【国际论文】ACS AMI丨美国德克萨斯大学达拉斯分校：利用臭氧表面预处理优化 β-Ga₂O₃/介电层界面工程

        由美国德克萨斯大学达拉斯分校、爱尔兰科克大学廷德尔国家研究所的研究团队在学术期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 发布了一篇名为 Ozone Surface Pretreatment for Enhanced β-Ga₂O₃/Dielectric Interface Engineering（利用臭氧表面预处理优化 β-Ga₂O₃/介电层界面工程）的文章。

        近些年，氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借超大禁带宽度、高击穿电场等优势，成为功率电子与光电器件领域极具潜力的超宽禁带半导体材料。高性能氧化镓基 MOS 器件制备依赖原子层沉积（ALD）制备高质量栅介质，但原生 β-Ga₂O₃ 表面极易吸附碳质污染物、羟基、间隙原子与非计量比氧化镓缺陷，大幅劣化半导体/介质界面质量与器件可靠性。现有紫外臭氧处理、氧气退火、氧等离子体等常规氧化预处理手段虽经 XPS 表征证实可去除表面杂质，却无法同步提升 MOS 电容电学性能，根源是衬底在 ALD 腔室热平衡阶段，腔体内残留金属有机前驱体分解产生的碳杂质会再次吸附至样品表面。因此亟需开发原位表面预处理新工艺，规避二次污染、优化界面特性。

        本文采用原位物性表征与离体器件电学测试相结合的方式，系统探究了多种氧化表面预处理工艺对 β-Ga₂O₃/Al₂O₃ 栅介质界面的调控规律。借助原位 X 射线光电子能谱（XPS）测试发现，氧等离子体、紫外臭氧（UV-O₃）、氧气退火等成熟氧化处理方式可大幅去除 β-Ga₂O₃ 表面碳质杂质，但对应金属-氧化物-半导体（MOS）电容的电容-电压（C-V）测试结果表明器件电学性能并未得到同步改善。该现象归因于衬底在原子层沉积（ALD）腔室中热平衡过程里，来自残留金属有机前驱体的碳质杂质再次吸附在半导体表面。本研究提出一体化臭氧脉冲预处理工艺，在介质薄膜沉积前即刻对 β-Ga₂O₃ 表面进行净化处理，最大限度缩短样品在 ALD 含杂质气氛中的暴露时间。相较于其他预处理方案，臭氧脉冲预处理可实现更优异的表面钝化与杂质去除效果，显著优化器件平带特性、界面陷阱密度与频散特性；该臭氧脉冲工艺可兼容商用 ALD 设备，为高品质 β-Ga₂O₃ 栅介质界面制备提供实用且可规模化的技术方案。

        ·阐明传统预处理工艺出现 XPS 表面洁净度与 MOS 电学性能不匹配的核心诱因：衬底 ALD 腔室热平衡阶段，前驱体残留杂质造成表面碳元素二次污染。

        ·开发嵌入 ALD 工艺流程的原位臭氧脉冲预处理新技术，臭氧脉冲结束至 ALD 前驱体通入间隔仅 5 s，从时间维度杜绝碳杂质再吸附。

        ·经角分辨 XPS、多频 C-V 电学测试证实：臭氧脉冲预处理获得全工艺最低表面杂质密度（1.0×10¹⁵ atoms/cm²）、最低界面陷阱密度（D_it=1.24±0.10×10¹² eV^-1·cm^-2）与最优平带电压稳定性。

        ·臭氧脉冲工艺与现有工业化 ALD 设备完全兼容，便于在氧化镓功率器件量产中规模化落地应用。

        本工作通过原位与离体相结合的系统性表征手段，探究了多种表面预处理工艺对 β-Ga₂O₃/介质界面化学状态与电学性能的影响规律。紫外臭氧处理、氧气退火、远程氧等离子体处理虽可在不破坏氧化镓本征化学计量比的前提下有效去除表面有机杂质与羟基，但经预处理制备的 MOS 电容电学测试结果表明，表面洁净度提升无法同步转化为器件性能优化。上述矛盾源于衬底热平衡阶段 ALD 腔室内气氛带来的碳质杂质再吸附，因此需要全新的预处理方案。基于此，研究在 ALD 腔室内实现一体化臭氧脉冲预处理，大幅缩短 β-Ga₂O₃ 衬底暴露在污染气氛的时间，从源头抑制表面二次污染。XPS 与 C-V 测试共同证实，该简便高效的预处理工艺可最大程度优化表面化学状态与器件电学性能。研究结果明确了表面杂质污染与器件关键参数的强关联性，证明需要结合化学表征与电学测试协同分析，以此指导后续 β-Ga₂O₃ 先进 MOS 器件技术研发。

图 1 对照组 β-Ga₂O₃ 样品的角分辨 XPS 谱图。(a) 取谱角 45° 条件下的 Ga 3d、(b) O 1s、(c) C 1s 谱；(d) 取谱角 75° 条件下的 Ga 3d、(e) O 1s、(f) C 1s 谱，证明样品表面存在羟基和碳质杂质。(g) 角分辨 XPS 装置示意图，说明取谱角可调控探测深度灵敏度。(h) 归一化 O 1s 谱，体现高结合能肩峰的角度依赖性；小取谱角下谱线不对称性增强，说明污染物仅附着在样品表面。

图 2 经紫外臭氧处理的 (201) 晶面 β-Ga₂O₃ 表面 XPS 谱图。(a) 紫外臭氧处理 5 min 后的 Ga 3d、(b) O 1s、(c) C 1s 谱；(d) 紫外臭氧处理 15 min 后的 Ga 3d、(e) O 1s、(f) C 1s 谱，有机含氧杂质随处理时间延长逐步减少。

图 3 氧气退火处理后的 (201) 晶面 β-Ga₂O₃ 表面 XPS 谱图。(a) 150 ℃ 氧气退火后的 Ga 3d、(b) O 1s、(c) C 1s 谱；(d) 300 ℃ 氧气退火后的 Ga 3d、(e) O 1s、(f) C 1s 谱，中温热处理可显著去除表面羟基杂质。(g) 归一化 O 1s 谱，有机含氧杂质随退火温度升高持续降低。

图 4 等离子体处理后的 (201) 晶面 β-Ga₂O₃ 表面 XPS 谱图。(a) 衬底 300 ℃ 下在 ALD 腔室经过 100 次脉冲远程氧等离子体处理后的 Ga 3d、(b) O 1s、(c) C 1s 谱；(d) 室温下在溅射腔室经过 10 min 远程氧等离子体处理后的 Ga 3d、(e) O 1s、(f) C 1s 谱，两种处理方式均可不同程度减少碳质杂质。

图 5 (a) C 1s 谱，紫外臭氧处理后的 β-Ga₂O₃ 置于 ALD 腔室 15 min 后表面重新生成碳质杂质；(b)(c) 衬底 300 ℃ 条件下在 ALD 腔室进行 100 次臭氧脉冲预处理后 β-Ga₂O₃ 的 O 1s 与 C 1s 谱，相较湿法清洗样品，该工艺可降低表面羟基与碳杂质含量。

DOI：

10.1021/acsami.6c04207