新型纳米MOS器件的低频噪声特性

Low frequency noise (LFN) in MOS devices has important impact on circuit applications. LFN itself can be used to characterize devices as well as reliability. To some emerging nano-scale MOS devices, due to their small size, new structure, or new conductive mechanism, their LFN shows new characteristics. The objective of the project is to provide a systematic understanding between the LFN and the device size, structure, and conductive mechanism, and to establish quantitative relations between them. The project can be divided into three parts. (1) Establish a stress-induced degradation and LFN combined measurement system for MOS devices. (2) Study and compare the LFN characteristics of a few important nano-scale MOS devices. (3) For these devices, establish the LFN models. The devices to be investigated include nano-wire FET and FinFET, tunneling FET, 2D-materials-based thin film transistors, and the resistive random access memory structures. The purpose of the project is to obtain the microscopic information of the noise sources through the macroscopic measurement of the LFN in nano-scale MOS devices.

MOS器件的低频噪声对电路应用具有重要影响。低频噪声本身也能用于MOS器件的特性和可靠性表征。对于一些新型纳米MOS器件，由于微小的尺度、新的结构或者器件原理，它们的低频噪声呈现新的特性。本项目期望通过几种重要的新型纳米MOS器件的研究，对低频噪声谱和随机电报信号与器件尺寸、结构和原理等关系有一个系统的了解，在建立低频噪声和器件特性的定量关系方面有新的突破和进展。具体研究内容包括：（1）建立MOS器件应力退化和低频噪声联合测试系统。（2）针对几种典型的新型纳米MOS器件，分析和比较它们的低频噪声特性。（3）针对几种典型的纳米MOS器件，建立低频噪声模型。拟研究的对象包括纳米线场效应晶体管和FinFET、隧穿场效应晶体管、二维薄膜晶体管以及阻变存储器结构。研究的目标是：通过MOS器件低频噪声的宏观测量，定量地获取器件内部噪声产生的微观信息。

根据申请书和计划书，本项目开展了四个方面的工作。（1）建立了MOS器件应力退化和低频噪声联合测试系统。该系统除了能够测量偏压(BTI)和热载流子注入(HCI)应力前后器件的IV特性变化，而且能够测量应力前后器件低频噪声和噪声谱的变化。对90纳米工艺MOSFET的多种测试结果表明，该系统能够很好地用于器件应力退化和陷阱表征。（2）系统地研究了传统纳米MOSFET的随机电报和低频噪声谱特性。发现与长沟道器件比较，纳米MOSFET的低频噪声特性要更加复杂。这一复杂性主要体现在两个方面。一是由于器件面积减小，纳米器件出现单陷阱即随机电报特性。二是由于短沟道效应，器件电势沿沟道分布会偏离长沟道特性，导致低频噪声特性偏离传统的长沟道模型。（3）研究了隧穿晶体管(TFET)的低频噪声特性，提出了器件的噪声模型。结合不带陷阱TFET的电势/电流模型和由单陷阱电荷俘获引起的电势/电流起伏，计算了典型TFET的低频噪声功率谱。与实验测量结果的比较表明，这一模型能够很好地给出TFET低频噪声谱的基本特性。（4）研究了几种层状过渡金属硫化物(TMDC)沟道MOSFET的低频噪声特性,包括机械剥离转移法在Al2O3上制备的多层MoS2和WSe2沟道MOSFETs以及CVD方法在SiO2上生长的单层单晶和多晶MoS2沟道MOSFETs，结果表明低频噪声谱能够反映器件的表面、界面、源/漏接触和TMDC晶界的影响。. 上述成果为低频噪声谱这一测量方法用于新型纳米MOSFET的研究、开发和应用提供了新的知识、模型和方法。项目组共发表论文9篇，其中SCI收录4篇，EI收录5篇。培养博士3名，硕士2名。