微电子集成电路的集成度随着微电子技术的飞速发展而持续提高,过渡金属氧化物HfO₂和ZrO₂因其高介电常数以及与Si晶格优良的匹配性被广泛应用于场效应管栅介质层,取代了传统的SiO₂材料,缩小器件的特征尺寸。HfO₂基薄膜铁电性的发现很大的推进了硅基铁电存储器的发展,相比于传统的钙钛矿型铁电材料如PZT、BST,它与CMOS器件的兼容性好,并且较小厚度时保证器件的非易失性,有利于器件的微型化和IC集成度的提高。目前研究结果表明,掺杂Zr元素能够在室温下稳定HfO₂薄膜的铁电性,当Hf与Zr的原子比为1:1时(即Hf_0.5Zr_0.5O₂)薄膜铁电性最强。最近,在掺杂Si或Al的Hf_0.5Zr_0.5O₂中发现了明显的铁电（FE）和反铁电（AFE）,表明Si和Al在较小程度上可以促进四方相的形成。本文的研究工作主要包括以下内容:1.采用脉冲激光沉积技术,系统研究了生长工艺参数以及热处理工艺对Al掺杂Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜的影响。结果表明:Al:Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜的剩余极化强度随氧分压的升高出现类似凸函数的先变大后变小的变化走向;对薄膜的铁电性能有促进作用的正交相衍射峰在衬底温度为400℃时最强,剩余极化强度相对较高;薄膜厚度增加,正交相衍射峰变弱,漏电流密度减小。氮气中快速退火薄膜的结晶质量明显变好,退火温度升高使得薄膜漏电流密度变大,表面粗糙度下降。2.在最佳生长工艺条件及热处理工艺下制备TiN/1.03mol%Al:Hf_0.5Zr_0.5O₂/TiN结构薄膜电容器,对其进行微观结构及电学性能方面的测试。结果表明:薄膜表面晶粒尺寸小且均匀,足够小的晶粒尺寸防止形成稳定的单斜晶相。薄膜样品在4V与10V测试电压下的剩余极化强度分别为17.2μC/cm²与23.1μC/cm²,薄膜漏电流密度在10^-6量级。3.通过改变Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜中Al的含量,调整工艺参数得出未掺杂、2.04mol%Al掺杂以及4.00 mol%Al掺杂的Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜的最佳生长条件。4.对不同Al含量Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜的结构与电学性能分析,结果表明:薄膜是多晶相结构,随着Al掺杂浓度的增加与退火温度的降低,单斜相峰值逐渐降低,四方相更加稳定;电滞回线收缩,剩余极化减少。当Al含量增加到一定程度,薄膜具有反铁电的双电滞回线,是由于薄膜在电场的作用下发生了可逆的正交相到四方相的相变,并且在金属/电介质界面处的氧空位将捕获电荷而使得薄膜内部存在偏置电场。对于不同浓度的Al:Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜电容器具有不同趋势的场循环行为,随着Al含量增加至4.00 mol%,Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜具有显著的唤醒效应,它与薄膜中氧空位的重新分布有关。与未掺杂的Hf_0.5Zr_0.5O₂铁电薄膜相比,利用Al掺杂诱导出反铁电性对于制造高储能的超级电容器非常有利。