【器件论文】重离子诱导的 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 金属-氧化物-半导体电容器退化机制及超临界流体恢复动力学

        由西安交通大学的研究团队在学术期刊 Journal of Vacuum Science & Technology A 发布了一篇名为Heavy-ion-induced degradation mechanisms and supercritical fluid recovery dynamics in Al₂O₃/β-Ga₂O₃ metal-oxide-semiconductor capacitors（重离子诱导的 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 金属-氧化物-半导体电容器退化机制及超临界流体恢复动力学）的文章。

摘要

        本研究探讨了重离子辐照对 Al₂O₃/beta-gallium（β-Ga₂O₃）金属氧化物半导体电容器（MOSCAP）的影响，该电容器是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的关键构成单元，并评估了基于 N₂O 的超临界流体（SCF）处理的修复效果。在累计通量为 4×10⁷ ions/cm² 的钽（Ta）离子辐照后，净载流子浓度（N_d）从 2.91×10¹⁶ 降至 1.92×10¹⁶ cm⁻³。由于重离子诱导的缺陷重构，界面态密度 (D_it) 和界面氧化层陷阱电荷密度 (N_iot) 略有下降，而有效氧化层电荷密度 (N_eff) 则通过氧化层中氧空位的电子捕获从 4.22×10¹¹ 下降到 3.87×10¹¹ cm⁻²。辐照诱导的潜伏轨迹以及陷阱能级 (φ_t) 从 1.72 eV 降至 1.62 eV，导致漏电流增加十倍且击穿电压降低，其中陷阱辅助隧穿被确认为主要的输运机制。为缓解这些影响，采用了基于 N₂O 的 SCF 处理，通过温和的氮化处理和氧补偿实现了恢复。初始 SCF 处理将 φ_t 提升至 1.78 eV，但残留的潜伏轨迹限制了漏电流特性的恢复。后续SCF处理主要通过降低电活性陷阱密度和钝化与轨迹相关的缺陷，进一步抑制了漏电流，尽管 φ_t 略有下降。在长时间照射过程中观察到恢复饱和和 N_eff 极性反转，表明存在复杂的电荷动力学。这些发现阐明了 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 结构中的重离子损伤物理机制，并界定了 SCF 的操作边界，为预测未来抗辐射 MOSFET 的工作寿命提供了关键参考。

原文链接：

https://doi.org/10.1116/6.0005278