自摩尔定律提出以来,半导体行业在过去几十年里一直遵循摩尔定律稳步发展。到器件特征尺寸发展至45 nm技术节点时,传统的SiO₂介质层已减薄到几个原子层厚度,由于直接隧穿效应导致的栅极泄漏电流已经增大到无法接受的程度,导致集成电路工作时极大的静态功耗,带来非常严重的可靠性问题。在这种情况下,需要在集成电路工艺中引入介电常数高于SiO₂的绝缘栅介质材料,以保证栅氧化层在等效氧化层厚度满足等比例缩小要求的前提下获得足够的物理厚度,减小栅极泄漏电流和静态功耗。在众多可用于栅氧化层应用的高k介质材料中,La基高介电常数薄膜具有较大的介电常数值、较大的禁带宽度和与Si或Ge衬底合适的能带失配,被认为是最有希望应用于集成电路的下一代高k介质材料之一。后摩尔时代,集成电路技术的发展越来越倾向于应用驱动。对于应用于不同领域和方向的微电子器件,工业界对其性能提升的要求已不再是简单的提高芯片集成度和大面积化。近年来,阻变存储器（RRAM）由于具有结构简单、存储密度高、读写速度快、耐擦写性能好等优点,正在成为下一代非易失性存储器的备选方案之一。通过改变金属-绝缘层-金属（Metal-Insulator-Metal,MIM）结构的施加电压,与大多数高k金属氧化物类似,La基高k介质材料也可以表现出电阻开关特性。本文研究了原子层淀积的La基高介电常数薄膜作为MOSFET器件栅介质和RRAM器件阻变功能层应用时的物理、化学和电学性能,主要研究内容和研究成果如下:1.分别以O₃和H₂O作为氧化剂,采用原子层淀积方法在p型Si衬底和n型Ge衬底上淀积了非晶态的La_xAl_yO薄膜。X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS）测试结果表明,相比于H₂O作为氧化剂的样品,在采用O₃作为氧化剂淀积的La_xAl_yO薄膜与Ge衬底界面处形成了更厚的界面层（主要由LaGeO_x和GeO_x构成）,导致其与Ge衬底之间的导带失配（CBO）值更小,La_xAl_yO薄膜与Ge衬底的势垒更低,使La_xAl_yO薄膜与Ge衬底的界面特性变差。因此,采用O₃作为氧化剂淀积的La_xAl_yO薄膜栅极泄漏电流密度增大了一个数量级以上。结合以上研究结果,可以认为相比于O₃,H₂O更适合作为在Ge衬底上原子层淀积La_xAl_yO薄膜的氧化剂。然而,在Si衬底之上,得益于SiO₂/Si界面的良好性能,采用O₃作为氧化剂淀积的La_xAl_yO薄膜与Si衬底之间具有更大的导带和价带失配值,使O₃淀积的La_xAl_yO薄膜栅极泄漏电流更小。2.分析了薄膜淀积后退火过程中退火氛围对原子层淀积的La_xAl_yO薄膜物理和电学特性的影响。在淀积La_xAl_yO薄膜之后,分别在N₂和O₂氛围600°C下对薄膜进行60 s的快速热退火处理。XPS测试结果表明,退火处理促进了主要由LaGeO_x和GeO_x构成的界面层生成。在O₂退火氛围中,富氧环境抑制了GeO₂向GeO的解析反应,将Ge不完全氧化物氧化为GeO₂,进一步改善了界面质量。LaGeO_x和GeO_x的介电常数值远小于La_xAl_yO,导致退火处理之后La_xAl_yO薄膜的k值变小。未经退火处理的La_xAl_yO薄膜中存在的正净氧化层电荷使ALD淀积的La_xAl_yO薄膜电容-电压（C-V）曲线平带电压(V_FB)负向漂移。退火处理之后,得益于薄膜中及其与衬底界面附近陷阱的减少,Al/La_xAl_yO/Ge MIS电容结构的C-V特性曲线V_FB正向漂移,且电流-电压（J-V）曲线的栅极泄漏电流特性和击穿特性均得到改善。相比于未经过退火处理的样品,O₂氛围退火处理之后La_xAl_yO薄膜的栅极泄漏电流密度减少了接近一个数量级。3.研究了原子层淀积的La₂O₃界面钝化层的引入对Ge基金属-绝缘体-半导体（MIS）结构界面性能的影响。通过研究结果我们发现,在Al₂O₃介质层和Ge衬底之间插入的La₂O₃钝化层会在界面处形成热力学稳定性良好的LaGeO_x成分,可以有效抑制GeO₂向GeO的解析反应。由于GeO易挥发,挥发之后会在界面处引入缺陷和悬挂键等陷阱。因此,La₂O₃钝化层与外扩散的Ge原子反应形成的LaGeO_x成分对GeO解析的抑制有助于减少栅氧化层中的氧化层陷阱电荷及其与Ge衬底界面处的界面陷阱电荷。得益于此,双向扫描C-V曲线的滞回特性和多频C-V曲线的弱反型区频散特性明显减弱。此外,在引入La₂O₃钝化层后,栅极泄漏电流密度降低了一个数量级以上,并且获得了更高的击穿场强。4.系统研究了La₂O₃界面钝化层的厚度对高k栅介质与Ge衬底界面特性的影响。在很薄的范围内（0¹5个ALD循环,厚度约为0¹.3 nm）,随着La₂O₃界面钝化层厚度的增加,HfO₂/La₂O₃/Ge结构的表面粗糙度降低,表明所淀积HfO₂/La₂O₃叠层结构的平整性得到改善。界面透射电镜（TEM）扫描结果显示HfO₂/Ge结构与HfO₂/1.3 nm La₂O₃/Ge结构中的HfO₂薄膜在经过600°C退火处理之后表现出不同的结晶行为,表明15个ALD循环的La₂O₃钝化层可以有效地抑制Ge原子向栅介质层的扩散。Al/HfO₂/La₂O₃/Ge MIS电容结构的C-V特性曲线表明,La₂O₃界面钝化层的厚度变化会对MIS电容结构V_FB的漂移、双扫C-V曲线的滞回行为和C-V曲线的形状产生影响。随着La₂O₃界面钝化层厚度增大,HfO₂/La₂O₃堆栈栅介质的k值持续增大。然而,C-V曲线弱反型区的异常驼峰现象及电导法和单频近似法提取的界面态密度(D_it)值变化趋势均表明5个ALD循环的La₂O₃界面钝化层在界面处引入了更多的缺陷,不利于界面性能的改善。随着La₂O₃界面钝化层的ALD循环数继续增大,LaGeO_x成分对器件界面性能的改善逐渐起主导作用,使Ge基MIS电容器件的C-V特性、栅极泄漏电流特性和击穿特性得到了显著改善。5.以ALD生长的Al₂O₃/La₂O₃/Al₂O₃叠层结构作为阻变功能层,设计了电阻随机存取存储（RRAM）器件。之后研究了Al⁺注入对RRAM器件电阻开关性能的影响。与未经过Al⁺注入的对照样品相比,注入了Al⁺的RRAM器件无需初始化过程,阻变阈值电压分布更为集中,且高低阻态电阻比更大。除此之外,注入Al⁺器件的电阻开关稳定性和一致性也得到了提高。推测注入Al⁺的RRAM器件性能得到改善的主要原因是注入的Al⁺规范了电阻转变过程中Al₂O₃/La₂O₃/Al₂O₃叠层结构中导电细丝形成和断裂的随机性。