【摘 要】
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自氧化铪（HfO2）基铁电材料问世以来,其优异的铁电性能被人们所熟知,逐渐被广泛应用到电子元器件中。相比于传统钙钛矿结构铁电薄膜,HfO2基铁电薄膜CMOS工艺兼容度高、可微缩性好、操作电压低、极化强度适中,而且还具备极高的抗辐照能力,是一种极为理想的新型铁电薄膜材料。本文利用溶胶-凝胶法以及原子层沉积法成功制备La、Y、Sr、Zr等四种掺杂的氧化铪薄膜,并对其进行了性能优化以及辐照实验研究。具体
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自氧化铪（HfO2）基铁电材料问世以来,其优异的铁电性能被人们所熟知,逐渐被广泛应用到电子元器件中。相比于传统钙钛矿结构铁电薄膜,HfO2基铁电薄膜CMOS工艺兼容度高、可微缩性好、操作电压低、极化强度适中,而且还具备极高的抗辐照能力,是一种极为理想的新型铁电薄膜材料。本文利用溶胶-凝胶法以及原子层沉积法成功制备La、Y、Sr、Zr等四种掺杂的氧化铪薄膜,并对其进行了性能优化以及辐照实验研究。具体研究如下:（1）使用溶胶-凝胶法和原子层沉积法成功制备了La、Sr、Y和Zr的四种掺杂的氧化铪铁电薄膜,通过形貌表征,发现薄膜表面平坦、结晶良好,具有较好的均匀性;通过压电测试,发现Y:HfO2的畴类型为150°的多畴结构,La:HfO2为180°的单畴结构,Sr:HfO2为140°多畴结构;电学性能测试发现,相比于原子层沉积法,使用溶胶-凝胶法制备的薄膜出现了极化强度低、漏电流较大、曲线发生偏移以及曲线的矩形度差等问题,这是由于在制备电极和退火时候产生了大量氧空位和上下电极的势垒不一致导致的。（2）针对铁电存储器的航天航空应用需求,对制备的掺杂氧化铪铁电薄膜（Pt/HfO2/Pt结构）进行了总剂量辐照实验。辐照实验使用60Coγ源,总剂量分别为200 krad（Si）、1 Mrad（Si）以及5 Mrad（Si）三种剂量。辐照后压电测试表明三种掺杂的薄膜都出现了“印记”现象,且各掺杂下都表现出不同的择优取向。通过对比发现,La:HfO2的抗辐照能力最好,而对于Y:HfO2压电曲线的“折回”现象,对其进行了电学性能测试,结果表明随着剂量加大,漏电流出现了先变小再变大的情况,这可能与缺陷、氧空位浓度以及掺杂元素半径等因素有关。（3）针对溶胶-凝胶法制备薄膜极化强度低等问题,对MIM结构器件进行氧等离子体处理,发现处理后的极化性能有明显提升,对于La:HfO2,在8 V电压的激励下,由处理前的2.4μC/cm~2增加到处理后的68μC/cm~2,极化强度显著增大;Y:HfO2也出现了极化强度增强的现象,经过氧等离子体处理后,在7 V电压下,曲线窗口的矩形度最好,极化强度增加到66μC/cm~2,最大达到了80μC/cm~2;对于漏电流,经过氧等离子体处理后,漏电流明显下降,在1 V电压下,漏电流由0.1 A下降到了0.01 A,降低一个数量级。
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