随着存储密度的不断提高和器件尺寸的不断缩小，传统的半导体存储器DRAM和Flash都已经接近其物理极限，进一步的缩小将面临很多技术难题。而阻变存储技术作为一种全新的存储技术，其拥有着许多先天性的优势。首先，作为一种基于物理状态的存储技术，阻变存储器不会遇到电荷泄漏等问题。其次，其存储单元结构简单，特征尺寸小，因此具有非常好的可缩小性和高集成度。除此之外，阻变存储器在各个指标上均表现出优异的性能，体现在功耗低(～pJ)、速度快(＜5ns)、耐久度高(～1012)、开关比大(～109)、保持时间长(＞＞10年)等方面。这使得阻变存储器成为目前最有希望替代传统存储器的候选者之一。目前在阻变存储器中广泛使用的是过渡金属氧化物等材料，而硅基材料的阻变存储器相对研究较少。然而硅基材料作为一种传统的半导体材料，其成熟的工艺、较低的成本以及与传统CMOS逻辑电路的完全相兼容性是其它材料所无法比拟的。因此，研究如何将硅基材料应用到阻变存储器中，并实现性能优异的硅基阻变存储器件具有非常重要的意义。　　另一方面，虽然阻变存储技术有着众多优势，但可以实用化的阻变存储器产品却迟迟没有面市。目前限制阻变存储器进一步发展的问题主要包括以下几个方面。首先是阻变存储器的物理机制尚不是十分清晰，这给器件结构和性能的设计优化带来了一定的困难。其次是阻变存储器的功耗和编程电流（～10μA）仍然比传统的Flash存储器(～nA)高。并且当器件缩小到10纳米以下时，金属连线的电阻将增加到几个千欧，此时如果器件的电阻不够高，则操作电压将会有很大一部分落在余属连线上，从而使得器件的操作失效。因此无论是从节约能量、减小发热的角度考虑，还是从器件缩小后操作的有效性考虑，研究如何获得超低功耗的阻变器件都具有着极其重要的意义。此外，目前困扰阻变存储器实用化的另一个大问题是其一致性和稳定性的问题。由于阻变存储器导电通道形成的随机性，导致其不同单元以及同一单元的不同循环次数之间的性能会存在一定程度的差异和浮动，因此如何提高阻变器件的一致性和稳定性也是目前该领域的研究热点。基于该研究现状，本论文也将重点围绕这几个热点问题进行探讨和研究，旨在获得具有超低功耗和高一致性的硅基阻变存储器，并且对其阻变机制获得较为深入的了解和认识。　　在本论文中，我们通过引入氢化氮化硅薄膜来实现超低功耗硅基阻变存储器，对该器件的阻变特性、性能提升以及物理机制进行深入系统地讨论和分析。其研究内容分为以下几个部分:　　在第一部分，我们首先利用PECVD系统制备了不同N/Si比的a-SiNx∶H薄膜，研究了N/Si比对Al/a-SiNx∶H/p+-Si阻变器件的双极阻变特性的影响。该器件随着N/Si比的升高，其forming电压、set/reset电流也随之降低。通过摸索和测试，我们发现当N/Si比达到1.17时，Al/a-SiN1.17∶H/p+-S1器件的编程电流可以到达到1μA以下，操作电压在2.5V左右，这比目前国际上通常报道的阻变存储器的最低功耗降低一至两个数量级。因此这里我们成功获得了超低功耗的硅基阻变存储器件，并且可以通过调控N/Si比来调节器件的工作电流。经过进一步地研究分析和实验验证，本文提出该超低功耗器件的阻变机制是基于氢离子移动的硅悬挂键导电通道模型。器件在电场作用下首先发生Si-H键的热断裂过程形成硅的悬挂键。随后键断裂产生的氢离子在正反向电压驱动下来回移动使得硅悬挂键导电通道连接或者断开，从而引起器件高低阻态的转变。　　在第二部分，本文提出利用脱氢处理改变器件初始硅悬挂键含量，来提升超低功耗Al/a-SiN1.17∶H/p+-Si阻变器件的一致性和稳定性。我们在真空中对器件分别进行10min的400℃、500℃、600℃退火来实现脱氢。结果发现该器件初始态电流随着脱氢温度的升高而逐渐增大，并且400℃、500℃脱氢后的器件仍然可以表现出超低功耗的双极阻变特性，且其具有更低的操作偏压。同时，脱氢之后的器件在一致性和稳定性方面相比原始未脱氢的器件都有明显的提升。对于400℃脱氢处理的器件，其在1000多次的循环扫描中，高低阻态电流均表现出非常高的一致性，性能的浮动大大减小，其阻变开关比也可以提高到100倍左右。因此，通过脱氢处理我们可以获得具有高一致性、高稳定性和较大开关比的超低功耗硅基阻变存储器。本文认为一致性的提升是由于器件脱氢之后在薄膜中形成了一些预置的硅悬挂键，导电通道更倾向于在这些有硅悬挂键的地方形成，从而大大减小了导电通道形成的随机性，降低了阻变过程中的电流浮动。　　在第三部分，鉴于目前难以直接有效地观测阻变中空位陷阱态的变化，本文首次提出将瞬态电流应用到阻变存储器的研究中，利用原位瞬态电流谱来观测分析超低功耗Al/a-SiN1.17∶H/p+-Si阻变器件中硅悬挂键的演变过程。其原理是在对薄膜施加脉冲电压并移除时，由于薄膜内的陷阱态会发生充放电，从而产生一个瞬态衰减电流，通过测试该电流便可以获得薄膜内陷阱态密度和分布情况。在对Al/a-SiN1.17∶H/p+-Si器件进行阻变操作时，我们发现其瞬态电流的值也会随着阻变操作而动态地发生变化。当forming或者set时，瞬态电流增加;当reset时，瞬态电流减小。瞬态电流的改变量反映了器件中硅悬挂键在阻变过程中的变化量大小，这不仅进一步验证了硅悬挂键导电通道在阻变过程中的重要作用，并且对该器件的阻变机制和物理过程获得更为直观清晰的认识。　　在第四部分中，本文研究了富硅SixN/SiyN多层膜退火之后形成的多层纳米硅镶嵌结构并讨论了该结构对免电激活阻变特性的实现。该结构的特点是在每个子层中均含有纳米硅晶粒，并且在SixN和SiyN子层中晶粒大小不同，具有一大一小两种尺寸分布。我们发现该多层膜在退火过程中存在一个有趣的原子迁移现象，Si原子从硅含量较少的SiyN子层迁移到硅含量较高的SixN子层。接下来的电学特性测试显示，该结构的阻变存储器具有免电激活的单极性阻变特性，其forming电压小于set电压。我们认为这是由于薄膜中的纳米硅结构提升了器件初始时的导电性，并且这些分隔开的多层纳米硅在初始态中组成了一些不连续的导电通道，这使得forming时更容易形成连续的导电通道，最终导致具有免电激活功能的阻变特性。