通过超高纯度条件实现的高纯度AlScN薄膜原子层沉积

随着半导体和微电子器件的发展，要求原子级制造精度，材料的纯度限制变得极端。在半导体开发的2纳米节点，线宽大约有40个原子！其中较为有趣的材料之一是铁电材料铝氮化钪（AlScN），这是一种维尔兹结构的固溶体材料，结合了铝鎬优越的压电性能与通过钕掺杂引入的铁电行为。AlScN已在非易失性存储器、能量采集、微机电系统（MEMS）、射频滤波器和光学器件方面展现出突破性潜力。所有应用都需要具有原子级精度的共形超纯薄膜。

近期，由 Kurt J. Lesker Company、宾夕法尼亚州立大学、麻省理工学院（MIT）及美国陆军研究实验室的科学家联合撰写的一篇预发表论文，报道了一种独特的原子层沉积系统及工艺的开发成果 —— 该系统在超高纯（UHP-C）条件下，通过等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术制备 AlScN 薄膜。这篇题为《超高纯条件下等离子体增强原子层沉积制备铁电铝钪氮》的论文详细阐述了在极端纯净条件下生长 AlScN 薄膜的过程：通过消除氧、碳等会抑制铁电性能的污染物，薄膜获得了优异的性能。

图1：Al（1–x）ScxN在平面硅（100）上沉积的FESEM图像：（a）俯视图显示10–15纳米范围内的晶粒尺寸。（b）横断面视图，显示柱状微观结构。（c）（d） 展示Al（1–x）ScxN PEALD在Si （c）通孔和（d）沟槽上分别以1：1纵横比的横截面视图，展现出优异的共形覆盖。

超高纯度的重要性

传统的高纯度AlScN薄膜制造方法受到前驱体固有杂质的限制，例如用于溅射靶材的金属钕，其含量可超过1000 ppm，或大多数ALD系统典型的非期望气体含量较高。研究表明，氧气污染会降低铁电性能，同时拓宽开关特性并增加泄漏电流。创新的UHP-C方法使用了几乎不含氧的替代钕ALD前驱体，并将该纯净前体与等离子体活化步骤结合，进一步实现氮化物的形成，实现单分子层精度。

本研究证实，ALD制备的AlScN薄膜中氧气和碳污染的减少，会产生更锐利的滞后环、更高的残留偏振率，与传统PVD工艺制成的薄膜相比，这些薄膜的坚固性显著提升。

图2：以300°C基底、蓝宝石基板上沉积在（0002）取向氮化镓上的PEALD AlScN薄膜（ScN：AlN，厚度1.5：1，厚度40.2 nm，形成层为5纳米AlN成核层）的Goniometer 2θ扫描。 插图：AlScN的Phi扫描与（103）反射对齐。

AlScN超循环工艺

该出版物描述的创新工艺采用了超循环，将多个子循环结合起来，实现高度化学计量、高纯度的薄膜。AlN和ScN的交替亚循环叠加，并有间歇性等离子体处理步骤，有助于建立AlScN化合物。这一循环经过数千次重复，构建出高度精确、无缺陷、具有埃级精度的薄膜。

未来材料的高纯度沉积平台

UHP-C工艺对铝钉烯的卓越成果为制造其他材料和化合物打开了大门，这些材料和化合物可以通过消除污染物进行优化。Lesker ALD 150LX UHP-C系统在本研究中被验证为开发下一代多组分氮化物的重要工具。该配置旨在通过ALD突破薄膜沉积的障碍，结合了高真空和超高真空系统设计原理与极端气体净化技术，以最大限度地减少薄膜生长过程中的背景杂质。150LX为制造材料材料的材料提供了可扩展、生产相关的工具，适用于那些因亚ppm杂质水平而性质受损材料的材料。

随着摩尔定律通过3D架构、极端宽高比和缺陷预算缩减不断扩展，ALD制造的高度共形、超纯薄膜的需求将变得更加重要。铝制钹只是多组分、共形、原子工程薄膜材料的一个例子，这些材料对下一代射频、逻辑、存储器和光电子器件至关重要。

图3：在±40伏电压下进行的PUND测试，开关脉冲期间电流峰清晰，与非切换脉冲相比。

后续方向

该论文是学术界与工业界合作推动整个行业发展的又一例证。论文提出的解决方案结合了先进化学与极端真空系统设计，不仅为 AlScN 的新应用打开了大门，也为通过 ALD 技术开发其他多组分薄膜材料提供了平台。