The $Si/SiO_2$ interface is a key issue in electronic and optoelectronic device. In elctronic device, the $SiO_2$ thin film on Si has been used as a gate dielctric which is the most thin layer in silicon-based metal oxide semiconductor field effect transistors(MOSFETs). While the thickness of gate oxide in 1 Gbit DRAM is about 5 nm, the thickness of the transition region at the $Si/SiO_2$ interface has been reported to vary from 0.5 to 3 nm. The interface region occupies a large portion of the gate oxide and therefore not negligible. Though it is now well established that ULSI reliability and electrical properties are strongly dependent on the quality of the silicon-gate oxide interface region, relatively little is known about the atosmic configuration of these defects, especially for ultrathin oxide film. The $Si/SiO_2$ interface is also important fact in optical applications. Si nanostructures, such as porous Si, quantum dots in $SiO_2$ matrix, and $Si/SiO_2$ superlattices, and Er-doped Si nanostructures have drawn a great attention as candidates for Si-based integrated optoelectronic device materials. Although it is argued that the $Si/SiO_2$ interface states play some roles in light emission, the details are still controversial. It is necessary to find out the atomic configuration of the interface like as the gate oxide for more understandings.
In this study, we have constructed UHV - ion beam sputter deposition system for in-situ MEIS analysis. We can control the composition, the thickness, and the structure of the films down to sub-monolayer with this system. We could make the $Si/SiO_2$ superlattice which has high light emission efficiency though we could not obtain the $SiO_2$ films with high electric quality. So the sample for electrical measurements was made in samsung electronic cooperation. We have measured the composition and strain profile of the $Si/SiO_2$ interface with Medium Energy Ion Scattering Spectroscopy (MEIS) which has atomic scale depth resolution. Therefore, we can control and analyze $Si/SiO_2$ interface for atomic scale understandings and improvements of the gate oxide electrical properties and Er-doped $Si/SiO_2$ superlattice optical properties.
$Si/SiO_2$ 계면은 전자 소자와 광전자 소자 분야에서 핵심이다. 전자 소자에서 $SiO_2$ 박막은 게이트 유전체로 사용되어 왔다. 이 박막은 트랜지스터 구조에서 가장 얇은 박막으로 1 Gbit DRAM의 경우 rm 두께가 약 5 nm이다. $SiO_2$ 박막은 Si 기판 위에 길러지며 이 두 물질의 계면은 약 0.5 nm ~ 3 nm 정도로 알려지고 있다. 따라서 전체 두께 중에서 계면(전이영역)이 크게는 50%를 넘게 차지 하므로 이 계면에 대한 제어와 분석이 전체 소자 성질에 결정적 영향을 미치게 된다. 광전자 소자 분야에서는 $SiO_2$ 매트릭스 안에 나노결정 실리콘이 있는 경우나 $SiO_2/Si$ 초격자, 다공성 실리콘등에서 이 계면의 역할이 중요하다.
본 연구에서 초고진공용 이온빔 스퍼터 증착 장비를 제작 하였다. 이 장비로 원자 한층이하의 원자들을 증착 시킬 수 있었다. 이 장비를 이용하여 Er이 도핑된 $Si/SiO_2$ 초격자를 제작 하였고 Si 층을 한층으로 했을 때 나오는 빛의 양이 30배 정도 세어짐을 밝혀 냈다. 표면이 아닌 시료 내부에 있는 한층을 측정하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이 측정을 위해 한층 이하의 분해능을 가지는 중에너지 이온 산란 분광법을 이용 하였다. 또 트랜지스터의 $SiO_2$로 된 게이트 유전체와 실리콘 기판 사이의 계면에 걸려 있는 응력을 측정하고 이것이 게이트 유전체의 수명과 관련 있음을 밝혔다.
