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随着大规模集成电路技术的飞速发展，微电子技术节点不断向前推进，基于浮栅结构的Flash存储器由于量子隧穿效应以及电容耦合效应导致器件微缩性受阻，难以满足摩尔定律的发展。为了延续摩尔定律的前进脚步，采用新型的挥发性存储技术成为必然。铁电存储器、相变存储器、阻变存储器以及磁阻存储器等新型非挥发性存储器受到了学术界和工业界的广泛关注。其中，阻变存储器(RRAM)由于结构简单、操作速度快、低功耗、易于三维集成以及与传统CMOS工艺兼容等特征，成为下一代非挥发性存储器的最有力竞争者。经过多年的发展，RRAM的可靠性、稳定性和均一性在不断的接近产业化的要求，学术界和工业界的研究热点已经从RRAM器件的改善转向大规模集成技术的研究。要实现阻变存储器的大规模、高密度集成，三维交叉阵列结构无疑是最理想的选择。然而，在三维交叉阵列中，由漏电引起的串扰问题成为了阻碍阻变存储器走向实际应用的关键。三维交叉阵列可以分为两种结构:一种是三维堆叠式的交叉阵列，通过串联独立的选通管的方式可以解决交叉串扰问题;另一种是三维垂直结构的交叉阵列，该结构成本更低，但是无法集成独立的选通管，研制具有自选通功能的阻变存储器是唯一的解决方案。本文针对上述两种三维集成结构，围绕交叉阵列中的串扰问题开展了高性能选通管的研究以及自选通阻变单元的研究工作。 针对平面结构的交叉阵列以及三维堆叠结构的交叉阵列中的串扰问题，提出了一种基于Cu掺杂HfO2阈值开关的选通管。该器件具有超高的非线性以及与Cu互连后端工艺良好的兼容性，能够有效地抑制交叉阵列中的串扰问题。此外，该选通管还具有低漏电和高可靠性。通过电学特性的分析以及第一性原理的计算定性的解释了该选通管的导电机制及阈值开关现象的原理。通过改变脉冲电流的方式研究了器件的疲劳特性并分析了器件的失效机理。 针对交叉阵列中选通管的均一性问题，提出了一种基于缺陷调制的梯形能带的新型选通管技术。对交叉阵列对选通管的均一性问题进行了深入的分析，总结了离散性对交叉阵列的读取操作中可读区域的影响。提出了通过Ta金属氧化的方式，实现了氧空位浓度梯型分布，从而实现了梯形能带结构的TaOx薄膜，并基于该薄膜制备了高均一性高非线性的选通管。通过材料分析以及第一性原理的计算，研究了梯形能带产生的原因，进而建立了选通管的电子传输模型，阐明了选通管高非线性的起源。研究了选通管与阻变存储器的集成应用，对选通管与阻变存储器的串联结构(1S1R)进行了测试分析与仿真计算，结果表明该器件可以有效的抑制阵列中的漏电流并保证了足够的可读区域。 针对三维垂直结构的交叉阵列中，设计并实现了了高性能的自选通阻变存储器。分别对HfO2基的阻变存储器与MIEC材料的选通管进行了系统研究。该器件具备高非线性、极低漏电、高稳定性、低功耗以及自限流等特性。通过材料分析及电学特性的分析对该器件的工作机理进行了研究，通过高温测试以及疲劳性测试研究了器件的可靠性。基于研制的自选通阻变器件成功实现了四层堆叠的三维垂直交叉阵列结构。