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……