原位等离子体处理：优化 HfAlOx MIOS 结构性能，为微电子器件发展赋能

在金属 - 绝缘体 - 氧化物半导体（MIOS）结构中，绝缘体层缺陷影响器件性能。研究人员开展了通过原位等离子体处理优化 HfAlOx MIOS 结构的研究。结果显示该处理能提升器件性能，这为微电子器件发展提供了新方向。

　　在现代电子领域，金属 - 绝缘体 - 氧化物半导体（MIOS）结构凭借其简化的工艺和出色的整流特性，在二极管、存储器、显示器等众多器件中发挥着关键作用。然而，传统的 P - N 二极管和肖特基二极管，由于缺乏稳定的 p 型氧化物半导体，在电气性能方面存在诸多局限，如电稳定性差、整流比低、工作电压范围窄等。而 MIOS 结构虽有优势，但其中绝缘体层的薄膜质量成为影响二极管性能的关键因素。像 HfO₂绝缘膜，虽因高介电常数被广泛应用于微电子器件，可它存在氧配位差异导致的空位问题，产生大量陷阱态，降低了器件的电稳定性，且其低结晶温度会引发高漏电流和低击穿电场等问题 。即便通过 Al 掺杂能改善一些缺陷，但 HfOx 中的体氧化物陷阱和界面缺陷依旧难以消除，在高压或高频操作下，会使器件性能下降。因此，探寻合适的制备方法来减少界面态和体陷阱，成为提升 MIOS 结构性能的关键。

为了解决这些问题，研究人员开展了一项极具价值的研究。他们将原位 Ar/O₂等离子体处理引入超循环原子层沉积（ALD）过程，制备金属 - 绝缘体 - 氧化物半导体（MIOS）二极管。该研究成果意义重大，发表在《Applied Surface Science Advances》上。它为优化 MIOS 结构性能提供了新途径，有望推动微电子器件朝着更高性能、更稳定的方向发展。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先是原子层沉积（ALD）技术，通过该技术在玻璃基板上依次沉积 270nm 厚的氧化锡（ITO）作为底部电极，以及 10nm 厚的 HfAlOx 薄膜，精确控制薄膜生长。接着，在 HfAlOx 薄膜沉积过程中引入原位 Ar/O₂等离子体处理，设置不同处理位置以探究其影响。最后，利用 X 射线光电子能谱（XPS）分析 HfAlOx 薄膜的成分变化。

研究结果

1. 器件性能测试：研究人员对制备的 MIOS 二极管进行电流 - 电压特性测试。结果显示，器件在正电压范围内呈现高电流，负电压下阻断电流。未经等离子体处理的 HAO 器件存在明显电滞现象（约 182.1mV），而经原位等离子体处理的 HPAPO 器件电滞显著降低（约 45.5mV）。在反向偏压 - 0.1V 时，HAO 器件漏电流为 8×10^–10，HPAO、HAPO 和 HPAPO 器件平均漏电流接近 10^–9。HAO、HPAO、HAPO 和 HPAPO 器件的击穿电压分别为 8.7V、9.8V、10.4V 和 12.4V，其中 HPAPO 器件的开关比最高可达 10⁴ ，相比未处理的 HAO 器件，开关比提高约一个数量级，击穿电压提升 42.5%。这表明原位等离子体处理能有效改善器件性能，减少电滞，提高开关比和击穿电压。
2. XPS 分析：通过 XPS 对 HAO、HPAO、HAPO 和 HPAPO 薄膜的 Al2p 和 O1s 核心能级光谱进行分析。从 Al2p 光谱可知，所有样品光谱都可解卷积为来自 Hf - Al - O 和 Al - O 键的两个峰。引入原位等离子体后，Hf - Al - O 键含量从 HAO 薄膜的 14% 增至 HPAPO 薄膜的 62%，增长约 4.4 倍，同时 Al - O 含量减少。O1s 光谱解卷积为三个峰，O_I峰与晶格氧相关，O_II峰与氧缺陷区域有关，O_III峰与强吸附氧等有关。原位等离子体处理后，HPAPO 薄膜中 O_I峰比例从 HAO 薄膜的 25.1% 大幅提升至 60.6%，而 O_II和 O_III峰比例下降。这说明原位等离子体处理增强了金属与晶格氧的键合能力，抑制了薄膜中的氧缺陷，优化了界面性能。
3. 能带隙计算：研究人员利用原位等离子体处理研究 HfAlOx 绝缘层的变化，通过 O1s 峰反映的带间电子跃迁能量损失光谱，估算薄膜的能带隙（E_g） 。HAO 薄膜的非弹性损失起始值为 536.4eV，HPAO、HAPO 和 HPAPO 薄膜几乎相同，均为 536.3eV。计算得出 HAO 薄膜能带隙为 5.6eV，经原位等离子体处理的薄膜能带隙均为 5.5eV。能带隙的减小归因于原位等离子体处理导致的 Hf 和 Al 元素比例变化。
4. 电子传输机制：研究人员还揭示了典型 MIOS 二极管中电子的传输机制。在正向偏压下，电子从底部电极注入 HfAlOx/IGO 界面并积累，随着电场强度增加和有效势垒高度降低，引发 Fowler - Nordheim 隧穿，导致电流升高；在反向偏压下，HfAlOx/IGO 界面形成耗尽层，势垒高度增加，电子传输受阻，电流中断，使器件呈现类似整流的不对称电流 - 电压（I - V）特性。

研究结论与讨论

综上所述，该研究深入探讨了 ALD 超循环引入的原位等离子体处理顺序对 HfAlOx 电介质薄膜性能和电学性能的影响。XPS 结果证实了原位等离子体处理对 HfAlOx 薄膜中金属 - 氧键和氧相关缺陷的影响。引入原位等离子体后，HPAPO 薄膜表现出金属原子与晶格氧更强的键合能力，薄膜中氧缺陷态数量减少，从而实现了极小的电滞和超过 10⁴的优异开关比。此外，由于 Hf 与 Al 元素比例的变化，HPAPO 二极管经等离子体处理后能带隙略有下降，使击穿电压达到 12.4V 。基于这些结果，研究人员提出了 MIOS 二极管中的传导机制和能带结构。该研究为减少界面缺陷提供了有效策略，为扩展氧化物半导体界面的多样化应用提供了重要线索，有望推动微电子器件、节能和功率器件等领域的发展，具有重要的理论和实际应用价值。