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近年来，随着云计算、智能终端、大数据等新信息技术的兴起，市场对非易失性存储器需求也越来越大。寻找具有高容量、高密度、低成本、低功耗的非易失性存储器成为存储器行业和研究者们的首要任务。目前市场上主流的非易失性存储器为基于电荷存储机制的浮栅Flash存储器。随着半导体技术节点的不断推进，传统的Flash存储器面临着严重的技术瓶颈，表现在器件的可缩小性、功耗、电荷耦合、操作电压、工作速度等方面，这些方面将使Flash无法继续满足市场对非易失性存储器提出的要求。为了克服上述Flash存储器面临的技术问题，寻找下一代非挥发性存储器成为了必然。已经广泛研究了当代闪存的一些替代方案，如铁电存储器(FRAM)、相变存储器(PRAM)、磁存储器(MRAM)、阻变存储器(RRAM)等新型的非易失性存储器。其中，RRAM被认为是下一代非易失性存储器最有力的候选者之一，这是由于其具有结构简单、制备工艺简单且与现今CMOS工艺兼容、可微缩性高、操作电压低、转变速度快、功耗低、等特点。RRAM存储器的发展将会给非易失存储技术注入新的活力。 近十年来，随着RRAM成为存储器领域的研究热潮之一，发展迅速，已经取得了可观的成就，但是目前在该领域还存在一些关键性的问题尚待解决，如:器件SET/RESET转变参数的离散性严重、电阻转变机制尚不清楚、功耗问题以及阵列集成中的漏电问题等。针对上述问题，本论文主要在RRAM器件SET/RESET转变参数的离散性以及转变机制方面进行了探索与研究，取得了如下的研究成果。 (1)首先，采用统计方法研究RRAM转变参数的波动性和可靠性，为预测和改善器件性能和可靠性提供方案。通过研究RRAM器件的SET和RESET转变参数的统计特性及其与高低阻态电阻值的分布的关系，获取了器件转变参数的分布规律及影响因素。建立了解析模型用于分析器件的统计特性，理解其内在的电阻转变机制与影响因素。采用蒙特卡洛方法对RRAM的SET和RESET转变参数的统计特性进行了模拟分析，进一步理解RRAM器件的转变机制。另外，SET转变过程中的高阻态关系着RRAM器件的转变速度与抗干扰性，阻态越高，转变速度越慢，但是抗干扰性强。因此，研究高阻态与转变速度之间的统计关系可以为解决速度和抗干扰性之间的困境提供可靠的理论依据。 (2)根据上述RRAM的SET和RESET的转变参数的统计研究结果，提出了在RRAM器件中引入针尖状突起电极来增强局域电场的方法实现阻变参数均一性的提高。增强的局域电场能够引导导电细丝的定位生长。采用MATLAB模拟工具对针尖状突起电极位置的电场进行模拟，证明尖端处电场相比其他位置更集中。采用TEM进一步验证尖端器件中的导电细丝的位置与形貌。细丝在强电场的引导下在尖端位置处生长，这样在多次擦写过程中，细丝始终在尖端位置生成与断裂，器件的均一性有效提高，保证了器件的可靠性。 (3)开展了对氧空位阻变器件Pt/HfO2/Pt转变机制的研究。根据其电学特性以及TEM下所观测到的微观结构与FFT衍射花样，分析了此种氧空位器件的内在细丝导电机理。