金属纳米晶非易失性半导体存储器具有单位面积小、集成密度大、操作电压低、编程速度快、低功耗以及与现存硅技术兼容等优点，有望取代传统浮栅非易失性存储器成为下一代主流的存储器产品，因此进一步提高金属纳米晶半导体存储器的性能具有重要意义。本论文主要围绕提高Au纳米晶半导体存储器的存储能力展开研究，通过对Au纳米颗粒的尺寸、密度、分布等参数的控制及HfO2阻挡层质量的优化，制备出低功耗、大容量的Au纳米晶半导体存储器，为金属纳米晶存储器的应用打下基础。论文的主要工作内容和创新点如下:　　(1)采用射频磁控溅射结合快速热退火的方法在SiO2/Si结构上制备了Au纳米颗粒，研究了Au纳米颗粒形成的影响因素，从而实现Au纳米颗粒制备的可控性。结果发现，溅射时间较短时可产生分立的Au纳米颗粒，随着溅射时间的增加，数密度逐渐增大，直至合并成膜;溅射后呈现分立状态的Au纳米颗粒具有较好的热稳定性，而近似成膜的Au样品随退火温度的升高，其形成的Au纳米颗粒呈现先增大后减小的变化。通过降低溅射功率，可以在SiO2/Si结构上制备得到高密度(1.1×1012/cm2)、小尺寸(＜5nm)、尺寸分布集中的Au纳米颗粒。此外，还发现Si衬底的掺杂类型和掺杂浓度会影响Au膜的形成，在相同的溅射条件下高掺杂的n+-Si衬底样品所形成的Au连通膜面积最小，并且经过相同条件的退火处理后，其形成的Au纳米颗粒尺寸最小、数密度最大。　　(2)提出采用N2等离子体处理HfO2介质层的方法来提高薄膜质量，研究了不同等离子体处理功率对HfO2电学特性的影响。结果表明，90W功率处理条件下的样品获得了最好的电学性能，氧化层内的陷阱密度得到有效降低，其C-V特性曲线在-6V～6V扫描电压范围内的回滞窗口从处理前的1.1V降低到了0.2V，同时其栅漏电流密度也从3.8×10-5A/cm2降低到2.6×10-6A/cm2，并且等效氧化层厚度EOT也得到进一步减小。通过XPS分析发现，对HfO2介质层进行N2等离子体处理的方法能在薄膜中引入N，可钝化HfO2薄膜中的氧空位，形成HfOxNy，使薄膜的质量得到提高。　　(3)将N2等离子体处理的方法应用于Au纳米晶半导体存储器的HfO2阻挡层中，研究制备了不同尺寸Au纳米颗粒的半导体存储器。实验结果表明，对HfO2阻挡层进行N2等离子体处理的方法可以有效提高存储器的存储容量;Au纳米晶半导体存储器的存储性能与纳米晶的尺寸、数密度及尺寸分布有关，通过优化上述参数，在-12V～12V的扫描电压范围内获得了高达11.8V的存储窗口。