小尺寸高k栅介质MOSFETs低频噪声研究.pdf

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1、小尺寸高k栅介质MOSFETs低频噪声研究作者姓名卓新娟学校导师姓名、职称张显杜磊副教授教授领域材料工程企业导师姓名、职称张俊峰高级工程师申请学位类别工程硕士提交学位论文日期2014年11月学校代码10701学号1205122285分类TN82号TN4密级公开西安电子科技大学硕士学位论文小尺寸高k栅介质MOSFETs低频噪声研究作者姓名：卓新娟领域：材料工程学位类别：工程硕士学校导师姓名、职称：张显杜磊副教授教授企业导师姓名、职称：张俊峰高级工程师提交日期：2014年11月AStudyofLow-frequencyN

2、oiseonScaledMOSFETswithHigh-kGate-DielectricAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinMaterialsEngineeringByZhuoXinjuanSupervisor:DuLei,ZhangJunfengNovember2014西安电子科技大学学位论文独创性（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

3、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，除了文中特别加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作了明确的说明并表示了谢意。学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于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于西安电子科技大学。学校

4、有权保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，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，获得学位后结合学位论文研究成果撰写的文章，署名单位为西安电子科技大学。保密的学位论文在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要低频噪声（包括1/f噪声、产生-复合噪声，其中1/f噪声更为常见）广泛存在于各种半导体器件中，相比电参数检测，低频噪声具有高灵敏性，能够敏感地反映半导体器件中的许多潜在缺陷。可靠性检测方法的研究发现，在施加一定程度应力后，电参数可能不会发生很大变

5、化，但是噪声参数却有不同程度的反映。这是因为与电参数相比，噪声对器件潜在缺陷的检测能力比较强。因此，近几年对低频噪声表征器件可靠性的研究越来越多。MOS器件尺寸按照等比例缩小原则不断降低，SiO2绝缘氧化层的厚度也需要不断减小。但是当MOS器件特征尺寸达到深亚微米，甚至纳米尺度，SiO2薄层的厚度将会超过其物理极限（~1.2nm）。对高k材料的研究发现，用高k材料取代SiO2作为MOS器件栅介质，能够明显改善由于尺寸微缩所导致的栅泄漏问题。但是，由于高k材料本身具有很高的体陷阱密度，以及由于晶格失配等原因导致的界面陷阱密度过

6、高，都给器件的可靠性带来了挑战。而1/f低频噪声却能在一定程度上反映这些与器件可靠性相关的参数特性，因此本文的重点就是研究这种具有叠层栅栈结构的新型MOS器件的噪声特性和1/f低频噪声模型。为此所做的研究工作主要有：（1）以往的MOSFETs沟道载流子的库伦散射仅仅只考虑了界面氧化层陷阱与沟道载流子的相互作用，本文总结了大量文献资料中的实验数据，发现由高k层体陷阱和高k层/中间层界面陷阱所导致的远程库伦散射对迁移率的影响也是非常大的。传统的Si基MOS器件的栅介质是直接在衬底上氧化生成一层本征氧化层，因此表面粗糙度散射不是很

7、明显，而新型的叠层栅介质界面却非常不平整，粗糙度散射较强。因此本文在对迁移率进行计算时，加上了远程库伦散射和表面粗糙度散射的影响。（2）经典的统一噪声模型应用于传统MOS器件的1/f噪声表征是非常先进的，但是对于新型的小尺寸高k栅介质MOSFETs，模拟结果和实验结果误差比较大。本文在考虑了小尺寸器件的量子效应后，对噪声功率谱密度中的迁移率涨落项进行了修正。（3）计算模型参数—库伦散射系数α和表面粗糙度散射系数β。分析结果发现，I西安电子科技大学硕士学位论文两个散射系数之和与统一模型中的库伦散射系数具有相等的数量级，证明我们

8、以统一噪声模型为基本框架的建模思路是正确的。（4）本文在最后，还研究了现阶段的基于虚拟仪器的自动化噪声测试方法，设计了噪声测试的验证方案，希望能够研究不同中间层厚度和高k层厚度时MOSFETs的迁移率特性和1/f低频噪声特性。关键词：高k栅介质MOSFETs，1/f噪声，迁移率，散射论文类