随着集成电路工艺技术的不断发展,基于浮栅结构的闪存（FLASH）存储器在特征尺寸不断缩小中存在着电荷泄漏等问题,正遭遇到严重的技术瓶颈。目前已经研制出多种有望取代FLASH存储器的新兴非挥发性存储器,其中阻变存储器（RRAM）具有结构简单、读写速度快、可缩小性强以及与CMOS工艺相兼容等优点,被认为是最有可能取代FLASH存储器的下一代非挥发性存储器。氧化钽材料具有热稳定性好、介电常数高、有两个稳定的Ta-O相等优点,成为阻变材料近年的研究热点。本文的主要研究内容有:优化TaO_x薄膜的生长工艺,研究不同顶电极的单层RRAM器件的性能;构建叠层RRAM器件,优化叠层RRAM器件的阻变性能,降低器件的功耗。在氧化钽基RRAM器件电学性能研究的基础上,进一步探索了该RRAM器件的开关机制。制备优化单层氧化钽基RRAM器件;研究不同氧氩比条件对TaO_x薄膜的生长的影响,SEM和EDS的测试结果给出了氧氩比对TaO_x薄膜微结构和元素组分的影响;并基于15nm厚W电极讨论了氧氩比对单层TaO_x阻变器件电学特性的影响,最佳氧氩比为2:38。优化氧氩比基础上讨论了不同上电极对器件电特性的影响,分别制作了基于顶电极Cu和Ni的TaO_x阻变器件,对比不同顶电极阻变器件的阻变性能的基础上,探索了不同顶电极下器件的阻变模型。基于单层TaO_x结构的RRAM器件性能分析,采用蒙特卡洛方法构建基于Cu金属导电细丝的阻变模型;结合模拟仿真,分析了导电细丝的微观生长过程,进一步解释相应的阻变可逆现象。在单层TaO_x阻变器件研究的基础上,构建不同插层的叠层阻变器件,研究叠层厚度对器件性能的影响,尤其是对Reset电流的影响。一方面制备了W/TaO_x/Ta₂O₅/TiN结构阻变器件,其中Ta₂O₅层厚度为6 nm,TaO_x层厚度分别为5、10、15、20 nm,分析了不同叠层厚度比对器件的电学性能影响,并构建了基于氧空位导电细丝的阻变模型。另一方面制备了Cu/TaO_x/AlO_x/TiN结构的阻变存储器件,AlOx插入层厚度分别为1、2、3、4 nm,讨论了氧化铝插入层厚度对器件性能的影响及其作用机制;氧化铝插入层作为阻挡层,阻挡电子注入,器件Reset电流可降低至500 nA,有效降低了器件的功耗。