in einer sehr zeitsparend (bis zu 2 g) von Ausgangsstoffen zu testen. Diese Methodologie beinhaltet: TGA / DTA-Kurve analysiert der Vorstufen, thermische Stabilitätstests in dem die Vorläufer (<0,1 g) wurden bei erhöhter Temperatur in einer abgedichteten Umgebung für mehrere Stunden wurde die Abscheidung Experimenten und Film Charakterisierungen erhitzt. Die Abscheidungen wurden mit Hilfe der in situ Quarzmikrowaage überwacht, während die anwendungsbezogenen Filmeigenschaften, wie chemische Zusammensetzung, physikalische Phase, Dicke, Dichte, Härte und Schichtwiderstand wurden mit Hilfe von ex situ Messverfahren untersucht. Vor der Evaluierung neuartiger Nickelvorstufen ein Benchmark ALD-Prozess war vom Referenznickelvorläufer (Ni (AMD)) und Luft als Reaktionspartner entwickelt. Das Hauptziel der Entwicklung und Optimierung von solchen Benchmark-ALD-Prozess war es, Standard-Prozessparameter wie zweite Reaktionspartner Belichtungszeiten, Argonspülung Zeiten, gesamtprozessdruck, beginnend Abscheidungstemperatur und Gasströme zu extrahieren. Diese Standard-Prozessparameter mussten verwendet, um die Prozessentwicklung Aufgabe (das spart Vorläufer Verbrauch) zu verkürzen und die Sublimationstemperatur Optimierung für jede neuartige Vorstufe werden. Die ALD Verhalten wurde in Bezug auf die Wachstumsrate durch Variation des Nickelvorläuferbelichtungszeit, Vorläufer Temperatur und Niederschlagstemperatur überprüft.:Lists of Abbreviations and Symbols VIII Lists of Figures and Tables XIV 1 Introduction 1 I Theoretical Part 3 2 Nickel and Nickel Oxides 4 2.1 Introduction and Existence 5 2.2 Material properties of Nickel and Nickel Oxide 5 2.3 Application in electronic industry 5 3 Atomic Layer Deposition 7 3.1 History 8 3.2 Definition 8 3.3 Features of thermal-ALD 8 3.3.1 ALD growth mechanism – an ideal view 8 3.3.2 ALD growth behaviour 10 3.3.3 Growth mode 11 3.3.4 ALD temperature window 11 3.4 Benefits and limitations 12 3.5 Precursor properties for thermal-ALD 13 3.6 ALD & CVD of Nickel – A literature survey 13 4 Metrology 17 4.1 Thermal analysis of precursors 18 4.2 Film and growth characterization 21 4.2.1 Quartz Crystal Microbalance 21 4.2.2 Spectroscopic Ellipsometry 24 4.2.3 X-Ray Photoelectron Spectroscopy 28 4.2.4 Scanning Electron Microscopy 29 4.2.5 X-Ray Reflectometry and X-Ray Diffraction 29 4.2.6 Four Point Probe Technique 20 5 Rapid Thermal Processing 32 5.1 Introduction 33 5.2 Basics of RTP 33 5.3 Nickel Silicides-A literature survey 33 II Experimental Part 36 6 Methodologies 37 6.1 Experimental setup 38 6.2 ALD process 41 6.2.1 ALD process types and substrate setups 41 6.2.2 Process parameters 41 6.3 Experimental procedure 42 6.3.1 Tool preparation 42 6.3.2 Thermal analysis and ALD experiments from nickel precursors 43 6.3.3 Data acquisition and evaluation 44 6.3.4 Characterization of film properties 46 7 Results and discussion 48 7.1 Introduction 49 7.2 QCM verification with Aluminum Oxide ALD process 49 7.3 ALD process from the reference precursor 50 7.3.1 Introduction 50 7.3.2 TG analysis for Ni(amd) precursor 51 7.3.3 Thermal stability test for Ni(amd) 51 7.3.4 ALD process optimization 52 7.3.5 Film properties 54 7.4 Evaluating the novel Nickel precursors 55 7.4.1 Screening tests for precursor P1 55 7.4.2 Screening tests for precursor P2 62 7.4.3 Screening tests for precursor P3 66 7.4.4 Screening tests for precursor P4 70 7.4.5 Screening tests for precursor P5 72 7.5 Comparison of all nickel precursors used in this work 74 8 Conclusions and outlook 77 References 83 III Appendix 101 A Deposition temperature control & Ellipsometry model 102 B Gas flow plan 105 / Nickel and nickel(II) oxide are widely used in advanced electronic devices . In microelectronic industry, nickel is used to form nickel silicide. The nickel mono-silicide (NiSi) has emerged as an excellent material of choice for source-drain contact applications below 45 nm node CMOS technology. As compared to other silicides used for the contact applications, NiSi is preferred because of its low resistivity, low contact resistance, relatively low formation temperature and low silicon consumption. Nickel is used in nickel-based rechargeable batteries and ferromagnetic random access memories (RAMs). Nickel(II) oxide is utilized as transistor gate-oxide and oxide in resistive RAMs. Atomic Layer Deposition (ALD) is a special type of Chemical Vapor Deposition (CVD) technique, that is used to deposit very smooth as well as homogeneous thin films with excellent conformality even at high aspect ratios. It is based on self-terminating sequential gas-solid reactions that allow a precise control of film thickness down to few Angstroms. In order to fabricate todays 3D electronic devices, technologies like ALD are required. In spite of huge number of practical applications of nickel and nickel(II) oxide, a few nickel precursors are available for thermal based ALD. Moreover, these precursors have resulted in poor film qualities and the process properties were also limited. Therefore in this master thesis, the properties of various novel nickel precursors had to be evaluated. All novel precursors are heteroleptic (different types of ligands) complexes and were specially designed by the manufacturer for thermal based ALD of pure nickel with H 2 as a co-reactant. In order to evaluate the novel precursors, a new methodology was designed to test small amounts (down to 2 g) of precursors in a very time efficient way. This methodology includes: TGA/DTA curve analyses of the precursors, thermal stability tests in which the precursors (< 0.1 g) were heated at elevated temperatures in a sealed environment for several hours, deposition experiments, and film characterizations. The depositions were monitored with the help of in situ quartz crystal microbalance, while application related film properties like chemical composition, physical phase, thickness, density, roughness and sheet resistance were investigated with the help of ex situ measurement techniques. Prior to the evaluation of novel nickel precursors, a benchmark ALD process was developed from the reference nickel precursor (Ni(amd)) and air as a co-reactant. The main goal of developing and optimizing such benchmark ALD process was to extract standard process parameters like second-reactant exposure times, Argon purge times, total process pressure, starting deposition temperature and gas flows. These standard process parameters had to be utilized to shorten the process development task (thus saving precursor consumption) and optimize the sublimation temperature for each novel precursor. The ALD behaviour was checked in terms of growth rate by varying the nickel precursor exposure time, precursor temperature and deposition temperature.:Lists of Abbreviations and Symbols VIII Lists of Figures and Tables XIV 1 Introduction 1 I Theoretical Part 3 2 Nickel and Nickel Oxides 4 2.1 Introduction and Existence 5 2.2 Material properties of Nickel and Nickel Oxide 5 2.3 Application in electronic industry 5 3 Atomic Layer Deposition 7 3.1 History 8 3.2 Definition 8 3.3 Features of thermal-ALD 8 3.3.1 ALD growth mechanism – an ideal view 8 3.3.2 ALD growth behaviour 10 3.3.3 Growth mode 11 3.3.4 ALD temperature window 11 3.4 Benefits and limitations 12 3.5 Precursor properties for thermal-ALD 13 3.6 ALD & CVD of Nickel – A literature survey 13 4 Metrology 17 4.1 Thermal analysis of precursors 18 4.2 Film and growth characterization 21 4.2.1 Quartz Crystal Microbalance 21 4.2.2 Spectroscopic Ellipsometry 24 4.2.3 X-Ray Photoelectron Spectroscopy 28 4.2.4 Scanning Electron Microscopy 29 4.2.5 X-Ray Reflectometry and X-Ray Diffraction 29 4.2.6 Four Point Probe Technique 20 5 Rapid Thermal Processing 32 5.1 Introduction 33 5.2 Basics of RTP 33 5.3 Nickel Silicides-A literature survey 33 II Experimental Part 36 6 Methodologies 37 6.1 Experimental setup 38 6.2 ALD process 41 6.2.1 ALD process types and substrate setups 41 6.2.2 Process parameters 41 6.3 Experimental procedure 42 6.3.1 Tool preparation 42 6.3.2 Thermal analysis and ALD experiments from nickel precursors 43 6.3.3 Data acquisition and evaluation 44 6.3.4 Characterization of film properties 46 7 Results and discussion 48 7.1 Introduction 49 7.2 QCM verification with Aluminum Oxide ALD process 49 7.3 ALD process from the reference precursor 50 7.3.1 Introduction 50 7.3.2 TG analysis for Ni(amd) precursor 51 7.3.3 Thermal stability test for Ni(amd) 51 7.3.4 ALD process optimization 52 7.3.5 Film properties 54 7.4 Evaluating the novel Nickel precursors 55 7.4.1 Screening tests for precursor P1 55 7.4.2 Screening tests for precursor P2 62 7.4.3 Screening tests for precursor P3 66 7.4.4 Screening tests for precursor P4 70 7.4.5 Screening tests for precursor P5 72 7.5 Comparison of all nickel precursors used in this work 74 8 Conclusions and outlook 77 References 83 III Appendix 101 A Deposition temperature control & Ellipsometry model 102 B Gas flow plan 105

In der vorliegenden Arbeit wird das Hauptaugenmerk auf die Untersuchung der Auswirkungen einer Modifikation der zugänglichen Prozessparameter auf die funktionalen Eigenschaften oxidischer Dünnfilme während der gepulsten Laserabscheidung (PLD) gelegt. Der erste Teil der Arbeit stellt die Herstellung von BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach-Heterostrukturen auf thermisch und chemisch vorbehandelten SrTiO3-Substraten mittels gepulster Laserabscheidung (PLD) vor. Die zugängliche in-situ Wachstumskontrolle durch ein reflection high-energy electron diffraction (RHEED)-System ermöglicht es die Wachstumsprozesse in Echtzeit zu überwachen. Angestrebt wird ein stabiler zwei-dimensionaler Wachstumsmodus, der neben glatten Grenzflächen auch eine hohe Dünnfilmqualität ermöglicht. Es wird erstmals die prinzipielle Anwendbarkeit von BaTiO3/SrTiO3-Heterostrukturen als Bragg-Spiegel aufgezeigt. Für BaTiO3- sowie SrTiO3-Dünnfilme wurden die PLD-Parameter Substrattemperatur, Sauerstoffpartialdruck, Energiedichte des Lasers sowie Flussdichte der Teilchen variiert und die Auswirkungen auf die strukturellen, optischen und Oberflächeneigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), spektraler Ellipsometrie (SE) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) beleuchtet. Im zweiten Teil werden ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen hetero- und homoepitaktisch auf thermisch vorbehandelten a-Saphir- respektive m- und a-orientierten ZnO-Einkristallen vorgestellt. Die Realisierung eines zwei-dimensionalen „layer-by-layer“ Wachstumsmodus wird für die Quantengrabenstrukturen aufgezeigt. Die Quantengrabenbreite lässt sich aus beobachteten RHEED-Oszillationen exakt bestimmen. Ein Vergleich zwischen, mittels Photolumineszenz gemessenen Quantengrabenübergangsenergien als Funktion der Grabenbreite mit theoretisch ermittelten Werten wird vorgestellt, wobei der Unterschied zwischen polaren und nicht-polaren Strukturen mit Blick auf eine Anwendung aufgezeigt wird. Für c-orientierte ZnO-Dünnfilme wird das Wachstum im Detail untersucht und ein alternativer Abscheideprozess im so genannten Intervall PLD-Verfahren vorgestellt. Die Verifizierung der theoretischen Prognose einer ferromagnetischen Ordnung mit einer Curie-Temperatur oberhalb Raumtemperatur (RT) für kubische, Mangan stabilisierte Zirkondioxid (MnSZ)-Dünnfilme stellt den dritten Teil der Arbeit dar. Die strukturellen Eigenschaften der Dünnfilme werden mittels XRD, AFM sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Bedingungen einer erfolgreichen Stabilisierung der kubischen Kristallphase durch den Einbau von Mn wird aufgezeigt. Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Elektronenspinresonanz (EPR) wird der Ladungszustand der, in der Zirkondioxidmatrix eingebauten, Mn-Ionen ermittelt. Die elektrischen Eigenschaftenwerden durch Strom-Spannungsmessungen(IU) sowie der Leitungstyp durch Seebeck-Effekt Messungen charakterisiert. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden die MnSZ Dünnfilme in verschiedenen Atmosphären thermisch behandelt und Veränderungen durch IU-Messungen aufgezeigt. Ergebnisse von optischen Untersuchungen mittels Transmissionsmessungen und KL werden präsentiert. Superconducting quantum interference device (SQUID)-Magnetometrie wird zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften genutzt. Magnetische Ordnungen im Bereich zwischen 5 K ≤ T ≤ 300 K werden untersucht und der Einfluss von Defekten sowie einer thermischen Behandlung in verschiedenen Atmosphären auf die magnetischen Eigenschaften diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wird das Hauptaugenmerk auf die Untersuchung der Auswirkungen einer Modifikation der zugänglichen Prozessparameter auf die funktionalen Eigenschaften oxidischer Dünnfilme während der gepulsten Laserabscheidung (PLD) gelegt. Der erste Teil der Arbeit stellt die Herstellung von BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach-Heterostrukturen auf thermisch und chemisch vorbehandelten SrTiO3-Substraten mittels gepulster Laserabscheidung (PLD) vor. Die zugängliche in-situ Wachstumskontrolle durch ein reflection high-energy electron diffraction (RHEED)-System ermöglicht es die Wachstumsprozesse in Echtzeit zu überwachen. Angestrebt wird ein stabiler zwei-dimensionaler Wachstumsmodus, der neben glatten Grenzflächen auch eine hohe Dünnfilmqualität ermöglicht. Es wird erstmals die prinzipielle Anwendbarkeit von BaTiO3/SrTiO3-Heterostrukturen als Bragg-Spiegel aufgezeigt. Für BaTiO3- sowie SrTiO3-Dünnfilme wurden die PLD-Parameter Substrattemperatur, Sauerstoffpartialdruck, Energiedichte des Lasers sowie Flussdichte der Teilchen variiert und die Auswirkungen auf die strukturellen, optischen und Oberflächeneigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), spektraler Ellipsometrie (SE) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) beleuchtet. Im zweiten Teil werden ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen hetero- und homoepitaktisch auf thermisch vorbehandelten a-Saphir- respektive m- und a-orientierten ZnO-Einkristallen vorgestellt. Die Realisierung eines zwei-dimensionalen „layer-by-layer“ Wachstumsmodus wird für die Quantengrabenstrukturen aufgezeigt. Die Quantengrabenbreite lässt sich aus beobachteten RHEED-Oszillationen exakt bestimmen. Ein Vergleich zwischen, mittels Photolumineszenz gemessenen Quantengrabenübergangsenergien als Funktion der Grabenbreite mit theoretisch ermittelten Werten wird vorgestellt, wobei der Unterschied zwischen polaren und nicht-polaren Strukturen mit Blick auf eine Anwendung aufgezeigt wird. Für c-orientierte ZnO-Dünnfilme wird das Wachstum im Detail untersucht und ein alternativer Abscheideprozess im so genannten Intervall PLD-Verfahren vorgestellt. Die Verifizierung der theoretischen Prognose einer ferromagnetischen Ordnung mit einer Curie-Temperatur oberhalb Raumtemperatur (RT) für kubische, Mangan stabilisierte Zirkondioxid (MnSZ)-Dünnfilme stellt den dritten Teil der Arbeit dar. Die strukturellen Eigenschaften der Dünnfilme werden mittels XRD, AFM sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Bedingungen einer erfolgreichen Stabilisierung der kubischen Kristallphase durch den Einbau von Mn wird aufgezeigt. Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Elektronenspinresonanz (EPR) wird der Ladungszustand der, in der Zirkondioxidmatrix eingebauten, Mn-Ionen ermittelt. Die elektrischen Eigenschaftenwerden durch Strom-Spannungsmessungen(IU) sowie der Leitungstyp durch Seebeck-Effekt Messungen charakterisiert. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden die MnSZ Dünnfilme in verschiedenen Atmosphären thermisch behandelt und Veränderungen durch IU-Messungen aufgezeigt. Ergebnisse von optischen Untersuchungen mittels Transmissionsmessungen und KL werden präsentiert. Superconducting quantum interference device (SQUID)-Magnetometrie wird zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften genutzt. Magnetische Ordnungen im Bereich zwischen 5 K ≤ T ≤ 300 K werden untersucht und der Einfluss von Defekten sowie einer thermischen Behandlung in verschiedenen Atmosphären auf die magnetischen Eigenschaften diskutiert.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1. Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1. Konzept der Übersättigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2. Beschreibung der Grenz- bzw. Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2. Keimbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1. Thermodynamische Grundlagen der Keimbildung . . . . . .. . . . 12 2.2.2. Atomistische Beschreibung der Keimbildung . . . . . . . . . . . . . 14 2.3. Besonderheiten der Schichtbildung in Homo- und Heteroepitaxie 16 2.3.1. Homoepitaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2. Heteroepitaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4. Wachstumskinetik in der gepulsten Laserabscheidung . . . . . . . 19 3. Experimentelle Details 21 3.1. Probenherstellung – Gepulste Laser Abscheidung (PLD) . . . . . . 21 3.1.1. Allgemeine Grundlagen der PLD . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.2. Reflection high-energy electron diffraction . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.3. PLD-Kammer mit in-situ RHEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.4. PLD-Kammer ohne in-situ RHEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2. Strukturelle und chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.1. Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2.2. Rasterkraftmikroskopie . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.3. Transmissionselektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.5. Rutherford-Rückstreuspektrometrie und Partikel-induzierte Röntgenemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.6. Röntgenphotoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3. Optische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.1. Transmissionsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.2. Lumineszenzmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.3. Spektroskopische Ellipsometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.4. Raman-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4. Magnetische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4.1. Messungen der Magnetisierung mit einem SQUID-Magnetometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 39 3.4.2. Elektronenspinresonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5. Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5.1. Strom-Spannungs-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5.2. Seebeck Effekt Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4. Die Herstellung und Charakterisierung von BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegeln mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2. Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3. Die Materialien Strontiumtitanat und Bariumtitanat . . . . . . . . . . 45 4.3.1. Kristallstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.2. Substrateigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.4. Epitaktische BaTiO3-Dünnfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.1. Heteroepitaktische BaTiO3-Dünnfilme auf SrTiO3 (001)-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.2. Initiale Wachstumsphasen von BaTiO3-Dünnfilmen auf SrTiO3 (001)-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.3. Auswirkung der PLD-Abscheideparameter auf epitaktische BaTiO3-Dünnfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 4.4.4. Veränderung der optischen Konstanten durch die Modifikation der PLD-Abscheideparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5. Epitaktische SrTiO3-Dünnfilmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.6. Abscheidung von BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.1. BaTiO3/SrTiO3-Einfach–Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.2. BaTiO3/SrTiO3-Mehrfach–Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6.3. BaTiO3/SrTiO3-Bragg-Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.6.4. Abschlussbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5. Die Herstellung und Charakterisierung von ZnO/MgxZn1−xO-Quantengräben mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.2. Die Materialien ZnO und MgxZn1−xO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2.1. ZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2.2. MgxZn1−xO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.3. Quantengrabenstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.3.1. Exzitonen im Zinkoxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3.2. Quantum-Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.4. Die Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.4.1. Heteroepitaktische Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen auf a-Saphir-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.4.2. Homoepitaktische Abscheidung von ZnO- und MgxZn1−xO-Dünnfilmen auf verschiedenen ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.5. Die Herstellung von ZnO/MgxZn1−xO-Quantengrabenstrukturen auf verschiedenen Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.5.1. Heteroepitaktische Quantengrabenstrukturen auf a-Saphir-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.5.2. Anmerkungen zu homoepitaktischen Quantengrabenstrukturen abgeschieden auf c-ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.5.3. Homoepitaktischen Quantengrabenstrukturen abgeschieden auf nicht-polaren ZnO-Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.5.4. Abschlussbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6. Die Herstellung und Charakterisierung von Mangan stabilisierten Zirkondioxid als potentieller verdünnter magnetischer Halbleiter mittels PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2. Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.2.1. Spintronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.2.2. Verdünnte magnetische Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.3. Ferromagnetische Kopplung in verdünnten magnetische Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.3. Mangan stabilisiertes Zirkondioxid als möglicher DMS . . . . . . . . 162 6.4. Das Material Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.4.1. Die Phasen des Zirkondioxids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.5. Substrateigenschaften von (001) und (111) orientiertem Yttrium stabilisierten Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.6. Untersuchungen an Mangan stabilisierten Zirkondioxid Dünnfilmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 6.6.1. Strukturelle und chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . 177 6.6.2. Analyse der unterschiedlichen Phasen im Mangan stabilisierten Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190 6.6.3. Elektrische und optische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . 203 6.6.4. Magnetische Charakterisierung von Mangan stabilisiertem Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210 6.6.5. Magnetische Charakterisierung von nominell undotiertem Zirkondioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 6.6.6. MnSZ-Mehrfach-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 6.6.7. Einfluss einer thermischen Behandlung auf die magnetischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227 6.6.8. Zusammenfassung der Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.7. Abschlussbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7. Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 8. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 A. Symbole und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 B. Liste der Veröffentlichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 C. Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 D. Curriculum Vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286 E. Selbstständigkeitserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287