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随着微电子工业中器件特征尺寸的不断缩小和栅氧厚度的不断减薄，现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限。应变Si因为它可以通过提高载流子迁移率而极大的提高器件运行速度并且和传统体硅工艺兼容等优势而迅速成为研究热门；同时，三维集成电路工艺因其能使单位面积芯片上器件集成度成倍提升而受到极大重视。本论文基于此开展了一系列研究工作，获得的主要结果如下：
(1)提出了Ge浓缩后退火工艺的改进，获得了组分更加均匀、位错密度极低的超薄SGOI材料，首次解决了浓缩工艺中Ge聚集的问题：利用Ge浓缩技术成功制备具有不同Ge组分的超薄SGOI衬底材料，首次掌握了Ge组分可控的浓缩方法。
(2)探索了应变硅材料的制备方法。使用超高真空电子束蒸发(UHVEBE)在SGOI衬底上初步获得晶格质量良好的应变硅，应变度为0.7％，但应变硅薄膜并不完整；随后采用超高真空化学气象沉积(UHVCVD)在较低的温度下获得了完整的应变硅薄膜，应变度达到1%，相应应力1.7GPa。制作了一批6寸应变硅圆片，表征显示圆片应变硅薄膜表面平整均匀，粗糙度低于1nm，符合半导体器件的制备标准。
(3)研究了应变硅的尺寸效应，发现应变硅材料在尺寸缩小到300nm以下时发生应力弛豫，由于实际衬底超薄SiGe层的牵制作用，应力弛豫相对较小；表征了关键的器件制备工艺对应变稳定性的影响，结果表明栅氧化、离子注入与退火工艺处理后应变Si应力弛豫并不明显。
(4)针对sSOI、SOI和SGOI三种衬底，分别进行了n型和p型MOSFET原型器件制备，并进行了电学测试。结果表明，sSOI器件中电子和空穴有效迁移率比超薄SOI衬底分别提高50%和40%。
(5)探索了实现三维相变存储的方法，利用SOI的特征，使用腐蚀自停止技术结合低温等离子体活化键合法，首次实现单晶硅二极管到含金属字线的绝缘介质层上的转移。
(6)基于低温等离子键合技术，采用硼氢共注入的Smart-Cut方法，在300℃以下实现了单晶硅二极管的转移并获得了0.35mA/um2的驱动电流密度。初步制备了1DIR的存储单元结构，为高密度三维相变存储器的开发打下了工艺基础。