mosfet栅漏电流噪声模型研究.pdf

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mosfet 漏电流 MOSFET 栅电流 pdf MOS FE 漏电流研究 噪声模型研究 MOSFET电流噪声 电流噪声 MOS 管 栅漏电流
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量a叶弑2009年第22卷第10期 MOSFET栅漏电流噪声模型研究 赖忠有,杜磊 (西安电子科技大学技术物理学院,陕西西安710071) 摘要随着MOSFET尺寸的不断减小,栅漏电流对器件特性的影响日益明显。栅漏电流噪声一方面影响 器件性能,另一方面可用于栅介质质量表征,因此对其研究备受关注。由于栅介质噪声研究具有重要意义,文 献中已经建立起各种各样的噪声模型,文中对其进行了归纳整理。在此基础上分析了各种模型的特性和局限性, 进而探讨了其应用范围。 关键词栅漏电流;栅介质;噪声模型 中图分类号TN303 文献标识码A 文章编号1007—7820(2009)10—053—03 Study of the Noise Model of Gate—Leakage Current in MOSFETs lai Zhongyou,Du Lei (School of Technology Physics,Xidian University,Xi’an 710071,China) Abstract The impact of gate·-leakage current Oil device characteristic becomes obvious with the continu·- OUS scaling of MOSFETs.The gate·leakage current noise affects the performance of the device,and also can be used as a tool to characterize the quality of gate oxide,and it therefore receives increasing attention.Be— cause of the significance of gate dielectric noise study,various noise models have been presented.This paper makes a summary of them,analyzes the characteristic and limitations of each model and discusses their appli— cation. Keywords gate-leakage current;gate dielectric;noise model CMOS器件的等比例缩小发展趋势,导致了栅 等效氧化层厚度、栅长度和栅面积都急剧减小。 对于常规体MOSFET,当氧化层厚度2 nm时, 大量载流子以不同机制通过栅介质形成显著的栅 极漏电流。栅极漏电流不仅能产生于沟道区域, 而且能在栅极与彤漏的交叠区域产生…。穿越栅 氧化层的电流增加了电路的泄漏电流,从而增加 了电路的静态功耗,同时也影响MOS器件的导通 特性,甚至导致器件特性不正常。栅漏电流增加 成为器件尺寸缩减的主要限制因素之一¨-。 栅氧化层越薄,栅漏电流越大,工艺偏差也 收稿日期:2008.10—25 基金项目:国家部委“十一五”预研基金资助项目 (51312060104);西安应用材料创新基金资助项目(XA— AM一200603) 作者简介:赖忠有(1983一),男,硕士研究生。研究方向: 材料学。 . 越大。栅漏电流噪声一方面影响器件性能,另一 方面可用于栅介质质量表征,因此由栅介质击穿 和隧穿引起的栅电流涨落为人们广泛关注。为了 更好地描述和解释栅电流涨落对MOS器件性能的 影响,迫切需要建立栅漏电流噪声精确模型。MOS 器件噪声的研究,始于60年代,至今已有大量研 究报道文献。而栅漏电流大的MOS器件噪声特性 的研究仍是现今研究中活跃的课题。尤其当MOS— FET缩减至直接隧穿尺度(3 nm)时,栅漏电流 噪声模型显得尤为重要,并可为MOSFET可靠性 表征和器件设计提供依据【1 J。文中基于MOSFET 栅氧击穿效应和隧穿效应,总结了栅漏电流噪声 特性,归纳了4种栅漏电流噪声模型,并对各种模 型的特性和局限性进行了分析。 1 栅漏电流噪声模型 (1)超薄栅氧隧穿漏电流低频噪声模型。 万方数据 赖忠有,等:MOSFET栅漏电流噪声模型研究 模型基于泊松方程与薛定谔方程自洽数值求 解,采用一维近似描述了器件的静态特性,模型 考虑了栅材料多晶硅耗尽效应和量子力学效应。 在描述超薄氧化层的栅漏时,同时考虑了势垒透 射和界面反射,电子透射系数表达式为 r(缈)一xp(一2√2压壳m:ox J0fTox(肌-q·(哆一 哕(戈))一E)l (1) 其中,胁为势垒高度,妒(Y)为位置Y处的电势, E为隧穿电子能级。 总栅隧穿电流为 Ic=q·Nm(哕)·C(缈)·r(9)·Z(妒)(2) 其中,Ⅳi。,(缈)为反型层电荷,C(妒)为取决于界 面反射的修正系数,Z(哕)为频率因子。 氧化层内部的缺陷对栅漏电流涨落的贡献, 已在格林表达式中考虑和体现。这种近似允许摈 弃等效平带电压涨落的假设,由此得到的栅电流 涨落谱密度为旧1 Js七(力=f№(戈)·s审x,戈’∽·北(石,)Tdxdx 7 (3) .s中(戈,戈’∽=J G妒x,z1)S战。。(z】∽G妒(石7, o矗de 茗1)dxlG妒(x,石1) (4) 其中,北为与静电势gt(y)相关的栅电流厶的雅 可比矩阵口],G妒(石,戈。)为氧化层石,处的单位电 荷在氧化层z处的电势妒(z)的格林函数。 氧化层中的陷阱可发射载流子至沟道或从沟 道中俘获载流子。对于近二氧化硅/多晶硅界面捕 获的载流子,若其再发射,进人多晶硅栅,应用 朗之万方程,假定产生几率不受再发射过程的影 响,则单位体积内占据陷阱数量涨落的谱密度为 又¨。(菇·,/)= 47(戈。) Z(1一,)^l(戈。) 1+2秽r(戈1)2 AV (5) 其中,下(石。)为俘获时问常数,,为陷阱占有率, M(戈。)为位置z。处的陷阱密度。 (2)栅漏电流噪声的唯象模型。 文献[2]中的超薄栅氧nMOSFET噪声实验测试 结果表明,栅电流噪声由低频噪声和洛仑兹调制散 粒噪声及较高频率下的增强散粒噪声组成。1/f'噪 声贡献的一个可能的机制是氧化层慢陷阱的频率相 关电导的热噪声,这些陷阱局部地影响了势垒高度 和形状。这种涨落反过来又会调制隧道传输,并导 致隧穿电流的涨落。基于非弹性陷阱辅助隧穿 (rrAT)的载流子输运能解释这种与G一尺过程相关 的散粒噪声机制。产生一复合速率受氧化层中快陷 阱的统计占有涨落的调制。产生一复合速率的涨落 反过来又能通过氧化层中的陷阱调制隧穿电流。从 与产生一复合过程相关的陷阱辅助隧穿来看,能够 得到由完整的散粒噪声和G一只噪声组成的表达式, 并涉及了洛仑兹调制散粒噪声。针对超薄氧化层 MOSFET的栅极泄漏电流,Jonghwan Lee,Gijs Bos- man等利用非弹性陷阱辅助隧穿机制,结合BSIM半 经验栅极泄漏电流模型提出了以下模型旧o · D.一s,if)=2ql·F+歹A+;赫(6) 模型第一项对应的是Fano因子为F的散粒噪 声,第二项是闪烁噪声或1矿噪声,第三项是离 散时间常数为ri的G—R噪声。 (3)栅电流分量噪声模型。 不同漏和栅偏置下,栅电流一部分进入漏, 一部分进入源。 图1 栅电流分重不意图 由BSIM4提出的简易MOS模型的栅极电流分量模型 ,cs=叮.,c(并)(1一詈)出 (7) ,GD=叮.,c(石)(詈)山 (8) 其中,J。是栅极电流密度,L是沟道长度,形是沟道 宽度,戈是沿沟道的位置(源极处石=0,漏极处戈= L),k和‰是栅极电流的栅/源和栅/漏分量。通过 线性化栅电流密度与位置的关系,简化这些等价噪声 电流分析表达式,所得的总栅极电流噪声表达式为‘41 5铀刮。+学 (9) 54 Electronic Sci.&Tech./Oct.15.2009 万方数据 赖忠有,等:MOSFET栅漏电流噪声模型研究 常数K。可通过低频噪声实验测试获得,,。可 通过直流测试得到。 (4)栅电流噪声电容等效电荷涨落模型。 FET沟道中的热噪声电压涨落导致了沟道静电 势分布的涨落。沟道成为MOS电容的一块平板, 栅电容之间的电压涨落引起电荷涨落,将电荷涨 落等效于栅电流涨落。在Van Der Ziel对JFET诱 生栅噪声的早期研究之后,Shoji建立了栅隧穿效 应的MOSFET模型,即是将MOS沟道作为动态分 布式的RC传输线。器件沟道位置戈处跨越血的 电压涨落驱动两处传输线:一处是从z=0展伸至 石=菇,另一处从戈=石展伸至戈=L。栅电流涨落作 为相应的漏一侧电流涨落和源一侧电流涨落之间 的差异估箅得出。在极端复杂的计算中保留Bessel 函数解的首要条件,于器件饱和条件下,估算得 出了栅电流涨落噪声频谱密度解析表达式为¨1 (A,12 s‘∽=羔叫2kB丁} (10) 2模型分析与探讨 实验表明,超薄栅氧MOSFET栅电流噪声呈 现出闪烁噪声和白噪声成分,测试曲线“o表明白 噪声接近于散粒噪声(2qlc)。对于小面积(肜×£= 0.3×10斗m2)器件,1/f噪声成分几乎为栅电流厶 的二次函数,栅电流噪声频谱密度s,,(D与栅电流 k存在幂率关系,即S,,∽∞尼∞J。 超薄栅氧隧穿漏电流低频噪声模型适用于超薄 栅氧化层MOSFET低频段噪声特性表征,与等效栅 氧厚度为1.2 nm栅电流噪声测试结果的对比,验证 了其正确性“J。通过模型与实验噪声测试结果及器 件模拟的对比,可用于提取慢氧化层陷阱密度分布。 唯象模型利用势垒高度涨落和源于二维电子 气沟道的栅极泄漏电流的洛仑兹调制散粒噪声, 来解释过剩噪声特征。低频和高频范围内,测量 值和仿真值均有良好的一致性。模型将过剩噪声 解释成1/f'噪声和洛仑兹调制散粒噪声之和,能 够准确预测超薄栅氧化层的MOS晶体管的过剩噪 声性质并适于在电路仿真中使用。 栅电流分量噪声模型,模拟结果与低漏偏置 下的1.5 nm栅氧厚度P—MOSFET的数值模拟结果 和实验数据一致。该模型适用于纳米级MOSFET, 仅限于描述由栅隧穿效应引起的栅漏电流涨落。 模型两待定参数都可通过实验获得,可方便计算 不同偏置下的点频噪声幅值。 等效电容电荷涨落模型中,栅电流通过栅阻 抗产生的电压涨落经由器件跨导在沟道处得到证 实。该模型仅适用于器件饱和条件下,由于忽略 了衬底效应,诱生衬底电流和沟道中的高场效应, 其适用性和精确度均不高。 3 结束语 虽然已经提出多种小尺寸MOSFET栅电流噪 声模型,但各模型均有局限性。等效电容电荷涨 落模型局限性很大,超薄栅氧隧穿漏电流低频噪 声模型可用于精确描述低频噪声特性。唯象模型 和栅电流分量噪声模型则主要取决于栅隧穿效应。 从噪声特性看低频段噪声功率谱近似为栅电流的 二次函数,在低温环境白噪声主要成分为散粒噪 声。这些噪声模型主要针对隧穿机制,全面描述 各种隧穿机制引起的栅漏电流模型还有待研究。 参考文献 [1] Renuka P Jindal.Compact Noise Models for Mosfets[J]. 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