mosfet隧穿漏电流噪声特性及测试方法研究

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1、摘要CMOS器件的等比例缩小发展趋势导致栅等效氧化层厚度、栅长度和栅面积都急剧减小。对于常规体MOSFET，当氧化层厚度小于2nm时，大量载流子以不同机制通过栅介质形成显著的栅极漏电流。栅极漏电流不仅能产生于沟道区域，而且能在栅极与源／漏的交叠区域产生。穿越栅氧化层的电流增加了电路的泄漏电流，从而增加了电路的静态功耗，同时也影响MOS器件的导通特性，甚至导致器件特性不正常。栅漏电流增加已成为器件尺寸缩减的主要限制因素之一。本文在关注栅漏电流成分的同时，着重研究了MOS结构中的隧穿过程，分析了三种类型的隧穿，即直

2、接隧穿，陷阱辅助隧穿和FN隧穿的机理，并给出了相应的隧穿电流模型。MOS器件中的栅电流分量一般分为三种，即栅至沟道，栅至衬底和边缘直接隧穿电流，本文分别讨论了每种电流分量随栅压的变化特性，从而得出不同偏置区间中，何种隧穿电流分量占优势，而后分析了栅隧穿的影响因素。理论模型方法和实验结果均表明，超薄栅氧MOSFET栅极泄漏电流的涨落，呈现出1／f噪声和白噪声成分，白噪声接近于散粒噪声(2以)。对于小尺寸器件，1／f噪声成分几乎为栅电流厶的二次函数，栅电流噪声频谱密度S(厂)与栅电流厶存在幂律关系。由此，本文提出了

3、基于直接隧穿电流分量的噪声模型及基于非弹性陷阱辅助隧穿TAT的解析噪声模型，以解释栅漏电流噪声特性。基于上述研究，本文最后提出了一种测试MOS器件栅漏电流不同分量及对应噪声的测试方法，给出了相应的测试原理图，设计和建立了测试系统，研究了具体的测试实施方案，并分析了测试中应注意的问题。关键词：栅漏电流噪声隧穿AbstractThescaled—down仃endofCMOSdeviceshasledtoadramaticallyreduceofequivalentgateoxidethickness，gatelen

4、gthandgatearea．ForconventionalbodyMOSFET，whentheoxidethicknessislessthan2rim，agreatnumberofcarriersCallformsignificantgateleakagecurrent，whichgetthroughgatedielectricwithdifferentmechanisms．Gateleakagecurrentappearsnotonlyinthechannelregion，butalsointheoverl

5、apofgateandsource／drainregion．Thecurrentthrou班thegateoxideincreasesthecircuitleakagecurrent，thusincreasingthecircuitstaticpowerconsumption，impactingtheconductioncharacteristicsofMOSdeviceandevenleadingtoallabnormality．Theincreaseofgateleakagecurrenthasbecome

6、oneofthemajorconstraintsofdevicesizereduction．Inthispaper，thecomponentsofgateleakagecurrentWasdiscussed，atthesametime．wefocusedonthetunnelingprocessoftheMOSstructure，analyzedthreetypesoftunnelingmechanism，thatis，directtunneling，trap—assistedtunnelingandFNtun

7、neling，andgavethecorrespondingtunnelingcurrentmodel．ThegatecurrentinMOSdevicesaregenerallydividedintothreecomponents，namely，gatetochannel，gatetothesubstrateandthecurrentofedgedirecttunneling，thecharacteristicsofeachcomponent，whichchangeswithgatevoltage，wasdi

8、scussedseparatelyinthispaper，basedonthat，atdifferentbiasrange，thedominantcomponentoftunnelingcurrentWasdiscussed，andthentheinfluencingfactorsofgatetunnelingwereanalyzed．Modelandexperimentalresul