A Reliable Si3N4/Al2O3-HfO2Stack MIM Capacitor for High-Voltage Analog Applications

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作者
Ching-Sung Ho,San-Jung Chang,Shih-Chang Chen,Juin J. Liou,Hongge Li
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:61 (8): 2944-2949 被引量:15
标识
DOI:10.1109/ted.2014.2332046
摘要

In this paper, we propose for the first time an attractive Si3N4/laminated Al2O3-HfO2(LAHO) stack metal- insulator-metal (MIM) capacitor with a low-leakage characteristic, good voltage linearity, high capacitance density, and excellent time-dependent dielectric breakdown (TDDB) reliability. The capacitor demonstrates a capacitance density of 4.2 fF/μm2, quadratic voltage coefficients (α) of 106 ppm/V2, and 18.92-year TDDB lifetime under a stressing voltage of 6.6 V. For the extended performance, it is projected that such a capacitor can possess a maximum capacitance density of 4.13 fF/μm2with α ≤ 100 ppm/V2and TDDB lifetime of 10 years under an analog operation of 7 V. Furthermore, this paper shows that α and TDDB lifetime of the new capacitor are very sensitive to the thickness of the Si3N4film. Comparison of the new MIM capacitors with the SiO2/HfO2stack MIM capacitors shows that the SiO2/HfO2capacitor is more suitable for low-voltage applications, whereas the new Si3N4/LAHO capacitor is superior for operations requiring a higher biasing condition.

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