近年来,在智能手机、平板电脑等消费电子产品的逐步普及和基于互联网技术的智能产品不断发展的推动下,市场对大容量、高密度、低功耗和低成本的非易失性存储器的需要量越来越大。为适应这一要求,半导体制造技术在摩尔定律的指导下不断改进。然而,在半导体工艺节点不断向前推进的过程中,以基于电荷存储机制的浮栅结构Flash为代表的非易失性存储器遇到了严重的技术瓶颈—由于栅氧化物减薄导致的电荷泄漏、器件间距减小引起的电荷耦合等,另外还存在操作电压大、工作速度慢等缺点,无法满足市场对非易失性存储器的超高存储密度等要求。因此工业界和学术界对下一代非挥发性存储器技术展开了深入的研究,一些新型的存储器技术如铁电存储器(FRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)得到了人们的广泛关注。其中,阻变存储器由于具有器件结构简单、制备工艺简单且与现今CMOS工艺兼容、操作电压低、擦写速度快、多值存储和极佳的尺寸缩小功能等突出优点而被认为是下一代非挥发性存储器的最有力的竞争者之一。本文主要基于ZrO2、HfO2这两种与现代CMOS工艺兼容的、材料组份易于控制、制备工艺简单的二元过渡金属氧化物材料,开展了RRAM器件的掺杂改性以及电阻转变机理等方面的研究工作。采用低能离子注入工艺制备了基于Hf02材料的Pt/Ti/HfO2:Al/Pt和Pt/Ti/HfO2:Si/Pt器件。实验结果表明,采用离子注入手段对金属氧化物材料掺杂后,可有效地改善器件的电阻转变特性,如降低了器件的转变电压、提高了器件的耐受力特性等。另外,采用NH3等离子体处理的方法在HfO2薄膜中掺入N后,Pt/Ti/HfO2:N/Pt器件展现出优秀的器件均一性和可靠性,并通过材料分析手段揭示了N掺杂对器件性能改善的原因。采用小电流恒流应力(CCS)处理的方法对Cu/ZrO2/Pt器件进行预处理,器件的初始电阻降低了约两个数量级(Cu电极加正偏压)。CCS处理后器件的forming电压及reset电流都得到了较大的改善,并且器件的电阻转变特性也得到了较大的提高。通过简单的模型分析,小电流恒流应力处理可有效地降低器件的转变电压,降低了器件状态转变时过冲电流对器件的影响,从而改善了器件的性能。用原位TEM分析的手段对Ni/ZrO2/Pt器件的电阻转变过程进行分析,发现Ni/ZrO2/Pt器件中导电细丝主要由Ni元素构成,并根据实验结果对Ni/ZrO2/Pt器件的电阻转变过程进行了阐述,证明Ni是除Cu、Ag外的第三种可氧化金属,可以作为易氧化电极材料用于CBRAM中。