【摘 要】
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铁电材料是一种极性材料,在一定温度范围内具有自发极化,且自发极化的状态可以随着外加电场的变化而改变,可用于铁电随机存取存储器和铁电场效应晶体管等多种器件之中。然而传统钙钛矿铁电氧化物中存在Si基器件兼容性差以及含Pb污染等问题,极大影响了器件的寿命和可靠性,严重限制了其在铁电存储器件中的进一步发展。近年来,HfO2基铁电薄膜因其与先进的互补氧化物半导体工艺的兼容性以及在厚度较小时仍然表现出良好铁电
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铁电材料是一种极性材料,在一定温度范围内具有自发极化,且自发极化的状态可以随着外加电场的变化而改变,可用于铁电随机存取存储器和铁电场效应晶体管等多种器件之中。然而传统钙钛矿铁电氧化物中存在Si基器件兼容性差以及含Pb污染等问题,极大影响了器件的寿命和可靠性,严重限制了其在铁电存储器件中的进一步发展。近年来,HfO2基铁电薄膜因其与先进的互补氧化物半导体工艺的兼容性以及在厚度较小时仍然表现出良好铁电性等优点而备受人们的关注。获得具有较大剩余极化强度、低漏电流以及抗疲劳性稳定的HfO2基铁电薄膜成为人们关注的热点问题。针对此,本论文选用脉冲激光沉积技术制备了Hf0.97Gd0.03O2薄膜,对其微观结构、化学组成以及铁电性质等进行了研究,主要研究内容如下:（1）采用脉冲激光沉积技术在Si基片上制备了TiN/Hf0.97Gd0.03O2/TiN异质结薄膜,研究了快速退火对Hf0.97Gd0.03O2薄膜结构、成分和铁电性能的影响。形貌测量表明,薄膜的粗糙度较大,表面均方根粗糙度约为5 nm。Hf0.97Gd0.03O2薄膜在氧气和氮气气氛中快速退火后发生了部分相变,为单斜相和正交相的混合相,薄膜中Gd以Gd3+离子的形式存在,且含有一定量的氧空位。沉积态Hf0.97Gd0.03O2薄膜的压电响应较弱,而经过氧气和氮气快速退火后的薄膜具有良好的压电响应,在电场作用下能明显发生180°铁电畴极化翻转,并且极性区域可以被写入/读取。快速退火后的Hf0.97Gd0.03O2薄膜表现出明显的铁电行为,剩余极化强度和矫顽场分别约为5μC/cm~2和3.2-5.0 V,漏电流密度较大,约为2.01×10-6 A/cm~2,这可能是由于退火后的Hf0.97Gd0.03O2薄膜中仍然含有较多的氧空位。（2）利用脉冲激光沉积技术在Si/SiO2/Ti/Pt基片上外延生长了不同厚度（5-20 nm）的Hf0.97Gd0.03O2薄膜,研究了Hf0.97Gd0.03O2薄膜快速退火处理后形貌、微观结构、元素化合价态以及铁电性。与在Si基片上生长的Hf0.97Gd0.03O2薄膜相比,在Ti/Pt基片上生长的薄膜的粗糙度较小,表面均方根粗糙度为1 nm左右。快速退火后的Hf0.97Gd0.03O2薄膜主要为单斜相和正交相的混合相,没有发现其他二次杂质相,薄膜中Gd离子主要为+3化合价,薄膜中依旧存在少量的氧空位。铁电测试结果表明不同厚度Hf0.97Gd0.03O2薄膜在氧气氛中退火后表现为顺电性,但在氮气氛中退火后则均具有良好的室温铁电性,随着薄膜厚度的增加,薄膜的剩余极化强度增大,最大剩余极化强度值约为33μC/cm~2,正负矫顽场分别为5.71 V和-2.99 V,薄膜的漏电流密度值低至1.01×10-10 A/cm~2,这可能归因于薄膜中缺陷浓度的降低;在100 k Hz下薄膜的抗疲劳性可达到10~6循环周期。
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