Ferroelektrische Speicherbauelemente der nächsten Generation ermöglichen

Stellen Sie sich einen dünnen Film vor, der nur Nanometer dick ist und Gigabyte an Daten speichern könnte – genug für Filme, Videospiele und Videos. Das ist das spannende Potenzial ferroelektrischer Materialien für die Datenspeicherung. Diese Materialien haben eine einzigartige Anordnung von Ionen, die zu zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen führt, die analog zu 0 und 1 im Binärcode sind und für die digitale Datenspeicherung verwendet werden können.

Diese Zustände sind stabil, das heißt, sie können sich Daten ohne Strom „merken“ und durch Anlegen eines kleinen elektrischen Felds effizient umgeschaltet werden. Diese Eigenschaft macht sie extrem energieeffizient und ermöglicht hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeiten. Einige bekannte ferroelektrische Materialien wie Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) und SrBi2Ta2O9 zersetzen sich jedoch und verlieren ihre Polarisierung, wenn sie während der Herstellung einer Wärmebehandlung mit Wasserstoff ausgesetzt werden.

In einer Studie, die in der Zeitschrift Angewandte Physik Briefeein Forschungsteam unter der Leitung von Assistant Professor Kazuki Okamoto und Hiroshi Funakubo am Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), hat in Zusammenarbeit mit Canon ANELVA Corporation und Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) gezeigt, dass ferroelektrische Filme aus Aluminiumscandiumnitrid (AlScN) bei Temperaturen bis zu 600 °C stabil bleiben und ihre ferroelektrischen Eigenschaften beibehalten.

„Unsere Ergebnisse belegen die hohe Stabilität der Ferroelektrizität der Filme, die einer Wärmebehandlung in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre unterzogen wurden, unabhängig vom Elektrodenmaterial. Dies ist ein äußerst vielversprechendes Ergebnis für ferroelektrische Speichergeräte der nächsten Generation und bietet mehr Verarbeitungsmöglichkeiten“, sagt Funakubo.

Damit ferroelektrische Materialien mit Hochtemperatur-Herstellungsprozessen in einer H2-haltigen Atmosphäre kompatibel sind, sollten sie im Idealfall wenig bis gar keine Verschlechterung ihrer Kristallstruktur und ferroelektrischen Eigenschaften erfahren. Zwei entscheidende Parameter in dieser Hinsicht sind die Restpolarisation (Pr) und das Koerzitivfeld (Ec). Pr bezieht sich auf die Polarisation, die nach dem Entfernen des elektrischen Felds erhalten bleibt, während Ec das elektrische Feld ist, das zum Umschalten des Polarisationszustands des Materials erforderlich ist.

AlScN weist einen höheren Pr-Wert (>100 µC/cm²) auf als PZT (30–50 µC/cm²). Allerdings war der Einfluss einer Wärmebehandlung in H2-haltiger Atmosphäre auf die Eigenschaften bisher unklar.

Um dies zu untersuchen, lagerten die Forscher durch Sputtern bei 400 °C einen Film aus (Al0,8Sc0,2)N auf einem Siliziumsubstrat ab. Die Filme wurden zwischen zwei Elektroden aus Platin (Pt) und Titannitrid (TiN) platziert. Elektroden spielen eine entscheidende Rolle für die Stabilität des Materials. Pt fördert die Aufnahme von Wasserstoffgas in den Film, während TiN als Barriere gegen die H₂-Diffusion fungiert. Daher ist es wichtig, die Leistung mit verschiedenen Elektrodenmaterialien zu bewerten.

Die Filme wurden 30 Minuten lang in einer Wasserstoff- und Argonatmosphäre bei Temperaturen zwischen 400 und 600 °C und 800 Torr einer Nachbehandlung unterzogen. Die Forscher untersuchten mithilfe der Röntgenbeugung (XRD) die Veränderungen der Kristallstruktur im Inneren und an der Schnittstelle zwischen Film und Elektrode. Zur Bewertung von Pr und Ec wurden PUND-Messungen (Positive-Up-Negative-Down) verwendet. Bei dieser Technik werden positive und negative elektrische Felder auf den Film angewendet und die resultierende Polarisationsreaktion beobachtet.

Die Filme behielten eine stabile Wurtzit-artige Kristallstruktur. Pr blieb unabhängig von der Elektrode oder der Behandlungsatmosphäre über 120 µC/cm² stabil, ein Wert, der fünfmal höher ist als bei Filmen auf HfO2-Basis und dreimal höher als bei PZT. Darüber hinaus stieg Ec nur geringfügig um etwa 9 %. Dieser Anstieg wurde auf Änderungen der Kristallgitterkonstante des Films zurückgeführt, die nicht auf die Anwesenheit von Wasserstoff oder die Wahl der verwendeten Elektrode zurückzuführen waren. Im Gegensatz zu anderen ferroelektrischen Materialien, die anfällig für Wasserstoffdiffusion sind, verhindert die hohe Bindungsenergie zwischen Al und N insbesondere, dass Wasserstoff in den Film eindringt.

„Die Ergebnisse zeigen, dass (Al0,8Sc0,2)N viel widerstandsfähiger gegen Abbau durch nachträgliche Wärmebehandlung ist als herkömmliche ferroelektrische und HfO₂-basierte ferroelektrische Filme“, sagt Funakubo. Mit einer relativ stabilen Kristallstruktur, einem hohen Pr-Wert und einer geringen Änderung in Ec sind (Al,Sc)N-Filme ein vielversprechender Kandidat für ferroelektrische Speichergeräte der nächsten Generation.