Al0.68Sc0.32N/SiC基金属铁电半导体电容器高温运行研究 *
1. 摘要
基于铁电（FE）的器件在非易失性存储器应用中展示出巨大的前景，但很少有器件在高温下表现出可靠的运行。在这项工作中，研究人员制造并表征了将氮化铝钪集成到碳化硅上的金属铁电半导体电容器，碳化硅是一种用于极端环境中逻辑操作的有前景的高温半导体。对所得Ni / Al0.68Sc0.32N / 4H-SiC结构从室温到高温条件下的非易失性存储器性能进行了评估。30 nm厚的Al0.68Sc0.32N / SiC基铁电电容器在900°C下表现出铁电开关。铁电层的矫顽场从室温下的-6.4/+11.9 MV cm-1线性降低到800°C下的-3.1/+7.8 MV cm-1。通过正向上负向下测量，表征了剩余极化的温度依赖性。在600°C的温度下，这些器件实现了卓越的可靠性，表现出约2000次循环的耐久性和超过100小时的保留时间，极化损失可以忽略不计。进一步的可靠性测量扩展到800°C，保留时间为10000秒，耐久性循环次数超过300次，表明这些器件是高温存储应用的有前景的候选者。
2. 样品制备
使用共溅射系统在350℃下以30sccm的氮气流量在350µm厚的n型掺杂4H-SiC衬底（来自中芯晶研，氮n型掺杂，电阻率ρ=0.015–0.028Ω·cm）上直接生长30nm Al0.68Sc0.32N薄膜。Al靶和Sc靶的溅射功率分别设置为1000W和655W，以产生32%的Sc浓度。
在沉积铁电薄膜之前，首先溅射200 nm厚的Ni底部电极，并在4H-SiC晶片的角落上图案化，然后在1050℃下用氩气流退火2分钟，以形成金属和半导体界面之间的欧姆接触。在沉积AlScN铁电薄膜之后，使用剥离工艺和在上述相同设置下的Ni沉积对200nm厚的Ni顶部电极进行图案化。随后采用Keithley 4200A-SCS参数分析仪测量电气特性，包括J-E磁滞、PUND、保持和耐久性测试。
图1 Ni/Al0.68Sc0.32N（30nm）/4H-SiC金属铁电半导体（MFeS）电容器的示意图
图2 所制备的Al0.68Sc0.32N/SiC铁电电容器在室温（25℃）至900℃下的10 kHz J-E磁滞回线。当温度升高时，施加的电压会降低，以适应不断上升的漏电流并防止器件击穿。黑色虚线表示工具的测量电流合规性。插图：放大区域，突出显示了所演示器件在900ͨC下的铁电开关。
3. 结论
本研究证明了Al0.68Sc0.32N/SiC基金属铁电半导体电容器的高温运行。通过J-E磁滞和PUND测量，评估了从室温到800°C的温度依赖性特性，包括矫顽场（EC）和剩余极化（Pr），部分EC测量延伸到900°C。这些设备在保持和耐久性测试中表现出卓越的高温可靠性。在600°C下，电容器在3.6×105s（100小时）内保持稳定的剩余极化，去极化可以忽略不计，在600°C下加热100小时后持续2000次循环。即使在800°C的温度下，这些设备也表现出超过10000秒的保留时间和369次循环的耐久性。这些结果表明，AlScN/SiC基铁电电容器是高温存储应用的有前景的候选者。它们与基于SiC的逻辑器件的兼容性解决了高温集成电路中的关键差距，为极端热环境提供了可靠的存储解决方案。
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