半導體器件噪聲—可靠性診斷方法研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)、核能技術(shù)及其核武器等高技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的MOS器件需要在電離輻射環(huán)境中工作。由于電離輻射將在MOS器件中引入大量的氧化層電荷和界面電荷，引起器件電參數(shù)退化，導致半永久性和永久性損傷，甚至完全失效。為了保證器件在空間輻照環(huán)境中能正常工作，必須對輻照引入的損傷及器件抵抗輻照的能力進行預先評估和診斷。通常的方法是輻射退火篩選，這種方法周期長，且由于經(jīng)濟條件等因素，不可能做大量樣品的破壞性實驗，更重要的是它不能保證所有的被

2、輻照的器件經(jīng)過退火后能夠恢復其初始性能，還有可能在被測器件中引入新的潛在缺陷。這迫切要求一種簡單、快速且完全非破壞性的輻射篩選和抗輻射能力評估技術(shù)。 光電耦合器以其體積小、壽命長、無觸點、抗干擾性強等優(yōu)點廣泛地用于軍事和航天領(lǐng)域，其噪聲與器件的內(nèi)部缺陷密切相關(guān)，已經(jīng)成為影響器件可靠性，甚至器件功能的一個主要因素。所以對光電耦合器噪聲的研究有助于檢測該類器件各種缺陷的特性，尤其是潛在缺陷對器件性能的影響。 本文通過比較分析

3、MOS器件的1/f噪聲及其輻射效應，深入研究了MOS器件抗輻射能力的1/f噪聲表征技術(shù)。結(jié)合應用環(huán)境，對MOS器件非平穩(wěn)1/f噪聲進行了實驗和理論研究。在詳細分析光電耦合器低頻噪聲的基礎(chǔ)上，研究了噪聲用于光電耦合器可靠性評估的方法。取得了以下的創(chuàng)新研究結(jié)果：1、建立了基于虛擬儀器的半導體器件低頻噪聲測試系統(tǒng)?；谠摐y試系統(tǒng)，對不同類型、不同溝道尺寸的MOSFET，在不同偏置條件下分別測試了其低頻噪聲。從理論上分析了n/pMOSFET1/

4、f噪聲差異的因素：(1)在Si-SiO2界面，電子的勢壘高度大于空穴的勢壘高度，且電子的有效質(zhì)量遠大于空穴；(2)導帶底附近的氧化層陷阱密度大于價帶頂附件的氧化層陷阱密度；(3)在同等條件下，電子的遷移率遠大于空穴的遷移率。 2、實驗發(fā)現(xiàn)，MOSEFET在開關(guān)偏置時的非平穩(wěn)1/f噪聲大幅度減小，隨著器件累積狀態(tài)的加深，減小的幅度持續(xù)增加，且與開關(guān)頻率成正比。建立了一個MOSFET非平穩(wěn)1/f噪聲模型，采用蒙特卡羅方法模擬了陷阱俘

5、獲發(fā)射的動力學行為，結(jié)果表明，器件開關(guān)狀態(tài)時的非平穩(wěn)1/f噪聲減小歸因于該偏置對氧化層中陷阱隨機復合和發(fā)射載流子過程的調(diào)制。 3、對不同溝道類型和溝道尺寸的MOSFET進行了60Coγ輻照實驗，發(fā)現(xiàn)輻照前1/f噪聲和輻照引起閾值電壓漂移和跨導退化之間有明顯的相關(guān)性。理論分析表明，輻射感生陷阱電荷起源于柵氧化層中的氧空位(≡Si··Si≡)和三價硅(Si3=Si·)，前者通過輻照形成E'心，是氧化層陷阱的主要物理機構(gòu)，后者為pb心

6、，是界面陷阱的主要物理機構(gòu)，這和引起1/f噪聲的缺陷為同一起源。實驗還發(fā)現(xiàn)隨著輻照計量的增加，1/f噪聲指數(shù)減小，表明輻照不僅增加了陷阱電荷，而且改變了陷阱電荷的分布。 4、在載流子數(shù)漲落和遷移率漲落理論的基礎(chǔ)上，引入了氧化層陷阱的分布特征，并同時考慮陷阱與溝道交換載流子的隧穿和熱激活兩種方式，建立了完整的MOS器件1/f噪聲表征模型?；谠撃Ｐ?，詳細分析了用噪聲提取輻照感生氧化層陷阱和界面陷阱分布特征的方法。分析結(jié)果表明，氧化

7、層中陷阱在能量空間呈“U”，型分布，輻照前氧化層陷阱在幾何空間為正指數(shù)分布，輻照后則改變?yōu)樨撝笖?shù)分布。 5、建立了利用輻照前1/f噪聲來表征MOS器件抗輻照能力的定量模型，提出了用輻照前1/f噪聲預測輻照引起閾值電壓漂移和跨導退化的方法。此方法可用于對MOS器件進行加嚴篩選。 6、通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在施加應力的前后光電耦合器的1/f噪聲與輸入電流具有相同的變化規(guī)律，但應力后的1/f噪聲幅值在大電流區(qū)域比應力前增加約7

8、倍。理論分析表明，應力后1/f噪聲的增大歸因于應力在器件有源區(qū)誘生的陷阱，不同偏置條件下的1/f噪聲反映了不同器件內(nèi)部區(qū)域的缺陷特性。 7.建立了一個光電耦合器1/f和G-R噪聲的定量分析模型。分析結(jié)果顯示，光電耦合器的G-R噪聲起源于光敏三極管發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)中的陷阱對載流子的隨機俘獲和發(fā)射。基于實驗結(jié)果和理論模型，建立了對光電耦合器可靠性的噪聲評估及加嚴篩選的方法。 以上取得的研究結(jié)果將為進一步的半導體器件可靠性1/