现阶段存储器正在朝着高密度、高速度、低功耗的方向迅速发展,给人们的生活带来极大的方便。纳米硅浮栅存储器作为新一代非挥发浮栅存储器,其性能的优化研究是当前的主要研究方向。其中热处理由于可以解决界面、陷阱等问题成为制备工艺过程中的关键手段;高K介质由于其较高的介电常数得到人们的青睐,它可以保证与传统氧化硅在相同的等效物理厚度下具有更高的隧穿几率,从而可以优化纳米硅浮栅存储器的存储性能。本论文将分别围绕热退火处理与ALD制备的高K介质隧穿层对纳米硅浮栅存储结构性能的影响和优化展开探究,主要的研究工作分为如下几个方面:本论文首先介绍了在中芯国际0.13μm CMOS工艺流水线上制备的纳米硅(NC-Si)量子点浮栅存储器结构,并对NC-Si量子点存储单元的核心MOS结构SiNx/NC-Si/SiO2/Si进行了电容/电压测试,测试结果发现热处理较好地消除了MOS结构中的界面态、固定电荷等,这为制备良好性能的MOSFET提供了有力的保障。我们对制备的MOSFET基本电学性能的测试与分析结果表明:基于性能优化的纳米硅浮栅MOS结构的MOSFET在转移、输出、P/E、保持特性方面表现出优异的电学性能,比如低功耗、较高的擦写速度和数据保持能力。基于纳米硅浮栅存储器隧穿层变薄面临的挑战,采用了高K介质来替代传统氧化硅作为隧穿层来优化纳米硅浮栅存储结构中的存储性能。本部分主要介绍了高K介质薄膜的沉积技术-原子层沉积技术(ALD)的原理和优势,同时研究了具有等离子体功能的ALD系统制备的氧化铝薄膜的介电性质和电学性质,完善的氧化铝薄膜的制备工艺参数为我们将其作为隧穿层应用到纳米硅浮栅存储器件中提供了保证。我们首先在等离子体原子层沉积系统(PEALD)中淀积氧化铝薄膜,接着利用化学气相沉积系统(PECVD)沉积SiNx/a-Si:H,结合限制性晶化原理在氮气氛围中高温退火形成NC-Si,成功制备出纳米硅浮栅存储MOS结构。我们采用了 AFM和HR-TEM对薄膜的表面形貌和样品结构进行了检测。SiNx/NC-Si/Al2O3/Si MOS结构的C/V曲线表示出在±15V的扫描电压下表现出高达7.9V的存储窗口,在多次±12V/1s脉冲擦写后电荷的泄漏率较低,10年后仍有75%的存储电荷,这说明此结构具有良好的保持特性。另外,此MOS结构在施加+15V的电压时,漏电流密度仅为2.5×10-10 A/cm2,同时说明良好的保持特性与较低的漏电是一致的。综合结果说明以PEALD沉积的氧化铝薄膜与纳米硅结合可以成功实现电荷存储与长久保持,这主要归因于纳米硅的存储能力和氧化铝的高介电常数特性及其较好的的热稳定性。通过对比等效厚度相同的氧化铝和氧化硅隧穿层的纳米硅浮栅存储结构的存储特性,发现以氧化铝作为隧穿层的MOS结构在低电压下具有更大的窗口,这主要源于氧化铝相对较低的势垒高度可以保证更多的载流子通过隧穿层注入到纳米硅中。电导/电压测试结果揭示了对于小尺寸的纳米硅浮栅MOS结构,纳米硅在充电和放电的过程中发挥了主要的作用,而对于尺寸较大的纳米硅MOS结构,纳米硅和界面在充电和放电过程中都有贡献。