半导体存储器件和逻辑器件是现代计算、通讯、显示技术的硬件基础。随着数字化时代的到来,半导体存储器件的发展异常迅速。本论文以半导体非易失性存储原理、器件特性的改进和面临scaling down的技术挑战为研究思路,主要进行以下几方面的研究工作：第一部分从当前非易失性存储技术在材料和结构上的局限性分析利用nc-Si量子点分立电荷存储模式,研制新型的nc-Si量子点浮置栅非易失性存储单元器件。随着存储芯片集成度不断提高,存储单元尺寸在不断减小,2013年NAND闪存的特征尺寸已缩小至20nm以下。为保证数据存储的可靠性,传统的多晶硅浮置栅闪存器件仍需要使用7nm左右的隧穿氧化层。这同时也带来了编程速度过低(ms)、操作偏压过高(>15V)、耐久性差(104)等问题。在此背景下,人们提出了分立电荷存储技术,采用在横向方向上彼此孤立的量子点来代替连续的多晶硅作为浮置栅层。存储在量子点中的电荷在横向方向上难以发生交换,隧穿层中某处的缺陷不会导致电荷的集体泄漏,因而可以采用超薄隧穿氧化层在保证数据可靠性的同时显著降低操作偏压并提高编程的速度。我们在0.13μm标准CMOS工艺线上成功制备了性能优异的nc-Si量子点MOSFET浮置栅存储单元。单元栅长和栅宽分别为0.176μmm和0.16μm,超薄隧穿氧化层厚度为3.5nm, nc-Si量子点平均尺寸为12nm,面密度为2×1011cm-2。器件的截止电流只有200fA,亚阈值摆幅低至0.14V/decade。在±7V/10μs脉冲的作用下,存储窗口达到1V左右,在±7V/1ms脉冲的作用下,窗口达到1.3V以上。并且有着很好的抵抗小电压干扰的特性和较好的数据保持特性。擦写寿命高达107。我们的nc-Si量子点MOSFET浮栅存储单元具有低偏压、低功耗、高速、长寿命的优势。这也为下一步制备具有NOR功能的纳米硅量子点闪存芯片奠定了坚实的基础。论文第二部分针对当前基于电荷存储模式的非易失性存储器件scaling down至20nm以下工艺节点时性能受到极大的挑战,研究采用具有稳定物理状态(如电阻值等)的新一代阻变存储技术来记录信息。其具有闪存器件无法媲美的简单结构(M/I/M)、高密度集成(crossbar)、高速(ns)、低功耗(<1pJ)、低偏压(-1V)、强耐久性(1012次擦写)等一系列的优势。目前能够产生阻变现象的材料有很多,如二元过渡金属氧化物、钙钛矿结构、硫化物等。我们选择SiOx材料作为阻变单元的介质层,因为其有着与当前CMOS技术高度的兼容性,在降低成本等方面有着得天独厚的优势。我们首先选择含氧量较低的SiOx材料(x=0.73)作为研究的切入点。通过对Pt/SiO0.73/Pt结构的测试,发现其表现出单极型阻变特性,且具有较低的工作电压,Vreset在0.7V左右,Vset在1.7V左右,具有很好的一致性。并且具有较大且稳定的数据存储窗口(高低阻态的电阻比值>104)、良好的耐久性(>100次擦写周期)以及很好的数据保持能力(在80℃温度下12小时后存储窗口没有明显衰减)。为了排除金属原子Pt对SiO、材料阻变现象可能存在的影响,我们还制备了"metal-free"的结构验证了SiOx材料的本征阻变特性。与此同时,我们发现SiOo.73材料的阻变现象与国际上报导的x值较高的SiOx材料(x>1.8)的阻变现象有着较大的差别。在SiOo.73材料中,Vreset<Vset,而国际上报导的结果正好相反。因此,我们推断SiOx材料的阻变特性可能与其x组分有关。根据这一思路,我们制备了从低到高一系列x值的Pt/SiOx/Pt结构,通过测试发现了SiOx材料阻变现象的x组分依赖关系。当x较小时,Vreset始终小于Vset, set操作需要设置保护电流,并且样品高低阻态的电流水平都比较高,我们称此区域为"normal unipolar"区域。当x较大时,样品表现出完全不同的阻变现象,Vreset始终大于Vset, set操作不需要设置保护电流,样品的整体电流水平随x的增大逐渐降低,这与国际上报导的SiOx材料(x>1.8)的阻变现象是一致的,我们称此区域为" abnormal unipolar"区域。论文第三部分研究了Pt/SiOx/Pt结构的阻变机理,并提出能够很好地解释Pt/SiOx/Pt结构阻变现象的“硅悬挂键渗流通道模型”。该模型认为由于原始淀积的SiOx材料中含有较高浓度的硅悬挂键,并且材料中的Si-O共价键具有较高的极性,在外电场的诱导下Si-O键容易被打破并生成新的悬挂键。当悬挂键浓度达到阈值时,在SiOx薄膜内部便形成了可供电子迁移的悬挂键渗流通道,在能带图中表示为SiOx材料禁带中央出现一个微带,从而使器件达到低阻态。由于处于低阻态的器件允许通过较大的电流进而在渗流通道内部产生很高的热量使得部分悬挂键再次被氧原子钝化形成Si-O键,器件被重新reset至高阻态。set过程的原理与forming类似,所不同的是,set过程只需打破被氧原子钝化的那一部分Si-O键,因而set电压一般比forming电压低。该模型在实验过程中得到了一系列实验结果的证实,其不同于当前国际上报导的“纳米硅导电通道模型”,引起了国际同行的关注。“硅悬挂键渗流通道模型”能够很好地解释x值较小的SiO、材料的阻变现象,其是否能够解释SiO、中阻变现象的x组分依赖关系?我们通过对SiOx材料XPS和ESR信号的分析,认为SiO、材料中出现的两种不同阻变现象是由处于低阻态时渗流通道中悬挂键种类和浓度的转变导致的。在"normal unipolar"区域,由于渗流通道中的悬挂键主要由·Si≡Si3构成,因而微带的带宽相对比较小,电子的跳跃激活能较低,并且微带内的定域态密度相对比较高,因此可以产生足够高的低阻态电导率。同时在set操作时需要设置保护电流以避免由于大电流造成样品的击穿。在"abnormal unipolar"区域,渗流通道中·Si=Si3悬挂键失去其主体地位,并逐渐被·Si=Si2O,·Si=SiO2和·Si≡03三种悬挂键所替代,微带的带宽增大,电子的跳跃激活能不断升高,同时微带内的定域态密度减小,使得低阻态的电导率显著降低。因此在set操作时,不需要设置保护电流,样品表现出" self-compliance "的特征。由于reset操作是电流产生的焦耳热使悬挂键被氧原子重新钝化形成Si-O键的过程,在"abnormal unipolar"区域需要很高的reset电压才能产生足够大的电流,因而reset电压始终高于set电压,SiOx材料表现出反常的阻变现象。这一结果也发表在APL杂志上,在国际上第一个系统地研究了SiOx材料中阻变现象的x组分依赖关系。