一种基于多层氮化硼的RRAM器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多层氮化硼的RRAM器件及其制备方法，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。制备方法为：（1）采用化学气相沉积法生长氮化硼，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。该器件与热门的高介电材料氧化铪器件相比，电学性质稳定；器件制备方法简单，避免二维材料常见的转移手段对样品造成的污染；使用掩膜版直接蒸镀上电极，避免光刻等微加工手段，工业化大规模生产前景广阔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。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MIM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，降低载流子的迁移率，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。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。
技术实现思路
要解决的技术问题：本专利技术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。技术方案：为了解决上述的技术问题，本专利技术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。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10nm到20nm。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15-25μm。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10nm到20nm，金电极厚度为30-60nm。一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10sccm的氢气环境中，1000℃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℃，时间控制在5-30分钟，硼氮烷的流量为1-3sccm，氢气流量为2000sccm；生长结束之后，将氮化硼/铜箔在100sccm氢气，100sccm氮气环境中退火1小时，退火温度为1000℃，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0.5?/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30-60nm。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10nm到20nm。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15-25μm。本专利技术与现有技术相比，其有益效果为：本专利技术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，而本专利技术不需要转移氮化硼，有效避免了样品的污染。本专利技术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1μm）或电子束刻蚀（制备小电极，电极尺寸小于1μm），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。本专利技术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。本专利技术易引进工业应用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。附图说明图1为探针台采集的（电极为100μmx100μm）电阻开关循环图；图2为器件的结构示意图；图3为本专利技术的CVD法生长的单层氮化硼/铜箔的扫描电子显微镜（SEM）图；图4为本专利技术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）为氧化铪在同一位置的IV曲线，（b）为1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。具体实施方式实施例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10sccm的氢气环境中，1000℃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℃，时间控制在15分钟，硼氮烷的流量为3sccm，氢气流量为2000sccm；生长结束之后，将氮化硼/铜箔在100sccm氢气，100sccm氮气环境中退火1小时，退火温度为1000℃，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层氮化硼的RRAM器件，其特征在于，所述的多层氮化硼的厚度为10nm到20nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层氮化硼的RRAM器件，其特征在于，所述的铜箔厚度为15-25μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于多层氮化硼的RRAM器件，其特征在于，所述的钛电极厚度为10nm到20nm，金电极厚度为30-60nm。
5.一种基于多层氮化硼的RRAM器件的制备方法，其特征在于，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10sccm的氢气环境中，1000℃的低压条件下，使铜箔退火30分钟，氮化硼的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉艳凤，潘成斌，惠飞，石媛媛，肖娜，马里奥兰扎，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32