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1. 表面化學(xué)清洗
化學(xué)清洗是常用的半導(dǎo)體器件表面處理方法，有機(jī)試劑可以去除器件表面的油脂等有機(jī)物污漬，而酸、堿溶液則可以去除表面氧化層等無機(jī)雜質(zhì)。柵絕緣層沉積前，首先在丙酮和乙醇中分別超聲清洗3min，然后在酸性或堿性溶液中浸泡移除表面氧化層，最后用去離子水沖洗并用N2吹干。為了防止空氣中氧和碳等雜質(zhì)對(duì)器件表面的二次污染，化學(xué)清洗結(jié)束后立刻將樣品放入ALD反應(yīng)腔中，并執(zhí)行腔體抽真空程序。
2. 原位低損傷等離子體預(yù)處理
雖然器件表面化學(xué)清洗與樣品載入反應(yīng)腔兩步工序之間間隔很短，氮化物表面仍有可能已被空氣雜質(zhì)污染。為了進(jìn)一步消除表面雜質(zhì)對(duì)器件界面特性的影響，本研究在柵絕緣層沉積之前采用原位表面頇處理技術(shù)，以保證柵絕緣層在低雜質(zhì)含量的氮化物表面沉積。等離子體處理是一種非常有效的表而處理方法，但是GaN基絕緣柵HEMT器件溝道對(duì)表面特別敏感，等離子體轟擊可能在表面產(chǎn)生物理?yè)p傷，從而對(duì)溝道產(chǎn)生電學(xué)損傷，使器件性能退化。本文采用遠(yuǎn)程等離子體表面處理技術(shù)，即等離子發(fā)生器與反應(yīng)腔室是空間隔離的，利用氣體吹掃將等離子體輸運(yùn)至反應(yīng)腔室。這是一種低損傷的等離子體技術(shù)，從而避免了等離子體轟擊引起的器件性能退化。
圖1給出了原位遠(yuǎn)程等離子體預(yù)處理對(duì)Al2O3/AlGaN/ GaN MOS異質(zhì)結(jié)構(gòu)C-V曲線的影響。樣品表面化學(xué)清洗后，放入PEALD設(shè)備反應(yīng)腔室中進(jìn)行原位等離了體表面預(yù)處理，然后在熱型ALD模式下沉積23nm厚的Al2O3絕緣層。預(yù)處理RF功率設(shè)置為200W，環(huán)境氣體為20sccm-NH3/90sccm-N2混合氣體，Al2O3絕緣層沉積前軀體源為TMA和H2O，工藝溫度為300℃。C-V曲線采用汞探針連接C-V分析儀測(cè)得，分別測(cè)試了100KHz和1MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)處的回滯曲線。未經(jīng)原位等離子體預(yù)處理樣品的曲線回滯大于0.5V，而且100KHz與1MHz之間的閾值電壓頻散超過了1V；但是采用原位等離子體表面預(yù)處理后，曲線回滯小于0.1V，且頻散大幅減小，這說明原位表面預(yù)處理有效減少了界面電荷。另外可以注意到，對(duì)于經(jīng)過原位等離子體預(yù)處理的樣品，C-V曲線在1-2V范圍內(nèi)出現(xiàn)第二個(gè)上升區(qū)域，這對(duì)應(yīng)于Al2O3/氮化物界面的電荷積累；而對(duì)于未經(jīng)原位等離子體表面預(yù)處理的樣品，大量界面電荷的存在補(bǔ)償了積累在Al2O3/氮化物界面的電子，導(dǎo)致在4V偏壓時(shí)仍未出現(xiàn)C-V曲線的第二個(gè)上升區(qū)域。
接下來我們采用XPS分析對(duì)等離子體表面預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了更深入的研究，氮化物異質(zhì)結(jié)表面的Ga3d高分辨率掃描結(jié)果如圖2所示。由于空氣氧化的原因，(Al)GaN表面存在一層薄的氧化物，所以圖2(a)中觀察到了明顯的Ga-O鍵峰。采用遠(yuǎn)程氮化等離子體表面處理后，Ga-O鍵相對(duì)Ga-N鍵的含量減少，這正是MOS異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面特性改善的原因。
3. 熱退火處理
熱退火處理是半導(dǎo)體器件工藝中常用的薄膜缺陷和刻蝕損傷修復(fù)技術(shù)，可以減少絕緣層體材料及其與半導(dǎo)體界面的缺陷密度。本文利用快速熱退火爐進(jìn)行熱處理，退火處理在N2氣氛中進(jìn)行。圖3給出了600℃快速熱退火1min對(duì)100KHz下測(cè)得的Al2O3/ AlGaN/ GaN MOS異質(zhì)結(jié)構(gòu)C-V曲線的影響。熱退火處理使C-V曲線回滯進(jìn)一步減小，并導(dǎo)致曲線整體正向漂移約1V，說明RTA處理大幅減少了絕緣層體材料缺陷和界面電荷。另外，RTA處理后積累區(qū)電容值升高，這是因?yàn)闊嵬嘶鹛岣吡私^緣層材料質(zhì)量，介電常數(shù)增大。
柵金屬后退火(PMA)處理改善了MIS-HEMT器件漏電和界面特性。PMA處理時(shí)，熱退火不僅對(duì)柵絕緣層材料和絕緣層/半導(dǎo)體界面產(chǎn)生影響，還有可能會(huì)影響到柵金屬接觸特性，所以本研宄利用肖特基柵HEMT器件結(jié)構(gòu)分析了熱退火對(duì)柵金屬接觸特性的影響。研究中采用的異質(zhì)結(jié)材料勢(shì)壘層為12nm-Al0.55Ga0.45N，柵金屬化后退火溫度設(shè)定為450℃，防止溫度過高導(dǎo)致柵接觸退化，處理時(shí)間為2min。
圖4給出了PMA處理對(duì)器件漏電和擊穿特性的影響。PMA處理使器件正反向關(guān)態(tài)柵漏電降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，柵漏電的減小也使器件1mA/mm擊穿電壓從90V提高到了140V。柵漏電降低和擊穿特性提高得益于界面特性的改善，這可以從PMA處理后器件亞閾值特性的改善得到驗(yàn)證，如圖5所示。PMA處理使HEMT器件亞閾值電流減小，轉(zhuǎn)移曲線正向漂移0.21V。根據(jù)以下表達(dá)式
估算出PMA處理使界面電荷減少了△N=1.5×1012cm-2，式中Co=1.14μF/m2是單位面積電容，q是單電子電荷量。界面特性的改善可以歸因于熱處理后界面氧的減少，這部分界面氧可能在熱激發(fā)條下與金屬Ni結(jié)合形成絕緣的NiO膜，也有可能與氮化物表面的(Al)Ga懸掛鍵結(jié)合形成較穩(wěn)定的氧化物。目前還沒有關(guān)于PMA改善器件界面特性機(jī)理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有待結(jié)合TEM等物理表征方法進(jìn)行深入研究。
