随着大规模集成电路VLSI(Very Large Scale Integrated circuits)技术的迅猛发展，半导体器件的特征尺寸遵循着摩尔定律不断地减小，在进入到45nm工艺节点下，MOS晶体管的栅氧化层的等效厚度降低到了1nm左右，如果仍采用常规的SiO2栅介质，将带来不可接受的栅漏电流，并引起可靠性下降等严重问题，这给集成电路的的进一步发展带来了巨大的阻碍，意味着传统的SiO2作为器件的栅介质已经达到了物理极限。解决这个问题的唯一办法是用具有较高介电常数的电介质材料取代SiO2用作栅介质层。高k栅介质可以在保持等效厚度不变的条件下增加栅介质层的物理厚度，可以大大减小直接隧穿效应和栅介质层承受的电场强度。本文对高k栅介质材料与器件进行了系统地研究，取得的主要研究成果如下:　　1.对ALD生长工艺进行了研究。通过实验得出了生长温度、plusetime、purgetime和氧化剂对使用ALD设备生长高k栅介质材料的影响。结果表明，只有当循环数大于某一数值后，生长速率才基本保持稳定。不同工艺参数和氧化剂对使用ALD设备生长的栅介质材料影响较大，主要体现在杂质含量、高温特性、原子化学计量比和平带电压表现出了较大的差异。在nfO2和SiO2界面采用Al预处理技术进行平带电压调整，进而达到阈值电压调节的目的，实验证明，Al预处理技术可以对高k栅器件的阈值电压进行有效地调节。　　2.通过对椭偏测试结果进行转换和分析，得到了高k介质的禁带宽度。受量子限域效应的影响，介质的禁带宽度与厚度成反比关系，并且随着厚度的增加，禁带宽度趋于稳定;退火后介质的禁带宽度会略微增大。与H2O生长的HfO2相比，O3作为氧源生长的HfO2的禁带宽度要略小，但是生长温度对O3作为氧源生长的HfO2的禁带宽度有较大影响。由于高k栅结构价带差和导带差的重要性，利用XPS谱图，结合价带谱以及椭偏对不同厚度HfO2禁带宽度的测量结果，对不同厚度HfO2的导带差和价带差进行了计算，得到了精确的HfO2-Si体系的能带结构。　　3.采用ALD淀积工艺生长了高k栅介质薄膜，制备了相应的高k栅介质器件，对高k栅器件的I-V漏电机制进行了研究和分析。研究了ALD淀积工艺生长的高k栅MOS器件中的频率色散效应。根据样品的测量结果发现，高频条件下积累区电容出现了频率色散现象。针对双频C-V法测量高k栅MOS电容中制备工艺和测量设备引入的寄生效应，给出了改进的等效电路模型，消除了频率色散效应。　　4.分析了不同退火温度和电应力对HfO2高k栅介质应变Si和应变SiGeMOS器件的特性的影响。对比了同样栅氧层厚度的HfO2Si、HfO2应变Si、应变SiGe以及HfO2MOS器件的栅电流，受氧化层势垒高度和界面态密度的影响，HfO2应变SiMOS器件中的栅漏电流最小，而HfO2应变SiGeMOS器件中的栅漏电流最大。分析了电应力对HfO2应变SiGe和HfO2应变SiMOS器件栅极I-V特性的影响，发现正压应力会使得HfO2应变器件的栅漏电流减小，而负压应力对器件栅极I-V特性影响不大。　　5.通过结合主要的散射机制极化光学声子散射和声学声子散射，经过系综蒙特卡罗，系统地研究了高k栅介质HfO2中电子高场输运机理。研究发现，尽管声学声子散射对能量弛豫没有贡献，但由于在电子能量比较高的时候，声学声子散射率急剧增加，可以极大的增加电子在通过HfO2介质时的运行距离，增加了电子在经过栅介质时候发生光学声子散射的几率，使得HfO2高k栅介质可以在较高的电场下仍然能保持系统能量平衡，增加了栅氧层的击穿电压阈值点，并得到了与实验基本相符的结果。更进一步，结合蒙特卡罗仿真的结果，对能量弛豫长度进行了研究，给出了在不同电场，不同初始能量下的能量弛豫长度。最后，给出了电子穿过HfO2时的平均漂移速度。