納米MOS器件低頻噪聲關鍵問題研究.pdf

1、由于納米MOS器件尺寸很小,其中的電場強度較大,因此出現(xiàn)了嚴重的量子力學效應和各種漲落效應。納米MOS器件中的低頻噪聲與各種漲落機制一起作用,如溝道隨機摻雜漲落、柵氧化層厚度與溝道有效長度漲落機制,以及反型層量子化效應和柵多晶硅耗盡效應等,導致器件閾值電壓和漏源電流出現(xiàn)大幅度的漲落。研究納米MOS器件低頻噪聲問題對提高器件質(zhì)量與可靠性具有緊迫的現(xiàn)實意義。本文在已有MOSFET低頻研究結(jié)果的基礎上,結(jié)合納米MOS器件中的量子效應和各種漲落

2、效應,通過理論建模、實驗測量和噪聲信號時頻分析技術相結(jié)合的方法,重點研究了納米MOS器件的漏源電流RTS噪聲、漏源電流背景l(fā)/f噪聲、柵電流l/f噪聲和RTS噪聲的相關問題。通過本文的研究,主要得到以下結(jié)果:
　　 1.提出了綜合考慮陷阱電荷及其鏡像電荷作用的RTS噪聲幅度解析模型。與現(xiàn)有的RTS噪聲幅度模型相比較,該模型能更準確地擬合超薄柵氧化層nMOSFET器件RTS噪聲幅度的實驗測量結(jié)果。
　　 2.提出了可用于模

3、擬納米MOS器件RTS噪聲幅度的高效二維逾滲模型。該模型建立在數(shù)值求解耦合的二維薛定諤方程和泊松方程所得到的溝道載流子濃度分布和電勢分布的基礎上,可模擬納米MOS器件的RTS噪聲相對幅度ΔID/ID隨器件幾何尺寸(Leff×Weff和tox)、偏置條件(Vds和VGS)以及陷阱橫向位置(yt)的變化關系。模擬結(jié)果與文獻報道的復雜數(shù)值模擬結(jié)果一致性很好。
　　 3.針對超寬溝道的納米MOS器件,提出了柵電流低頻噪聲的解析模型。該模

4、型建立在柵極隧穿勢壘高度漲落模型與洛侖茲調(diào)制散粒噪聲模型的基礎上,能夠精確預測超薄柵氧化層納米MOS器件的柵電流低頻噪聲功率譜密度隨偏置條件的變化關系。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果擬合較好。利用該模型和實驗測量的柵電流低頻噪聲功率譜,提取了柵氧化層陷阱濃度的分布曲線,所得結(jié)果與DPN工藝所引起的氮原子密度分布完全一致。
　　 4.針對正常溝道寬度的納米MOS器件,提出了基于肖特基效應的柵電流RTS噪聲幅度模型。該模型能很好地擬合柵電流RT

5、S噪聲幅度隨柵壓變化的實驗結(jié)果。利用柵電流RTS噪聲幅度比漏源電流RTS噪聲幅度大的特點,首次在室溫下通過測量柵電流RTS噪聲,表征了庫侖吸引型陷阱的深度、在溝道中的橫向位置和能級等信息。
　　 5.利用NSP方法檢測了納米MOS器件漏源電流低頻噪聲信號中是否含有非高斯的RTS成分。通過噪聲NSP圖可提取RTS噪聲幅度及時常數(shù)(τ)c與(τ)c之間相對大小的信息。
　　 6.通過獨立研究純背景l(fā)/f噪聲成分,發(fā)現(xiàn)背景l(fā)/

6、f噪聲與l/f噪聲及其疊加產(chǎn)生的類l/f噪聲有著不同的起源。通過實驗測量了背景l(fā)/f噪聲的Hooge常數(shù)αb隨樣品器件溝道摻雜濃度和柵壓的變化關系,證明這種噪聲起源于反型層載流子輸運過程中經(jīng)歷的各種散射所引起的遷移率漲落效應,可用Hooge模型描述。而RTS噪聲及其疊加產(chǎn)生的類l/f噪聲則起源于柵氧化層陷阱的俘獲與發(fā)射作用,可用McWhorter的載流子數(shù)漲落模型來描述。
　　 盡管本文的研究取得了一定的成果,對納米器件的低頻噪