大数据、物联网、云计算等信息技术的快速发展使人类社会的数据量爆炸增长,现有器件基础与计算架构已难以满足日益增长的信息处理、传输和存储的需求。忆阻器高速、高集成度、低功耗、非易失性、存算一体化的性能优势使其有望成为下一代通用型存储器和神经形态计算等突破性技术的关键基础器件。氧化铪基忆阻器具有出色的阻变性能,擦写速度快、大开关比、高可靠性、良率高以及多值存储能力,是目前开发最成熟的阻变存储器之一。同时,掺杂HfO2薄膜中的铁电性也为低功耗铁电忆阻器的发展提供了新路线。本研究以高性能忆阻器的大规模集成为目标,对高性能氧化铪基忆阻器展开研究,通过设计新型氧化铪基忆阻器件来解决其存在的阻值渐变调控问题和功耗问题,基于优化后的器件研究了氧化铪基忆阻器的规模集成方法并流片,为忆阻器在芯片中的大规模集成应用提供器件基础和集成方案。论文的主要研究内容与成果如下:首先,制备了Ti/HfOx/TiN忆阻器并对其阻变性能进行了测试和分析,器件表现出典型的二值型阻变行为,存储窗口＞10倍,擦写速度≤50 ns且无需初始化,适合作为二值存储器件所用。但是器件的多值调控能力较差,直流多值调控下RESET过程能够实现55阶渐变中间阻态,但SET过程仅为20阶且存在明显跳变和阻态混乱现象;电导值可以在25～250μS的范围内通过100 ns脉冲实现50阶渐变调控,但存在电导值跳变现象。同时,RESET过程操作电流较大（～1 m A）,存在操作功耗问题。通过对其电学行为和导电机制的分析发现,HfOx忆阻器阻变行为由粗壮氧空位导电丝的通断主导,从而导致了器件在多值渐变调控能力和功耗方面的问题。针对HfOx忆阻器阻值渐变调控能力差的问题,本研究设计并制备了Ti/（HfOx/AlOy）SLL/Ti N类超晶格忆阻器,利用氧空位迁移势垒更高的Al2O3原子层,在HfOx功能层中周期性地设置势垒层来增强对氧空位迁移以及导电丝形成与断裂的调控能力。类超晶格功能层参数优化后的器件表现出双向模拟型阻变行为,直流多值调控下SET和RESET过程分别具有160阶和62阶中间阻态,且无跳变现象。器件具有出色的突触特性,100 ns固定脉冲操作下能够在20～120μS之间实现100阶电导的连续渐变调控,并且具有良好的突触权重更新线性度和长时程突触可塑性。通过卷积神经网络验证了器件突触性能在神经网络中的先进性,手写字体识别率达到了94.95%。此外,器件具有高速操作能力,最小操作脉冲≤10 ns,单个脉冲最小平均操作功耗～10 p J,能够在30 ns固定脉冲下实现电导值的高线性连续渐变调控并且能够稳定循环。通过导电机制拟合和第一性原理计算分析了器件的阻变机制。由于AlOy势垒层对氧空位迁移和导电丝形成的限制作用,器件的阻变行为由类超晶格功能层中的多条弱氧空位导电丝主导,脉冲调节下具有导电丝数量、尺寸以及与下电极之间的距离三个可以缓变调节的因素,从而具有更多的中间状态。针对氧空位型氧化铪基忆阻器存在的功耗问题,设计并制备了Hf0.5Zr0.5O2（HZO）基铁电低功耗忆阻器,器件具有约100倍的存储窗口,最大操作电流仅200 n A,较HfOx忆阻器降低约10~4。探究了HfO2基铁电薄膜的制备与表征测试方法,优化后的10 nm HZO铁电薄膜表现为多晶薄膜,铁电性来源于正交相晶粒,薄膜剩余极化强度为±12μC/cm~2,矫顽场为1.2 MV/cm和-0.68 MV/cm,击穿电场约为3.6 MV/cm。根据HZO薄膜导电机制的分析发现,高温下氧离子脱离晶格位点形成氧空位缺陷使薄膜铁电性增强漏电流变大,说明HZO薄膜中一定量氧空位的存在能够导致非铁电相晶粒向铁电相发生相变并且增强其铁电性。铁电忆阻器的存储窗口主要发生在负电压下,通过F-N隧穿导电并且由于铁电极化对能带的调制作用而形成存储窗口。但是HfO2基铁电忆阻器目前仍存在可靠性较差的问题而无法实际应用。最后,基于HfOx和HfOx/AlOy类超晶格两种高性能器件进行了忆阻器的规模集成研究。提出了一种忆阻器CMOS后道工序集成结构,开发了基于Al金属互连和Cu金属互连技术的两种忆阻器规模集成方法,在对忆阻器CMOS兼容性进行优化后进行了8英寸晶圆流片验证。研究了CMOS后道温度、Ti储氧电极厚度以及器件尺寸微缩效应对器件性能的影响规律。流片的类超晶格忆阻器具有96.15%的良率、30～100倍的存储窗口和较好的一致性。基于类超晶格忆阻器设计的1 kb忆阻器向量矩阵乘法运算阵列能够以＞99.53%的输出电流精度完成矩阵运算。研究中总结的4种CMOS兼容性要求、4种忆阻器失效模式、忆阻器器件参数分布规律以及忆阻器-晶体管参数匹配方法对忆阻器的大规模集成及电路设计具有重要参考价值。