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     

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     

基于辐照前1/f噪声的金属-氧化物-半导体场效应晶体管潜在缺陷退化模型

基于金属-氧化物-半导体-场效应管(MOSFET)辐射损伤的微观机理,推导出了MOSFET经历辐照之后氧化层空穴俘获与阈值电压漂移之间关系的表达式.又根据MOSFET中1/f噪声产生的微观机理,建立了辐照之前MOSFET的1/f噪声功率谱幅值与阈值电压漂移量之间的定量关系,并通过实验予以验证.结果表明,辐照之前的1/f噪声功率谱幅值与辐照之后的阈值电压漂移量存在正比例关系,阈值电压漂移量可以反映出MOSFET内部的潜在缺陷的退化程度,因此,该模型有助于利用1/f噪声参量来表征MOSFET内部潜在缺陷的数量和严重程度.     

金属-氧化物-半导体场效应管辐射效应模型研究

基于氧化层陷阱电荷以及界面陷阱电荷的产生动力学以及辐射应力损伤的微观机理,推导出了金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)中辐射应力引起的氧化层陷阱电荷、界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量之间定量关系的模型. 根据模型可以得到:低剂量情况下,氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量成正比;高剂量情况下,氧化层陷阱电荷导致的阈值电压漂移量发生饱和, 其峰值与辐射剂量无关,界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量呈指数关系. 另外,模型还表明氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷在不同的辐射剂量点开始产生饱和现象, 其中界面陷阱电荷先于氧化层陷阱电荷产生饱和现象.最后,用实验验证了该模型的正确性. 该模型可以较为准确地预测辐射应力作用下MOSFET的退化情况.     

低剂量率60Coγ辐线辐照下SOIMOS器件的退化机理

本文通过实验分析了O．8μm工艺H形栅SOIMOS器件在低剂量率下的1射线总剂量效应．实验结果表明,总剂量相同时,低剂量率的辐照效应更严重,关态偏置条件下的阈值电压漂移大于开态,辐照引起NMOS器件发生kink效应时的漏极电压％升高．研究结果表明：界面态对PMOS器件亚阈值斜率和跨导退化的影响作用不同,主要原因是栅极偏置不同使起作用的界面态数量不同．     

半导体器件总剂量辐射效应的热力学影响

对商用三极管和MOS场效应晶体管进行了不同环境温度下的总剂量辐照实验,对比了不同辐照温度对这两种器件辐射效应特性的影响。实验结果表明,对于同一辐照总剂量,三极管的基极电流、电流增益和MOS场效应晶体管的阈值电压漂移值都随着辐照温度的不同而存在较大的差异。总剂量为100 krad,辐照温度分别为25,70,100 ℃时,NPN三极管的电流增益倍数分别衰减了71,89和113,而NMOS晶体管的阈值电压V_T分别减少了3.53,2.8,2.82 V。     

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进行了解释,同时也为MOSFET抗辐照能力预测提供理论依据.     

总剂量辐照对热载流子效应的影响研究

研究了总剂量辐照效应对0.35μm n型金属-氧化物-半导体(NMOS)器件热载流子测试的影响.试验结果表明:经过100 krad(Si)总剂量辐照后进行5000 s的热载流子测试,NMOS器件阈值电压随着总剂量的增大而减小,然后随热载流子测试时间的增加而增大,且变化值远远超过未经过总剂量辐照的器件;总剂量辐照后经过200 h高温退火,再进行5000 s的热载流子测试,其热载流子退化值远小于未高温退火的样品,但比未辐照的样品更明显,即总剂量辐照与热载流子的协同效应要超过两种效应的简单叠加.根据两种效应的原理分析,认为总剂量辐照感生氧化层陷阱电荷中的空穴与热电子复合减少了正氧化层的陷阱电荷,但辐照感生界面态俘获热电子形成负的界面陷阱电荷,表现为两者的协同效应模拟方式比单机理模拟方式对器件的影响更严重.     

总剂量辐照下沟道长度对部分耗尽绝缘体上硅p型场效应晶体管电特性的影响

本文通过实验研究了0.8μm PD(Partially Depleted)SOI(Silicon-On-Insulator)p型Metal-oxidesemiconductor-feld-efect-Transistor(MOSFET)经过剂量率为50 rad(Si)/s的60Coγ射线辐照后的总剂量效应,分析了沟道长度对器件辐照效应的影响.研究结果表明:辐照总剂量相同时,短沟道器件的阈值电压负向漂移量比长沟道器件大,最大跨导退化的更加明显.通过亚阈值分离技术分析得到,氧化物陷阱电荷是引起阈值电压漂移的主要因素.与长沟道器件相比,短沟道器件辐照感生的界面陷阱电荷更多.     

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     

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.     

U型槽刻蚀工艺对GaN垂直沟槽型金属-氧化物-半导体场效应晶体管电学特性的影响

U型槽的干法刻蚀工艺是GaN垂直沟槽型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件关键的工艺步骤,干法刻蚀后GaN的侧壁状况直接影响GaN MOS结构中的界面态特性和器件的沟道电子输运.本文通过改变感应耦合等离子体干法刻蚀工艺中的射频功率和刻蚀掩模,研究了GaN垂直沟槽型MOSFET电学特性的工艺依赖性.研究结果表明,适当降低射频功率,在保证侧壁陡直的前提下可以改善沟道电子迁移率,从35.7 cm^2/(V·s)提高到48.1 cm^2/(V·s),并提高器件的工作电流.沟道处的界面态密度可以通过亚阈值摆幅提取,射频功率在50 W时界面态密度降低到1.90×10^12 cm^-2·eV^-1,比135 W条件下降低了一半.采用SiO2硬刻蚀掩模代替光刻胶掩模可以提高沟槽底部的刻蚀均匀性.较薄的SiO2掩模具有更小的侧壁面积,高能离子的反射作用更弱,过刻蚀现象明显改善,制备出的GaN垂直沟槽型MOSFET沟道场效应迁移率更高,界面态密度更低.     

高迁移率Ge沟道器件研究进展

高迁移率Ge沟道器件由于其较高而且更对称的载流子迁移率, 成为未来互补型金属-氧化物-半导体(CMOS) 器件极有潜力的候选材料. 然而, 对于Ge基MOS器件, 其栅、源漏方面面临的挑战严重影响了Ge基MOS 器件性能的提升, 尤其是Ge NMOS器件. 本文重点分析了Ge基器件在栅、源漏方面面临的问题, 综述了国内外研究者们提出的不同解决方案, 在此基础上提出了新的技术方案. 研究结果为Ge基MOS 器件性能的进一步提升奠定了基础.     

GaAs-绝缘薄膜界面和金属-绝缘薄膜-半导体(MIS)结的特性

对Si-SiO2系统广泛而深入的研究和器件的平面技术的发展,导致了Si金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSPET)及其集成电路(IC)的辉煌成就.GaAs的电子迁移率比Si高五倍多,预期GaAs金属-绝缘薄膜-半导体场效应晶体管(MISFET)可工作于更高频率,其IC可应用于更高速度.以往十多年,对GaAs-绝缘薄膜界面和MIS结的特性进行了研究(见文献[1]),取得了一定成果,但因研究对象相当复杂,还未能在FET及其IC方面取得突破.与此同时,对GaAs的金属-半导体(M-S)界面和结的特性也进行了研究,目前已在一系列GaAs微波器件包括金属-半导体接触场效应…     

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     

金属-半导体接触效应

一、研究的意义和历史 金属-半导体接触效应的研究,无论从半导体器件的研制和生产,或是界面物理学的发展来说,都是一个相当重要的基本课题.最早的点接触整流器、光电探测器,第一只晶体管的注入极和集电极,都是直接和金属-半导体的点接触效应相关的.人们为了解这个效应的物理机制,也是首先从这里考虑表面态的作用.当对这个效应详细的物理机制还不清楚的时候,要稳定和提高这类器件的性能就缺乏明确的指导. pn结型器件产生后,金属-半导体接触主要应用于制作欧姆接触电极上.起初,并没有发生多大的问题,因此人们对它的研究有些漠视.近年来,随着半…     

高功率微波作用下热载流子引起n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管特性退化研究

高功率微波(HPM)通过使半导体器件特性退化和功能失效,从而干扰电子系统无法正常工作. 针对金属氧化物半导体(MOS)器件的HPM效应, 建立了高功率微波引起n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)特性退化的物理过程与模型. 器件仿真结果中nMOSFET的输出特性曲线显示栅极注入HPM引起器件特性退化,包括阈值电压正向漂移、 饱和电流减小、跨导减小等;结合物理模型分析可知, HPM引起的高频脉冲电压使器件进入深耗尽状态, 热载流子数目增多,热载流子效应导致器件特性退化. MOS器件的HPM注入实验结果显示,器件特性曲线、器件模型参数变化趋势与仿真结果一致, 验证了HPM引起nMOSFET特性退化的物理过程与模型.     

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.     

原子层沉积Al2O3/n-GaN MOS结构的电容特性

利用原子层沉积技术制备了具有圆形透明电 极的Ni/Au/Al₂O₃/n-GaN金属-氧化物-半导体结构, 研究了紫外光照对样品电容特性及深能级界面态的影响, 分析了非理想样品积累区电容随偏压增加而下降的物理起源. 在无光照情形下, 由于极长的电子发射时间与极慢的少数载流子热产生速率, 样品的室温电容-电压扫描曲线表现出典型的深耗尽行为, 且准费米能级之上占据深能级界面态的电子状态保持不变. 当器件受紫外光照射时, 半导体耗尽层内的光生空穴将复合准费米能级之上的深能级界面态电子, 同时还将与氧化层内部的深能级施主态反应. 非理想样品积累区电容的下降可归因于绝缘层漏电导的急剧增大, 其诱发机理可能是与氧化层内的缺陷态及界面质量有关的“charge-to-breakdown”过程. 关键词： 原子层沉积 2O₃/n-GaN')" href="#">Al₂O₃/n-GaN 金属-氧化物-半导体结构 电容特性     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电离辐照损伤机理及偏置相关性研究

本文利用~(60)Coγ射线,针对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high-electron mobility transistors,HEMT)器件,开展了在不同偏置下器件电离辐照总剂量效应实验研究.采用1/f噪声结合直流电学特性参数对实验结果进行测量分析,分析结果表明,受到辐照诱生氧化物缺陷电荷与界面态的影响,当辐照总剂量达到1 Mrad(Si)时,零偏条件下AlGaN/GaN HEMT器件的电学参数退化得最大,其中,饱和漏电流减小36.28%,最高跨导降低52.94%;基于McWhorter模型提取了AlGaN/GaN HEMT器件辐照前后的缺陷密度,零偏条件下辐照前后缺陷密度变化最大,分别为4.080×10~(17)和6.621×10~(17)cm~(-3)·eV~(-1).其损伤机理是在氧化物层内诱生缺陷电荷和界面态,使AlGaN/GaN HEMT器件的平带电压噪声功率谱密度增加.