Moore and More｜中科院宁波材料所：TiN缓冲层助力，实现4英寸AlScN铁电薄膜100 ℃低温外延

铁电存储器、存算一体芯片是后摩尔时代的重要技术方向。传统钙钛矿铁电材料热稳定性差；铪锆氧HZO铁电相属于亚稳态，器件可靠性面临挑战。纤锌矿AlScN铁电材料成为有力备选：剩余极化>100 μC/cm²，铁电性能可维持到1100 ℃，厚度可以缩至5 nm以下，有望适配逻辑芯片后端工艺。

但大尺寸高质量AlScN外延制备存在两大卡点：

1.AlScN与蓝宝石α-Al₂O₃(0001)衬底晶格失配高达-11.7%，需要很高生长温度才能实现高质量外延；

2.MOCVD、MBE等主流外延技术要么温度过高，要么很难做大尺寸晶圆，难以满足CMOS后端＜400 ℃热预算。

团队基于自研高压磁控溅射外延系统，引入TiN缓冲层，把AlScN-衬底之间晶格失配从-11.7%降低到AlScN/TiN之间-3.3%，实现创纪录100 ℃低温外延，并且完成4英寸晶圆级制备，成果发表于Moore and More。

🧪 TiN缓冲层降低晶格失配，实现低温外延

实验分为两组对比：①AlScN直接外延在蓝宝石；②先沉积TiN缓冲层再生长AlScN。

• 无TiN缓冲层：AlScN在蓝宝石上实现外延的最低温度为200 ℃，300 ℃生长薄膜结晶质量最优，X射线摇摆曲线半峰宽FWHM低至02°，优于多数已发表文献（通常＞0.1°）。
• 引入TiN缓冲层：晶格失配大幅缓解，外延最低温度下降至100 ℃，大幅降低热预算，契合后端集成需求。

STEM原子分辨表征证实：无论是300 ℃还是100 ℃条件，TiN/Al₂O₃界面、AlScN/TiN界面均保持原子级锐利；外延取向关系保持：AlScN(001)∥TiN(111)∥Al₂O₃(0001)，面内AlScN[110]∥TiN[110]∥Al₂O₃[100]。

⚡ 表面形貌与铁电畴翻转验证

AFM表面形貌：

• 直接长在蓝宝石的AlScN，RMS粗糙度低至121 nm，表面极度平整；
• TiN缓冲层上样品RMS=0.352 nm，仍保持较好表面质量。

PFM压电力显微镜测试：对薄膜施加±10 V直流偏压，可以实现清晰铁电畴写入，畴区域相位差接近180°。即使是100 ℃低温生长的AlScN薄膜，依然具备可翻转铁电性，证明低温生长并没有破坏本征铁电功能。

📊 4英寸晶圆均匀性与光学性能

椭偏仪SE在整片4英寸晶圆采集54个点位，Δ光谱高度重合，面分布mapping波动很小，证明整片4英寸AlScN薄膜厚度高度均匀。

紫外-可见近红外光谱测试得到AlScN光学带隙约5.8 eV，和文献报道吻合。

不同AlScN制备技术对标

• MOCVD：可做大尺寸，但生长温度普遍＞800 ℃，无法用于BEOL；
• MBE：中等尺寸，温度400-800 ℃；
• PLD：只能小尺寸毫米级样品；
• 本工作磁控溅射外延：实现4英寸晶圆，最低生长温度100 ℃，兼顾大尺寸与低热预算。

物理机制核心：TiN(111)与AlScN之间晶格失配仅-3.3%，远小于AlScN/蓝宝石-11.7%；更小晶格失配降低外延需要的激活能，因此可以在100 ℃实现单晶外延。

📝 研究小结与产业启示

• ✅ 自研磁控溅射外延系统，在蓝宝石衬底实现4英寸AlScN外延薄膜；直接生长样品摇摆曲线FWHM低至02°，结晶质量优异；
• ✅ 引入TiN缓冲层，将晶格失配由-11.7%降至-3.3%，把AlScN外延最低温度压低至100 ℃，是目前公开报道最低的外延温度；
• ✅ 100 ℃低温制备薄膜仍然保持可翻转铁电畴特性；整片4英寸晶圆厚度均匀性良好；
• ✅ 低温、大尺寸，面向CMOS后道集成，为AlScN铁电存储器、存算一体、压电MEMS器件提供可规模化材料方案。

现存挑战：下一步需要进一步优化Sc组分调控、开发硅基衬底上AlScN/TiN异质结，推进器件流片验证。