随着微电子产品朝微型化、智能化的方向不断发展,对集成电路元器件高集成度、高性能、低功耗的需求也日益紧迫。自2011年在二氧化铪(HfO₂)基薄膜中发现铁电性以来,HfO₂以其具有较高的介电常数、简单二元结构、无铅污染、与标准CMOS工艺兼容等特性而备受研究学者的关注,也使其成为了替代传统钙钛矿型铁电材料的有力候选者,在铁电场效应晶体管(FeFET)、铁电随机存储器(FeRAM)等非易失性铁电存储器中具有良好的应用与发展前景。本论文采用旋涂镀膜的方式在重掺p-型硅衬底上制备了钙掺杂二氧化铪(Ca:HfO₂)薄膜,并将其集成在金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的电容器中,分析探讨了退火温度、Ca元素掺杂浓度以及薄膜厚度对Ca:HfO₂薄膜相变与电学特性的影响。在测试手段方面,通过热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)探究Ca:HfO₂干凝胶在升温过程中的物理化学变化;采用X射线光电子能谱(XPS)测试样品内部的元素组成与其成键形式;利用掠入射X射线衍射(GIXRD)观察薄膜的晶体结构的演变;通过X射线反射率(XRR)曲线拟合获得薄膜的厚度、密度等信息;以原子力显微镜(AFM)观察薄膜样品的表面形貌,并获得表面粗糙度信息;使用铁电测试仪对薄膜进行极化强度-电场强度(P-E)和瞬态翻转电流密度(J-E)曲线等测试,观察研究薄膜电学性质的演变过程。本论文主要研究成果如下:利用化学溶液沉积法成功制备得到具有明显铁电响应的Ca:HfO₂薄膜。发现较低的退火温度有利于Ca:HfO₂薄膜中立方相的稳定与漏电流的减小,认为Ca:HfO₂薄膜最适宜的退火温度为700℃。在退火工艺一定的前提下,Ca:HfO₂薄膜的相结构与性能的变化受掺杂浓度与膜厚两种因素共同作用,其作用机制分别对应于氧空位与表面能效应。在厚度为35 nm的Ca:HfO₂薄膜中,随Ca浓度由0逐渐增加至8.9 mol%,氧空位含量由2.4%升高到6.5%,这种氧空位含量的增加正是薄膜高对称相稳定的根源。此外,薄膜的电学性质产生了从顺电到铁电再到顺电的变化,其中4.8mol%Ca掺杂的薄膜具有最强的铁电性,剩余极化强度为10.5μC/cm²。另外,还观察到了随膜厚降低Ca:HfO₂薄膜逐渐稳定成高对称相的总体趋势,从热力学角度分析认为这是由比表面积增加引起临界相变温度降低造成的。并且随掺杂浓度增加,Ca:HfO₂薄膜单斜相与高对称相间的临界转变膜厚增加,当掺杂浓度增大至8.9 mol%时,薄膜在44.7nm时仍能完全稳定为立方相,表现为顺电性质,其相对介电常数为44。