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随着器件的尺寸持续缩小，发展与现存金属-氧化物-半导体场效应管(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistors，MOSFETs)工艺兼容的栅介电薄膜制备技术，是微电子领域的一个重要任务。原子层沉积技术(Atomic LayerDeposition，ALD)是一种可对膜厚进行亚单层(sub-monolayer)精确控制的化学气相沉积技术，正受到越来越多的关注，在深亚微米集成电路和纳米结构的制备上显示出巨大的应用前景。 高k栅介质和金属栅电极材料的引入，在降低MOSFET器件高功耗的同时，也带来沟道/栅介质材料界面的恶化，导致沟道迁移率的明显下降，为了解决此问题，迫切需要寻求高迁移率的新型半导体沟道材料来替代传统的Si。 因此，本论文针对蓬勃发展中的原子层沉积技术和新型高迁移率化合物半导体GaAs沟道材料，开展了HfO2、ZrO2和HfAlO等几种high-k材料的ALD制备研究，并对GaAs衬底的表面钝化，以及栅介质/GaAs的界面结构、能带排列和电学性能进行了深入系统的表征。同时，在与ALD具有类似生长原理的表面溶胶凝胶法(Surface Sol-Gel，SSG)沉积的HfO2及其HfxSi1-xO2复合薄膜方面也做了有益的探索。主要成果如下: 1.系统研究了ALD沉积high-k薄膜的生长特性，包括ALD工作窗口、生长速率、薄膜的均匀性和界面结构等。采用TMA和H2O作为反应源在硅片上沉积了不同厚度的Al2O3薄膜，发现沉积的温度范围在150～300℃区间，厚度和循环次数为良好的线性关系，薄膜的平均速率为～1.03(A)/cycle，为其工作窗口。ALD系统在6英寸硅片上沉积Al2O3薄膜时，表现出优异的厚度均匀性，标准偏差仅为0.41％。采用HfCl4和H2O作为反应源，ALD的沉积温度范围在250～390℃内，HfO2的膜厚与循环次数呈良好的线性关系，薄膜的沉积速率约为～1.02(A)/cycle，为其工作窗口。硅片上HfO2薄膜具有优异的平整性，其粗糙度(RMS)为0.23纳米。采用ALD技术成功生长了Al2O3/HfO2纳米叠层结构，HRTEM观测证实了叠层结构具有较高的界面质量，Si与Al2O3之间没有观测到明显的界面层。光学透射谱分析表明，Al2O3、HfO2和HfAlO薄膜的光学带隙分别为6.36 eV、5.70 eV和6.12 eV，表明可以通过改变ALD的生长周期，调节薄膜每个叠层的厚度，进而方便地调节高k纳米叠层薄膜的组成和光学带隙。 2.深入研究了化学溶液钝化法对GaAs衬底的表面、界面结构、能带排列与电学性能的影响。通过仔细比较NH4OH和(NH4)2S两种钝化剂对GaAs衬底表面和ALD沉积的Al2O3/GaAs界面组成的影响，可知:NH4OH钝化的样品，Al2O3/GaAs的界面处会在退火过程中生成新的亚氧化物AsOx，As-As键会增强，同时会出现严重的互扩散现象。而(NH4)2S钝化的GaAs样品，表面覆盖了Ga-S和As-S键，可以有效地防止Al2O3薄膜和GaAs衬底之间的互扩散，抑制界面处As单质和As氧化物的生成，获得明显改进的界面质量。同NH4OH钝化相比(NH4)2S钝化的Al2O3/GaAs样品导带补偿(Conduction Band Offset,CBO)略有提高(0.14 eV)，电学性能明显改善，展示出较高的积累态电容、较小的频率色散和较小的电容回滞。 3.深入研究了界面控制层钝化法对GaAs衬底的表面、界面结构、能带排列与电学性能的影响。首次在ALD沉积ZrO2栅介质和S-钝化的GaAs衬底之间引入MOCVD的方法制备的薄层Gd2O3控制层，发现它能够有效抑制界面处As氧化物和Ga氧化物的形成，电学性质明显改善，表现出较高的积累态电容、较小的电容回滞，而且相比于直接将ZrO2沉积在GaAs上的MOS器件，漏电流密度减小了近两个数量级。通过确定ZrO2/GaAs和ZrO2/Gd2O3/GaAs的能带排列图，发现后者CBO为1.62 eV，比前者增大0.17 eV。电学性能的改善归功于CBO的增大以及界面陷阱和缺陷的减少。 4.在S钝化的n-GaAs(100)衬底上，ALD沉积了不同Al/Hf比率的Al2O3/HfO2(AHO)纳米叠层薄膜，系统研究了Al/Hf比率对AHO/GaAs的界面组成、能带排列和电学性能的影响。发现Al/Hf比率为1∶1.3的(1∶1)-AHO薄膜具有最佳的热稳定性，能够最有效地抑制As氧化物和As单质层在界面处的生成。且该样品显示出最佳的电学性能:最大的电容、最小的电容回滞宽度(Δ VFB=415 mV)以及最低的漏电流密度。通过XPS对各种样品的价带和O(l)s能量损失谱的测定，对HfO2/GaAs、Al2O3/GaAs和不同比例的AHO/GaAs结构建立了完整的能带排列图。结果显示，通过改变ALD沉积HfO2/Al2O3纳米叠层的工艺参数，能够方便有效地调节栅介质与GaAs之间的界面质量和能带补偿。 5.首次选用在空气中更稳定的氯化物(HfCl4)作为表面溶胶凝胶SSG的前体源，系统研究了超薄HfO2和HfxSi1-xO2栅介质薄膜的SSG法的制备、界面结构与电学性能。在硅片上采用SSG法成功制备超薄HfO2薄膜，500℃退火后，依然保持非晶，具有较小的表面粗糙度(RMS值为0.45 nm)，界面层小于0.5nm，主要是Hf-silicate(HfxSiyOz)层。后退火，明显改进了薄膜的电学性能，等效厚度(Equivalent oxide thickness，EOT)减小为0.84 nm，漏电流密度也略有减小，主要归因于有机杂质和缺陷的去除与薄膜的致密化。研究发现:未退火的HfO2薄膜中，电流传导主要是陷阱辅助的Poole-Frenkel(PF)热发射机制;退火后的薄膜中，栅压小于1.2 V，是界面处的电子越过势垒的Schottky-Richardson(SR)发射过程，说明薄膜在N2中500℃退火后消除了氧化层中部分陷阱。栅压大于1.2 V，由于薄膜中部分未消除的陷阱被激活，电流传导机制变为陷阱辅助的Fowler-Nordheim(FN)隧穿。通过改进SSG方法，首次利用预制SiO2层和HfO2的扩散反应制备了HfxSi1-xO2复合薄膜，并系统地研究了反应退火温度对薄膜组成和电学性质的影响。在500℃退火后的薄膜组成为Hf0.52Si0.48O2，随着退火温度的升高到600、700℃，复合薄膜中Si含量明显增加，薄膜厚度也有所增大，薄膜介电常数降低。500℃退火后薄膜具有最小的EOT(0.9 nm)，介电常数为12.3。 本文采用了与半导体工艺兼容的ALD沉积工艺，在GaAs高迁移率沟道材料上，制备了几种具有良好应用前景的高介电氧化物薄膜材料，重点研究了GaAs衬底的表面钝化工艺对薄膜界面结构、能带排列和电学性质的影响。这些工作对探索新颖的半导体沟道材料在MOSFET器件中的应用，促进我国集成电路的发展，形成具有自主知识产权的关键高七材料体系与制备技术，具有重要的意义和参考价值。