高K介質(zhì)MOS器件隧穿低頻噪聲模型研究.pdf

1、在高k MOS器件中,鉿基高k電介質(zhì)的使用能減小柵電介質(zhì)中的泄漏電流,但相對(duì)較高的缺陷密度則引起了較多的可靠性問題。為了提高高k介質(zhì)可靠性,重要的是要充分的認(rèn)識(shí)和了解其缺陷的特性,掌握缺陷的空間和能量分布。
　　 噪聲是導(dǎo)致器件失效的各種潛在缺陷的靈敏反映。缺陷的存在及其數(shù)量變化所造成的噪聲變化要比常規(guī)的電參數(shù)大的多,因而噪聲已被廣泛用于研究半導(dǎo)體中的陷阱性質(zhì)。統(tǒng)一模型對(duì)SiO2介質(zhì)MOSFETs而言是最成功的噪聲模型,但當(dāng)器

2、件用高k柵棧材料作為柵介質(zhì)時(shí)用這個(gè)模型提取的參數(shù)值有明顯的誤差。所以隨著器件結(jié)構(gòu)的變化,傳統(tǒng)氧化物器件建立的統(tǒng)一噪聲模型,不能用在高k柵棧器件的噪聲上。需要建立比較精確的高k介質(zhì)MOS器件低頻噪聲模型,這對(duì)表征缺陷、優(yōu)化器件性能從而提高器件可靠性,是很有必要的。
　　 近年來已有文獻(xiàn)研究了高k噪聲特性以及高k柵棧低頻噪聲模型,所建的噪聲模型都是在原有SiO2器件統(tǒng)一噪聲模型的基礎(chǔ)上建立的。其中只考慮了直接隧穿機(jī)制,而研究表明在高

3、k柵棧MOS器件中除此機(jī)制外,還存在共振隧穿的載流子交換機(jī)制,因此已有的噪聲模型是不完善的,不符合新隧穿機(jī)制理論的要求。本文正是考慮了直接隧穿及共振隧穿機(jī)制,建立了基于全隧穿機(jī)制的1／f噪聲模型。主要工作如下:首先,研究了高k MOS器件隧穿低頻噪聲模型的發(fā)展現(xiàn)狀。分析了直接隧穿噪聲模型的建模思路、建立過程以及結(jié)合新型器件結(jié)構(gòu)特性的一系列改進(jìn)過程,并根據(jù)高k柵棧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及缺陷特性,發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有模型的不足點(diǎn)。其次,研究了載流子的俘獲發(fā)射

4、過程對(duì)漏電流1／f噪聲的影響,進(jìn)一步研究了載流子交換過程中的隧穿機(jī)制,并結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)證明了共振隧穿機(jī)制的存在。建立了高k介質(zhì)MOS器件缺陷與溝道共振隧穿交換載流子的物理模型,根據(jù)此物理模型建立了MOS器件雙勢壘結(jié)構(gòu)共振隧穿系數(shù)數(shù)學(xué)模型和俘獲時(shí)間常數(shù)的解析模型,并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證與討論,計(jì)算出的時(shí)間常數(shù)所屬范圍與實(shí)際器件測量的1／f噪聲換算出來的時(shí)間常數(shù)范圍一致,以此證明了計(jì)算公式、柵棧勢壘模型和計(jì)算方法的正確性。最后,提出了全隧穿噪聲