【摘 要】
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氧化铪（HfO2）基铁电薄膜具有与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容、特征尺寸微缩能力强、制备工艺成熟等特点。作为一种新型铁电材料,HfO2基铁电薄膜在铁电存储器的应用中表现出巨大的潜力,有望引领新型存储器的发展方向。III-V族半导体因其优越的电子迁移率正被探索作为金属氧化物半导体（MOS）器件中的沟道,这使得器件能够进一步的缩放,实现更高的开关速度和更低的功耗。结合两者的优势,以III-
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氧化铪（HfO2）基铁电薄膜具有与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容、特征尺寸微缩能力强、制备工艺成熟等特点。作为一种新型铁电材料,HfO2基铁电薄膜在铁电存储器的应用中表现出巨大的潜力,有望引领新型存储器的发展方向。III-V族半导体因其优越的电子迁移率正被探索作为金属氧化物半导体（MOS）器件中的沟道,这使得器件能够进一步的缩放,实现更高的开关速度和更低的功耗。结合两者的优势,以III-V族半导体作为沟道材料,制备HfO2基铁电存储器,将对铁电存储器的高密度集成起到重要推动作用。本论文将通过化学溶液沉积（CSD）法在In As/In0.53Ga0.47As III-V族半导体衬底上制备Ce掺杂的HfO2（Ce:HfO2）铁电薄膜,探究退火工艺对Ce:HfO2铁电薄膜电学性能及微观结构的影响。具体研究内容如下:（1）在重掺杂（100）In As衬底上制备Ce:HfO2铁电薄膜,探究退火工艺对薄膜表面形貌、物相结构及电学性能的影响。薄膜的表面形貌表明,薄膜表面均较为平整,表面粗糙度均方根(RRMS)不大于1.1 nm。Ce以正三价和正四价的形式存在于HfO2薄膜中,可以在薄膜中诱导出铁电正交相。透射电子显微镜和掠入射X射线表征确认了薄膜中铁电正交相的存在。压电测试中,薄膜的振幅-电压曲线为蝶形曲线,相位-电压曲线则表明了薄膜可实现180°相位翻转。随后测试了薄膜在不同退火工艺下的电滞回线和漏电流特性。薄膜在700℃、N2气氛中退火时拥有最大的Pr值,为20μC/cm~2;而在O2气氛中退火的薄膜却有更低的漏电流密度。抗疲劳和保持性能测试表明,退火工艺对薄膜抗疲劳和保持性能影响不大。不同退火工艺下,薄膜在经过10~8次的循环电场后,极化下降较小,有较好的抗疲劳性能;薄膜经过10~4s保持时间后,极化几乎没有下降,有较好的保持性能。（2）在重掺杂（100）In0.53Ga0.47As衬底上制备Ce:HfO2铁电薄膜,探究退火工艺对薄膜表面形貌、物相结构及电学性能的影响。薄膜的表面形貌表明,在各个退火条件下薄膜较为平整,RRMS均不大于1.1 nm。薄膜在500℃退火时并未结晶,550℃退火时开始结晶,且各结晶薄膜中均能观测到铁电正交相的存在。薄膜在550℃、N2气氛中退火时拥有最大的Pr值和较小的漏电流密度。抗疲劳和保持性能测试表明,退火气氛对薄膜的抗疲劳和保持性能影响不大。不同退火气氛下,薄膜在经过10~8次的循环电场后,极化下降较小,有较好的抗疲劳性能;薄膜在经历10~4s保持时间后,极化下降不超过13%,有较好的保持性能。
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