以Flash为代表的传统非挥发存储器已经取得了巨大的成功,但是随着工艺尺寸的不断减小,Flash即将到达它的物理极限。为替代Flash引领新一代的非挥发存储器,近些年新型非挥发存储器得到了广泛研究。阻变存储器(RRAM)因结构简单、可微缩化、读写速度快、功耗低、与标准逻辑工艺良好兼容、成本低等优点,被认为是最有前途的新型存储技术之一,然而阻变存储器在性能参数均匀性、高密度应用、数据保持特性和操作成品率方面还存在不足,需要进一步改善。具有RRAM特性的材料体系和存储结构很多,而具体选择哪种材料作为RRAM,同时又要满足与CMOS标准逻辑工艺兼容性及集成成本等要求则是一个相当困难的议题。金属钽在阻挡层工艺中广泛应用,TaOx基阻变存储器无需引入污染性元素,具有成本和CMOS工艺兼容的优势。但从目前国际上的报道来看,TaOx基RRAM高低阻态偏低,器件功耗高,器件性能并不是非常理想。对此,本文提出引入Ta205/TaOx双层结构,增大了高低阻窗口、降低了功耗,并控制阻变发生位置一致,使得电学特性呈现出重复性和集中化。另外,给出了分别面向高密度和嵌入式应用的Ta2O5/TaOx双层结构三维器件集成和平面工艺集成方案。本文基于SMIC0.18um工艺制备得128kbit AlOx/WOy RRAM芯片,给出了阻变特性阵列结果,如高低阻分布、置位复位电压统计等,并分析各层薄膜在阻变过程中充当的角色和器件转换机理。通过对比不同AlOx/WOy RRAM的制备条件以及操作算法研究AlOx/WOy双层结构数据保持特性,发现经过还原气氛退火后的器件数据保持特性失效率大幅降低,而操作算法越强,器件数据保持特性失效率则越高,这样从工艺和设计的角度分别给出了器件数据保持特性改善的方法。本文研究了AlOx/WOy双层结构对于不同Forming极性时呈现出来的阻变特性差异,并基于薄膜结构成分提出了基于能带角度的机理解释。梯度氧空位在AlOx层的分布对Forming电压极性反应明显,当采用正向Forming时,器件表现出了良好的阻变转换特性、疲劳特性以及抗读干扰性；负向Forming时由于氧空位进一步移开AlOx/Al2O3界面,使得势垒变得更高更宽,表现出极低的操作成品率和直接击穿。