SONOS电荷俘获型存储器由于其工作电压低、开关速度快、器件抗疲劳特性好、保持时间长等优点而被大量应用于数码相机、手机等便携式数码设备中。随着半导体工艺集成度的不断提高,传统的SONOS型电荷俘获存储器已经无法满足人们对更高的存储容量、更快的读写速度、更长的数据保持时间、更低的工作电压的需求。纳米晶型存储器由于其存储密度高、读写速度快、工作电压低和保持特性优良而被认为是可以取代传统SONOS型存储器的下一代存储器。由于独立存储的特性,纳米晶存储器有很强的抗源和漏干扰的能力,而且应力诱导的漏电流效应可以忽略不计。然而超薄隧穿层的使用导致纳米晶存储器件的数据保持能力有所下降,存储效率不高也是纳米晶型存储器一个致命的缺点,研究表明使用high-k材料可以有效解决纳米晶存储器保持特性差和存储效率低的问题。此外,关于电荷在纳米晶型存储器中是存储在纳米晶内部还是在纳米晶与周围氧化物的界面上依旧处于争论之中。对于电荷俘获存储器而言,提高电荷存储密度是首先需要考虑的问题。利用类似于HfO2/ZrO2/HfO2或HfO2/Al2O3/HfO2这种拥有多层膜结构的,由SONOS存储器衍生出来的新型存储器被人们设置了出来。此类多层膜结构比单层结构表现出更高的电荷存储密度、更优良的抗疲劳特性和数据保持能力。已经有足够的证据表明不同氧化物之间的互扩散是导致多层膜结构存储器优异性能的主要原因,因此我们设想利用充分混合的两种high-k材料可以增加两种材料之间的互扩散,能够进一步提高器件的电荷存储密度。然而目前主要的电荷俘获存储器件都需要经过很高温度的退火处理,由于Cu20的结晶温度较低,利用Cu20作为存储层的器件不需要经过高温热退火处理,而Al2O3的性质十分稳定,可以作为器件的隧穿层和阻挡层。我们首次提出了利用充分混合的Cu2O和Al2O3复合材料薄膜作为存储器的存储介质。并且利用充分混合的Cu2O和Al2O3复合材料作为存储介质,制备了一种新型电荷俘获型存储器原型器件,并系统研究了其电荷存储特性。本文系统研究了Al2O3-Cu2O复合材料电荷俘获型存储器原型器件的电荷存储性能、微观结构和可靠性等问题,包括不同组份、不同退火温度和不同隧穿层厚度对器件性能的影响。主要结论概括如下：1.利用摩尔比为Al2O3:Cu2O=0.5:0.5的复合材料作为电荷存储层,借助原子层沉积技术沉积Al2O3作为隧穿层和阻挡层,并利用射频磁控溅射方法制备CAO层作为电荷俘获层,用直流磁控溅射方法制备Pt电极作为栅电极,系统研究了CAO复合材料的电荷存储特性。结果表明,CAO复合材料拥有电荷俘获能力强、写入/擦除速率快、数据保持时间久等特点。通过高分辨透射电镜对器件的横截面分析后发现,经过200℃快速热退火处理后,一部分Cu20从过饱和的CAO非晶母相中析出。对器件的C-V特性表征可以看出,当扫描电压为±11 V时,存储窗口达到9.2 V,电荷存储密度高达9.37×1012 cm-2。X-射线光电子能谱(XPS)研究结果表明,部分Cu1+被氧化成Cu2+,器件优良的电荷存储性能来自于Cu2O与Al2O3之间的互扩散。器件在±10V脉冲电压下的开关时间约为10-2s,在对器件进行105次写入/擦除操作后,器件的窗口没有明显的变化。2.系统研究了不同摩尔比的Al2O3:Cu2O复合材料对电荷俘获型存储器件电荷存储密度、开关特性、抗疲劳特性以及数据保持能力的影响。为了研究不同组份的Al2O3:Cu2O对存储性能的影响,我们制备了具有相同器件厚度但存储层中Al2O3:Cu2O的组比分别为0.9：0.1、0.7：0.3和0.5：0.5的三组样品。结果表明,在相同的扫描电压下,器件的电荷存储密度随着Cu2O组份的升高而升高。Cu2O组份较高的CAO薄膜中Cu2O/Al2O3的互扩散较多是其存储能力较强的原因。通过高分辨透射电镜对器件横截面的分析后发现,当Al2O3:Cu2O=0.9:0.1时,200℃退火后,Cu2O没有从CAO非晶母相中析出。而随着Cu2O组份的增加,200℃退火处理后,Cu2O从过饱和的CAO非晶母相中析出。Cu2O的析出会严重损害器件的稳定性,因此我们应该选用Cu2O组份较低的CAO薄膜作为器件的存储层。从XPS研究结果可以看出,器件中有部分Cu1+被氧化成CU2+,Cu2+/Cu1+的比例随着Cu2O在Cu2O-Al2O3中组份的增加而减少。器件的开关速率、疲劳特性和数据保持能力与Cu2O的组份没有明显的联系。3.系统研究了退火温度对CAO复合材料电荷存储性能的影响。为了研究退火温度对CAO电荷俘获存储器电荷存储性能的影响,我们选用了摩尔比为Al2O3:Cu2O=0.9:0.1的靶材生长存储层,在生长阻挡层之前对器件分别进行200℃、250℃和300℃快速热退火处理。研究结果表明,在相同的扫描电压下,器件的电荷存储密度随着退火温度的升高而降低。通过高分辨透射电镜对器件的截面分析后发现,200℃退火后,Cu2O没有从CAO非晶母相中析出,Cu2O与Al2O3充分混合,Cu2O与Al2O3间互扩散较多,可以存储较多的电荷；退火温度升高到250℃后,Cu2O从过饱和的CAO非晶母相中析出,析出的Cu2O在总体上减少了Cu2O与Al2O3之间的互扩散；当退火温度升高到300℃时,更多的Cu2O析出,Cu2O与Al2O3之间的互扩散进一步减小,导致器件的电荷存储密度进一步降低。实验从侧面证明了CAO复合材料电荷俘获存储器中的电荷被存储在Cu2O与Al2O3界面缺陷态上,而不是在Cu20内部。从XPS研究结果可以看出,器件中有部分Cu1+被氧化成Cu2+,Cu2+/Cu1+的比例随着退火温度的升高而降低。器件的开关速率与退火温度没有明显的联系。提高退火温度虽然可以略微提高器件的数据保持能力,但较高的退火温度导致器件存储密度降低、抗疲劳特性减弱。200℃的退火温度是CAO复合材料电荷俘获存储器的最佳选择。4.系统研究了不同隧穿层厚度对CAO电荷俘获型存储器件电荷存储密度、开关特性、抗疲劳特性以及数据保持能力的影响。由于SiO2与Si界面态密度较低,此次我们使用SiO2作为器件的隧穿层进行研究。我们分别生长了厚度为2 nm、3nm和4 nm的SiO2层作为隧穿层,利用Al203:Cu2O=0.5:0.5的CAO薄膜作为存储介质。结果表明在相同的扫描电压下,隧穿层厚度为2 nm的器件在存储电荷后因电荷直接隧穿回到硅沟道导致可观察到的器件窗口最小。随着器件隧穿层厚度的增加,器件的电荷保持能力相应地增强,可观察的存储窗口增大。经过对比三组器件的电荷存储能力、写入/擦除速率、抗疲劳特性和数据保持能力,认为CAO复合材料电荷俘获存储器的隧穿层厚度应该≥3 nm。