高k介质MOS器件共振隧穿低频噪声模型及应用研究

与传统的SiO2介质栅MOS器件相比较，高k介质栅MOS器件的介质缺陷多，低频噪声水平高，因此如何检测缺陷和噪声是保证与控制此类器件质量和可靠性的关键问题之一。现有高k介质MOS器件的噪声-缺陷相关性研究，基本沿用SiO2介质MOS器件1/f噪声和RTS噪声的直接隧穿模型。考虑到高k栅栈双势垒存在包括共振隧穿在内的多种隧穿机制，上述模型存在明显的欠缺。本项目将基于以共振隧穿为主的高低双势垒量子隧穿效应，研究高k介质缺陷与MOS器件沟道交换载流子的机制，建立包括各种隧穿类型的1/f噪声和RTS噪声的定量模型，为高k介质MOS器件低噪声化技术和噪声-缺陷表征方法提供依据。

为了深入研究MOSFET高k栅栈中缺陷与栅漏电流1/f噪声的相关性，本项目基于量子共振隧穿效应，分析了高k栈中的缺陷与MOSFET器件沟道交换载流子的物理机制，并建立了MOSFET高k栅栈隧穿电流的1/f噪声模型。取得的具体成果主要体现在三个方面：首先，通过采用量子力学转移矩阵法，计算了沟道电子通过高k栅栈的透射系数，模拟得到了透射系数随电子能量变化呈现峰谷振荡的特征，并在此基础上建立了高k栅介质MOSFET中沟道与栅介质交换载流子的双势垒隧穿的物理模型。基于所得理论模型分析表明，电子能量低于高k导带底的透射系数峰为共振隧穿机制所产生, 而能量高于高k介质导带底的电子透射系数峰为直接隧穿。 其次，通过薛定谔方程和泊松方程求得了SiO2和高k界面束缚态波函数, 并利用横向共振法得到了共振本征态，再结合用量子力学转移矩阵法求得的共振隧穿系数。针对高k栅介质MOSFET的实际结构，建立了入射电子与界面缺陷共振的隧穿模型。结果表明模拟得到的栅隧穿电流密度与实验结果一致。在此基础上还研究了SiO2界面层和高k介质层厚度对共振隧穿系数的影响。结果表明，随着HfO2和Al2O3厚度减小, 栅栈结构的共振隧穿系数减小, 共振峰减少. 随着La2O3厚度减小, 共振峰减少, 共振隧穿系数却增大. 随着SiO2厚度增大, HfO2, Al2O3和La2O3基栅栈结构的共振隧穿系数都减小, 共振峰都减少。 TiN栅电极HfO2, Al2O3和La2O3基栅栈比相应多晶硅栅电极栅栈结构的共振隧穿系数小很多, 共振峰少。最后，通过在量子逾渗理论中引入量子隧穿机制，在高k栅栈栅漏电流中弹性陷阱-辅助隧穿机制的基础上，提出了栅隧穿电流的量子逾渗1/fr噪声模型。利用该模型合理地解释了双层击穿和隧穿1/fr噪声幅度和指数相关性之间的关系。上述研究为高k栅栈的缺陷-噪声表征奠定了理论基础。