纳米MOS器件低频噪声关键问题研究
由于纳米MOS器件尺寸很小,其中的电场强度较大,因此出现了严重的量子力学效应和各种涨落效应。纳米MOS器件中的低频噪声与各种涨落机制一起作用,如沟道随机掺杂涨落、栅氧化层厚度与沟道有效长度涨落机制,以及反型层量子化效应和栅多晶硅耗尽效应等,导致器件阈值电压和漏源电流出现大幅度的涨落。研究纳米MOS器件低频噪声问题对提高器件质量与可靠性具有紧迫的现实意义。本文在已有MOSFET低频研究结果的基础上,结合纳米MOS器件中的量子效应和各种涨落效应,通过理论建模、实验测量和噪声信号时频分析技术相结合的方法,重点研究了纳米MOS器件的漏源电流RTS噪声、漏源电流背景l/f噪声、栅电流l/f噪声和RTS噪声的相关问题。通过本文的研究,主要得到以下结果:
1.提出了综合考虑陷阱电荷及其镜像电荷作用的RTS噪声幅度解析模型。与现有的RTS噪声幅度模型相比较,该模型能更准确地拟合超薄栅氧化层nMOSFET器件RTS噪声幅度的实验测量结果。
2.提出了可用于模拟纳米MOS器件RTS噪声幅度的高效二维逾渗模型。该模型建立在数值求解耦合的二维薛定谔方程和泊松方程所得到的沟道载流子浓度分布和电势分布的基础上,可模拟纳米MOS器件的RTS噪声相对幅度ΔID/ID随器件几何尺寸(Leff×Weff和tox)、偏置条件(Vds和VGS)以及陷阱横向位置(yt)的变化关系。模拟结果与文献报道的复杂数值模拟结果一致性很好。
3.针对超宽沟道的纳米MOS器件,提出了栅电流低频噪声的解析模型。该模型建立在栅极隧穿势垒高度涨落模型与洛仑兹调制散粒噪声模型的基础上,能够精确预测超薄栅氧化层纳米MOS器件的栅电流低频噪声功率谱密度随偏置条件的变化关系。模拟结果与实验结果拟合较好。利用该模型和实验测量的栅电流低频噪声功率谱,提取了栅氧化层陷阱浓度的分布曲线,所得结果与DPN工艺所引起的氮原子密度分布完全一致。
4.针对正常沟道宽度的纳米MOS器件,提出了基于肖特基效应的栅电流RTS噪声幅度模型。该模型能很好地拟合栅电流RTS噪声幅度随栅压变化的实验结果。利用栅电流RTS噪声幅度比漏源电流RTS噪声幅度大的特点,首次在室温下通过测量栅电流RTS噪声,表征了库仑吸引型陷阱的深度、在沟道中的横向位置和能级等信息。
5.利用NSP方法检测了纳米MOS器件漏源电流低频噪声信号中是否含有非高斯的RTS成分。通过噪声NSP图可提取RTS噪声幅度及时常数(τ)c与(τ)c之间相对大小的信息。
6.通过独立研究纯背景l/f噪声成分,发现背景l/f噪声与l/f噪声及其叠加产生的类l/f噪声有着不同的起源。通过实验测量了背景l/f噪声的Hooge常数αb随样品器件沟道掺杂浓度和栅压的变化关系,证明这种噪声起源于反型层载流子输运过程中经历的各种散射所引起的迁移率涨落效应,可用Hooge模型描述。而RTS噪声及其叠加产生的类l/f噪声则起源于栅氧化层陷阱的俘获与发射作用,可用McWhorter的载流子数涨落模型来描述。
尽管本文的研究取得了一定的成果,对纳米器件的低频噪声的研究仍然需要继续深入下去,有许多问题有待解决。
纳米器件;量子力学效应;噪声信号;时频分析
西安电子科技大学
博士
微电子学与固体电子学
庄奕琪
2010
中文
TN386
150
2011-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）