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当CMOS技术微缩发展到22纳米技术节点，为了抑制短沟道效应，三维FinFET结构被引入CMOS器件。FinFET器件对金属栅材料的选取及生长，提出了更高的要求。首先，新器件结构的后栅工艺具有更高的深宽比，需要保型覆盖的生长方式;其次，金属栅的有效功函数需接近Si的带中，以实现满足器件工作要求的阈值电压VT。单原子层沉积(ALD)技术具有优异的台阶覆盖能力及超薄膜生长控制能力，被公认为最适合金属栅材料生长的工艺方法。目前国际上已经发表的含铝的N型金属栅的ALD技术仅限于等离子体增强ALD(PEALD)。而该技术中采用的等离子体对栅介质层会有不良影响。热型ALD技术较PEALD技术具有不可替代的优点。然而，由于前驱源的限制，基于热型ALD技术的N型金属栅在国际上至今未见公开报道。 本研究主要内容包括：⑴使用热型ALD生长方法，采用TiCl4、 TMA及NH3，通过不同的生长模式，研究开发出功函数可调的金属栅极材料TiAlX。研究发现，NH3加入TiCl4与TMA的反应，会使得薄膜倾向于TiAlN(C);反之，会使薄膜成为TiAlC。TiAlC较TiAlN(C)具有更低的有效功函数，为4.49 eV，可作为NMOS FinFET功函数金属的备选材料。⑵系统地研究了基于TiCl4及TMA的ALD TiAlC的生长特性。研究表明，可通过调节工艺条件如生长温度、源剂量及薄膜厚度得到功函数可调的TiAlC金属，调节范围为4.49 eV到4.79 eV;同时，对ALD TiAlC的机理进行了探讨:TiCl4可被TMA还原成Ti，TMA的还原特性包含乙烷的形成，然后Ti与乙烷反应形成异质TiCH2，TiCH=CH2及TiC，TMA在高温下发生热分解，使得Al掺入薄膜形成TiAlC，温度越高，反应越容易发生。因此薄膜中Al及C的成分随温度升高而增加，进而可通过控制生长温度控制薄膜的有效成分。⑶系统的研究了Si/SiO2/HfO2/ALD-TiN/ALD-TiAlC金属栅叠层中，TiN的作用及其对金属栅叠层电学性能的影响。研究表明，ALD-TiN/ALD-TiAlC的有效功函数随TiN厚度减小而降低，带有TiN帽层金属的电容结构显示减小的EOT及增加的漏电流;在HfO2及TiAlC之间插入TiN金属，将抑制Al向HfO2中扩散，增强Ti向HfO2中扩散，进而引起EOT减小、漏电流增加，但是无论哪种情况，在同等EOT下，ALD-TiN/ALD-TiAlC栅结构的漏电均小于传统的SiO2/Poly-Si结构6个数量级，足以满足小尺寸器件要求。此研究工作，对于CMOS器件中可变VT的调节具有重要指导意义。⑷系统地研究了基于TaCl5及TMA的ALD TaAlC的生长特性。研究表明，可通过调整生长温度、薄膜厚度等工艺参数得到功函数可调的TaAlC金属，调节范围为4.49 eV到4.74 eV。同时，对TaAlC的反应原理进行了初步的分析:TMA的还原特性包含乙烷的形成，TaCl5可被TMA还原成·Ta，·Ta与乙烷反应形成TaC2H4，TaC2H4会发生脱氢反应生成TaC，TaC与·Ta在高温下会生成Ta2C，因此薄膜中的Ta含量随温度升高而增加，C含量随温度升高而相对下降;TMA在高温下热分解，使得Al掺入薄膜最终形成TaAlC。⑸使用新的前驱源TiCl4及TEA，研究开发了新的TiAlC金属栅极材料。此TiAlC具有适合的生长速率，较低的杂质含量，其有效功函数可通过调整生长温度或薄膜厚度在4.46 eV-4.24 eV之间可调。此外，对TiAlC的反应机理进行了如下探讨:特殊的β-H化学键，使得TEA在高温下发生β位H消除反应，即受热后通过H转移生成Al-H和乙烯，Al-H脱出H2生成Al，乙烯与Ti源反应生成TiC。由于TEA的H转移比较容易，会较快地生成铝烷，铝烷更易分解生成金属铝，因此膜中铝含量相对于TMA基的TiAlC更高，进而引起金属有效功函数的降低，达到预期的研发目的。⑹集成了ALDTiAlC的FinFET器件展现了较好的电学性能。这证明了本论文研究的ALD TiAlC在FinFET和未来纳米线器件中应用的可行性。