（微电子学与固体电子学专业论文）超深亚微米mos器件rts噪声研究.pdf

摘要 原生和强场诱生并与电场奇异性密切相关的边界陷阱是影响深亚微米m o s 器 件可靠性的关键因素之一。随着器件尺寸的不断缩小和栅介质厚度的降低，边界 陷阱引起的沟道噪声也正逐渐增大，同时器件的1 f 噪声退化为r t s 噪声。这使得 深亚微米器件的可靠性问题具有更加显著的随机性，从而使其分析和表征变得更 加复杂。 本文首先在深入研究半导体器件低频噪声的检测方法的基础上，建立了基于 虚拟仪器的深亚微米器件r t s 噪声测试系统。利用数字滤波的方法改进了r t s 噪 声参数提取方法。较以往的r t s 噪声研究中的方法具有更高的精度和可靠性，而 且该方法还便于自动化测量的应用。本文详细分析了影响该测试系统误差的因素 并且针对这些因素，提出了一系列调节器件偏置、放大器截止频和放大倍率等参 数来发挥测试系统性能的方法。9 0 r i m 的m o s 器件的测试结果显示，本文测试系 统能够灵敏地测量深亚微米器件的r t s 噪声。 利用这一测量系统，本文系统地研究了边界陷阱交换载流子的物理机制，提 出多晶硅栅极与陷阱的载流子交换也符合热激活+ 隧穿机制，对多晶硅栅电极建立 了物理模型，并据此建立器件r t s 噪声时间模型。结合h u n g 和g e r a r d 的模型优 势，同时考虑载流子数涨落、迁移率涨落和栅极的影响建立r t s 噪声幅度模型， 利用栅极的影响解释了r t s 噪声幅度的宽范围分布。在幅度模型中使用了绝对幅 度，这非常有利于参数提取的方便以及系统误差的消除。除此之外，本文还建立 了r t s 噪声特征参数与器件端口偏置关系模型，模型使用的参数都是一些可以很 容易获得和测量的参数，方便在陷阱分析中使用。测试结果证实，栅极也参与了 与陷阱的载流子交换，本文模型能够准确地描述陷阱电荷对沟道电流的影响。 之后，基于该模型提出通过正反向测量器件非饱和区噪声来确定边界陷阱的 横向位置的方法。该方法可以准确计算深亚微米器件边界陷阱横向位置，还避免 了z e y n c p 方法中对器件造成损伤的可能。此后，在提取出的陷阱位置信息的基础 上，改进了陷阱深度和能级的提取方法、陷阱散射系数的提取方法，测定了器件 中陷阱的俘获截面和激活能。实测说明，本文的方法较传统方法更方便、更精确。 将本文的方法应用于对器件氧化层陷阱的研究，可为从微观上分析失效机理和器 件的可靠性评估的研究提供有效的新手段。 关键字：r t s 噪声m o s 陷阱可靠性 a b s t r a c t o r i g i n a la n dh i 曲一e l e c t r i cf i e l di n d u c e db o r d e rt r a p st h a tc l o s e l yr e l a t et ot h e s i n g u l a r i t yo ft h ef i e l di sk n o w nt ob eo n eo ft h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eq u a l i t y a n dr e l i a b i l i t yo fm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ( m o s ) d e v i c e s w i t ht h ea g g r e s s i v e s c a l i n gd o w no fm o s f e t sc h a n n e ll e n g t ha n dg a t eo x i d et h i c k n e s s ，t h em a g n i t u d eo f n o i s ei n d u c e db yb o r d e rt r a p sd u r i n gd e v i c eo p e r a t i o nb e c o m e sl a r g e ra n dl a r g e r c o m p a r e d 丽也t h a to fs i g n a l s a tt h es a m et i m e t h ec h a r a c t e r so fn o i s ed e g r a d e sf o r e 1 fn o i s et or a n d o mt e l e g r a p hs i g n a l ( r t s ) n o i s ei nd e e p s u b - m i c r o nm o s f e t s ，w h i c h m a k e st h er e l i a b i l i t yi s s u e sm u c hm o r es u s c e p t i b l et ot h er a n d o m i c i t yi na n a l y s i sa n d t h ec o m p l e x i t yi nc h a r a c t e r i z a t i o n a f t e ra ni n - d e p t hr e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e so fl o w f e q u e n c yn o i s e i ns e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，av i r t u a li n s t r u m e n t a lm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rr t sn o i s ei n d e e ps u b m i c r o nm o s d e v i c e si se s t a b l i s h e d u s i n gd i g i t a lf i l t e r , p a r a m e t e r se x t r a c t i o n m e t h o do fr t sn o i s ei si m p r o v e dt ob em o r ep r e c i s e ，r e l i a b l ea n ds w i f t e r i nt h e a u t o m a t i cf u n c t i o nf i t t i n gp r o c e s st h a nt h et r a d i t i o n a lo n e s d e t a i l e da n a l y s i si sm a d e f o rf a c t o r sm i g h ta f f e c tt h ee r r o r so fs y s t e mm e a s u r e m e n t a n da sas o l u t i o n ，as e r i e s o ft e c h n i q u e s ，s u c ha sa d j u s t i n gd e v i c eb i a s ，c u to f ff r e q u e n c ya n dm a g n i t u d eo ft h e a m p l i f i e r , a r ea d o p t e d t h i sn e ws y s t e mi ss h o w nt ob ea c c u r a t ea n ds e n s i t i v eb yt h e m e a s u r e m e n tr e s u l t so ft h e9 0 n mm o sd e v i c e s u n d e rt h eh e l po ft h i ss y s t e m ，p h y s i c a lm e c h a n i s mo fc a r r i e r se x c h a n g eb e t w e e n b o r d e rt r a p sa n dc h a n n e lo rg a t ee l e c t r o d eo fm o s f e t si ss y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d i ti sp r o v e dt ob et r u et h a tt h ee x c h a n g eo fc a r r i e r sb e t w e e nb o r d e rt r a p sa n dp o l ys i l i c o n g a t ee l e c t r o d ei s a l li n t e g r a lm e c h a n i s mo fb o t ht h e r m a la c t i v a t i o na n dt u n n e l i n g f u r t h e r , am o d e lf o rp o l ys i l i c o ng a t ee l e c t r o d ei sb u i l t ，b a s e do nw h i c h , at i m e c o n s t a n t sm o d e lo fr t sn o i s ei sb u i r t a k i n gt h em e r i t so fh u n g sa n dg 考r a r d sm o d e l s ， an e wr t sa m p l i t u d em o d e li sd e v e l o p e du n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no ft h em o b i l i t y f l u c t u a t i o n s ，c a r r i e rn u m b e rf l u c t u a t i o n sa n dg a t ei n f l u e n c e s ，b yw h i c ht h ew i d er a n g e d i s t r i b u t i o no fi 玎sa m p l i t u d e si ss u c c e s s f u l l ye x p l a i n e d i nt h en e wm o d e l ，a b s o l u t e r t sa m p l i t u d e sa r eu s e dt os i m p l i f yt h ep a r a m e t e re x t r a c t i o np r o c e s sa n de l i m i n a t e s y s t e me r r o r s b e s i d e s ，m o d e l sd e s c r i b i n gt h er e l a t i o n so fi 玎sn o i s ea n dd e v i c eb i a s a r ea l s oe s t a b l i s h e d ，i nw h i c ha l lt h ep a r a m e t e r su s e da r ee a s yt ob ea c q u i r e do r m e a s u r e d ，雒m a k e st h em o d e lm o r ea d a p t a b l ei nr e a la p p l i c a t i o no fd e f e c t sa n a l y s i s e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tg a t ee l e c t r o d ea l s op l a y sav i t a lr o l ei nt h ec a r r i e rc a p t u r e a n de m i s s i o no ft h et r a p s ，a n dt h i sm o d e li sc a p a b l eo fp i c t u r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e t r a p p e dc h a r g eo nc h a n n e lc u r r e n t f i n a l l y , u s i n gt h i sm o d e l ，an e wm e t h o do fl o c a t i n gt h et r a pp o s i t i o na l o n gt h e c h a n n e li sa c q u i r e db yaf o r w a r da n dr e v e r s er t sn o i s em e a s u r i n gi nm o sd e v i c e s u n d e rn o n s a t u r a t i o no p e r a t i o n t h i sm e t h o dc a nn o to n l yl o c a t et r a pp o s i t i o np r e c i s e l y , b u ta l s oa v o i ds i m i l a rp o s s i b l ed a m a g eo fd e v i c e st oz e y n e p sm e t h o d m o r e o v e r , m e t h o d sf o re x t r a c t i o no ft r a pd e p t h ，e n e r g yl e v e la n ds c a t t e r i n gc r o s s s e c t i o na r e i m p r o v e d l a b o r a t o r ym e a s u r e m e n t ss h o wt h a tm e t h o d sr e n d e r e di nt h i sp a p e rs u r p a s s t h et r a d i t i o n a lo n e sb o t hi n p r e c i s i o n a n d u s a b i l i t y o n c e e m p l o y i n g t h e a b o v e - m e n t i o n e dn e wm e t h o d si nt h er e s e a r c h e so ft r a p si n g a t eo x i d e s ，f a i l u r e m e c h a n i s m sc a nb ea n a l y z e dm i c r o s c o p i c a l l y , a n dm o r ee f f e c t i v er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n a p p r o a c h e sw o u l d b ea c h i e v e d k e yw o r d s ：r t sn o i s e m o s t r a p sr e l i a b i l i t y 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特i i ：i i 以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期：丝! ：兰：兰 论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 玄 日期：堡三星121 垒 新虢盎鎏垄嗍堡皿迎 第一章绪论 1 1 本文研究的目的和范围 m o s ( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，金属氧化物半导体) 器件的噪声是制约其 性能、质量和可靠性的关键因素，它严重影响着深亚微米集成电路的可靠性【l 】。随 着工艺尺寸的减小和栅介质厚度的降低，边界陷阱引起的沟道噪声也正逐渐增大。 目前4 5 n m 工艺的m o s 集成电路已经在量产，3 2 n m 工艺也即将进入量产阶段【2 】。 栅介质中边界陷阱的个数也不断减小，当器件尺寸小至有源区只有一个或数个陷 阱时，就会出现幅度很大的沟道电流涨落，且时常数呈随机分布波形的噪声，器 件的1 f 噪声退化为r t s ( r a n d o mt e l e g r a p hs i g n a l ，随机电报信号) 噪纠蛐】。这使得 深亚微米器件的可靠性问题具有更加显著的随机性，从而使其分析和表征变得更 加复杂。 r t s 噪声自被发现以来，一直就是研究的热点问题。研究结果表吲蛐】，m o s 器件栅氧化层中单个陷阱对载流子的俘获和发射产生r t s ，1 f 噪声是多个r t s 叠 加的结果。因而研究单个陷阱对载流子俘获和发射成为理解m o s 器件1 f 噪声的 一个关键。表征r t s 的参量有俘获时常数t 、发射时常数f ，和幅值址，这三个参 数取决于陷阱能级和费米能级的相对位置以及载流子浓度。 近年来随着器件尺寸的减小，栅介质的减薄，r t s 噪声出现了新的特性和机 制。目前已经在m o s 中观测到幅度达6 0 甚至更大的r t s 噪声【7 8 】。而且，随着 电场的增强，越来越多的因素参与到r t s 噪声当中，如栅极载流子以及沟道中导 带的载流子【2 】等等。 栅介质中的原生和强场诱生并与电场奇异性密切相关的边界陷阱被认为是深 亚微米m o s 器件众多可靠性问题的根源，也是影响m o s 集成电路可靠性的关键 因素【l 】。研究发现，r t s 与边界陷阱之间具有显著的相关性，不同的边界陷阱产生 的r t s 噪声各不相同。r t s 噪声的特征会随着边界陷阱的类型、深度、能级甚至 是位置显著变化，敏感地反映着m o s 器件中的边界陷阱，为探测小尺寸器件中的 缺陷提供了有效的手段 1 3 1 6 1 ，也为研究边界陷阱提供了途径1 4 , 1 6 - 1 7 】。 对于给定的m o s 器件，陷阱的能级主要受器件偏置条件影响，因此根据r t s 噪声和偏置的变化关系，可以得出陷阱的一些特征。在这方面已经进行过大量的 研究工作，利用r t s 噪声不仅可以确定陷阱的深度和能级，以及陷阱的俘获截面 和散射截面，还可以确定陷阱在沟道中的位置【1 , 1 8 - 2 3 】。要利用r t s 噪声来分析边界 2 超深亚微米m o s 器件r t s 噪声研究 陷阱，必须具备以下三个条件： 1 精确测量并提取r t s 噪声及其特征； 2 准确的陷阱与r t s 噪声特征的物理数学模型； 3 有效、可行的r t s 噪声陷阱分析方法。 具备这些条件后，研究者就可以通过测量和分析器件r t s 噪声来获取诸如空 间分布和动力学特征等等的陷阱参数。本文的工作就是研究和建立上述三个利用 r t s 噪声来分析深亚微米器件中边界陷阱所需要的条件，旨在为此类器件的可靠 性评估以及工艺的改善提供手段。 1 2r t s 噪声研究现状与局限性 1 2 1r t s 噪声测量与参数的提取 半导体器件的r t s 噪声的测量通常是在一定的偏置条件下从输出端测量其噪 声，并从检测到的噪声信号中提取相应的r t s 噪声参量。 1 2 1 1r t s 噪声测量 早在上个世纪8 0 年代，研究者就已经成功地测量并研究r t s 噪纠3 1 。r t s 噪 声的测量主要有两个测量目标，俘获、发射时间常数和噪声幅度。时间常数测量 要求准确定位r t s 噪声的上升和下降边沿；而精确测量噪声幅度的矛盾主要在于 需要同时得到一个相对很大的沟道电流。 r t s 测量方法通常有两种实现手段。第一种是选择大动态的测量仪器，测出 r t s 噪声的两个电流水平的值。实际测量中，r t s 噪声的幅度往往比较小，而器 件的沟道电流则相对比较大。在使用这一方法时，通常会将仪器的量程调得比较 大，分辨率和采样率通常是测量仪器的一对矛盾，高分辨率势必会降低测量系统 的采样率。这种方法较适宜用于观察r t s 噪声，而用于测量则难以获得足够的测 量精度。 第二种是分两次分别测出器件电流和噪声。这种方法可以解决上一种方法中 量化位数和采样率之间的矛盾，可以得到很好的测量精度。这一方法的问题在于 需要对同一个器件在相同偏置下测量两次，而且这两次测量的对象一个是直流量、 一个是交流量。测量对象的不同，决定了需要采用不同的测量电路来进行测量， 在这两次测量中实现相同偏置条件是十分困难的。 传统的低频噪声测试多是以通用仪器为测试平台构建的【2 4 1 ，这种系统利用频 谱分析仪测量噪声的功率谱，用数字示波器来测量噪声的时间系列，因而无法实 现高速和准确的测量。 第一章绪论 此外，如何正确使用测量系统，发挥测量系统的性能也是个重要的问题。 由于r t s 噪声信号十分微弱，而且变化范围比较大，测量系统的参数的设定，就 会对测量结果造成巨大影响。传统方法中，只注重提高测量系统的性能，而忽略 了测量过程中测量系统性能的发挥。在r t s 的报道中，重点多放在系统性能的改 善，如抗干扰、量化精度、滤波等等，鲜有研究在测量过程中测量系统的调整问 题的。测量系统的参数的不当设定会使待测信号发生畸变或者受到污染、导致量 化误差增加和一些其它问题。甚至在一些报道的研究中，出现了由于系统设定不 当造成的错误测量结果。然而，到目前为止，尚没有出现报道来系统地研究这一 问题。 1 2 1 2r t s 噪声参数提取 传统的r t s 噪声分析方法往往是从r t s 信号中截取一段，分析得出高低电流 的时间和幅度。若要提高信号测量精度，则需要手工从r t s 噪声信号中多截取几 段来分析求其均值，或者多采集几段r t s 噪声分析。由于采取手工估算方式，参 与运算的点数有限，由于低频扰动的存在，其精度受到很大限制。 还有一种利用如m a t l a b 等数据分析工具来进行分析的方法，这种方法可以有 效地提高参与运算的点的数目。但是由于这一方法往往是针对数据采取措施，不 具有通用性，而且，这些工具的代码效率也比较低。 这些方法由于需要手工操作，不适宜批量的测量结果的处理。而且，传统的 方法求取高低电平的时间段不能太长，否则，受到低频扰动的影响，高低电平将 发生偏离，不再维持在同一水平上，即使有大量的测试数据也难以利用统计和拟 合的方法来减小低频扰动和高频白噪声对分析结果精度的影响。本文将用仿真结 果说明，传统方法对高低频干扰的影响也均没有能力处理，参数提取结果的误差 并不能随着采样率或者统计时间的增加而收敛到零。 1 2 2r t s 噪声机理与模型 1 2 2 1r t s 时域模型的研究 m c w h o r t e r 最早提出了隧穿模型来解释r t s 噪声的成斟2 5 1 ，他认为沟道中的 载流子通过隧穿来与界面陷阱交换载流子，并给出了完整的计算过程。但是，后 来k i r t o n 和u r 等人在对单个陷阱与载流子随机交换过程和温度的关系中发现 【3 2 6 - 2 7 】，该过程具有显著的热激活性质，它起源于热激活相关的非辐射复合。后来， h u n g 和f a n g 利用s i s i 0 2 界面上的能带关系解释了这种热激活机制【1 7 邶】，从而为 热激活机制奠定了理论基础。 在i m e c ( i n t e r - u n i v e r s i t ym i c r o e l e c t r o n i c sc e n t e r ，联合大学微电子学中心) 的研 4 超深亚微米m o s 器件r t s 噪声研究 究【1 9 珈1 中，观测到了栅介质隧穿引起m o s 器件噪声增大的现象。在对t s m c ( t a i w a ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gc o m p a n y ，台湾积体电路制造公司) 样品的研 究【1 0 】中，r t s 噪声在多个高栅压下的m o s 器件中再次出现。这些现象都说明，除 了传统的沟道和陷阱的载流子的交换，陷阱和沟道以外的载流子也存在着交换机 制。 陷阱辅助隧穿是从栅电流角度研究边界陷阱的另一个热点【1 1 也2 8 3 0 1 ，关于栅电 流噪声的研究【1 1 - 1 2 】，有的研究了陷阱辅助隧穿对m o s 器件低频噪声的影响【3 1 1 。这 些研究结果说明，陷阱和栅电极之间也存在着载流子的交换，而且，它所发生的 作用也正随着栅厚度的减小而日益显现出来。然而，包含有这一新机制的模型却 一直还没有报道。 另一方面，在载流子交换的同时，载流子的空间位置和能量均发生了突变， 传统的热激活和隧穿两个交换机制均只描述了载流子交换的一个方面。热激活模 型忽视了载流子在和陷阱交换过程中的空间位置的改变；而隧穿模型则没有考虑 到此过程中的载流子能量变化。 1 2 2 2r t s 幅度模型的研究 r t s 噪声的幅度是一个复杂的问题，目前主要分为载流子数涨落和迁移率涨 落两个方面来研究【l , 2 4 1 。受到较多关注和肯定的主要有两个模型，一个是1 9 9 0 年， k k h u n g 提出了一个兼顾载流子数和迁移率涨落的模型【l7 1 ，这一模型直至今日 仍被大量引用【3 2 - 3 羽。另一个是1 9 9 2 年，g 6 r a r dg h i b a u d o 提出考虑了栅极的电荷感 应和载流子数涨落的模型【3 9 】，同年，e d d ys i m o e n 就发表文章证明了这个模型和 k k h u n g 的模型是统一的【矧，后来他又为其增加了一个因子以解释噪声幅度的 宽范围分布，这一模型今天也得到广泛应用 4 1 蛔。后来，a s e n a s e n o v 还在其对 r t s 噪声的模拟【3 3 】中考虑到了沟道载流子数、沟道迁移率和陷阱对栅电极的影响， 甚至考虑了多晶硅栅极可能发生的耗尽以及沟道杂质分布情况，得到了较好的模 拟数据，论述了栅介质厚度对于r t s 噪声幅度的影响。 遗憾的是，至今还没有报道将两个模型的优势结合起来，同时考虑沟道载流 子数、沟道迁移率和陷阱对栅电极的影响。 此外，k k h u n g 模型中迁移率涨落的经验公式1 1 7 1 ，以及g 6 r a r dg h i b a u d o 的 模型中的修正因子【3 9 】，都是现存模型中没有解决的问题。随着器件尺寸的不断减 小，栅电极的影响和迁移率影响也越来越突出，模型和实验的偏离也越来越远， 迫切需要全面、综合模型的出现。 噪声电流与器件偏置的关系也是r t s 噪声幅度模型的一部分，在噪声电流模 型研究中，主要有线性近似和萨方程求解两种。k k h u n g 的模型无论是亚阈值区、 饱和区或者是线性区，在对沟道电流的影响的计算中采用的均是电阻近似【1 7 】。虽 第一章绪论 然g 6 r a r dg h i b a u d o 的模型中使用了跨导，但是其在沟道电势的计算和推导过程中 也使用了线性近似【3 9 1 。还有一些噪声研究【3 4 4 刀在沟道电势的计算中使用了萨方程 求解。 m o s f e t 的沟道只有在线性区很小的范围才是电阻性的，亚阈值区其沟道电 流主要由扩散流构成，非饱和区的沟道电势分布呈现二次函数特征【4 引。有很多人 意识到，在对沟道进行计算时使用线性近似会降低模型的精度。早在1 9 9 0 年，p h i l l i p r e s t l e 就在实验中观察并阐述了线性近似导致的误差【1 3 1 ，后来，z e y n e p ，也发表了 相关的观点【2 3 削。在沟道电流的建模中，z e y n e p 蚓，s c h r o d e r l 4 7 1 ，a s e n o v 3 3 1 都在 对沟道的计算中使用过萨方程，其中a s e n a s e n o v 还在其论文【4 9 】中使用了更为精确 的同时考虑了载流子扩散和漂移的模拟方法以减小误差。 此外，除z e y n e p 推导了r t s 噪声幅度的绝对值【蚓以外，以往的模型【1 5 , 1 7 , 3 9 枷，5 0 】 均研究噪声幅度的相对值，这使得实验的难度和精度都受到影响【3 4 1 。研究表明， 亚阈值区和非饱和区对研究陷阱行为以及陷阱特征的提取更加有利【1 3 , 3 4 】。而现存 的r t s 噪声的幅度模型中都使用线性近似，这使得对边界陷阱的研究产生诸多困 难，因此精确求解噪声的幅度特征就十分必要。 1 2 3 利用r t s 噪声的边界陷阱分析方法 利用r t s 噪声提取陷阱信息的研究也很多，目前研究已经可以利用r t s 噪声 提取和分析边界陷阱的深度、位置、能级、俘获截面、散射系数以及激活能等信 息【1 , 1 8 - 2 0 】。 传统的基于r t s 的陷阱分析方法中，都对沟道使用均匀近似，这一近似虽然 能给后期的数据处理和分析带来较大便利，但是它对测试点的要求是很严格的。 它将测试点限制在电流信号相对微弱的线性区，不仅给测量系统带来压力，还严 重限制了系统的测量精度。在r t s 噪声测量这一问题上，这些问题一直没有得到 很好地解决。 要实现高精度的陷阱特征参数的提取，就必须充分发挥整个测量系统的效能。 在测量偏置条件上，尽量选择噪声幅度大、特征明显、误差小的工作点进行测量， 避开那些不稳定的、特征模糊的工作点。实现任意工作点的测量分析需要有两个 条件：陷阱横向位置和沟道电势的精确求解。在计算机等大规模计算工具广泛应 用的今天，求解沟道电势分布的运算量已经不再构成障碍。但是，陷阱横向位置 的研究尚不成熟，这一问题是改进现有陷阱分析方法的关键所在。 对陷阱相对源漏位置的研究虽然有瞄2 3 】，但比较少、也不够深入。p h i l l i pr e s t l e 最先提出的利用正、反向测量结合确定陷阱位置的方法【2 2 】，他对沟道电压分布使 用线性近似，这种近似严重限制了漏电压的使用范围，时间常数的变化很小，测 6 超深亚微米m o s 器件r t s 噪声研究 量误差大。z e y n e p 利用了沟道夹断后沟道电压不再增加，在正、反向临界饱和的 r t s 特性对比来确定陷阱位置【2 3 1 。z e y n e p 对饱和区的沟道电压分布却仍使用线性 近似；而且，短沟道器件的饱和特性不好；诸多因素都会产生比较大的测量误差。 此外，他的方法还可能对需要较大栅压才能表现出r t s 的器件造成的损伤。 解决了陷阱横向位置的分析方法，就可以极大地扩展测量器件r t s 噪声时的 偏置范围，充分发挥测量系统的性能，利用提取到的边界陷阱横向位置信息，更 准确地分析边界陷阱的深度。 1 3 本文研究的主要内容和方法 本研究是在国家自然科学基金项目“深亚微米m o s 器件边界陷阱的r t s 分 析方法等项目的支持下进行的，本文研究的主要内容如下t 1 3 1r t s 噪声测量技术 本文第三章建立了一套基于虚拟仪器的r t s 噪声测量系统。 该系统没有使用自动化偏置电路的偏置电路，只使用干电池、电容以及低噪 声的绕线电阻。为了减小偏置电路自身的噪声，将电路结构减低到最简，噪声也 被有效控制在与噪声值较低的绕线电阻相当的水平上。较目前国内外报道中使用 的自动化测量仪器中的半导体器件的噪声有数量级上的差别。 同时，本文测量系统的带宽主要取决的串联的绕线电阻，由绕线电阻决定的 带宽通常为几兆赫兹，远远大于1 0 0 k i - i z ，较以往报道中的自动化仪器有显著改善。 本文中所使用的均是无源元件，具有很小的自身噪声，而且使用了干电池，将偏 置电路引入噪声降到了最低。 本文系统地研究如何发挥系统的测量效能这一问题，分析了实际操作中诸如 放大器的倍率、截止频率以及虚拟仪器等因素的设置对测量结果的影响，提出了 一系列行之有效的参数选择方法。提出前置放大器的放大器倍率以测量信号达到 测量系统量程一半最为适宜，既留出了余量，又能够保证测量精度；放大器的截 止频率，应以能够保证r t s 噪声信号完整通过，而又不引入过大的白噪声为标准； 而虚拟仪器的各项参数也应遵循上述方法。 本文提出利用数字滤波的方法分别对r t s 噪声的时间以及幅度特性的提取方 法。利用差分的方法消除了低频扰动对测量结果分析中误判的情况，利用大量数 据的统计和拟合减小了低频扰动和高频白噪声对分析结果精度的影响。 该方法也可以解决高低频干扰的影响这一问题，通过对逐差后的序列的统计， 可以有效地将r t s 噪声幅度和r t s 噪声高低电流段的高频干扰分离。高低电流段 第一章绪论 7 之间的高频和低频干扰，通过统计的方法也可以相互抵销，从而有效地减小测量 误差。此外，本文的方法还具有很好的普遍适用性和很高的运行效率，可以快速 高效地处理大量测量数据。 最后，本文将这一系统应用于9 0 r i mc m o s 器件的r t s 噪声测量中，测量该 类器件的r t s 噪声，精确提取了噪声的各项特征参数。利用不同条件下的测量结 果验证这一方法的精度和可行性。 1 3 2r t s 机理与模型研究 r t s 噪声模型的研究主要分为时间特性和幅度特性两方面，时间特性反映了 陷阱对沟道中载流子的俘获和发射机制，而幅度特性则表现了陷阱电荷对沟道表 面势的调制以及对沟道电子漂移的散射。 1 3 2 1 超深亚微米m o s 器件r t s 噪声的时域模型 本文的第四章主要研究超深亚微米m o s 器件r t s 噪声的时域模型。 本文第四章系统地研究了陷阱载流子交换的多种模式，陷阱不仅可以和沟道 交换载流子，而且可以和栅极交换载流子：同时，价带和导带的载流子均可以发 生交换。结合载流子与陷阱交换的热激活和隧穿的二重性质，本文利用热激活+ 隧 穿模型对陷阱的载流子的交换建模。此外，栅极和沟道之间的载流子直接隧穿也 会影响r t s 噪声的时间特性。 引入了一个有效俘获截面的概念来表示能与陷阱发生载流子交换的区域。不 同于俘获截面中包含了热激活和隧穿两者的综合效应，以及初始俘获截面包含了 隧穿的影响，等效俘获截面中就是实际能与陷阱交换载流子的那块面积。 多晶硅栅电极表面的性质会对陷阱与栅电极的载流子的交换影响较大，这一 章也对栅极进行建模。由于多晶硅的掺杂浓度很高，一般情况下多晶硅表面很难 进入反型状态，因此，这里只考虑多晶硅的表面耗尽。当栅极电压不同的时候， 耗尽层宽度也会发生变化。由于，距离界面不同的载流子在与陷阱交换中的差别 仅存在于空间上，因此要按照隧穿的机制来计算厚度。本文取同样能量的载流子 隧穿几率降低到界面的1 e 的作为厚度。 实际测量中所测量到的是器件的端电压与r t s 噪声的关系。要分析和解释器 件的r t s 噪声，或者利用r t s 噪声来分析器件中的陷阱，就必须将r t s 噪声和器 件端口偏置联系起来。针对一定偏置下的器件，对器件r t s 噪声的时间特征进行 建模，计算和分析时间特征和器件偏置之间的关系。通过对器件沟道电流和电势 分布的求解，建立了器件r t s 噪声特征参数与器件端口偏置的关系。并根据这些 研究结论建立了新的器件r t s 噪声模型。 最后，本章还利用前面建立的r t s 噪声测量系统对这一r t s 噪声模型进行了 超深亚微米m o s 器件r t s 噪声研究 验证。测量结果表明，模型计算结果与实际测量出的噪声参数具有极为接近的数 值，而且相同的变化趋势，该模型符合器件的r t s 噪声行为，能够准确地描述器 件r t s 噪声的特征。 1 3 2 2 超深亚微米m o s 器件r t s 噪声的幅度模型 本文的第五章主要研究超深亚微米m o s 器件r t s 噪声的幅度特性。 陷阱电荷不仅会作用于沟道影响沟道的平带电压【l 】，而且会在栅电极上发生感 应，产生镜像电荷。镜像电荷的作用和陷阱电荷相反，而且陷阱越靠近栅极其作 用就越明显，镜像电荷的影响却越显著。当陷阱电荷位于栅电极上时，陷阱电荷 和镜像电荷重合，其作用完全抵消。本章考虑到栅电极对r t s 噪声影响，将沟道 分为亚阈值区和反型区，建立了r t s 噪声的幅度模型。 该模型通过对沟道电流以及电势的求解和分析，建立了器件r t s 噪声的绝对 幅度与器件端口偏置关系的解析模型。可以解决传统方法的需要测量两次才能得 出r t s 噪声幅度的问题，大大提高测量的精度和简化测量程序。 本章最后以实验结果和模型的仿真结果对比来验证该模型，说明该模型可以 在一定范围内较为精确地表述m o s 器件中的物理现象。可用于陷阱产生的r t s 噪声的仿真，或者用于器件中陷阱参数的提取和分析。 1 3 3 基于r t s 噪声的边界陷阱分析方法 本文第六章主要研究基于r t s 噪声的边界陷阱分析方法。 基于前文研究建立的r t s 噪声模型，首先提出了陷阱物理位置的测定方法， 用比较大的漏电压进行正、反向测量，通过求解沟道内电压分布，精确得出陷阱 位置。并根据提取到的位置信息，对现有的提取陷阱深度、能级、俘获截面和激 活能以及散射系数等多种方法进行改进。提出了利用r t s 噪声绝对幅度来分析栅 介质中陷阱的方法，改善了测量精度和易操作性。 本章还分别并通过实验验证这些陷阱参数提取方法。验证过程中，首先验证 这些方法在不同条件下所提取出的陷阱参数结果的一致性；其次，验证提取出来 的陷阱参数是否合理，是否符合器件的物理机制；再次，将这些方法与传统方法 做比较。 利用实际测量结果说明本文所提出的利用r t s 噪声提取陷阱参数的方法是有 效的、可行的。本章的陷阱分析方法可为从微观上分析失效机理和器件的可靠性 评估的研究提供有效、可靠的新手段。 9 第二章m o s 器件中的陷阱与噪声 随着微电子技术的进步，半导体器件从分立走向集成，从小规模发展到甚大 规模。器件尺寸的不断缩小使芯片上的器件数量不断增加，功能增强，速度提高， 但同时也使电路日趋复杂，可靠性问题也越来越突出。本章结合近期的研究成果， 针对m o s 器件的陷阱这一影响可靠性的关键因素。深入介绍深亚微米m o s 器件 中的陷阱的来源和性质，m o s 器件的噪声及其与陷阱的关系。 2 1m o s 器件中的陷阱 晶体管早在1 9 2 5 年就提出了【5 1 铘】，而实际能工作的器件由于难以实现纯净的 半导体表面直到2 5 年后才出现。今天，界面仍是半导体器件的重要问题【州，m o s 系统的特性不同的性能，如阈值e g e , 、漏电流，以及总体的可靠性都由s i - s i o ：界 面质量所决定。器件尺寸的小型化和离子辐射进一步加强了栅氧化层和s i s i o ：界 面对m o s 器件性能的影响。 2 1 1 陷阱的来源 s i s i o ，界面通常不能达到原子尺度的平整，界面上的s i 原子常常具有非饱和 的悬挂键。这些缺陷一般包括氧空位、富硅点、未成键氧中心以及与氢相关的缺 陷等等，它们在衬底、界面和s i o ，的禁带中产生陷阱。m o s 结构中陷阱的来源主 要有两个，一个是工艺引入的，另一个是应力产生的。 2 1 1 1 工艺引入的陷阱 理想状态下的氧化层的结构应该如图2 1 所示。氧化工艺有多种实现方法，高 o g a t e a i ， s o r 哺s i 一$ i 0 2一l p s i ： l 耄黑袅 ：l a y e r ： s i l i c o n 0o x y g e n移b o r o n 图2 1 理想的氧化层结构 l o超深亚微米m o s 器件r t s 噪声研究 温热氧化、l p c v d ( l o wp r e s s u r ec h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，低压化学气相淀积) 、 p e c v d ( p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，等离子增强化学气相淀积) 、 阴极射线、阳极氧化等，但是在制备纳米量级厚度的栅氧化层时，只有热氧化工 艺中的干氧氧化法能够满足要求。工艺过程中氧分子先与硅表面的s i 原子反应， 形成的s i o ，阻止了氧分子与硅表面的直接接触，氧分子以扩散方式通过s i o ，层 【5 5 1 。此工艺生长出的s i o ，膜具有无定形玻璃状结构，两个相邻的四面体通过一个 键氧原子连接起来，构成无规则排列的三维网络结构垆引。 图2 2 为实际的s i o ，膜，左图为m o s 结构的照片，照片中下面结构致密、原 子排列有序的部分为硅衬底，中间一层结构松散的一层为栅氧化层介质，上面是 多晶硅栅极。s i s i o ，系统中不仅存在着s i 悬挂键、o 悬挂键、氢原子或者离子， 还存在着杂质离子、s i s i o 弱键、s i o 弱键、和杂质原子等结构缺陷，如图2 3 。 氧化层内部的硅悬挂键和氧悬挂键起到氧化层陷阱的作用，而界面处硅悬挂键和 s i s i 、s i - o 弱键都起到了界面陷阱的作用。这些陷阱主要集中在离界面约几十埃 的陷阱区内，大都是受主或两性中心，平时呈中性。它们对氧化层电荷贡献较大， 尤其是其中的e i 心，已被证实是s i s i o ，界面的主要陷阱源【5 7 1 。这些陷阱具有俘获 和发射载流子的性质，反映了二氧化硅结构的缺陷。 图2 2 实际的氧化层图2 3 实际