【国际论文】APL丨日本东京大学：SiO₂ 原子层沉积中的氧化条件对经 600 °C 沉积后退火的 β-Ga₂O₃ (001) MOS 界面态密度的影响

        由日本东京大学的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为Impact of oxidation conditions in SiO₂ atomic layer deposition on interface state densities at β-Ga₂O₃ (001) MOS interfaces with 600 °C post-deposition annealing（SiO₂ 原子层沉积中的氧化条件对经 600 °C 沉积后退火的 β-Ga₂O₃ (001) MOS 界面态密度的影响）的文章。

        β-Ga₂O₃（β型氧化镓）具有约 4.4–4.7 eV 的宽禁带和较高的击穿电场，同时能够通过边缘限定薄膜供料法（EFG）等熔体生长技术制备大尺寸块体晶体，因此被认为是具有应用潜力的下一代功率半导体材料。β-Ga₂O₃高压肖特基势垒二极管研究进展较好，但高性能MOSFET仍面临挑战，主要因p型掺杂技术不成熟，传统结构难以直接应用。栅介质/半导体界面质量直接影响器件电学特性，制备低界面态密度和低近界面氧化层陷阱密度的高质量MOS界面是关键。SiO₂因与Ga₂O₃热力学稳定性好、导带偏移大、应用经验成熟而具有优势，但其界面缺陷密度对ALD工艺条件敏感：低温工艺难以充分降低界面态密度，约1000°C氧气气氛PDA虽有效却会导致掺杂原子扩散、载流子浓度下降和电阻率上升。该团队此前发现，在Al₂O₃/β-Ga₂O₃界面中以O₃替代H₂O作为ALD氧化剂，可在较低退火温度下显著降低界面态密度，原因可能与O₃较强氧化能力改善近界面区域氧化状态有关。因此，如何在较低热预算下获得高质量SiO₂/β-Ga₂O₃界面是该领域需解决的重要问题。

        本文研究了热法或等离子体增强原子层沉积（ALD）中SiO₂薄膜沉积条件对β-Ga₂O₃金属-氧化物-半导体（MOS）电容器界面特性的影响，特别关注ALD中的氧化反应条件。通过调节热ALD中的O₃剂量，并将沉积后退火温度限制在相对较低的600 °C，以避免Ga₂O₃受到热损伤。通过热ALD并采用足量的O₃，SiO₂/β-Ga₂O₃界面处的固定电荷密度也降至最低。这些结果表明，控制SiO₂沉积条件对于在低热预算工艺下获得高质量的SiO₂/β-Ga₂O₃ MOS界面具有重要作用。

        ①研究发现，相比采用 O₂ 远程等离子体的 PE-ALD，采用 O₃ 的热 ALD 更有利于降低界面态密度和近界面氧化层陷阱密度，同时避免等离子体损伤对界面电学特性的影响。

        ②发现界面态密度和近界面氧化层陷阱密度均存在最佳 O₃ 供给剂量，说明过量氧化并不一定改善界面质量，氧化条件需要进行精确调控。

        ③建立了适用于低热预算工艺的 SiO₂/β-Ga₂O₃（001）界面制备思路，证明通过优化 ALD 氧化反应条件，即使将沉积后退火温度限制在 600 °C，仍可获得较低的界面缺陷和固定电荷水平。

        该团队研究了通过ALD法沉积SiO₂的条件对SiO₂/β-Ga₂O₃ (001) MOS特性的影响，特别关注在β-Ga₂O₃表面最初约3 nm的ALD生长过程中氧化剂的供应情况。研究发现，在热ALD中使用O₃作为氧化剂，比使用O₂远程等离子体ALD更有效地降低了PDA后在相对较低温度（600°C）下的Dit和Qtrap，而这一温度是避免Ga₂O₃性能受到热损伤所必需的。结果表明，在SiO₂薄膜沉积过程中控制氧化反应，对在热预算有限的PDA条件下形成高质量的SiO₂/β-Ga₂O₃ MOS界面具有显著影响。

图1. 样品结构示意图。最初的3 nm SiO₂层分别通过以下方法沉积：（a）在与剩余8 nm相同的条件下，采用低剂量O₂远程等离子体的PE-ALD；（b）采用高剂量O₂远程等离子体的PE-ALD；（c）采用低剂量O₃的热ALD；以及（d）采用高剂量O₃的热ALD。在样品 (b) 至 (d) 中，剩余的 8 nm 层是使用低剂量 O₂ 远程等离子体沉积的。

图2. 采用高剂量或低剂量O₂等离子体以及高剂量或低剂量O₃作为氧化剂时，SiO₂薄膜沉积的单周期生长量。

图3. (a) ALD-SiO₂/Ga₂O₃ MOS电容器的归一化1 MHz双向C–V特性曲线，以及 (b) Dit的能量分布；图1中展示了由PE-ALD结合O₂远程等离子体以及热ALD结合O₃作为氧化剂所形成的各种堆叠结构。

图4. (a) 经化学清洗的β-Ga₂O₃ (001)表面的紫外光电子能谱。(b) 基于SiO₂/Ga₂O₃金属氧化物半导体（MOS）电容器中VFB与VFB-ideal之差估算的Qfix值，图1展示了由PE-ALD结合O₂远程等离子体以及热ALD结合O₃作为氧化剂所形成的各种堆叠结构。

图5. 采用热ALD（初始层约3 nm）结合PE-ALD（后续层约8 nm）制备的SiO₂/β-Ga₂O₃ (001) MOS电容器，其位于导带边缘下方0.2 eV处的Dit（左轴）和Qtrap（右轴）随热ALD中O₃剂量的变化而变化的曲线。横轴表示O₃进气阀开启时间，用于调节热ALD各氧化过程中的O₃剂量。

DOI：

https://doi.org/10.1063/5.0352389