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随着MOSFET器件尺寸的减小，尤其是栅电极SiO2介质层厚度的减小，出现了漏电流增大与器件可靠性降低两大问题。使用高介电常数(High-K)材料替代SiO2作为栅介质可以在保持电容不变的同时减小漏电流，为解决因器件尺寸减小带来的相关问题提供有效途径。但与此同时，High-K材料替代SiO2也会产生新的问题。本论文使用导电原子力显微镜相关技术对局域电应力作用下High-K材料的失效机理进行了研究，并对使用High-K材料作为阻变功能层的阻变特性进行了表征。通过研究，得到以下结果: 1.利用CAFM测量了电压应力下HfO2栅介质的漏电流，研究了HfO2栅介质击穿及漏电流在介质中的传导机制，发现电应力作用下栅介质缺陷聚集形成导电通道是其漏电流产生的主要原因，此外电应力作用下栅介质中产生的陷阱俘获介质中的电子并使其受激发也对漏电流有贡献。在击穿过程中，电应力在诱发漏电流产生的同时产生焦耳热，对High-K介质表面造成热损伤，使介质表面出现凹陷。解释了HfO2介质层击穿与SiO2界面层击穿的不同阶段。 2.研究了HfO2晶粒与晶界处的漏电特性，发现晶界处的漏电强于晶粒，分析表明晶界处聚集的缺陷密度高，在电应力作用下，晶界处更容易形成导电通道输运载流子，在电应力作用下晶界处首先产生漏电流，并更容易发生击穿。分析了退火温度和厚度对HfO2介电特性的影响。 3.测量了Y2O3薄膜的局域阻变特性，观察到了电阻开关效应。分析了Y2O3的电阻开关机理，表明外加电压极性的改变引发了氧空位在正、负电极之间的迁移，造成传导细丝通道的产生与断裂，引起阻态的翻转。研究了薄膜厚度和退火温度对Y2O3阻变性能的影响。制备了以石墨烯为底电极的Y2O3阻变结构并对比研究了其阻变特性，发现石墨烯改善了Y2O3与电极的界面接触，使其开关电压降低。 4.研究了多晶Y2O3中晶粒与晶界的阻变特性。多晶态Y2O3晶界处的缺陷浓度更高，漏电性更强，容易产生漏电流，可在较低电压下发生击穿，形成传导细丝通道，相比晶粒，阻变特性更多的发生在晶界处。