半导体器件噪声—可靠性诊断方法研究

论文题目: 半导体器件噪声—可靠性诊断方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 包军林

导师: 庄奕琪

关键词: 噪声,噪声,器件,光电耦合器,辐射损伤

文献来源: 西安电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着航天技术、核能技术及其核武器等高技术的迅速发展,越来越多的MOS器件需要在电离辐射环境中工作。由于电离辐射将在MOS器件中引入大量的氧化层电荷和界面电荷,引起器件电参数退化,导致半永久性和永久性损伤,甚至完全失效。为了保证器件在空间辐照环境中能正常工作,必须对辐照引入的损伤及器件抵抗辐照的能力进行预先评估和诊断。通常的方法是辐射退火筛选,这种方法周期长,且由于经济条件等因素,不可能做大量样品的破坏性实验,更重要的是它不能保证所有的被辐照的器件经过退火后能够恢复其初始性能,还有可能在被测器件中引入新的潜在缺陷。这迫切要求一种简单、快速且完全非破坏性的辐射筛选和抗辐射能力评估技术。光电耦合器以其体积小、寿命长、无触点、抗干扰性强等优点广泛地用于军事和航天领域,其噪声与器件的内部缺陷密切相关,已经成为影响器件可靠性,甚至器件功能的一个主要因素。所以对光电耦合器噪声的研究有助于检测该类器件各种缺陷的特性,尤其是潜在缺陷对器件性能的影响。本文通过比较分析MOS器件的1/f噪声及其辐射效应,深入研究了MOS器件抗辐射能力的1/f噪声表征技术。结合应用环境,对MOS器件非平稳1/f噪声进行了实验和理论研究。在详细分析光电耦合器低频噪声的基础上,研究了噪声用于光电耦合器可靠性评估的方法。取得了以下的创新研究结果:1、建立了基于虚拟仪器的半导体器件低频噪声测试系统。基于该测试系统,对不同类型、不同沟道尺寸的MOSFET,在不同偏置条件下分别测试了其低频噪声。从理论上分析了n/pMOSFET 1/f噪声差异的因素:（1）在Si-SiO2界面,电子的势垒高度大于空穴的势垒高度,且电子的有效质量远大于空穴;（2）导带底附近的氧化层陷阱密度大于价带顶附件的氧化层陷阱密度;（3）在同等条件下,电子的迁移率远大于空穴的迁移率。2、实验发现,MOSEFET在开关偏置时的非平稳1/f噪声大幅度减小,随着器件累积状态的加深,减小的幅度持续增加,且与开关频率成正比。建立了一个MOSFET非平稳1/f噪声模型,采用蒙特卡罗方法模拟了陷阱俘获发射的动力学行为,结果表明,器件开关状态时的非平稳1/f噪声减小归因于该偏置对氧化层中陷阱随机复合和发射载流子过程的调制。3、对不同沟道类型和沟道尺寸的MOSFET进行了60Coγ辐照实验,发现辐照前1/f噪声和辐照引起阈值电压漂移和跨导退化之间有明显的相关性。理论分析表明,辐射感生陷阱电荷起源于栅氧化层中的氧空位（≡Si··Si≡）和三价硅(Si

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 半导体器件的低频噪声和可靠性

1.1.2 辐射环境和MOS 器件的辐射效应

1.1.3 MOS 器件抗辐照能力的噪声表征技术

1.1.4 光电耦合器的低频噪声和可靠性

1.2 国内外相关研究概况

1.2.1 半导体器件的低频噪声理论

1.2.2 半导体器件可靠性的噪声诊断技术

1.3 本论文主要研究内容

第二章 半导体器件噪声基础

2.1 引言

2.2 白噪声

2.2.1 热噪声

2.2.2 散粒噪声

2.3 G-R 噪声

2.3.1 G-R 噪声的产生机理

2.3.2 二极管的G-R 噪声

2.3.3 双极晶体管的G-R 噪声

2.3.4 MOSFET 中的RTS

2.4 1/f 噪声

2.4.1 1/f 噪声产生机理

2.4.2 二极管的1/f 噪声

2.4.3 双极晶体管的1/f 噪声

2.4.4 MOS 器件的1/f 噪声

2.5 小结

第三章 MOS 器件1/f 噪声的测试分析

3.1 引言

3.2 MOS 器件低频噪声的测试方法

3.2.1 输出噪声的测量

3.2.2 输入噪声的测量

3.2.3 系统背景噪声的测量

3.3 基于虚拟仪器的MOS 器件低频噪声测试系统

3.3.1 测试系统的组成和工作原理

3.3.2 测试系统的性能分析

3.4 平稳1/f 噪声的测试结果及特性分析

3.4.1 频率特性

3.4.2 偏置特性

3.4.3 尺寸特性

3.5 非平稳1/f 噪声的测试结果及特性分析

3.5.1 非平稳1/f 噪声测试方法

3.5.2 MOS 器件的非平稳1/f 噪声模型

3.5.3 结果和讨论

3.6 小结

第四章 MOS 器件辐照特性的1/f 噪声表征方法

4.1 引言

4.2 MOS 器件总剂量辐照退化效应

4.2.1 辐照诱发阈值电压漂移

4.2.2 辐照诱发跨导退化

4.2.3 辐照使1/f 噪声幅值增加

4.2.4 辐照使1/f 噪声指数减小

4.3 MOS 器件辐照退化与1/f 噪声的相关性:实验研究

4.3.1 1/f 噪声与阈值电压漂移的关系

4.3.2 1/f 噪声与跨导退化的关系

4.3.3 机理分析

4.4 MOS 器件辐照退化与1/f 噪声的相关性:理论分析

4.4.1 MOSFET 1/f 噪声的统一模型

4.4.2 阈值电压漂移-1/f 噪声相关性分析

4.4.3 跨导退化-1/f 噪声相关性分析

4.4.4 辐照感生氧化层电荷的1/f 噪声分析方法

4.5 MOS 器件抗辐照能力的1/f 噪声筛选方法

4.5.1 MOS 器件抗辐照能力的传统表征方法

4.5.2 基于噪声参数的MOS 器件抗辐照能力表征模型

4.5.3 表征参数的选择和相关性分析

4.5.4 正态性分析和噪声频度分布

4.5.5 回归分析和显著性检验

4.5.6 筛选判据的确定

4.5.7 结果和讨论

4.6 结论

第五章 光电耦合器的噪声-可靠性诊断方法

5.1 引言

5.2 光电耦合器的低频噪声

5.2.1 光电耦合器低频噪声的构成

5.2.2 光电耦合器低频噪声的测试方法

5.3 光电耦合器的1/f 噪声

5.3.1 光耦1/f 噪声的产生机理

5.3.2 光电耦合器的1/f 噪声模型

5.3.3 实验结果和讨论

5.4 光电耦合器的G-R 噪声

5.4.1 光耦G-R 噪声的产生机理

5.4.2 光电耦合器的G-R 噪声模型

5.4.3 实验结果和讨论

5.5 光电耦合器可靠性的噪声评估方法

5.5.1 光电耦合器传统的可靠性评估方法

5.5.2 光电耦合器可靠性的噪声评估方法

5.6 小结

第六章 总结

致谢

参考文献

博士期间的学术论文及研究成果

发布时间: 2007-01-10

参考文献

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