以大数据、云计算、物联网和人工智能等技术涌现为标志,人类社会已逐步向信息化时代迈进。面对信息化社会的海量数据挑战,开发新型存储器件和新型计算架构被认为是解决数据存储和数据处理问题的关键。在非易失性存储器应用方面,忆阻器具有高速、低功耗、高密度和易制备等优点,有望取代闪存成为下一代存储器的主力技术。在逻辑运算和神经形态计算应用方面,忆阻器以其信息存储及与处理融合的特点,有利于打破传统冯诺依曼架构瓶颈,实现新架构下信息处理的高速化、并行化和智能化。本论文围绕忆阻器这一主题,按照“材料分析—工艺制备—器件特性表征—机理分析—应用举例”的大致步骤,对几种与CMOS工艺兼容的金属氧化物材料展开研究,具体内容如下:(1)采用LDA-1/2赝势方法对2×2×2的氧化亚铜超原胞进行第一性原理计算,得到富铜/缺氧和缺铜/富氧两种条件下各种点缺陷的形成能,配合X射线衍射、X射线光电子能谱和激光共焦拉曼光谱等方法对溅射制备的氧化亚铜材料的分析,证明铜空位缺陷是氧化亚铜材料的主要点缺陷,并且铜空位缺陷的存在是材料呈现P型导电特性的原因。在此基础上,研制了Crossbar结构的Cu/Cu2O/Ti W忆阻器,通过电学特性拟合、温度特性测试和交流阻抗测试方法,对器件处于高、低阻态下的导电机理进行研究,提出Cu/Cu2O界面肖特基势垒和铜空位导电丝共存的导电模型。(2)采用多种测试方法探究钌掺杂对氧化铝薄膜特性的影响,发现钌元素以离子形式分布在氧化铝材料中,且薄膜的高电导区域随机分布,有利于多导电通路的形成。通过Pt/Al2O3/Ru平面器件的初始化实验证明了钌可以活性电极的形式参与器件的电阻转变过程。实验制备的Cross-point结构Pt/Al2O3:Ru/Ru器件和Pt/Al2O3/Ru器件均具有稳定的阻变行为,但前者相较后者具有更好的电阻渐变特性,前者可在3 V/500μs和-3 V/1.5 ms两组脉冲序列作用下实现器件电导的线性对称调控。通过分析掺杂器件在不同工作电流下的导电机理,可以判断线性对称电导变化来源于钌构成的多导电通路结构。另外,当工作电流比较大时,掺杂器件初始化形成的强壮导电通路起主导作用,其尺寸的改变是器件具有多值存储特性的原因。(3)研究发现基于非晶Hf O2材料的简单三层结构Ti/Hf O2/Pt忆阻器具有良好的阻变性能与多值存储特性,其阻变行为来源于指数型电荷陷阱分布决定的空间电荷限制导电机理。从功能层厚度和器件面积两个方面探讨了尺寸微缩对器件阻变参数的影响,测试发现功能层厚度的减小有利于操作电压的减小与阻变窗口的增大,而面积的减小则产生相反的作用,器件尺寸微缩时需要折衷考虑二者的影响。(4)通过两步光刻工艺制备的Cross-point结构Pt/Hf O2/Ta忆阻器具有稳定的忆阻特性且其开关窗口可调。小开关窗口模式的直流阻变参数一致性较好,同时具有良好的脉冲特性,可在1.9 V/200 ns和-2.8 V/200 ns的脉冲作用下实现106次稳定的开关循环,开关窗口10倍左右,高、低阻保持特性良好。另外,器件操作所需的脉冲宽度可进一步缩小,实验实现了20 ns脉冲作用下的稳定阻变。(5)以增强型NMOS晶体管为例,分析了1T1R结构忆阻器在两种不同开关操作方式下的表现,确定本研究采用的1T1R器件集成方式。利用商业化代工厂提供的6英寸晶圆,开发出在晶体管阵列上集成忆阻器的后段制程工艺,制备了不同尺寸的1T1R阵列并以Pt/Hf O2/Ta器件为例对其结构和材料组成进行微观分析。1T1R结构Pt/Hf O2/Ta器件阻变参数的一致性比Cross-point结构器件更好,另外,1T1R结构器件低阻线性度高,在低压区可看作固定电阻,有利于一些基于矢量矩阵乘法运算应用的实现。采用Ir和Pd两种金属替换与CMOS工艺不兼容的Pt金属,制备的器件同样具有良好的阻变性能。(6)基于可同步操作的新型阵列测试系统,设计了一种可实现高精度电导调控的阵列测试方法。利用这种通用编程测试方法,不仅可以实现SET、RESET和READ等基本电学操作,还可实现任意电导矩阵的写入。以二维离散余弦变换为例,在硬件上完成了20:3比例的图像压缩,经软件重构的压缩图像仍保持了较好的画面质量。