基于N i电极和ZrO 2/SiO 2/ZrO 2介质的MIM电容的导电机理研究∗

刘骐萱 王永平 刘文军 丁士进

(复旦大学微电子学院,专用集成电路与系统国家重点实验室,上海200433)

基于N i电极和ZrO2/SiO2/ZrO2介质的MIM电容的导电机理研究∗

刘骐萱 王永平 刘文军 丁士进†

(复旦大学微电子学院,专用集成电路与系统国家重点实验室,上海200433)

(2016年11月13日收到;2017年1月16日收到修改稿)

研究了基于Ni电极和原子层淀积的ZrO2/SiO2/ZrO2对称叠层介质金属-绝缘体-金属(MIM)电容的电学性能.当叠层介质的厚度固定在14 nm时,随着SiO2层厚度从0增加到2 nm,所得电容密度从13.1 fF/µm2逐渐减小到9.3 fF/µm2,耗散因子从0.025逐渐减小到0.02.比较MIM电容的电流-电压(I-V)曲线,发现在高压下电流密度随着SiO2厚度的增加而减小,在低压下电流密度的变化不明显,还观察到电容在正、负偏压下表现出完全不同的导电特性,在正偏压下表现出不同的高、低场I-V特性,而在负偏压下则以单一的I-V特性为主导.进一步对该电容在高、低场下以及电子顶部和底部注入时的导电机理进行了研究.结果表明,当电子从底部注入时,在高场和低场下分别表现出普尔-法兰克(PF)发射和陷阱辅助隧穿(TAT)的导电机理;当电子从顶部注入时,在高、低场下均表现出TAT导电机理.主要原因在于底电极Ni与ZrO2之间存在镍的氧化层(NiOx),且ZrO2介质层中含有深浅两种能级陷阱(分别为0.9和2.3 eV),当电子注入的模式和外电场不同时,不同能级的陷阱对电子的传导产生作用.

金属-绝缘体-金属电容,导电机理,ZrO2/SiO2/ZrO2叠层介质,Ni电极

1 引言

近年来,为了满足射频电路和模拟/混合信号集成电路对高性能金属-绝缘体-金属(MIM)电容的需求,基于高介电常数(κ)介质的高密度MIM电容得到了广泛的研究[1−9],尤其是基于ZrO2介质的MIM电容引起了人们广泛的关注[10−13].这是由于ZrO2具有高介电常数(20—40)、宽带隙(5.8 eV)、高击穿电场(5—7 MV/cm)等优点,被视作MIM电容介质层的优选材料之一[14].然而,对于单一ZrO2介质MIM电容,电容电压系数(α)、泄漏电流和击穿电场等参数仍然面临挑战.由于ZrO2介质MIM电容的α值为正,将其与α值为负的SiO2介质结合在一起,作为MIM电容的绝缘介质层,可望获得更小的α值[15−18].为了进一步降低MIM电容的泄漏电流,研究者通常采用功函数较大的金属作为电极材料,以增大电子的发射势垒[19,20].另一方面,由于MIM电容需要集成到铜互连工艺中,因此其最高制备工艺温度必须与铜互连工艺相兼容,即要求其制备工艺温度不能超过420◦C.然而,在该温度下其他薄膜制备技术很难获得高质量的绝缘薄膜.近些年兴起的原子层淀积(ALD)技术不仅具有淀积温度低、化学计量比的薄膜组成以及精确的厚度控制能力,而且可以制备不同空间结构的复合薄膜,非常适合MIM电容中介质的制备,已被广泛用于MIM电容的研究[21−26].

国际上对纳米叠层结构介质MIM电容也进行了大量的研究,通过不同材料的选择、空间组合以及单层厚度的控制可以实现电容性能的调控[14−18,27−35].此外,针对该类MIM电容的导电机理,人们进行了广泛的研究.譬如,在ZrO2/A l2O3/ZrO2[28],Gd2O3/Eu2O3[29],A l2O3/ZrO2/A l2O3[31],Ta2O5/Nb2O5/ZrO2[32]介质MIM电容中,高场下的导电机理为普尔-法兰克(PF)发射.在ZrO2/SiO2/ZrO2[30],A l2O3/ZrO2/SiO2[33]介质MIM电容中,高场下发生的导电机理是电场辅助隧穿;在H fO2/La2O3[34],A l2O3/H fO2/A l2O3[35]介质MIM电容中,高场下则以肖特基发射为主导.低场下的导电机理有PF发射(如HfO2/La2O3[34],ZrO2/A l2O3/ZrO2[27],ZrO2/SiO2/ZrO2[30])、陷阱辅助隧穿(如A l2O3/ZrO2/SiO2[33],ZrO2/SiO2/ZrO2[30])以及肖特基发射(ZrO2/A l2O3/ZrO2[27],Gd2O3/Eu2O[29]).总之,MIM电容的导电机理不仅与叠层介质的空间结构[28,31]、材料种类[28,30,31,35]有关,还与介质的厚度[27,28,30]、陷阱特征[28,31,33]、界面特性[27,29]以及电极[32]有关.

因此,本文采用高功函数金属Ni(5.1 eV)作为电极材料[36,37],同时采用ALD技术淀积ZrO2/SiO2/ZrO2叠层介质薄膜,制备了以金属Ni为电极的MIM电容,研究了总介质厚度不变的情况下ZrO2与SiO2的相对厚度对MIM电容特性的影响,重点讨论了其电流-电压特性及其导电机理.

2 实验

首先,采用热氧化的方法在洁净的硅衬底上生长500 nm厚的SiO2薄膜,然后磁控溅射150 nm的Ni薄膜作为底电极.将覆盖Ni薄膜的硅片放入ALD腔体中,在250◦C的淀积温度下,依次淀积ZrO2,SiO2,ZrO2薄膜,其中生长ZrO2和SiO2的前驱体和氧化剂分别为四(二甲基氨基)锆和水,以及三(二甲基氨基)硅烷和氧等离子体.为了研究绝缘层中SiO2薄膜厚度对MIM电容电学特性的影响,实验固定ZrO2/SiO2/ZrO2叠层介质总厚度为14 nm,改变SiO2和ZrO2的相对厚度,其中SiO2厚度变化依次为0,1,2 nm.再磁控溅射100 nm的Ni薄膜作为顶电极,并通过光刻和湿法刻蚀等工艺形成一批独立的MIM电容器件.

SiO2,ZrO2薄膜的厚度通过椭偏仪测量(Sopra GES-5E),ZrO2/Ni底电极的界面组成分析通过X射线光电子能谱(K ratos Axis Ultra DLD)来测量.器件的电容-电压(C-V),电流-电压(I-V)特性分别由精密阻抗分析仪(Agilent 4294A)和半导体器件分析仪(Agilent B1500)测试.所有电学测试过程均在温度可控的Cascade探针台上进行,偏压加在顶电极上.

3 结果与讨论

图1(a)为100 kHz下不同叠层介质MIM电容的C-V曲线和耗散因子.当SiO2的厚度由0增加到2 nm时,器件在零偏压下的电容密度从13.1 fF/µm2逐渐减小到9.3 fF/µm2,耗散因子从0.025逐渐减小到0.02.根据14 nMZrO2介质MIM电容的电容密度,可推出ZrO2的相对介电常数约为23.这与文献报道的单斜晶向结构ZrO2的介电常数一致(κ=16—25)[38].图1(b)为室温下不同叠层介质MIM电容的I-V关系曲线,可以发现所有器件在−3—+3 V范围内均表现出很小的漏电流密度(低于5×10−8A/cm2).此外,进一步观察发现,当顶电极上施加正偏压时,随着电压的增加泄漏电流明显表现出两个不同的导电区域;而当顶电极上施加负偏压时,泄漏电流随电压的增加而缓慢增大,主要表现为一个导电区域.这种明显不同的I-V特性应该归因于不同的导电机理.

图1 (网刊彩色)(a)100 kHz下ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(Z/S/Z)叠层介质MIM电容的C-V特性和耗散因子;(b)室温(25◦C)下Z/S/Z叠层介质MIM电容的I-V曲线Fig.1.(color on line)(a)C-V characteristics and dissipation factors at 100 kHz for the MIMcapacitors w ith ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(Z/S/Z)stacked dielectrics;(b)I-V cu rves at rooMteMperatu re(25◦C)for the MIMcapacitors w ith Z/S/Z stacked d ielectrics.

为了进一步研究器件的导电机理,我们以14 nMZrO2介质和ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)叠层介质的两种MIM电容作为研究对象,分别测量了它们在不同温度下的I-V曲线.结果表明,当顶电极上加正偏压时(即电子底部注入),测得的电流在低场区域随偏压缓慢增加,在高场区域随偏压快速上升.对于MIM电容来说,一般在高场下器件的导电机理主要为PF发射[24,25,39].PF发射可描述为

式中J为电流密度,C为常数,E是电场,T是绝对温度,q是电子电荷,k是玻尔兹曼常数,φt是ZrO2介质中的陷阱能级,εr是绝缘体的动态介电常数,ε0是真空介电常数.我们首先对14 nMZrO2介质MIM电容在高场区域的ln(J/E)与E1/2的关系进行拟合,可以看出在不同温度下二者之间具有良好的线性关系,进一步由直线的斜率可提取出不同温度下ZrO2的折射率(n),如图2(a)所示.室温下(25◦C)提取出的折射率等于1.66,接近于实验测量值1.8.这表明高场下的导电机理符合PF发射.此外,由ln J和1/T的关系还可以计算得到不同电场下的活化能,然后根据Ea(Ea为活化能)和E1/2的关系可以外推得到其零电场下的值,即为介质ZrO2中的本征陷阱能级,如图2(b)所示.得到的本征陷阱能级约为0.9 eV,这与文献报道的结果一致[24,39,40].

对于ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)叠层介质MIM电容来说,由于叠层介质中每层介质的厚度和介电常数不同,所以每层介质中的电场是不同的.讨论导电机理时,若使用整个介质层的平均电场会引起较大的误差,所以必须采用ZrO2介质层中的实际电场.根据高斯定律和基尔霍夫定律,可以计算出施加在ZrO2层上的电场,即

式中κs和κz代表SiO2和ZrO2的介电常数,分别取值4.7和23;Es和Ez分别代表施加在SiO2和ZrO2层上的电场;ds和dz分别表示SiO2和ZrO2层的厚度;Vinsulator是施加到整个叠层的电压.由于SiO2厚度仅为2 nm,电子在其中以直接隧穿的方式通过,叠层介质的导电机理主要由ZrO2中的缺陷决定.如前所述,按照PF发射机理对高场下的I-V特性进行了线性拟合,如图3(a)所示.结果表明,ln(J/E)与E1/2不仅具有良好的线性关系,而且根据直线斜率计算得到室温下ZrO2的折射率为1.99,与实验值相符.这表明叠层介质MIM电容在高场下的导电机理也为PF发射.如图3(b)所示,根据Ea和E1/2的线性关系,进一步外推出叠层介质中ZrO2层中的本征陷阱能级为0.88 eV.这与前面从ZrO2介质MIM电容中推导得到的本征陷阱能级基本一致,这也从侧面证实了采用介质层中的实际电场的科学性.

图2 (a)14 nMZrO 2介质MIM电容在不同温度下ln(J/E)和E 1/2的关系以及通过高场区线性拟合所提取的ZrO 2折射率n;(b)不同电场下ln J和1/T的关系以及提取的活化能E a,插图表明E a和E 1/2之间良好的线性关系以及在零电场下的陷阱能级Fig.2.(a)P lotting of ln(J/E)versus E 1/2 at diff erent teMperatu res for the 14 nMZrO 2 dielectric MIMcapacitor,and the refractive index n of ZrO 2 ex tracted by linear fi tting in the high field region;(b)p lotting of ln J versus 1/T in various electric fields,together w ith the ex tracted activation energy E a,and the inset deMonstrates a good linear relationship between E a and E 1/2 aswell as the trap energy level in a zero field.

图3 (a)ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)介质MIM电容在不同温度下ln(J/E)和E 1/2的关系以及通过高场区线性拟合所提取的ZrO 2的折射率n;(b)不同电场下ln J和1/T的关系以及提取的活化能E a,插图表明E a和E 1/2之间良好的线性关系以及在零电场下的陷阱能级Fig.3.(a)P lotting of ln(J/E)versus E 1/2 at different teMperatu res for the ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)stacked dielectric MIMcapacitor,together w ith the ex tracted refractive index n of ZrO 2 by linear fi tting in the high field region;(b)p lotting of ln J versus 1/T in various electric fields,together w ith the extracted activation energy E a,and the inset deMonstrates a good linear relationship between E a and E 1/2 as well as the trap energy level in a zero field.

由于低场下的泄漏电流表现出与电场较弱的依赖关系,所以其导电机理可能受肖特基发射[22−24]或者陷阱辅助遂穿[41,42]控制.其中,肖特基发射可表示为

式中A为理查德森常数,φB为电极与介质导带之间的势垒高度,其他参数与前述内容一致.若为肖特基发射,则ln J与E1/2应满足线性关系.通过研究发现,虽然14 nMZrO2介质MIM电容和ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)叠层介质MIM电容在低场下ln J与E1/2能满足线性关系,但推导得到的室温下相对介电常数分别高达48和31,这与前面的实验值23发生了明显的偏离,因此低场下的导电机理不符合肖特基发射.

若低场下的漏电机理为与温度相关的陷阱辅助隧穿(TAT),则电流密度与电压之间的关系为[41,42]

式中Nt为介质中的陷阱密度,Vinsulator为降落在叠层介质上的电压,B为常数,kB为玻尔兹曼常数,φ1为电极(Ni)的费米能级距离ZrO2导带的势垒高度,即Ni的功函数和ZrO2的亲和势的差值为2.6 eV,φt为ZrO2中的陷阱能级.图4为14 nMZrO2介质MIM电容的ln J和E的关系,显然低场下ln J与E具有良好的线性关系,这表明低场下的导电符合TAT机理.进一步地,不同电场下ln J和1/T的关系如图4插图所示,根据拟合的直线斜率可以计算出ZrO2中的陷阱能级φt为2.34 eV,这与文献报道的深能级陷阱理论计算值符合[40].图5为ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)叠层介质MIM电容的I-V特性,结果表明低场下的导电机理符合TAT机理.此外,所提取的ZrO2中陷阱能级为2.33 eV.

图4 14 nMZrO 2介质MIM电容在低场区不同温度下ln J和E的关系(电子底部注入),插图为ln J与1/T的关系以及所提取的ZrO2的陷阱能级Fig.4.P lotting of ln J versus E in the low field region at various teMperatures under the electron bottoMinjection Mode for the 14 nMZrO 2 dielectric MIMcapacitor.The inset show s p lotting of ln J versus 1/T,and the ex tracted trap energy level of ZrO 2.

图5 ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)介质MIM电容在低场区不同温度下ln J和E的关系(电子底部注入),插图为ln J与1/T的关系以及所提取的ZrO 2的陷阱能级Fig.5.P lotting of ln J versus E in the low field region at various teMperatu res under the electron bottoMin jection Mode for ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)stacked d ielectric MIMcapacitor.The inset show s p lotting of ln J versus 1/T,and the ex tracted trap energy level of ZrO 2.

图6 不同温度下14 nMZrO 2介质MIM电容ln J和E的关系(电子顶部注入),插图为ln J和1/T的关系以及提取出的ZrO 2的陷阱能级Fig.6.Plotting of ln J versus E of the 14 nMZrO 2 dielectric MIMcapacitor at various teMperatu res under the electron top in jection Mode.The inset show s p lotting of ln J versus 1/T,as well as the extracted trap energy level of ZrO2.

当顶电极上加负偏压时(即电子顶部注入),我们对14 nMZrO2介质MIM电容和ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)叠层MIM电容的I-V特性分别进行了TAT机理拟合,如图6和图7所示.在研究的几乎整个电场区域,不同温度下ln J与E均具有良好的线性关系,这表明上述两种器件的导电机理均符合TAT机理.根据不同电场下ln J和1/T的关系,可进一步理论推导得到ZrO2介质和叠层介质MIM电容中ZrO2的陷阱能级分别为2.33和2.38 eV.

图7 不同温度下ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)介质MIM电容ln J和E的关系(电子顶部注入),插图为ln J和1/T的关系以及由不同电场下的直线斜率提取的ZrO 2陷阱能级Fig.7.Plotting of ln J versus E of ZrO2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)stacked d ielectric MIMcapacitor at various teMperatu res under the electron top in jection Mode.The inset show s p lotting of ln J versus1/T,as well as the extracted trap energy level of ZrO 2.

为了进一步了解电子从顶部和底部注入所表现出的不同导电机理,我们对ZrO2(14 nm)/Ni底电极的界面特性进行了X射线光电子能谱(XPS)分析.就高分辨率O 1s光谱来说,如图8(a)所示,经过原位离子刻蚀后,O 1s谱可以拟合成530和532.2 eV处的两个峰,分别对应O-Zr和O-Ni组分[43,44].随着刻蚀深度的增加,O-Zr键的相对含量由92%降低到39%,而O-Ni键的相对含量从8%上升到61%,这表明在ZrO2介质与底电极Ni的界面处存在镍氧化物(NiOx).此外,高分辨率Ni 2p3/2光谱中也出现了单质镍及其氧化物的峰,分别位于852.7和853.8 eV[45],如图8(b)所示,这也进一步证实了镍氧化物界面层的存在.

为了更好地理解上述不同的导电机理,图9给出了不同条件下的能带示意图.基于前文讨论,ZrO2中分别存在深能级陷阱(约2.34 eV)和浅能级陷阱(约0.9 eV).当电子从顶部注入时,由于Ni的费米能级与ZrO2中深陷阱能级(2.34 eV)接近,所以来自阴极的电子优先被深能级陷阱俘获,然后以陷阱辅助隧穿的方式穿过ZrO2层,同时以直接隧穿的方式通过超薄SiO2层和NiOx层,最终到达阳极,如图9(a)所示.当电子底部注入时,由于镍氧化物的存在,随着电场的增强,其能带随之向上弯曲,Ni的费米能级也会随之提高,此时Ni的费米能级与ZrO2导带之间的势垒高度逐渐减小.低场下Ni的费米能级与ZrO2中深陷阱能级距离较近,来自阴极的电子优先被深能级(2.34 eV)陷阱俘获,并以陷阱辅助隧穿的方式穿过ZrO2介质层,如图9(b)所示.随着外电场的增强,ZrO2中浅陷阱能级逐渐向底电极Ni的费米能级靠近,导致电子优先被浅能级(0.9 eV)陷阱俘获,并进一步跃迁到ZrO2的导带上,然后沿着导带到达阳极,即形成PF发射电流,如图9(c)所示.

图8 ZrO 2/N i样品经历不同刻蚀次数后(a)O 1s的高分辨XPS图谱和(b)N i 2p3/2的高分辨XPS图谱Fig.8.(a)High-resolution O 1s XPS patterns and(b)high-resolu tion N i 2p3/2 XPS patterns of the 14 nMZrO 2/Ni saMp le after diff erent etching tiMes.

图9 不同条件下ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)叠层介质MIM电容的能带示意图(a)电子顶部注入,外加电场2 MV/cm;(b)电子底部注入,外加电场1 MV/cm;(c)电子底部注入,外加电场2.5 MV/cmFig.9.Energy band diagraMs for the MIMcapacitor w ith the stacked insu lator of ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)for diff erent conditions:(a)Under the external electric field of 2 MV/cMand electron topin jection Mode;(b)under the ex ternal electric field of 1 MV/cMand electron bottom-in jection Mode;(c)under the ex ternal electric field of 2.5 MV/cMand electron bottom-in jection Mode.

4 结论

本文通过对基于Ni电极的ZrO2/SiO2/ZrO2叠层介质MIM电容导电机理的研究,发现当电子从底部注入时在高场和低场下的导电机理分别以PF发射和TAT为主导;而当电子从顶部注入时在整个电场区域都是以TAT为主导.这主要归因于底电极Ni和ZrO2之间的界面层NiOx以及ZrO2中存在深浅两种能级陷阱.当电子从底部注入时,镍氧化物界面层的引入使得其能带随电场的增加向上弯曲,Ni的费米能级也随之提升,ZrO2中浅陷阱能级逐渐向底电极Ni的费米能级靠近,因此低场下电子易被ZrO2中的深能级陷阱俘获,形成TAT电流,高场下电子优先被ZrO2的浅能级陷阱俘获,从而跃迁至导带,形成PF发射电流.当电子从顶部注入时,由于Ni的费米能级和ZrO2导带之间的势垒高度并不随电场发生变化,所以在整个电场区域内电子易被ZrO2中的深能级陷阱俘获,形成TAT电流.

[1]Sung H K,W ang C,K iMN Y 2015 Mat.Sci.SeMicon Proc.40 516

[2]Mangla O,Gup ta V 2016 J.Mater Sci.27 12537

[3]Dugu S,Pavunny SP,Scott J F,Katiyar R S 2016 Appl.Phys.Lett.109 212901

[4]Chiang K C,Huang C C,Chen G L,Chen W J,K ao H L,W u Y H,Chin A,McA lister S P 2006 IEEE Trans.E lectron Devices 53 2312

[5]W u Y H,Lin C C,Hu Y C,Wu ML,Wu J R,Chen L L 2003 IEEE E lectron Device Lett.32 1107

[6]Ding S J,Huang Y J,Huang Y,Pan S H,Zhang W,W ang L K 2007 Chin.Phys.16 2803

[7]Xu J,Huang J Y,Ding S J,Zhang W 2008 Acta Phys.Sin.58 3433(in Chinese)[许军,黄建宇,丁士进,张卫2008物理学报58 3433]

[8]Huang J Y,Huang Y,D ing S J,Zhang W,Liu R 2007 Chin.Phys.Lett.24 2492

[9]W ang C,Zhuang D M,Zhang G,Wu MS 2003 Chin.J.Mater.Res.17 332(in Chinese)[王超,庄大明,张弓,吴敏生2003材料研究学报17 332]

[10]Monaghan S,Cherkaoui K,D jara K,Hurley P K,Oberbeck L,Tois E,W ilde L,Teichert S 2009 IEEE E lectron Device Lett.30 219

[11]Bertaud T,B lonkow ski S,BerMond C,Vallee C,Gonon P,Jean MG,Flechet B 2010 IEEE E lectron Device Lett.31 114

[12]W u Y H,Lin C C,Chen L L,Hu Y C,W u J R,W u ML 2011 Appl.Phys.Lett.98 013506

[13]Lu tzer B,SiMsek S,ZimMerMann C,Pollach MS,Bethge O,Bertagnoli E 2016 J.Appl.Phys.119 125304

[14]Zhu B,Liu W J,W ei L,D ing S J 2016 J.Phys.D 49 135106

[15]Zhang Q X,Zhu B,D ing S J,Lu H L,Sun Q Q,Zhou P,Zhang W 2014 IEEE E lectron Device Lett.35 1121

[16]Phung T H,Srinivasan D K,SteinMann P,W ise R,Yu MB,Yeo Y C,Zhu C 2011 J.E lectrochem.Soc.158 1289

[17]K iMS J,Cho B J,Li MF,D ing S J,Zhu C,Yu MB,Narayanan B,Chin A,Kwong D L 2004 IEEE E lectron Device Lett.25 538

[18]Chen J D,Yang J J,Yu MB,Zhu C,Yeo Y C 2009 IEEE Electron Device Lett.56 2683

[19]H toa MK,Mahata C,Mallik S,Sarkar C K,Maiti C K 2011 J.E lectrochem.Soc.158 45

[20]Chiang K C,Chen C H,Pan H C,Hsiao C N,Chou C P,Chin A,Hwang H L 2007 IEEE E lectron Device Lett.28 235

[21]D ing S J,Huang Y J,Li Y B,Zhang D W,Zhu C,LiMF 2006 J.Vac.Sci.Technol.B 24 2518

[22]Pan S H,D ing S J,Huang Y,Huang Y J,Zhang W,W ang L K,Liu R 2007 J.Appl.Phys.102 073706

[23]Mojarad S A,Kwa K S K,Goss J P,Zhou Z,Ponon N K,App leby D J R,A I-HaMadany R S,Oneil A 2012 J.Appl.Phys.111 014503

[24]Molina J,ThaMankar R,Pey K L 2016 Phys.Status So lidi A 14 154

[25]D ing S J,Xu J,Huang Y,Sun Q Q 2008 Appl.Phys.Lett.93 092902

[26]Lee S Y,K iMH,Mcintyre P C,Saraswat K C,Byun J S 2003 App l.Phys.Lett.82 2874

[27]K nebel S,Sch roeder U,Zhou D,Mikola jick T,K rau theiMG 2014 IEEE Trans.Device Mater.Rel.14 154

[28]Paskaleva A,W ein reich W,Bauer A J,LeMberger M,Frey L 2015 Mat.Sci.SeMicon.Proc.29 124

[29]PadManabhan R,Bhat N,Mohan S 2013 IEEE E lectron Device Lett.60 1523

[30]W ein reich W,Shariq A,Seidel K,Sundqvist J,Paskaleva A,LeMberger M,Bauer A J 2013 J.Vac.Sci.Technol.B 31 01A 109

[31]Zhou D Y,Schroeder U,Xu J 2010 J.Appl.Phys.108 124104

[32]Jogi I,Kukli K,Ritala M,Leskela M,Aarik J,A id la A,Lu J 2010 Microelectron Eng.87 144

[33]Zhu B,Liu W J,W ei L,Zhang W,Jiang A Q,Ding S J 2015 J.App l.Phys.118 014501

[34]Srivastava A,Mangla O,Gup ta V 2015 IEEE Trans.Nanotechno l.14 612

[35]D ing S J,Zhu C X,Li MF,Zhang D W 2005 Appl.Phys.Lett.87 053501

[36]Mondal S,Pan T M2011 IEEE E lectron Device Lett.32 1576

[37]Tsai C Y,Chiang K C,Lin S H,Hsu K C,Chi C C,Chin A 2010 IEEE Electron Device Lett.31 749

[38]Zhao X Y,Vanderbilt D 2001 Phys.Rev.B 65 075105

[39]RaManathan S,Park C M,Mclntyre P C 2002 J.Appl.Phys.91 4521

[40]Hur J H,Park S J,Chung U I 2012 J.Appl.Phys.112 113719

[41]Svensson C,LundstorMI 1973 J.Appl.Phys.44 4657

[42]Houssa M,TuoMinen M,NailiM,A fanasev V,StesMans A,Haukka S,Henyns MM2000 J.Appl.Phys.87 8615

[43]Vuong T H,Radnik J,Kond ratenko E,Schneider M,A rMb ruster U,B ruckner A 2016 Appl.Cata l.B 197 159

[44]Peck MA,Langell MA 2012 Chem.Mater.24 4483

[45]Goto Y,Taniguchi K,OMata T,O tsukayaoMatsuo S 2008 Chem.Mater.20 4156

(Received 13 NoveMber 2016;revised Manuscrip t received 16 January 2017)

PACS:73.40.Rw,73.20.At,73.43.JnDOI:10.7498/aps.66.087301

*Pro ject supported by the National K ey Technologies R&D PrograMof China(G rant No.2015ZX 02102-003).

†Corresponding author.E-Mail:sjding@fudan.edu.cn

Conduction Mechan isMs of MIMcapacitors w ith ZrO2/SiO2/ZrO2stacked d ielectrics and N i electrodes∗

Liu Qi-Xuan Wang Yong-Ping Liu Wen-Jun Ding Shi-Jin†

(State Key Laboratory of ASIC and System,School ofMicroelectronics,Fudan University,Shanghai 200433,China)

The electrical characteristics of Ni electrode-based Metal-insu lator-Metal(MIM)capacitors have been investigated w ith atoMic layer deposited ZrO2/SiO2/ZrO2symmetric stacked-dielectrics.W hen the thicknessof the stacked-dielectrics is fixed at 14 nm,the resulted capacitance density decreases froM13.1 fF/M2to 9.3 fF/M2,and the dissipation factor is reduced froM0.025 to 0.02.By coMparison of current-voltage(I-V)curves of diff erent MIMcapacitors,it is found that the leakage current density in the high voltage region decreases gradually w ith the increasing thickness of SiO2,and it does not exhibit clear change in the low voltage region.Meanwhile,the capacitors show diff erent conduction behaviors under positive and negative biasesw ith increasing the thickness of SiO2froM0 to 2 nm.Under the positive bias,diff erent I-V characteristics are deMonstrated at high and low electric fields,respectively.However,a single I-V characteristic is doMinant under the negative bias.Further,the conduction MechanisMs of the capacitors are investigated under the electron bottoMand top in jection modes,respectively.It is found that the Poole-Frenkel eMission and the trap-assisted tunneling are doMinant in the high and low field regions,respectively,for the electron bottoMin jection;however,the trap-assisted tunneling is doMinant in the whole field region for the electron top injection.These are attributed to the formation of a thin NiOxinterfacial layer between the Ni bottom-electrode and the ZrO2dielectric layer,aswell as the existence of both deep and shallow level traps(0.9 and 2.3 eV)in the ZrO2dielectric.Therefore,the level trap p lays a key role in the electron conduction in the MIMcapacitor under diff erent electron injection Modes and diff erent electric fields.

metal-insulator-metal capacitor,conduction mechanism,ZrO2/SiO2/ZrO2stacked-dielectric,Nielectrodes

10.7498/aps.66.087301

∗国家02科技重大专项(批准号:2015ZX 02102-003)资助的课题.

†通信作者.E-Mail:sjd ing@fudan.edu.cn

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