本申请涉及用于制造非易失性电荷俘获存储器装置的自由基氧化工艺，具体描述一种用于制造非易失性电荷俘获存储器装置的方法。方法包括使衬底经受第一氧化工艺以形成覆盖多晶硅沟道的隧穿氧化物层，并且在隧穿氧化物层上形成多层电荷存储层，所述多层电荷存储层包括含有氮化物的富氧的第一层以及在第一层上的含有氮化物的贫氧的第二层。然后，使衬底经受第二氧化工艺以消耗一部分的第二层并且形成覆盖多层电荷存储层的高温氧化物(HTO)层。第一层的化学计量组成导致其大体上没有陷阱，并且第二层的化学计量组成导致其是陷阱密集的。第二氧化工艺可以包括使用原位水汽生成的等离子体氧化工艺或自由基氧化工艺。