以硅基集成电路为核心的微电子工业正遵循着摩尔定律蓬勃发展。国际半导体技术发展规划指出,2015年以后半导体器件将进入22 nm线宽的纳电子器件时代,并将持续缩小特征尺寸。然而器件的沟道尺寸和栅介质厚度等物理尺寸并不能无限缩小。在65 nm线宽工艺制程中,传统栅介质材料Si O2的厚度已经接近原子间距,达到物理极限。受隧穿效应的影响,栅极漏电流开始成为一个不容忽视的问题。采用高k材料代替传统的Si O2则能有效解决上述问题,因为在具有相同等效氧化层厚度的前提下,高k栅介质具有更大的物理厚度来限制隧穿效应的影响,防止漏电流增大和杂质扩散。以Hf O2为代表的铪基高k薄膜因具有相对较高的介电常数、较宽的带隙以及与Si衬底之间较大的导带偏移(1.5 e V),成为目前备受关注、最具应用前景的新型栅介质材料之一。但是,铪基高k材料作为目前MOS工艺中新型栅介质材料应用时,仍具有一定的不足之处,如Hf O2在制备过程中易形成氧空位等本征缺陷、与Si衬底之间易形成界面层以及与金属电极接触会形成费米能级的钉扎等。如何优化铪基高k材料的质量和提高铪基栅介质的性能,成为国内外广泛关注的课题。本文针对铪基高k材料的不足之处,通过优化沉积条件制备了质量较高的复合铪基高k薄膜,并通过热处理和低温等离子体处理改善了薄膜性能,开展了一系列的研究工作。(1)采用三种频率(2 MHz、13.56 MHz、27.12 MHz)的射频源驱动的磁控溅射技术制备Hf O2薄膜,研究工艺条件对薄膜结构和性能的影响。结果表明,13.56MHz射频源驱动的磁控溅射技术具有较高的薄膜沉积速率,制备的薄膜表面平整均匀,是比较适合的高k材料的制备方式。Hf O2薄膜表面的润湿性可以通过溅射频率和溅射功率进行调制。采用27.12MHz射频源驱动的磁控溅射技术在功率为180W条件下制备的Hf O2薄膜表面水接触角达到91.5o,表现为疏水表面。射频放电等离子体的离子能量影响所制备Hf O2薄膜的光学性能。(2)溅射制备的Hf O2薄膜在高频准静态正反向C-V测量中表现出较大的电滞回线。随着测试频率的改变,C-V曲线呈现严重的频散效应。这些结果表明制备的Hf O2薄膜的电学性能有待提高。双频容性耦合等离子体(DF-CCP)的等离子体密度和离子能量可以分别通过高频和低频功率调控。采用C4F8 DF-CCP对Hf O2薄膜表面进行改性处理以提高薄膜的电学性能。F原子在等离子体处理过程中被引入Hf O2薄膜中。通过优化高频功率并结合热退火后处理工艺,获得稳定的四方相结构;通过优化低频功率可以抑制表面CF层的生长。F的引入钝化了薄膜缺陷,Hf-F键的形成降低了界面态密度,因此薄膜的电学性能得到了极大地提高。为了抑制CF沉积,在放电源气体中添加O2,结果表明薄膜k值增加,电学性能进一步提高。(3)为了在Si衬底上制备高质量的铪基高k薄膜,采用N2 DF-CCP等离子体对Si基片进行预处理。结果表明等离子体基片预处理,有效地减少了退火过程中Si元素的扩散,抑制了界面Hf Si O的形成,提高了界面质量。稀土元素Gd被掺入Hf O2薄膜中以制备复合铪基高k材料。与Hf O2相比,Hf Gd O薄膜具有高的k值,这是因为Gd元素的引入使得薄膜在退火后呈现稳定的立方相结构。在等离子体预处理的基片上沉积的Hf Gd O薄膜具有最高的介电常数和最小的回滞电压偏移,呈现优良的电学性能。(4)为了实现复合薄膜中掺杂元素含量的精确调控,尝试双射频源驱动的磁控溅射技术制备复合Hf Er O薄膜。结果表明,采用13.56MHz/27.12MHz双频溅射制备Hf Er O薄膜时,薄膜厚度和Er元素的掺杂量随27.12MHz射频源功率呈现线性增加趋势。通过功率优化,可以制备具有较高的折射率和较宽禁带的Hf Er O薄膜。而采用13.56MHz/2MHz双频溅射时,由于放电等离子体中形成高能量离子,薄膜生长在离子轰击作用下被抑制。因此,采用双频驱动的磁控溅射技术制备复合高k材料时,射频源频率组合的选择仍需要综合考虑。(5)实验工作表明F掺杂Hf O2有效地钝化了薄膜缺陷,提高了薄膜电学性能,然而F钝化氧空位的内在机理仍需进一步研究。我们从第一性原理出发,应用成熟的材料模块CASTEP,讨论氧空位存在和F钝化氧空位对单斜相Hf O2态密度的影响。结果表明,氧空位会在Hf O2的禁带中引入间隙态。F原子填补氧空位后,F原子的2P轨道和Hf原子的5d轨道杂化,把间隙态推到了Hf O2的导带上,从而完全钝化了氧空位。