在生产中引入高介电常数绝缘材料/金属栅电极结构，需要采用全新的制造技术，前驱物和输运系统推动了铪基材料栅极绝缘层的应用。ALD技术也促进了新一代栅电极材料的推广和应用。
对于每一代半导体技术节点而言，在尽可能保持原有生产制造工艺流程不变的前提条件下，尺寸的缩小无疑将提高CMOS器件的性能。自从1947年发明固态晶体管以来，在整个IC器件结构中，以SiO2为基础的晶体管栅极绝缘层最为关键。它的功能是将晶体管沟道和栅电极两者绝缘隔离，而等效氧化层厚度（EOT）与材料的介电常数k成反比。为了不断提高晶体管性能表现需要更薄的EOT，这也导致了漏电流不断增大。在过去的50年里，业界已经成功地将SiO2为基础的晶体管栅极绝缘层减薄到了几十埃的厚度。近年来更是成功的采用氮化处理技术，获得了介电常数更高的SiON薄膜栅极绝缘层。采用更高k值薄膜能够在不断降低EOT的同时，确保有足够的绝缘材料厚度来减少漏电流。
目前，缩减SiON薄膜的厚度也已经达到了材料的物理极限；要想进一步提升器件性能，只能通过采用新材料和/或改变器件结构来实现。到了45nm技术节点，一些前沿的逻辑电路制造商宣布将引入铪基
高k绝缘材料来取代SiON薄膜，无疑这是自现代晶体管发明以来，在栅氧绝缘材料领域的第一次重大的变革。为了实现这一目标，科学人员用了十年的时间，克服了大量的困难和挑战，大海捞针般从各种备选材料中挑出确实可靠的解决方案。综合考虑了材料的介电常数和热力学稳定性等物理特性以及极化和固定电荷等电学特性后，研究人员将目光锁定在了铪基氧化物和它的相关化合物上。早期对这种材料的研究表明，由于费米能级钉扎效应和晶体管反型时伴随EOT增厚而产生的多晶硅耗尽效应等方面的负面影响，多晶硅栅电极必须被金属栅电极取代。1,2 经过长时间的研究、优化和试生产测试，现在高k绝缘材料/金属栅电极技术已经成功被用于量产中了，这无疑是具有划时代意义的。
薄膜生长过程的挑战
将这些新材料用于CMOS工艺流程中并非一帆风顺。与以往栅氧生长的不同之处在于，铪基材料必须被淀积在硅片表面。由于栅氧绝缘层是晶体管的核心，因此为了确保产品的良率，淀积技术必须要达到成膜厚度均匀、低缺陷密度的要求。此外，淀积过程需要被严格控制，杜绝任何细微波动引发的EOT厚度变化或固定电荷、电偶极距和热处理引起的阈值电压（Vt）漂移。
铪基氧化物能够通过物理气相淀积技术（PVD）、金属氧化物化学气相淀积技术（MOCVD）或原子层淀积技术（ALD）得到。由于存在表面损伤以及厚度/界面态控制等方面的问题，PVD技术首先被排除在外。MOCVD具备较高的淀积速率，但这项技术的不利之处在于较高的工作温度会增厚界面层，进而妨碍技术向前发展。在极薄的薄膜淀积领域，控制膜厚和确保成膜均匀性是非常困难的。ALD技术应运而生，得益于精确的膜厚控制、低表面粗糙度和较少的杂质污染等方面的优势，这项技术在高k绝缘材料的淀积领域大展拳脚。而且ALD技术是一种低温淀积工艺（<400℃），其对温度的敏感度也较弱。此外，由于这项技术在表面成膜覆盖方面表现优异，所以它成为后栅极制造工艺和finFET器件的必然选择。
前驱物的选择
较低的淀积温度能够防止界面层厚度增加，但有利亦有弊，这也降低了氧化剂的活性，为了得到高纯、极均匀的薄膜，就需要前驱物具备更高的反应活性。另一个问题在于前驱物的来源。CVD和ALD技术使用的金属有机物反应源是存在的。其中一些反应原材料是液态的，因而可以通过液体输运系统输送反应原材料；而另一些反应原材料是固态的（可以通过将材料溶入合适的溶剂中，再通过液体输运系统进行输送）。早期的CVD技术致力于控制(Hf,Si)O2 薄膜的组份，以及使用含氧的金属有机物在590℃60?/min的条件下，或使用不含氧的金属有机物在550℃ 15?/min条件下淀积具有较低碳含量的薄膜。3,4一些终端用户确信，采用包括TEMAH和TDMAH等金属有机物反应源淀积氧化铪薄膜具有非常广阔的前景。5然而，这些用于淀积反应的原材料能否满足栅氧工艺的苛刻要求仍然存有争议。另一个关键性问题是材料中的碳含量是否能在确保氧化剂活性和防止晶体管沟道衰变之间获得平衡。6此外，当达到临界温度后，包括TEMAH在内的金属氨基前驱物会分解，从而导致杂质产生以及薄膜密度降低。正是由于这一温度限制， ALD技术的成长和前驱物的输运会受到不同程度的影响。
采用卤化物特别是HfCl4生长铪基氧化物能够防止碳中毒问题。而且卤素前驱物具有较好的热稳定性，不会发生受热分解造成对薄膜污染的问题。尽管目前使用HfCl4仍然受到氯残留问题的困扰，但是依靠最新技术可以得到极大的改善，目前在绝缘材料中氯的含量能够远小于1%。而且，研究表明这一量级的氯浓度不会造成负偏压温度失稳