随着便携式消费类电子产品的蓬勃发展,人们对非挥发存储器的容量和集成密度提出了越来越高的要求。为了提高存储器的集成密度,器件尺寸不断缩小,多值存储技术获得越来越广泛的应用,3D堆叠技术也逐渐成为研究热点。然而,器件尺寸的缩小终将走向物理极限,多值存储技术的可靠性及其它各项性能也都存在很多问题,而3D技术则因面临材料选择、器件结构、工艺实现难度等诸多艰巨的挑战也暂时不会迅速推广,因此,为了实现更高的数据存储密度、更小的单位比特成本,急需一种新型的与CMOS工艺高度兼容的存储器结构。阻变存储器(RRAM)及其三维集成的新型存储器由于简单的器件结构、紧凑的存储阵列、优良的存储性能和与现有CMOS工艺的高兼容度,成为最具潜力的解决方案之一。本文针对现有高密度非挥发存储技术中尚未解决的问题,开展了阻变介质的材料筛选、器件结构及存储性能、多值特性和三维集成等多方面的研究工作。为了遴选出适用于高密度阻变存储器件的存储介质薄膜材料,研究中制备了基于高k材料、碳基材料、有机高分子材料等的RRAM器件,分析其阻变存储特性、物理机制和可靠性等,并综合比较优选出以HfO2为基础的阻变材料体系。在RRAM器件辐照特性的研究中,论文提出了一种混合导电细丝模型,较好地解释了辐照引起的存储性能退化现象。针对RRAM器件的多值存储性能,一方面,提出了一种优化的电压-电流综合调节的操作方法来增大存储窗口并提高存储数据的可靠性;另一方面从材料和器件的角度,探索了叠层结构对多值存储性能的改善,同时建立了RRAM器件中导电细丝的微观模型,并利用仿真软件对这一模型进行了模拟分析,从而指导多值存储器件的优化设计。围绕三维存储技术,分别对交叉点阵结构和垂直环栅结构的器件进行了研究。在交叉点阵结构的三维存储器研究中,设计了一种新型的高性能选择开关器件及其存储阵列架构和操作方法,研究了选择器件与阻变介质薄膜在三维集成中的工艺制备技术。在垂直的环栅型三维存储器研究中,实验分析了多层环栅器件的存储性能,并从存储阵列、操作方法、外围电路等多方面,初步探索了新型环栅器件在三维高密度阻变存储器应用中的实现方案。