本论文研究高k栅介质/金属栅结构CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的平带电压(VFB)偏移的物理起源。　　 首先，本论文基于传统模型研究高k栅介质/金属栅结构CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的VFB。这个传统模型基于poly-Si/SiO2/Si栅结构的VFB表达式的简单线性延伸。本论文定量求解了金属栅极/高k栅介质界面的费米能级钉扎(FLP, Fermi Level Pinning)和高k栅介质/SiO2界面的电学偶极子的量值。基于界面态模型和电荷中性能级概念，TiN/HfO2界面的费米能级钉扎求得为0 V; HfO2/SiO2界面的电学偶极子通过实验求得为+0.33 V。介质接触诱导界面态（DCIGS，Dielectric Contact Induced Gap States）和电荷中性能级概念(CNL，Charge Neutrality Level)首次被用来解释HfO2/SiO2界面的电学偶极子的物理起源。由于HfO2和SiO2介质的电荷中性能级的不同，导致电子在HfO2和SiO2之间转移，进而在HfO2/SiO2界面产生电势降，即电学偶极子。基于此模型的理论预测和实验结果是一致的。　　 其次，本论文基于新建模型研究高k栅介质/金属栅结构CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的VFB。此新建模型基于整个栅结构的能带对准，即CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的VFB的研究是基于同时考虑金属栅极/高k栅介质、高k栅介质/SiO2和SiO2/Si界面的能带对准和它们之间的相互影响。之所以建立这个新模型，是基于以下研究:　　 1.本论文利用X射线光电子谱(XPS，X-ray Photoelectron Spectroscopy)和X射线俄歇光电子谱(XAES，X-ray Auger Electron Spectroscopy)研究SiO2和Si衬底的芯能级(Core Level)的能量差对于SiO2厚度的依赖现象。实验发现SiO2和Si衬底间的能级差随着SiO2厚度的增大而减小。本文提出基于表面态(SGS，Surface Gap States)和电荷中性能级的理论模型来解释这种厚度依赖现象。由于SiO2的表面态的电荷中性能级低于Si衬底的费米能级，SiO2和Si衬底接触达到热力学平衡后，电子从Si衬底流向SiO2的表面态。随着SiO2厚度的增大，越少的电子从Si流向SiO2，导致SiO2薄膜中更大的电压降以及SiO2和Si衬底的能级差随着SiO2厚度增大而减小。　　 2.本论文利用XPS实验研究HfO2/SiO2/Si结构的能带结构。实验发现， HfO2/SiO2/Si结构的能带结构随着有无HfO2以及HfO2的物理厚度的不同而不同。本文引入基于表面态和电荷中性能级的理论模型来解释以上实验结果。由于HfO2的电荷中性能级低于SiO2/Si结构的电荷中性能级，电子从SiO2/Si流向HfO2，导致了SiO2/Si的能带向上弯曲。本文证实了基于表面态和电荷中性能级的理论模型可以用于研究绝缘介质氧化物/半导体界面和绝缘介质氧化物/绝缘介质氧化物界面的能带对准。　　 3.本论文利用XPS实验研究金属栅极/HfO2/SiO2/Si结构的能带对准，基于带隙态和电荷中性能级概念的理论模型被引入来理论解释金属栅极/HfO2/SiO2/Si结构的能带对准。金属栅极、HfO2、SiO2和Si衬底之间的接触，即金属栅极/HfO2、HfO2/SiO2和SiO2/Si界面的能带对准全部遵循基于带隙态和电荷中性能级概念的理论模型，这些进一步证实了基于带隙态和电荷中性能级概念的理论模型对以下界面的能带对准的可适性:金属/半导体界面、金属/绝缘介质氧化物界面、半导体/半导体界面、绝缘介质氧化物/半导体界面以及绝缘介质氧化物/绝缘介质氧化物界面。　　 4.本论文利用XPS技术研究TiN/HfO2/SiO2/Si结构的TiN/HfO2界面的能带对准，这里求解出了不同厚度的HfO2情况下的Schottky势垒高度(SBH，Schottky Barrier Height)，结果显示:TiN/HfO2/SiO2/Si结构的TiN/HfO2界面的p型SBH随着HfO2高k栅介质的厚度的增加而增加，而不是保持不变。传统模型即仅仅考虑TiN/HfO2界面的能带对准无法解释此实验现象。界面态模型被引入用来解释TiN/HfO2/SiO2/Si结构的整体能带平衡，TiN/HfO2界面的p型SBH对HfO2高k栅介质厚度的依赖归结于HfO2高k栅介质内部的体电荷、HfO2/SiO2界面态、以及Si衬底空间电荷。TiN/HfO2/SiO2/Si结构的电容-电压（C-V, Capacitance-Voltage）测试结果证实了以上XPS实验结果和界面态模型。　　 5.在本论文中，HfO2/SiO2、Al2O3/SiO2和HfO2/Al2O3三个绝缘介质氧化物/绝缘介质氧化物异质结界面用来研究异质结界面能带带阶的传递规律，此三个异质结界面的能带带阶用XPS技术实验求得，其价带带阶分别为0.81 eV、0.25 eV和0.25 eV，因此能带带阶的传递规律在此处是不适用的。本文利用界面态理论解释了传递规律的不适用是由于不同界面的界面态分布情况的不同导致的。这从另外一个侧面证实了界面态理论解释绝缘介质氧化物/绝缘介质氧化物界面能带对准的可行性，从而进一步论证了界面态理论用于研究CMOS器件金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的能带对准的可行性。以上的研究结果说明:(1)基于带隙态和电荷中性能级概念的理论模型对以下界面的能带对准的可适性:金属/半导体界面、金属/绝缘介质氧化物界面、半导体/半导体界面、绝缘介质氧化物/半导体界面以及绝缘介质氧化物/绝缘介质氧化物界面;(2)界面态理论和电荷中性能级概念是金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si结构的能带平衡所应该遵从的基本原理。　　 CMOS器件的金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的能带结构决定了其平带电压或者说阈值电压，所以从整个栅结构的能带对准角度考虑其平带电压是反应物理本质的。本文基于界面态理论模型，定量的建立了金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的整体能带结构，分析金属栅极/高k栅介质/SiO2/Si栅结构的VFB偏移的物理起源。基于本模型的理论计算结果和实验结果是一致的。通过本新建模型可以得到如下结论:TiN/HfO2/SiO2/Si栅结构的VFB相对于TiN/SiO2/Si结构的VFB出现的正向偏移、TiN/HfO2/SiO2/Si栅结构中电学偶极子以及费米能级钉扎的物理起源是因为HfO2/SiO2界面的带隙态导致的。