【器件论文】通过结合沉积后退火与金属化后退火形成高质量 SiO₂/β-Ga₂O₃ MOS 结构

        会议收录期刊 ECS Meeting Abstracts 收录了由日本大阪大学的研究团队发布的名为Formation of High-Quality SiO₂/β-Ga₂O₃ Mos Structures by Combination of Post-Deposition and Post-Metallization Annealing（通过结合沉积后退火与金属化后退火形成高质量 SiO₂/β-Ga₂O₃ MOS 结构）的文章。

摘要

        氧化镓（Ga₂O₃）凭借其超宽带隙和高击穿电场特性，成为功率半导体器件的理想材料。尽管二氧化硅（SiO₂）具有优异的热稳定性且与 Ga₂O₃ 存在更大的带隙差，但相较于报道更为广泛的氧化铝（Al₂O₃），其作为栅极绝缘层的应用仍未得到充分探索。其中，退火处理对MOS器件性能与可靠性的影响构成极具价值的研究领域。本研究系统考察了沉积后退火（PDA）与金属化后退火（PMA）对 SiO₂/β-Ga₂O₃ MOS 器件的影响。

        N 型 β-Ga₂O₃ (001) 外延层（有效施主浓度(N_D)：1×10¹⁶ cm^-3）经湿法清洗后，通过等离子体增强化学气相沉积法沉积约 30-50 nm 厚的 SiO₂ 薄膜。随后，在 600-1000 °C 的温度下，在 O₂、N₂ 或 O₂ 随后 N₂ 的环境中（O_2-, N_2-, 或 O₂→N₂-PDA）进行了 PDA。之后，在样品上沉积镍电极，随后在 200-400 ℃ 的 H₂(3%)/N₂ 环境中进行 PMA 处理。最后，在样品背面沉积铝电极以形成 MOS 电容器。

        首先在未进行 PMA 处理的情况下，研究了不同条件下 PDA 的影响。沉积样品的 1 MHz 电容-电压（C-V）特性因电子陷阱存在显著拉伸效应和滞后现象，而经 1000℃ O_2-, N_2- 或 O₂→N₂-PDA 处理后，样品特性得到显著改善。通过高（1 MHz）-低法测得的界面态密度分别为： O₂→N₂-PDA 处理样品的界面态密度分别为 7.0 × 10¹¹, 4.0 × 10¹¹, 3.0 × 10¹¹ 和 1.0 × 10¹¹ eV⁻¹cm⁻²（测定于 Ga₂O₃ 导带边缘附近，即 E_C − E = 0.2 eV）。虽然 O₂- 和N₂-PDA单独处理均能改善界面特性，但组合处理效果更佳。此外，单独应用 O₂- 或 N₂-PDA会引入某些缺陷。当仅进行 O₂-PDA 处理时，通过 1/C²-V 曲线可观察到 Ga₂O₃ 外延层近界面区域的 N_D 值降低了一个数量级。N_D 降低的可能成因在于氧间隙原子和/或镓空位——先前理论研究表明，这些缺陷在富氧条件下优先形成，并在 Ga₂O₃ 中作为受主型缺陷存在。N₂ PDA 未引发类似的 N_D 降低，且能有效缓解 O₂-PDA 导致的载流子补偿，使 N_D 恢复至初始值。然而单独进行 N₂-PDA 处理时，栅极漏电流的起始氧化层电场强度低至约 4 MVcm^-1。相反，O₂-PDA 及 O₂→N₂-PDA 样品的介电性能得到提升，漏电流起始电场强度约为 6 MVcm^-1。该结果表明 O₂-PDA 对改善 SiO₂ 介质质量具有必要性。总体而言，O₂-PDA 与 N₂-PDA 的组合工艺（即O₂→N₂-PDA）在保持 Ga₂O₃ 初始 N_D 分布的同时，为提升界面特性与介电性能提供了实用解决方案。

        随后对经 O₂-PDA 与 N₂-PDA 复合处理的样品额外实施 H₂/N₂-PMA 工艺。经 400 ℃ 额外 PMA 处理后，观察到陡峭的 1-MHz C-V 特性曲线，其滞回现象微乎其微（约 0.03 V）。在 E_C − E = 0.2 eV 条件下测得的 D_it 值达4.0 × 10¹⁰ eV⁻¹cm⁻²，表明界面特性获得显著改善。鉴于 H₂/N₂-PMA 在 200 ℃ 低温下仍具显著效果，高温 PDA 处理后残留缺陷很可能是悬键型缺陷，此类缺陷可通过反应能垒较低的氢原子实现钝化。最后，研究了经 H₂/N₂-PMA 处理的 MOS 器件可靠性。可靠性测试中施加相当于 4 MV/cm 氧化层电场的恒定正栅极电压应力达 2000 秒，以监测 C-V 特性变化。未处理样品在 2000 秒应力后出现约 8 V 的大幅平带电压漂移（ΔV_FB），而经 O₂→N₂-PDA 与 H₂/N₂-PMA 双重处理后，ΔV_FB 显著降至约 1 V。

        综上所述，本研究系统探讨了 PDA 和 PMA 处理对 SiO₂/Ga₂O₃ MOS 结构的影响，揭示 O₂→N₂-PDA 与 H₂/N₂-PMA 的组合工艺可形成具有改进界面特性和可靠性的 MOS 器件。

原文链接：

https://doi.org/10.1149/MA2025-02373522mtgabs