随着诸如手机、MP3、MP4、笔记本电脑等便携式个人设备的逐渐流行,以及近年来计算机技术、互联网技术以及新型大众化电子产品的高速发展,非挥发性存储器在半导体行业中扮演越来越重要的角色。非挥发性存储器最大的优点在于在无电源供应时存储的数据仍能长时间保持下来。目前市场上的非挥发性存储器以闪存(Flash)为主流,占半导体存储器市场的绝大份额。但是随着半导体技术节点不断向前推进,基于传统浮栅结构的Flash技术正遭遇到严重的技术瓶颈,其中最主要的问题就是Flash在器件尺寸缩小化过程中存在操作电压大、操作速度慢、耐久力不够好、功耗高等缺点,这在很大程度上限制了其在市场以及高科技领域的广泛应用。因此,业界对下一代非挥发性存储器技术进行了大量的研究,目前已研制出多种有望取代Flash存储器的新兴非挥发性存储器,如铁电存储器(FRAM)、磁存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)以及阻变存储器(RRAM)。阻变存储器由于其具有高的读写速度、低的功耗、高集成度、多值存储能力、低成本等优势,因此引起了人们极大的兴趣并一度成为现阶段研究的热点。本文将研究RRAM的注意力集中在材料组分更加简单、制备过程更加容易、制造工艺与CMOS兼容的二元金属氧化物上,主要开展了基于ZrO2、WO3以及TiO2材料RRAM器件电阻转变特性以及电阻转变机理方面的研究工作。基于ZrO2材料制备了一种ZrO2:TiOx双层结构器件,实验结果发现,当在Zr02和上电极材料之间插入一薄层的TiOx缓冲层能够改善器件的电阻转变特性,尤其是器件由高阻态向低阻态转变所需要的Set电压明显降低。其次,选择Ag作为电极材料制备了一种简单的Au/ZrO2/Ag结构器件,该器件具有更低的操作电压(<1V)、较高的电阻比率(104)、较快的操作速度(50ns)、接近100%的器件产率,并且该器件在室温以及85℃都具有很好的保持特性。此外,我们对Cu/ZrO2:Cu/Pt器件中观测到的不稳定Reset现象的物理机制进行分析。研究了不同电极材料对WO3薄膜电阻转变特性的影响,发现Cu作为上电极的Cu/WO3/Pt结构器件具有更好的电阻转变特性,通过电学测试对导致这种优良电阻转变特性的原因作了分析。其次,对Cu/WO3/Pt结构器件的多级存储特性进行了研究,采用小步长的测试方法分析了引起这种多级存储的物理机制。在基于TiO2材料的RRAM器件方面,采用退火的方法改善器件的性能。其次,制备了一种与CMOS工艺完全兼容的具有Al/TiOx/Al简单结构的RRAM器件,并对这种器件的电阻转变特性进行了研究。