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随着集成电路产业的发展，微电子的工艺技术不断提高，以闪存为代表的传统的存储器在特征尺寸不断缩小至极限值过程中都面临着几乎不可逾越的挑战。而存储器作为数据处理、存储和通信等电子系统中不可或缺的组成部分，是电子产业的重要组成部分。对有着高密度、长寿命、低功耗、快速存储以及低成本等特点的存储器的需求催生了多种新型存储器。阻变存储器(RRAM)凭借其结构简单、与CMOS集成电路制造工艺兼容、可高密度集成以及快速存储等优势均成为替代现有存储器的有力竞争者。但作为新型存储器，阻变存储器在真正步入量产之前还有很多问题有待解决，如材料的选择问题、阻变机理问题、可靠性问题、阵列集成问题等。本论文针对新型阻变存储器，从阵列结构阻变存储的制备出发，并针对阵列中存在的串扰电流问题，制备了可以有效抑制串扰电流的非线性自整流阻变器件。此外，对于阻变存储器的机理及表征问题，结合了多种表征技术对阻变存储器进行了分析和表征。 采用CMOS工艺兼容的氧化钽(TaOx)作为阻变材料，氮化钛(TiN)和铂(Pt)作为电极，制备出了性能良好的垂直crossbar结构的阻变存储器。器件有着双极特性，在反复的读写操作中，set和reset电压稳定在±0.7V左右，较低的操作电压有利于电源点的降低。同时，器件的初始态为低阻态，有着forming-free的特性，避免了首次使用需要较高的“激活”电压，能够降低外围电路的复杂度。此外，器件有着良好的耐久性与一致性。 设计完成了基于氧化钽平面阻变存储器的制备工艺。平面器件同样采用了非对称的电极，分别为TiN和Pt。制备工艺与crossbar结构器件相兼容，可同时实现crossbar结构阻变存储器和平面结构阻变存储器。制备出的平面器件有着良好的性能，高阻态和低阻态的开关比可以达到103。平面器件有利于阻变存储器的机理的表征分析。 为了克服阻变存储器阵列中的串扰电流问题，根据材料的能带结构和隧穿特性，提出了采用多层结构实现非线性自整流的阻变存储器件。在已有制备工艺的基础上，采用离子束淀积的方式嵌入了SiO2层，利用薄层SiO2的隧穿特性实现双向的非线性自整流，抑制阵列中的串扰电流带。制备完成的器件经过测试，不仅有着良好的双极阻变特性，且表现出了双向的非线性自整流特性，能够有效抑制双极阻变存储器阵列中的串扰电流，对于实现高密度双极阻变存储器的阵列集成有着重要的意义。此外，双向的对非线性自整流机理进行了较为深入的分析。 针对阻变存储器结构、材料和机理的表征问题，采用多种表征手段对基于氧化钽的阻变存储器的表征方法进行了较为深入的研究。采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、聚焦离子束(FIB)和能量散射谱(EDS)等手段对阻变存储器进行了表征分析。表征得到的结果验证了氧化钽阻变存储器制备工艺的参数，并对后续的优化提供了指导。通过表征结果对器件的阻变机理进行了分析，发现在TiN和TaOx界面存在TiOxNy过渡层，进一步的分析表明TiOxNy层可以通过物理与化学作用储存氧，在基于氧空位filament的阻变机制中起到了“氧库”的作用。更多表征手段的应用有利于阻变存储器性能的改善和机理的明确。