小尺寸高k栅介质MOSFETs低频噪声研究

摘要

低频噪声（包括1/f噪声、产生-复合噪声，其中1/f噪声更为常见）广泛存在于各种半导体器件中，相比电参数检测，低频噪声具有高灵敏性，能够敏感地反映半导体器件中的许多潜在缺陷。可靠性检测方法的研究发现，在施加一定程度应力后，电参数可能不会发生很大变化，但是噪声参数却有不同程度的反映。这是因为与电参数相比，噪声对器件潜在缺陷的检测能力比较强。因此，近几年对低频噪声表征器件可靠性的研究越来越多。
　　MOS器件尺寸按照等比例缩小原则不断降低，SiO2绝缘氧化层的厚度也需要不断减小。但是当MOS器件特征尺寸达到深亚微米，甚至纳米尺度，SiO2薄层的厚度将会超过其物理极限（~1.2 nm）。对高k材料的研究发现，用高k材料取代SiO2作为MOS器件栅介质，能够明显改善由于尺寸微缩所导致的栅泄漏问题。但是，由于高k材料本身具有很高的体陷阱密度，以及由于晶格失配等原因导致的界面陷阱密度过高，都给器件的可靠性带来了挑战。而1/f低频噪声却能在一定程度上反映这些与器件可靠性相关的参数特性，因此本文的重点就是研究这种具有叠层栅栈结构的新型MOS器件的噪声特性和1/f低频噪声模型。为此所做的研究工作主要有：
　　（1）以往的MOSFETs沟道载流子的库伦散射仅仅只考虑了界面氧化层陷阱与沟道载流子的相互作用，本文总结了大量文献资料中的实验数据，发现由高k层体陷阱和高k层/中间层界面陷阱所导致的远程库伦散射对迁移率的影响也是非常大的。传统的Si基MOS器件的栅介质是直接在衬底上氧化生成一层本征氧化层，因此表面粗糙度散射不是很明显，而新型的叠层栅介质界面却非常不平整，粗糙度散射较强。因此本文在对迁移率进行计算时，加上了远程库伦散射和表面粗糙度散射的影响。
　　（2）经典的统一噪声模型应用于传统MOS器件的1/f噪声表征是非常先进的，但是对于新型的小尺寸高k栅介质MOSFETs，模拟结果和实验结果误差比较大。本文在考虑了小尺寸器件的量子效应后，对噪声功率谱密度中的迁移率涨落项进行了修正。
　　（3）计算模型参数—库伦散射系数α和表面粗糙度散射系数β。分析结果发现，两个散射系数之和与统一模型中的库伦散射系数具有相等的数量级，证明我们以统一噪声模型为基本框架的建模思路是正确的。
　　（4）本文在最后，还研究了现阶段的基于虚拟仪器的自动化噪声测试方法，设计了噪声测试的验证方案，希望能够研究不同中间层厚度和高k层厚度时MOSFETs的迁移率特性和1/f低频噪声特性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 论文结构

第二章 高k栅介质MOSFETs载流子的迁移率特性

2.1 高k栅介质MOSFETs反型层载流子的迁移率

2.2 玻尔兹曼载流子输运理论

2.3 基于库伦散射和表面粗糙度散射的迁移率特性

2.4 基于软光学声子散射的迁移率特性

2.5 本章小结

第三章 小尺寸MOSFETs的量子力学效应与1/f噪声

3.1 小尺寸MOS器件的量子力学效应分析

3.2 小尺寸MOSFETs 的1/f噪声

3.3 本章小结

第四章 金属/高k栅介质MOSFETs 的1/f噪声研究

4.1 现有高k栅介质MOSFETs 1/f噪声模型讨论

4.2 基于库伦散射和表面粗糙度散射的迁移率涨落的1/f噪声模型的研究

4.3 高k栅介质MOSFETs 1/f噪声参数分析

4.4 高k栅介质MOSFETs 1/f噪声测试

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简介