随着芯片的不断微型化,集成度不断提高,互补型金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOSFET）器件已经发展到纳米级,其发展规律一直遵循着集成电路摩尔定律。传统的栅介质SiO₂层厚度被不断降低到原子级,量子隧穿效应增强,导致漏电流呈指数增加,器件已不能正常工作。采用新型高介电常数（high-k）材料替代传统SiO₂成为一种必然。High-k材料的引入可增加栅介质薄膜的物理厚度,同时在保证电路性能不断提升的前提下降低栅漏电流。众多的high-k材料中,以HfO₂为代表的铪基高k栅电介质材料因其较高的介电常数、较宽的带隙、优良的界面和电学特性,近几十年来广受关注,特别是稀土元素掺杂的铪基栅介质（如HfLaO_x,HfDyO_x,HfGdO_x,HfYbO_x）更能弥补单一HfO₂存在的一些缺陷,提高器件性能。然而铪基栅介质材料的引入导致载流子迁移率降低和低k界面层生成等问题,所以选用新型高迁移率半导体材料（如Ge和III-V族化合物）替代Si成为优化电路性能的又一必要手段。在综合了铪基高k栅介质与新型沟道材料的研究中,引入界面层结构能够抑制因栅介质和沟道层之间的晶格匹配问题导致的界面质量下降,从而进一步提升器件性能。本论文选用稀土元素Dy掺杂HfO₂（HfDyO_x）为high-k栅介质研究对象,研究了掺杂浓度及退火温度对器件界面和电学特性的影响;通过在Si衬底上原子层沉积（Atomic layered Position,ALD）界面层优化器件结构;通过构建新型堆栈栅介质探究其对Ge-MOS器件界面质量和电学性能的影响。具体的研究内容和结果如下:（1）系统研究了退火温度对溅射构筑的Dy₂O₃/Si MOS电容器的微结构、界面化学及电学性能的影响。结果表明:退火后的Dy₂O₃薄膜呈立方相晶体结构,并且随着退火温度的升高,薄膜的结晶度不断提高且薄膜致密度增强。退火温度为600℃的薄膜中Dy-O含量增加且硅酸盐含量最低器件界面质量最佳,而700℃退火的Dy₂O₃薄膜硅酸盐含量突增导致界面质量降低。电学分析测试发现600℃退火的MOS器件具有最小的等效氧化层厚度（EOT）、最大的k值和最小的漏电流密度等优化电学特性。所有的测试表明:合适的的退火温度即能促进薄膜中氧的自扩散又不至于增加界面间的相互扩散,从而能优化器件界面、增强器件性能。（2）系统研究了ALD HfO₂,Al₂O₃不同钝化层对HfDyO_x/Si MOS电容的界面化学和电学特性的影响。实验结果表明:相比ALD Al₂O₃,ALD HfO₂钝化层更能有效抑制HfDyO_x/Si界面间扩散,提高导带偏移值,降低漏电流。未经钝化层处理的器件C-V电容特性差,钝化层处理后的器件优化,表现出更小的平带电压和迟滞。漏流传导机制分析表明,低场下由肖特基发射主导,中高场则由P-F发射和F-N隧穿起作用。由于肖特基发射、P-F发射与环境温度有关,则低温下主要是F-N隧穿起作用。分析结果均表明HfO₂钝化层能有效调控HfDyO_x/Si界面,提高器件性能减低功耗,是促进Hf基栅介质投入生产和应用的有效方法。（3）系统探究了掺杂浓度和退火温度对TMA钝化的HfDyO_x/Ge堆栈结构界面及电学性能的影响。实验结果表明:HfDyO_x栅介质薄膜结晶度随Dy掺杂浓度的提高持续下降,随退火温度的升高不断上升。10 W的溅射功率,HfDyO_x/Ge器件界面不稳定低价Ge氧化物含量最低;15 W的溅射功率,HfDyO_x/Ge界面锗酸盐含量的显著增加且锗单质含量的减少;表明过高的掺杂浓度会促进HfDyO_x/Ge界面间相互扩散和Ge的再扩散。退火分析表明:未退火处理的HfDyO_x栅介质薄膜（10 W）具有最佳的电容特性和最小的漏流密度;高温虽在一定程度上增加了薄膜致密度,但同时也促进了界面间的氧扩散导致大量不稳定氧化物生成,从而降低了器件界面质量和电学性能。（4）基于ALD技术沉积了HfO₂,Al₂O₃堆栈栅介质,探究了不同沉积次序对Ge-MOS界面质量及电学特性的影响。实验结果表明:相比于HfO₂/Al₂O₃/Ge双层结构,三层结构的栅介质引入了大量氧空位和陷阱电荷导致界面及电学性能下降。HfO₂/Al₂O₃/Ge堆栈结构器件性能最佳,主要是由于ALD Al₂O₃在Ge基底表面,沉积过程中发生Al替代Ge与O结合,消耗衬底本征氧化物;另一方面由于Al₂O₃高的热稳定性会阻碍Al₂O₃/Ge界面间的相互扩散,优化了界面,提高了器件性能。