研究铁电堆叠厚度和退火序列对采用混合铁电堆栈栅极的GaN HEMTs（高电子迁移率晶体管）的影响

《ACS Applied Electronic Materials》：Study of Ferroelectric Stack Thickness and Annealing Sequence Effects on GaN HEMTs with Hybrid Ferroelectric Stacks Gate

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在使用足够高的阈值电压（Vth）实现稳定的增强模式（E-mode）操作仍然是GaN功率HEMTs面临的关键挑战。本研究探讨了铁电堆栈厚度和退火序列对生长在SiC衬底上的GaN MOS-HEMTs的影响，这些HEMTs采用了由Al2O3/HZO/Al2O3组成的混合铁电栅极堆栈，并在HZO和Al2O3层之间嵌入了HfON电荷捕获层。具有不同HZO堆栈厚度的器件分别进行了沉积后退火（PDA）或在400°C氮气（N2）环境下的金属化后退火（PMA）。与经过PDA处理的器件相比，经过PMA处理的器件表现出更高的Vth值、更稳定的Vth分布以及更好的鲁棒性。经过优化的、具有更厚铁电堆栈的PMA处理器件实现了高达5.39 V的正Vth值，从而实现了可编程的E-mode操作。此外，经过PMA处理的样品中的铁电-金属-铁电-金属电容器表现出明显的滞后行为，剩余极化强度（2Pr）为36.63 μC/cm2。这些结果表明，通过控制退火序列进行混合铁电栅极工程是实现高Vth值和稳定增强模式GaN HEMTs的有效策略。

1. 引言
随着全球能源消耗的增加以及对可持续解决方案需求的提升，提高能源效率已成为开发下一代功率开关器件及其应用的关键优先事项。基于氮化镓（GaN）的金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOS-HEMTs）已成为高效电能转换和射频（RF）应用的有希望的候选者。由于GaN具有宽禁带、高击穿场强和高电子迁移率等优异的材料特性，在高压和高温环境下具有显著优势。(5) 在异质界面形成的强极化诱导二维电子气（2DEG）导致传统的GaN基HEMTs处于常开状态，即通常所说的耗尽模式（D-mode）操作。(6-) 实现常关操作对于功率开关安全性和系统集成至关重要，这推动了人们对栅极堆栈工程的广泛研究。(11,12) 在GaN MOS-HEMT的发展中，一个主要挑战是形成具有稳定阈值电压（Vth）、低泄漏和良好界面控制的高质量栅极电介质。传统的电介质材料往往存在界面缺陷并且在应力下稳定性较差。(13) 铁电材料，特别是氧化铪锆（HZO），由于其能够通过极化改变Vth值并提供潜在的非易失性行为而受到关注。(14,15) 然而，HZO的铁电性能对处理条件和层结晶度非常敏感。(14,15) 此外，将其与III族氮化物半导体集成会带来额外的可靠性问题，包括极化保持、唤醒效应和电场循环下的退化。

为了增强铁电性和最小化泄漏，提出了使用Al2O3/HZO/Al2O3多层结构，这种结构提供了更好的相位稳定性和界面控制。(16-18) 与传统p型GaN栅极结构相比，铁电辅助的混合栅极堆栈提供了一种无需依赖p型激活即可实现正Vth值的替代策略。(19,20) 这种方法还通过极化控制和栅极堆栈工程提供了更大的设计灵活性，有利于优化器件性能。此外，沉积后退火（PDA）和金属化后退火（PMA）是两种广泛采用的热处理方法，旨在优化铁电堆栈的结晶和电学性能。(21,22) 退火序列可以显著影响极化行为、电荷捕获以及最终GaN器件的电学性能。尽管最近取得了进展，但系统研究铁电堆栈厚度和退火序列对GaN MOS-HEMT性能的综合影响仍然有限。在本研究中，我们在GaN-on-SiC衬底上制备了含有嵌入HfON电荷捕获层的Al2O3/HZO/Al2O3栅极堆栈。先前的研究已经证实，HfON作为有效的电荷捕获层对于实现GaN基器件的增强模式操作非常有效。(23,24) 我们探索了两种不同的堆栈厚度和两种退火方法（PDA和PMA），并通过电学测量和铁电特性分析评估了它们对Vth调制、C-V分布和极化初始化后稳定性的影响。本研究证明，通过协同结合铁电极化和电荷捕获效应，受退火序列控制的混合铁电栅极堆栈能够在GaN HEMTs中实现稳定、高Vth的可编程E-mode操作。

2. 实验细节
2.1. GaN MOS-HEMT的制备和初始化
GaN MOS-HEMTs是在4° off半绝缘SiC衬底上生长的AlGaN/GaN异质结构上制备的。图1显示了从顶层到SiC衬底的外延结构，包括厚度为28.8 nm的Al0.25Ga0.75N势垒、1 nm的AlN间隔层、GaN沟道和缓冲层、AlGaN过渡层以及AlN成核层。通过感应耦合等离子体（ICP）刻蚀定义器件区域，刻蚀深度约为330 nm，形成了源极（S）和漏极（D）电极的欧姆接触。随后通过电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au（20/300/40/200 nm）金属堆栈，并在1000°C的N2环境下进行快速热退火（RTA）1分钟。值得注意的是，在低于1000°C的退火温度下，由于界面反应不足，很难在Ti/Al/Ni/Au和Al0.25Ga0.75N势垒层之间形成欧姆接触。(25) 欧姆接触形成后，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积了50 nm的SiO2钝化层。为了提高栅极可控性和实现常关操作，通过ICP刻蚀进行了约21 nm深的栅极凹陷。凹陷后的Al0.25Ga0.75N势垒剩余厚度约为7.8 nm。栅极区域布局包括3 μm的栅极长度、7 μm的源极到栅极距离和10 μm的栅极到漏极距离。(26-28) 凹陷区域的宽度定义为5 μm。(29)

图1. 带有混合铁电堆栈的GaN HEMTs的器件结构和制备流程。

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栅极电介质层通过原子层沉积（ALD）在250°C下沉积，形成两种配置的铁电多层堆栈。对于样品A和B，栅极堆栈结构由Al2O3 (0.5 nm)/HZO (7.0 nm)/Al2O3 (0.5 nm)/HZO (7.0 nm)/Al2O3 (0.5 nm)/HfON (4.6 nm)/Al2O3 (4.3 nm)组成，总厚度约为24.4 nm。相比之下，样品C和D额外增加了Al2O3/HZO堆栈，形成Al2O3 (0.5 nm)/HZO (7.0 nm)/Al2O3 (0.5 nm)/HZO (7.0 nm)/Al2O3 (0.5 nm)/HZO (7.0 nm)/Al2O3 (0.5 nm)/HfON (4.6 nm)/Al2O3 (4.3 nm)，总厚度约为31.9 nm，如图2所示。所有厚度均通过透射电子显微镜（TEM）测量。在HZO层之间插入Al2O3层是为了修改由于退极化场和界面电荷效应引起的有效铁电响应。

图2. 不同HZO厚度的混合铁电堆栈栅极的横截面设计。

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为了研究热处理的效果，采用了两种退火方案。在栅极金属沉积前，样品A和C在400°C的N2环境中进行了1分钟的PDA处理；而在肖特基栅极形成后，样品B和D在相同条件下进行了PMA处理。栅极金属通过电子枪蒸发沉积Ni/Au (50/50 nm)堆栈，并使用剥离光刻技术进行图案化。最后，通过选择性刻蚀钝化层定义了探针垫。

2.2. 用于铁电测试的金属/铁电/金属（MFM）电容器的制备
为了研究不同退火序列下HZO的铁电特性，在Si衬底上制备了MFM电容器，如图3所示。首先通过电子枪蒸发在Si衬底上沉积TiN/Pt底电极，然后使用ALD沉积HZO薄膜。HZO薄膜是通过交替沉积HfO2和ZrO2形成的，总厚度约为10 nm，Hf/Zr的组成比例约为1:1。沉积温度保持在250°C以保持薄膜生长的均匀性和组成控制。

图3. 带有HZO铁电层的MFM电容器的结构和制备流程。

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沉积后，进行了两种类型的退火处理。在PDA样品中，退火在HZO层沉积后立即进行；而在PMA样品中，退火在顶部电极形成后进行。两种处理均在400°C的N2环境中使用RTA进行1分钟。最后，通过遮罩沉积并图案化TiN/Pt顶电极，定义了100 × 100 μm2的电容区域。使用TF分析仪测量P-V滞后并提取剩余极化强度（2Pr）等参数，以表征铁电特性。

3. 结果与讨论
3.1. HZO铁电薄膜特性的表征
图4a显示了在400°C下经过PDA和PMA处理的HZO薄膜的X射线 diffraction（XRD）图案。两种薄膜都显示出清晰的衍射峰，证实了它们的晶体性质。PDA处理的薄膜在2θ ≈ 28.3°和31.6°附近显示出明显的峰，这些峰通常与单斜相（m）相关。(30) 相比之下，PMA处理的薄膜在2θ ≈ 30.4°附近显示出增强的衍射强度，这可以归因于正交相（o）或四方相（t）相关相。(31) 这一发现表明，PMA过程可以有效促进铁电相关o相的形成，同时减少非铁电m相的比例。

图4. (a) 在400°C下经过PDA和PMA处理后的HZO薄膜的XRD图案。(b) PDA和PMA处理后HZO薄膜的Hf 4f和(c) Zr 3d核心能级的XPS光谱。

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通过X射线光电子谱（XPS）研究了Hf 4f和Zr 3d的化学键合状态，如图4b,c所示。与PDA处理相比，两种核心能级光谱在PMA处理后都向更高的结合能方向发生了轻微偏移。这种偏移表明局部化学环境发生了变化，与增强的金属-氧协调性和减少的氧缺陷有关，对应于更完全的氧化状态。(32,33) 这些现象可能是由于电极使用的是TiN和Pt，它们由于其化学稳定性而总是用作扩散屏障和抗氧化层。因此，这些结果证实了PMA过程为HZO薄膜提供了更好的氧化条件，有助于稳定铁电相结构。

3.2. 基于HZO的MFM电容器的铁电特性
图5显示了在400°C下经过PDA和PMA处理的HZO MFM电容器的极化-电压（P–V）滞后环，测量频率为1 kHz。两种样品都显示出明确的滞后环和对称的开关行为，表明在两种退火条件下HZO薄膜中形成了铁电相。与PDA处理的电容器相比，PMA处理的器件显示出更宽的滞后窗口和更高的极化值，表明PMA过程增强了铁电相的稳定性。

图5. 在400°C下经过PDA和PMA处理的HZO MFM电容器的P–V滞后环。红色和蓝色箭头分别表示经过PDA和PMA处理的HZO MFM电容器的2Pr值。

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PDA样品的2Pr值为约28.43 μC/cm2，而PMA样品的2Pr值增加到36.63 μC/cm2，如图5中的红色和蓝色箭头所示。2Pr值的增加表明PMA过程促进了HZO层的更好结晶并减少了界面相关缺陷，从而导致更强的极化切换。(34,35) 这些结果表明，PMA有效改善了铁电性能，并为后续器件制备提供了更稳定的极化行为。需要注意的是，虽然MFM结构中使用的衬底与GaN HEMTs不同，但提取的极化和切换特性提供了有关控制器件操作的栅极堆栈机制的宝贵见解。

3.3. 使用TEM对铁电堆栈结构的表征
为了检查混合铁电栅极堆栈的结构完整性和相组成，在制备的GaN MOS-HEMTs上进行了横截面TEM、纳米束衍射（NBD）和能量色散X射线光谱（EDS）分析。如图6a-d所示，栅极电介质区域显示出由Al2O3/HZO/Al2O3组成的明确且连续的多层结构，其中嵌入的HfON电荷捕获层位于AlGaN势垒正上方。所有界面都清晰、均匀，没有明显的混合或层状不连续性，这表明通过原子层沉积工艺实现了出色的厚度控制和界面质量。图6：(a) 低倍率TEM图像；(b–d) 嵌入HfON电荷陷阱层的栅极堆的低倍率和高分辨率TEM图像，显示出清晰且连续的界面；(e) 从HZO层局部获取的纳米束衍射(NBD)图案，其晶格结构为正交晶系，晶区轴接近[011]。高分辨率图像下载MS PowerPoint幻灯片。高分辨率TEM图像显示HZO层内部具有明显的晶格对比度，证实了其晶体性质，而相邻的Al2O3间隔层和隧穿层仍保持非晶态。这种非晶-晶体-非晶结构将铁电HZO与栅极金属和底层的AlGaN通道隔离开来，预期可以抑制直接的界面耦合并减轻半导体界面处的退极化或电荷屏蔽效应。从TEM图像中提取的厚度分析结果显示，每个HZO层的厚度约为6.5–7纳米，HfON电荷陷阱层为4.6纳米，Al2O3间隔层约为0.5纳米，Al2O3隧穿层约为4.3纳米。这些数值与设计目标仅有微小偏差，进一步证明了工艺的可重复性和栅极区域多层结构的均匀性。

为了进一步阐明铁电相的晶体学性质，如图6e所示，从HZO层局部获取了纳米束衍射图样。所得衍射图案与正交晶系一致，晶区轴接近[011]方向。这一正交相的识别为HZO层中存在铁电活性相提供了直接的晶体学证据，与电性能和铁电测量中观察到的增强极化行为相吻合。NBD的纳米级空间分辨率支持HZO层内正交相的局部稳定结晶。这一解释得到了以下证据的支持：(1) 横截面TEM图像中多层堆叠结构中没有扩展或柱状晶粒结构；(2) 从单个HZO层内的纳米级区域获得的NBD图案具有空间局部性；(3) 没有表明晶粒合并或二次结晶的形态学或衍射特征。这些观察结果表明，结晶作用局限于设计的层厚度（约7纳米）内，而不是由大晶粒生长或二次相形成引起的。

通过EDS映射检查了栅极堆内的元素分布，如图7a–d所示。Hf、Zr、Al和O信号在各自层内空间上限制良好，退火后 oxide-oxide 或 oxide-semiconductor 界面上没有明显的元素扩散。这一观察表明，所施加的热处理不会导致成分降解或界面宽化。此外，栅极区域的EDS线扫描剖面（图7e）进一步确认了从栅极金属到铁电层再到AlGaN/GaN异质结构的正确堆叠顺序。

尽管超薄（约1纳米）的Al2O3间隔层在EDS元素映射中因高对比度和有限的空间分辨率而无法清晰显示，但其存在通过相应的线扫描光谱得到确认，这些光谱在预期的界面区域显示出明显的Al和O信号。总体而言，TEM、NBD和EDS的结果表明，混合铁电栅极堆保持了优异的结构完整性、成分稳定性和局部晶体学相纯度。这些结构特性为观察到的极化诱导的阈值电压调制、降低的C–V色散以及PMA处理后的GaN MOS-HEMTs电性能的提高提供了坚实的微观结构基础。

栅极堆中的交错Al2O3层起到界面稳定器和场调节屏障的作用，而底部的HfON/Al2O3堆则增强了热稳定性和电稳定性。特别是HfON层作为电荷陷阱层，在初始化过程中起着关键作用。与纯铁电栅控器件相比，后者可能表现出有限的极化保持能力和不稳定的极化状态，而混合栅极堆集成了一个电荷陷阱层，有助于维持和稳定极化状态。当施加正栅极偏压（例如+12 V持续1 ms）时，HZO层中的铁电极化偶极子会排列整齐，产生一个指向GaN通道的强极化场。同时，注入的电子被HfON层捕获。偶极子排列和电荷陷阱之间的协同作用产生了更大且更稳定的正阈值电压，最小化了C–V色散，并增强了初始化后的器件稳定性。

图8a–d展示了在不同初始化电压下样品A-D的IDS-VGS传输特性。对于PDA处理和PMA处理的器件，传输曲线均显示出随着初始化电压的增加而向更正的VGS方向系统性偏移，表明Vth可以通过极化编程进行控制。图8b,d中显示的PMA处理样品（B和D）的Vth偏移比图8a,c中的PDA处理样品（A和C）更大，表明栅极堆内的极化耦合更强。此外，图8c,d中的样品C和D表现出比样品A和B（图8a,b）更明显的偏移，这归因于添加的Al2O3/HZO堆层，它促进了铁电极化和界面电荷调制。观察到的阈值电压偏移源于HZO层中的铁电极化和HfON层中的电荷陷阱的共同作用。HZO主要产生极化场，而HfON则作为捕获介质帮助稳定极化状态并增强电压控制。PDA处理和PMA处理样品之间的一致差异进一步突显了铁电极化的显著作用。

图9a总结了ΔVth随初始化电压的变化情况。当样品A和B的初始化电压从7 V增加到14 V，样品C和D的初始化电压增加到18 V时，ΔVth呈近似线性增加。其中，样品D（PMA，三层结构）的ΔVth最大约为5.39 V，而样品A（PDA，双层结构）的偏移最小，约为2 V。这些结果表明，增加HZO堆厚度以及PMA处理工艺增强了极化诱导的阈值电压调制，并实现了稳定的正ΔVth。图9b比较了在VDS = 10 V时所有样品的IDS–VGS传输特性。初始化后，样品C和D表现出正常的关断状态。与PDA处理的器件相比，PMA处理的样品显示出更好的亚阈值特性。特别是样品D的Vth约为4.51 V，开关电流比为5.31 × 10^7，亚阈值摆幅仅为113 mV/dec。此外，PMA处理的器件相比PDA处理的器件具有更低的漏电流和更平滑的开启行为，表明PMA处理改善了栅极堆和界面质量。

图10显示了样品C和D的C–V特性。这两种器件在100 kHz至1 MHz的测量范围内均表现出典型的耗尽-积累转变，频率分散可以忽略不计，表明在这个频率窗口内电活性界面陷阱的密度较低。与样品C相比，PMA处理的器件显示出更陡的电容转变和更高的积累电容，这归因于改善的氧化物/半导体界面质量和提高的介电性能。这些发现进一步支持了PMA处理有效改善了GaN MOS-HEMTs的铁电极化和电性能。

4. 结论 本研究系统地考察了铁电堆厚度和退火顺序对采用混合铁电栅极堆的GaN MOS-HEMTs的影响。通过集成Al2O3/HZO/Al2O3结构和HfON电荷陷阱层，实现了通过栅极偏压初始化的可编程增强模式操作。PMA对于实现更优的器件性能至关重要，能够获得更高且更稳定的阈值电压、抑制C–V色散，并提高栅极堆的稳健性。PMA处理后铁电栅极的增强稳健性体现在残余极化的增强、铁电正交相的稳定以及电性能的提高，包括降低的C–V色散和稳定的阈值电压行为。PMA还稳定了铁电相并增强了残余极化，从而实现了更有效的Vth调制。此外，增加铁电堆厚度通过增加可切换的极化体积进一步提高了可实现的Vth。优化后的器件展示了高达5.39 V的正Vth，突显了受退火顺序控制的混合铁电栅极堆作为实现稳定高Vth增强模式GaN HEMTs的有效方法。