ZnO基MIS結構器件制備工藝與性能實驗設計

咸馮林， 徐林華， 鄭改革， 趙立龍， 裴世鑫

（南京信息工程大學物理與光電工程學院，南京 210044）

0 引 言

金屬-絕緣體-半導體（MIS）結構是一種常見的半導體光電子器件結構形式，當絕緣層采用氧化物時，也稱為金屬-氧化物-半導體（MOS）結構，最常見MIS 結構是在硅片上生長一層薄氧化膜后再覆蓋一層鋁，形成Al／SiO2／Si MIS結構。60 年代以來，MIS 結構在超大規模集成電路和光電子器件的發展中起著十分重要的作用。隨著第三代寬禁帶半導體材料的發展，GaN、ZnO、SiC、Ga2O3基MIS結構光電子器件發展迅速［1-4］，在晶體管［5］、光電探測［6-8］、激光器［9-10］、傳感器［11］等領域具有廣泛的應用。本文將科學前沿及創新性研究成果引入實驗教學［12］，設計了一種MIS結構半導體器件工藝的綜合性實驗，通過“材料合成-器件制備-性能測試”的運作模式，整個實驗過程包含結構特點、鍍膜技術、紫外曝光、ICP 刻蝕、電極制備等先進制備工藝以及材料光學性能、刻蝕表面形貌、器件電學性能的測試與分析。

實驗利用MOCVD系統在藍寶石襯底上通過兩步法外延生長半導體薄膜，采用ATC2400-V型磁控濺射系統沉積MgO絕緣層；MA6 型紫外曝光系統在薄膜表面制備掩模版；ICP 刻蝕系統，以氫氣、甲烷和氯氣為刻蝕氣體刻蝕薄膜；電子束蒸發系統沉積電極。整個實驗過程包含材料合成、器件制備和器件性能測試3個環節。

1 實驗設計

1.1 材料制備

1.1.1 ZnO／ZnMgO多量子阱／ZnO結構

采用金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD）在C面的藍寶石襯底上制備ZnO 層和ZnO／ZnMgO 多量子阱結構，ZnO／ZnMgO多量子阱可以有效抑制缺陷發光和非輻射復合，增強電子躍遷光吸收效應［13-14］。制備過程中采用兩步生長法，首先在低溫下生長緩沖層，用來減小藍寶石襯底與ZnO之間的晶格矢配問題；后采用高溫外延的方法制備未摻雜的ZnO。實驗過程中采用二甲基鋅（DMZn）作為鋅源，叔丁醇和N2O分別為低溫緩沖層和高溫ZnO外延生長的氧源，采用氮氣作為載氣和緩沖氣體。低溫緩沖層生長溫度為450 ℃，緩沖層厚度為400 nm，高溫外延的溫度為900 ℃。生長過程主要包括低溫下ZnO在藍寶石襯底上成核生長、原位高溫處理的緩沖層表面熟化以及高溫的二維外延生長過程。生長室的壓力為16 kPa。所制備的未摻雜ZnO薄膜的總厚度為3 μm。隨后，在800 ℃下在未摻雜ZnO薄膜上制備了ZnMgO／ZnO多量子阱結構，其中Mg 含量為7%，量子阱由10 對ZnMgO／ZnO 所組成，ZnO 阱厚度為3 nm，ZnO／ZnMgO壘厚度為5 nm（見圖1）。

圖1 樣品結構圖及紫外曝光掩模版（μm）

1.1.2 MgO絕緣層

MgO的帶隙寬度約為7.8 eV，是一種良好的絕緣材料［13，15］。實驗采用ATC2400-V型磁控濺射系統，濺射腔初始真空度為13 μPa，濺射氣氛采用氬氣和氧氣，氬氣與氧氣的流量比例為1 ∶1，流量均為10 mL／min。濺射功率為500 W，靶材采用高純的MgO 靶材。沉積前，先將ZnO／ZnMgO 多量子阱／ZnO／藍寶石襯底用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗10 min，濺射溫度分別為300、400 和500 ℃。濺射時間為2 h，所制備的MgO的厚度約為50 nm。

1.2 器件制備

1.2.1 紫外曝光制備掩模板

采用MA6 型紫外曝光系統，光源采用高壓汞燈，曝光模式采用硬接觸式，曝光時間為12 s，曝光流程如圖2（a）～（e）所示。首先在樣品表面旋涂一層光刻膠，光刻膠采用AZ1512 型正光刻膠，在光刻膠旋涂之前，旋涂一層HDMS增強光刻膠與基片的黏附性。光刻膠和HDMS的旋涂速度均為3 000 r／min，旋涂時間為30 s。旋涂完后在85 ℃的加熱板上烘烤90 s后冷卻。最終旋涂的光刻膠總厚度約為1.2 μm。然后進行紫外曝光，曝光用的掩模板如圖1（b）所示，尺寸為350 μm×350 μm。曝光光源采用高壓汞燈，曝光模式采用硬接觸式，曝光時間為12 s。曝光結束后將樣品放入丙酮中顯影以去除被曝光部分的光刻膠，最終獲得的曝光后的樣品表面光學顯微鏡圖像如圖2（f）所示。由圖可見，曝光樣品的輪廓清晰，邊緣平整。

圖2 紫外曝光制備刻蝕模板流程圖與曝光后樣品表面光學顯微鏡圖像

1.2.2 ICP刻蝕

影響ICP刻蝕系統的主要因素有ICP功率、RF功率、刻蝕腔內壓強、刻蝕溫度、刻蝕氣體流量以及刻蝕時間等［16-17］。RF 功率主要控制離子撞擊樣品的速率，RF功率越大，刻蝕速度越快；ICP 功率主要控制刻蝕離子的濃度，ICP功率越大，單位時間撞擊樣品表面的離子數越多；同時刻蝕腔內壓強、溫度、氣體流量等也對刻蝕速率及表面形貌有很大的影響。圖3 所示為ICP刻蝕流程圖。本實驗中采用的刻蝕氣體為甲烷（CH4）、氫氣（H2）和氬氣（Ar），為了得到光滑的刻蝕表面，實驗優化了RF功率和氣體流量，在ICP功率為500 W，甲烷、氫氣和氬氣的流量為5，10 和8 mL／min。刻蝕腔內壓強為0.13 Pa，刻蝕溫度為20 ℃的條件下刻蝕的樣品表面最為光滑，在此條件下的刻蝕速率為40 nm／min。

圖3 ICP刻蝕流程

樣品的刻蝕時間為20 min，刻蝕厚度約為800 nm。刻蝕完成后，將樣品放入丙酮中超聲清洗10 min去除表面殘余的光刻膠。最終刻蝕的樣品表面和截面的掃描電子顯微鏡圖像如圖4 所示。由圖可見，刻蝕的ZnO表面較光滑，刻蝕邊緣平整。

圖4 ICP刻蝕后樣品的掃描電子顯微鏡圖像

1.2.3 電極制備

電極的制備流程如圖5（a）～（g）所示，主要包括紫外曝光制備掩模板、電子束蒸發沉積電極和顯影去除多余的薄膜和光刻膠。紫外曝光過程和前文中的紫外曝光流程相似，其中用到的掩模版如圖1（c）所示。

實驗采用電子束蒸發法沉積電極，靶材為高純的Au靶材和Ti靶材，沉積初始真空度為0.8 mPa，沉積過程在室溫下進行，在沉積Au電極前，先沉積一層Ti薄膜增加薄膜和Au 電極之間黏附性，Ti 薄膜沉積厚度為20 nm。Au薄膜沉積厚度為130 nm。Ti和Au薄膜的沉積速率分別為0.15 和0.2 ×10－10s－1。待靶材冷卻后取出樣品。

將沉積過電極的樣品放入丙酮中浸泡24 h，然后放入超聲清洗機中超聲振蕩1 ～2 s 后取出到顯微鏡下觀察是否光刻膠已完全剝落。反復幾次超聲清洗直到光刻膠完全剝落，最后在去離子水中清洗后用氮氣吹干。最終得到器件的表面光學顯微鏡圖像如圖5（h）所示。

圖5 電極制備流程

1.3 器件性能測試

不同MgO沉積溫度下制備的器件的伏安特性如圖6 所示，測試在室溫和暗室下進行，電壓測試范圍為－5 ～5 V，步長0.05 V。由圖可以看出，所有樣品均表現出良好的非線性整流特性，300 ℃下制備的器件的開啟電壓約為3.2 V；400 和500 ℃下制備的樣品開啟電壓均減小到2.5 V。此外，在400 ℃下制備的器件在＋2／－2 V 的電流比最高，器件性能最好。這可能是由于在低溫下（300 ℃）制備的MgO 的結晶質量較差，而在高溫下（500 ℃）生長會加劇MgO 與ZnO／ZnMgO多量子阱界面的互擴散效應，不易形成陡峭界面，并且高溫下ZnO／ZnMgO 多量子阱結構也會遭到破壞。

圖6 不同MgO沉積溫度下制備的器件的伏安特性曲線

2 實驗教學設計與拓展

金屬-絕緣體-半導體（MIS）結構半導體器件制備與性能測試綜合性實驗適應于光電信息科學與工程專業、應用物理等專業學生在大三下學期開設的實踐課程。實驗教學過程分為材料合成、器件制備和性能測試三部分，每部分3 ～5 人一組進行分組實驗。在完成本實驗的基礎訓練后，還可以對材料合成、器件制備的部分進行拓展，如研究不同沉積條件、溫度對材料性能的影響，ICP刻蝕功率、氣體流量對刻蝕速率和刻蝕表面粗糙度的影響等，探究薄膜性能、刻蝕條件與器件性能的依賴關系，引導學生在實驗過程中發現問題、分析問題和解決問題。在器件制備工藝過程中，使得學生了解大型儀器的基本原理和使用方法，掌握半導體器件的基本工藝過程。在實驗完成后，要求每位學生能夠正確處理和分析實驗數據并撰寫實驗報告。

3 結 語

本文介紹的金屬-絕緣體-半導體（MIS）器件制備是光電信息科學與工程、應用物理等專業前沿綜合性實驗。實驗內容包含材料合成、器件制備和性能測試3 個環節。涉及MOCVD、磁控濺射、電子束蒸發等鍍膜工藝，紫外曝光、掩模、ICP刻蝕等器件制備工藝，以及器件性能測試與分析等環節，使得學生了解大型儀器的基本原理和使用方法，掌握半導體器件的基本工藝過程。將本實驗引入本科生實驗教學是在新工科背景下適應工程教育的教學理念，引導學生在實驗過程中發現問題、分析問題和解決問題，不僅能夠激發學生的科研興趣，還能全面提升學生的實踐精神和創新能力。