四十多年来，微电子工业呈现爆炸性发展，硅基集成电路的集成度一直按照摩尔定律增长，以满足不断提高的技术要求。为保持较高的栅极电容，SiO2栅介质层厚度也相应减薄，传统的SiO2栅介电层已经逼近了它的物理厚度极限。随之出现的漏电流增大，驱动电流减小和掺杂物(硼或磷)隧穿导致器件可靠性下降等问题，使得寻找新型高介电系数材料替代SiO2成为迫在眉睫的问题，现在金属氧化物的伪二元合金铝酸盐和硅酸盐得到了广泛的关注和研究。目前IBM和Intel公司对外宣称将在实际应用中开始采用高介电系数栅介质材料代替传统的SiO2栅介电层。本文选取了两种新型的高介电系数材料(Ti—Al-O和La—Si—O体系)作为研究对象，采用脉冲激光沉积法成功制备了薄膜并对薄膜的界面性质和电学性质进行了深入的研究。鉴于高介电系数材料与Si衬底接触经常会存在一层低介电系数的界面层，本文首次采用了分步法沉积薄膜，最大程度地抑制了界面层的出现。结合大量的实验研究数据，选择性能最好的Ti—Al-O体系样品作为扩散偶模型，利用电子能谱线性分析对薄膜的纵向原子分布进行描述，通过菲克扩散方程得到薄膜在经过高温后退火处理后的原子的扩散系数和扩散激活能，获得的数据对未来的微电子产业有一定的价值。另外本文对被认为将来会有很好应用前景的La—Si—O体系进行了初步的探索研究，为今后该体系的研究工作做一些铺垫。 本文主要的研究结果如下： 1．采用脉冲激光沉积法，合成制备了TiAl5Ox薄膜。对薄膜的沉积条件，包括衬底温度、沉积腔体气压和脉冲激光能量等制备条件进行了优化，并对不同条件制备的薄膜的微结构、界面性质和电学性质进行系统分析．TiAl5Ox薄膜在经过800℃快速热退火处理后仍然能保持非晶态，在900℃处理后出现立方相TiAl2O5的结晶峰。TiAl5Ox薄膜的介电系数约为18，并且介电系数随频率的变化很小，介电损耗约为0.05。TiAl5Ox薄膜与Si衬底之间存在一层界面层，而且界面层厚度随着衬底温度的升高而增大。在衬底温度为400℃时衬底得到的界面层厚度约为0.6 nm；而当衬底温度升高到600℃时界面层厚度增大到1.6 nm。XPS的结果证明了界面层的是由金属氧化物、硅氧化物和金属硅酸盐组成的混合物构成的。物理厚度为5 nm的TiAl5Ox薄膜，其等效氧化物厚度(EOT)为1.2nm，平带电压为0.52 V，在1 V栅电压下的漏电流为6.02x10-4 A/cm2．TiAl5Ox薄膜在温度较低的情况下，漏电流具有Schottky热发射机制特征。 2．首次发展了采用分步法沉积制备栅介质薄膜的方法，在沉积条件和薄膜厚度都一致的情况下，薄膜的介电系数、漏电流和等效氧化物厚度等性能均有了一定的提高。通过高分辨透射电子显微镜分析看出薄膜具有两层堆栈结构，薄膜与si衬底之间没有明显的界面层形成，这表明室温下沉积的一层TiδAl1-δOx薄膜可以较好地抑制硅氧化物的形成。 3．不同TiδAl1-δOx薄膜样品的介电系数随着成分比例系数δ的增大而线性增大，相应的EOT则不断减小。当成分比例系数δ值达到0.11时，物理厚度为5 nm的薄膜可以获得低于1 nm的EOT。随着薄膜中TiO2含量的增大，+4价Ti离子向+3价Ti的转变的量相应增多，在+4价Ti离子向+3价Ti的转变的同时，会产生一定数量的氧空位。这样就导致很多的缺陷存在于薄膜内部，使薄膜的电荷密度增大。分析扫描电压为0.01 V和1 V的漏电流值，成分比例系数处于0.18到0.25时可以获得最优的性能。 4．以性能最为优异的TiAl3Ox(成分比例系数δ为0.25)为扩散偶模型，在四个不同的温度下后退火处理，其中在经过500℃处理后，薄膜中Ti和Al元素的扩散系数分别为5.98×10-14 cm2/s和8.56×10-15 cm2/s；经过800℃处理后两种元素的扩散系数为1.71×10-12 cm2/s和3.96×10-13 cm2/s，推测是因为PLD沉积的薄膜中会存在较多氧空位等缺陷，因此会减小原子扩散的势垒，使原子扩散变得相对容易。Ti和Al元素的扩散激活能分别为76.57 kJ/mol和79.38 kJ/mol。 5．采用脉冲激光沉积法获得了非晶态La2Si5Ox薄膜。La2Si5Ox薄膜在800℃快速热处理后仍保持非晶态，经900℃退火后出现立方相La2O3结晶峰。薄膜的介电系数为12.8，介电损耗约为0.05。XPS的测试结果表明界面层是由硅氧化物和金属硅酸盐组成的混合物。在10-4 Pa高真空条件下，衬底温度为400℃沉积获得的薄膜EOT为1.2 nm，平带电压为0.37 V，在1 V栅极电压下漏电流为1.54×10-4 A/cm2。当衬底温度升高到600℃时，薄膜的平带电压为—0.27 V，与在衬底温度400℃时沉积相比，C—V曲线向负向电压的偏移说明随着衬底温度的升高薄膜内部正电荷增大。在衬底温度为400℃和600℃时薄膜内部的电荷分别为2.3×1011/cm2和6.6×1011/cm2，这些电荷的产生主要与薄膜沉积过程中出现的氧空位有关。本文中研究工作的主要贡献和创新点如下： 1．成功地找到了Ti—Al-O体系的最优化制备条件和最佳成分比例，获得等效氧化物厚度小于1 nm，漏电流密度小于100．mA/cm2的优良电学性能，有望成为替代SiO2作为栅介质的材料。 2．首次采用了分步法沉积薄膜，最大程度地抑制了界面层的出现，这对探索新颖的栅介质材料在MOSFET器件中应用，发展新的与半导体工艺兼容的高介电系数材料的制备技术具有重要的意义和参考价值。 3．采用扫描电子显微镜的微区成分分析功能获得了薄膜扩散偶模型在一维空间的元素分布，并利用菲克扩散方程求解得到薄膜内部原子的在不同温度下的扩散系数和扩散激活能。 4．对被认为将来会有很好应用前景的La—Si—O体系进行了初步的探索研究，为今后该体系的研究工作做一些铺垫。