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随着微电子技术的不断进步，金属-氧化物-半导体场效应晶体管的尺寸按照“摩尔定律”不断地减小。晶体管尺寸的减小成就了超大规模集成电路成本的骤降和性能的飞跃。近半个世纪的时间里，集成电路芯片中集成的晶体管数目每18个月翻一番。与此同时，MOS器件中栅介质的厚度也跟随等比例缩小原则变薄。当栅介质的厚度减小到1nm的时候，采用传统的SiO2作为栅介质介质，漏电流很大，无法满足高性能器件的要求。因此，必须采用高介电常数介质替代SiO2作为栅介质。 高介电常数介质应用于集成电路要具有较高的介电常数、大禁带宽度、良好的热稳定性以及与目前的CMOS工艺兼容的特点。尽管现在对高介电常数介质的研究取得了很大进展，并且Intel公司在32 nm和22 nm技术中已经采用，但是其中还有很多科学问题值得研究。另一方面，为了获得性能全面、满足尺寸更小的器件的栅介质，对新型高介电常数栅介质的探索也是一个重要的研究方向。除此以外，高介电常数介质的应用，降低了对Si衬底的依赖，提供了新的衬底选择的机会。本文研究了原子层淀积(atomic layer deposition，简称ALD) Nb2O5和NbAlO高介电常数介质的制备与表征、在Ge衬底上原子层淀积Al2O3、AlN的反应机理、以及在GaAs和InP衬底上原子层淀积Al2O3和HfO2高介电常数介质等。本文结果对理解和优化原子层淀积高介电常数介质在集成电路工艺中的应用具有重要学术意义。 论文首先研究了在Si衬底上用ALD制备Nb2O5薄膜。以Nb(OC2H5)5为金属反应前驱体，H2O为氧化剂，反应温度为300℃。制备好的样品在400℃、600℃、800℃氮气气氛下退火30秒，以研究其热稳定性。研究发现，在淀积初始阶段，由于Nb(OC2H5)5分子的位阻效应，薄膜生长速率较快;在薄膜完全覆盖Si衬底以后，生长速率趋于稳定，每个ALD循环生长约为0.7 nm薄膜。用椭偏仪方法分析了薄膜的光学特性，在波长为630nm处的薄膜折射率为1.90。当入射光能量小于4.4 eV时，薄膜的折射率是入射光能量的增函数;入射光能量大于4.4eV时，薄膜的折射率是入射光能量的减函数。而且薄膜的折射率随退火温度的升高而变小。对于薄膜的消光系数，当入射光能量小于5.3 eV时，薄膜的消光系数是入射光能量的增函数;入射光能量大于5.3 eV时，薄膜的消光系数是入射光能量的减函数。根据消光系数，我们分析了薄膜的禁带宽度，Nb2O5薄膜禁带宽度为3.41 eV。在退火过程中界面处的Si原子与Nb2O5薄膜发生化学反应，生产界面层。由于界面层的形成，导致薄膜的禁带宽度随着退火温度的升高而增大。通过XPS测试，分析了薄膜、薄膜与衬底界面的化学性质。在淀积过程中，衬底Si原子与界面的Nb2O5发生作用，形成Si-O-Nb结构。经过高温退火工艺，薄膜中的Nb2O5中的部分O原子透过薄膜，到达衬底表面与Si原子结合，形成Si的氧化物。为了解决Si/Nb2O5结构界面不稳定的特性，制备了Si/Al2O3/Nb2O5叠层结构，其中1.8 nm的Al2O3为钝化层。结果表明，Al2O3很好地抑制了Si衬底与Nb2O5薄膜的相互作用，阻碍了界面层的形成。 其次，论文研究了ALD制备NbAlO新型高介电常数介质。通过改变不同的Nb2O5和Al2O3的原子层淀积循环比的方法，制备了不同组分的NbAlO介质。分别用Nb(OC2H5)5和Al(CH3)3作为Nb2O5和Al2O3的金属前驱体，用去离子水作为氧化剂，淀积温度为300℃。随后样品在N2气氛中退火30秒，退火温度为600℃。研究表明，在NbAlO薄膜中存在Al-O-Nb结构，Nb原子与Al原子和O氧原子很好的结合，并不存在Nb2O5形态。在与衬底接触的界面处形成Si-O-Nb。这种界面层并不稳定，退火以后，界面处的Si-O-Nb遭到破坏，形成SiO2。通过椭偏仪测试方法分析了薄膜的光学特性。样品的折射率随薄膜中Nb原子含量的增加而增大。而薄膜的禁带宽度则随Nb原子含量的增加而减小。这说明，可以通过ALD工艺调节薄膜中Nb2O5的淀积循环比来控制薄膜的禁带宽度，而且这种方法对薄膜禁带宽度调节的精度较高，可以细微到0.2 eV。我们还分析了薄膜的band offset。通过XPS结果，我们分析了禁带宽度为5.05 eV的薄膜，其与Si衬底之间价带差值(⊿Ev)为2.28 eV，导带差值（⊿Ec）为1.65 eV。退火以后，禁带宽度几乎没有变化，但是⊿Ec减小了0.2 eV，而⊿Ev则增大了0.2 eV。 论文用第一性原理方法研究了在Ge衬底上原子层淀积Al2O3、AlN的反应机理。Ge衬底的电子、空穴迁移率都很高，已经在一些领域得到应用。Ge衬底器件的主要问题在于与氧化物之间的界面层不稳定，因此研究淀积高介电常数Al2O3、AlN的反应机理很有必要。用Gaussian03软件包计算了Ge衬底上原子层淀积Al2O3、AlN的反应路径、反应体系的能量以及原子间的相互作用。结果表明，在Ge衬底与TMA分子的半反应过程中，Ge原子与Al原子形成化学键，生成副产物CH4，同时整个体系的能量降低了1.20 eV/mol，说明反应是放热反应，反应需要跨越的最大能量势垒为0.91 eV/mol;在Al2O3反应第二个半反应过程中，H2O分子与Ge-Al-(CH3)2作用，Al原子与O原子形成化学键，生产副产物CH4，同时整个体系的能量降低了1.63 eV/mol，说明反应是放热反应，反应需要跨越的最大能量势垒为1.44 eV/mol，这也是整个反应过程的最高能量势垒。在ALD淀积AlN的第二个半反应中，NH3分子与Ge-Al-(CH3)2作用，Al原子与N原子形成化学键，生产副产物CH4，同时整个体系的能量降低了1.13 eV/mol，说明反应是放热反应，反应需要跨越的最大能量势垒为1.43 eV/mol。与Si衬底相比，TMA分子化学吸附与Ge衬底的体系能量更低，因此TMA分子更容易吸附于Ge衬底上。在工艺上，可以适当的缩短TMA通入反应腔的时间，节约成本。 最后论文研究了在GaAs衬底和InP衬底上ALD淀积Al2O3和HfO2高k介质。并通过表面硫化处理以及退火等工艺流程，着重从电学特性的角度(C-V, I-V)分析了工艺对提高器件性能的影响。Al/Al2O3/GaAs MOS结构的积累电容密度为8.29×10—μF/cm2，对应的EOT分别为4.16 nm。实验表明，退火工艺了引入大量缺陷，导致积累电容下降。衬底表面经过硫化处理以后，衬底表面的悬挂键得到钝化，抑制了界面层的生长，并使界面态密度降低，从而使得积累电容增大并有效地降低了栅极漏电流。Al/HfO2/GaAs MOS结构的积累电容密度为6.68×10-1μF/cm2，HfO2介质的介电常数为15.1，EOT为5.17 nm。同样，在衬底表面经过硫化处理以后，界面态密度降低，从而降低栅极漏电流。Al/Al2O3/InP MOS结构的积累电容密度为1.62μF/cm2。然而研究发现，硫化处理后，引入了大量缺陷，积累电容变小。Al/HfO2/InP MOS结构的积累电容密度为6.13×10-1μF/cm2，HfO2薄膜的介电常数为14，对应的EOT为5.63 nm。退火工艺抑制了缺陷的形成，使得积累电容密度增大。衬底表面经过硫化以后，界面态密度增加，栅极漏电流增大。硫化后高温退火工艺使界面态密度有上升的趋势，栅极漏电流更大。