高K介質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電介質的使用能減小柵電介質中的泄漏電流,但相對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介質可靠性,重要的是要充分的認識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。缺陷的存在及其數量變化所造成的噪聲變化要比常規(guī)的電參數大的多,因而噪聲已被廣泛用于研究半導體中的陷阱性質。統(tǒng)一模型對SiO2介質MOSFETs而言是最成功的噪聲模型,但當器

2、件用高k柵棧材料作為柵介質時用這個模型提取的參數值有明顯的誤差。所以隨著器件結構的變化,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MOS器件低頻噪聲模型,這對表征缺陷、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)一噪聲模型的基礎上建立的。其中只考慮了直接隧穿機制,而研究表明在高

3、k柵棧MOS器件中除此機制外,還存在共振隧穿的載流子交換機制,因此已有的噪聲模型是不完善的,不符合新隧穿機制理論的要求。本文正是考慮了直接隧穿及共振隧穿機制,建立了基于全隧穿機制的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)展現狀。分析了直接隧穿噪聲模型的建模思路、建立過程以及結合新型器件結構特性的一系列改進過程,并根據高k柵棧的結構特點以及缺陷特性,發(fā)現了現有模型的不足點。其次,研究了載流子的俘獲發(fā)射

4、過程對漏電流1／f噪聲的影響,進一步研究了載流子交換過程中的隧穿機制,并結合理論和實驗證明了共振隧穿機制的存在。建立了高k介質MOS器件缺陷與溝道共振隧穿交換載流子的物理模型,根據此物理模型建立了MOS器件雙勢壘結構共振隧穿系數數學模型和俘獲時間常數的解析模型,并對模型進行了驗證與討論,計算出的時間常數所屬范圍與實際器件測量的1／f噪聲換算出來的時間常數范圍一致,以此證明了計算公式、柵棧勢壘模型和計算方法的正確性。最后,提出了全隧穿噪聲