半导体器件噪声—可靠性诊断方法研究

作者：包军林^*

来源：博士, 西安电子科技大学, 2005-06-01.

• 1/f噪声
• G-R噪声
• MOS器件
• 光电耦合器
• 辐射损伤

随着航天技术、核能技术及其核武器等高技术的迅速发展,越来越多的MOS器件需要在电离辐射环境中工作。由于电离辐射将在MOS器件中引入大量的氧化层电荷和界面电荷,引起器件电参数退化,导致半永久性和永久性损伤,甚至完全失效。为了保证器件在空间辐照环境中能正常工作,必须对辐照引入的损伤及器件抵抗辐照的能力进行预先评估和诊断。通常的方法是辐射退火筛选,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。这迫切要求一种简单、快速且完全非破坏性的辐射筛选和抗辐射能力评估技术。光电耦合器以其体积小、寿命长、无触点、抗干扰性强等优点广泛地用于军事和航天领域,其噪声与器件的内部缺陷密切相关,已经成为影响器件可靠性,甚至器件功能的一个主要因素。所以对光电耦合器噪声的研究有助于检测该类器件各种缺陷的特性,尤其是潜在缺陷对器件性能的影响。本文通过比较分析MOS器件的1/f噪声及其辐射效应,深入研究了MOS器件抗辐射能力的1/f噪声表征技术。结合应用环境,对MOS器件非平稳1/f噪声进行了实验和理论研究。在详细分析光电耦合器低频噪声的基础上,研究了噪声用于光电耦合器可靠性评估的方法。取得了以下的创新研究结果:1、建立了基于虚拟仪器的半导体器件低频噪声测试系统。基于该测试系统,对不同类型、不同沟道尺寸的MOSFET,在不同偏置条件下分别测试了其低频噪声。从理论上分析了n/pMOSFET 1/f噪声差异的因素:（1）在Si-SiO2界面,电子的势垒高度大于空穴的势垒高度,且电子的有效质量远大于空穴;（2）导带底附近的氧化层陷阱密度大于价带顶附件的氧化层陷阱密度;（3）在同等条件下,电子的迁移率远大于空穴的迁移率。2、实验发现,MOSEFET在开关偏置时的非平稳1/f噪声大幅度减小,随着器件累积状态的加深,减小的幅度持续增加,且与开关频率成正比。建立了一个MOSFET非平稳1/f噪声模型,采用蒙特卡罗方法模拟了陷阱俘获发射的动力学行为,结果表明,器件开关状态时的非平稳1/f噪声减小归因于该偏置对氧化层中陷阱随机复合和发射载流子过程的调制。3、对不同沟道类型和沟道尺寸的MOSFET进行了60 Coγ辐照实验,发现辐照前1/f噪声和辐照引起阈值电压漂移和跨导退化之间有明显的相关性。理论分析表明,辐射感生陷阱电荷起源于栅氧化层中的氧空位（≡Si··Si≡）和三价硅(Si