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半导体行业迅猛发展，金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFETs)技术中一直是采用SiO2作为栅介质材料。随着集成度的提高，器件特征尺寸不断减小，栅氧化物层的厚度越来越薄，由此带来的隧穿电流和器件失效问题使得使用高介电常数的栅介质材料来替代SiO2成为当前微电子技术的研究热点之一。
本文正是在此研究背景下选取了三种high-k候选材料La-doped HfO2、Gd2-xLaxO3、HfO2，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)和原子层沉积(ALD)方法制备薄膜，在硅片上较系统地研究了这三种薄膜材料的形貌、结构、热稳定性、组分、生长行为以及电学性能等，探讨了其在下一代MOSFET器件中的应用前景。主要结果如下：
1.使用自制的乙酰丙酮镧La(acac)3和乙酰丙酮铪Hf(acac)4源，通过MOCVD方法，成功制备了La-doped HfO2薄膜。薄膜具有优异的表面平整性，表面粗糙度RMS值为0.5nm(10×101μm2)。HfO2薄膜中掺入La元素，明显提高了结晶温度，750℃仍然保持非晶状态。XPS结果表明，La-doped HfO2薄膜的界面层是金属硅酸盐Hf-Si-O。薄膜的Eg值为5.6eV，在1MHz下的本征介电常数为28。在Si衬底上沉积3min得到薄膜的EOT为1.2nm，平带电压为1.5V，漏电流密度在Vg=1V+Vfb下为3A/cm2。
2.采用四甲基庚二酮钆Gd(dpm)3和四甲基庚二酮镧La(dpm)3作为MO源，通过MOCVD系统沉积了一系列La含量变化的Gd2-xLaxO3薄膜。发现掺入La元素的Gd2O3薄膜形成的是立方相的Gd2-xLaxO3固溶体。Gd2-xLaxO3薄膜的界面层形成的是富La缺Gd的Gd-La-Si-O硅酸盐，其在Si衬底表面的生长过程可以分为两个阶段：第一阶段，薄膜中La元素较多，Gd元素缺损，La/Gd比随时间剧烈变化；第二阶段，La/Gd比几乎不变，膜厚随时间线性增长。Gd2-xLaxO3薄膜的Eg值为5.78eV。La/Gd源流量比为2:1时，相比于原位沉积的薄膜，后退火使得薄膜的EOT减小到0.85nm，平带电压为1.0V，漏电流增大到4.4 A/cm2。相比于Gd2O3，La2O3具有更大的介电常数，因此Gd2-xLaxO3薄膜随着La含量的增加，薄膜的EOT逐渐减小，电学性能得到改善。
3.合成了一种新颖的具有良好挥发性的无水硝酸铪作为前体，通过原子层沉积方法(ALD)成功制备了HfO2薄膜。XPS结果表明HfO2薄膜内没有N元素残余。相比于原位沉积的薄膜，经过400℃后金属退火30s的薄膜EOT明显减小，最小的EOT达到0.5nm，归因于致密度的改善。而漏电流增大到几个A/cm2，主要是由于后退火导致薄膜结晶，与晶界的出现有关。
综上所述，本文采用了与半导体工艺相兼容的MOCVD与ALD方法，利用不同前体，制备了几种具有应用前景的新型high-k材料，主要研究了这些材料的结构和电学性能，为下一代MOSFET器件的栅介质材料的应用提供了重要的参考价值。