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利用高k介电薄膜材料替代传统的SiO2栅介质层是满足发展亚0.1μm以下尺寸的超大规模集成电路的要求,是目前微电子领域的研究热点之一。ZrO2薄膜因其具有合适的介电常数、较大的禁带宽度及与Si的导带和价带存在较大的偏置,被认为是最有希望的替代SiO2的高k介电材料之一。为了满足超大规模集成电路对栅介质层的苛刻要求,尚需要改善非晶ZrO2薄膜的热学稳定性、薄膜与Si基体之间的界面热学稳定性以及表面粗糙度、薄膜均匀性等众多问题。 本论文利用反应射频磁控溅射薄膜制备技术,围绕“高k-ZrO2基薄膜生长行为及其稳定性研究”这一课题,利用原子力显微镜、透射电子显微镜、变角光谱椭偏仪、透射光谱仪、电子能量色散谱和C-V、I-V测量系统等分析技术和表征方法,系统研究了沉积参数、退火处理对高k-ZrO2基薄膜的表面形貌、微观结构、界面状态以及电学性能的影响,取得的主要研究结果如下: 1.氧分压对ZrO2薄膜生长行为影响的研究结果表明:随着氧分压的增加,ZrO2薄膜微结构演化过程是a-ZrO2（非晶）→a-ZrO2+少量m-ZrO2（单斜）→m-ZrO2+t-ZrO2（四方）→m-ZrO2。氧分压增加所引起的Zr沉积速率的下降是导致薄膜相结构转变的重要原因。氧分压对ZrO2薄膜与基体的界面厚度的影响存在一个临界值。当氧分压小于临界值时,膜基界面厚度不受氧分压变化的影响;当氧分压大于临界值时,膜基界面厚度随氧分压的增加而增加;氧分压对膜基界面的影响机制与薄膜的结晶状态有关。物理特性分析表明:薄膜的结晶状态影响着ZrO2薄膜的介电性能。在氧分压为15%时,获得了综合性能良好的非晶态ZrO2介电薄膜,薄膜的相对介电常数达25、薄膜具有较大的禁带宽度、较低的漏电流、表面平整、良好的界面稳定性。低氧分压下沉积的ZrO2薄膜的主要漏电流输运机制为Schottky发射。 2.沉积温度对ZrO2薄膜生长行为影响的研究结果表明:沉积温度低于250℃时,ZrO2薄膜的结构完全呈非晶态,但250℃沉积的薄膜的致密度比较高;随着沉积温度升高至450℃,薄膜出现了明显的结晶现象,主要为单斜ZrO2相,在晶粒堆砌间隙有非晶ZrO2相存在;沉积温度为550℃时,ZrO2薄膜完全晶化,主要为单斜ZrO2相,在晶粒堆砌间隙有四方ZrO2相存在。在室温至550℃的沉积温度范围内,ZrO2薄膜的生长机制有所不同;室温下,以无表面扩散和近邻原子取向择优生长为主;