搜索

文章查询

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于Ni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

基于Ni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
PDF
导出引用
导出核心图
  • 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/m2逐渐减小到9.3 fF/m2,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.
      通信作者: 丁士进, sjding@fudan.edu.cn
    • 基金项目: 国家02科技重大专项(批准号:2015ZX02102-003)资助的课题.
    [1]

    Sung H K, Wang C, Kim N Y 2015 Mat. Sci. Semicon Proc. 40 516

    [2]

    Mangla O, Gupta V 2016 J. Mater Sci. 27 12537

    [3]

    Dugu S, Pavunny S P, 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, Kao H L, Wu Y H, Chin A, McAlister S P 2006 IEEE Trans. Electron Devices 53 2312

    [5]

    Wu Y H, Lin C C, Hu Y C, Wu M L, Wu J R, Chen L L 2003 IEEE Electron Device Lett. 32 1107

    [6]

    Ding S J, Huang Y J, Huang Y, Pan S H, Zhang W, Wang 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, Ding S J, Zhang W, Liu R 2007 Chin. Phys. Lett. 24 2492

    [9]

    Wang C, Zhuang D M, Zhang G, Wu M S 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, Djara K, Hurley P K, Oberbeck L, Tois E, Wilde L, Teichert S 2009 IEEE Electron Device Lett. 30 219

    [11]

    Bertaud T, Blonkowski S, Bermond C, Vallee C, Gonon P, Jean M G, Flechet B 2010 IEEE Electron Device Lett. 31 114

    [12]

    Wu Y H, Lin C C, Chen L L, Hu Y C, Wu J R, Wu M L 2011 Appl. Phys. Lett. 98 013506

    [13]

    Lutzer B, Simsek S, Zimmermann C, Pollach M S, Bethge O, Bertagnoli E 2016 J. Appl. Phys. 119 125304

    [14]

    Zhu B, Liu W J, Wei L, Ding S J 2016 J. Phys. D 49 135106

    [15]

    Zhang Q X, Zhu B, Ding S J, Lu H L, Sun Q Q, Zhou P, Zhang W 2014 IEEE Electron Device Lett. 35 1121

    [16]

    Phung T H, Srinivasan D K, Steinmann P, Wise R, Yu M B, Yeo Y C, Zhu C 2011 J. Electrochem. Soc. 158 1289

    [17]

    Kim S J, Cho B J, Li M F, Ding S J, Zhu C, Yu M B, Narayanan B, Chin A, Kwong D L 2004 IEEE Electron Device Lett. 25 538

    [18]

    Chen J D, Yang J J, Yu M B, Zhu C, Yeo Y C 2009 IEEE Electron Device Lett. 56 2683

    [19]

    Htoa M K, Mahata C, Mallik S, Sarkar C K, Maiti C K 2011 J. Electrochem. 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 Electron Device Lett. 28 235

    [21]

    Ding S J, Huang Y J, Li Y B, Zhang D W, Zhu C, Li M F 2006 J. Vac. Sci. Technol. B 24 2518

    [22]

    Pan S H, Ding S J, Huang Y, Huang Y J, Zhang W, Wang 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, Appleby D J R, AI-Hamadany R S, Oneil A 2012 J. Appl. Phys. 111 014503

    [24]

    Molina J, Thamankar R, Pey K L 2016 Phys. Status Solidi A 14 154

    [25]

    Ding S J, Xu J, Huang Y, Sun Q Q 2008 Appl. Phys. Lett. 93 092902

    [26]

    Lee S Y, Kim H, Mcintyre P C, Saraswat K C, Byun J S 2003 Appl. Phys. Lett. 82 2874

    [27]

    Knebel S, Schroeder U, Zhou D, Mikolajick T, Krautheim G 2014 IEEE Trans. Device Mater. Rel. 14 154

    [28]

    Paskaleva A, Weinreich W, Bauer A J, Lemberger M, Frey L 2015 Mat. Sci. Semicon. Proc. 29 124

    [29]

    Padmanabhan R, Bhat N, Mohan S 2013 IEEE Electron Device Lett. 60 1523

    [30]

    Weinreich W, Shariq A, Seidel K, Sundqvist J, Paskaleva A, Lemberger M, Bauer A J 2013 J. Vac. Sci. Technol. B 31 01A109

    [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, Aidla A, Lu J 2010 Microelectron Eng. 87 144

    [33]

    Zhu B, Liu W J, Wei L, Zhang W, Jiang A Q, Ding S J 2015 J. Appl. Phys. 118 014501

    [34]

    Srivastava A, Mangla O, Gupta V 2015 IEEE Trans. Nanotechnol. 14 612

    [35]

    Ding S J, Zhu C X, Li M F, Zhang D W 2005 Appl. Phys. Lett. 87 053501

    [36]

    Mondal S, Pan T M 2011 IEEE Electron 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, Lundstorm I 1973 J. Appl. Phys. 44 4657

    [42]

    Houssa M, Tuominen M, Naili M, Afanasev V, Stesmans A, Haukka S, Henyns M M 2000 J. Appl. Phys. 87 8615

    [43]

    Vuong T H, Radnik J, Kondratenko E, Schneider M, Armbruster U, Bruckner A 2016 Appl. Catal. B 197 159

    [44]

    Peck M A, Langell M A 2012 Chem. Mater. 24 4483

    [45]

    Goto Y, Taniguchi K, Omata T, Otsukayaomatsuo S 2008 Chem. Mater. 20 4156

  • [1]

    Sung H K, Wang C, Kim N Y 2015 Mat. Sci. Semicon Proc. 40 516

    [2]

    Mangla O, Gupta V 2016 J. Mater Sci. 27 12537

    [3]

    Dugu S, Pavunny S P, 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, Kao H L, Wu Y H, Chin A, McAlister S P 2006 IEEE Trans. Electron Devices 53 2312

    [5]

    Wu Y H, Lin C C, Hu Y C, Wu M L, Wu J R, Chen L L 2003 IEEE Electron Device Lett. 32 1107

    [6]

    Ding S J, Huang Y J, Huang Y, Pan S H, Zhang W, Wang 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, Ding S J, Zhang W, Liu R 2007 Chin. Phys. Lett. 24 2492

    [9]

    Wang C, Zhuang D M, Zhang G, Wu M S 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, Djara K, Hurley P K, Oberbeck L, Tois E, Wilde L, Teichert S 2009 IEEE Electron Device Lett. 30 219

    [11]

    Bertaud T, Blonkowski S, Bermond C, Vallee C, Gonon P, Jean M G, Flechet B 2010 IEEE Electron Device Lett. 31 114

    [12]

    Wu Y H, Lin C C, Chen L L, Hu Y C, Wu J R, Wu M L 2011 Appl. Phys. Lett. 98 013506

    [13]

    Lutzer B, Simsek S, Zimmermann C, Pollach M S, Bethge O, Bertagnoli E 2016 J. Appl. Phys. 119 125304

    [14]

    Zhu B, Liu W J, Wei L, Ding S J 2016 J. Phys. D 49 135106

    [15]

    Zhang Q X, Zhu B, Ding S J, Lu H L, Sun Q Q, Zhou P, Zhang W 2014 IEEE Electron Device Lett. 35 1121

    [16]

    Phung T H, Srinivasan D K, Steinmann P, Wise R, Yu M B, Yeo Y C, Zhu C 2011 J. Electrochem. Soc. 158 1289

    [17]

    Kim S J, Cho B J, Li M F, Ding S J, Zhu C, Yu M B, Narayanan B, Chin A, Kwong D L 2004 IEEE Electron Device Lett. 25 538

    [18]

    Chen J D, Yang J J, Yu M B, Zhu C, Yeo Y C 2009 IEEE Electron Device Lett. 56 2683

    [19]

    Htoa M K, Mahata C, Mallik S, Sarkar C K, Maiti C K 2011 J. Electrochem. 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 Electron Device Lett. 28 235

    [21]

    Ding S J, Huang Y J, Li Y B, Zhang D W, Zhu C, Li M F 2006 J. Vac. Sci. Technol. B 24 2518

    [22]

    Pan S H, Ding S J, Huang Y, Huang Y J, Zhang W, Wang 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, Appleby D J R, AI-Hamadany R S, Oneil A 2012 J. Appl. Phys. 111 014503

    [24]

    Molina J, Thamankar R, Pey K L 2016 Phys. Status Solidi A 14 154

    [25]

    Ding S J, Xu J, Huang Y, Sun Q Q 2008 Appl. Phys. Lett. 93 092902

    [26]

    Lee S Y, Kim H, Mcintyre P C, Saraswat K C, Byun J S 2003 Appl. Phys. Lett. 82 2874

    [27]

    Knebel S, Schroeder U, Zhou D, Mikolajick T, Krautheim G 2014 IEEE Trans. Device Mater. Rel. 14 154

    [28]

    Paskaleva A, Weinreich W, Bauer A J, Lemberger M, Frey L 2015 Mat. Sci. Semicon. Proc. 29 124

    [29]

    Padmanabhan R, Bhat N, Mohan S 2013 IEEE Electron Device Lett. 60 1523

    [30]

    Weinreich W, Shariq A, Seidel K, Sundqvist J, Paskaleva A, Lemberger M, Bauer A J 2013 J. Vac. Sci. Technol. B 31 01A109

    [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, Aidla A, Lu J 2010 Microelectron Eng. 87 144

    [33]

    Zhu B, Liu W J, Wei L, Zhang W, Jiang A Q, Ding S J 2015 J. Appl. Phys. 118 014501

    [34]

    Srivastava A, Mangla O, Gupta V 2015 IEEE Trans. Nanotechnol. 14 612

    [35]

    Ding S J, Zhu C X, Li M F, Zhang D W 2005 Appl. Phys. Lett. 87 053501

    [36]

    Mondal S, Pan T M 2011 IEEE Electron 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, Lundstorm I 1973 J. Appl. Phys. 44 4657

    [42]

    Houssa M, Tuominen M, Naili M, Afanasev V, Stesmans A, Haukka S, Henyns M M 2000 J. Appl. Phys. 87 8615

    [43]

    Vuong T H, Radnik J, Kondratenko E, Schneider M, Armbruster U, Bruckner A 2016 Appl. Catal. B 197 159

    [44]

    Peck M A, Langell M A 2012 Chem. Mater. 24 4483

    [45]

    Goto Y, Taniguchi K, Omata T, Otsukayaomatsuo S 2008 Chem. Mater. 20 4156

  • [1] 李闯, 李伟伟, 蔡理, 谢丹, 刘保军, 向兰, 杨晓阔, 董丹娜, 刘嘉豪, 陈亚博. 基于银纳米线电极-rGO敏感材料的柔性NO2气体传感器. 物理学报, 2020, 69(5): 058101. doi: 10.7498/aps.69.20191390
    [2] 张梦, 姚若河, 刘玉荣. 纳米尺度金属-氧化物半导体场效应晶体管沟道热噪声模型. 物理学报, 2020, 69(5): 057101. doi: 10.7498/aps.69.20191512
    [3] 刘婉馨, 陈瑞, 刘永杰, 王俊峰, 韩小涛, 杨明. 脉冲强磁场下的电极化测量系统. 物理学报, 2020, 69(5): 057502. doi: 10.7498/aps.69.20191520
    [4] 刘丽, 刘杰, 曾健, 翟鹏飞, 张胜霞, 徐丽君, 胡培培, 李宗臻, 艾文思. 快重离子辐照对YBa2Cu3O7-δ薄膜微观结构及载流特性的影响. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191914
    [5] 梁琦, 王如志, 杨孟骐, 王长昊, 刘金伟. Al2O3衬底无催化剂生长GaN纳米线及其光学性能研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191923
    [6] 汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣. 基于Si3N4/SiNx/Si3N4三明治结构的偏振无关1 × 2多模干涉型解复用器的设计. 物理学报, 2020, 69(5): 054206. doi: 10.7498/aps.69.20191449
    [7] 徐贤达, 赵磊, 孙伟峰. 石墨烯纳米网电导特性的能带机理第一原理. 物理学报, 2020, 69(4): 047101. doi: 10.7498/aps.69.20190657
    [8] 赵建宁, 刘冬欢, 魏东, 尚新春. 考虑界面接触热阻的一维复合结构的热整流机理. 物理学报, 2020, 69(5): 056501. doi: 10.7498/aps.69.20191409
    [9] 刘乃漳, 张雪冰, 姚若河. AlGaN/GaN 高电子迁移率器件外部边缘电容的物理模型. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191931
    [10] 潘军廷, 张宏. 极化电场对可激发介质中螺旋波的控制. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191934
    [11] 周瑜, 操礼阳, 马晓萍, 邓丽丽, 辛煜. 脉冲射频容性耦合氩等离子体的发射探针诊断. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191864
    [12] 赵珊珊, 贺丽, 余增强. 偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中的各向异性耗散. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200025
    [13] 杨进, 陈俊, 王福地, 李颖颖, 吕波, 向东, 尹相辉, 张洪明, 符佳, 刘海庆, 臧庆, 储宇奇, 刘建文, 王勋禺, 宾斌, 何梁, 万顺宽, 龚学余, 叶民友. 东方超环上低杂波驱动等离子体环向旋转实验研究. 物理学报, 2020, 69(5): 055201. doi: 10.7498/aps.69.20191716
    [14] 罗菊, 韩敬华. 激光等离子体去除微纳颗粒的热力学研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191933
    [15] 刘家合, 鲁佳哲, 雷俊杰, 高勋, 林景全. 气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响. 物理学报, 2020, 69(5): 057401. doi: 10.7498/aps.69.20191540
    [16] 翁明, 谢少毅, 殷明, 曹猛. 介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200026
    [17] 卢超, 陈伟, 罗尹虹, 丁李利, 王勋, 赵雯, 郭晓强, 李赛. 纳米体硅鳍形场效应晶体管单粒子瞬态中的源漏导通现象研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191896
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  311
  • PDF下载量:  162
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-13
  • 修回日期:  2017-01-16
  • 刊出日期:  2017-04-20

基于Ni电极和ZrO2/SiO2/ZrO2介质的MIM电容的导电机理研究

  • 1. 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
  • 通信作者: 丁士进, sjding@fudan.edu.cn
    基金项目: 

    国家02科技重大专项(批准号:2015ZX02102-003)资助的课题.

摘要: 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/m2逐渐减小到9.3 fF/m2,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.

English Abstract

参考文献 (45)

目录

    /

    返回文章
    返回