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随着超大规模集成电路的发展，集成电路的特征尺寸越做越小，我们常用的Flash存储器，由于尺寸缩小后电荷泄露，正遇到技术瓶颈。阻变存储器（RRAM）是一种结构简单的非挥发性的存储器，其结构单元为金属-绝缘体-金属（M-I-M）的三明治结构；读写速度快，可达到纳秒量级；集成密度高，可缩小至几个纳米的特征尺寸。因此阻变存储器很可能成为取代Flash存储器的下一代非挥发存储器。在RRAM的研究过程中，阻变机理、低功耗、多值存储等一直是该领域的研究热点。本文中采用叠层结构的方法，制备出低功耗、多值HfO2阻变器件，并且运用导电机理、电容特性、温度特性等分析阻变机理。在基础工艺方面，由磁控溅射TiN电极，通过使用衬底偏压增强溅射离子能量，制备出亚纳米量级平整度、高电导率的TiN电极；使用射频磁控溅射工艺，沉积出慢沉积速率（<1nm/min）、亚纳米量级表面平整度的HfO2介质薄膜。首先，研究了单层阻变层的Ni/HfO2/TiN结构的阻变特性。通过温度特性对导电机理进行研究，低阻态为金属特性，高阻态为Ni/HfO2形成的肖特基发射。其次，通过快速热氧化（RTO）工艺，在TiN电极上制备6nm的低电阻TiOx薄膜，其具有较高电子注入能量，形成Ni/HfO2/TiOx/TiN结构，该结构具有nA量级的阻变，通过理论分析，阻变机理为SCLC阻变机理。通过同样的方法，使用RTO工艺，在TiN电极上制备6nm的AlOx薄膜，AlOx为宽禁带半导体，提供了一个电子遂穿层，Ni/HfO2/AlOx/TiN同样能实现几十nA量级的阻变。最后，引进了新型VOx材料应用于HfO2阻变器件。Al/VOx/CuO/Cu具有不对称的双向限流作用，与Ni/HfO2/TiOx/TiN器件进行串联，为该HfO2阻变器件提供限流，形成1C1R结构。通过HfO2、VOx叠层结构，Cu/VOx/HfO2/TiN实现低功耗和多值存储，并通过电化学蒙特卡洛模拟，与实验结果相一致。本文以研究基于HfO2阻变存储器件的机理为阻变器件的设计基础，通过在HfO2和TiN电极界面插入TiOx、AlOx介质层，实现了nA级低功耗HfO2阻变器件；并通过引进新型VOx材料，实现1C1R新型器件结构，HfO2/VOx叠层结构实现低功耗，多值存储。