超深亚微米MOS器件RTS噪声研究

论文摘要

原生和强场诱生并与电场奇异性密切相关的边界陷阱是影响深亚微米MOS器件可靠性的关键因素之一。随着器件尺寸的不断缩小和栅介质厚度的降低,边界陷阱引起的沟道噪声也正逐渐增大,同时器件的1/f噪声退化为RTS噪声。这使得深亚微米器件的可靠性问题具有更加显著的随机性,从而使其分析和表征变得更加复杂。本文首先在深入研究半导体器件低频噪声的检测方法的基础上,建立了基于虚拟仪器的深亚微米器件RTS噪声测试系统。利用数字滤波的方法改进了RTS噪声参数提取方法。较以往的RTS噪声研究中的方法具有更高的精度和可靠性,而且该方法还便于自动化测量的应用。本文详细分析了影响该测试系统误差的因素并且针对这些因素,提出了一系列调节器件偏置、放大器截止频和放大倍率等参数来发挥测试系统性能的方法。90nm的MOS器件的测试结果显示,本文测试系统能够灵敏地测量深亚微米器件的RTS噪声。利用这一测量系统,本文系统地研究了边界陷阱交换载流子的物理机制,提出多晶硅栅极与陷阱的载流子交换也符合热激活+隧穿机制,对多晶硅栅电极建立了物理模型,并据此建立器件RTS噪声时间模型。结合Hung和Gérard的模型优势,同时考虑载流子数涨落、迁移率涨落和栅极的影响建立RTS噪声幅度模型,利用栅极的影响解释了RTS噪声幅度的宽范围分布。在幅度模型中使用了绝对幅度,这非常有利于参数提取的方便以及系统误差的消除。除此之外,本文还建立了RTS噪声特征参数与器件端口偏置关系模型,模型使用的参数都是一些可以很容易获得和测量的参数,方便在陷阱分析中使用。测试结果证实,栅极也参与了与陷阱的载流子交换,本文模型能够准确地描述陷阱电荷对沟道电流的影响。之后,基于该模型提出通过正反向测量器件非饱和区噪声来确定边界陷阱的横向位置的方法。该方法可以准确计算深亚微米器件边界陷阱横向位置,还避免了Zeynep方法中对器件造成损伤的可能。此后,在提取出的陷阱位置信息的基础上,改进了陷阱深度和能级的提取方法、陷阱散射系数的提取方法,测定了器件中陷阱的俘获截面和激活能。实测说明,本文的方法较传统方法更方便、更精确。将本文的方法应用于对器件氧化层陷阱的研究,可为从微观上分析失效机理和器件的可靠性评估的研究提供有效的新手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和范围
• 1.2 RTS 噪声研究现状与局限性
• 1.2.1 RTS 噪声测量与参数的提取
• 1.2.1.1 RTS 噪声测量
• 1.2.1.2 RTS 噪声参数提取
• 1.2.2 RTS 噪声机理与模型
• 1.2.2.1 RTS 时域模型的研究
• 1.2.2.2 RTS 幅度模型的研究
• 1.2.3 利用RTS 噪声的边界陷阱分析方法
• 1.3 本文研究的主要内容和方法
• 1.3.1 RTS 噪声测量技术
• 1.3.2 RTS 机理与模型研究
• 1.3.2.1 超深亚微米MOS 器件RTS 噪声的时域模型
• 1.3.2.2 超深亚微米MOS 器件RTS 噪声的幅度模型
• 1.3.3 基于RTS 噪声的边界陷阱分析方法
• 第二章 MOS 器件中的陷阱与噪声
• 2.1 MOS 器件中的陷阱
• 2.1.1 陷阱的来源
• 2.1.1.1 工艺引入的陷阱
• 2.1.1.2 应力产生的陷阱
• 2.1.2 陷阱的性质
• 2.1.2.1 界面陷阱
• 2.1.2.2 氧化层陷阱
• 2.2 MOS 器件中的噪声
• 2.2.1 噪声的分类
• 2.2.1.1 本征噪声
• 2.2.1.2 非本征噪声
• 2.2.2 产生-复合噪声
• 2.2.2.1 1/f 噪声
• 2.2.2.2 RTS 噪声
• 2.3 陷阱与RTS 噪声的关系
• 2.3.1 陷阱对载流子的俘获和发射
• 2.3.2 陷阱电荷的影响
• 2.4 小结
• 第三章RTS 噪声测量技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 本文研究中使用的测量方法
• 3.2.1 俘获和发射时间常数的测量
• 3.2.2 RTS 噪声电流幅度的测量
• 3.3 基于虚拟仪器的RTS 噪声测量系统
• 3.3.1 测量系统的构成
• 3.3.2 偏置与测量电路
• 3.3.2.1 偏置电路
• 3.3.2.2 信号放大
• 3.3.2.3 虚拟仪器
• 3.3.3 测量系统的使用
• 3.3.3.1 抗干扰措施
• 3.3.3.2 系统带宽引入误差
• 3.3.3.3 前放倍率与量化误差
• 3.4 数据分析方法研究
• 3.4.1 实测信号特征
• 3.4.2 时间特性提取方法
• 3.4.2.1 提取算法
• 3.4.2.2 误差分析
• 3.4.3 幅度特征提取
• 3.4.3.1 提取算法
• 3.4.3.2 误差分析
• 3.5 与传统方法对比
• 3.5.1 偏置电路
• 3.5.2 测量系统使用
• 3.5.3 提取算法
• 3.6 90 纳米器件的测量
• 3.6.1 样品的工艺、结构和特性
• 3.6.2 测试样片的结构
• 3.6.3 样品夹具
• 3.7 小结
• 第四章 超深亚微米MOS 器件RTS 噪声时域特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 深亚微米器件中陷阱的载流子交换模式与影响因素
• 4.2.1 MOS 结构中陷阱的载流子交换模式
• 4.2.2 多晶硅栅的建模
• 4.2.3 俘获截面
• 4.3 陷阱对载流子的俘获和发射机制
• 4.3.1 热激活机制
• 4.3.2 隧穿机制
• 4.3.3 热激活+隧穿机制
• 4.4 时域模型
• 4.4.1 偏置下的陷阱时间特征
• 4.4.2 时间特征与器件端口偏置之间的关系
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 测量与模拟结果
• 4.5.2 实验结果分析
• 4.6 小结
• 第五章 超深亚微米MOS 器件RTS 噪声幅度特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 薄栅器件中陷阱电荷对沟道的影响
• 5.2.1 薄栅器件中的载流子数涨落
• 5.2.2 薄栅器件中的迁移率涨落
• 5.3 幅度特性
• 5.3.1 RTS 噪声的相对幅度
• 5.3.2 幅度特性与偏置的关系
• 5.4 测量与模拟结果分析
• 5.4.1 实验与模拟结果
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 小结
• 第六章 基于RTS 噪声的陷阱分析方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 陷阱横向位置的分析方法
• 6.2.1 分析方法
• 6.2.2 测量结果与讨论
• 6.3 陷阱的深度和能级的提取方法
• 6.3.1 陷阱深度信息的提取原理
• 6.3.2 测量结果与分析
• 6.4 陷阱激活能和俘获截面的提取方法
• 6.4.1 激活能和俘获截面的提取原理
• 6.4.2 测量结果
• 6.5 陷阱的散射系数的分析方法
• 6.5.1 散射系数的分析原理
• 6.5.2 测量结果分析与讨论
• 6.6 小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果