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阻变存储器（RRAM）是一种基于介质材料阻变效应的新型存储器技术，是当前微电子集成电路技术领域前沿的研究热点之一。所谓的阻变效应是指某些电介质材料受外加电场控制而在不同电阻阻态间发生可逆转变的现象。到目前为止已经在多种介质材料中，观测到了阻变现象，但RRAM器件性能与阻变层材料和电极材料的选择、器件结构密切相关，因此，对阻变存储器件的材料选择和器件结构的优化已成为当前RRAM研究领域迫切需要解决的关键科学问题之一。同时，有关阻变现象及其效应的物理机制尚不很清楚，RRAM的研究缺乏相应的理论依据和指导，而且，从实际应用的角度，研究解决RRAM存储单元结构及其集成技术问题则非常关键。基于阻变存储器技术研究和发展的这些需求，本论文在阻变材料、电极材料的优化选择，过渡金属氧化物材料基的RKAM阻变机制，以及RRAM存储矩阵单元及其集成技术解决方案等方面进行了广泛而系统的研究。论文所开展的主要研究工作和所取得的创新性成果包括：
1.系统研究了ZrO2、HfO2、ZnO、TiO2、CeO2和Si3N4等一系列介质材料体系的阻变特性。结果表明，ZrO2和HfO2基器件性能稳定，可控性和重复性强，有利于阻变特性的优化选择；CeO2材料具有氧空位自动成链的特性，有助于阻变材料层内部氧空位导电通道的有序排列；ZnO、TiO2、Si3Y4等虽也可获得良好器件特性，但其可控性和重复性较差。因此，ZrO2、HfO2和CeO2具有在RRAM相关领域实际应用的潜力。
2.研究了ZrO2、HfO2和TiO2等过渡金属氧化物材料体系的金属元素掺杂效应，研究发现Ag、Al和Gd等金属元素掺杂可以有效提高RRAM器件的成品率、疲劳特性和一致性等阻变性能指标。掺杂引起的器件性能的改善可归于掺杂离子对氧空位导电通道形成的调制效应。
3.研究了ZrO2、HfO2和ZnO等材料体系的电极效应，证明并演示了采用TiN电极可显著改善RRAM器件的双极阻变性能，包括高的成品率和疲劳特性，窄的转变电压分布区域，和好的高低阻态保持特性。Tin电极对器件阻变特性的改善可归于TiN电极的储氧效应，TiN电极的储氧效应有效维持了RRAM器件在Set和Reset过程中氧空位导电通道的形成与断裂相关的氧离子的吸收和释放，因此，有效调节和控制了RRAM器件的性能。
4.研究分析了直流扫描、脉冲扫描、电流限流等不同工作模式对ZrO2等过渡金属氧化物基的RRAM器件阻变特性的影响。研究发现，与直流扫描相比，采用脉冲扫描工作模式，RRAM器件可获得一致性更好的阻变性能；通过调节Set过程的限流大小可有效控制RRAM高低阻态的值。同时发现，这类RRAM器件的工作模式依赖特性与阻变过程中过渡金属氧化物中氧空位细丝导电通道的开关机制相关，丰富了对氧空位细丝导电通道物理模型的了解，对RRAM器件的实际应用具有重要的指导作用。
5.基于RRAM器件特征和存储阵列集成技术的需求，提出了采用∏型和方型结构的1D1R存储单元结构的优化设计方案，该设计方案可在不增加存储单元面积的前提下，满足RRAM器件大电流驱动的需求，这将有助于高密度RRAM存储矩阵的实现。
本论所取得的研究成果将有助于阻变器件的材料选择和特性优化进行研究，有助于深入了解和掌握阻变现象的物理机制，为阻变存储器技术的研究好应用提供良好的基础和有价值的参考和指导。