在过去的几十年内,以阻变式存储器为代表的新型电子器件受到科研界的广泛关注,并展现出可观的应用前景。由于良好的电学性能以及高度可堆叠的集成特性,基于过渡金属氧化物（TMOs）的两端式阻变式存储器被认为是克服传统互补金属氧化物半导体（CMOS）技术缺点,发展下一代计算存储技术的最优选择之一。对于绝大多数氧化物阻变式存储器,器件介电击穿行为的本质是绝缘材料内部形成连接两端电极的导电纳米细丝。导电细丝的反复形成和断裂使得器件能够在高阻态（HRS）和低阻态（LRS）间实现可控切换。TMOs是最主流的一类阻变式介电薄膜材料,包括二氧化铪、三氧化二铝、五氧化二钽、二氧化钛等。氧化物基阻变式存储器的二元阻变或者多态电导调控能力赋予它们诸多潜在的应用,如非易失性存储、内存内计算以及模拟人工神经网络中的电子突触等。然而,大量研究表明,TMOs基阻变式存储器也存在非理想的器件性能以及器件可靠性问题。例如,新制备的器件在电形成和置位阶段容易发生电流过冲失效;在阻变循环过程中,阻变转换电压和转换时间等众多阻变参数存在随机分布的特性;多态阻变转换中的电导调控也存在非线性和非对称性等不理想特征。这些都是阻变式存储器技术在商业化进程中必须克服的问题。这篇博士论文专注于研究以两种氧化物（二氧化钛和二氧化铪）为介电薄膜材料的阻变式存储器。从介电击穿的角度理解器件的堆叠特性,结合薄膜的微纳表征以及大量的电学测量来评估器件在阻态转换操作中的可靠性和失效原因,并提出相对应的解决方法。从结构上本论文分为五个章节:第一章首先介绍了以阻变式存储器为代表的新型信息存储技术,并比较分析了阻变式存储器的主要优势。随后,介绍了由材料控制的两种主流的阻变转换机制,以及三种常见的用于搭载阻变式存储器的交叉点阵列结构。此外第一章还介绍了阻变式存储器在逻辑计算、模拟计算和随机计算三个领域的潜在应用。在第一章的最后,我们从本论文的选题出发,探讨了当前阻碍阻变式存储器发展的主要问题,分析了该论文选题的依据和研究内容。第一项工作以研究二氧化钛阻变式存储器的介电击穿和电形成为主要切入点,探究二氧化钛薄膜沉积方法对器件电形成和阻变性能的影响（原子层沉积和磁控溅射）。实验结果证明,富缺陷态的磁控溅射薄膜更有利于器件实现阻变操作,有效抑制了电形成过程中过度击穿而带来的电流过冲失效。同时,实验通过使用不同的电极材料来优化两种薄膜的阻变转换行为。其次我们通过电学测量和多尺度模拟统计分析了二氧化铪薄膜在不同电压编程（极性和电压模式）下的电形成和介电击穿行为。实验发现,相较于惰性电极材料,氧活性电极镍的使用有效降低了电形成电压和电形成时间。同时,在相同的电形成极性但不同的电压模式下,二氧化铪器件表现出相对统一的电形成动态电流变化。第四章的工作首次使用原子层沉积系统在钽金属衬底上通过原位氧化的方法制备非化学计量数的氧化钽薄膜,使用该方法可以在原子层沉积系统中制备非化学计量配比氧化物/化学计量配比氧化物的双氧化层堆叠。双氧化层薄膜的堆叠次序和薄膜厚度通过X射线反射（XRR）和飞行时间二级离子质谱（ToF-SIMS）得以证明。在此工艺的基础上,我们设计并制备了基于氧化钽/二氧化铪的双氧化层阻变式存储器。通过系统的表征和研究,第四章主要介绍了双氧化层阻变式存储器的各项电学性能。与单层二氧化铪器件相比,氧化钽/二氧化铪双氧化层器件具有更加稳定的二元阻态转换能力。结果表明,氧化钽薄膜的使用能有效地抑制二氧化铪器件在电形成过程的电流过冲和器件失效问题,从而提高器件的电形成产率和自限流操作。相较于常见的钛电极,氧交换层钽电极的使用也使得Pt/TaOx/HfO2/Ta器件展现出最小的循环间差异性。通过大量的交流脉冲测试,我们证明了双氧化层结构器件即能在强脉冲编程下展现出稳定的二元阻变循环能力,又能在弱脉冲编程下体现出较高线性度的多阻态电导调控能力。最后,我们总结了整篇论文的几项工作。该论文涉及到常见两种氧化物材料和多种电极材料的研究,旨在研究不同生长方法（原子层沉积、磁控溅射或者原位氧化）并设计不同的纳米材料结构来改善和优化氧化物阻变式存储器的阻变转换可靠性。着重从初始器件的电形成动态分析阻变操作的可靠性,并设计了一套原位氧化技术以在原子层沉积系统中制备非化学计量配比的氧化物薄膜以优化二氧化铪阻变式存储器的各项阻变指标。在论文的最后还展望了今后的研究工作,提出了一些潜在的研究工作。