Improvement of Voltage Linearity and Leakage Current of MIM Capacitors With Atomic Layer Deposited Ti-Doped ZrO2 Insulators

电容器 电容 分析化学(期刊) 材料科学 符号 物理 数学 量子力学 化学 有机化学 电压 算术 电极
作者
Guang Zheng,Yu-Li He,Bao Zhu,Xiaohan Wu,David Wei Zhang,Shi‐Jin Ding
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (6): 3064-3070 被引量:10
标识
DOI:10.1109/ted.2023.3267752
摘要

MIM capacitors have been widely investigated as passive devices in integrated circuits. In this work, Ti-doped ZrO2 (ZTO) thin films prepared by plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) are explored as the dielectrics of MIM capacitors. First, modulation of capacitance density and quadratic voltage coefficient of capacitance ( $\alpha {)}$ is achieved for the MIM capacitors by adjusting the ALD cycle ratio of TiO2/ZrO2 (Ti/Zr). The $\alpha $ -value exhibits a decreasing trend with increasing the content of Ti, even down to a negative value. In terms of Ti/Zr=1/2, the capacitor shows a minimum $\vert \alpha \vert $ value of 219 ppm/ $\text{V}^{{2}}$ , accompanied by a capacitance density of 11.64 fF/ $\mu \text{m}^{{2}}$ . Furthermore, an additional $\text{O}_{{2}}$ plasma treatment (5 min) of the ZTO dielectric significantly reduces the leakage current by three orders of magnitude; meanwhile, the $\alpha $ -value decreases by $\sim $ 42%. In a word, the optimized capacitor demonstrates good electrical properties including a capacitance density of 12.21 fF/ $\mu \text{m}^{{2}}$ , $\alpha $ of 128 ppm/ $\text{V}^{{2}}$ , leakage current of ${7}.{85} \times {10} ^{-{7}}$ A/cm2 at 1 V, and temperature coefficient of capacitance (TCC) of 194 ppm/ $\text{V}^{{2}}$ . This is related to the passivation of oxygen vacancies in ZTO caused by $\text{O}_{{2}}$ plasma treatment.
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