劉騏萱 王永平 劉文軍 丁士進(jìn)

(復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院,專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200433)

基于N i電極和ZrO2/SiO2/ZrO2介質(zhì)的MIM電容的導(dǎo)電機(jī)理研究?

劉騏萱 王永平 劉文軍 丁士進(jìn)?

(復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院,專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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電極和原子層淀積的ZrO2/SiO2/ZrO2對稱疊層介質(zhì)金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容的電學(xué)性能.當(dāng)疊層介質(zhì)的厚度固定在14 nm時(shí),隨著SiO2層厚度從0增加到2 nm,所得電容密度從13.1 fF/μm2逐漸減小到9.3 fF/μm2,耗散因子從0.025逐漸減小到0.02.比較MIM電容的電流-電壓(I-V)曲線,發(fā)現(xiàn)在高壓下電流密度隨著SiO2厚度的增加而減小,在低壓下電流密度的變化不明顯,還觀察到電容在正、負(fù)偏壓下表現(xiàn)出完全不同的導(dǎo)電特性,在正偏壓下表現(xiàn)出不同的高、低場I-V特性,而在負(fù)偏壓下則以單一的I-V特性為主導(dǎo).進(jìn)一步對該電容在高、低場下以及電子頂部和底部注入時(shí)的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,當(dāng)電子從底部注入時(shí),在高場和低場下分別表現(xiàn)出普爾-法蘭克(PF)發(fā)射和陷阱輔助隧穿(TAT)的導(dǎo)電機(jī)理;當(dāng)電子從頂部注入時(shí),在高、低場下均表現(xiàn)出TAT導(dǎo)電機(jī)理.主要原因在于底電極Ni與ZrO2之間存在鎳的氧化層(NiOx),且ZrO2介質(zhì)層中含有深淺兩種能級陷阱(分別為0.9和2.3 eV),當(dāng)電子注入的模式和外電場不同時(shí),不同能級的陷阱對電子的傳導(dǎo)產(chǎn)生作用.

金屬-絕緣體-金屬電容,導(dǎo)電機(jī)理,ZrO2/SiO2/ZrO2疊層介質(zhì),Ni電極

1 引言

近年來,為了滿足射頻電路和模擬/混合信號集成電路對高性能金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容的需求,基于高介電常數(shù)(κ)介質(zhì)的高密度MIM電容得到了廣泛的研究[1?9],尤其是基于ZrO2介質(zhì)的MIM電容引起了人們廣泛的關(guān)注[10?13].這是由于ZrO2具有高介電常數(shù)(20—40)、寬帶隙(5.8 eV)、高擊穿電場(5—7 MV/cm)等優(yōu)點(diǎn),被視作MIM電容介質(zhì)層的優(yōu)選材料之一[14].然而,對于單一ZrO2介質(zhì)MIM電容,電容電壓系數(shù)(α)、泄漏電流和擊穿電場等參數(shù)仍然面臨挑戰(zhàn).由于ZrO2介質(zhì)MIM電容的α值為正,將其與α值為負(fù)的SiO2介質(zhì)結(jié)合在一起,作為MIM電容的絕緣介質(zhì)層,可望獲得更小的α值[15?18].為了進(jìn)一步降低MIM電容的泄漏電流,研究者通常采用功函數(shù)較大的金屬作為電極材料,以增大電子的發(fā)射勢壘[19,20].另一方面,由于MIM電容需要集成到銅互連工藝中,因此其最高制備工藝溫度必須與銅互連工藝相兼容,即要求其制備工藝溫度不能超過420?C.然而,在該溫度下其他薄膜制備技術(shù)很難獲得高質(zhì)量的絕緣薄膜.近些年興起的原子層淀積(ALD)技術(shù)不僅具有淀積溫度低、化學(xué)計(jì)量比的薄膜組成以及精確的厚度控制能力,而且可以制備不同空間結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜,非常適合MIM電容中介質(zhì)的制備,已被廣泛用于MIM電容的研究[21?26].

國際上對納米疊層結(jié)構(gòu)介質(zhì)MIM電容也進(jìn)行了大量的研究,通過不同材料的選擇、空間組合以及單層厚度的控制可以實(shí)現(xiàn)電容性能的調(diào)控[14?18,27?35].此外,針對該類MIM電容的導(dǎo)電機(jī)理,人們進(jìn)行了廣泛的研究.譬如,在ZrO2/A l2O3/ZrO2[28],Gd2O3/Eu2O3[29],A l2O3/ZrO2/A l2O3[31],Ta2O5/Nb2O5/ZrO2[32]介質(zhì)MIM電容中,高場下的導(dǎo)電機(jī)理為普爾-法蘭克(PF)發(fā)射.在ZrO2/SiO2/ZrO2[30],A l2O3/ZrO2/SiO2[33]介質(zhì)MIM電容中,高場下發(fā)生的導(dǎo)電機(jī)理是電場輔助隧穿;在H fO2/La2O3[34],A l2O3/H fO2/A l2O3[35]介質(zhì)MIM電容中,高場下則以肖特基發(fā)射為主導(dǎo).低場下的導(dǎo)電機(jī)理有PF發(fā)射(如HfO2/La2O3[34],ZrO2/A l2O3/ZrO2[27],ZrO2/SiO2/ZrO2[30])、陷阱輔助隧穿(如A l2O3/ZrO2/SiO2[33],ZrO2/SiO2/ZrO2[30])以及肖特基發(fā)射(ZrO2/A l2O3/ZrO2[27],Gd2O3/Eu2O[29]).總之,MIM電容的導(dǎo)電機(jī)理不僅與疊層介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)[28,31]、材料種類[28,30,31,35]有關(guān),還與介質(zhì)的厚度[27,28,30]、陷阱特征[28,31,33]、界面特性[27,29]以及電極[32]有關(guān).

因此,本文采用高功函數(shù)金屬Ni(5.1 eV)作為電極材料[36,37],同時(shí)采用ALD技術(shù)淀積ZrO2/SiO2/ZrO2疊層介質(zhì)薄膜,制備了以金屬Ni為電極的MIM電容,研究了總介質(zhì)厚度不變的情況下ZrO2與SiO2的相對厚度對MIM電容特性的影響,重點(diǎn)討論了其電流-電壓特性及其導(dǎo)電機(jī)理.

2 實(shí)驗(yàn)

首先,采用熱氧化的方法在潔凈的硅襯底上生長500 nm厚的SiO2薄膜,然后磁控濺射150 nm的Ni薄膜作為底電極.將覆蓋Ni薄膜的硅片放入ALD腔體中,在250?C的淀積溫度下,依次淀積ZrO2,SiO2,ZrO2薄膜,其中生長ZrO2和SiO2的前驅(qū)體和氧化劑分別為四(二甲基氨基)鋯和水,以及三(二甲基氨基)硅烷和氧等離子體.為了研究絕緣層中SiO2薄膜厚度對MIM電容電學(xué)特性的影響,實(shí)驗(yàn)固定ZrO2/SiO2/ZrO2疊層介質(zhì)總厚度為14 nm,改變SiO2和ZrO2的相對厚度,其中SiO2厚度變化依次為0,1,2 nm.再磁控濺射100 nm的Ni薄膜作為頂電極,并通過光刻和濕法刻蝕等工藝形成一批獨(dú)立的MIM電容器件.

SiO2,ZrO2薄膜的厚度通過橢偏儀測量(Sopra GES-5E),ZrO2/Ni底電極的界面組成分析通過X射線光電子能譜(K ratos Axis Ultra DLD)來測量.器件的電容-電壓(C-V),電流-電壓(I-V)特性分別由精密阻抗分析儀(Agilent 4294A)和半導(dǎo)體器件分析儀(Agilent B1500)測試.所有電學(xué)測試過程均在溫度可控的Cascade探針臺上進(jìn)行,偏壓加在頂電極上.

3 結(jié)果與討論

圖1(a)為100 kHz下不同疊層介質(zhì)MIM電容的C-V曲線和耗散因子.當(dāng)SiO2的厚度由0增加到2 nm時(shí),器件在零偏壓下的電容密度從13.1 fF/μm2逐漸減小到9.3 fF/μm2,耗散因子從0.025逐漸減小到0.02.根據(jù)14 nMZrO2介質(zhì)MIM電容的電容密度,可推出ZrO2的相對介電常數(shù)約為23.這與文獻(xiàn)報(bào)道的單斜晶向結(jié)構(gòu)ZrO2的介電常數(shù)一致(κ=16—25)[38].圖1(b)為室溫下不同疊層介質(zhì)MIM電容的I-V關(guān)系曲線,可以發(fā)現(xiàn)所有器件在?3—+3 V范圍內(nèi)均表現(xiàn)出很小的漏電流密度(低于5×10?8A/cm2).此外,進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)頂電極上施加正偏壓時(shí),隨著電壓的增加泄漏電流明顯表現(xiàn)出兩個(gè)不同的導(dǎo)電區(qū)域;而當(dāng)頂電極上施加負(fù)偏壓時(shí),泄漏電流隨電壓的增加而緩慢增大,主要表現(xiàn)為一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域.這種明顯不同的I-V特性應(yīng)該歸因于不同的導(dǎo)電機(jī)理.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)(a)100 kHz下ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(Z/S/Z)疊層介質(zhì)MIM電容的C-V特性和耗散因子;(b)室溫(25?C)下Z/S/Z疊層介質(zhì)MIM電容的I-V曲線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.

為了進(jìn)一步研究器件的導(dǎo)電機(jī)理,我們以14 nMZrO2介質(zhì)和ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)疊層介質(zhì)的兩種MIM電容作為研究對象,分別測量了它們在不同溫度下的I-V曲線.結(jié)果表明,當(dāng)頂電極上加正偏壓時(shí)(即電子底部注入),測得的電流在低場區(qū)域隨偏壓緩慢增加,在高場區(qū)域隨偏壓快速上升.對于MIM電容來說,一般在高場下器件的導(dǎo)電機(jī)理主要為PF發(fā)射[24,25,39].PF發(fā)射可描述為

式中J為電流密度,C為常數(shù),E是電場,T是絕對溫度,q是電子電荷,k是玻爾茲曼常數(shù),φt是ZrO2介質(zhì)中的陷阱能級,εr是絕緣體的動態(tài)介電常數(shù),ε0是真空介電常數(shù).我們首先對14 nMZrO2介質(zhì)MIM電容在高場區(qū)域的ln(J/E)與E1/2的關(guān)系進(jìn)行擬合,可以看出在不同溫度下二者之間具有良好的線性關(guān)系,進(jìn)一步由直線的斜率可提取出不同溫度下ZrO2的折射率(n),如圖2(a)所示.室溫下(25?C)提取出的折射率等于1.66,接近于實(shí)驗(yàn)測量值1.8.這表明高場下的導(dǎo)電機(jī)理符合PF發(fā)射.此外,由ln J和1/T的關(guān)系還可以計(jì)算得到不同電場下的活化能,然后根據(jù)Ea(Ea為活化能)和E1/2的關(guān)系可以外推得到其零電場下的值,即為介質(zhì)ZrO2中的本征陷阱能級,如圖2(b)所示.得到的本征陷阱能級約為0.9 eV,這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致[24,39,40].

對于ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)疊層介質(zhì)MIM電容來說,由于疊層介質(zhì)中每層介質(zhì)的厚度和介電常數(shù)不同,所以每層介質(zhì)中的電場是不同的.討論導(dǎo)電機(jī)理時(shí),若使用整個(gè)介質(zhì)層的平均電場會引起較大的誤差,所以必須采用ZrO2介質(zhì)層中的實(shí)際電場.根據(jù)高斯定律和基爾霍夫定律,可以計(jì)算出施加在ZrO2層上的電場,即

式中κs和κz代表SiO2和ZrO2的介電常數(shù),分別取值4.7和23;Es和Ez分別代表施加在SiO2和ZrO2層上的電場;ds和dz分別表示SiO2和ZrO2層的厚度;Vinsulator是施加到整個(gè)疊層的電壓.由于SiO2厚度僅為2 nm,電子在其中以直接隧穿的方式通過,疊層介質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)理主要由ZrO2中的缺陷決定.如前所述,按照PF發(fā)射機(jī)理對高場下的I-V特性進(jìn)行了線性擬合,如圖3(a)所示.結(jié)果表明,ln(J/E)與E1/2不僅具有良好的線性關(guān)系,而且根據(jù)直線斜率計(jì)算得到室溫下ZrO2的折射率為1.99,與實(shí)驗(yàn)值相符.這表明疊層介質(zhì)MIM電容在高場下的導(dǎo)電機(jī)理也為PF發(fā)射.如圖3(b)所示,根據(jù)Ea和E1/2的線性關(guān)系,進(jìn)一步外推出疊層介質(zhì)中ZrO2層中的本征陷阱能級為0.88 eV.這與前面從ZrO2介質(zhì)MIM電容中推導(dǎo)得到的本征陷阱能級基本一致,這也從側(cè)面證實(shí)了采用介質(zhì)層中的實(shí)際電場的科學(xué)性.

圖2 (a)14 nMZrO 2介質(zhì)MIM電容在不同溫度下ln(J/E)和E 1/2的關(guān)系以及通過高場區(qū)線性擬合所提取的ZrO 2折射率n;(b)不同電場下ln J和1/T的關(guān)系以及提取的活化能E a,插圖表明E a和E 1/2之間良好的線性關(guān)系以及在零電場下的陷阱能級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.

圖3 (a)ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)介質(zhì)MIM電容在不同溫度下ln(J/E)和E 1/2的關(guān)系以及通過高場區(qū)線性擬合所提取的ZrO 2的折射率n;(b)不同電場下ln J和1/T的關(guān)系以及提取的活化能E a,插圖表明E a和E 1/2之間良好的線性關(guān)系以及在零電場下的陷阱能級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.

由于低場下的泄漏電流表現(xiàn)出與電場較弱的依賴關(guān)系,所以其導(dǎo)電機(jī)理可能受肖特基發(fā)射[22?24]或者陷阱輔助遂穿[41,42]控制.其中,肖特基發(fā)射可表示為

式中A為理查德森常數(shù),φB為電極與介質(zhì)導(dǎo)帶之間的勢壘高度,其他參數(shù)與前述內(nèi)容一致.若為肖特基發(fā)射,則ln J與E1/2應(yīng)滿足線性關(guān)系.通過研究發(fā)現(xiàn),雖然14 nMZrO2介質(zhì)MIM電容和ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)疊層介質(zhì)MIM電容在低場下ln J與E1/2能滿足線性關(guān)系,但推導(dǎo)得到的室溫下相對介電常數(shù)分別高達(dá)48和31,這與前面的實(shí)驗(yàn)值23發(fā)生了明顯的偏離,因此低場下的導(dǎo)電機(jī)理不符合肖特基發(fā)射.

若低場下的漏電機(jī)理為與溫度相關(guān)的陷阱輔助隧穿(TAT),則電流密度與電壓之間的關(guān)系為[41,42]

式中Nt為介質(zhì)中的陷阱密度,Vinsulator為降落在疊層介質(zhì)上的電壓,B為常數(shù),kB為玻爾茲曼常數(shù),φ1為電極(Ni)的費(fèi)米能級距離ZrO2導(dǎo)帶的勢壘高度,即Ni的功函數(shù)和ZrO2的親和勢的差值為2.6 eV,φt為ZrO2中的陷阱能級.圖4為14 nMZrO2介質(zhì)MIM電容的ln J和E的關(guān)系,顯然低場下ln J與E具有良好的線性關(guān)系,這表明低場下的導(dǎo)電符合TAT機(jī)理.進(jìn)一步地,不同電場下ln J和1/T的關(guān)系如圖4插圖所示,根據(jù)擬合的直線斜率可以計(jì)算出ZrO2中的陷阱能級φt為2.34 eV,這與文獻(xiàn)報(bào)道的深能級陷阱理論計(jì)算值符合[40].圖5為ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)疊層介質(zhì)MIM電容的I-V特性,結(jié)果表明低場下的導(dǎo)電機(jī)理符合TAT機(jī)理.此外,所提取的ZrO2中陷阱能級為2.33 eV.

圖4 14 nMZrO 2介質(zhì)MIM電容在低場區(qū)不同溫度下ln J和E的關(guān)系(電子底部注入),插圖為ln J與1/T的關(guān)系以及所提取的ZrO2的陷阱能級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.

圖5 ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)介質(zhì)MIM電容在低場區(qū)不同溫度下ln J和E的關(guān)系(電子底部注入),插圖為ln J與1/T的關(guān)系以及所提取的ZrO 2的陷阱能級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.

圖6 不同溫度下14 nMZrO 2介質(zhì)MIM電容ln J和E的關(guān)系(電子頂部注入),插圖為ln J和1/T的關(guān)系以及提取出的ZrO 2的陷阱能級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.

當(dāng)頂電極上加負(fù)偏壓時(shí)(即電子頂部注入),我們對14 nMZrO2介質(zhì)MIM電容和ZrO2/SiO2/ZrO2(6 nm/2 nm/6 nm)疊層MIM電容的I-V特性分別進(jìn)行了TAT機(jī)理擬合,如圖6和圖7所示.在研究的幾乎整個(gè)電場區(qū)域,不同溫度下ln J與E均具有良好的線性關(guān)系,這表明上述兩種器件的導(dǎo)電機(jī)理均符合TAT機(jī)理.根據(jù)不同電場下ln J和1/T的關(guān)系,可進(jìn)一步理論推導(dǎo)得到ZrO2介質(zhì)和疊層介質(zhì)MIM電容中ZrO2的陷阱能級分別為2.33和2.38 eV.

圖7 不同溫度下ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)介質(zhì)MIM電容ln J和E的關(guān)系(電子頂部注入),插圖為ln J和1/T的關(guān)系以及由不同電場下的直線斜率提取的ZrO 2陷阱能級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.

為了進(jìn)一步了解電子從頂部和底部注入所表現(xiàn)出的不同導(dǎo)電機(jī)理,我們對ZrO2(14 nm)/Ni底電極的界面特性進(jìn)行了X射線光電子能譜(XPS)分析.就高分辨率O 1s光譜來說,如圖8(a)所示,經(jīng)過原位離子刻蝕后,O 1s譜可以擬合成530和532.2 eV處的兩個(gè)峰,分別對應(yīng)O-Zr和O-Ni組分[43,44].隨著刻蝕深度的增加,O-Zr鍵的相對含量由92%降低到39%,而O-Ni鍵的相對含量從8%上升到61%,這表明在ZrO2介質(zhì)與底電極Ni的界面處存在鎳氧化物(NiOx).此外,高分辨率Ni 2p3/2光譜中也出現(xiàn)了單質(zhì)鎳及其氧化物的峰,分別位于852.7和853.8 eV[45],如圖8(b)所示,這也進(jìn)一步證實(shí)了鎳氧化物界面層的存在.

為了更好地理解上述不同的導(dǎo)電機(jī)理,圖9給出了不同條件下的能帶示意圖.基于前文討論,ZrO2中分別存在深能級陷阱(約2.34 eV)和淺能級陷阱(約0.9 eV).當(dāng)電子從頂部注入時(shí),由于Ni的費(fèi)米能級與ZrO2中深陷阱能級(2.34 eV)接近,所以來自陰極的電子優(yōu)先被深能級陷阱俘獲,然后以陷阱輔助隧穿的方式穿過ZrO2層,同時(shí)以直接隧穿的方式通過超薄SiO2層和NiOx層,最終到達(dá)陽極,如圖9(a)所示.當(dāng)電子底部注入時(shí),由于鎳氧化物的存在,隨著電場的增強(qiáng),其能帶隨之向上彎曲,Ni的費(fèi)米能級也會隨之提高,此時(shí)Ni的費(fèi)米能級與ZrO2導(dǎo)帶之間的勢壘高度逐漸減小.低場下Ni的費(fèi)米能級與ZrO2中深陷阱能級距離較近,來自陰極的電子優(yōu)先被深能級(2.34 eV)陷阱俘獲,并以陷阱輔助隧穿的方式穿過ZrO2介質(zhì)層,如圖9(b)所示.隨著外電場的增強(qiáng),ZrO2中淺陷阱能級逐漸向底電極Ni的費(fèi)米能級靠近,導(dǎo)致電子優(yōu)先被淺能級(0.9 eV)陷阱俘獲,并進(jìn)一步躍遷到ZrO2的導(dǎo)帶上,然后沿著導(dǎo)帶到達(dá)陽極,即形成PF發(fā)射電流,如圖9(c)所示.

圖8 ZrO 2/N i樣品經(jīng)歷不同刻蝕次數(shù)后(a)O 1s的高分辨XPS圖譜和(b)N i 2p3/2的高分辨XPS圖譜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.

圖9 不同條件下ZrO 2/SiO 2/ZrO 2(6 nm/2 nm/6 nm)疊層介質(zhì)MIM電容的能帶示意圖(a)電子頂部注入,外加電場2 MV/cm;(b)電子底部注入,外加電場1 MV/cm;(c)電子底部注入,外加電場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 結(jié)論

本文通過對基于Ni電極的ZrO2/SiO2/ZrO2疊層介質(zhì)MIM電容導(dǎo)電機(jī)理的研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子從底部注入時(shí)在高場和低場下的導(dǎo)電機(jī)理分別以PF發(fā)射和TAT為主導(dǎo);而當(dāng)電子從頂部注入時(shí)在整個(gè)電場區(qū)域都是以TAT為主導(dǎo).這主要?dú)w因于底電極Ni和ZrO2之間的界面層NiOx以及ZrO2中存在深淺兩種能級陷阱.當(dāng)電子從底部注入時(shí),鎳氧化物界面層的引入使得其能帶隨電場的增加向上彎曲,Ni的費(fèi)米能級也隨之提升,ZrO2中淺陷阱能級逐漸向底電極Ni的費(fèi)米能級靠近,因此低場下電子易被ZrO2中的深能級陷阱俘獲,形成TAT電流,高場下電子優(yōu)先被ZrO2的淺能級陷阱俘獲,從而躍遷至導(dǎo)帶,形成PF發(fā)射電流.當(dāng)電子從頂部注入時(shí),由于Ni的費(fèi)米能級和ZrO2導(dǎo)帶之間的勢壘高度并不隨電場發(fā)生變化,所以在整個(gè)電場區(qū)域內(nèi)電子易被ZrO2中的深能級陷阱俘獲,形成TAT電流.

[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)[許軍,黃建宇,丁士進(jìn),張衛(wèi)2008物理學(xué)報(bào)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,莊大明,張弓,吳敏生2003材料研究學(xué)報(bào)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

?國家02科技重大專項(xiàng)(批準(zhǔn)號:2015ZX 02102-003)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:sjd ing@fudan.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn