FLASH存储器是目前非挥发性半导体存储器市场上的主流器件。但是随着微电子技术节点不断向前推进，基于传统浮栅结构的FLASH技术正在遭遇严重的技术难点，其中最主要的问题是其随技术代发展的可缩小性受阻。在这种局面下，工业界和学术界对下一代非挥发性半导体存储器技术的研发，主要体现为两种趋势。一是尽可能将目前的FLASH技术向更高技术代(45 nm甚至32 nm)推进。另一个趋势就是在FLASH技术达到其物理极限而无法继续推进后，采用完全不同的新技术和新存储原理。本文从改进型和革命型这两种方案入手，研究了以纳米晶浮栅存储器和阻变存储器为代表的下一代前瞻非挥发性半导体存储器。　　 在纳米晶浮栅存储器中，我们从器件结构和能带的角度出发分析了提高纳米晶浮栅器件性能的途径。建立了纳米晶浮栅存储器的电荷保持模型。该模型考虑了量子限制效应对金属纳米晶和半导体纳米晶能带结构的影响，详细研究了纳米晶的材料、纳米晶的尺寸、高k隧穿介质材料、隧穿介质层的厚度对纳米晶浮栅存储器数据保持特性的影响。理论分析结果表明，金属纳米晶存储器比半导体纳米晶存储器具备更好的数据保持特性。同时高k介质的引入也可以大大提高纳米晶存储器的性能。在实验上，通过电子束蒸发金属薄膜结合快速热退火处理(RTP)的方法，制备了Au，Co，Ni三种金属材料的纳米晶，发现Au纳米晶具有较高的密度(4×1011/cm2)、合适的尺寸(6-7衄)和均匀的尺寸分布。根据所得到的制备Au纳米晶的工艺条件，制作了SiO2栅介质中嵌入Au纳米晶的MOS存储结构，并用电学测试方法分析了其电荷存储特性和电荷保持特性。实验数据表明，Au纳米晶浮栅存储器具有良好的电荷俘获特性，并且比Si纳米晶浮栅存储器具有更好的C-t特性，证明了上述从器件模型中得到的结论。　　 在阻变存储器(RRAM)中，我们把研究的注意力集中在材料组分简单、容易控制，制造工艺与CMOS兼容的二元金属氧化物上，创新性地研究了掺杂二元金属氧化物的电阻转变特性。主要研究了Au/ZrO2:Au/n+ Si，Au/HfO2:Cu/n+ Si和Cu/ZrO2:Cu/Pt这三种材料结构的阻变特性，分析了各自电阻转变的可能机制，发展了一套测试器件性能参数的电学测试方法。实验结果发现在二元金属氧化物中掺杂可以有效的提高器件的成品率，我们认为这是由于人为引入的杂质能够调制与阻变密切相关的缺陷的分布和类型。这项结果使得掺杂的二元金属氧化物材料具有很大的RRAM的应用潜力。我们还基于Cu/ZrO2:Cu/Pt的材料结构，制备了8×8的64 bit阻变存储器交叉阵列。所成功制备的存储阵列最高存储密度达到277.78 Mb/cm2。