随着集成电路的发展，摩尔定律一直驱动着集成电路的基本单元，即金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的等比例缩小。在等比例缩小中，我们必须把栅氧化层的厚度减小为原来的1／k，这使得栅极氧化层的物理厚度走向了极限。当栅氧化层厚度无法再减小时，为了提升栅电容的数值，唯一的方法就是提高介质的相对介电常数。这就要求我们舍弃50年来一直在使用的SiO₂栅氧化层，转而使用相对介电常数更加高的材料，即高介电常数（High-k）介质。针对目前高k栅介质在实际研究中碰到的问题，本文对先进CMOS器件的高k栅介质开展了系统的实验和理论研究。一方面，用原子层淀积（atomic layer deposition）和分子束外延（Molecular beam epitaxy）方法制备了高性能的Al2O₃、HfO₂、Hf_xAl_yO_z、单晶Od₂O₃和单晶Nd₂O₃高k栅介质介质，系统研究了他们的材料结构、工艺优化以及电学性能；另一方面，通过第一性原理方法，系统研究了Hf基High-k介质本征点缺陷以及杂质点缺陷对高k栅介质材料和电学性能的影响。本文结果对先进CMOS器件中高k栅介质的应用具有重要的学术价值和指导意义。本文首先用分子束外延的方法在Si（100）上外延了高质量的单晶Gd₂O₃和Nd₂O-3高k介质。采用W金属栅和Pt金属栅，通过Forming Gas退火以及的“GateLast”Forming Gas工艺，我们成功地钝化了在单晶高介电常数介质和Si衬底之间存在的界面态，大大地降低了栅极漏电流和界面态密度。经过工艺优化的单晶Gd₂O₃高k栅介质具有很好的电学性能：（1）获得的Gd₂O₃的介电常数为21．5；（2）制备的单晶Gd₂O-3表现出了极好的绝缘性能，其室温漏电流为5．69×10^-6A／cm²（EOT=1．4 nm），远低于国际半导体技术蓝图对2010年低功耗晶体管栅极漏电流的要求；（3）Gd₂O₃／Si（100）结构的C-V滞回电压可以降低到10 mV以内，界面态密度降到在10¹¹cm^-2eV^-1量级；研究了单晶Nd₂O₃栅介质／Si的近界面氧化层缺陷（NIOT）。利用低频C-V特性曲线，通过电学方法提取了NIOT。研究发现Nd₂O₃／Si（111）结构NIOT的密度为3．75×10¹²cm^-2，并利用G-f法对近界面氧化层缺陷的测量进行了验证；采用先进的原子层淀积工艺制备了Al₂O₃、HfO₂和HfAlO_3．5高k栅介质，优化了其生长工艺。在Si（100）衬底上制备了HfAlO_3．5高k栅介质，研究了1 kHz到100 kHz HfAlO_3．5高k栅介质的频率耗散特性。发现由于寄生电阻的关系，随着频率的上升，其MOS电容密度从0．73μF／cm²下降到0．71μF／cm²。在-0．5 V附近的C-V特性曲线存在扭结，表明有一定密度的慢界面态存在。在100 kHz下测定了A1／HfAlO_3．5／Si（100）MOS结构电容的高频C-V特性曲线，然后用Terman方法获得了Si禁带中央附近的界面态密度为5×10¹¹cm^-2eV^-1到1×10¹²cm^-2eV^-1之间，并用Hill-Coleman测量方法进行了验证。为了在GaAs衬底上原子层淀积高质量的A1₂O₃高k栅介质，提出了一种新的GaAs表面钝化方法，有效地抑制了GaAs衬底上原子层淀积Al₂O₃的过程中发生的氧化反应。即首先对GaAs表面硫化，然后把硫化的GaAs在500℃下的NH₃氛围下热处理5分钟。结果得到了稳定的氮化的表面，抑制了原子层淀积生长过程中氧化物前驱体对GaAs表面的氧化，同时也去除了对MOS器件电学性能产生严重影响的GaAs表面的单质As，极大地提升了Al／Al₂O₃／GaAs结构的积累电容密度。研究了氧空位对Hf基栅介质原子结构和能带结构的影响。从能带结构发现，氧空位在HfO₂的禁带中央引入了带隙态，成为Trap-Assisted Tunneling或者Poole-Frenkel Tunneling等导电机制中的缺陷能级。分析表明，F离子进入氧空位以后，取代了原来氧离子的作用，通过F离子的2p轨道和Hf离子的5d轨道的p-d interaction造成轨道杂化，由于氟原子的电负性大于氧原子，把原来的Hf5d轨道上的带隙态推到了二氧化铪的导带以上，从来完全钝化了二氧化铪中的氧空位。从理论上解释了实验中发现的F离子对HfO₂氧空位的钝化能力。研究发现F离子在HfO₂和HfSiO₄介质中存在不同的钝化作用机理。在HfSiO₄中，由于Si和Hf的电正性的差异，在氧空位中的F接受来自于Hf的电子，而把来自于Si 2p轨道的电子推回到Si的2p轨道中，造成了具有7个核外电子的Si离子。这个Si离子的存在，造成了F离子对HfSiO₄的氧空位不具有钝化作用。分析比较了F离子和N离子对HfSiO₄／Si结构在栅电压作用下氧空位的钝化效果。研究发现，在漏电流方面，HfSiO₄基MOS结构中F离子对氧空位的钝化优于N离子对氧空位的钝化。但是，当栅极电压变化时，F离子在氧空位中会引起其附近Si离子的充放电。这是通常意义上我们所说的慢界面态，而N则仅仅是负的固定电荷。由于界面态对器件性能退化的作用远大于固定电荷的影响，因此，N离子对HfSiO₄氧空位的钝化作用要优于F离子。用第一性原理系统研究了Cl、Ge和B杂质对铪基高k栅介质性能的影响，对观测到的实验现象进行了很好的理论解释。原子层淀积工艺带来的Cl残留杂质对HfO₂高k栅介质电学特性将产生影响。分析表明，替代位的Cl残留杂质在MOS结构中是一个可充放电的缺陷，会造成MOS结构滞回电压的增大；间隙位的Cl残留扎在在MOS结构中是负的固定电荷，会造成MOS结构平带电压的正偏。Cl残留杂质对HfSiO₄高k栅介质电学性能的影响，与其在HfO₂的作用相类似。Ge原子从衬底中扩散进入HfO₂介质，可形成3种缺陷，即V₃Ge、V₄Ge和Ge间隙缺陷。在HfO₂／TiN金属栅结构的费密能级体系下，由于Ge缺陷在各个情况下基本都带负电，Ge缺陷在HfO₂／Ge界面总体表现为负的固定电荷，导致MOS结构的平带电压正向漂移。硼在HfO₂高k栅介质中以2种状态存在，即间隙B缺陷和V₃B缺陷。对于+1价的间隙B缺陷来说，其在HfO₂的带隙中引入了两个带隙态，分别为相对于价带顶2．53 eV和相对于导带底0．26 eV。在pMOSFET工作条件下，空穴经衬底价带注入到HfO₂的价带中，因此，后一个带隙态不会造成太大的影响。但是，第一个带隙态在Si的价带和HfO₂的价带之间，在一定浓度的间隙B缺陷的存在下，电子可以沿着这个能级从衬底流向栅极，即产生Trap-Assisted Tunneling。因此会对MOS结构的栅极漏电流造成大的影响。首次在理论上给出了高k栅介质中B杂质对pMOSFET阈值电压不稳定性影响的完整解释。扩散到HfO₂介质中的硼在pMOSFET的工作条件下，永远是带正电的，因此把体系的阈值电压往负方向漂移，增大了整个器件的开启电压。同时，当pMOSFET不工作的时候，由于衬底在没有栅电压时，电子是多子，这些硼缺陷又会释放掉正电荷，又使器件的开启电压有一定的下降。