随着特征尺寸不断缩小，基于浮栅结构的闪存存储器件尺寸持续缩小遇到了很大挑战。阻变存储器(RRAM)因其具有结构简单、可高密度集成、制备温度低、与CMOS后端工艺兼容、高速操作、低功耗等优点而成为下一代存储器强有力的竞争者。目前许多阻变器件都表现出了优异的阻变特性，研究阻变存储器的超高密度存储具有很大的现实意义。十字交叉阵列集成和多值存储都是实现阻变存储器高密度存储重要的方式。但是采用十字交叉集成方式的阵列中的器件之间存在串扰电流，该电流严重会影响阵列集成度的提高。多值存储是阻变存储器实现超高密度存储的一种有效方式，但是人们对于器件多值存储特性的研究较少，对器件实现多值存储的机理了解也不是很深入。　　为了使阻变存储器实现高密度集成，对十字交叉阵列集成存储单元的优化设计及器件多值存储特性研究变得越来越重要。本论文主要围绕这些工作展开研究，提出并制备了适用于阻变存储器十字交叉阵列集成的几种存储器件单元，研究了这些器件单元的特性及其在阵列中的应用潜力。研究了氧化钽阻变存储器的多值存储性能及阻变机理。　　针对阻变存储器十字交叉阵列集成时出现的串扰问题，制备了适用于1D1R十字交叉集成的TaOx基选择管器件。所制备的器件具备优异的选择管特性，开关速度快，开启电压低并且一致性好，在多次读写擦除下阻值一致性好等。在低电压选择区较大的电阻能很好地抑制阵列中的串扰电流，因此很有潜力应用于未来的十字交叉阵列1D1R集成中。　　针对1D1R集成中硅基选择管的热预算及驱动电流低等问题，提出使用单双极阻变存储器串联复合结构单元。为了验证该复合结构单元的有效性，首先制备了TiN/TaOx/Pt双极RRAM器件和单极RRAM器件，并把两个RRAM串联起来形成复合RRAM结构单元。通过对该复合结构的测试，双极RRAM器件可以很好的充当选择管的功能。通过简单的电路模型，对器件阵列集成度的改善程度进行了推算，发现该复合结构器件可以使得器件阵列的集成度提高约104倍。　　通过合理的工艺设计，成功制备了TiN/TaOx/Pt/TaOx/Pt复合结构器件及2×2和8×8十字交叉阵列结构。该复合结构器件在具有稳定的阻变特性的同时，也很好地抑制了串扰电流。通过简单电路模型的模拟计算，该器件阵列的集成度得到了很大程度的提高。　　为了实现阻变存储器无选择管(Diode-less)集成，首次制备了具有非线性电阻特征的氧化钽阻变存储器。该器件具备优异的存储特性:阈值电压低(约1V)且一致性好，器件的开关阻态稳定和多次读写擦除重复性好等。此外，该器件的低阻值具有明显的非线性电阻特征，电阻随着电压的减小而增大。该特性使得阻变器件的阵列集成度得到了很大改善，提高了约26倍。对器件的阻变机制和低阻非线性的导电机理进行了初步探讨，制备的非线性阻变器件能很好的抑制阵列中的串扰，因此很有潜力应用于未来的十字交叉阵列集成。　　针对阻变存储器多值存储在高密度存储方面的潜力，研究了氧化钽的阻变存储器多值存储性能。分别研究了直流扫描中的限流大小对于氧化钽基阻变存储器的阻值影响和Reset过程中Vstop电压对氧化钽阻变器件阻值的影响。通过调整器件的限流值大小成功的实现了器件六个阻态的循环操作。器件的高阻值和Vstop电压基本成线性关系，通过调整Vstop电压成功实现了器件四个阻态的多值循环操作。