管式爐中臭氧對 SiC / GaN 等寬禁帶半導體的氧化處理方法

適用領域：功率半導體工藝開發、界面鈍化、器件可靠性與穩定性研究

一、工藝目標與應用背景

在 SiC、GaN 等寬禁帶半導體材料表面，通過受控臭氧（O?）氧化處理，實現以下目標：

?在低于傳統熱氧化溫度條件下，形成薄且均勻的表面氧化層

?修復材料表面的 碳空位（SiC）或氮空位（GaN）

?降低表面態與界面陷阱密度（Dit）

?改善 MOS 結構或 MIS 結構的 界面電學特性

?提升功率器件在高溫、高電場下的長期可靠性

該方法常用于：

?SiC MOSFET 柵氧化前處理

?GaN MIS-HEMT 柵介質界面鈍化

?外延片表面缺陷修復

?后道封裝前表面穩定化處理

二、臭氧氧化的機理與技術挑戰

1. 作用機理

臭氧是一種強氧化性氣體，其分解產生的高活性原子氧（O*）在較低溫度下即可參與反應：

?SiC 表面

  ?優先氧化 Si，生成 SiO?

  ?有助于清除殘余碳團簇或 C-rich 層

  ?降低 SiO? / SiC 界面態密度

?GaN 表面

  ?填補 N 空位，抑制表面漏電

  ?形成超薄 Ga–O 過渡層，有利于后續 ALD 介質沉積

相比 O? 或濕氧，O? 可在 300–600 °C 范圍內實現有效氧化，避免高溫退火帶來的應力和晶格損傷。

2. 關鍵挑戰

?氧化過強 → 生成非理想亞氧化物（如 SiO?C?、GaO?）

?氧化層應力過大 → 界面缺陷反而增加

?O? 濃度與處理時間窗口較窄，重復性要求高

?管式爐內流場與樣品位置對均勻性影響明顯

因此，精確控制臭氧濃度、溫度和處理方式（連續 / 脈沖）是工藝成功的關鍵。

三、典型工藝參數建議（示例）

> 以下參數為實驗與文獻中常用區間，需根據材料類型、器件結構進行微調。

建議初始工藝：

> 450 °C / 500 ppm O? / N? 載氣 / 10 min / 脈沖模式

四、管式爐臭氧氧化工藝流程（詳細步驟）

步驟 1：樣品前處理與裝載

1. 使用標準清洗流程（如 RCA 或溶劑清洗）去除有機污染

2. DI 水充分漂洗

3. N? 槍吹干或 120 °C 熱板烘干 5 min

4. 將樣品水平放置于石英舟或 Al?O? 樣品架上

5. 裝入管式爐恒溫區中心位置

> ?? 避免樣品重疊，確保臭氧氣流可充分接觸表面。

步驟 2：系統吹掃與升溫

1. 關閉臭氧，通入高純 N?

2. 吹掃管腔 ≥10 min，排除空氣與殘余水汽

3. 以 5–10 °C/min 速率升溫至目標工藝溫度

4. 溫度穩定后保持 N? 流動 3–5 min

步驟 3：臭氧氧化處理（核心步驟）

連續模式：

?切換氣路，引入設定濃度 O?

?保持穩定處理 5–15 min

脈沖模式（推薦）：

?O? ON：5–30 s

?N? purge：30–60 s

?循環 5–20 次

> 脈沖方式可有效：

?降低界面應力

?抑制過度氧化

?提高工藝可重復性

步驟 4：吹掃冷卻與取樣

1. 停止臭氧供給

2. 通入 N? 吹掃 ≥10 min

3. 隨爐自然冷卻至 <100 °C

4. 取出樣品，置于潔凈容器中待測

五、氧化效果表征與評估要點

1. XPS（X 射線光電子能譜）

?分析 Si–O、Ga–O 鍵比例

?判斷亞氧化物與界面層厚度

?評估 C / N 空位修復效果

2. PL（光致發光）

?表面復合中心強度變化

?缺陷相關發光峰是否減弱

3. 電學測試（CV / EIS / I–V）

?接口陷阱密度（Dit）

?漏電流變化

?閾值電壓穩定性

六、工藝注意事項與安全提示

1. 臭氧為強氧化性氣體，必須配備尾氣分解裝置

2. 管式爐密封性需良好，避免 O? 泄漏

3. 禁止與有機材料、橡膠長時間接觸

4. 初次工藝應從低濃度、短時間開始摸索窗口

5. 建議每次實驗記錄：溫度、濃度、流量、樣品位置

七、小結

管式爐中引入臭氧進行 SiC / GaN 表面氧化，是一種低溫、可控、兼顧界面質量與器件可靠性的有效工藝手段。通過合理設計臭氧濃度、溫度及脈沖策略，可顯著改善寬禁帶半導體的界面與電學性能，為高可靠性功率器件制造提供重要支撐。