中文摘要：

为应对传统的SONOS结构电荷存储器件在进一步小型化过程中遇到的物理及材料科学方面的问题，本课题将开展氧化物高介电系数介质材料在电荷存储器件方面的应用研究。利用高介电系数氧化物介质取代隧穿层的SiO2，获得小的与SiO2的等效厚度，降低漏电流。利用特定组份多元氧化物材料来取代Si3N4作为电荷俘获材料，借助于介质材料在高温退火时氧化物纳米晶在非晶基体中析出的性质来提高电荷俘获数量，防止俘获的电荷发生侧向扩散来提高器件的保持特性。探索设计含不同氧化物高介电系数介质的多层电荷俘获材料结构来增加器件的电荷俘获数量，设计单层含有不同氧化物高介电系数氧化物介质电荷俘获材料来调节器件电荷俘获特性的新途径。利用氧化物高介电系数介质材料取代SiO2作为阻挡层材料来获得小的与SiO2等效厚度的同时，有效阻止所俘获的电荷向栅极迁移。系统研究基于高介电系数介质材料的电荷存储器件的电荷存储机理及保持特性。

结论摘要：

本项目系统研究了以Al2O3作为隧穿层和阻挡层，以SiO2掺杂的ZrO2作为存储层的纳米晶基存储器的电学性能，微观结构和可靠性问题；同时提出一种新型纳米叠层基电荷俘获型存储结构，并对其存储性能进行了研究，主要结果概括如下 1. 借助原子层气相沉积和脉冲激光沉积技术制备了利用 (ZrO2)0.8(SiO2)0.2(ZSO)伪二元氧化物作为存储层的电荷俘获型纳米晶基存储单元。TEM分析结果表明，经退火处理，ZrO2纳米晶作为存储介质从过饱和的ZSO母相中析出，它们被非晶母相包围。测试结果表明其优良性能扫描电压为 ±8V时，存储窗口达到7.5V。在150oC下写入/擦出105次后存储窗口变化较小。不同温度（25 o C, 85 o C 和150 o C）下，经过105次写入擦除操作的器件的电荷损失量分别为6.6 %, 8.3 % 和12 %。同时比较研究了(HfO2)0.8(Al2O3)0.2纳米晶基存储器的结构和电学性质。 2. 系统研究了ZSOi退火过程中ZrO2纳米晶析出的动力学过程、形态演变、及其尺寸和密度对器件存储性能的影响。未经过退火处理的ZSO薄膜为非晶态。随着退火时间的增加，薄膜开始析出ZrO2纳米晶；当退火时间为60s，纳米晶的密度达到最大值；当退火时间达到90s后，纳米晶的密度有所下降。利用相变动力学理论对此进行了解释。实验发现，经过60s退火处理的存储器件具有最宽的存储窗口4.4 V，最小的电荷损失和最佳的疲劳特性。X-射线光电子能谱 (XPS) 能带分析表明， 在60s退火处理的ZrO2纳米晶基电荷俘获型存储单元中，Al2O3和 ZSO之间具有1.3 eV的导带补偿，正是这种高势垒导致器件良好的数据保持能力。 3. 首次设计和制备了一种纳米叠层基电荷俘获型存储器结构利用ZrO2/Al2O3纳米叠层代替传统SONOS型中的氮化硅作为存储层。为了研究存储层中界面对存储特性的影响，我们设计并制备了一系列具有相同存储层总厚度但是叠层数不同的样品。实验发现随着界面数量的增加，器件的存储窗口逐渐增大。首次报道ZrO2/Al2O3纳米叠层中的界面对器件性能起着关键作用，电子主要是被界面所俘获；然而当界面数量过多时，由于界面结构变得弥散，存储窗口反而变小。当界面数量为8时器件性能最佳，具有6.3 V的存储窗口，存储10年后 的电荷损失量仅为7.5 %。