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集成电路的迅猛发展使传统的SiO2栅介电材料逼近了它的物理极限，寻找新的高介电常数的替代材料，是半导体工业迫在眉睫的问题。多种high—κ候选材料，如金属氧化物薄膜以及相应的伪二元合金铝酸盐和硅酸盐等，得到了广泛研究。大多数的金属氧化物对半导体工业来说都是比较陌生的材料体系，因此发展与半导体工业兼容、适于大规模生产的超薄氧化物薄膜制备技术，对于这些high—κ材料的实际应用至关重要．有机前体带来的碳污染的问题是限制化学气相沉积薄膜性能提高的重要因素，因此寻找新颖的无碳前体源，是当今栅介电研究领域另一项富有意义的工作。
本文选取几种高介电常数、热稳定性好的栅介电材料(包括LaAlO3、ZrO2、HfO2、Zr—Ti—O和Hf—Ti—O)作为研究对象，采用不同沉积工艺：低压金属有机物化学气相沉积(LPMOCVD)法、CVD方法以及表面溶胶—凝胶方法，选择不同的前体：金属有机源、无碳前体或无机复合源前体，制备了几种栅介电氧化物薄膜，对其生长特性、界面结构、热稳定性和电学性质等，进行了广泛和深入的研究。另外，基于铁电材料在微波电可调器件方面的巨大应用前景，本文首次研究了Sr掺杂传统Pb(Zr，Ti)O3铁电薄膜的结构、相变和电可调性质。
主要结果如下：
1．采用金属有机源前体，通过MOCVD方法成功制备了LaAlO3(LAO)栅介电薄膜，其生长机制为化学动力学控制，生长经历两个阶段：Al缺损且La/Al比随时间迅速变化的初始生长阶段和La/Al比固定不变的稳定生长阶段。LAO薄膜与Si之间通常存在较薄的界面层，为富La的La—Al-Si—O硅酸盐，界面成分随深度梯度变化。MOCVD衍生的LAO薄膜表现出适于栅介电应用的基本性能：大的介电常数(ε=24.8)，大的带隙(Eg=6.36eV)，良好的平整度(RMS=0.3nm)和优异的热稳定性(结晶温度大于850℃)。5nm厚的LAO薄膜的EOT为1.2nm，平带电压为0.5V，1V下的漏电流密度为76mA/cm2。LAO薄膜的漏电机制：低电压下为界面处载流子的Schottky发射过程控制，随电压增加，薄膜表现出明显的Poole—Frenkel电导行为，束缚于薄膜内陷阱中心的载流子的热发射决定着漏电流的输运过程。 2．发展了一种简便可行的无碳前体合成工艺，合成了三种具有良好挥发性的单元金属无碳前体：无水硝酸钛、硝酸锆和硝酸铪，并首次成功地合成了两种双元金属复合无水硝酸盐：无水硝酸锆钛和无水硝酸铪钛。利用这些无机金属源前体，成功淀积了具有良好电学性能的三种单元金属氧化物薄膜：TiO2，ZrO2和HfO2薄膜和两种双元金属复合氧化物薄膜：Zr—Ti—O和Hf—Ti—O薄膜。这类不合碳的无机金属源能直接在Si衬底上气相沉积，无需引入氧化气体，且沉积温度较低，可避免低介电常数界面层的生成，在CVD沉积栅介电薄膜方面独具优势。两种复合前体在沉积中表现出完全不同的特性，锆钛复合硝酸盐以固溶体形式存在，是一种有效的淀积双金属氧化物的无机前体，具有单一的挥发特性。沉积的Zr0.65Ti0.35O2复合氧化物薄膜，与单元ZrO2和TiO2薄膜相比，显示出明显改进的热稳定性。铪钛复合硝酸盐为硝酸钛和硝酸铪的混合物，其沉积薄膜的组成强烈依赖于前体的加热时间。相对于单一金属氧化物薄膜，Zr—Ti—O和Hf—Ti—O复合氧化物薄膜表现出优化的综合性能，即介电常数比单纯的氧化锆或氧化铪薄膜明显增大，带隙比单纯的氧化钛也增加显著，因此作为high—κ候选材料，可以在提高MOS器件集成度的同时保持较小的漏电流。
3．采用表面溶胶—凝胶方法在Si衬底制得EOT为2.4nm的ZrO2薄膜。直接在Si衬底上沉积薄膜，表面溶胶—凝胶工艺预处理步骤会在薄膜和衬底之间引入SiOx界面层。偏离化学组分比的氧化硅界面层限制了MOS器件集成度进一步提高，导致高的固定电荷密度(～1.0×1013/cm2)、界面态密度(～4.84×1013eV-1cm-2)和较大的C—V回线(～180mV)．为了避免低介电常数氧化硅界面层的生成，首次在氮化的Si衬底上采用表面溶胶—凝胶工艺制备了EOT在2.2nm的ZrO2薄膜。Si3N4阻挡层的引入可以有效地避免SiOx界面层
的生成，薄膜的电学性能得到了改善，漏电流(～30mA/cm2)，固定电荷密度(～6.7×1012/cm2)、界面态密度(～1.1×1012eV-1cm-2)和回线(＜10mV)相对于直接在Si衬底沉积的薄膜明显减小。这是目前为止采用表面溶胶—凝胶方法制备的栅介电薄膜所获得的较好的综合电学性能。
4．Sr含量对Pb1-xSrxZr0.52Ti0.4803(PSZT)薄膜的结构和性能有着显著影响。随Sr含量增加，PSZT薄膜由四方结构转变为立方结构，铁电性能减弱，逐渐向顺电态转变。薄膜的相变温度、介电常数，可调率和介电损耗随Sr含量增加逐渐减小，这与Sr含量的增加导致PSZT薄膜晶格收缩有关。x=0.6的PSZT薄膜获得最好的综合性能，可调率为48％，介电损耗(tgδ)为0.02，品质因子FOM为24，表明PSZT是一种有希望的可用于电可调微波器件的候选材料．相对于Pt衬底上制备的随机取向薄膜，在SrTiO3衬底沉积的高c轴择优取向的PSZT0.6薄膜具有高的相变温度，大的介电常数，可调性能明显增强。PSZT薄膜的弥散相变引起介电峰明显展宽，可调性能表现出弱的温度依赖，这可使由其制成的电调制器件在不同温度环境下稳定地工作。
本文采用了与半导体工艺兼容的淀积工艺制备了几种具有良好介电性能的高介电氧化物薄膜材料，重点研究了不同制备工艺对薄膜微结构、界面结构和电学性质的影响，这些工作对探索新颖的栅介电材料在MOSFET器件中的应用，发展新的与半导体工艺兼容的high—κ制备技术具有重要的意义和参考价值。另外，利用Sr掺杂调节PZT薄膜的相变温度，获得了室温下可调率较大、损耗较小的顺电态PbxSr1-xZr0.52Ti0.4803(PSZT)薄膜，拓展了传统铁电材料PZT的应用领域。