小尺寸高k柵介質(zhì)MOSFETs低頻噪聲研究.pdf

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1、小尺寸高k柵介質(zhì)MOSFETs低頻噪聲研究作者姓名卓新娟學(xué)校導(dǎo)師姓名、職稱張顯杜磊副教授教授領(lǐng)域材料工程企業(yè)導(dǎo)師姓名、職稱張俊峰高級(jí)工程師申請(qǐng)學(xué)位類別工程碩士提交學(xué)位論文日期2014年11月學(xué)校代碼10701學(xué)號(hào)1205122285分類TN82號(hào)TN4密級(jí)公開西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文小尺寸高k柵介質(zhì)MOSFETs低頻噪聲研究作者姓名：卓新娟領(lǐng)域：材料工程學(xué)位類別：工程碩士學(xué)校導(dǎo)師姓名、職稱：張顯杜磊副教授教授企業(yè)導(dǎo)師姓名、職稱：張俊峰高級(jí)工程師提交日期：2014年11月AStudyofLow-frequencyN

2、oiseonScaledMOSFETswithHigh-kGate-DielectricAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinMaterialsEngineeringByZhuoXinjuanSupervisor:DuLei,ZhangJunfengNovember2014西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)

3、人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切法律責(zé)任。本人簽名：日期：西安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬于西安電子科技大學(xué)。學(xué)校

4、有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱、借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時(shí)本人保證，獲得學(xué)位后結(jié)合學(xué)位論文研究成果撰寫的文章，署名單位為西安電子科技大學(xué)。保密的學(xué)位論文在年解密后適用本授權(quán)書。本人簽名：導(dǎo)師簽名：日期：日期：摘要摘要低頻噪聲（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?？煽啃詸z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

5、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（~1.2nm）。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^

6、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，因此表面粗糙度散射不是很

7、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。（2）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。（3）計(jì)算模型參數(shù)—庫倫散射系數(shù)α和表面粗糙度散射系數(shù)β。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，I西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文兩個(gè)散射系數(shù)之和與統(tǒng)一模型中的庫倫散射系數(shù)具有相等的數(shù)量級(jí)，證明我們

8、以統(tǒng)一噪聲模型為基本框架的建模思路是正確的。（4）本文在最后，還研究了現(xiàn)階段的基于虛擬儀器的自動(dòng)化噪聲測試方法，設(shè)計(jì)了噪聲測試的驗(yàn)證方案，希望能夠研究不同中間層厚度和高k層厚度時(shí)MOSFETs的遷移率特性和1/f低頻噪聲特性。關(guān)鍵詞：高k柵介質(zhì)MOSFETs，1/f噪聲，遷移率，散射論文類