不同溅射沉积方法对AlScN薄膜铁电性能与电击穿强度的影响研究

《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Determining the Impact of Sputtering Mode on the Ferroelectric Response of AlScN Thin Films

　　

摘要：

与其他铁电材料不同，AlScN的关键限制并非工作温度或CMOS集成，而是铁电矫顽场（E_C）与击穿场强（E_BD）之间的接近程度。狭窄的E_C-E_BD裕度显著降低了器件可靠性，因此需要开发降低E_C或提高E_BD的途径。已显示通过不同方法沉积的AlScN薄膜表现出不同的矫顽场，但直接比较及其潜在机制尚未确立。本研究调查了溅射沉积方法——直流溅射、射频溅射或同时射频和直流共溅射——对AlScN薄膜的矫顽场、介电常数、击穿场强、微观结构和化学态分布的影响。Al_0.85Sc_0.15N薄膜从陶瓷靶材沉积在400°C的铪底电极上。每种薄膜类型的铁电响应通过极化-电场（PE）滞后回线、PUND测量和雷利分析来确定。射频溅射薄膜表现出铁电开关，平均P_R为63 μC/cm²，平均E_C为4.8 MV/cm，而直流溅射薄膜仅表现出线性介电行为。共溅射薄膜表现出各种铁电和介电行为，矫顽场和击穿场之间有清晰分离。X射线光电子能谱（XPS）显示，随着射频特性增加沉积的薄膜表现出更高的Sc-O键特性，与增加的击穿强度相对应。因此，共溅射被推荐作为一种将富氧绝缘区域纳入薄膜的途径，最终提高AlScN的电击穿强度并实现铁电开关。