随着半导体工业即将进入22nm时代,半导体存储行业面临着技术与基础材料等方面的机遇与挑战。基于传统硅材料的非易失性Flash存储器已不能满足未来技术节点的要求,耐久性差、写入速度低、写入操作中的电压高等问题日益突出。更重要的是,持续的器件等比例缩小使得存储氧化层厚度面临着物理极限,导致电荷泄露变得越来越严重,从而直接影响到存储器的数据保持能力。近年来,阻变存储器(RRAM)作为最有前途的下一代非易失存储技术获得了广泛的关注。与Flash存储技术相比,RRAM具有高密度、低功率和读写速度快等优点。目前,在许多材料中都发现了电阻转变现象。二元系金属氧化物,如过渡金属氧化物和稀土氧化物,由于成分简单、生长过程容易控制、与目前的CMOS工艺兼容等特点,具有显著的应用前景。影响材料的电阻转变特性的因素很多(包括制备工艺、掺杂物质、电极材料等),有多种模型相继提出用于解释电阻转变现象,但是对于其物理本质还没有形成共识。本论文通过制备基于Dy2O3、La2O3、Gd2O3和Hf02等二元氧化物的RRAM器件,研究了相关材料体系和器件结构的阻变行为,并且分析了相关转变机制。进一步地,本文开展了改善基于二元氧化物RRAM器件存储特性的研究工作。具体工作如下：(1)基于Dy2O3阻变薄膜研究了界面嵌层对提高RRAM器件的电阻转变特性的作用。分别采用嵌入Ti金属纳米插层、Pt纳米晶插层到Metal/Dy2O3/Pt结构中,形成Pt/Ti/Dy2O3/Pt和Cu/Pt-Nc/Dy2O3/Pt阻变器件。通过上述结构改进工作,有效降低了Metal/Dy2O3/Pt结构器件转变参数的离散性。(2)为证实氧空位运动在RRAM转变过程中的关键作用,深入探讨相关电阻转变机制。本论文通过将STEM直观观察和EDS元素分析相结合,对Ag/Dy2O3/Pt器件的Set电压不断增加现象进行分析,成功的观察到Dy203薄膜中氧空位运动,为进一步了解RRAM的物理机制提供了有利的参考。(3)根据氧化物与活性金属接触会在界面处生成金属氧化物的界面层,提出了一种使用氧化物层Dy203作为提供氧的牺牲层来氧化金属Ti,使非晶TiOX成为转变功能层材料。通过电学测试,研究发现Pt/TiOx/DyOx/Pt结构器件具有稳定均匀的存储特性。并且通过透射电镜的分析手段,直接证明了在高电阻的非晶TiO、和低电阻的Ti407之间的可逆转变是造成上述结构器件电阻转变的原因。(4)首次研究了基于La2O3薄膜RRAM的阻变特性及其电阻转变机制。采用反应磁控溅射的方法在Pt底电极上沉积了La203薄膜,制作了Pt/La2O3/Pt结构的RRAM器件。Pt/La2O3/Pt器件展现了良好的单极性电阻转变行为：低的操作电压(<2V),非常大的开关比(>108),良好的耐久性(>500cycles)。结合器件高／低阻态的电阻随温度变化的特性,以及计算得出的电阻率温度系数和XPS分析结果,表明L,8203薄膜中的由氧空位组成的导电通道的形成和破灭是导致La203薄膜发生可逆电阻转变的原因。(5)Hf02在CMOS高k技术的广泛应用使其成为了RRAM研究方面非常重要的材料。针对基于Hf02材料的RRAM器件电学参数波动较大及功耗过高的问题,本文嵌入了非易失性外延CeO2/Nb:SrTiO3异质结来减小器件转变参数离散,其器件结构为Ta/HfO2/CeO2/NSTO.通过异质结的嵌入,有效降低了HfO2基RRAM的电阻转变离散性,并且降低器件整体工作能耗。本实验的设计和结果为Hf02材料在RRAM中的应用提供了参考依据。(6)基于未来RRAM在柔性电子器件中的应用,提出了一种具有Cu/Gd2O3/Pt结构的柔性RRAM器件。在高达1O4次弯曲测试后,器件的Set和Reset电压,高低电阻态比都保持稳定,显示了其作为柔性存储器件应用的潜力。结合器件高低阻态电阻随温度变化的特性,以及计算得出的电阻率温度系数结果,表明Cu阳离子在Gd203薄膜中迁移所形成的的导电细丝的通断是Cu/Gd2O3/Pt器件发生电阻转变的根本原因。(7)在基于稀土氧化物的透明RRAM器件方面,制备了一种以石墨烯为顶电极ITO为底电极生长在柔性衬底上的低功耗透明存储器件,其器件结构为多层石墨烯MLG/Dy2O3/ITO.该RRAM表现出了单极性电阻转变特性,低工作电流(<100μA),低工作电压(<1V),低功耗(<100μw),高开关比(>105),快转变速度(<60nS)良好的数据保持能力和耐久性。通过分析不同电阻状态下Graphene的拉曼特征谱线,研究了其用于低功耗存储器件的物理机制。