在阻变存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)众多功能层薄膜材料中,高k的HfOx薄膜因其在耐久性(Endurance),保持性(Retention),操作稳定性等参数上具有优异性能,被认为是最有前景的商业化应用材料之一。但是HfOx基RRAM在性能上还存有一些不足,例如:低功耗和高一致性很难在一个器件单元结构中同时达到高标准要求。为解决RRAM现存问题,近年来研究人员提出:离子掺杂、叠层结构、激励施加方式优化、电极工程等解决方案。基于此背景,本论文通过器件不同改性方式优化了HfOx基RRAM的功耗及一致性,工作开展如下:1)基于物理气相沉积与化学气相沉积两步法成功实现对HfOx薄膜的硫(Sulfur,S)掺杂。首先,通过磁控溅射法优化HfOx薄膜沉积参数(氧分压6%,厚度7nm),HfOx基器件有比较稳定Endurance性能且在限流1m A下转变电压为+1.05V/-0.94V,但这不利于器件低功耗实现。之后,通过常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition,APCVD)加热方式对HfOx薄膜进行S掺杂。S:HfOx基器件性能得到提升,包括:限流100μA下低转变电压+0.11V/-0.15V,功耗从635.4μW降至37.2μW;稳定10~4次Endurance直流循环;良好Retention特性(10~4s@85℃);以及Set/Reset过程超快响应速度(Set 6.25μs/Reset 7.50μs)。最后,对S:HfOx基器件机理进行分析。2)基于TaOx/HfOx叠层器件,将单层HfOx基器件功耗进一步地降至1μW,且电阻/电压分布具有高一致性。(1)通过在HfOx层上叠加TaOx薄膜,研究不同厚度T Ox对HfOx基器件电性能影响;(2)通过将TaOx插入在不同位置,探究器件性能影响。TiN/TaOx/HfOx/ITO结构器件在限流10μA下Vset低至+45mV,Vreset低至-33mV,这有助于器件实现超低功耗的特性。通过对薄膜元素分析、微观结构表征、器件导电机制拟合以及机理模型构建,对TaOx/HfOx基器件机理进行分析。3)基于TiN/HfOx/TaOx/Ta结构器件,通过脉冲编程模拟了生物突触中一系列功能行为,包括:电阻连续可调特性,增强/抑制功能,双脉冲易化(Paired-pulse facilitation,PPF),脉冲时序依赖可塑性(Spike-timing-dependent plasticity,STDP)等,表明该器件在人工突触仿生领域应用的潜力。