随着半导体工业向22　nm技术节点或更小尺寸的持续推进，过薄的隧穿氧化层在反复擦写过程中极易引起漏电，导致Flash存储器在读写速度、集成工艺、功耗等方面逐渐达到其物理和技术上的瓶颈。作为非易失性的新一代存储器，阻变随机存储器（RRAM）具有结构简单、读写电压小、响应速度快、尺寸可缩减性好且与传统半导体工艺兼容等优势而备受研究者青睐。尽管在RRAM器件性能及阻变机制方面已经取得了很大进展，但在阻变层材料的选择和优化方面仍然存在很多问题，并且目前获得的优异性能不能集中到同一材料体系，发生阻变的微观机制也有待进一步完善。因此，非常有必要对阻变层材料进行优化并探究其发生阻变的微观机理。
本论文利用原子层沉积技术在250℃下沉积了应用于RRAM的单层TiOx及Al2O3插层的叠层结构薄膜，研究了Al2O3插层位置、插层厚度及氧气气氛下退火对TiOx基RRAM性能的影响。通过分析薄膜的结构及阻变性能，阐释了发生阻变的机理并提出了相关的物理模型。探究了双层Al2O3的插入对薄膜结构及阻变性能的影响。主要研究内容和研究结果如下：
在TiOx薄膜中插入单层Al2O3时，随插层厚度的增加，电阻转变方式都由单极性变为双极性，薄膜阻变性能显著提高。且当Al2O3插层位于TiOx薄膜中间时，在保证物理厚度的基础上，上下两层TiOx薄膜被分成名义厚度低于临界结晶厚度的两部分并发生非晶态转变。晶界的消失显著减小了漏电流，提高了阻变性能。当Al2O3层较薄时，导电细丝的形成与断裂主要在上下电极界面处发生，以电化学氧化还原反应为主；当Al2O3层较厚时，导电细丝的形成与断裂主要在Al2O3内部发生，其断裂主要由焦耳热诱发。氧气气氛退火对Al2O3插层结构薄膜的影响主要是由氧离子在薄膜中的扩散引起的。下界面处5　nm厚Al2O3插层样品退火处理后开关比及高阻值最佳，其上层TiOx薄膜中非晶格位氧的面积百分比为17.4%。
在TiOx薄膜中插入双层Al2O3时，通过下界面及TiOx中间插层，得到比单层插入时更高的高阻值及开关比；而通过在上界面及TiOx中间插层，得到比单层插入时更优异的循环耐受性及均一性。变温实验结果证明了薄膜中的导电细丝为氧空位主导的。

关　键　词：阻变存储器；TiOx薄膜；Al2O3插层；导电细丝；氧空位
论文类型：应用基础