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在互补型金属—氧化物—半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，CMOS)器件中，铁电薄膜材料及高介电(high-k)薄膜材料的应用得到了广泛的研究。在集成铁电存储器中，具有优异的抗疲劳性能的存储材料SiBi2Ta2O9(SBT)铁电薄膜倍受关注，在各种铁电材料中，它是最有希望应用的材料之一。由于在SBT铁电电容器和CMOS器件集成的生产过程中，一般要经过一道氮氢混合气氛(FormingGas，95％N2+5％H2)退火的工艺处理，这种处理会导致SBT薄膜的铁电性能的退化，这是SBT薄膜在器件应用中要研究解决的一个重要问题。另外随着半导体器件集成度的提高，传统的栅极电介质材料SiO2已经无法克服由于MOS器件特征尺度缩小带来的量子隧穿效应的影响，这就需要采用新的栅介质材料，具有高介电常数的LaAlO3则是一种理想的替代材料。本文围绕这两种材料展开了研究工作，首先系统研究了氮氢混合气氛退火对SBT薄膜的结构、电学性能的影响，其次用磁控溅射方法制备了LaAlO3薄膜，并对其结构、电学性能进行了研究。主要的研究结果如下：
A.关于SiBi2Ta2O9铁电薄膜的研究
用金属有机物分解法(metalorganicdecomposition，MOD)方法在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备了SBT薄膜，首次系统地研究了氮氢混合气氛(FG)退火的时间、温度对SBT薄膜结构、电学性能的影响，确定了FG气氛中H2和N2各自所起的作用，证实了H2是造成SBT薄膜铁电性能退化的唯一原因。X射线衍射(XRD)的研究表明FG气氛退火并不影响SBT薄膜内部的晶格结构，薄膜仍然呈现多晶钙钛矿结构。通过表面形貌和能量色散谱(EDS)的分析首次发现当氮氢混合气氛退火温度达到450℃以上时，在SBT薄膜的表面会出现金属Bi的柱状结构或线状结构。首次发现对于特定厚度的SBT薄膜退火处理存在临界的退火时间和击穿时间：在临界退火时间以内，尽管SBT薄膜的剩余极化强度Pr会下降约50％，但是仍然可以测出电滞回线；如果退火超过临界时间，SBT薄膜的铁电性能就会完全消失；当达到了击穿时间时，SBT薄膜就会在电滞回线的测量中被击穿。研究了SBT薄膜在氧气氛中退火铁电性能的恢复行为，发现在居里温度(～300℃)附近退火处理的SBT薄膜的铁电性能难以恢复。对薄膜铁电性能的退化提出了一个解释模型。首次研究了氮氢混合气氛退火处理对SBT薄膜疲劳特性的影响，结果显示即使SBT薄膜的铁电性能有严重的退化，但仍然保持了良好的疲劳特性。解释了漏电流造成P*r增大和反转极化造成P*r减小之间存在的竞争是SBT无疲劳的原因。H2会造成SBT薄膜漏电流的增加，形成更多的弱的畴壁钉扎中心并在疲劳特性变化中扮演了重要的角色。
B.LaAlO3高介电薄膜用射频磁控溅射方法
在p型(100)取向的Si衬底上制备了LaAlO3薄膜。XRD表明即使经历了900℃的退火处理后，薄膜仍然是非晶态的，具有良好的非结晶性能。X射线光电子能谱(XPS)和EDS的分析表明LaAlO3薄膜中La和Al的原子比为1：1.16。LaAlO3薄膜的介电常数估计在22-27之间。10nm厚的LaAlO3薄膜的等效氧化物厚度kq(EOT)为2.33nm，在外加偏压±1V处的漏电流密度分别为3.73mA/cm2和5.32×10-4mA/cm2，两者相差四个数量级表明薄膜具有良好的单向导电性能，平带电压处界面态密度Dit的值约为1.03×1013eV-1cm-2。TEM分析表明LaAlO3薄膜在氧气氛中经过30min，650℃的退火处理后会在LaAlO3和Si衬底间形成厚度为3nm的界面层。