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在过去的几十年中，微电子技术的发展一直依循着摩尔定律稳步前进。金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的性能也随着器件尺寸的持续缩小而不断提升。然而，在互补金属氧化物半导体(CMOS)技术发展至45 nm节点时，传统SiO2栅介质厚度已缩减至几个原子层厚度，栅极泄漏电流已达到不可接受的量级，带来了极其严重的功耗及可靠性问题。这种情况下，需要在 CMOS工艺中引入高介电常数的栅介质材料取代传统 SiO2栅介质以在保证栅氧化层足够物理厚度的同时获得较小的等效氧化层厚度(EOT)。目前，HfO2高 k/金属栅已成功取代传统的 SiO2/多晶硅栅结构应用于MOSFET制造工艺中。然而，器件尺寸的持续缩小也使得HfO2于MOSFET制造工艺中的应用遇到了瓶颈。La基高k介质材料具有较大的介电常数(24–32)与禁带宽度(>5 eV)，且与Si有着合适的能带失配(>1 eV)，因此在过去二十年中备受关注，且被认为是最有希望取代HfO2以实现更小EOT的高k材料之一。 在各种薄膜淀积工艺中，原子层淀积(ALD)是一种典型的低温薄膜制备技术，且其自限制表面反应机制使ALD生长的薄膜具有很多出色的性能，包括原子级别的厚度控制性能、良好的表面均匀性和完美的台阶覆盖性能等。因此，ALD被认为是最适合用来制备高质量高介电常数栅介质薄膜的淀积方法之一。本文研究了ALD淀积的La基高k栅介质(包括La2O3、LaxAlyO和La2O3/Al2O3叠栅结构等)的物理、化学和电学特性。本文的主要研究内容和成果如下： 1.采用ALD方法在Si衬底上淀积了不同厚度的La2O3薄膜并通过掠入射X射线衍射测试分析了薄膜厚度与退火温度对 La2O3薄膜结晶特性的影响。研究发现， La2O3薄膜厚度和退火温度均会对衬底硅原子向 La2O3薄膜的扩散程度产生影响，从而限制了薄膜的结晶行为。由于La2O3的吸湿性，与非晶态的La2O3薄膜相比，结晶的薄膜更不稳定。此外，我们也分别通过X射线光电子能谱(XPS)和椭圆偏振光谱研究了结晶特性对La2O3薄膜禁带宽度和折射率的影响。 2.在p型Si衬底上采用ALD方法制备了不同La和Al前驱体脉冲比的LaxAlyO薄膜，之后通过 XPS测试分析确定了薄膜的元素组分和能带结构。研究结果表明，随着 Al组分的增加，LaxAlyO薄膜的禁带宽度和薄膜与衬底的价带失配同步增大，而导带失配的变化很小。LaxAlyO薄膜与Si衬底之间能级特性的改善为电子和空穴提供了更高的隧穿势垒，在很大程度上减小了采用 LaxAlyO薄膜作为栅介质的金属-绝缘体-半导体(MIS)电容结构的栅极泄漏电流。 3.研究了位于Si衬底与ALD方法制备的La2O3薄膜之间不同厚度的Al2O3插入层对 Al2O3/La2O3/Al2O3/Si堆叠结构的物理和电学特性的影响。飞行时间二次离子质谱和XPS测试结果表明1.5 nm厚度的Al2O3插入层可以很好地阻挡在ALD制备及随后退火过程中衬底硅原子向La2O3薄膜中的扩散，从而有效抑制了界面层的生成。除此之外，随着Al2O3插入层厚度的增加，Al2O3/La2O3/Al2O3叠栅结构中的氧空位逐渐减少，且栅极泄漏电流特性也得到明显的改善。然而，最初的几个Al2O3淀积循环会在叠栅结构中引入额外的结构缺陷和悬挂键，造成叠栅结构与硅衬底的界面特性退化，导致击穿场强降低。 4.分析了不同退火氛围对ALD制备的 LaxAlyO薄膜的物理和电学特性的影响。在薄膜淀积完成后，分别对其在真空、氮气和氧气氛围中进行600°C温度下时间为1分钟的快速热退火处理。研究表明，退火氛围会影响LaxAlyO薄膜与硅衬底之间界面层的化学键状态；退火会促进界面层的生成，导致积累区电容减小，这种现象在氧气氛围退火中尤为明显。此外，MIS电容结构的平带电压发生正向漂移，表明退火消减了LaxAlyO薄膜中的正电性的有效氧化层电荷。进一步研究表明，退火之后氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷均呈现减少趋势。对LaxAlyO薄膜进行不同氛围的快速热退火之后，得益于LaxAlyO/Si结构价带失配的增大与缺陷的减少，MIS电容结构的栅极泄漏电流呈现不同程度的减小趋势。 5.探讨了预氧化消除应力(SRPO) Si衬底表面预处理对LaxAlyO/Si界面特性的改善效果。研究发现，与采用RCA标准清洗工艺处理Si衬底样品相比，SRPO预处理样品展示出明显的界面特性改善效果，例如氧化层氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷的显著减少等。得益于界面特性的改善，SRPO样品栅极泄漏电流减少了近一个量级。除此之外，LaxAlyO栅介质的击穿特性也得到了显著的提升。然而，SRPO预处理并没有对LaxAlyO薄膜与Si衬底之间的界面层厚度产生影响。我们使用了远程氧吸除工艺，即通过采用具有氧吸除功能的栅电极及后续的金属化后退火来减薄LaxAlyO薄膜与Si衬底之间的界面层厚度。HRTEM测试结果表明氧吸除后界面层厚度确有减薄，说明了这种方法的可行性。然而，界面层被氧吸除减薄后，LaxAlyO/Si结构中陷阱电荷增多，导致栅极泄漏电流与栅介质击穿特性出现一定程度的退化。