一种基于多层氮化硼的rram器件及其制备方法
【技术领域】
[0002]本发明属于信息存储材料领域，涉及一种基于多层氮化硼的RRAM器件及其制备方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]电子信息存储已变成现代社会的主流需求，其中，闪存由于结构简单、集成度高、速度快等优点应用最为广泛。这一器件的核心基于电容器的充放电，并用一个传感器作为开关。但是，当器件尺寸缩小，这种结构出现很多物理缺陷。因此，急需新的存储信息的方法，而近些年在非易失性存储器中，随机阻变存储器(RRAM)引起很大的关注。
[0005]RRAM的核心是金属-绝缘层-金属(MIM)结构，可以通过常规的微电子设备例如电子束蒸发仪、溅射仪、原子层沉积等制备。该存储器通过改变MM中绝缘层的电阻，形成高电阻状态(HRS)和低电阻状态(LRS)，然而绝缘层的性能给存储器带来很大的影响。众所周知，存储单元的尺寸越来越小，而传统的二氧化硅已不能满足这样的发展趋势，原因在于尺寸减小使得二氧化硅出现隧道效应，增大漏电流，增大了能量消耗。此外，二氧化硅与栅极和基底有相互作用，降低载流子的迀移率，减弱了器件的性能。这时需要高介电材料，使得减小绝缘层厚度的同时具备较厚的介电层。研究者们引入氧化铪等高介电材料，可以解决尺寸见效带来的问题，但是氧化铪的电学性能不稳定，厚度不均容易产生散射，给器件带来新的问题。
[0006]氮化硼是一种类似石墨烯(晶格乱序只占1.7%)的sp2杂化的二维材料，具有优越的物理和化学性质，使得其在抗腐蚀修饰，可弯曲电容器，透明电极，自旋电子学，场效应晶体管等方面有着很大的应用前景。与石墨烯不同，氮化硼是绝缘体，禁带为5.2到5.9eV之间，介电常数介于2和4之间，这让氮化硼在逻辑电子器件中有很好的应用前景，例如，氮化硼可与石墨烯和硫化钼结合制备纯二维材料的金属-绝缘层-半导体结构(MIS)，这是数字器件的核心结构。用氮化硼替代传统绝缘层如铪、钛和铝的氧化物有以下几个优点:(i)现可制备厚度均一、平整的氮化硼，可明显降低场效应晶体管中的散射效应；(ii)氮化硼具有比石墨烯更强的化学稳定性，避免了与邻近的金属层和半导体层发生反应；(iii)氮化硼的高度的热稳定性可成为加强电子器件中热散发的优点；(iv)像其他二维材料一样，氮化硼具有柔性、机械性和透明性，可用于制备机械柔性光学器件。
[0007]
【发明内容】
[0008]要解决的技术问题:本发明的目的在于克服高介电随机阻变存储器电学性质不稳定、易衰变的问题，引入先进二维材料，公开了一种基于多层氮化硼的RRAM器件及其制备方法。
[0009]技术方案:为了解决上述的技术问题，本发明公开了一种基于多层氮化硼的RRAM器件，其特征在于，所述的RRAM器件包括介电层、下电极、上电极，所述的介电层为多层氮化硼，所述的下电极为铜箔，所述的上电极为钛和金。
[0010]优选的，所述的一种基于多层氮化硼的RRAM器件，所述的多层氮化硼的厚度为10nn^lj20nmo
[0011]优选的，所述的一种基于多层氮化硼的RRAM器件，所述的铜箔厚度为15-25μπι。
[0012]优选的，所述的一种基于多层氮化硼的RRAM器件，所述的钛电极厚度为1nm到20nm，金电极厚度为30_60nm。
[0013]—种基于多层氮化硼的RRAM器件的制备方法，所述的制备方法包括下述步骤:
(1)采用化学气相沉积法生长氮化硼，以硼氮烷作为前驱物，在1sccm的氢气环境中，1000°C的低压条件下，使铜箔退火30分钟，氮化硼的生长温度保持在750°C，时间控制在5-30分钟，硼氮烷的流量为l-3SCCm，氢气流量为2000SCCm;生长结束之后，将氮化硼/铜箔在lOOsccm氢气，lOOsccm氮气环境中退火I小时，退火温度为1000°C，即得到最终的氮化硼/铜箔样品，氮化硼生长的衬底铜箔作为器件下电极；
(2)使用电子束蒸镀仪和掩模板蒸镀钛电极和金电极:缓慢增加电子束功率，金属开始蒸发，随后增大电子束功率，直至达到0.5A/s并保持稳定时，打开上挡板，开始蒸镀电极，钛电极厚度为10_20nm，金电极厚度为30-60nmo
[0014]优选的，所述的一种基于多层氮化硼的RRAM器件的制备方法，所述的多层氮化硼的厚度为10nn^lj20nmo
[0015]优选的，所述的一种基于多层氮化硼的RRAM器件的制备方法，所述的铜箔厚度为15_25ym0
[0016]本发明与现有技术相比，其有益效果为:本发明采用零转移的方法制备超薄介电层RRAM器件，避免了氮化硼转移过程中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )对样品的污染。传统器件以硅片为基底，在基底上蒸镀一层下电极，如金、铂、钛等电极。当以CVD法制备的氮化硼为介电层时，则需要以PMMA为媒介将氮化硼由铜箔上转移至下电极上，得到PMMA /氮化硼/上电极/硅片的结构，但至今仍不能有效去除转移后的PMMA，使得样品受到污染，而本发明不需要转移氮化硼，有效避免了样品的污染。
[0017]本发明采用掩模板直接蒸镀上电极，避免使用光刻的手段制备电极，防止光刻胶的污染。传统的制备电极的方法是使用紫外光刻(制备大电极，电极尺寸大于Ιμπι)或电子束刻蚀(制备小电极，电极尺寸小于Ιμπι)，光刻前在样品上悬涂光刻胶(采用正胶，如用负胶结果相反，透光区域不受光照的影响)，光刻时掩模板透光区域的光刻胶发生变化，大分子链断裂，与显影液发生反应，使得透光部分的样品裸露出来，不透光区域的样品仍有光刻胶覆盖，接着进行上电极的蒸镀，再将电极外的光刻胶去除。其中，两次光刻胶的去除过程都不完全，直接影响上电极的质量，使得上电极不完整，与介电层接触不完全。
[0018]本发明采用二维氮化硼为介电层，可靠性强。与如今热门的高介电材料氧化铪相比，氮化硼RRAM的电学性质稳定，氧化铪的电学曲线波动大，衰亡快。
[0019]本发明易引进工业应用CVD氮化硼可大规模生产，零转移直接蒸镀上电极，制备过程简易，易于实现微电子器件的大规模生产和应用。
[0020]
【附图说明】
[0021]图1为探针台采集的(电极为ΙΟΟμπιχ ΙΟΟμπι)电阻开关循环图；
图2为器件的结构示意图；
图3为本发明的CVD法生长的单层氮化硼/铜箔的扫描电子显微镜(SEM)图；
图4为本发明的氮化硼的导电原子力显微镜(CAFM)电流图；
图5分别为氮化硼在同一位置的IV曲线和3个电流阈值对应电压的韦伯分布图；
图6 (a)为氧化給在同一位置的IV曲线，(b)为I个电流阈值对应电压的韦伯分布图；图7为氮化硼和氧化铪的起始电压(选定的阈值电流对应的电压)与IV曲线数量的关系;
图8为器件的SEM图；
图9(a)为IV曲线在0.1V时电极的高阻值和低阻值，(b)为(a)中高阻值和低阻值对应的韦伯分布图。
[0022]
【具体实施方式】
[0023]实施例1
(1)采用化学气相沉积法生长氮化硼，以硼氮烷作为前驱物，在1sccm的氢气环境中，1000°C的低压条件下，使铜箔