铁电存储器是一种以铁电薄膜作为存储材料的存储器件。铁电薄膜可以被外加电场极化,即使外加电场被除去,极化依然得以保持。在所有的铁电材料中,锆钛酸铅(PZT)薄膜材料被作为未来存储器件的功能材料而被广泛研究,这是因为它有很快的读写速度,相对较大的剩余极化强度,简单可靠的制备方法,而且当使用氧化物电极时,有很好的抗疲劳属性。在本论文中,利用溶胶凝胶法(sol-gel)制备了不同厚度的锆钛酸铅Pb(Zr0.3Ti0.7)O3铁电薄膜。从实验所得的电滞回线和电容电压曲线可以看出,经650℃快速热退火后,PZT铁电薄膜呈现良好的铁电性。利用原子力显微镜(AFM)和压电力显微镜(PFM)观测了PZT薄膜的表面形貌,电畴反转和压电性质。经实验发现,在数微米的尺度范围内,AFM可以清楚的观测到薄膜表面的颗粒大小,粗糙度和表面起伏,薄膜表面致密平整。通过在PFM探针上加上大于薄膜矫顽场的直流电压,可以在微观区域对铁电薄膜偶极子进行极化反转,进而产生出用压电力显微镜针尖精确控制的人工电畴。在铁电薄膜的PFM压电曲线中,通过计算求出了铁电薄膜的压电系数随所加电压的变化曲线,有效压电系数d33的最大值纨为40pm/V。虽然PZT薄膜材料是铁电存储器中被使用最多的功能材料,但是仍然存在着一些问题制约着基于PZT薄膜的铁电存储器的发展,比如和传统的集成电路制造工艺的兼容性问题。这其中一个重要的问题就是PZT薄膜在氢气等forming gas中退火时铁电性会遭到破坏,而氢气退火是集成电路制造工艺中必不可少的工艺步骤,在后段工艺中用来实现器件钝化和去除芯片表面的缺陷。由于对这种PZT薄膜失效机理缺乏足够的了解,严重的影响了PZT材料在非挥发性铁电存储器(NVFRAM)中的应用。为了研究其中的机理,很多的研究者对这个问题就不同的方向进行了大量的研究,比如说电滞回线的研究,电极催化作用的研究,氢气退火后PZT薄膜的铁电性恢复方法等。为了解决这个问题,我们研究了利用经过氢气退火的PZT薄膜和未经过氢气退火的PZT薄膜制备的Pt/PZT/Pt电容结构器件。我们发现PZT薄膜在氢气退火之后失去了标准的电滞回线。此外,对于不同的退火温度,不同的电滞回线形状和漏电流的大小表明对于不同的退火温度存在着不一样的主要失效机制。尽管对失去电滞回线的氢气退火以后的PZT薄膜在氧气环境中进行后退火可以使PZT薄膜恢复原来的电滞回线形状,但是恢复之后的剩余极化强度远远小于初始值。这意味着在退火过程中,部分的失效是不可逆的。为了研究失效机制和其在不同温度范围里的重要性,本文分别测定和分析了退火前和退火后薄膜的XRD物相,AFM形貌图性,漏电流,剩余极化,疲劳特性等性质。导电的压电力显微镜(PFM)针尖被用作浮动的上电极来表征薄膜微观区域的压电和铁电特性。在以前的研究中,大部分学者将注意力放在氢气退火的低温区间,而本文在一个更大的温度区间内对这一现象做了深入的研究,至少提出了三种机制去解释PZT薄膜在氢气中退火的失效。本文不光有效的研究了其失效机制,还对在氧气中后退火的恢复机理做出了合理的解释。对于低温退火氢原子进入钙钛矿晶格形成的OH"对电畴反转的钳制起主导作用,而对于高温退火,在OH-形成过程中释放电子和其它退火中的因素导致的薄膜漏电变成了主要原因。对于失效中的不可逆部分,本文发现了一种新的机制,即氢气退火对PZT薄膜表面的形貌破坏会随着退火温度的增加而增加,这与电性研究的剩余极化大小变化结果相吻合。