部分耗尽结构绝缘体上硅器件低频噪声特性

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.10(2015)108501部分耗尽结构绝缘体上硅器件的低频噪声特性王凯1)2)刘远2)y陈海波3)邓婉玲1)恩云飞2)张平1)2)1)(暨南大学信息科学与技术学院,广州510632)2)(工业和信息化部电子第五研究所,电子元器件可靠性物理及其应用技术国家重点实验室,广州510610)3)(中国电子科技集团公司第五十八研究所,无锡214035)(2014年10月9日收到;2014年12月2日收到修改稿)针对部分耗尽结构绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)器件低频噪声特性展开实验与理论研究.实验结果表明,

2、器件低频噪声主要来源于SiO2-Si界面附近缺陷态对载流子的俘获与释放过程;基于此理论可提取17131713前栅和背栅氧化层界面附近缺陷态密度分别为810eV
cm和2.7610eV
cm.基于电荷隧穿机理,在考虑隧穿削弱因子、隧穿距离与时间常数之间关系的基础上,提取了前、背栅氧化层内缺陷态密度随空间的分布情况.此外,SOI器件沟道电流归一化噪声功率谱密度随沟道长度的增加而线性减小,这表明器件低频噪声主要来源于沟道的闪烁噪声.最后,基于电荷耦合效应,分析了背栅电压对前栅阈值电压、沟道电流以及沟道电流噪声功率谱密度的影响.关键词:绝缘体上硅器件,部分耗尽,低频噪声,缺陷态P

3、ACS:85.30.Tv,73.40.Qv,85.40.QxDOI:10.7498/aps.64.108501较短且抗恶劣环境能力较差.综上所述,可通过检1引言测和分析半导体器件中的1/f噪声特性来预测其质量和可靠性.与其他检测方法相比,基于1/f噪绝缘体上硅互补金属氧化物半导体(SOI声的表征方法没有破坏性且成本较低,因而1/f噪CMOS)作为一种高速、低功耗的技术被业界广泛声测量广泛运用于BJT,MOS,GaN,TFT,半导体关注[1].由于在体硅中加入埋氧化层,SOICMOS激光器等器件的评价与筛选中[3;4].器件中寄生电容减小、驱动电流增大、亚域斜率减目前,国外学者对不同结

4、构的SOI器件的低频小并消除了体效应,这使得SOICMOS技术表现出噪声特性及模型展开研究[5;6],而国内对SOI器件比体硅技术更优越的性能[2],因而被广泛应用于射噪声特性和测量方法的研究相对较少,尤其是部分频电路、航天、抗辐照等领域.耗尽结构SOI晶体管低频噪声的研究,因而有必要1/f噪声(flickernoise)指半导体器件中功率谱密度随频率增大而减小的现象.自1925年约翰对部分耗尽SOI器件的低频噪声特性展开深入研逊在电子管中首次观察到1/f噪声后,1/f噪声就究.本文针对部分耗尽SOI器件的低频噪声特性开一直是电子器件和电子线路低频噪声研究的主要展实验与理论研究,分析器

5、件低频噪声的来源、物内容.近期研究结果表明[1;35]半导体器件中1/f理模型并提取相关器件与材料参数,此外,还研究噪声幅值与电路可靠性有密切关系,1/f噪声幅值了器件尺寸以及电荷耦合效应对低频噪声特性的较大的器件中可能存在严重的可靠性问题,其寿命影响.国家自然科学基金(批准号:61204112,61204116)、中国博士后科学基金(批准号:2012M521628)和SOI研发中心基金(批准号:62401110320)资助的课题.†通信作者.E-mail:liuyuan@ceprei.com©2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wuli

6、xb.iphy.ac.cn108501-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.10(2015)108501Vtb)分别为1.41V和48.65V;基于SOI器件的线2器件结构参数与测试系统性区工作特性,可提取得到器件前、背栅表面电子有效迁移率()分别为398.7cm2
V1
s1和eff本文所用样品为部分耗尽结构SOINMOS器211652.35cm
V
s;SOI器件前、背栅亚阈斜率件,宽长比(W/L)为8m/8m,前栅氧化层厚度11(S)分别为0.164V
dec和2.147V
dec.(TOX)为17.5nm,埋氧化层厚度(TBOX)为375

7、nm,测试系统采用半导体参数测试仪Agilent1500有源层硅膜厚度为205nm;可计算得到器件前栅的SMU单元监控器件电学参数的变化,采用单位面积氧化层电容为1.97107F
cm2,埋氧SR785频谱分析仪测量器件沟道电流的噪声功化层单位面积电容为9.2109F
cm2.率谱密度,采用Proplus9812B构建噪声测量系统SOI器件在前栅与背栅电压分别作用下的转的滤波与低频噪声放大单元.移特性曲线如图1和图2所示.由图1和图2可知:器件