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随着半导体工艺技术的不断发展,市场对高密度、高速度、低功耗、低成本的非挥发存储器的需求日益增大。目前主流的Flash非挥发存储器由于自身结构的限制,在不断缩小的特征尺寸下面临严峻的挑战,比如浮栅氧化层厚度无法随器件尺寸的缩小而无限制的减薄等。因此,探索性能优越的下一代非挥发存储器成为存储器领域研究重中之重。新型存储器MRAM (磁阻存储器)、FeRAM(铁电存储器)、PRAM(相变存储器)等目前正受到广泛关注,然而这些存储器仍存在各自的缺点,均不能成为Flash真正的代替者。近年来,一种基于材料阻变性能的RRAM(阻变存储器)由于具有结构结构简单、缩微能力强、保持时间长、操作电压低以及与传统CMOS工艺兼容等优点受到了业界和学术界的关注。在众多具有阻变特性的材料中,二元金属氧化物材料又由于组分简单,性能稳定等优点被大量研究。然而,由于对阻变存储器的研究尚未成熟,在性能优化和机理研究方面仍需要大量的研究工作。本论文(?)、NiOx材料RRAM的性能优化出发,对金属氧化物材料NiOx和ZnO的阻变存储器性能提升方法做了系列工作。首先,从制备工艺的角度,分析了物理气相淀积方法制备NiOx的工艺过程对器件性能的影响,提出通过精确控制NiOx制备工艺实现单层NiOx材料阻变存储器阻值窗口增大5倍以上,高低阻态稳定性提高的性能优化方法；在此基础上,根据随机断路器模型(RCB Model)对金属氧化物材料中导电细丝通断过程的分析和模拟,通过在NiO,材料存储器中引入A1203薄层的Al2O3/NiOiOx/Al2O3叠层结构,利用A1203材料与NiO材料的介电常数差调制阻变材料层电场分布,使阻变发生时的电流通路通断集中发生于A1203薄层而不是材料层内随机分布,极大的改善了器件VSET、VRESET和高低阻态阻值的稳定性,并有效的增大阻值窗口达10倍；之后,将叠层结构的思想应用于ZnO材料阻变存储器性能提升方法中,提高ZnO阻变存储器的高阻态阻值,增大阻值窗口达10倍,并通过研究不同限制电流对TiN/Al2O3/ZnO/Al2O3/Pt结构器件低阻态的影响,成功的在单一存储单元上实现了2位甚至3位的多级存储模式,为高密度存储应用提供了一种思路。最后,对本文实验工作进行了总结论述,并对RRAM未来的发展做出展望。