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研究作者及机构
本研究的主要作者包括Dixiong Wang、Pariasadat Musavigharavi、Jeffrey Zheng、Giovanni Esteves、Xiwen Liu、Merrilyn Mercy Adzo Fiagbenu、Eric A. Stach、Deep Jariwala和Roy H. Olsson III。他们分别来自美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）、阿尔伯克基桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）等机构。该研究于2021年3月5日发表在期刊《Physica Status Solidi RRL》上。
学术背景
随着物联网（IoT）和基于神经形态计算的人工智能的快速发展，非易失性存储器（Nonvolatile Memories, NVMs）市场需求急剧增长。这些应用依赖于处理器与存储器之间的快速数据传输，因此理想的存储器技术需要与处理器紧密集成，并具备高比特密度、快速读写速度、低读写能耗、低供电电压、长保持时间和高耐久性等特性。目前，动态随机存取存储器（DRAM）具有较短的保持时间（<100毫秒），需要定期刷新，导致高功耗；而闪存（Flash Memory）需要高供电电压（>10伏），写入速度较慢（>10微秒），且写入耐久性相对较低（>10^5次）。铁电材料（Ferroelectric Materials）被认为是提升嵌入式非易失性存储器性能的潜在途径。
近年来，铁电场效应晶体管（Ferroelectric Field-Effect Transistors, FeFETs）利用掺杂的HfO₂薄膜，已实现了亚30纳米的横向尺寸、纳秒级的开关速度以及延长的保持时间。然而，低温（≤400°C）退火的掺杂HfO₂薄膜的剩余极化强度（Remanent Polarization, Pr）低于20 μC/cm²，这限制了高开关电流比FeFET存储器和高比特密度铁电随机存取存储器（Ferroelectric Random Access Memory, FeRAM）与互补金属氧化物半导体（CMOS）后端工艺（Back-End-of-Line, BEOL）的集成。
(Al,Sc)N作为一种新型的CMOS兼容铁电材料，具有较高的剩余极化强度（Pr为75至135 μC/cm²）和较低的矫顽场（Coercive Field, Ec为2至8 MV/cm），这些特性有望提升非易失性存储器器件的开关电流比和存储窗口。然而，此前的研究主要基于铂（Pt）电极，而铂价格昂贵且并非CMOS工艺中的标准金属。此外，在低于400°C的沉积温度下，很难获得强<111>取向的铂层，而这是(Al,Sc)N薄膜生长的必要条件。因此，本研究旨在在CMOS兼容的铝（Al）电极上制备(Al,Sc)N基金属-铁电-金属（Metal-Ferroelectric-Metal, MFM）电容器，并研究这些薄膜在高频（短脉冲）下的铁电开关行为。
研究流程
1. 样品制备
研究采用反应性脉冲直流磁控溅射（Reactive Pulsed DC Magnetron Sputtering）技术在铝电极上沉积了45纳米厚的(Al,Sc)N薄膜。样品结构为Al (30 nm)/Al₀.₆₈Sc₀.₃₂N (45 nm)/Al (80 nm)/Al₀.₈₀Sc₀.₂₀N (85 nm)/Si。在沉积过程中，通过优化溅射参数（如靶功率、衬底偏压、沉积温度和气压）确保了薄膜的高质量生长。
2. 结构表征
采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）对样品进行横截面分析，观察到(Al,Sc)N薄膜与铝电极之间的原子级尖锐界面。此外，通过TEM图像量化了界面宽度（约2纳米），推测这是由于铝电极在沉积前暴露于空气中导致的表面氧化。
3. 电学性能测试
使用Keithley 4200 A-SCS分析仪和Radiant Precision Premier II铁电测试仪对(Al,Sc)N薄膜的电容-电压（C-V）特性、正负极性脉冲测试（Positive-Up Negative-Down, PUND）和耐久性进行了测量。PUND测试采用单极性梯形波脉冲（上升/下降时间为140纳秒，脉冲宽度为500纳秒，脉冲间隔为10微秒）以抑制漏电流。
4. 开关速度测试
通过PUND测试，观察到(Al,Sc)N薄膜在施加电压脉冲后200纳秒内实现了铁电开关，表明其具备快速读写的潜力。
5. 耐久性测试
在6.3 MV/cm的电场下，对(Al,Sc)N电容器进行了耐久性测试，结果显示其在8.7×10³次循环内未出现明显的疲劳行为，但漏电流的增加最终导致了电击穿。
主要结果
1. 结构特性
TEM分析表明，(Al,Sc)N薄膜在铝电极上具有高c轴取向，界面宽度约为2纳米，推测是由于铝电极暴露于空气中导致的氧化。
2. 电学特性
(Al,Sc)N薄膜在10 kHz下的相对介电常数为16，损耗角正切（tanδ）为0.68%。PUND测试显示，剩余极化强度（Pr）为115 μC/cm²，矫顽场（Ec）在1 kHz、10 kHz和100 kHz下分别为-3.8⁄4.5 MV/cm、-4.3⁄5.3 MV/cm和-4.4⁄5.6 MV/cm。
3. 开关速度
使用25微米直径的电极，(Al,Sc)N薄膜在200纳秒内实现了铁电开关，表明其具备快速读写的潜力。
4. 耐久性
在6.3 MV/cm的电场下，(Al,Sc)N电容器在8.7×10³次循环内未出现明显的疲劳行为，但漏电流的增加最终导致了电击穿。
结论
本研究成功在CMOS兼容的铝电极上制备了高质量的(Al,Sc)N铁电薄膜，并实现了200纳秒内的铁电开关。研究结果表明，(Al,Sc)N是一种具有快速读写速度和低工作电压的潜在非易失性存储器材料，适用于未来CMOS嵌入式存储器应用。然而，其耐久性和电击穿特性仍需进一步优化。
研究亮点
1. 首次在CMOS兼容的铝电极上实现了高质量的(Al,Sc)N铁电薄膜生长。
2. 通过PUND测试，验证了(Al,Sc)N薄膜在200纳秒内的快速铁电开关行为。
3. 研究结果为未来低功耗、高速非易失性存储器的开发提供了新的材料选择。
其他价值
本研究为铁电材料在CMOS工艺中的应用提供了新的思路，并展示了(Al,Sc)N在快速读写存储器中的潜力。此外，研究中所采用的实验方法和数据分析技术也为相关领域的研究提供了参考。