一種基于多層氮化硼的rram器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于信息存儲(chǔ)材料領(lǐng)域，涉及一種基于多層氮化硼的RRAM器件及其制備方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]電子信息存儲(chǔ)已變成現(xiàn)代社會(huì)的主流需求，其中，閃存由于結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛。這一器件的核心基于電容器的充放電，并用一個(gè)傳感器作為開關(guān)。但是，當(dāng)器件尺寸縮小，這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)很多物理缺陷。因此，急需新的存儲(chǔ)信息的方法，而近些年在非易失性存儲(chǔ)器中，隨機(jī)阻變存儲(chǔ)器(RRAM)引起很大的關(guān)注。
[0005]RRAM的核心是金屬-絕緣層-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，可以通過常規(guī)的微電子設(shè)備例如電子束蒸發(fā)儀、濺射儀、原子層沉積等制備。該存儲(chǔ)器通過改變MM中絕緣層的電阻，形成高電阻狀態(tài)(HRS)和低電阻狀態(tài)(LRS)，然而絕緣層的性能給存儲(chǔ)器帶來很大的影響。眾所周知，存儲(chǔ)單元的尺寸越來越小，而傳統(tǒng)的二氧化硅已不能滿足這樣的發(fā)展趨勢，原因在于尺寸減小使得二氧化硅出現(xiàn)隧道效應(yīng)，增大漏電流，增大了能量消耗。此外，二氧化硅與柵極和基底有相互作用，降低載流子的迀移率，減弱了器件的性能。這時(shí)需要高介電材料，使得減小絕緣層厚度的同時(shí)具備較厚的介電層。研究者們引入氧化鉿等高介電材料，可以解決尺寸見效帶來的問題，但是氧化鉿的電學(xué)性能不穩(wěn)定，厚度不均容易產(chǎn)生散射，給器件帶來新的問題。
[0006]氮化硼是一種類似石墨烯(晶格亂序只占1.7%)的sp2雜化的二維材料，具有優(yōu)越的物理和化學(xué)性質(zhì)，使得其在抗腐蝕修飾，可彎曲電容器，透明電極，自旋電子學(xué)，場效應(yīng)晶體管等方面有著很大的應(yīng)用前景。與石墨烯不同，氮化硼是絕緣體，禁帶為5.2到5.9eV之間，介電常數(shù)介于2和4之間，這讓氮化硼在邏輯電子器件中有很好的應(yīng)用前景，例如，氮化硼可與石墨烯和硫化鉬結(jié)合制備純二維材料的金屬-絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(MIS)，這是數(shù)字器件的核心結(jié)構(gòu)。用氮化硼替代傳統(tǒng)絕緣層如鉿、鈦和鋁的氧化物有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(i)現(xiàn)可制備厚度均一、平整的氮化硼，可明顯降低場效應(yīng)晶體管中的散射效應(yīng)；(ii)氮化硼具有比石墨烯更強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，避免了與鄰近的金屬層和半導(dǎo)體層發(fā)生反應(yīng)；(iii)氮化硼的高度的熱穩(wěn)定性可成為加強(qiáng)電子器件中熱散發(fā)的優(yōu)點(diǎn)；(iv)像其他二維材料一樣，氮化硼具有柔性、機(jī)械性和透明性，可用于制備機(jī)械柔性光學(xué)器件。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]要解決的技術(shù)問題:本發(fā)明的目的在于克服高介電隨機(jī)阻變存儲(chǔ)器電學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、易衰變的問題，引入先進(jìn)二維材料，公開了一種基于多層氮化硼的RRAM器件及其制備方法。
[0009]技術(shù)方案:為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于多層氮化硼的RRAM器件，其特征在于，所述的RRAM器件包括介電層、下電極、上電極，所述的介電層為多層氮化硼，所述的下電極為銅箔，所述的上電極為鈦和金。
[0010]優(yōu)選的，所述的一種基于多層氮化硼的RRAM器件，所述的多層氮化硼的厚度為10nn^lj20nmo
[0011]優(yōu)選的，所述的一種基于多層氮化硼的RRAM器件，所述的銅箔厚度為15-25μπι。
[0012]優(yōu)選的，所述的一種基于多層氮化硼的RRAM器件，所述的鈦電極厚度為1nm到20nm，金電極厚度為30_60nm。
[0013]—種基于多層氮化硼的RRAM器件的制備方法，所述的制備方法包括下述步驟:
(1)采用化學(xué)氣相沉積法生長氮化硼，以硼氮烷作為前驅(qū)物，在1sccm的氫氣環(huán)境中，1000°C的低壓條件下，使銅箔退火30分鐘，氮化硼的生長溫度保持在750°C，時(shí)間控制在5-30分鐘，硼氮烷的流量為l-3SCCm，氫氣流量為2000SCCm;生長結(jié)束之后，將氮化硼/銅箔在lOOsccm氫氣，lOOsccm氮?dú)猸h(huán)境中退火I小時(shí)，退火溫度為1000°C，即得到最終的氮化硼/銅箔樣品，氮化硼生長的襯底銅箔作為器件下電極；
(2)使用電子束蒸鍍儀和掩模板蒸鍍鈦電極和金電極:緩慢增加電子束功率，金屬開始蒸發(fā)，隨后增大電子束功率，直至達(dá)到0.5A/s并保持穩(wěn)定時(shí)，打開上擋板，開始蒸鍍電極，鈦電極厚度為10_20nm，金電極厚度為30-60nmo
[0014]優(yōu)選的，所述的一種基于多層氮化硼的RRAM器件的制備方法，所述的多層氮化硼的厚度為10nn^lj20nmo
[0015]優(yōu)選的，所述的一種基于多層氮化硼的RRAM器件的制備方法，所述的銅箔厚度為15_25ym0
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為:本發(fā)明采用零轉(zhuǎn)移的方法制備超薄介電層RRAM器件，避免了氮化硼轉(zhuǎn)移過程中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )對樣品的污染。傳統(tǒng)器件以硅片為基底，在基底上蒸鍍一層下電極，如金、鉑、鈦等電極。當(dāng)以CVD法制備的氮化硼為介電層時(shí)，則需要以PMMA為媒介將氮化硼由銅箔上轉(zhuǎn)移至下電極上，得到PMMA /氮化硼/上電極/硅片的結(jié)構(gòu)，但至今仍不能有效去除轉(zhuǎn)移后的PMMA，使得樣品受到污染，而本發(fā)明不需要轉(zhuǎn)移氮化硼，有效避免了樣品的污染。
[0017]本發(fā)明采用掩模板直接蒸鍍上電極，避免使用光刻的手段制備電極，防止光刻膠的污染。傳統(tǒng)的制備電極的方法是使用紫外光刻(制備大電極，電極尺寸大于Ιμπι)或電子束刻蝕(制備小電極，電極尺寸小于Ιμπι)，光刻前在樣品上懸涂光刻膠(采用正膠，如用負(fù)膠結(jié)果相反，透光區(qū)域不受光照的影響)，光刻時(shí)掩模板透光區(qū)域的光刻膠發(fā)生變化，大分子鏈斷裂，與顯影液發(fā)生反應(yīng)，使得透光部分的樣品裸露出來，不透光區(qū)域的樣品仍有光刻膠覆蓋，接著進(jìn)行上電極的蒸鍍，再將電極外的光刻膠去除。其中，兩次光刻膠的去除過程都不完全，直接影響上電極的質(zhì)量，使得上電極不完整，與介電層接觸不完全。
[0018]本發(fā)明采用二維氮化硼為介電層，可靠性強(qiáng)。與如今熱門的高介電材料氧化鉿相比，氮化硼RRAM的電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，氧化鉿的電學(xué)曲線波動(dòng)大，衰亡快。
[0019]本發(fā)明易引進(jìn)工業(yè)應(yīng)用CVD氮化硼可大規(guī)模生產(chǎn)，零轉(zhuǎn)移直接蒸鍍上電極，制備過程簡易，易于實(shí)現(xiàn)微電子器件的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
[0020]
【附圖說明】
[0021]圖1為探針臺(tái)采集的(電極為ΙΟΟμπιχ ΙΟΟμπι)電阻開關(guān)循環(huán)圖；
圖2為器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的CVD法生長的單層氮化硼/銅箔的掃描電子顯微鏡(SEM)圖；
圖4為本發(fā)明的氮化硼的導(dǎo)電原子力顯微鏡(CAFM)電流圖；
圖5分別為氮化硼在同一位置的IV曲線和3個(gè)電流閾值對應(yīng)電壓的韋伯分布圖；
圖6 (a)為氧化給在同一位置的IV曲線，(b)為I個(gè)電流閾值對應(yīng)電壓的韋伯分布圖；圖7為氮化硼和氧化鉿的起始電壓(選定的閾值電流對應(yīng)的電壓)與IV曲線數(shù)量的關(guān)系;
圖8為器件的SEM圖；
圖9(a)為IV曲線在0.1V時(shí)電極的高阻值和低阻值，(b)為(a)中高阻值和低阻值對應(yīng)的韋伯分布圖。
[0022]
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1
(1)采用化學(xué)氣相沉積法生長氮化硼，以硼氮烷作為前驅(qū)物，在1sccm的氫氣環(huán)境中，1000°C的低壓條件下，使銅箔