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Current memory technologies, such as DRAM, SRAM, and NAND Flash, which are approaching very difficult issues related to the continuous scaling to and beyond the 16 nm generation, has led research over the past two decades to the discovery of several new memory technologies. In recent years, new emerging nonvolatile memories (NVMs), such as phase-change random access memory (PCRAM), ferroelectric random access memory (FRAM), magnetic random access memory (MRAM), and resistive random access memory (RRAM), have been intensively studied. Among these candidates, RRAM is a very promising and worldwide studied candidate for alternative NVM and a high potential successor for Flash in terms of energy consumption (write current in the μA range compared to mA) and simplicity of process integration. A fully CMOS compatible TiN/Ti/HfO2/TiN RRAM module was successfully integrated with a select transistor (1T1R memory) in IHP’s technology. Nonetheless, reliability and insufficient understanding of the resistive switching mechanism are the two main issues limiting this memory technology development for e.g. wireless sensor network (WSN) applications. The still unclear atomic-scale mechanism of HfO2-based resistive switches and the identification of the material changes within the insulator must be addressed to suggest a knowledge-based improvement of device performance. In this frame, the Ti/HfO2 interface is thoroughly investigated in this Thesis by complementary materials science techniques. First, the investigation of the as-deposited Ti/HfO2/TiN cells revealed that: (1) the Ti layer scavenges oxygen atoms stronger from amorphous (a-HfO2) than from monoclinic (m-HfO2) HfO2 films; (2) not only oxygen vacancies but also other impurities in the atomic vapor deposited (AVD) a-HfO2 film, such like nitrogen and carbon (probably resulting from the used AVD precursor chemistry) are present in the HfO2 insulator. Next, the electrical characterization of Ti/AVD a-HfO2/TiN cells (with voltage applied to the Ti top electrode while TiN bottom electrode was grounded) revealed a clockwise bipolar resistive switching behavior after an electroforming process at positive voltage polarity. Besides, the chemical and electronic changes observed by hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), indicate the creation of n-type dopants in the a-HfO2 film during the electroforming process, probably related to the formation of positively charged oxygen vacancies in a-HfO2 by the electrochemically induced Ti/a-HfO2 interface oxidation. In order to directly compare electrical with electronic and chemical changes of one and the same RRAM cell, an in-operando HAXPES technique was developed. These unique studies have revealed the following characteristics of the Ti/AVD a-HfO2/TiN cells: (1) the as-deposited cells are able to switch at low electrical power; (2) However, this resistive switching is not stable and an electroforming process with a slightly increased power is required to stabilize the switching event; (3) Electrical changes correlated with HAXPES results and literature indicate that (i) the forming/set electrical power defines the oxygen vacancies concentration in the a-HfO2 and thus the stability of the resistive switching properties and (ii) the stable resistive switching can be described by a push-pull model of oxygen vacancies migration under the influence of an electrical field; (4) Besides, carbon segregation at the Ti/a-HfO2 interface – while increasing the electrical power or cycling the device – shows that the defects physics is not limited only to oxygen vacancies; other defects may thus contribute under electrical stress to the resistive switching phenomenon and need to be included in theoretical models to correctly describe the switching characteristics. Finally, according to the presented HAXPES results, the Ti/AVD a-HfO2/TiN RRAM cells are classified to the valence change mechanism. The resistive switching mechanism is attributed to the creation and rupture of oxygen vacancies-based conducting filaments and the Ti/HfO2 interface oxidation is of central importance for the defect balance of the RRAM cell. Most importantly, a reduction of carbon content in the AVD-deposited HfO2 improved the reliability of these memory cells. Aktuelle Speichertechnologien, wie z. B. DRAM, SRAM und NAND-Flash, die aufgrund der Skalierung jenseits der 16 nm Generation an Grenzen stossen, haben in den letzten zwei Jahrzehnten zur Forschung und Entwicklung neuer Speichertechnologien geführt. In den letzten Jahren wurden nicht-flüchtige Speicher (sogenannte „nonvolatile memories“, NVM), wie Phasenänderungs- (PCRAM), ferroelektrische (FRAM), magnetische (MRAM) und resistiv-schaltende Direktzugriffsspeicher (RRAM), intensiv studiert. Unter diesen Kandidaten ist RRAM ein sehr vielversprechendes und weltweit studiertes Konzept für alternative NVM und eine bessere potenzielle Option als der NAND-Flash hinsichtliche der Energiedissipation (Schreib- und Lesestrom im uA Bereich im Vergleich zu mA) und der Prozessintegration. Am IHP wurde erfolgreich ein CMOS-kompatibles TiN/Ti/HfO2/TiN RRAM Modul mit einem Auswahltransistor (1T1R-Speicher) integriert. Dennoch sind die Zuverlässigkeit und das noch nicht vollständige Verständnis des Widerstandsschaltmechanismus Hauptgründe für die limitierte RRAM Speichertechnologie-entwicklungen für zum Beispiel drahtlose Sensorknoten (sogenannte „wireless sensor nodes“ (WSN)). Die noch unklaren atomaren Mechanismen der HfO2-basierten Widerstandsspeicher und die physikalisch/chemischen Änderungen im Isolator müssen identifiziert werden, um eine wesentliche Verbesserung der Leistungsparameter zu erzielen. In dieser Arbeit wurde deshalb die Ti/HfO2 Grenzfläche durch komplementäre, materialwissenschaftliche Techniken untersucht. Zunächst zeigte die Untersuchung an abgeschiedenen Ti/HfO2/TiN Zellen, dass: (1) die Ti-Schicht Sauerstoffatome aus amorphem HfO2 (a-HfO2) stärker bindet als aus monoklinen HfO2 Filmen. (2) nicht nur Sauerstoff-Fehlstellen, sondern auch Verunreinigungen wie Stickstoff und Kohlenstoff, die aus der chemischen Atomdampfabscheidung (atomic vapor deposition, AVD) resultieren, wurden mittels EDX in den HfO2- Filmen detektiert. Als nächstes ergab die elektrische Charakterisierung von Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen (Spannung wurden an die obere Ti Elektrode appliziert, während die untere TiN Elektrode geerdet wurde) bipolares Widerstandsschalten nach einer Elektroformierung mit positiver Polarität. Außerdem deuten die in den Spektren mittels harter Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES) beobachteten chemischen und elektronischen Änderungen, im Vergleich mit der Literatur, die Bildung einer n-Typ Dotierung im HfO2 Film nach der Elektroformierung an, höchst wahrscheinlich aufgrund der Bildung von positiv geladenen Sauerstoff-Fehlstellen an der electrochemisch oxidierten Ti/a-HfO2 Grenzfläche. Um direkt die elektrischen mit den elektronischen und chemischen Veränderungen von ein und derselben RRAM Zelle zu vergleichen, wurde eine in-operando HAXPES Technik entwickelt. Diese einzigartigen Studien haben die folgenden Charakteristika der Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen ergeben: (1) die so abgeschiedenen Zellen können bei relativ niedrigen elektrischen Strömen geschaltet werden. (2) Jedoch ist dieses Widerstandsschalten nicht stabil und eine Elektroformierung mit einer erhöhten Leistung ist erforderlich. (3) Die Korrelation der elektrischen Daten mit den HAXPES Spektren zeigt, dass (i) die elektrische Leistung die Sauerstoff-Fehlstellen Konzentration im a-HfO2 Film definiert und damit die Stabilität des Widerstandsschaltens bestimmt, dass (ii) das stabile Widerstandsschalten durch ein Push-Pull-Modell beschrieben werden kann, in dem Sauerstoff-Fehlstellen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes migrieren. (4) Die Kohlenstoffsegregation an der Ti/a-HfO2 Grenzfläche mit erhöhter elektrischer Leistung bei der Elektroformierung oder durch mehrfaches Schalten zeigt, dass die Defektphysik nicht nur auf Sauerstoff-Fehlstellen limitiert ist, sondern auch weitere Defekte zum resistiven Schalten beitragen können und somit die Schaltcharakteristika beeinflussen können. Schließlich können die Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen im Rahmmen eines Valenzwechselmechanismus klassifiziert werden. Das Widerstandsschalten kann hierbei als Bildung und Unterbrechen von Sauerstoff-Fehlstellen-Filamenten verstanden werden und die Ti/HfO2 Grenzfläche spielt eine zentrale Rolle für die Defektphysik der HfO2 Filme. Ferner wurde gefunden, dass die Verringerung der Kohlenstoffkonzentration in den HfO2 Filmen die Zuverlässigkeit der Speicherzellen wesentlich verbessern kann.