Nano Letters: 鐵電氮化物低溫外延薄膜制備新方法

氮化鋁鈧（AlScN）作為一種新興的纖鋅礦結(jié)構(gòu)鐵電材料，因其高剩余極化、低介電常數(shù)、高居里溫度以及卓越的熱穩(wěn)定性，被視為下一代非易失性存儲器、MEMS傳感器和光電調(diào)制器的理想候選材料。其與CMOS工藝的兼容性尤為關(guān)鍵，可支持后端制程（BEOL）集成，為低功耗計算、數(shù)據(jù)存儲和微系統(tǒng)開辟新路徑。但其矯頑場過高、漏電嚴重，極大限制了其應(yīng)用潛力。

在AlScN體系中，提高Sc摻雜濃度能有效降低矯頑場，但易誘發(fā)巖鹽相雜質(zhì)和缺陷，導(dǎo)致漏電和性能劣化。制備具備高Sc濃度的AlScN單晶外延薄膜有助于闡明漏電機制，提升鐵電性能而傳統(tǒng)分子束外延（MBE）或金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）外延生長溫度常超過800°C，無法滿足半導(dǎo)體后端工藝集成要求（≤400°C）。高Sc含量的AlScN鐵電薄膜低溫外延工藝仍頗具挑戰(zhàn)。

氮等離子源輔助PLD新方法

為解決這一難題，在之前脈沖激光沉積（PLD）法制備Al0.7Sc0.3N鐵電外延薄膜工作(Small Methods, 9, 2400722 (2025) )基礎(chǔ)上，南方科技大學李江宇、黎長建團隊合作開發(fā)了射頻氮等離子體輔助脈沖激光沉積（N-PLD）技術(shù)，將惰性氮分子轉(zhuǎn)換成活性氮原子，抑制氮空位形成，提升外延薄膜質(zhì)量。

圖1N-PLD工作示意圖及薄膜的原位生長監(jiān)測結(jié)果。(a) N-PLD沉積腔示意圖，左下角為氮等離子源發(fā)生器，右下角為等離子源工作時的照片。(b)不同氣壓和工作功率下的氮等離子體光譜監(jiān)測。(c)反射高能電子衍射儀（RHEED）原位監(jiān)測TiN層以及AlScN層的圖案。(d) RHEED中心條紋的強度記錄，每一個振蕩周期代表一個原子層的生長。(e) TiN與AlScN的AFM形貌掃描圖。

利用RHEED原位監(jiān)測的N-PLD技術(shù)，團隊成功實現(xiàn)了400 ?C條件下Al0.63Sc0.37N鐵電薄膜的層狀外延生長。XRD分析表明，N-PLD制備薄膜為純凈纖鋅礦相，而傳統(tǒng)PLD制備的樣品則為巖鹽相，表明原子氮源對穩(wěn)定高Sc含量纖鋅礦相的關(guān)鍵作用。

原子尺度表征與鐵電性能驗證

圖2(a)和(b)分別是高真空（UHV）生長的樣品以及氮等離子體（ANA）環(huán)境下生長AlScN樣品的表面XPS。(c-g) ANA樣品的STEM-EDS元素分析圖，均一的元素分布證明樣品不存在Sc偏析現(xiàn)象。

XPS結(jié)果顯示N-PLD生長的薄膜中Sc-O鍵信號完全消失；STEM和EDS mapping證實元素分布均勻，無氧污染。

圖3(a)和(b) 5×5 μm2“回”字形寫疇結(jié)果的相位和振幅示意圖，負電壓區(qū)域極化發(fā)生反轉(zhuǎn)，相位差接近180?，疇壁處振幅響應(yīng)明顯降低。(c) 300 nm樣品PE-PUND測試結(jié)果。(d)矯頑場（Ec）和剩余極化（Pr）隨樣品厚度的變化。

PFM測試顯示180°相位翻轉(zhuǎn)，P-E回線測得剩余極化達160 μC cm-2，矯頑場降至2.9 MV cm-1（300 nm厚度）。與濺射、MBE等方法相比，本工作首次在400?C下實現(xiàn)Sc含量37%的AlScN外延生長，逼近相邊界卻保持純纖鋅礦相，矯頑場也降低至亞3 MV cm-1區(qū)間。

圖4(a) Low-loss電子束及帶寬提取示意圖。(b-c) HAADF成像示意圖，1-4分別代表了AlN、Al2O3、纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlScN和包含巖鹽相的AlScN區(qū)域。(d) 1-4區(qū)域的帶寬分析。(e)不同Sc含量的不同相結(jié)構(gòu)的AlScN示意圖。(f)不同結(jié)構(gòu)的AlScN帶寬隨Sc含量的變化理論計算示意圖。

另外，該團隊還發(fā)現(xiàn)生長溫度是調(diào)控AlScN鐵電漏電的關(guān)鍵因素。在高溫生長的AlScN樣品中，即使Sc含量只有0.1，也會出現(xiàn)局部Sc的巖鹽相偏析，通過Low-loss EELS分析發(fā)現(xiàn)巖鹽相納米顆粒導(dǎo)致禁帶寬度降低，形成可能漏電路徑。相關(guān)論文發(fā)表在Nano Letters, 25, 14371 (2025).

文章的第一作者為南方科技大學材料與科學工程系23級博士生李超和伍迪睿，李江宇講席教授、黎長建副教授為論文共同通訊作者。另外，張文清講席教授、吳亞北研究副教授在AlScN漏電機制論文中提供了理論指導(dǎo)。以上工作受到國家自然科學基金委面上項目、廣東省信息功能氧化物材料與器件重點實驗室的支持。

論文信息：

1.High Quality Epitaxial Piezoelectric and Ferroelectric Wurtzite Al1-ScN Thin Films, Small Methods, 9, 2400722 (2025).

2.Low-Temperature Layer-by-Layer Epitaxy of Ferroelectric Al0.63Sc0.37N Thin Films for Back-End-of-Line Integration, Nano Letters (2025) https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04014

3.Atomic Origins of Leakage Paths in Epitaxial Al1–xScxN Thin Films, Nano Letters, 25, 14371 (2025).