Interface control of epitaxial Gd2O3 film grown on Si(111)

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Gd2O3 films were grown epitaxially on Si(111) substrates at various growth temperatures and buffer layer using an effusion cell. X-ray diffraction and Rutherford back scattering spectroscopy analysis indicated that the deposited films were epitaxial, however, the high-resolution transmission electron microscopy showed an interfacial layer formation on the silicon substrate. A Gd silicide layer was generated at an interface during the initial growth stage of the Gd2O3 film in the absence of a buffer layer due to strong interactions between elemental Gd and the Si substrate, while a silicate layer was predominant at the interface when buffer layers were present. Gd2O3 films with a buffer layer exhibited improved interfacial characteristics, crystalline quality, and thermal stability, compared to a Gd2O3 film without buffer layers.In order to profoundly illuminate interfacial reaction, Zr incorporated Gd2O3 films were grown with the same growth condition. The structural characteristics of epitaxial Gd2O3 were maintained on the Si (111) substrate when the Zr is co-deposited along with Gd. The incorporation of ZrO2 into Gd2O3 improved the crystallinity of the film and no interfacial layers were observed. In particular, the structural stability with no deformation was greatly enhanced and silicate formation was drastically suppressed up to an annealing temperature of 800℃ compared to Gd2O3 with no Zr because of a significant reduction in interfacial reactions.To study electrical properties, epitaxial Gd2(Zr)O3 films were applying to the MOS device. The interfacial defects caused by extensive interactions between Gd and Si are also minimized and a flat interface is maintained up to an annealing temperature of 800℃. The interface trap charge of the film was ~ 1012 cm-2, which was somewhat high because the interfacial state on Si(111) and oxide(111) surface was much higher than that of the (100) plane. The calculated dielectric constant of Gd2(Zr)O3 film was about 15~25.

국문 초록 (Abstract)

Gd2O3 박막을 Si(111)기판 위에 생장온도 및 완충 층을 변화 시키며 적층 생장 시켰다. X-선 회절과 러더포드 후방 산란 분석에 의해 적층 생장되었음을 알 수 있었지만, 고분해능 전자현미경으로 조사한 결과 Si 기판 위에 계면 층이 생성 되었음을 알 수 있었다. Gd 규화물(silicide) 층은 완충 층이 없는 경우 초기 생장 시 Si 기판과 Gd의 강한 상호 작용에 의해 생기는 것이며, 반면에 완충 층이 있는 경우 에는 계면에서 규산염(silicate)층의 반응이 주로 일어 났다. 완충 층이 있는 박막의 경우 계면의 특성, 결정성 및 열적 안정성이 없는 경우에 비해 향상 되었음을 알 수 있었다.계면의 반응에 대해 더 깊이 고찰을 하기 위해서, Zr이 결합된 Gd2O3 박막을 위와 동일한 조건으로 생장 시켰다. 박막의 열적 안정성은 다양한 방법으로 고찰되었다. Gd2O3에 ZrO2의 결합은 박막의 결정성을 향상 시켰으며, 계면 층 또한 관측되지 않았다. 특히, Gd2O3 박막의 결정 구조의 변형 없이 안정성은 훨씬 더 강화 되었으며, 800℃ 열처리 후 규산염의 형성은 Zr이 없는 Gd2O3에 비해 철저히 억제되었다.전기적인 특성을 알아보기 위해 적층 생장된 Gd2(Zr)O3 박막을 소자에 적용시켜 보았다. Gd 과 Si의 반응에 의해 형성되는 계면 결함 또한 최소화 되었고, 약 800℃ 열처리 후 평탄한 계면특성을 보여주었다. 박막의 계면포획전하는 약 1012 cm-2으로 다소 높게 나왔는데, 이는 Si(100) 결정면에 비해 Si(111) 결정면이 계면상태가 다소 높은데 기인한다. 계산된 유전 상수 값은 약 15~25 정도를 가진다.