浮栅器件由于具有速度快、体积小、兼容性好、携带方便、寿命长等众多优点而广泛应用于目前的电子产品中。采用浮栅结构的闪烁存储器(Flash)是当前被广泛使用的典型非挥发性存储器。然而,随着器件物理尺寸的进一步缩小和人们对器件集成度需求的进一步提高,串扰、泄漏电流、高操作电压等一系列问题限制了闪存器件进一步缩小的能力。为解决传统Flash所面临的物理极限的问题,基于金属/绝缘体/金属(MIM)三明治结构的阻变存储器(RRAM)由于制备工艺简单、读写速度快、集成度高和低功耗等诸多优点而得到广泛的研究和关注。本文针对阻变存储器的性能优化和器件集成,基于氧化钽(TaOx)材料,研制出了性能优良的单、双极阻变存储器,并分析研究了器件的极性控制、性能优化和阵列集成等相关问题。主要研究内容包括：　　⑴以氧化钽为阻变材料,TiN做顶电极,Pt做底电极,制备出性能优良的TiN/TaOx/Pt阻变存储器。器件的制备工艺与CMOS后端工艺良好兼容。利用TiN较强的吸氧能力,TiN与TaOx界面处形成能够储存和释放氧的“氧库”TiOxNy,在电场作用下氧离子的移动导致阻变材料层中氧空位导电细丝的形成和断裂,使器件表现出了良好的双极阻变特性,器件具有较低的工作电压,编程电压Vset1.2V,擦除电压Vreset为-1.6V,在高温应力和读取电压应力下,器件能保持较好的耐久特性。多次循环测试的结果表明器件具有较好的循环稳定性,在10000次以上的擦除读写操作下依然可以稳定工作。此外,器件在合适的操作控制下可以表现出稳定的多值特性,有较好的多值存储潜力。　　⑵针对过渡金属氧化物RRAM极性不确定的问题,首次系统分析了电极材料、阻变材料厚度、温度等因素对器件极性的影响。提出了通过顶电极金属能态高低控制器件极性的方法。对同一种材料,器件的厚度越后,器件越容易表现出单极阻变特性。反之,器件则表现出双极特性。常温下表现出双极特性的器件在温度增加到一定程度时可出现单极特性。　　⑶针对阻变存储器RESET(擦除)电流高的问题,分析了器件尺寸对器件性能的影响,通过降低器件的尺寸可以降低器件的泄漏电流,提升器件性能。首次提出采用SiO2/TaOx双层结构阻变存储器,薄层SiO2作为击穿层,利用击穿时形成的导电通道作为与阻变材料层接触的顶电极,降低器件的实际尺寸,实现器件尺寸的小型化,降低器件的泄漏电流。　　⑷针对阻变存储器的阵列集成,充分发挥器件的高密度集成的优势问题,本论文以氧化钽阻变存储器为基础,首次提出了同时具有RRAM和二极管整流特性的多功能器件,在氧化钽RRAM中存在寄生整流二极管效应。利用反向电压下的陷阱辅助隧穿(Trap-Assisted Tunneling)效应,在适当的操作控制下,RRAM器件表现出了二极管整流效应。文章对这一现象的控制条件和机理做了相关分析。设计并实现了以环栅MOS(金属-氧化物-半导体)晶体管为选择管的1T1R(1Transistor1Resistance)阻变存储器,实现了RRAM器件的有效集成。