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1. 表面化學清洗
化學清洗是常用的半導體器件表面處理方法，有機試劑可以去除器件表面的油脂等有機物污漬，而酸、堿溶液則可以去除表面氧化層等無機雜質。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對器件表面的二次污染，化學清洗結束后立刻將樣品放入ALD反應腔中，并執行腔體抽真空程序。
2. 原位低損傷等離子體預處理
雖然器件表面化學清洗與樣品載入反應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污染。為了進一步消除表面雜質對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，以保證柵絕緣層在低雜質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器件溝道對表面特別敏感，等離子體轟擊可能在表面產生物理損傷，從而對溝道產生電學損傷，使器件性能退化。本文采用遠程等離子體表面處理技術，即等離子發生器與反應腔室是空間隔離的，利用氣體吹掃將等離子體輸運至反應腔室。這是一種低損傷的等離子體技術，從而避免了等離子體轟擊引起的器件性能退化。
圖1給出了原位遠程等離子體預處理對Al2O3/AlGaN/ GaN MOS異質結構C-V曲線的影響。樣品表面化學清洗后，放入PEALD設備反應腔室中進行原位等離了體表面預處理，然后在熱型ALD模式下沉積23nm厚的Al2O3絕緣層。預處理RF功率設置為200W，環境氣體為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分析儀測得，分別測試了100KHz和1MHz兩個頻率點處的回滯曲線。未經原位等離子體預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，這說明原位表面預處理有效減少了界面電荷。另外可以注意到，對于經過原位等離子體預處理的樣品，C-V曲線在1-2V范圍內出現第二個上升區域，這對應于Al2O3/氮化物界面的電荷積累；而對于未經原位等離子體表面預處理的樣品，大量界面電荷的存在補償了積累在Al2O3/氮化物界面的電子，導致在4V偏壓時仍未出現C-V曲線的第二個上升區域。
接下來我們采用XPS分析對等離子體表面預處理技術進行了更深入的研究，氮化物異質結表面的Ga3d高分辨率掃描結果如圖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。采用遠程氮化等離子體表面處理后，Ga-O鍵相對Ga-N鍵的含量減少，這正是MOS異質結構界面特性改善的原因。
3. 熱退火處理
熱退火處理是半導體器件工藝中常用的薄膜缺陷和刻蝕損傷修復技術，可以減少絕緣層體材料及其與半導體界面的缺陷密度。本文利用快速熱退火爐進行熱處理，退火處理在N2氣氛中進行。圖3給出了600℃快速熱退火1min對100KHz下測得的Al2O3/ AlGaN/ GaN MOS異質結構C-V曲線的影響。熱退火處理使C-V曲線回滯進一步減小，并導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處理后積累區電容值升高，這是因為熱退火提高了絕緣層材料質量，介電常數增大。
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，熱退火不僅對柵絕緣層材料和絕緣層/半導體界面產生影響，還有可能會影響到柵金屬接觸特性，所以本研宄利用肖特基柵HEMT器件結構分析了熱退火對柵金屬接觸特性的影響。研究中采用的異質結材料勢壘層為12nm-Al0.55Ga0.45N，柵金屬化后退火溫度設定為450℃，防止溫度過高導致柵接觸退化，處理時間為2min。
圖4給出了PMA處理對器件漏電和擊穿特性的影響。PMA處理使器件正反向關態柵漏電降低了兩個數量級，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證，如圖5所示。PMA處理使HEMT器件亞閾值電流減小，轉移曲線正向漂移0.21V。根據以下表達式
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條下與金屬Ni結合形成絕緣的NiO膜，也有可能與氮化物表面的(Al)Ga懸掛鍵結合形成較穩定的氧化物。目前還沒有關于PMA改善器件界面特性機理的實驗驗證，有待結合TEM等物理表征方法進行深入研究。
