半导体集成度的提高要求微电子器件特征尺寸不断缩小，传统的半导体沟道材料和介质绝缘材料面临物理极限。另外，随着云计算、大数据、绿色能源时代的到来，人类对于高速、高功率密度、以及更高能效电源转换系统的需求与日俱增。半导体技术无论是延续摩尔定律还是超越摩尔定律发展，新材料、新器件、新工艺的研究至关重要。　　具有较高介电常数（高k）的介质绝缘材料和宽禁带、高迁移率的沟道材料是半导体技术发展的必然选择，而高k介质/半导体沟道材料之间的界面热稳定性、化学物理稳定性直接决定微电子器件的性能和可靠性。因此，本论文重点围绕高k介质/半导体界面调控开展研究工作。以Si基SOI和宽禁带GaN为沟道材料，以Hf、La、Al基化合物介质为主要研究对象，重点探索界面调控技术和钝化机理，优化高k薄膜结构，实现超高介电常数、低等效栅氧厚度(EOT)、低泄漏电流、低缺陷密度和高可靠性的高k薄膜制备，为半导体技术发展中高k介质/半导体界面调控和设计优化提供关键技术依据。主要工作如下:　　研究了Si基沟道材料的界面钝化调控和介质特性。以等离子体增强原子层沉积(PEALD)方法中原位等离子体O2和NH3对Si界面进行钝化处理，形成的SiON界面层有效抑制后续高k介质薄膜生长过程中界面处Si、O、Hf元素的相互扩散。结合高k介质薄膜生长后原位进行O2等离子体后处理，湮没薄膜中氧空位缺陷。利用上述界面钝化方法，调控HfAlO和HfLaO二元氧化物生长循环条件，可获得结晶温度高达800℃、泄漏电流～0.03mA/cm2，EOT～0.6nm，介电常数～27.3高k介质薄膜，满足14nm节点后栅介质的需求。　　研究了GaN沟道材料界面钝化调控和介质薄膜性能。通过PEALD方法中的原位pre-Ar和pre-NH3等离子体对GaN表面进行界面钝化，Ar离子物理轰击减少Ga2O3含量，部分消除界面纳米团簇和悬挂键;NH3等离子体将Ga氧化物还原为GaN。二步原位等离子钝化处理降低GaN表面类施主缺陷Ga-O键含量，同时抑制GaN表面N元素分离。后续生长的HfO2/La2O3叠层介质薄膜经过870℃快速退火后出现四方和立方HfO2晶相，表面粗糙度0.41nm，薄膜禁带宽度4.9eV，介电常数35.7，泄漏电流5μA/cm2@Vg=10V，临界击穿场强5.5MV/cm。PEALD方法生长的4～5nmAlN薄膜800℃以上N2气氛下快速退火出现六方晶型，N空位减少，N-O-Al键高温分解形成N-Al键、抑制Al-O键形成、提高AlN纯度;500℃快速退火后AlN依旧保持非晶态，介电常数7.5，可以作为GaN钝化介质。　　研究了超高介电常数晶相介质薄膜的形成机理和生长过程。半径较小的Si或者Al原子掺杂进HfO2薄膜中，缩短Hf-O键，形成稳定的四方晶相;半径较大的La原子掺杂HfO2中增大Hf-O键长，有利于稳固立方相HfO2。800℃退火的HfO2/La2O3叠层薄膜中四方相和立方相HfO2并存，介电常数达到33。600℃以下高温退火不足以使HfSiO薄膜中形成四方晶相结构，800℃以上退火时，Si扩散进HfO2晶格中，促使它形成四方晶型。800℃退火后，随着Si掺杂浓度的提高，HfO2薄膜晶相从单斜相转变为四方相;但是Si掺杂浓度过高时，SiO2与HfO2分离，介电常数反而下降。800℃退火后形成四方相的HfSiO介电常数达35。　　研究了高k介质薄膜的抗总剂量辐射可靠性。随着辐照剂量的增加，氧化物与界面陷阱电荷密度均有增加，但氧化物陷阱电荷比界面陷阱电荷数量大。这主要是由于辐射诱导的空穴向界面扩散过程中优先被氧化物介质内部的陷阱捕获。另外，界面处存在Si悬挂键Si-H，带正电的Hf、La金属阳离子移至界面处与H原子结合，形成Hf-H和La-H，抑制界面陷阱电荷密度增加。再者，Hf基薄膜界面的主要缺陷是带正电的氧空位，库仑静电屏蔽效应抑制空穴在界面处被捕获。总剂量辐射损伤在一定时间内是不可恢复的。