金属氧化物半导体场效应管热载流子退化的1/fγ噪声相关性研究

研究了金属氧化物半导体(MOS)器件在高、中、低三种栅压应力下的热载流子退化效应及其1/fγ噪声特性.基于Si/SiO2界面缺陷氧化层陷阱和界面陷阱的形成理论,结合MOS器件1/f噪声产生机制,并用双声子发射模型模拟了栅氧化层缺陷波函数与器件沟道自由载流子波函数及其相互作用产生能级跃迁、交换载流子的具体过程.建立了热载流子效应、材料缺陷与电参量、噪声之间的统一物理模型.还提出了用噪声参数Sfγ表征高、中、低三种栅应力下金属氧化物半导体场效应管抗热载流子损伤能力的方法.根据热载流子对噪声影响的物理机制设计了实验并验证这个模型.实验结果与模型符合良好.     

具有poly-Si$lt;sub$gt;1-$lt;i$gt;x$lt;/i$gt;$lt;/sub$gt;Ge$lt;sub$gt;$lt;i$gt;x$lt;/i$gt;$lt;/sub$gt;栅的应变SiGep型金属氧化物半导体场效应晶体管阈值电压漂移模型研究

针对具有poly-Si_1-xGe_x栅的应变SiGe p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET), 研究了其垂直电势与电场分布, 建立了考虑栅耗尽的poly-Si_1-xGe_x栅情况下该器件的等效栅氧化层厚度模型, 并利用该模型分析了poly-Si_1-xGe_x栅及应变SiGe层中Ge组分对等效氧化层厚度的影响. 研究了应变SiGe PMOSFET热载流子产生的机理及其对器件性能的影响, 以及引起应变SiGe PMOSFET阈值电压漂移的机理, 并建立了该器件阈值电压漂移模型, 揭示了器件阈值电压漂移随电应力施加时间、栅极电压、poly-Si_1-xGe_x栅及应变SiGe层中Ge组分的变化关系. 并在此基础上进行了实验验证, 在电应力施加10000 s时, 阈值电压漂移0.032 V, 与模拟结果基本一致, 为应变SiGe PMOSFET及相关电路的设计与制造提供了重要的理论与实践基础. 关键词： 应变SiGep型金属氧化物半导体场效应晶体管 1-xGe_x栅')" href="#">poly-Si_1-xGe_x栅 热载流子 阈值电压     

部分耗尽结构绝缘体上硅器件的低频噪声特性

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, 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; 基于此理论可提取前栅和背栅氧化层界面附近缺陷态密度分别为8×10¹⁷ eV^-1·cm^-3和2.76×10¹⁷ eV^-1·cm^-3. 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.     

基于辐照前1/f噪声的金属-氧化物-半导体场效应晶体管辐照退化模型

基于金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)噪声的载流子数涨落和迁移率涨落理论,建立了MOSFET辐照前1/f噪声参量与辐照后分别由氧化层陷阱和界面陷阱诱使阈值电压漂移之间的定量数学模型,并通过实验予以验证.研究结果表明,辐照诱生的氧化层陷阱通过俘获和发射过程与沟道交换载流子,在引起载流子数涨落的同时也通过库仑散射导致沟道迁移率的涨落,因此辐照前的1/f噪声幅值正比于辐照诱生的氧化层陷阱数.利用该模型对MOSFET辐照前1/f噪声与辐照退化的相关性从理论上 关键词： f噪声')" href="#">1/f噪声 辐照 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 陷阱     

电离辐射对部分耗尽绝缘体上硅器件低频噪声特性的影响

本文针对辐射前后部分耗尽结构绝缘体上硅(SOI)器件的电学特性与低频噪声特性开展试验研究. 受辐射诱生埋氧化层固定电荷与界面态的影响, 当辐射总剂量达到1 M rad(Si) (1 rad = 10^-2 Gy)条件下, SOI器件背栅阈值电压从44.72 V 减小至12.88 V、表面电子有效迁移率从473.7 cm²/V·s降低至419.8 cm²/V· s、亚阈斜率从2.47 V/dec增加至3.93 V/dec; 基于辐射前后亚阈斜率及阈值电压的变化, 可提取得到辐射诱生界面态与氧化层固定电荷密度分别为5.33×10¹¹ cm^{- 2}与2.36×10¹² cm^-2. 受辐射在埋氧化层-硅界面处诱生边界陷阱、氧化层固定电荷与界面态的影响, 辐射后埋氧化层-硅界面处电子被陷阱俘获/释放的行为加剧, 造成SOI 器件背栅平带电压噪声功率谱密度由7×10^{- 10} V²·Hz^-1增加至1.8×10^-9 V² ·Hz^-1; 基于载流子数随机涨落模型可提取得到辐射前后SOI器件埋氧化层界面附近缺陷态密度之和约为1.42×10¹⁷ cm^-3·eV^-1和3.66×10¹⁷ cm^-3·eV^-1. 考虑隧穿削弱因子、隧穿距离与时间常数之间关系, 本文计算得到辐射前后埋氧化层内陷阱电荷密度随空间分布的变化.     

N/P沟道MOSFET1/f噪声的统一模型

对n／p两种沟道类型、不同沟道尺寸MOSFET的1／f噪声特性进行了实验和理论研究.实验结 果表明，虽然nMOSFET的1／f噪声幅值比pMOSFET大一个数量级，但是其噪声幅值均表现出和 有效栅压的平方成反比、和漏压的平方成正比、和沟道面积成反比的规律.基于该实验结果 ，认为MOSFET的1/f噪声产生机理为位于半导体_氧化物界面附近几个纳米范围内的氧化层陷 阱通过俘获和发射过程与沟道交换载流子，在引起载流子数涨落的同时也通过库仑散射导致 沟道载流子迁移率的涨落.在这两种涨落机理的基础上，引入了氧化层陷阱的分布特征及其 与沟道交换载流子的隧穿和热激活两种方式，建立了MOSFET l／f噪声的统一模型.实验结果 和本文模型符合良好. 关键词： 1/f噪声 MOSFET 氧化层陷阱 涨落     

具有HfN/HfO2栅结构的p型MOSFET中的负偏置-温度不稳定性研究

研究了HfN/HfO₂高K栅结构p型金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管(MOSFET)中，负 偏置-温度应力引起的阈值电压不稳定性(NBTI)特征.HfN/HfO₂高K栅结构的等效 氧化层厚度(EOT)为1.3nm，内含原生缺陷密度较低.研究表明，由于所制备的HfN/HfO₂ 高K栅结构具有低的原生缺陷密度，因此在p-MOSFET器件中观察到的NBTI属HfN/HfO2高K栅结构的本征特征，而非工艺缺陷引起的；进一步研究表明，该HfN/HfO₂高K栅结构中观察到的NBTI与传统的SiO₂基栅介质p-MOSFET器件中观察 到的NBTI具有类似的特征，可以被所谓的反应-扩散(R-D)模型表征： HfN/HfO₂ 栅结构p-MOSFET器件的NBTI效应的起源可以归为衬底注入空穴诱导的界面反应机理，即在负 偏置和温度应力作用下，从Si衬底注入的空穴诱导了Si衬底界面Si-H键断裂这一化学反应的 发生，并由此产生了Si^＋陷阱在Si衬底界面的积累和H原子在介质层内部的扩散 ，这种Si^＋陷阱的界面积累和H原子的扩散导致了器件NBTI效应的发生. 关键词： 高K栅介质 负偏置-温度不稳定性(NBTI) 反应-扩散(R-D)模型     

60Co γ-射线辐照对肖特基二极管1/f噪声的影响

在肖特基二极管(Schottky barrier diode,SBD)辐照损伤机理和总剂量效应分析的基础上,利用1/f噪声的迁移率涨落和载流子数涨落模型,深入研究辐照损伤对器件1/f噪声的影响. 研究结果表明,辐照诱生新的界面态,改变界面态密度分布,进而调制了肖特基势垒高度,增大表面复合速度是引起器件性能退化主要原因,也是1/f噪声剧烈增加的主要原因. 正因为如此,噪声与器件退化存在相关性,即噪声拟合参数B越大,偏离标准值越多,器件可靠性越差,抗辐照 关键词： 肖特基二极管 f噪声')" href="#">1/f噪声 60Co γ射线')" href="#">⁶⁰Co γ射线 界面态     

高$lt;i$gt;k$lt;/i$gt;栅介质小尺寸全耗尽绝缘体上锗p型金属氧化物半导体场效应晶体管漏源电流模型

通过求解沟道的二维泊松方程得到沟道表面势和沟道反型层电荷, 建立了高k栅介质小尺寸绝缘体上锗(GeOI) p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)的漏源电流解析模型. 模型包括了速度饱和效应、迁移率调制效应和沟长调制效应, 同时考虑了栅氧化层和埋氧层与沟道界面处的界面陷阱电荷、氧化层固定电荷对漏源电流的影响. 在饱和区和非饱和区, 漏源电流模拟结果与实验数据符合得较好, 证实了模型的正确性和实用性. 利用建立的漏源电流模型模拟分析了器件主要结构和物理参数对跨导、漏导、截止频率和电压增益的影响, 对GeOI PMOSFET的设计具有一定的指导作用. 关键词： 绝缘体上锗p型金属氧化物半导体场效应晶体管 漏源电流模型 跨导 截止频率     

双电层氧化锌薄膜晶体管偏压应力稳定性

以环保可降解的天然生物材料制备功能器件越来越受到关注,利用天然鸡蛋清作为栅介质层,采用射频磁控溅射法在其上沉积ZnO薄膜有源层,制备低压双电层氧化锌基薄膜晶体管（ZnO-TFT）并对其电学特性进行了表征,研究了器件在栅偏压和漏偏压应力下电性能的稳定性及其内在的物理机制。该ZnO-TFT器件呈现出良好的电特性,载流子饱和迁移率为5.99 cm²/（V·s）,阈值电压为2.18 V,亚阈值摆幅为0.57 V/dec,开关电流比为1.2×10⁵,工作电压低至3 V。研究表明,在偏压应力作用下,该ZnO-TFT器件电性能存在一定的不稳定性,我们认为栅偏压应力引起的电性能变化可能来源于栅介质附近及界面处的正电荷聚集、充放电效应和新陷阱态的复合效应;漏偏压应力引起的电性能变化可能来源于焦耳热引起的氧空位及沟道中的电子陷阱。     

具有HfN/HfO2栅结构的p型MOSFET中的负偏置-温度不稳定性研究

研究了HfN/HfO2高K栅结构p型金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管(MOSFET)中,负偏置-温度应力引起的阈值电压不稳定性(NBTI)特征.HfN/HfO2高K栅结构的等效氧化层厚度(EOT)为1.3nm,内含原生缺陷密度较低.研究表明,由于所制备的HfN/HfO2高K栅结构具有低的原生缺陷密度,因此在p-MOSFET器件中观察到的NBTI属HfN/HfO2高K栅结构的本征特征,而非工艺缺陷引起的;进一步研究表明,该HfN/HfO2高K栅结构中观察到的NBTI与传统的SiO2基栅介质p-MOSFET器件中观察到的NBTI具有类似的特征,可以被所谓的反应-扩散(R-D)模型表征: HfN/HfO2栅结构p-MOSFET器件的NBTI效应的起源可以归为衬底注入空穴诱导的界面反应机理,即在负偏置和温度应力作用下,从Si衬底注入的空穴诱导了Si衬底界面Si-H键断裂这一化学反应的发生,并由此产生了Si+陷阱在Si衬底界面的积累和H原子在介质层内部的扩散,这种Si+陷阱的界面积累和H原子的扩散导致了器件NBTI效应的发生.     

不同栅压下Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性仿真

为了实现半导体器件在电离辐射环境中电学特性的动态退化过程,本文基于总剂量效应中陷阱对载流子的俘获/发射过程,建立了Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性数值模型.仿真了不同栅极偏压下,器件电学特性随累积总剂量的上升而造成的器件退化效应,并提取了Si/SiO₂界面和栅氧化层中陷阱电荷的变化.仿真发现,随着累计总剂量的上升,两个位置处陷阱电荷的数量都趋向于饱和.当辐照中栅极偏压为正时,器件阈值电压的退化幅度显著高于辐照偏压为负时的退化幅度.无论是辐照过程中栅极加正偏压还是反偏压,都表现出阈值电压的退化幅度随着偏压幅值上升先上升再下降的趋势.栅极偏压对器件辐照后的退火效应也有一定的影响,在退火过程中如果栅极偏压不为零,器件退火后的电学特性恢复幅度比零偏压下的要低一些.     

MOSFET 辐照诱生界面陷阱形成过程的1/f噪声研究

基于界面陷阱形成的氢离子运动两步模型和反应过程的热力学平衡假设，推导了金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET)经历电离辐照后氧化层空穴俘获与界面陷阱形成间关系的表达式.利用初始1/f噪声功率谱幅值与氧化层空穴俘获之间的联系，建立了辐照前的1/f噪声幅值与辐照诱生界面陷阱数量之间的半经验公式，并通过实验予以验证.研究结果表明，由于辐照诱生的氧化层内陷阱通过与分子氢作用而直接参与到界面陷阱的建立过程中，从而使界面陷阱生成数量正比于这种陷阱增加的数量，因此辐照前的1/f噪声功率谱幅值正比于辐照诱生的界面陷阱数量.研究结果为1/f噪声用作MOSFET辐照损伤机理研究的新工具，对其抗辐照性能进行无损评估提供了理论依据与数学模型. 关键词： 辐照效应 界面陷阱 1/f噪声 氧化层空穴俘获     

新型槽栅PMOSFET热载流子退化机理与抗热载流子效应研究

分析了槽栅器件中的热载流子形成机理,发现在三个应力区中,中栅压附近热载流子产生概率达到最大.利用先进的半导体器件二维器件仿真器研究了槽栅和平面PMOSFET的热载流子特 性,结果表明槽栅器件中热载流子的产生远少于平面器件,且对于栅长在深亚微米和超深亚 微米情况下尤为突出.为进一步探讨热载流子加固后对器件特性的其他影响,分别对不同种 类和浓度的界面态引起的器件栅极和漏极特性的漂移进行了研究,结果表明同样种类和密度 的界面态在槽栅器件中引起的器件特性的漂移远大于平面器件.为开展深亚微米和亚0.1微米 新型槽栅 关键词： 槽栅PMOSFET 热载流子退化机理 热载流子效应     

多晶SiGe栅量子阱pMOSFET阈值电压模型

本文基于多晶SiGe栅量子阱SiGe pMOSFET器件物理,考虑沟道反型时自由载流子对器件纵向电势的影响,通过求解泊松方程,建立了p+多晶SiGe栅量子阱沟道pMOS阈值电压和表面寄生沟道开启电压模型.应用MATLAB对该器件模型进行了数值分析,讨论了多晶Si_1-yGe_y栅Ge组分、Si_1-xGe_x量子阱沟道Ge组分、栅氧化层厚度、Si帽层厚度、沟道区掺杂浓度和 关键词： 多晶SiGe栅 寄生沟道 量子阱沟道 阈值电压     

非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性与分析

本文针对底栅结构非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性开展实验与理论研究.由实验结果可知:受铟锌氧化物与二氧化硅界面处缺陷态俘获与释放载流子效应的影响,器件沟道电流噪声功率谱密度随频率的变化遵循1/fγ(γ≈0.75)的变化规律;此外,器件沟道电流归一化噪声功率谱密度随沟道长度与沟道宽度的增加而减小,证明器件低频噪声来源于沟道的闪烁噪声,可忽略源漏结接触及寄生电阻对器件低频噪声的影响.最后,基于载流子数涨落及迁移率涨落模型,提取γ因子与平均Hooge因子,为评价材料及器件特性奠定基础.     

N型槽栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管抗热载流子效应的研究

用二维器件仿真软件MEDICI模拟分析了N型槽栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管的热载流 子特性及其对器件性能所造成的损伤,并与相应常规平面器件进行了比较,同时用器件内部 物理量的分布对造成两种结构器件特性不同的原因进行了解释.结果表明槽栅器件对热载流 子效应有明显的抑制作用,但槽栅器件对热载流子损伤的反应较平面器件敏感. 关键词： 槽栅MOSFET 热载流子效应 界面态 特性退化     

低温低剂量率下金属-氧化物-半导体器件的辐照效应

对金属氧化物半导体(MOS)器件在低剂量率γ射线辐照条件下的剂量率效应以及温度效应进行了研究.对不同剂量率、不同温度辐照后MOS器件的阈值电压漂移进行了比较.结果表明,低剂量率辐照下,感生界面态要受到辐照时间的长短以及生成的氢离子数目的影响,辐照时间越长,生成的氢离子越多,感生界面态密度越大;温度对界面态的影响与界面态建立的时间有关,低温辐照时,界面态建立的时间要加长 关键词： 辐照效应 阈值电压漂移 低剂量率 低温 界面态     

绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究

基于⁶⁰Co γ射线源研究了总剂量辐射对绝缘体上硅（silicon on insulator,SOI）金属氧化物半导体场效应晶体管器件的影响.通过对比不同尺寸器件的辐射响应,分析了导致辐照后器件性能退化的不同机制.实验表明：器件的性能退化来源于辐射增强的寄生效应;浅沟槽隔离（shallow trench isolation,STI）寄生晶体管的开启导致了关态漏电流随总剂量呈指数增加,直到达到饱和;STI氧化层的陷阱电荷共享导致了窄沟道器件的阈值电压漂移,而短沟道器件的阈值电压漂移则来自于背栅阈值耦合;在同一工艺下,尺寸较小的器件对总剂量效应更敏感.探讨了背栅和体区加负偏压对总剂量效应的影响,SOI器件背栅或体区的负偏压可以在一定程度上抑制辐射增强的寄生效应,从而改善辐照后器件的电学特性.     

高迁移率In0.6Ga0.4As沟道MOSHEMT与MOSFET器件特性的研究

从模拟和实验两个方面对高迁移率In_0.6Ga_0.4As沟道金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOSHEMT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件开展研究工作.研宄发现InAlAs势垒层对Ino_0.6Ga_0.4AsMOSHEMT的特性具有重要影响.与Ino_0.6Ga_0.4As MOSFET相比,Ino_0.6Ga_0.4As MOSHEMT表现出优异的电学特性.实验结果表明,In_0.6Ga_0.4As MOSHEMT的有效沟道迁移率达到2812 cm²/V.s^-1,是In_0.6Ga_0.4As MOSFET的3.2倍.0.02 mm栅长的MOSHEMT器件较相同栅长的MOSFET器件具有更高的驱动电流、更大的跨导峰值、更大的开关比、更高的击穿电压和更小的亚阈值摆幅.