隨著半導體和微電子器件的發展，要求原子級制造精度，材料的純度限制變得極端。在半導體開發的2納米節點，線寬大約有40個原子！其中較為有趣的材料之一是鐵電材料鋁氮化鈧（AlScN），這是一種維爾茲結構的固溶體材料，結合了鋁鎬優越的壓電性能與通過釹摻雜引入的鐵電行為。AlScN已在非易失性存儲器、能量采集、微機電系統（MEMS）、射頻濾波器和光學器件方面展現出突破性潛力。所有應用都需要具有原子級精度的共形超純薄膜。

近期，由 Kurt J. Lesker Company、賓夕法尼亞州立大學、麻省理工學院（MIT）及美國陸軍研究實驗室的科學家聯合撰寫的一篇預發表論文，報道了一種獨特的原子層沉積系統及工藝的開發成果 —— 該系統在超高純（UHP-C）條件下，通過等離子體增強原子層沉積（PEALD）技術制備 AlScN 薄膜。這篇題為《超高純條件下等離子體增強原子層沉積制備鐵電鋁鈧氮》的論文詳細闡述了在極端純凈條件下生長 AlScN 薄膜的過程：通過消除氧、碳等會抑制鐵電性能的污染物，薄膜獲得了優異的性能。

圖1：Al（1–x）ScxN在平面硅（100）上沉積的FESEM圖像：（a）俯視圖顯示10–15納米范圍內的晶粒尺寸。（b）橫斷面視圖，顯示柱狀微觀結構。（c）（d） 展示Al（1–x）ScxN PEALD在Si （c）通孔和（d）溝槽上分別以1：1縱橫比的橫截面視圖，展現出優異的共形覆蓋。

超高純度的重要性

傳統的高純度AlScN薄膜制造方法受到前驅體固有雜質的限制，例如用于濺射靶材的金屬釹，其含量可超過1000 ppm，或大多數ALD系統典型的非期望氣體含量較高。研究表明，氧氣污染會降低鐵電性能，同時拓寬開關特性并增加泄漏電流。創新的UHP-C方法使用了幾乎不含氧的替代釹ALD前驅體，并將該純凈前體與等離子體活化步驟結合，進一步實現氮化物的形成，實現單分子層精度。

本研究證實，ALD制備的AlScN薄膜中氧氣和碳污染的減少，會產生更銳利的滯后環、更高的殘留偏振率，與傳統PVD工藝制成的薄膜相比，這些薄膜的堅固性顯著提升。

圖2：以300°C基底、藍寶石基板上沉積在（0002）取向氮化鎵上的PEALD AlScN薄膜（ScN：AlN，厚度1.5：1，厚度40.2 nm，形成層為5納米AlN成核層）的Goniometer 2θ掃描。 插圖：AlScN的Phi掃描與（103）反射對齊。

AlScN超循環工藝

該出版物描述的創新工藝采用了超循環，將多個子循環結合起來，實現高度化學計量、高純度的薄膜。AlN和ScN的交替亞循環疊加，并有間歇性等離子體處理步驟，有助于建立AlScN化合物。這一循環經過數千次重復，構建出高度精確、無缺陷、具有埃級精度的薄膜。

未來材料的高純度沉積平臺

UHP-C工藝對鋁釘烯的卓越成果為制造其他材料和化合物打開了大門，這些材料和化合物可以通過消除污染物進行優化。Lesker ALD 150LX UHP-C系統在本研究中被驗證為開發下一代多組分氮化物的重要工具。該配置旨在通過ALD突破薄膜沉積的障礙，結合了高真空和超高真空系統設計原理與極端氣體凈化技術，以最大限度地減少薄膜生長過程中的背景雜質。150LX為制造材料材料的材料提供了可擴展、生產相關的工具，適用于那些因亞ppm雜質水平而性質受損材料的材料。

隨著摩爾定律通過3D架構、極端寬高比和缺陷預算縮減不斷擴展，ALD制造的高度共形、超純薄膜的需求將變得更加重要。鋁制鈸只是多組分、共形、原子工程薄膜材料的一個例子，這些材料對下一代射頻、邏輯、存儲器和光電子器件至關重要。

圖3：在±40伏電壓下進行的PUND測試，開關脈沖期間電流峰清晰，與非切換脈沖相比。

后續方向

該論文是學術界與工業界合作推動整個行業發展的又一例證。論文提出的解決方案結合了先進化學與極端真空系統設計，不僅為 AlScN 的新應用打開了大門，也為通過 ALD 技術開發其他多組分薄膜材料提供了平臺。