随着半导体工艺技术的不断发展，非挥发性快闪存储器集成密度要求越来越高,存储单元特征尺寸需要不断减小,因而传统的多晶硅浮栅快闪存储器正面临着严峻的挑战,如隧穿氧化层的减薄导致数据保存能力退化等。而基于分离电荷存储的非挥发性存储器,可以采用更薄的隧穿氧化层同时保持着良好的数据保留特性,由此可以带来更低的编程／擦除电压和更快的编程／擦除速度,是下一代快闪存储器最理想的解决方案之一。本论文基于分离的电荷存储方式,分别以金属纳米晶、高介电常数(High-k)介质陷阱及两者的复合结构为电荷存储媒介,结合原子层淀积的Al2O3电荷隧穿层和阻挡层以及电子束蒸发高功函数金属Pd电极,研究了其金属—氧化物—半导体(MOS)结构的存储效应和物理机制。具体内容包括以下几个方面：(1)采用磁控溅射和快速热退火(RTA)技术,研究了在原子层淀积(ALD)的Al2O3薄膜表面生长钌纳米晶的工艺。结果表明,对初始厚度为2 nm的钌膜在900℃下退火30 s可以得到密度为2.0×1012cm-2,平均直径约为5 nm且分布均匀的钌-氧化钌(Ru-RuOx)纳米晶。接着,研究了以ALD Al2O3为电荷隧穿层和阻挡层,Ru-RuOx纳米晶为电荷俘获层的MOS存储电容的性能。结果显示,在-11～+11 V的电压扫描范围内,该MOS电容表现出11.2 V的C-V滞回窗口。为了进一步研究不同隧穿层与阻挡层的厚度比(T/B)对存储效应的影响,本论文固定Al2O3介质厚度不变(28 nm)而改变隧穿层与阻挡层的相对厚度。测试结果显示,在低操作电压下,随着T/B厚度比的增大,存储电容器的C-V滞回窗口和有效注入电荷密度不断减小,而在高操作电压下则几乎无变化。这是由于电荷通过隧穿层的机制不同,在低压下是以直接隧穿为主,而在高压下则是F-N隧穿为主。对于隧穿层为6 nm,阻挡层为22 nm的存储电容,在+/-7 V编程／擦除1 ms后,可获得5.1 V的存储窗口,并且外推至十年后,仍有84%和82%的正电荷和负电荷保留在其上,具有很好的电荷保持特性。(2)采用ALD方法生长了不同Al2O3/HfO2 (A/H)比例的混合High-k介质作为电荷俘获层,同时采用ALD Al2O3为隧穿层和阻挡层制备了MOS存储电容器。通过对其存储效应的研究发现,随着混合High-k介质层中HfO2比例的增多,MOS电容的电荷捕获能力依次增强,而电荷保存能力则依次减弱。其中以纯HfO2为电荷俘获层的MOS电容,在+／-14 V的电压扫描范围内其C-V滞回窗口达到3.6 V；在+17 V电压下编程10 ms后,其平带电压(Vfb)向正向漂移2 V。在编程后半个小时只有约55%的电荷保留在HfO2电荷俘获层中,且在+17 V时该MOS电容的漏电流大至1.4×10-5 A/cm2。较差的电荷保持特性可能是由于HfO2在800℃退火后其已形成多晶结构,从而沿着晶粒间界的电荷泄漏增大。(3)研究了以Ru-RuOx纳米晶／High-k介质为复合电荷俘获层,以Al2O3为电荷隧穿层和阻挡层的MOS存储电容器,同时采用高功函数金属Pd作为电极。实验结果表明,采用Ru-RuOx纳米晶/High-k介质的复合电荷俘获层比采用单一Ru-RuOx纳米晶层更有利于增大MOS电容的C-V滞回窗口,当复合电荷俘获层中High-k介质选用Hf02时,在+9～-9 V的扫描电压范围下,MOS电容的滞回窗口比只采用单一Ru-RuOx纳米晶层大10.3 V。这是由于High-k介质的引入增强了降落在隧穿层上的电场强度,因此提高了电荷注入速率。所以,基于Ru-RuOx纳米晶/HfO2复合电荷俘获层的电容,在+／-9 V电压下编程／擦除100μs,存储窗口即可达到3.4 V,对应的电子和空穴平均注入速率分别为2.8×1011cm-2μs-1和3.0×1011 cm-2μs-1并且外推至十年后仍有很好的电荷保持特性。