（材料学专业论文）基于1f噪声的mosfet抗辐照能力无损表征方法.pdf

摘要 随着大量商用高性能半导体器件用于宇航、核能等领域，越来越多的未加固 m o s f e t 需要在核辐射条件下工作，为了在保证使用的可靠性的同时尽可能的降 低成本，人们迫切需要一种可靠，快速，成本低廉的无损伤辐照效应预测方法来 代替传统的辐射退火晒选方法。 本文介绍了m o s 器件电离辐照效应及l f 噪声物理机制，在此基础上，进行 了噪声与电离辐照相关性的试验，获取了大量辐照前后m o s 器件的电参数及噪声 参数数据，并对m o s 器件抗辐照能力的1 f 噪声表征进行了深入研究，取得了以 下研究成果： l 、对不同沟道类型和沟道尺寸的m o s f e t 进行了”c o g 辐照实验，发现辐照 前1 f 噪声与辐照引起阈值电压漂移、跨导退化及栅泄漏电流增加之问有明显的相 关性。理论分析表明，电离辐照在m o s 器件栅氧化层中激发的电荷会被s i s i 0 2 系统中缺陷所俘获形成陷阱电荷，这些陷阱电荷的存在导致器件电参数发生改变， 严重的还引起器件的实效。由于l f 噪声反应了栅中缺陷数目的多少，也就是反映 了栅氧质量的好坏，因此辐照前的l f 噪声与辐照后器件的电参数变化体现出相关 性。 2 、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m o s f e t 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l ，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 l 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。 本文研究结果表明，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。 本文结果为l ，f 噪声用作m o s f e t 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，并且通过实验给予验证。 关键词：m o s f e t 电离辐照效应1 f 噪声无损评估 a b s t r a c t m o sd e v i c e sh a v et os u f f e rf r o mi o n i z i n gr a d i a t i o na st h e ya r ew i d e l yu s e di nt h e e n v i r o n m e n to fs p a c e ，n u c l e a re n e r g ya n dn u c l e a rw e a p o n t h ep a r a m e t e rd e f r a d a t i o n ， h a l fa n d o rf u l lp e r m a n e n td a m a g ee v e nf a i l u r ei nf u n c t i o no fm o sd e v i c e sw i l lo c 圮a r d u et ot h eg e n e r a t i o no fr a d i a t i o n - i n d u c e x to x i d et r a p p e dc h a r g e sa n di n t e r f a c et r a p s i n o r d e rt ok e 印t h ed e v i c e sw o r kw e l li nt h ee n v i r o n m e n to fi o n i z i n gr a d i a t i o n , r a d i a t i o n a n n e a l t e c h n i q u e s o fi o n i z i n gr a d i a t i o na r e g e n e r a l l yu s e d t h em o r e i m p o r t a n tt h i n gi st h a tt h i sm e t h o dw i l li n d u c es o m en e wl a t e n td e f e c t si nt h ed e v i c e u n d e rt e s t , l e ta l o n et h i sm e t h o di se x p e n s i v e ，t i m e - w a s t ea n dd e s t r u c t i v e i ti st h e r e f o r e u s e f u lt oc o n s i d e rw h e t h e ras i m p l e ，f a s ta n dn o n d e s t r u c t i v em e t h o dc a l lb ed e f i n e dt o c h a r a c t e r i z et h ea b i l i t yo f m o sd e v i c e st or e s t r a i nr a d i a t i o n t h em e t h o do fc h a r a c t e r i z i n ga h i l i 哆o fm o sd e v i c e st or e s t r a i nr a d i a t i o ni s t h o r o u g h l ys t u d i e db ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n1 f n o i s ea n dr a d i a t i o ne f f e c t s 1 、t h er a d i a t i o ne x p e r i m e n t so fm o s f e t s ，w i t hd i f f e r e n tc h a n n e la r e aa n dt y p e ， h a v eb e e nm a d eu s i n g ”c o y a sr a d i a t i o ns o u r c e t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e r e a r eo b v i o u sr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n1 fn o i s eo fp r e - r a d i a t i o na n dt h ec h a n g e so f t h r e s h o l dv o l t a g ea n dt r a n s c o n d u c t a n c ea f t e rr a d i a t i o n t h er e s u l t sa l s ot e l lt h a tt h e m a g n i t u d eo fl fn o i s eb e c o m e sl a r g ew i t l lt h ed o s eo fr a d i a t i o na d d i n g w h i c h p r e d i c a t e st h em o r et a p p e dc h a r g e si n d u c e db yr a d i a t i o na n di t s d i s t r i b u t i o ni sa l s o c h a n g e d 2 、b a s e do nt h et w o - s t e pi n t e r f a c e t r a p sb u i l d u pm o d e la n dt h e s t a t i s t i c a l t h e r m o d 3 ，n a m i c sm e c h a n i c so fp o i n td e f e c t si ns o l i d s ，ar e l a t i o nb e t w e e nt h er a d i a t i o n i n d u c e di n c r e a s eo fo x i d eh o l e - t r a p sa n dt h eb u i l d u po fi n t e r f a c et r a p si nm o s f e ti s p r o p o s e d t h e n , u s et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e np r e i r r a d i a t i o n1 fn o i s ep o w e rs p e c t r a l d e n s i t ya n dp o s t - i r r a d i a t i o no x i d e - t r a pc h a r g e ，as i m - e m p i r i c a le x p r e s s i o nb e t w e e n p r e i r r a d i a t i o n1 fn o i s ea n dp o s t - i r r a d i a t i o ni n t e r f a c et r a p sb u i l d u pi se s t a b l i s h e d i ti s a g r e ew e l lw i 也t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h i sm o d e ls h o wt h a tt h ep r o c e s so fi n t e r f a c e t r a p sb u i l d u pw a si n f l u e n c e db yt h ei n c r e a s i n g o fo x i d e h o l e - t r a p st h a tc o u l d d i s a s s e m b l eh y d r o g e ni n t op r o t o ni ni r r a d i a t i o n s o ，t h em a g n i t u d eo f p r e i r r a d i a t i o n1 f n o i s ed i r e c tr a t i ot op o s t - i r r a d i a t i o ni n t e r f a c e - t r a pc h a r g ea n ds u b t h r e s h o l ds l o p e t h ew o r kd o n ea b o v en o to n l yp r o v i n gt h a tt h e1 fn o i s ec a np l a yai m p o r t a n tr o l ei n i n v e s t i g a t em o s f e ti r r a d i a t i o ne f f e c t s ，b u t a l s op r o v i d i n gan e wn o n d e s t r u c t i v e m e t h o dt oe s t i m a t em o s f e tr a d i a t i o nr e s p o n s e k e y w o r d ：m o s f e t ，r a d i a t i o ne f f e c t s ，1 f n o i s e ，n o n d e s t r u c t i v e 创新性声明 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列的内容外，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 何贡献均在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：盔聋邀 日期：丝望：坐! 关于论文使用授权说明 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属西安电子科技大学。本人保证毕业离 校后，发表论文或使用论文工作成果时署名仍然为西安电子科技大学。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，可以允许采取影印、缩印或其他手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：垄垄鱼 日期 导师签名拉 日期： 俨6 | 嘻 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着航天技术，核能等高技术领域的迅速发展，越来越多的高性能商用半导 体器件需要在核辐射环境中工作。直接选用高性能商用器件可以极大地降低系统 的成本，但同时也需要担当一定的风险，因为这类器件在设计过程中通常并没有 考虑在核辐射环境中工作的问题。 在半导体设备中大量存在的m o s f e t 也面临着这样的问题。作为表面效应型 器件，电离辐射会在m o s f e t 的栅氧化层中引入大量的氧化层电荷和界面电荷， 从而引起器件电参数退化，导致器件的半永久性和永久性损伤，甚至完全丧失功 能。因此对需要在电离辐照条件下工组的m o s 器件，必需预先评估其在可能面对 的辐射环境中的工作情况，通常的做法是对器件进行辐射退火筛选，这种方法周 期长，且由于经济条件等因素，不可能做大量样品的破坏性实验，更重要的是它 不能保证所有的被辐照的器件经过退火后能够恢复其初始性能，还有可能在被测 器件中引入新的潜在缺陷。因此迫切要求一种简单、快速且完全非破坏性的辐射 筛选和抗辐射能力评估技术来代替这种破坏性试验【l 3 1 。 随着对m o s f e t 中1 f 噪声研究的不断深入，人们开始尝试利用l f 噪声来对 m 0 s f e t 的抗辐照能力进行预测。上世纪9 0 年代，f l e e t w o o d 等人在美国能源部 和核防御部门的支持下，开始对m o s f e t 电离辐照前的1 f 噪声及其经历电离辐 照之后电参数的变化进行研究。试验发现辐照前m o s 器件的l ，f 噪声大小正比于 辐照后由栅氧化层电荷俘获导致的阈值电压漂移部分，这一现象可以通过 m o s f e t 的1 f 噪声理论进行解释，即1 f 噪声反应了m o s 器件栅氧化层中缺陷 的数量。对于相同器件而言，噪声越大意味着栅氧化层中的缺陷越多，正是这些 缺陷在辐照过程中俘获了辐照诱生的空穴，从而导致器件的电学性能发生改变。 这种相关性的发现提供了一种快速有效的m o s f e t 抗辐照能力无损表征方 法，但也存在一些不足。由于电离辐照之后m o s f e t 阈值电压的变化是氧化层对 空穴的俘获与新增界面陷阱相叠加的结果，同时界面陷阱产生的噪声通常认为超 出了1 f 噪声的范围，因此上述研究只能对氧化层空穴俘获导致的电压漂移部分进 行估计。尽管辐照诱生的界面陷阱与辐照前的1 f 噪声也体现出正比例关系，但由 于无法用1 f 噪声理论直接进行说明，因此对产生这种相关性的原因并没有得到统 一的认识 4 - 1 们。 2 基于1 f 噪声的m o s f e t 抗辐照能力无损表征方法 1 2 课题研究内容 本课题来源于国防预研基金“基于1 f 噪声分析的深亚微米m o s 器件电离辐 照特性的表征新方法”。尽管国外在l ，f 噪声与m o s 器件抗辐照性能无损表征方面 已有大量的论文发表并具有了一定的工程运用前景，但由于国内的1 i f 噪声研究起 步较晚，因此这方面的研究在国内仍然处于空白阶段。 本课题的主要目的是在国外已有的基础上，对l f 噪声与m o s 器件抗辐照性 能无损表征进行更进一步的研究，尝试单纯利用1 f 噪声参数而不依靠其他电参数 对电离辐照效应进行无损估计。此外，以1 f 噪声为途径，深入研究m o s f e t 的 电离辐照效应及其微观动力学机制，把l f 噪声拓展为m o s f e t 常用研究工具也 是本文的另一项主要内容。 1 3 论文总体结构 本文共分为五章，各章内容安排如下： 第一章绪论。对本课题的研究背景、研究内容及意义进行概述。 第二章m o s 器件的电离辐射效应及l 噪声理论。详细介绍了阅读论文所需 要的背景知识。 第三章m o s 器件辐照的1 f 噪声响应。介绍了问中采用的1 f 噪声测试平台、 电离辐照实验以及实验结果。 第四章m o s f e t 的1 f 噪声与器件辐照损伤相关性的研究。详细分析了辐照 前的1 ，f 噪声与辐照后电参数漂移之间相关性的产生原因并进行了理 论推导。 第五章研究工作总结。简要概括了论文的主要内容，并展望了下一步的工作。 第二章m o s 器件的电离辐照效应及i l l 噪声理论 第二章m o s 器件的电离辐照效应及1 f 噪声理论 2 1m o s 器件的电离辐照损伤 近年来，m o s 器件在辐射环境中应用越来越普遍。究其原因，一方面是因为 集成电路微小型化，m o s 器件正在克服对电离辐照敏感的弱点。m o s 器件电离辐 照效应主要在栅氧化层形成的陷阱俘获空穴形成正电荷，使得栅压移动。栅压移 动与栅氧化层厚度的平方成正比。随着器件特征尺寸减小，栅氧化层厚度也等比 例减小。尺寸缩小能够自动改善m o s 器件的辐照特性。另一方面原因是m o s 器 件与双极器件相比其性价比更为突出。随着m o s 工艺的改进和发展，可以制造器 件特征尺寸更小，漏电流更低，性能更好，价格更便宜的器件，可以预料标准的 c m o s 工艺会更广泛应用于辐射加固微电子学。 2 1 1 半导体的辐照效应 半导体器件的辐照效应是一个复杂的问题，因为不同类型的辐照对半导体器件 的影响是不同的。有四种类型的辐射能够对半导体器件产生辐照效应。四种类型 的辐射分别是质子( p r o t o n s ) 、电子( e l e c t r o n s ) 、中子( n e u t r o n s ) 和伽马射线( g a m m a r a y s ) 。伽马射线是电磁辐射，其能量大于x 射线的典型值。伽马射线是核反应中的 产生物。 辐射对于半导体器件的影响由其辐射效应来表征，而不涉及辐射类型、辐射 强度和辐射能量分布，将会使问题大大简化。辐射对于半导体材料作用的两个基 本效应为位移( d i s p l a c e m e n t s ) 辐射效应和电离( i o n i z a t i o n ) 辐射效应。 位移辐照效应是指辐射粒子穿入固体物质，与晶格原子发生弹性碰撞，使原 子离开原来的晶格位置，从而产生晶体缺陷，改变器件的电学特性。位移辐射效 应造成晶格的物理损伤。半导体器件中的位移辐射效应主要产生于半导体材料( 如 s i ) 内部，这种损伤有时也称为体辐射损伤( b u l kr a d i a t i o nd a m a g e ) 。位移损伤依 赖于原子电离之外的能量损耗，即转移给晶格原子的能量和动量，它们与入射量 子的能量和质量有关。 电离辐射效应是辐射粒子进入物质，与物质内的电子相互作用，把自身的能 量传给电子。如果电子获得的能量大于原子的结合能，电子就会脱离原子核的束 缚，成为自由电子，原子也就电离成为离子。电离效应主要决定于电子吸收的能 量，与辐射类型无关。对于一般的辐射来说，电离主要决定于吸收机制。所以， 4 基于1 f 噪声的m o s f e t 抗辐照能力无损表征方法 电离损伤可以用每单位体积的物质吸收的能量来度量，常用的单位为t a d ( 拉德) 或 者c , y ( 1r a d = - 1 0 0e r g g 。1g 尸1 j k g = 1 0 0t a d ) 。因为对于给定的齐 j 量，电荷释放 决定于材料吸收的能量，电离剂量必须指定特定的吸收体，例如，1r a d ( s i ) ，l r a d ( s i 0 2 ) ，1r a d ( g a a s ) ，或用国际( s 1 ) 单位制，lc , y ( s 0 等等。 电离辐射效应又分为两种损伤类型：瞬态损伤效应( t r a n s i e n td a m a g ee f f e c t s ) ( 在半导体内) 和表面损伤效应( s u r f a c ed a m a g ee f f e c t s ) ( 在绝缘体内) 。所谓瞬态 效应是指由于半导体材料内部原子的电离，导致器件的电学性能产生短暂的变化。 表面效应使半导体器件的性能产生半永久的变化。这种变化是由于在接近于表面 的电离或者对于钝化器件，在接近于钝化层中的电离引起的。典型的瞬态效应是 经过辐射脉冲使电流衰减。由于在晶体管或者二极管表面的硅氧化层中电荷聚集 或者迁移，表面效应使器件电性能的变化在辐照以后可以持续若干年。因为对于 器件辐射的瞬态效应和表面效应而言，电离过程都是一个中间过程，在典型的辐 射能量范围内，电离的量值与辐射吸收的能量成比例，因此每一，黝噜勺效应是相同 的，与引起电离的辐射类型无关。应当注意到每一种类型的辐射都可以引起三种 类型的损伤效应。 可见，对半导体器件影响较大的电离辐射效应是表面损伤效应。这种损伤一 般发生在半导体器件绝缘( 主要是s i 0 2 ) 薄膜中。在半导体器件和集成电路中二氧 化硅绝缘层通常用作：( 1 ) 隔离两个相邻的晶体管：( 2 ) 在硅m o $ 技术中用作 栅极的绝缘层；( 3 ) 在硅双极技术中用作表面钝化层。绝缘材料原子释放出的载 流子扩散或者漂移到某一位置被俘获，形成电荷中心，从而产生寄生电场。原子 电离也可以看作是俘获一个空穴，成为正电中心。在辐照以后的这种损伤可以产 生温度漂移和电学工作条件的改变。 微电子器件大多数电离效应或者与材料吸收的辐射总剂量有关，或者与辐射 剂量率有关。只要半导体器件暴露在辐照环境中，在电子元器件整个寿命期辐照 效应就会积累下来。只用晶体管受到的辐照剂量，就能够完全表征器件的特性并 预测器件失效和性能退化，这就是辐照总剂量效应( t o t a ld o s ee f f e c t s ) ，电路中 也存在一种与吸收辐射剂量率有关的辐射效应。这些效应包括集成电路的信号颠 倒，闩锁( 1 a t c h u p ) 和回跳( s n a pb a c k ) ，双极晶体管和1 1 沟道功率晶体管的烧毁。 所有这些效应都是由于p - n 结在辐射条件产生光电流的结果，辐射剂量率越高，产 生的光电流就越大，出现上述问题的几率也就越大，这种效应称为剂量率效应 ( d o s er a t ee f f e c t s ) 。本文主要研究的是m o s f e t 在电离辐射条件下的辐照总剂 量效应( u - l z 第二章m o s 器件的电离辐照效应及1 f 噪声理论 2 1 2 二氧化硅中的电荷俘获 在辐照环境中，由于累计吸收辐照能量就有可能产生原子电离。在m o s f e t 中对电离损伤最敏感的部位是栅极氧化层。如果在栅极氧化层中产生电子一空穴 对，由于氧化层具有绝缘特性，电子一空穴对不会立即复合。如果栅极没有加偏 置，氧化层中没有电场，产生的电子和空穴就会停留在氧化层的原位置，最终依 靠扩散实现复合。当氧化层中存在电场时，电子将比空穴运动更远，因为在二氧 化硅中电子具有更高的迁移率。这样，电子就有可能离开氧化层，而空穴集中在 氧化层中。很明显，如果栅极不加偏置，m o s f e t 的电离辐射总剂量效应很弱。 所以，晶体管应该在其工作条件下进行辐照试验，以保证电离辐照损伤总剂量效 应能够积累下来。栅氧化层中俘获电荷积累对晶体管性能的影响依赖于m o s 晶体 管的类型。在n m o s 晶体管中，由于栅极加正电压，俘获空穴正电荷产生的电场 与栅极偏置电场同方向，叠加电场为两者相加。在p m o s 晶体管中，栅极接负电 压，俘获空穴正电场与栅压电场相反，空穴电场起到屏蔽作用。 图2 1 和图2 2 给出了电离辐照诱生的空穴和电子在m o s 结构中分布以及正栅压 条件下m o s f e t 空穴俘获和移动示过程。在氧化硅中产生的电荷数量依赖于电离 粒子能量积累。在二氧化硅中产生一个电子空穴对所需要的能量大约是3 6 p 儿复 合过程的时间尺度依赖于在s i 0 2 电子的迁移率，因为电子迁移率大于空穴的。在室 温下，电子迁移率大约为2 0 c m 2 1 , 。s 。，在较强电场中，其饱和速度大约为，口7 铆以。 空穴迁移率大约为1 0 - 4 l o - 1 1 伽2 i - 。s 7 ，依赖于温度和电场。因此，如果氧化层加 图2 1 电离辐照在m o s f e t 栅氧 化层中诱生的电荷及其分布 图2 2m o s f e t 栅氧化层中产生 的电荷及其分布 有电场，电子就会在l p s 时间内立即离开氧化层。复合过程受到这个时间常数的限 制。即使没有电场，由于电子与空穴迁移率有如此大的差别，复合只能在几皮秒 6 基于1 f 噪声的m o s f e t 抗辐照能力无损表征方法 内产生。没有复合的剩余空穴以相对慢的传输机制向着s i 0 2 层的负极方向运动，在 那里它们聚集或者俘获进入深陷阱位。令人满意的一个空穴输运模型是时间连续 随机行走模型( c t r w ) 。这种输运机制的理解对于模拟晶体管辐照短时间内( 室 温下几秒钟时问内) 的响应是非常重要的。辐照对晶体管产生的长期影响主要决 定于s i o j s i 界面附近俘获的空穴【l ”。 图2 。3 给出每单位计量辐照引起的平带电压移动作为m o s 结构氧化层厚度的函 数。对于较厚的氧化层，平带电压移动与兀成正比。当厚度低于2 0r p ，平带电 图2 3 每单位计量辐照引起的平带电压移动作为m o s 结 构氧化层厚度。b l 自r e t l l l 】 压移动下降很迅速。因此，在m o s 技术中采用薄的栅氧化层可以防止有效栅压的 移动。 n m o s 晶体管对于横向氧化层延伸部分电离辐照产生的陷阱俘获电荷极为敏 感。在这种器件中的这部分氧化层将沟道与周围半导体体材料分开，所以这部分 氧化层也称为场氧化层。在nm o s 晶体管中，场氧化层中俘获的空穴能够产生从源 图2 4 在n m o s 晶体管的场氧化层中俘获 空穴而产生寄生沟道示意图一 e n c l o s e dt r a r t s i s t o r l a y o u t 图2 5 左图表示源极与漏极之间寄生泄漏 路径示意图，右图封闭晶体管布局能够防 止泄漏 霪毫嚣墓一匿2i刍詈 第二章m o s 器件的电离辐照效应及l f 噪声理论7 到漏的漏电流路径。这种漏电流随着场氧化层中空穴总量增加而上升，因此也就 随辐照总剂量增加。漏电流的绝对值依赖于场氧化层几何结构，很难预测。因为 场氧化层的厚度远大于2 n m ，从场氧化层到硅中的隧穿几率很小，可以忽略。图2 4 给出1 1 m o s 晶体管结构草图，并标出寄生漏电流产生的区域。有几种方法能够阻止 nm o s 晶体管中由于电离辐照导致漏电流上升，其中大部分需要采用不同的工艺步 骤和制造技术才能实现其目标。 随着特征尺寸小于0 3 5 微米的工艺出现，可以选择封闭栅结构。采用如图2 5 所示的栅极结构，就可以避免晶体管源极与漏极之间场氧化层中任何漏电流路径 o 。这种方法的代价是晶体管的面积较大。 2 1 3s i s i 0 2 界面的界面态 在栅氧化层和硅界面形成的晶格缺陷称为界面态。界面态可以从晶体管的沟道 图2 6 m o s f e t 界面处的三价硅悬挂键 俘获电荷，因此能够引起阈值电压移动和沟道载流予迁移退化。界面态( 也称为 界面陷阱或表面陷阱) 是位于氧化层禁带中的一些缺陷能级。它们由界面晶格失 配、没有饱和的化学键或杂质构成，般表现为界面上三价硅的悬挂键，如图2 6 所示。这些缺陷可以由电离辐照产生。由于在场氧化层中存在由俘获电荷导致的 寄生漏电流，界面态对于m o s 晶体管特性总的影响不容易预测。这种影响与工艺 过程，栅极的材料和掺杂浓度有关。 n - c h a n n e lm o s f e t 。p - c h a n n e lm o s f e t 图3 7 ( a ) 界面陷阱的填充，和( c ) 分别为n m o s 和p m o s 界面态的荷电状态 8 基于1 f 噪声的m o s f e t 抗辐照能力无损表征方法 硅带隙中电荷态性质可以分为施主和受主，施主态的能级在带隙的上半部分， 受主态的能级在带隙的下半部分。界面态中俘获的净电荷可以是正的、负的和零， 只有在费米能级以下的界面态才会被载流子填充( 图2 7 a ) 。对于n m o s f e t ，只 有费米能级以下的受主态带电( 负电) ，丽费米能级以下的施主态和费米能级以上 的受主态均为电中性( 图2 7 b ) ；对于pm o s f e t , 只有费米能级以上的施主态带 电( 正电) ，而费米能级以上的受主态和费米能级以下的施主态均为电中性( 图 2 7 c ) 。由于晶体管所加栅压不同，界面态可以从价带到导带相对于费米能级移动。 界面态对于m o s 晶体管性能影响主要有三方面效应。 ( 1 ) 阂值电压移动： 由于界面态中俘获电荷增加，有效栅压移动将引起阈值电压移动。对于pm o s 和1 3 m o s 晶体管，阈值电压移动的影响效应是不同的。在pm o s 晶体管中，正电和 施主界面陷阱使闽值电压减少，而在n m o s 晶体管中，负电荷受主界面陷阱使阕值 电压增加。这些效应与由于栅氧化层俘获电荷产生的闽值电压移动一起，总的阈 值电压作为辐照总剂量的函数在图3 8 中给出。因为对于pm o s 晶体管，由于氧化 层电荷和界面态均使阈值电压减少，所以斜率都是负的。对于nm o s 晶体管，当总 剂量低于2m r a d 时，阈值电压随着辐照计量的增加而减少。这种减少是因为栅氧化 层中正电荷的作用大于界面电荷的作用所引起的；但是当辐照剂量大于2m r a d ，其 阈值电压随辐照计量的增加而增加，这主要是此时界面陷阱负电荷的作用大于栅 氧化层中正电荷的作用引起的。在文献中这种效应称为“反弹( r e b o u n d ) 效应”。 o _ 8 9 呈o 7 u 比 壬 o123 45 01z345 dosemra田dosemrad， 图2 8 阈值电压作为电离辐照总剂量的函数，g 包f e f 【铂。 ( 2 ) 跨导退化 辐照产生的氧化层电荷和界面陷阱均会使m o s f e t 亚阈特性发生蜕变，在阈 值电压漂移的同时也表现为的跨导的退化。因为栅压取不同的值可以使栅氧化层 的界面态排空或填满。这些额外的态能够调制电场，就需要给栅极增加电荷或减 少电荷是晶体管沟道达到所需要的电场。另外，也需要更高的电压使得晶体管处 于强反型。这将影响数字电路的开关速度【1 “7 。 第二章m o s 器件的电离辐照效应及i f 噪声理论 9 图2 9 给出辐照前后归一化跨导g 以随漏电流历脚变化规律。选择器件沟道长 度，按照一定比例确定沟道宽度，就可以达到指定的归一化漏电流。例如，沟道 长度为1 2 研的n m o s 晶体管，在中等反型情况下，对于l m m 宽度沟道的晶体管， l d = 0 3 舰4 ，归一化漏电流为白朋k0 - 3a m 。归一化跨导为踟仍= 1 5 4v 。1 或者踟= 4 6 m s 。 2 0 o 善 o 2 0 o 善，。 、 、 柏 3 0 j ” 1 0 o 3 0 o ” 毒 1 0 p l o s ：0 a d 闫西毡 、( “ 1 1 0 o1 0 21 0 。11 0 01 0 1 萨1 一l o - 3l o - 2 1 0 1l o o1 0 1 o z i d l w + l - 1 r 2 d m a m l 卜- p2 2 卜。3 2 i 图2 9 辐照前( 上图) ，后( 下图) 归一化跨导g 舶随漏电流厶 变化曲线，引白r e t l 6 。 经过6 0 c o 辐照，在总剂量达到5i v h a d ( s i ) 时，归一化跨导已经退化为g m 伤= 1 1 8 v 。1 或者踟= 3 5m s ，即跨导有2 0 的退化。一般情况下，pm o s f e t 的跨导退化 要 l nm o s f e t 严重，同样的辐照剂量，pm o s 嚣：件的跨导可达2 0 3 0 ，而n m o s 仅有百分之几的变化，可见p m o s 器件对于辐照比较敏感，这也 是辐照探测器通常选用pm o s f e t 的原因【j 。 ( 3 ) 迁移率变化 由于辐照诱生界面陷阱增加了对沟 道载流子的散射，因此会导致沟道迁 移率的变化。图2 1 0 给出迁移率的 测量值与经验模型值的对比。 图2 1 0 归一化沟道迁移率作为辐照诱导界面 陷阱密度的函数图 l o 基于1 f 噪声的m o s f e t 抗辐照能力无损表征方法 2 2 1l f 噪声概述 2 2m o s 器件中的1 f 噪声 从广义上讲，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象均可称为l f 噪声。 电子器件中l f 噪声电压的功率谱密度可以写成以下形式： s ，= a i ，f 7 ( 2 一1 ) 式中，i 为通过器件的电流；f 为频率；参数a 由器件结构特性决定；常数y = 0 8 1 2 ，典型值为1 0 ；b 一2 o ( 均匀材料) 或1 0 - 2 。o ( 结构较复杂的器件) 。 1 f 噪声具有两个基本特征：( 1 ) 在一个相当宽的频率范围之内，1 f 噪声的功 率谱密度与频率成反比。l f f 噪声区的上限频率依l ，f 噪声与白噪声的相对大小而 定，下限频率已经测得的达l o 。然而，l f f 噪声不可能存在于全频率区间( o f c o ) ，因为若s 6 9 = a f i 则积分 驴= 阻( f ) d f ( 2 - 2 ) 在上下限都发散。因此，必然存在一个上下限频率石和一个上限频率五，使得颅 时，s ，( f ) 随频率降低而上升的速率比1 f 快。( 2 ) 1 f 噪声电压或电流的功率谱密度 近似与通过器件的电流的平方成正比。这意味这l f 噪声起源于电阻的涨落。若流 过电阻r 的电流保持恒定，但电阻存在着涨落6 胄，引起电阻两端的涨落，则有的 功率谱密度。 s ，( 力= 1 2 s 月( f ) o o l 2 ( 2 - 3 ) 式中，& 是涨落万r 的功率谱密度。 2 2 2l f 噪声器件物理模型 ( 1 ) 载流子数涨落模型： 大量实验表明，半导体器件的的表面状态对其1 f 噪声有关键影响。有源区表面 积体积比很小的器件，l f 噪声往往不是主要的噪声分量。表面效应器件m o s f e t 的1 f 噪声远大于体效应器件j f e t 。制作良好的现代j f e t 几乎观察不到任何l ，f 噪声。双极型晶体管基于体效应原理进行工作，但是表面对其性能有一定的调制 作用，故其1 f 噪声的大小在很大程度上取决于工作电流中表面成份的多少。 第二章m o s 器件的电离辐照效应及i f 噪声理论 l l 看半导体中的载流予陷阱具有单一时i 司常数7 f ，看占据该陷阱的载流子数目的 涨落应服从洛仑兹谱的迭加。其功率谱密度为： 蹦力= 丽f 孟搴 2 4 ) 若陷阱的时间常数不是唯一的，而且有一个相当宽范围的分布，则它们所产生的 噪声应该是大量的洛伦兹谱的迭加。这种情况下，噪声功率谱密度应为： 蹦乃= 丽r 黪 ( 2 - 5 ) 式中，酊r jdr 表示时间常数落在f f - 4 - dr 内的几率，它应满足下列归一化 条件： f g ( f ) a t = l ( 2 - 6 ) 根据式( 2 4 ) ，时间常数的分布可取为如下形式： ：ln(i d “r r g ( r ) d rr ps f f 2 ( 2 7 ) = l n ( f 21 ) 1 q ( 2 - 7 ) 【0 ， 其它 代入式( 2 5 ) 得 蹦舻孑岽 伽神啪一们卿f 2 ) 】 ( 2 - 8 ) 在不同的频率范围内，s n 0 9 可以分别化简为以下形式： 昂( 力= 翁 蹦力= 意嗍c 哆 晶( 力= 面a n 而2 7 1 “一1 ( 一8 2 - 8a ) “一 la j f 2 土( 2 8b ) f l 上“三( 2 一- i sc ) 一“ 一 f 2 l 一 吒 ( 2 8d ) ( 2 - 8e ) 可见，当频率很低时，服从式( 2 - 8a ) ，频谱为常数，不随频率而变；在中间频率 1 2 基于1 f 噪声的m o s f e t 抗辐照能力无损表征方法 范围内，服从式( 2 b e ) ，频谱随1 f 而变；当频率很高时，服从( 2 8e ) ，频谱随 l f 2 而交。式( 2 8b ) 和式( 2 8d ) 表征上述三个频率区间的过渡区。 ( 2 ) 迁移率涨落模型： 1969 年胡格总结了对于各种金属和半导体电阻中l f 噪声的测量结果，提 出了一个著名的经验公式： s s ( f ) 1 2 = s r ( f ) r 2 = a ( m ( 2 9 ) 称为胡格公式。式中，i 是通过样品的电流：r 是样品的电阻；n 是样品中的载流 子种数，称为胡格系数，一般为2x10 。显然，胡格公式所描述的l f 噪声是 一种体效应。 胡格公式己为许多所证实。服从该公式的材料有：银、铝、金、黄铜、铂、 锡和锰铜等金属，金、银、铜、锡等薄膜，n 型和p 型的锗、硅、砷化镓、锑化 铟、n 型磷化镓等半导体。对于这材料测得的口艟在lx10 3 之间。由此可见， 胡格公式可作为一个有价值的工具来计算均匀金属和半导体的1 f 噪声强度。a a 的 近普适性，表明这些材料的1 陌噪声是由一个普适机构引起的。 对于迁移率涨落，若设单个载流予的迁移率为1 1 ，总迁移率为，则有 = 专姜，( 2 - 1 0 ) = “ ( 2 1 1 ) 酗= 专善酗， c 2 ，2 ， 瓯( 力= 另薅s j ( 力= 专既( d ( 2 一1 3 ) _ s a d ：! 墨箪 ( 2 1 4 ) 材2 n 甜，2 若胡格l ，f 噪声是由迁移率涨落引起的，则有 s a d ：鱼( 2 1 5 ) 1 协 代入式( 2 1 4 ) ，就有 第二章m o s 器件的电离辐照效应及i f 噪声理论 1 3 鱼些：盟1(2-16) 甜2 厂 可见，对于迁移率涨落，胡格公式总是有效的。而且，由迁移率涨落决定的 口j i ，= ，s 。( ) 蚴2 仅于单个电子的性质有关，与器件的具体结构无关，应为一 普适常数，故称为基本1 ，f 噪声( f u n d a m e n t l f fn o i s e ) 。 对于载流子数涨落，由式( 2 8c ) ，仅当满足条件 a n 2 = 斛 ( 2 - 1 7 ) 时，才有 鱼避：塑( 2 1 8 ) n i n 口= 上i n ( r , r 2 ) ( 2 - 1 9 ) 这说明载流子数涨落l ，f 噪声不一定服从胡格公式。原因之一是式( 2 - 1 5 ) 不能总 是成立：原因之二是与陷阱密度有关，陷阱密度随器件结构和工艺条件会有相 当大的差异，这就不能保证a 为一普适常数。 2 2 3m o s f e t 中的1 f 噪声 m o s f e t 作为表面效应器件，在大多数情况下，表面载流子数涨落是其1 f 噪声的主导机构。氧化层陷阱电荷涨落通过调制表面势，引起沟道载流子数涨落， 并通过调制库仑散射引起沟道迁移率的涨落，从而导致沟道电流的涨落。这就是 表面1 f 噪声的形成过程。 以n 沟道m o s f e t 为例，m o s f e t 的沟道电流可表示为 1 _ d = q w u n e ( y ) ( 2 2 0 ) 式中，w 是沟道宽度：u 是沟道载流予的迁移率；n 是单位面积沟道载流子数； e ( y ) = d v ( y ) d y 是沟道横向电场，其中y 劬是沟道电势。氧化层陷阱电荷的涨落同 $ 1 0 l ，、= 专s | o t y ，f ) a y d y = 而k t l 0 2r ，( ) 【志+ 掣胁 ( 2 - 2 1 ) 1 4 基于1 f 噪声的m o s f e t 抗辐照能力无损表征方法 时引起沟道载流子数和迁移率的涨落。m o s f e t 的沟道电流涨落的功率谱密度为 此式可由下式转换等效输入噪声电压的功率谱密度s m 6 9 ： s 吃( ，) = s 如( 厂) g 。 ( 2 2 2 ) 上二式是m o s f e t 表面l f 噪声的基本表达式，适用于各种偏置条件和各种 几何尺寸的器件。式中，积分的第一项表征表面载流子密度涨落的贡献；第二项 表征表面迁移率涨落的贡献。 m o s f e t 表面1 f 噪声理论得到了大量的实验事实的支持。最直接的证据是在 所有的偏置条件下，s v 9 6 ) 均正比于氧化层陷阱密度n t ( e f ) 。 电子器件中1 f 噪声电压的功率谱密度可写成以下形式： s 。( 力= a 1 4 f 7 ( 2 - 2 3 ) 式中，为通过器件的电流，厂为频率，参数彳由器件结构特性决定：常数r = 0 8 1 2 ， 典型值为1 0 ；p 之o ( 均匀材料) 或1 0 2 0 ( 结构较复杂的器件) 。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。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。y 指数与氧化层中陷阱的位置和分布密切相关。y = i ，陷阱密度均匀；y i ，由深氧 化层慢态俘