小尺寸高k柵介質(zhì)MOSFETs低頻噪聲研究.pdf

1、低頻噪聲（包括1/f噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，其中1/f噪聲更為常見）廣泛存在于各種半導(dǎo)體器件中，相比電參數(shù)檢測，低頻噪聲具有高靈敏性，能夠敏感地反映半導(dǎo)體器件中的許多潛在缺陷。可靠性檢測方法的研究發(fā)現(xiàn)，在施加一定程度應(yīng)力后，電參數(shù)可能不會(huì)發(fā)生很大變化，但是噪聲參數(shù)卻有不同程度的反映。這是因?yàn)榕c電參數(shù)相比，噪聲對(duì)器件潛在缺陷的檢測能力比較強(qiáng)。因此，近幾年對(duì)低頻噪聲表征器件可靠性的研究越來越多。
　　MOS器件尺寸按照等比例縮小原則不斷

2、降低，SiO2絕緣氧化層的厚度也需要不斷減小。但是當(dāng)MOS器件特征尺寸達(dá)到深亞微米，甚至納米尺度，SiO2薄層的厚度將會(huì)超過其物理極限（~1.2 nm）。對(duì)高k材料的研究發(fā)現(xiàn)，用高k材料取代SiO2作為MOS器件柵介質(zhì)，能夠明顯改善由于尺寸微縮所導(dǎo)致的柵泄漏問題。但是，由于高k材料本身具有很高的體陷阱密度，以及由于晶格失配等原因?qū)е碌慕缑嫦葳迕芏冗^高，都給器件的可靠性帶來了挑戰(zhàn)。而1/f低頻噪聲卻能在一定程度上反映這些與器件可靠性相關(guān)的

3、參數(shù)特性，因此本文的重點(diǎn)就是研究這種具有疊層?xùn)艞＝Y(jié)構(gòu)的新型MOS器件的噪聲特性和1/f低頻噪聲模型。為此所做的研究工作主要有：
　　（1）以往的MOSFETs溝道載流子的庫倫散射僅僅只考慮了界面氧化層陷阱與溝道載流子的相互作用，本文總結(jié)了大量文獻(xiàn)資料中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由高k層體陷阱和高k層/中間層界面陷阱所導(dǎo)致的遠(yuǎn)程庫倫散射對(duì)遷移率的影響也是非常大的。傳統(tǒng)的Si基MOS器件的柵介質(zhì)是直接在襯底上氧化生成一層本征氧化層，因此表面粗糙

4、度散射不是很明顯，而新型的疊層?xùn)沤橘|(zhì)界面卻非常不平整，粗糙度散射較強(qiáng)。因此本文在對(duì)遷移率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，加上了遠(yuǎn)程庫倫散射和表面粗糙度散射的影響。
　?。?）經(jīng)典的統(tǒng)一噪聲模型應(yīng)用于傳統(tǒng)MOS器件的1/f噪聲表征是非常先進(jìn)的，但是對(duì)于新型的小尺寸高k柵介質(zhì)MOSFETs，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差比較大。本文在考慮了小尺寸器件的量子效應(yīng)后，對(duì)噪聲功率譜密度中的遷移率漲落項(xiàng)進(jìn)行了修正。
　?。?）計(jì)算模型參數(shù)—庫倫散射系數(shù)α和表面粗糙