（微电子学与固体电子学专业论文）mos器件潜在损伤的1f噪声检测方法研究.pdf

摘要 本论文旨在探索更有效的微电子器件的可靠性评估方法。针对静电在m o s 器 件中引入的潜在损伤，在使用1 f 噪声功率谱监测的同时并提出了一种新的由1 f 信号提取得到的基于子波变换极大模的相似系数表征法。通过对m o s 器件的静电 应力试验，同时监测试验过程中器件的电参数、t f 噪声功率谱密度以及由1 f 噪 声的时问序列提取的相似系数变化，发现1 f 噪声对于静电应力引起的损伤要比 电参数的变化敏感得多。在同样的静电应力条件下， f 噪声功率谱幅度的相对变 化量比跨导的相对退化量大六倍以上，而相似系数“1 在检测静电引入的潜在损伤方 面也同样敏感，尤其在检测宽长比w l 小的器件时效果更显著。l 另外，通过热载 流子注入试验，对相似系数理论作了验证。机理分析表明，起源于边界陷阱的1 f 噪声对于静电和热载流子诱发的氧化层电荷和界面陷阱两类缺陷都同时敏感，而 相似系数更能反映1 f 言号的局域特性，但电参数的变化通常主要取决于其中一类 缺陷。因此，无论是l f 噪声功率谱的测试还是由其时间序列提取得到的相似系数 均可以作为经济、有效、完全非破坏性的工具，替代抟统的电特性用于检测静电 引起的m o s 器件潜在损伤以及热载流子注入损伤。 关键诃：m o s 器件1 f 噪声子波变换相似系数静电损伤热载流子注入 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r o p o s e st op r o b em o r ee f f e c t i v em e t h o d sf o rd i a g n o s i n gr e l i a b i l i t yo f m i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e s a i m i n ga tl a t e n td a m a g ei n d u c e db ye s d ，1 f n o i s es p e c t r u m a n dan e wm e t h o ds i m i l a r i t yc o e f f i c i e n tb a s e do nt h em a t c h e dm a x i m ao fw a v e l e t t r a n s f o r mm o d u l u sa r eo f f e r e da tt h es a n l et i m e i nt h ep a p e r , t h ee s d s t r e s s i n gt e s t sf o r n - c h a n n e lm o s f e t sa r ep e r f o r m e d ，a n dm a i ne l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，1 fn o i s es p e c t r u m a n di t st i m es e r i e sa r em o n i t o r e dd u d n gt h et e s t i ti sf o u n dt h a tt h e1 fn o i s ec h a n g e s m u c hm o r es e n s i t i v et ot h ee s di a t e n td a m a g et h a nt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，a tt h e s a m et i m e , s i m i l a r i t yc o e f f i c i e n ta l s oc h a n g e sm o r eq u i c k l ye s p e c i a l l yf o rs m a l l e rw l d e v i c e si t i ss h o w ni nm e c h a n i s ma n a l y s i st h a t1 fn o i s eo r i g i n a t i n gf r o mb o r d e rt r a p s i ss e n s i t i v et ob o t ho ft h eo x i d ec h a r g e sa n di n t e r f a c et r a p si n d u c e db ye s da n dh c i a n dt h es i m i l a r i t yc o e f f i c i e n tc a l le x p r e s st h el o c a lc h a r a c t e r i z a t i o nm o r et h o r o u g h l y , w h i l et h ec h a n g e so fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r su s u a l l yl i eo no n eo ft h ed e f e c t ss o ，b o t h1 f n o i s ep o w e rs p e c t r u mm e a s u r e m e n ta n ds i m i l a r i t yt o e f f i c i e n te x t r a c t e df r o mi t st i m e s e r i e sc a n0 肮re c o n o m i c a l e f f e c t i v ea n di n d e s t r u c t i b l et o o lt od e t e c tt h e1 a t e n ta a m a g e i n d u c e db ye s da n dh c if o rm o s f e t s k e yw o r d s ：m o s d e v i c e1 fn o i s ew a v e l e tt r a n s f o r m s i m i l a r i t yc o e f f i c i e n t e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ( e s d ) h o t - c a r r i e ri n j e c t i o n ( h c l ) 1 创新性声明 y 五0 5 3 8 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包括为获得西安电子科技大学和 其他教育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：垫垂垦至 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的有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密 后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 惹粒锊 湛遵一 日期：之竺：堂 日期：1 一、寸一 第一章绪论 第一章绪论 微电子技术从来都是衡量一个国家科技、工业和军事能力的一个重要标准， 因为它是一个国家的科技、工业和军事水平的重要标志。在现代化的军事战争中， 微处理器、集成电路芯片以及各种微电子元器件和传感器的用处越来越大。同时 在人民的日常生活中，以计算机为代表的现代智能家用电器，已经广泛而深入地 进入人们的生活，成为日常生活不可缺少的部分。 微电子器件的功能日益强大，器件的集成度不断增大，微电子器件的性能、 质量和可靠性越来越受到人们的高度重视。传统的可靠性测试方法以加速寿命实 验为代表，将器件置于高温、高湿、高腐蚀性或高偏置条件下，对器件进行批量 测试，得到其寿命，进行统计估计出一批器件的平均寿命，这种方法在预测器件的 长期工作稳定性方面有一定的应用价值。而且，用这种方法预测所得的器件寿命 一般比器件的实际寿命要小，这样几乎可以保证，在所预测的器件平均寿命范围 内，器件可以可靠地进行工作。但有两个问题： 问题一：火箭和卫星上的器件数以万计，而且其中的任何一个器件的失效将 不可避免地引起整个系统的崩溃或至少使其部分功能不正常。大家知道，一旦火 箭或卫星发射之后，系统出现了什么问题，损失将是不可避免的。 问题二：有些器件在正常环境普通的电参数测试时，各种参数值都在正常范 围之内，一旦在高温、高压、振动、辐射等非正常环境下，器件就会失效。如何 挑选出在非正常环境下能可靠工作的器件? ， 根据加速寿命实验的原理和方法，我们可以看出加速寿命实验只能预测整批 器件的平均寿命，而不能对一个器件进行可靠性预测，更不能用来挑选可靠性较 高的器件，因为这种实验通常是破坏性的。 随着微电子器件朝着微细化和高密度化方向发展，加上电源电压和电平信号 的相应下降，器件对外界应力或环境干扰变得更加敏感。m o s 器件栅氧化层的减 薄，使其抗静电能力下降；器件尺寸的缩小，使得热载流子效应显著；双极型器 件发射区周长和面积的缩小，使其抗电浪涌的能力下降；集成电路铝金属化布线 的细线条化，使其抗电迁移和抗腐蚀的能力下降。所有这些均成为亚微米v l s i 设计的限制因素，也给微电子器件可靠f 生检测带来新的挑战。 如今l f 噪声应用于集成电路和晶体管可靠性评估方面已越来越受到人们的青 睐【”。大家知道，电子系统的内部噪声是噪声是制约其性能、质量和可靠性的关键 因素之一。在各类测试系统中，噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最小 信号幅度；在通信系统中，噪声的存在影响信号传输的保真度以及接收机的灵敏 度；在数字与计算机系统中，噪声幅度随机变化形成的尖峰会引起误触发，产生 伪信号。系统的噪声主要来自构成系统的电子元器件中的噪声，而半导体有源器 m o s 器件潜在损伤的l f 噪声检测方法研究 件又在其中占有重要位置。在微弱信号检测、精密计量、红外探测、水下声频通 信以及高保真音响等新技术领域中，低噪声半导体器件是必不可少的关键器件。 更为重要的是，半导体器件噪声( 尤其是低频噪声) 的大小敏感地反映着器件内 在质量和可靠性的优劣。随着电子整机向着高度集成化和微系统化发展，半导体 器件的噪声对于整机性能的影响也越来越突出。与之相适应，低噪声电子学的研 究重点也逐渐从传统的分立线路的低噪声电子设计转向器件的低噪声物理，以及 包括低噪声设计和低噪声工艺在内的低噪声化技术的研究。国外对于半导体器件 噪声的研究大体上经历了三个阶段。第一个阶段是在1 9 7 0 年前后，广泛研究了各 种噪声的形成机构以及与各种器件参数的关系：第二个阶段是从7 0 年代中期至8 0 年代中期，在对器件噪声特性作迸一步深入了解的同时，研制开发了各种低噪声 半导体器件包括分立器件和集成电路；第三个阶段大约是从1 9 8 5 年开始，利用 噪声( 特别是低频噪声) 作为器件微观性质研究、质量和可靠性评估的手段。截 至目前，半导体器件中的噪声仍是一个非常活跃的研究领域，尚待解决的问题仍 然很多。 国外的噪声研究目前主要集中于噪声应用于可靠性研究方面，包括热载流子 注入( h c i ) ，等离子体损伤以及金属互连导致电迁移等的噪声特性【l ”。在保持相 同电压的同时，有效沟道长度的缩短造成严重的可靠性问题，因为最大电场增加 因而热载流子m c 、损伤效应增强。如t s a i 和m s 所指，h c 损伤的非均匀性能引起 更剧烈的噪声增长f 。早期的l f 噪声的h c i 研究是针对n 沟器件，尽管h c i 损伤 在p 沟器件中不太成问题，但也发现了l ，f 噪声的剧烈增长。对于高频运用，l f 噪声可能是寿命的限制因子，我们起码应从可靠性的角度考虑显著的h c i 应力效 应。在电迁移损伤情形下，1 f 噪声更是敏感的多，可以考虑为可靠性危害的早期 指示器。己经清楚地表明，1 ，f 噪声是应用和工艺条件的敏感的函数，如在h c i 损 伤后或后端工艺期间的等离子体损伤都会使其剧烈增加。事实上，l ，f 噪声表现出 比其他工作时序状态更强烈的退化，由此它成为模拟或混合模式运用所关注的。即 使对数字深亚微米逻辑电路因所供电压的减小，l f 噪声也是一基本的限制因素。 实际应用中，1 f 噪声限制的是一些电路的发挥作用的寿命而不是阙值电压或驱动 电流。l f 噪声的高敏感度也可为器件可靠性和寿命估计开发检测程序，这一点在电 迁移检测中尤其有用。同时，噪声研究也可展示金属线路中潜伏的质量和电荷输 运的一些基本原理。相信，l ，f 噪声也可在其他应力损伤检测方面成为强有力的可 靠性诊断工具。并且，通过应力对器件影响的研究从广义上讲，能更深入地了 解亚微米m o s f e t 中的l ，f 噪声特性。 枉我国，无论是在半导体器件噪声的基础研究方面，还是在低频噪声器件的 研制方面，都十分薄弱。在l ，f 噪声可靠性应用方面的研究尚很少，基本处于空白。 从国外的研究情况来看，将1 ，f 噪声用于m o s f e t 过应力可靠性研究也主要集中 第一章绪论 于热载流子注入、电迁移、等离子体损伤以及运用1 f 噪声研究近表面氧化层缺陷 的性质等方面。对静电放电损伤( e s d ) 损伤检测方面的研究主要集中于机理和保 护电路的设计，尚无人将l f 噪声用于e s d 检测。而电子元器件特别是集成电路 受到e s d 损伤而造成的经济损失，每年高达5 0 亿美元。在我国，一些重点工程研 制单位，由于不了解某些器件是e s d 敏感器件，使一些价格昂贵，单价达一万美 元的进口器件，在未发现使用失效的情况下己损坏了，据分析很可能是e s d 损伤 造成的。在电子工业中，大规模m o s 集成电路和微波器件等的大量生产和广泛应 用：电路集成度和速度的迅速提高，器件尺寸进一步缩小，氧化层进一步减薄； 当前在生产和工作的环境中高分子材料的应用比较普遍等，都使e s d 损伤的问题 越来越突出。半导体器件受到静电损伤后，绝大多数只表现为电参数劣化，只给 器件留下了隐患，降低了可靠性。这种器件在使用以后发生失效时，很难判断该 器件在何时何地何种情况下曾遭受过静电放电损伤。所以防静电的危害已日益受 到人们的普遍重视，我们必须寻找有效的器件质量与可靠性评估方法，发现早期失 效，以提高器件及整机系统的可靠性。 本课题基于对国内外相关领域研究动态的深入考察最终选择确定，旨在寻找 更有效的微电子器件质量与可靠性评估工具。将1 f 噪声功率谱应用于e s d 和h c ! 损伤后m o s 器件的可靠性检测，同时在此基础上探索一种新的由1 f 噪声信号的 时间序列提取得到的基于子波变换极大模的相似系数作为新的表征方法。相信， 利用噪声分析无损检测手段来替代原来的老化实验，将节约大量的实验经费，产 生显著的经济效益。所以该研究在微电子可靠性评估方面具有很强的实用价值。 本论文具体结构如下：从第二章开始对噪声基础理论尤其是1 f 低频噪声理论 基础做必要的介绍；第三章将对由1 f 信号的传统傅立叶表征和基于子波变换的相 似系数表征方法分别做详细阐述；第四章详细说明静电损伤的相关的物理机制； 第五、六章通过实验来说明1 f 噪声功率谱和相似系数可作为静电损伤可靠性检测 工具，并通过热载流子注入试验对有关相似系数理论进行验证说明。论文最后将 对本次毕业设计工作的突破点和有待解决的难点问题进行讨论，并对噪声在微电 子可靠性研究领域的应用前景作一定的展望。 m o s 器件潜在损伤的l 册噪声检测方法研究 第二章噪声理论 如何认识和掌握半导体器件中各种噪声的性质，从而减少或消除之是将噪声 实用化的关键前提。本章将从噪声的物理起源、类型和1 f 噪声的理论模型方面 对半导体器件噪声做简要阐述。 2 1 噪声基础 噪声起源于物理量的随机起伏，形成噪声的物理机构通常称为噪声源。如果噪 声源的性质不随时间变化，那么表征该噪声源的随机变量的统计特性也不随时间 变化，这种变量称为平稳随机变量。半导体器件中的噪声基本上都属于平稳随机 变量【2 1 。 器件噪声主要的表征参数有： 1 等效输入噪声具有电压或电流增益的三段或多端线性有源器件( 如双极晶 体管，场效应晶体管和线性集成电路等) ，在放大有用信号的同时，也放大了内部噪 声。这样，在器件输出端测得的噪声大小就与该器件的增益有关。因此，常将在 器件输出端观察到的噪声换算为接在输入端的噪声源，即等效输入噪声电压晶或 等效输入噪声电流厶。 2 噪声系数有源器件的噪声系数定义为单位带宽内有效输出噪声功率肺 与接在器件输入端的源电阻足的热噪声所产生的噪声功率m 。之比，可表示为 f = 。伊，、 噪声系数的另一个等效定义为输入信噪与输出信噪比的比值，可表示为 ，= 丽s , 瓦n , r 卜2 1 s o n 卜j 式中，瓦岛分别为输入，输出的信号功率；m 。分别为输入，输出的噪声功率。 若以分贝为单位噪声系数可表示为：，= 0 o g f d b 】 如上所述，半导体器件的噪声可以用上述半导体b 参数和 7 两种参数来表 征。 常用于器件比较线性放大器噪声的大小，它反映了放大器的内部噪声使系 统信1 噪比恶化的程度，但不是表征特性的最佳指标。现在国外对于半导体器件( 特 别是集成电路) 的噪声表征多采用品也参数。 2 2 噪声分类 第二章噪声理论 半导体器件中的噪声，一般是按照物理机构的不同来分类的，可分为热噪声， 散粒噪声，g - r 噪声和l f 噪声四大类，见图2 1 。 一般的频率范围内，热噪声和散粒噪声的功率谱密度与频率无关，统称为白 噪声。l f 噪声和g - r 噪声则与频率有关，前者与频率成反比，后者则按1 1 l + y 0 2 ) 规律变化( 其中五为转折频率) ，统称为有色噪声。由于这两种噪声通常在低频情况 下显著，也称为低频噪声。 热噪声起源于晶体中载流子的随机热运动，广泛存在于各种电阻性元器件之 中。热噪声的大小只与电阻和温度有关，即使器件没有电压和电流，也同样存在； 散粒噪声、g r 噪声和l f 噪声则与器件的电流和外加电压有关，一旦电流或电压 消失，这些噪声也就不复存在。 半导体器件噪声 r l 复合噪声 l 淬发噪声 图2 - l半导体器件中噪声的分类 散粒噪声起源于载流子跨越势垒的随机性，因此只存在于载流子运动受控于 某种势垒的器件中，如金半接触的肖特基二极管，具有p n 结势垒的双极晶体管 等。m o s f e t 和j f e t 的载流子运动沟道中无势垒存在，所以基本上没有散粒噪声。 热噪声和散粒噪声是器件的基本工作原理决定的，从本质上看是不能彻底消 除的，而窟- r 噪声和1 ，f 噪声在很大的程度上是器件的杂质与缺陷引起的。从这个 意义上讲，低频噪声往往反映了器件内在质量和可靠性的优劣。 由于噪声产生的机理与器件的结构紧密相关，所以在不同结构的器件中，各 种噪声的相对强弱有着很大的差别。常规半导体器件存在的主要噪声类型如下图 2 1 2 所示： 酶 酶 声 噪 噪 噪 声粒 粒 逊 噪散 散 翰 散频 频 约 扩低 高 r_、l r_、l 声 声 噪 噪 粒 热 散 r，、l 士尸噪 声 声 噪 噪 w 眦 本 本 基 基 非 r，l 蹯 酶 噪 噪 r p l 酽 m 厂f、1 ) j 虹漪 噪噪额色低有 6 m o s 器件潜在损伤的l t f 噪声检测方法研究 电子器件的噪声通常由白噪声，1 f 噪声和g - r 噪声三种分量构成。其功率谱 s ) = a + 与，7 + c o + u f o ) 。) f g - - 3 、 共有六个表征参数，即白噪声的幅度a ，1 f 噪声的幅度占和频率指数因子r ， g - r 噪声的幅度g 转折频率f o 和指数因子a 。不同的噪声分量以及各个分量的不 同表征参量往往具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征和缺陷量。因 此，从实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，并精确地确定各个分量表征参数的 值，是对器件进行噪声物理分析的前提。 厂表面1 f 噪声 厂r1 f 噪声位错l f 噪声 fl l 基本，f 噪声 双极晶体管1 热噪声 常规半导体器件 l ，由深氧 化层慢态俘获较快浅近表面陷阱占主导地位；r l ，则情形相反。 对于m o s f e t ，当表面处于平带或浅耗尽、沟道尚未形成时，沟道载流子与氧 化层陷阱无相互作用，这时观察到的1 f 噪声可归因子迁移率涨落机构。但此噪 声比形成沟道时出现的表面1 f 噪声幅度至少小一个数量级以上。 第三章l l f 信号表征方法 第三章1 f 信号表征方法 迄今为止，无论是实验测试还是理论分析，均是采用功率谱密度来表征电子 器件的1 f 噪声，这是一种传统的基于博立叶变换的1 f 信号表述方法。在人们 对1 f 噪声重要性的认识越来越深入的同时，发现用来表征这种噪声的传统手段 的局限性越来越明显。本章中，在介绍传统的功率谱表征法的同时，将提供一种 新的基于子波变换极大模的相似系数表征方法，对之做详细介绍。 3 11 f 信号的传统表征方法 1 f 信号是一种具有奇异性的分形信号它不同于一般的白噪声信号，其基本 特征是功率谱与频率的倒数成正比。在长期的研究中，人们都是采用基于f o u r i e r 分析的经典表征方法。经典的方法用功率谱密度和y 指数表征信号前者反映了信 号的能量，后者反映了信号的频率特性和分形性质。 通过观察实测s ( o - f 曲线在1 f 噪声区有无凸包出现，可以判断该器件中有无g r 噪声存在，如图3 1 所示。 噪声功率谱 图3 1 无g - r 噪声分量的噪声频谱拟合实例 确认无g r 噪声分量，则c = o ，式( 2 3 ) 可简化为 s ( f ) = a + 髟， ( 3 一1 ) ， 此时问题就简化为a b ，y 三个参量的提取。在我们的测试分析系统中谱成分蚕食 的分析提取方法是这样的。己知实测噪声频谱曲线的频率点为f o ) ，相应的功率谱 密度值为s ( i ) ，i = 1 2 ，m 。设1 ，f 噪声的主导频率区间为【r i ) ，f 【j ) 】，则白噪声的主 导频率区间为【f o ) f ( m ) 】，l j m 。于是，由指数曲线的最小二乘拟合公式，可知这种 情况下三个噪声参数可由以下公式求出 1 0 m o s 器件潜在损伤的l 玎噪声检测方法研究 爿( 力= 圭s o ) ( 3 2 ) m j i ：i 1 1 9 【占( ) 】：m ：m y - m , , m - , 9 ( 3 - 3 ) 埘占川2 1 i 习_ 彻= 镤 ( ，叫) 式中 m ，：= p g f ( o 2 ( 3 5 ) m y = l g s ( o ( 3 6 ) m ，= l g f ( i ) ( 3 7 ) m ，= t g f ( o p g s ( o ( 3 8 ) 由该组参数得到的拟合噪声谱为 s a f ) = a u ) + 嘉( 3 - - 9 ) 图3 - 1 便是一分析实例由软件进行谱成分分析得到各参数 a = 5 6 3 3 2 2 e - 0 1 4 b = 4 4 3 7 2 2 e - 0 7 v = 1 0 1 3 7 6 。 对于典型的1 f 信号，y 指数通常分布在 0 9 - 1 1 之间。随着功率谱密度的增加，y 指数也 应该增大，但在我们众多的试验中发现在1 f 噪声 幅度递增的同时，虽然y 分布集中于1 0 附近，但 其变化规律不明显，正负漂移不定，如右表所示。 所以说y 指数用于表征1 f 信号的分形性质还具有 很大的不稳定性，还必须寻找更有效的表征方法。 1 f 噪声幅度y 指数 3 6 3 3 2 2 e 一0 60 9 7 0 9 7 6 5 1 6 9 1 8 e - 0 51 0 6 2 0 9 5 5 51 9 7 e - 0 51 0 7 8 8 3 1 3 5 3 7 0 e - 0 4o 9 6 1 6 3 3 1 5 6 6 0 3 e - 0 4 0 9 8 0 8 8 6 3 21 f 信号的子波表征方法 3 2 1 概述 在人们对l f 噪声重要性的认识越来越深入的同时，发现用来表征这种噪声 的传统手段的局限性越来越明显。近年来从理论和实验上已证明，这种基于傅立 叶变换的功率谱是1 f 噪声的一种不完备的表述。从噪声的形成机构来看，人们 发现来自不同的物理缺陷的1 f 噪声具有相同或相近的功率谱密度。这就给我们 分析它的产生机理造成了极大的困难。例如，近年来发现当m o s 器件进入亚微米 第三章l f 信号表征方法 尺度后，1 f 噪声演变为随机电报信号r t s 的形式，r t s 波形的上升沿和下降沿分 别对应于边界陷阱对沟道载流子的俘获与发射。类似地，较大尺寸m o s f e t 的1 f 噪声波形中突变点的数量、分类和形状与产生1 f 噪声的微观动力学过程密切相 关。1 f 噪声的这些主要特征在功率谱中难以反映出来。从信号处理的角度来看， 由傅立叶变换得到的功率谱密度只是信号的全局性描述。如图3 2 所示的采样频 率为2 0 0 h z ，采集点数为3 0 0 0 0 点的l f 信号时间序列，可见1 f 噪声是一种随机 的分形信号，信号的突变点包含了许多重要的信息。在傅立叶变换中，必须对整 个时间域求平均，噪声中的尖峰和陡峭的边沿不可避免被平滑掉。功率谱不能用 于表征信号的局部奇异性和不规则性，而对于1 f 噪声这样的随机分形信号而言， 后者才是其最主要的特征。 咛同序刊 图3 - 2 1 f 信号时间序列 近年来发展起来的子波理论为完整表述和检测信号的奇异性提供了一种非常 有效的手段。己由子波理论证明子波变换的局域极大模系数包含了信号的绝大部 分信息，因而信号可由子波变换的局域极大模重构【3 】。这一特性也可用于衡量信号 之间的相似性尤其是奇异性，因为相似r 陛的差异主要取决于奇异极大模点的数目 和幅度。1 f 噪声信号作为一种奇异信号，其突变点对应于子波变换模极大值点， 而这些极大值点又对应着m o s 器件沟道中载流子整体的俘获和发射的突变点。相 同时间内，极大值点的多少，对应着突变的频度，其幅值则对应着整体的俘获和 发射突变时的能量。这些因素与沟道中氧化层陷阱的能量状态( 即陷阱占有的能级) ， 陷阱总数，陷阱的分布形式有关。m a l l a t 等人发现子波变换系数模的极大值包含 了一种信号局部奇异性和非规则结构的绝大部分信息，并成功地用于信号重构和 信号去噪。已有人提出将之用作m o s f e t1 f 噪声的一种较功率谱更完各的表征方 法0 1 ，并根据子波变换系数模的极大值匹配原理定义了一个相似系数，用来比较两 种1 f 噪声的相似性，包括鉴别t f 噪声的形成机构、分析微观动力学因素对1 f 噪声的影响等。 3 2 2 相似系数定义 1 2 m o s 器件潜在损伤的1 ，f 噪声检凛i 方法研究 s u n 仿照传统互相关系数引入了一种基于子波极大模的相似系数【4 】。在相似系 数的定义中，子波极大模的匹配定义在一个锥形区因用之于区别有固定晶向信号 间的相似性。象l ，f 噪声这样非规则的随机信号，有限的晶向是毫无意义的，相似 系数必须定义为两个i f 噪声信号的子波极大模数目和幅值在某一时期在同一数量 级内。 如果选择子波为光滑函数的一阶导数，则由子波变换系数的幅值极大点可以 检测到信号的突变点，对于我们研究l f 噪声产生的微观机制有很大的帮助。为此 根据两个噪声信号的子波变换模极大的匹配性，仿照互相关系数的定义，我们定 义了下面一种衡量两噪声信号相似程度的度量参数相似系数。设s l ，s 2 为两个 l f 噪声信号，a i c ，b l 为信号s l ，s 2 的子波分解极大模值序列，其中：1 k k ，l l l ，k ，l 是信号s l ，s 2 极大模个数。s l ，s 2 在比例级别j 的相似系数定义为： r j = c j 陲蝌垮w 矶善2 膳吲r j ( 3 1 0 ) 其中，a n - ，b m 为两信号极大模值序列a k 。b 中相互匹配的点。l 如m1 k n 矗 n - - - - r r f i n k , l l 。式中， 其中； c j ：j p l p 2 【p 2 p l p l = 吼2 p 2 = 6 7 p l p 2 p 2 p l ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 一1 3 ) 相似系数的算法如下： 1 选择两个具有相同数据长度的信号，如两个在相同样本空间和具有相同数点 的1 f 噪声的时间序列； 2 零均值以消除可能的直流成分，并通过分离每个信号序列的最大值和最小值 之间的差异对其幅度进行归一化； 3 进行连续子波变换获得子波极大模序列，并分别确定两信号的极大模个数k 和l ，将较小的设为n i 4 子波极大模匹配是通过两确定信号在最初n 值对应的值相乘并相加获得 ( 3 - 1 0 ) 式的分子： 5 ( 3 - 1 1 ) 到( 3 - 1 3 ) 计算a 和( 3 - 1 0 ) 的分母，最后得到，。 也 。一 第三章1 ，f 信号表征方法 得到的相似系数随所取，值的不同而不同在我们的应用中，通常取3 。原因 是白噪声的子波极大模的平均幅度随，值的增加而削弱的要比在l f 噪声中快，所 以，值略偏大有助于削弱存在于所测1 ，f 噪声中自噪声的影响。另外，在相似系数 的算法中，信号的幅度已在时域中通过信号的峰值归一化，信号的子波模极大与 其功率无关，从这一点讲，两信号的相似系数与两信号功率谱总密度之间的差异 无关。根据以上相似系数的定义，当两信号的子波极大模相同时，也就是，子波 极大模的个数和幅值相同，如两个波形相似的1 f 噪声信号，一= 1 ；若两信号之一 的极大模为零，如一直流信号和一1 f 噪声信号，一= 0 ；其它情况o ( 1 。 相似系数的提取由m a t l a b 编制的软件来实现，具体实现流程见图3 - 3 。输入 参数s 1 ，s 2 应具有相同的数据长度，这便于比较二者的相似性。 i输入信号s 1 ，s 2 + 对两信号进行连续子波变换 j提取奇极大摸值序列屯b ， l按同号，幅值最相近原则匹配 l求两信号极大模值序列能量 l求取相似系数 图3 - 3 相似系数程序框图 1 4 m o s 嚣件潜在损伤的l f f 噪声检测方法研究 第四章静电损伤理论 静电作为器件失效的主要模式，我们应对其作重点研究。本章将从静电的来 源模型静电损伤的失效模式以及静电对m o s 器件电特性的影响方面做详细介绍。 4 1 静电来源及模型 对微电子器件产生影响的静电源主要有人体、塑料制品和有关的设备与仪器。 另一方面，在微电子器件制造和应用环境中，作为静电来源的各种高分子材料被 广泛采用，使得静电的产生更加容易和广泛。 当带有静电荷的物体与非带电导体相接触时，带电体会通过非带电导体放电， 这称之为静电放电( e s d ) 。如果带电体是通过微电子器件来放电，就会给器件带 来损伤，导致器件失效。对于微电子器件而言，通常有三种放电形式，相应有三 种放电模型：带电人体的静电放电模型( h a m ) ，带电器件的静电放电模型( c d m ) ， 场感应静电放电模型( f 讧) 。在我们的实验中采用的是人体静电放电模拟器，故 对人体静电放电模型作重点介绍。 当带有静电的人体或其它物体与微电子器件管脚接触，存储于人体中的电荷将 转移到器件上，使器件带电，或者通过器件对地放电。这种放电形式可用所谓人 体模型来描述，如图( 4 1 ) 所示。 图4 1 人体静电放电线路结构 图中，电源为可调直流高压电源，电压范围1 - 5 k v ，与人体可能具有的静电势 范围相当：r 为限流电阻，约为( 1 1 0 ) m q ，应能够耐高电压；r 2 = 1 5 0 0 q 5 ，c i = i o o p f + _ 1 0 ，分别模拟人体电阻和人体电容；副采用高压继电器，其触点 闭合时的抖动应能较好地模拟人的手指与管脚接触时的放电波形能很好。当开关s 接至1 时，相当于人体因某种原因而带静电；当s 接至2 时，模拟人体向被测器 件放电。 当人体带电电压为k 时，所带电荷量为幺= g 吒，存储能量为e b = 1 2 c a 。， 人体放电时间常数为= r c b 。根据人体放电模型电路，在经历了5r 。的时间后， 第四章静电损伤理论 人体将向被测器件放掉9 9 3 的电荷量。当k = 1 0 0 0 v ，c b = l o o p f ，尼= l k q 时，计算 可知在0 5 s 的时间内，放出电荷量为1 0 。c j 释放能量为5 0 f 对微电子器件 而言这个能量是相当可观的，足以使之毁坏。 4 1 1 静电放电失效 微电子器件由静电放电引发的失效可分为突发性失效和潜在失效两种模式。突 发性失效是指器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现 为开路，短路或参数严重漂移。具体模式有：双极型器件的射一基间短路，场效应 器件的栅一源间或栅一漏间短路或集成电路的金属化互连或键合引线的熔断，多晶 硅电阻开路，线性电路中m o s 电容的短路等。潜在失效是指静电放电能量较低， 仅在器件内部造成轻微损伤，放电后器件电参数仍然合格或略有变化，但器件的 抗电过应力能力己经明显削弱，或者使用寿命己明显缩短，再受到工作应力或经 过一段时间工作后将进一步退化，直至造成彻底失效。 在使用环境中出现的静电放电失效大多数为潜在失效。据统计，在由静电放电 造成的使用失效中，潜在失效约占9 0 ，而突发性失效仅占1 0 。而且，潜在失效 比突发失效具有更大的危险性，这一方面是因为潜在失效难以检测，在器件制造 时受到的潜在损伤会影响器件使用时的寿命，而器件在装配过程中受到的潜在损 伤会影响它装入整机后的使用寿命；另一方面，静电损伤具有积累性，即使一次 静电放电未能使器件失效，多次静电损伤累积起来最终必然使之完全失效。 4 1 2 静电放电失效机理 静电放电失效机理可分为过压场致失效和过电流热致失效。过电压场致失效多 发生于m o s 器件，包括含有m o s 电容的双极型电路和混合电路：过电流热致失效 则多发生于双极器件，包括输入用p n 结二极管保护的m o s 电路肖特基二极管。实 际器件发生哪种失效，取决于静电放电瞬间器件对地的绝缘程度。如果有器件对 地短路，则放电瞬间产生强脉冲导致高温损伤，这属于过电流损伤。如果器件与 地不接触，则无直流电流通路，则放电瞬间器件因接受了高电荷而产生高电压， 导致强电场损伤，这属于过电压损伤。因为实验采用的是m o s 器件，且e s d 损伤 时不与地接触，失效模式主要为过电压场致失效，所以对其作重点介绍。 对于m o s 器件栅电极因接受了高静电放电电荷而呈现高电压，有可能使栅氧化 层电场超过其击穿临界电场。这时，栅氧化层发生介质击穿而使m o s f e t 的栅一源 或栅一漏之间短路。栅氧化层越薄或者氧化层电场越强，则越容易出现这种失效。 栅介质击穿常发生在栅一漏或栅一漏交叠处，因该处不仅电场集中，而且作为薄厚 氧化层交接的台阶所在，应力也集中，故介质击穿强度较低。当栅氧化层有针孔 时，击穿将首先在针孔处发生。如果静电放电能量不足阻造成器件的永久性损坏， 1 6 m o s 器件潜在损伤的1 ，f 噪声检测方法研究 即击穿后器件性能有可能恢复，但已引入潜在缺陷，继续使用会经常出现低电压 击穿和漏电压增加，不久即会出现致命失效。 静电放电形成的是短时大电流，放电脉冲的时间常数远小于器件散热的时间常 数。因此在静电试验中，相i 临二次放电时间间隔不应短于5 s ，以消除累积的热效 应的影响。 4 2 栅下氧化层损伤的微观机制 e s d 应力影响的主要是s i s i o ：界面，所以我们有必要对界面的基本物理状 态有一认识， 4 2 1 硅二氧化硅界面 通常认为s i s i 0 2 界面是一个过渡区域：从硅氧四面体结构的s i 0 2 到共价结构 的s i ( 金刚石结构) 的过渡层。完美的s i s i o 。界面和氧的悬挂键结构。在硅能隙 中和导带丘上方价带且下方各0 5 e v 范围内均不出现界面能级；s i 。= s i 一悬挂键 结构( 此记号表示表面处一个硅原子，其内侧与体内的三个近邻硅原子结合，外 侧断键) 。在能隙中部附近给出了界面能级；s i - s i 弱键和氧空位结构，由于氧缺 位使s i 仉硅氧四面体中的硅与衬底硅相互作用，因距离较远，此作用较弱，称s i s i 弱键。其引起的界面能级在硅带隙的下半部，随s i s i 键长的增长，从价带往能 隙中部移动，直到键长厶一一( 相应于悬键) 时达到能隙中部附近( 过渡到s i 。s s 卜结构) ；s i - o 弱键结构，这是表面硅原子与硅氧四面体中的氧原子相互作用距 离拉长，硅与氧之间作用较弱而形成的结构。其引起的界面能级在硅带隙的上半 部，且随s i 一0 键长的增大，从导带往能隙中部移动，直到。一一时达到能隙中部 附近，即成为表面硅原子的悬键能级( 也过渡到s i 。；s i - 结构) 。对s i - s i 弱键和 s i 一0 弱键的键角变化( 包括旋转) 进行计算表明，不改变s i s i o 。界面态的基本趋 势，只对变化的快慢有些影响，影响最大的还是键长的变化。其结构如图( 4 - 2 ) 所示。 完美s i s i 0 2 界面 皿 氯蓦键s i _ s 溺键和氯空位s i 啦琨谴 比士盎蹩缝 - 4 一- 二一 图( 4 - 2 ) s i s i 0 2 界面键示意图 综上所述，完整界面在硅能隙中不出现界面态；悬挂键在硅能隙中出现界面 态。所有这些都可能在后面的静电和热载流子应力下被破坏，成为俘获和发射载 第四章静电损伤理论 流子的起源或产生更多的新的空位和悬挂键。 4 2 2 静电导致的栅氧击穿模型 关于氧化层损伤及击穿的机理，早在八十年代末和九十年代初，就有许多学者 作了研究d u m i ndj 和a p t ep p 等人提出了“氧化层电子俘获”击穿机理与模型”3 ， 该模型否认碰撞电离的发生和空穴的产生。认为氧化层的击穿是高电场应力下产 生大量电子陷阱，并俘获电子。在s i s i 魄界面，因界面不平整而出现局部高陷阱 密度从而导致局部电场和电流密度突然增大，产生局部热损伤，最终发生击穿。 另一个被广泛接受的氧化层击穿( 损伤) 模型是i h c h i nc h e n 等提出的“氧 化层空穴俘获”击穿模型4 1 。该模型能很好的解释损伤及击穿的机理和闽电压负漂 移的原因。 如图4 3 ，加正栅压，电子通过f o w l e r n o r d 脏i m 隧穿效应从衬底注入，如果 电场足够强，一些电子可以获得足够高的能量，打在s i - 0 键上，发生碰撞电离， 产生新的电子一空穴对，一部分空穴在电场的作用下漂向氧化物阴极，在s i s i 0 ： 界面附近被俘获；电子的迁移率很大，大多数披电场扫出s i 仉层，只有极少量的 电子被陷阱俘获。空穴在s i - s i 0 2 过渡层的俘获导致了氧化层空间正电荷的出现， 使阙电压出现负漂移，产生了潜在损伤。如果继续加高电场应力，空穴继续被俘 获，局部区域的陷阱密度大，俘获的电荷多，导致局部电场和电流密度增大，这 又加速空穴的俘获，晟终当局部电流密度达到某一特定值时，就发生了击穿。 图4 - 3 氧化层空穴俘获不惹图 同时，该模型认为，高电场应力下，陷阱是可以不断产生的，至于陷阱产生 的机理并没有论述。进一步研究介质击穿的模型，认为击穿分为两步：第一步 是注入热电子产生空穴陷阱，它打断s i - h 及应变s i - o 弱键，导致硅的悬挂键作 为空穴陷阱，成为介质击穿的触发位置i 第二步是空穴被陷阱所俘获，使硅悬挂 键( o - - - - - - s i ) 变三价硅键( o ；s i + ) ，它不能保持三维四面体结构，要倒塌至略为 平坦结构，而这将增加其传导性。当在整个s i 仉中产生局部倒塌的0 - - - - - - s i + 结构构 成传导通路时，就发生介质击穿。 1 8 m o s 器件潜在损伤的1 ，f 噪声检测方法研究 我们可对这种正空间电荷产生而引起的损伤作定量描述：根据f o w l e r n o r d h e i m 方程”1 ，隧穿电流 b t o x i o x = 4 c 忆r 。) 2 ep ox(4-1) 其中，l 。为落在s i 嘎层上的电压，t 。是栅氧化层厚度，a 为栅极面积，c 为常 数；8 的表达式为： ：+)i九j3(3hb8 ：c ( 2 m( 3 h q ) 4 2 ) = + 坛以j) h 1 ( 3 - 2 ) 中，i l l 为电子有效质量，t 扫。为电子在阴极势垒高度，h 为普朗克常数，q 为电子电量，l 。为栅氧化层厚度。 引入空穴产生率n h 一堡 a = a o ee=oioe(4-3) a 的物理意义为平均每 个注入的电子可产生的空穴数，h 为常量。注入的电子可产生的空穴数，h 为常量。 如果在t 时刻，对空穴的俘获还未达到饱和，则氧化层正空间电荷密度可表 示为 q ，( f ) = 署，。魄) 口眩净( 4 - 4 ) 代入( 4 - 1 ) 、( 4 - 3 ) 可得 啪h h 一警卜 ”s ， 0 为所俘获正电荷的面密度，刁为空穴俘获率，等于所俘获的空穴数与碰撞 电离所产生的空穴电子对数目之比。 如果知道了静电放电的电压波形v o r t j ，则包n j 可以计算出来；同时，如 果我们预知了临界击穿电荷面密度q + ，对于给定的v o f f 击穿时间也可以计 算出来。 4 _ 3 静电损伤与电参数漂移的关系 4 3 1 跨导退化机理 m o s 结构中，为了使半导体表面