随着器件尺寸的进一步缩小,栅介质正变得越来越薄,当传统栅介质层SiO₂的厚度减小到原子尺寸时,由于量子隧穿效应的影响,漏电流将变得很大。为了有效抑制漏电流,高介电常数栅介质（high-k）将替代传统SiO₂栅介质,例如HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂等。而原子层淀积（ALD）工艺由于其精确的厚度控制,在high-k栅介质的集成工艺上受到了广泛关注。另一方面,为了获得更高性能的芯片,选择具有更高载流子迁移率的衬底材料例如GaAs、GeSi等成为必然。然而,由于GaAs自然氧化层并不能对其基体进行有效保护,而且GaAs表面与空气中的氧以及金属接触,会导致很高的表面态,近年来出现了各种GaAs表面钝化技术,使得在GaAs表面生长高质量的high-k栅介质成为可能。本文主要研究了在GaAs,GeSi以及Si衬底上原子层淀积生长high-k栅介质的工艺,主要内容和取得的成果可以归纳为以下3个方面:1.研究了GaAs衬底表面（NH₄）₂S处理和表面（NH₄）₂S+热氮化（TN）处理工艺对原子层淀积生长Al₂O₃栅介质的影响,并通过XPS等手段分析了GaAs衬底不同表面处理工艺的表面钝化效果——X射线光电子能谱（XPS）分析表明,表面（NH₄）₂S处理可以在界面上形成Ga-S键,有效地减少Al₂O₃/GaAs界面处的As-O键,但是却不能有效抑制界面处的Ga-O键以及As-As键。——对于表面（NH₄）₂S+热氮化（TN）预处理工艺,XPS的结果表明,TN处理可以有效的在界面上掺入N,形成Ga-N以及As-N键,同时有效的抑制Al₂O₃/GaAs界面上的Ga-O,As-O以及As-As键。与表面（NH₄）₂S处理相比,表面（NH₄）₂S+TN预处理可以达到更好的钝化效果。2.基于量子化学中的密度泛函理论（Density functional theory）,从微观的角度研究了H钝化的GeSi衬底上ALD生长Al₂O₃的初始反应机理——选用Ge-Si二聚物（Ge-Si dimer）以及Ge-Ge二聚物（Ge-Ge dimer）来模拟H-GeSi（100）-（2×1）表面,研究了Al（CH₃）₃（TMA）分子在H-GeSi（100）-（2×1）反应过程。——分析表明,对比于TMA分子在Si-Ge二聚物上的反应情况,TMA分子更容易在Ge-Ge二聚物上反应（更稳定的吸附态和更小的能量势垒）,因此也就有利于Al₂O₃的初始生长,这很好地吻合了实验报道的结果。3.研究了Si衬底上ALD不同组分HfAlO介质的生长工艺,分析了N₂和NH₃退火对栅介质性能的影响。——通过改变原子层淀积工艺,可以调节HfAlO薄膜中Al:Hf原子的比例。随着HfAlO薄膜中的Al:Hf原子比的减少,获得的MOS电容积累区电容密度不断增大,表明随着薄膜中Al:Hf原子比的减少,薄膜的相对介电常数不断增加。此外,随着Al:Hf原子比的减少,平带电压不断负偏,表明负电荷不断减少。——通过N₂和NH₃退火处理,可以减小MOS电容等效电容厚度（CET）;降低固定正电荷密度,使平带电压正向偏移。此外,N₂和NH₃退火可以有效钝化HfAlO薄膜中的体陷阱,减小C-V曲线的滞回电压,从而改善了薄膜的电学性能。