陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法

摘要

本发明公开了一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法，包括：获取单轴应变硅纳米N型金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET，确定NMOSFET的陷阱电荷浓度，陷阱电荷包括氧化层陷阱电荷浓度及界面态陷阱电荷浓度，根据氧化层陷阱电荷浓度，确定第一阈值电压漂移量，并根据界面态陷阱电荷浓度，确定第二阈值电压漂移量，确定NMOSFET的阈值电压，根据第一阈值电压漂移量、第二阈值电压漂移量、NMOSFET的陷阱电荷浓度和阈值电压，构建陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型，有利于根据噪声定量评估总剂量辐照效应下MOS器件内部潜在缺陷的情况，从而保证MOS器件在辐射环境下的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法。

背景技术

目前，微电子集成电路技术快速发展，以互补型金属氧化物为核心的半导体技术已进入纳米尺度。按照等比例缩小的原则，MOS栅氧化层厚度也随之减小，从而引起栅泄漏电流增大，故导致整个电路静态功耗急剧增大以及电学性能的退化甚至失效，成为集成电路持续发展的瓶颈。因此，对于新材料、新工艺及新器件的开发探索提出更高要求，而由于应变Si技术载流子迁移率高、带隙可调且与现有Si工艺相兼容等优势，故其是目前提高应变集成技术的重要途径之一。

随着航空航天技术，特别是外太空航天技术等高科技领域的迅速发展，越来越多的半导体器件和集成电路都需要在空间辐射环境中工作。这些高性能电子元器件在这种空间环境下工作时，总会受到空间辐射的影响，可能会极大的降低系统的可靠性。由于低频噪声可以非常灵敏地反映辐照后半导体器件内部的各种潜在缺陷，因而相关技术中主要集中在非应变材料以及实验测试手段对MOS器件噪声的研究，无法达到对电子材料、工艺和器件抗辐射能力的定量评价要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法，包括：

获取单轴应变硅纳米N型金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET；

确定所述NMOSFET的陷阱电荷浓度，所述陷阱电荷包括氧化层陷阱电荷浓度及界面态陷阱电荷浓度；

根据所述氧化层陷阱电荷浓度，确定第一阈值电压漂移量，并根据所述界面态陷阱电荷浓度，确定第二阈值电压漂移量；

确定所述NMOSFET的阈值电压；

根据所述第一阈值电压漂移量、所述第二阈值电压漂移量、所述NMOSFET的陷阱电荷浓度和阈值电压，构建陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型；其中，所述模型包括氧化层陷阱电荷与噪声幅值相关性模型，以及界面态陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型。

在本发明的一个实施例中，所述单轴应变硅纳米NMOSFET的辐照条件为总剂量辐照。

在本发明的一个实施例中，所述确定所述NMOSFET的陷阱电荷浓度的步骤，包括：

确定总剂量辐照产生的电子-空穴对在电场作用下初始逃脱的复合几率；

基于总剂量辐照对所述单轴应变硅纳米NMOSFET的微观运输机制以及栅极表面空穴密度为零的边界条件，计算得到所述NMOSFET的氧化层陷阱电荷浓度；

基于总剂量辐照对所述单轴应变硅纳米NMOSFET的微观运输机制以及栅氧化层表面质子通量为零的边界条件，计算得到所述NMOSFET的界面态陷阱电荷浓度。

在本发明的一个实施例中，所述确定所述NMOSFET的阈值电压的步骤之前，还包括：

计算所述第一阈值电压漂移量与所述第二阈值电压漂移量之和，得到所述NMOSFET的阈值电压漂移总量，并根据所述阈值电压漂移总量确定所述NMOSFET的阈值电压。

在本发明的一个实施例中，所述氧化层陷阱电荷浓度为：

其中，N

在本发明的一个实施例中，所述界面态陷阱电荷浓度为：

其中，N

在本发明的一个实施例中，所述第一阈值电压漂移量为：

其中，q表示单位电荷量，ε

在本发明的一个实施例中，所述第二阈值电压漂移量为：

其中，ΔN

在本发明的一个实施例中，所述氧化层陷阱电荷与噪声幅值相关性模型为：

其中，K

在本发明的一个实施例中，所述界面态陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型为：

其中，q表示单位电荷量，ΔV

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法，通过NMOSFET的陷阱电荷浓度分别确定第一阈值电压漂移量和第二阈值电压漂移量，并计算NMOSFET的阈值电压，进而根据第一阈值电压漂移量、第二阈值电压漂移量、NMOSFET的陷阱电荷浓度和阈值电压，构建陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型，有利于根据噪声定量评估总剂量辐照效应下MOS器件内部潜在缺陷的情况，从而保证MOS器件在辐射环境下的可靠性。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法的一种流程示意图；

图2是本发明实施例提供的总剂量辐照对单轴应变硅纳米NMOSFET的微观运输机制示意图；

图3是本发明实施例提供的单轴应变硅纳米NMOSFET器件的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的一种计算结果示意图；

图5是本发明实施例提供的陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的另一种计算结果示意图；

图6是本发明实施例提供的陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建装置的一种结构示意图；

图7是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明实施例提供了一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法，包括：

S101、获取单轴应变硅纳米N型金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET；

S102、确定NMOSFET的陷阱电荷浓度，陷阱电荷包括氧化层陷阱电荷浓度及界面态陷阱电荷浓度；

S103、根据氧化层陷阱电荷浓度，确定第一阈值电压漂移量，并根据所述界面态陷阱电荷浓度，确定第二阈值电压漂移量；

S104、确定NMOSFET的阈值电压；

S105、根据第一阈值电压漂移量、第二阈值电压漂移量、NMOSFET的陷阱电荷浓度和阈值电压，构建陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型；其中，模型包括氧化层陷阱电荷与噪声幅值相关性模型，以及界面态陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型。

应当理解，本实施例中采用的单轴应变Si器件相比于双轴应变Si器件，具有制造工艺简单、成本低且与现有Si工艺相兼容的优势，通常可选择浅槽隔离、接触孔刻蚀阻挡层、SiGe源/漏或金属Si化反应在沟道中引入单轴应力，并获得应变器件。可选地，上述单轴应变硅纳米NMOSFET的辐照条件为总剂量辐照，由于辐射作用会导致器件功能和性能参数的退化，而目前却有越来越多的半导体器件需要在空间辐射环境中工作，因此本实施例设置NMOSFET的辐照条件为总剂量辐照，对空间辐射环境下半导体器件的电学性能退化规律具有重要意义。

可选地，上述步骤S102中，确定NMOSFET的陷阱电荷浓度的步骤，包括：

确定总剂量辐照产生的电子-空穴对在电场作用下初始逃脱的复合几率；

基于总剂量辐照对所述单轴应变硅纳米NMOSFET的微观运输机制以及栅极表面空穴密度为零的边界条件，计算得到所述NMOSFET的氧化层陷阱电荷浓度；

基于总剂量辐照对所述单轴应变硅纳米NMOSFET的微观运输机制以及栅氧化层表面质子通量为零的边界条件，计算得到所述NMOSFET的界面态陷阱电荷浓度。

本实施例中，辐射能量会引起额外的陷阱电荷，陷阱电荷包括氧化层陷阱电荷及界面态陷阱电荷。

图2是本发明实施例提供的总剂量辐照对单轴应变硅纳米NMOSFET的微观运输机制示意图，图3是本发明实施例提供的单轴应变硅纳米NMOSFET器件的结构示意图。请参见图2-3，总剂量辐照对所述单轴应变硅纳米NMOSFET的微观运输机制具体为：总剂量射线辐射在单轴应变Si纳米NMOSFET的氧化层中激发产生电子-空穴对，栅极施加正电压，故电场的存在使电子很快被栅极吸收、而空穴则缓慢向衬底层方向移动；在此过程中，一部分空穴被氧化层陷阱捕获形成氧化层陷阱电荷，另一部分空穴与陷阱作用产生质子H+，质子输运至界面，并与界面处的Si悬挂键发生化学作用，从而在界面处形成界面态陷阱电荷。显然，上述两种性质的电荷将共同作用引起阈值电压的漂移。

示例性地，氧化层陷阱电荷与界面态陷阱电荷的作用过程表示为：

式中，P表示栅介质中的空穴浓度，t表示辐照时间，f

其中，f

f

随着辐照时间的无限延长，则上述NMOSFET器件栅介质中产生的空穴浓度值将会达到饱和。

f

由于栅极电场的存在，则辐照效应引起的电子和空穴会被分离，空穴向衬底方向运动，其运动缓慢且会被栅介质中的空穴陷阱捕获而形成氧化层陷阱正电荷。因此，可知栅极表面不存在空穴，即空穴密度为零。

f

f

联立式(1)(2)以及(9)，解得：

f

忽略空穴与陷阱作用产生的质子对栅介质中氧化层陷阱正电荷的影响，则在总剂量辐照条件下产生氧化层陷阱电荷浓度为：

其中，N

同样地，随着辐照时间的无限延长，由于空穴在输运过程中与陷阱电荷相互作用，NMOSFET器件栅介质中产生的质子浓度达到饱和。

式中，d为常数。

空穴在栅极正电场的作用下向衬底方向运动，则栅介质表面不存在空穴，因此由于空穴在输运过程中与陷阱电荷相互作用中产生的质子通量为零。

假定栅介质边界处的质子通量为零，解得总剂量辐照条件下产生界面态陷阱电荷浓度为：

N

进一步地，本实施例中NMOSFET阈值电压的漂移主要有两部分引起：第一部分为辐照在栅氧化层中产生的氧化层陷阱电荷引起的第一阈值电压漂移量，第二部分为辐照在界面产生的界面态陷阱电荷引起的第二阈值电压漂移量。

其中，第一阈值电压漂移量为：

q表示单位电荷量，ε

第二阈值电压漂移量为：

其中，ΔN

计算得到第一阈值电压漂移量和第二阈值电压漂移量后，NMOSFET的阈值电压漂移总量即为二者之和。

进一步地，沟道内的二维电势分布ψ(x,y)可通过二维泊松方程求解得到。假设可以忽略沟道中产生的电荷对开始强反型的影响，则二维的泊松方程为：

在垂直方向的电势一般为三次多项式，即

ψ(x,y)＝ψ

式中，ψs(x)表示沟道表面势。

求解泊松方程，边界条件如下：

在氧化层/应变Si界面(y＝0处)电位移矢量是连续的：

在耗尽区边界处(y＝Wd)电场和电势均为0：

ψ(x,W

代入上述边界条件求得任意常量C1(x)，C2(x)，C3(x)，并得到：

式中，γ＝ε

式中，l为特征长度：

且

表面势在沟道中呈现出对称分布趋势，则其最小值在沟道正中。因此，令式(24)中的x＝L/2，则可以得到ψ

当ψ

此外，还考虑一些二级效应的影响，禁带变窄效应和短沟道效应。经修正后，考虑了量子化效应以及总剂量辐照效应之后，可得到高精度的单轴应变Si纳米NMOS器件阈值电压：

最终，氧化层陷阱电荷与噪声幅值相关性模型为：

其中，K

界面态陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型为：

其中，q表示单位电荷量，ΔV

下面，对上述陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法进行仿真验证。

设置单轴应变Si纳米NMOSFET器件的沟道应力T＝1Gpa，沟道长度L＝50nm，结深25nm及等效氧化层厚度EOT＝1nm的，仿真物理模型包括：(1)Fermi-Dirac分布，(2)禁带变窄效应，(3)与物理浓度相关的SRH复合和俄歇复合，(4)考虑了掺杂浓度、电场、载流子散射、界面散射对迁移率的影响，(5)流体动力学模型用于载流子传输。

图4和图5是本发明实施例提供的陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的计算结果示意图。其中，三角形表示仿真数据结果，实线表示的是由陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型计算的结果，图4绘制了氧化层陷阱电荷导致阈值电压漂移与噪声功率谱幅值之间的关系，图5则绘制了界面态陷阱电荷导致阈值电压漂移与噪声功率谱幅值之间的关系。显然，由图4-5可知，模型计算结果与仿真结果吻合较好，也就是说，本发明构建的解析模型具有正确性与可行性，故为今后应变Si集成器件的辐照可靠性及电路噪声评估应用方面提供可行的理论依据，也为保证应变Si MOS器件在辐射环境下可靠地工作，提供了简便易行且可高效评价器件抗辐射能力的方法。

通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法，通过NMOSFET的陷阱电荷浓度分别确定第一阈值电压漂移量和第二阈值电压漂移量，并计算NMOSFET的阈值电压，进而根据第一阈值电压漂移量、第二阈值电压漂移量、NMOSFET的陷阱电荷浓度和阈值电压，构建陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型，有利于根据噪声定量评估总剂量辐照效应下MOS器件内部潜在缺陷的情况，从而保证MOS器件在辐射环境下的可靠性。

请参见图6，基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建装置，包括：

获取模块610，用于获取单轴应变硅纳米N型金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET；

第一确定模块620，用于确定NMOSFET的陷阱电荷浓度，陷阱电荷包括氧化层陷阱电荷浓度及界面态陷阱电荷浓度；

第二确定模块630，用于根据氧化层陷阱电荷浓度，确定第一阈值电压漂移量，并根据界面态陷阱电荷浓度，确定第二阈值电压漂移量；

第三确定模块640，确定NMOSFET的阈值电压；

构建模块650，用于根据第一阈值电压漂移量、第二阈值电压漂移量、NMOSFET的陷阱电荷浓度和阈值电压，构建陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型；其中，模型包括氧化层陷阱电荷与噪声幅值相关性模型，以及界面态陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型。

可见，本发明提供了一种陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建装置，构建了陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型，有利于根据噪声定量评估总剂量辐照效应下MOS器件内部潜在缺陷的情况，从而保证MOS器件在辐射环境下的可靠性。

本发明实施例还提供了一种电子设备，如图7所示，包括处理器701、通信接口702、存储器703和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信，

存储器703，用于存放计算机程序；

处理器701，用于执行存储器703上所存放的程序时，实现如下步骤：

获取单轴应变硅纳米N型金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET；

确定所述NMOSFET的陷阱电荷浓度，所述陷阱电荷包括氧化层陷阱电荷浓度及界面态陷阱电荷浓度；

根据所述氧化层陷阱电荷浓度，确定第一阈值电压漂移量，并根据所述界面态陷阱电荷浓度，确定第二阈值电压漂移量；

确定所述NMOSFET的阈值电压；

根据所述第一阈值电压漂移量、所述第二阈值电压漂移量、所述NMOSFET的陷阱电荷浓度和阈值电压，构建陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型；其中，所述模型包括氧化层陷阱电荷与噪声幅值相关性模型，以及界面态陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型。

上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

本发明实施例提供的方法可以应用于电子设备。具体的，该电子设备可以为：台式计算机、便携式计算机、智能移动终端、服务器等。在此不作限定，任何可以实现本发明的电子设备，均属于本发明的保护范围。

对于装置/电子设备/存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

需要说明的是，本发明实施例的装置、电子设备及存储介质分别是应用上述陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法的装置、电子设备及存储介质，则上述陷阱电荷与噪声幅值相关性解析模型的构建方法的所有实施例均适用于该装置、电子设备及存储介质，且均能达到相同或相似的有益效果。

应用本发明实施例所提供的终端设备，可以展示专有名词和/或固定词组供用户选择，进而减少用户输入时间，提高用户体验。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式，这里将它们都统称为“模块”或“系统”。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。计算机程序存储/分布在合适的介质中，与其它硬件一起提供或作为硬件的一部分，也可以采用其他分布形式，如通过Internet或其它有线或无线电信系统。

本申请是参照本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。