随着微电子技术向深纳米尺度迈进,场效应晶体管器件的特征尺寸—栅极长度在不断缩小,栅极氧化物介质层的厚度也相应减小,由此带来了栅极漏电流急剧增大以及氧化层介质击穿的问题,成为半导体器件尺寸进一步缩小的技术瓶颈。为了突破这一难题,研究人员正在研究高k栅介质材料。HfO₂和Al₂O₃等高k栅介质材料具有更高的介电常数以及优异的电学性质,可以增加晶体管驱动电流和晶体管开关速度。在金属氧化物晶体管器件向更小尺寸迈进的技术节点,预计HfO₂和Al₂O₃等高k材料将替代SiO₂、SiO_xN_y和Si₃N₄等传统材料成为更合适在半导体行业应用和发展的栅极氧化物介质。目前大多数报导研究了高k栅介质纳米薄膜的电学、光学等物理性能,但是针对其力学性能特别是在50 nm尺度以下的超薄薄膜的力学性能研究较为缺乏。在场效应晶体管如此高精度的纳米器件中,栅介质薄膜在工作时受到外界的作用力可能造成各类信号的传输畸变,促使薄膜产生一定程度的变形以及破裂,进一步影响器件的其他物理性能,因此准确表征薄膜的力学性能十分必要,其结果对高k栅介质材料的使用有着非常重大的指导性意义。本文利用纳米压痕技术方法分别对原子层沉积技术（ALD）制备的Al₂O₃以及HfO₂两种超薄薄膜进行高精度力学测试,结合薄膜的表面形貌和微观结构,以弹性模量为主要研究对象对其力学性能进行了表征与分析。其主要研究内容和成果如下:1.使用原子层沉积技术（ALD）在硅基底上制备出厚度为20⁶0 nm的五组Al₂O₃薄膜,利用三维光学显微镜和透射电子显微镜分别对其进行了表面粗糙度和微观形貌的分析;采用自主研发的扫描电子显微镜/扫描探针显微镜（SEM/SPM）联合测试系统对样品薄膜进行了原位纳米压痕实验,基于Hertz弹性接触理论对其弹性模量进行分析,利用J.Hay模型消除基底对测量结果的影响,并对模型中由于压头不同形状产生的误差进行了修正,最终计算出薄膜的实际弹性模量值。实验结果表明:ALD制备的Al₂O₃薄膜为非晶态,表面粗糙度不随厚度的增大而增大。薄膜弹性模量值没有表现出明显的小尺寸效应,去基底效应后得到的弹性模量值为175±10 GPa。观察同一压入比（压入深度h∕膜厚t=0.75）条件下去除基底效应前后的测量结果,整体趋势为薄膜厚度越小基底效应越明显。2.使用原子层沉积技术分别在200℃、250℃、300℃温度环境下在硅基底上沉积厚度为20 nm的HfO₂薄膜,在布鲁克公司的3D光学显微镜下观察三组样品的表面形貌,使用Titan G2球差矫正分析透射电子显微镜mapping模式观察HfO₂镀层的元素分布。最后利用AFM的Peakforce模式以及SEM/SPM联合测试系统两种设备分别对三组样品薄膜进行压痕测试,利用赫兹接触理论以及改进的去基底效应模型求得其弹性模量值,并进行对比分析。实验结果表明:实验发现三组不同沉积温度下生长的HfO₂薄膜弹性模量值没有明显的递增递减趋势,两种实验方法得出的数值结果都较为稳定,结合微观组织形貌观察发现本实验在300℃沉积温度以下范围内生长的HfO₂物质均为非晶态,样品表面粗糙度无明显变化趋势。Bruker AFM和SEM/SPM联合测试系统求得的弹性模量值分别为152±14、203±12 GPa,且后者去基底效应处理后的计算结果增大更为明显,更接近已有研究结果的参考值。