随着微电子技术的不断发展,半导体工艺也不断向更小尺寸推进。由于受到器件性能要求的限制,目前主流的基于MOS结构的Flash非易失性存储器的可缩小性受到限制。为了克服当前非易失性半导体存储技术发展所面临的困难,目前国际上学术界和工业界的研究主要聚焦在两种有潜力和希望的下一代非易失性存储技术上——阻变型非易失性存储技术和纳米晶浮栅结构的非易失性存储技术。这里以寻找适合应用的新型非易失性半导体存储技术为目标,基于上述两种新型非易失性存储技术作为研究对象,分别针对两个研究方向——对阻变型非易失性存储器单元电路的结构设计和性能研究,和对纳米晶浮栅结构的非易失性存储器件的结构和材料改进,展开了研究工作。　　阻变型非易失性存储技术(RRAM)的数据存取速度能与静态随机存储器(SRAM)相匹敌,而可实现的存储容量能赶上NAND型的Flash存储器件。并且RRAM两端的器件结构简单,制备工艺兼容于传统的半导体加工技术,器件的可缩小性良好,且相对于CMOS工艺的步骤更加简化,生产成本更低。阻变型非易失性存储器相对于传统的半导体存储器表现出了很大的优势,非常适合工业大批量生产。为了进一步确定阻变型非易失性存储器的擦写速度、器件功耗和集成度等实用化的性能指标,本文以阻变型非易失性存储单元的电路结构设计为着手点,并针对不同的存储阵列电路结构,分析存储单元的器件面积、延时和功耗特性。使用HSPICE电学仿真软件,针对双极型和单极型两种不同的电阻转变类型和不同的器件工艺尺寸,对阻变型非易失性存储单元电路的延时和功耗性能进行了模拟,对仿真结果进行比较分析。确定了1T1R结构电路单元更适用于双极型的阻变型非易失性存储器件,而1D1R结构电路单元只适用于单极型的阻变型非易失性存储器件。同时,模拟结果为确定制备阻变型非易失性存储器的性能指标提供了参考。　　在对纳米晶浮栅结构非易失性存储器的研究中,从器件结构和能带的角度出发分析了提高存储器件性能的可能途径。建立了纳米晶浮栅结构的存储模型,并在模型中考虑了量子限制效应对纳米晶存储性能的影响。基于模型计算,分析了纳米晶材料、high-κ隧穿介质材料和厚度对纳米晶浮栅结构存储性能的影响。分析结果表明,金属纳米晶比半导体纳米晶具有更好的数据保持特性,引入high-κ介质可以很大程度提高浮栅结构的存储性能。higk-κ介质较低的能带势垒高度有利于加快数据擦写速度,缩短存储操作的编程工作时间,降低擦写操作的工作电压;higk-κ介质数倍于SiO2材料的介电常数,保证了相同等效氧化层EOT厚度的higk-κ介质可以提供数倍于SiO2材料的物理厚度,有利于提供更好的数据保持特性。同时,本文通过电子束蒸发加快速热退火成晶的方法,在higk-κ介质材料上制备Au金属纳米晶材料,制作了MIS结构(Si/ZrO2/Au Ncs/SiO2/Al)的存储单元,针对该存储单元的电荷存储能力和电荷保持特性进行测试,并对测试结果进行分析。实验数据验证了上面的存储模型和分析结论;表明结合金属纳米晶材料和high-κ隧穿介质的方法,可以大幅度提高纳米晶浮栅结构非易失性存储器的综合存储性能。