电荷陷阱型存储器作为传统悬浮栅Flash存储器的后时代应用，目前所面临的技术挑战是在不断缩小的工艺节点要求下，实现在降低工作电压的同时，获得大的存储窗口、快的编程/擦除速度、好的疲劳特性以及10年数据保持力。对于Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon (MONOS)型存储器，使用高k材料替代传统的SiO2和Si3N4，对其阻挡层、电荷存储层和隧穿层各功能层从材料、结构及制备工艺等方面进行优化，是改善和提高电荷陷阱型存储器性能的主要途径。本论文即围绕上述内容开展研究工作。在实验方面，对多种高k介质材料作为电荷存储层进行了研究比较,并设计制备了新型双存储层结构、高k/低k双隧穿层结构，对制备工艺进行了优化，以获得存储窗口、编程/擦除速度、数据保持力和疲劳特性之间的较好折衷；在理论方面，建立了MONOS存储器编程状态下的电子保持特性模型。在电荷存储层高k介质材料以及制备工艺方面，开展了以下研究工作：①通过在La基氧化物中添加过渡金属Hf、Ti、Y，形成La系二元混合金属氧化物作为MONOS存储器的电荷存储层。实验发现，氮化的LaHfO(LaHfON)由于N的引入增加了电荷陷阱密度，提高了陷阱的电荷俘获效率，同时强的Hf-N、La-N键的形成以及好的LaHfON/SiO2界面质量增强了介质稳定性，有利于电荷的保持；La基氧化物中掺Y比掺Ti更有利于增加存储层的电荷陷阱密度，提高电荷俘获效率，并在淀积后的退火处理过程中能更有效地抑制存储层与SiO2界面附近过渡层的形成，从而减少了浅能级陷阱或缺陷的产生，使存储器在获得大的存储窗口和快的电荷注入速度的同时，也具有好的的疲劳特性和电荷保持力；②采用GdO作为电荷存储层，研究溅射过程中不同气体环境(N2或O2)以及淀积后不同热退火处理工艺对介质薄膜质量和存储性能的影响。实验结果表明，N引入GdO介质中导致大量电子陷阱产生，大大增加了存储窗口，且通过5500C/2min的NH3退火处理，能够有效抑制存储层/SiO2界面附近浅能级陷阱的产生，调整存储层中陷阱分布，可获得存储窗口、编程/擦除速度以及疲劳和电荷保持特性之间的较好折衷。在新型栅堆栈结构方面：①提出了Au/HfAlO/AlN/(HfON/SiO2)/Si多层栅堆栈结构：采用k值相差较大的高k HfON介质层与SiO2结合形成HfON/SiO2双隧穿层结构，提高了电荷注入效率和速度；具有深能级陷阱的AlN作为电荷存储层提供了优良的电荷俘获能力和电荷存储稳定性；高功函数的Au电极以及具有合适k值和势垒高度的HfAlO阻挡层能够有效减少擦除期间来自控制栅的电子注入以及保持期间存储层中电荷的泄漏，缩短擦除时间，提高数据保持力；②从带隙工程出发，提出并制备了由高k介质TiON/HfON组成的双存储层结构，利用淀积后快速热退火过程中Ti、Hf元素的互扩散，形成Ti、Hf含量渐变的Hf1-xTixON混合层，从而形成从隧穿层到阻挡层带隙逐渐增加的锥形能带结构(禁带宽度随Ti含量的增加而单调减小)。Hf1-xTixON混合层具有高的电荷陷阱密度，其锥形能带结构形成的多能级陷阱分布有利于提高陷阱俘获电荷的能力和电荷注入效率，从而获得大的存储窗口和快的编程/擦除速度。另外，存储层锥形能带结构与隧穿层之间较高的势垒高度能有效阻挡陷阱电荷的逸出，从而提高了电荷保持力。在理论模型研究方面，以陷阱至导带(TB)隧穿作为存储电子的泄漏机制，采用类三角形陷阱能级分布，并考虑陷阱空间分布分别为均匀分布或局域分布两种情况，建立了MONOS型存储器编程状态下的电子保持特性理论模型。通过将模拟仿真结果与实验测量数据进行比较，验证了所建电荷保持特性模型的正确性和准确性。