集成电路产业的不断发展促进着器件特征尺寸的进一步缩小,当器件特征尺寸缩小到45 nm以下时,为了抑制栅极泄漏电流的进一步增大,高k栅介质材料开始替代传统栅氧化物。近年来,由于其良好的性能,Al₂O₃和La₂O₃这两种高k材料被认为是两种很有前景的候选者。由两者所组成的叠栅结构,以及三元氧化物LaAlO₃栅介质都在不同程度上融合了两种材料各自的优势,具有较高的介电常数和不错的界面质量。本文对Al₂O₃/La₂O₃多层叠栅结构和LaAl O₃栅介质的各项特性进行了分析,并研究了退火条件和结构变化对于高k栅介质性能的影响,其主要研究内容和成果如下:首先,在Si衬底上采用原子层淀积技术制备了不同堆叠结构的Al₂O₃/La₂O₃栅介质,并对样品在不同温度和持续时间下进行了快速退火处理。对比不同结构的栅电容可以发现,随着单层高k栅介质变薄,平带电压发生负向漂移;而对于不同退火条件,相同结构的叠栅电容来说,随着其退火温度的升高,或者退火时间的增加,平带电压同样发生负向漂移。然后本文对各种可能的原因进行了分析,结果表明:平带电压负向漂移的原因是high-k/Si界面处的偶极子发生了变化,而并不是氧化层中的固定电荷或者其他位置的偶极子发生变化。从XPS测试结果中发现,单层高k栅介质变薄,退火温度上升和退火时间增加,都会使叠栅结构中的La₂O₃向high-k/Si界面处的扩散加剧,形成更多的Si-O-La键,而La与Al相比有更弱的电负性（La:1.11,Al:1.61）,这会使得位于high-k/Si界面处的La-O键呈现出比Al-O更大的极性,引起能带偏移,进而造成平带电压漂移。然后,在Si衬底上通过原子层淀积技术制备了Al₂O₃/La₂O₃叠栅结构和LaAlO₃栅介质,并对淀积后的样品进行了600℃和800℃的快速退火处理。通过提取样品的各项电学参数,对界面态密度进行了计算。结果显示:退火温度越高,Al₂O₃/La₂O₃叠栅中的界面态密度越低,这是由于界面缺陷在更高温度的退火下发生了更多的复合。此外,实验还发现LaAlO₃栅介质中的界面态密度要明显大于Al₂O₃/La₂O₃叠栅结构。最后,本文对不同结构的高k栅介质与Si衬底之间的能带差进行了分析。通过对XPS结果的分析,得到了Al₂O₃/La₂O₃叠栅和LaAlO₃栅介质材料的禁带宽度,以及两种结构与Si衬底之间的价带差（VBO）和导带差（CBO）。通过对比发现,LaAlO₃栅介质结构与Si衬底之间的导带差和价带差更小。总体来说,这两种高k栅介质结构都能满足栅电容对于介质和Si衬底之间能带差的要求。此外,还对样品的I-V特性曲线进行了测量,结构显示LaAlO₃栅介质电容的泄漏电流要明显大于Al₂O₃/La₂O₃叠栅结构。从以上结果可以得出,Al₂O₃/La₂O₃叠栅结构在能带结构上要优于La AlO₃栅介质结构。