先进纳米级CMOS器件在航天电子系统中已得到广泛的应用。随着元器件集成度的不断提高,当工艺节点超过45 nm后,高k栅介质HfO₂取代传统栅介质SiO₂,已被用于CMOS器件的大规模生产。然而研究表明,空间辐射环境中的高能重离子辐照会引起新型高k HfO₂器件出现漏电、击穿等现象,导致其寿命减小,可靠性退化。因此,掌握重离子辐照引起HfO₂高k栅介质材料和器件性能退化的机理对其空间应用有非常重要的意义。本论文利用兰州重离子加速器装置（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou,HIRFL）提供的初始能量分别为6.3 MeV/u,25 MeV/u和12.5 MeV/u的⁵⁶Fe、⁸⁶Kr和¹⁸¹Ta离子,以及320 kV低能重离子综合研究平台提供的能量为4 MeV的¹³²Xe离子,分别对HfO₂薄膜样品及HfO₂薄膜为栅介质的MOS器件开展辐照效应研究。借助多种高分辨的分析表征手段,首次观察到快重离子辐照在非晶HfO₂薄膜中形成的潜径迹,揭示了辐照后HfO₂高k栅介质器件可靠性退化的原因。主要研究结果如下:首先,研究了快重离子辐照引起高k HfO₂材料潜径迹形成和MOS器件电学性能退化的机理。实验发现,随着离子辐照注量和电子能损的增加,HfO₂栅介质的等效介电常数从18减小到4,同时器件的漏电流密度逐渐增加到10^-4 A/cm²后饱和。利用高分辨透射电子显微镜对辐照后的器件材料做了微观结构表征分析,观察到快重离子沿入射路径在非晶HfO₂栅介质中产生了潜径迹,其内部晶体结构为单斜相。建立了潜径迹与电学性能退化之间定量关系,发现器件介电性能退化的原因是重离子引起非晶HfO₂栅介质结晶,漏电流增加的原因是晶界的形成为载流子提供了漏电通道。提出利用电学测试手段计算潜径迹尺寸的新方法,并估算出电子能损为12.6 keV/nm、15.0 keV/nm、19.5 keV/nm和47.3 keV/nm的快重离子在非晶HfO₂中形成的潜径迹的等效直径分别为4.4 nm、5.6 nm、6.7 nm和13.8 nm。发现潜径迹的尺寸随着入射离子电子能损的增加而线性增加,拟合外推出快重离子辐照导致非晶HfO₂薄膜结晶的电子能损阈值为10 keV/nm。由此,提出了估算非晶氧化物薄膜结晶电子能损阈值的新方法,有效地预测了新型高k器件对重离子辐照的敏感度。其次,研究了低能重离子辐照对高k HfO₂ MOS器件电荷俘获效应的影响。通过电容-电压（C-V）测试发现4 MeV ¹³²Xe离子辐照后,器件积累区电容减小、C-V曲线向负电压方向漂移,同时产生了显著的电荷俘获效应。研究认为低能离子辐照在HfO₂/Si界面形成的界面态是导致器件电容值减小和阈值电压漂移的直接原因,并发现低能离子辐照在HfO₂ MOS器件材料内部引入的最主要缺陷类型为氧空位。这些氧空位会成为新的电荷俘获中心在辐照后器件反复加电过程中俘获电子,导致C-V曲线沿电压方向漂移,引起器件可靠性退化。最后,研究了快重离子辐照对非晶HfO₂薄膜微观结构的改变,分析了薄膜的晶体结构、结晶度和晶粒尺寸以及薄膜表面原子的化学环境。发现随着⁵⁶Fe离子辐照注量增加到2.13×10¹⁴ ions/cm²,O与Hf的原子比（O:Hf）从辐照前的2.481:1变为2.154:1,更符合HfO₂的化学计量比（2:1）,完全氧化的Hf和晶格氧的占比增加。X射线衍射分析发现重离子辐照会引起非晶HfO₂薄膜结晶,且当⁵⁶Fe离子的辐照注量从5×10¹³ ions/cm²增加到2.13×10¹⁴ ions/cm²后,薄膜的结晶度从10.5%增加到38.7%,平均晶粒尺寸从12 nm增加到14 nm,并发生了单斜相向立方相的相变。本论文揭示了荷能重离子辐照对HfO₂栅介质材料及器件的损伤效应机理,对纳米器件在空间中的应用具有参考价值。