基于陷阱物理的MIM/MOS电容器介电吸收新模型：TCAD验证与ADC性能优化研究

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Dielectric Absorption Caused by Traps in MIM/MOS Capacitors: A New Model Validated Through TCAD

　　本文针对影响CMOS电路（如模数转换器）性能的介电吸收（DA）现象，提出了一种能够精确计算MIM/MOS电容器电容和电导的物理模型。研究人员通过TCAD仿真验证了模型的有效性，并深入分析了损耗角正切（tanδ）的频率和温度依赖性与其背后陷阱分布的关联。该模型为揭示DA现象的物理起源提供了重要工具，对高性能集成电路设计具有指导意义。

　　

在模拟、射频和混合信号集成电路中，金属-绝缘体-金属（MIM）和金属-氧化物-半导体（MOS）电容器是至关重要的基础元件。特别是在模数转换器（ADC）中，MIM电容器被用于模拟信号的采样保持，其性能直接决定了ADC的分辨率和有效位数。然而，这些电容器的性能会受到介电吸收（Dielectric Absorption, DA）现象的影响。DA会导致电容值随频率发生变化（频率色散），并产生并联电导，其宏观表现就是损耗角正切（tanδ = G/ωC）随频率和温度呈现出复杂的变化趋势。长期以来，这一现象被认为是限制高精度ADC性能的关键因素之一。

DA的物理机制可能源于多种原因，例如偶极子转向或麦克斯韦-瓦格纳界面极化等，但在主流的CMOS技术中，普遍认为介电质（如氧化物）中存在的边界陷阱（Border Traps）是导致DA的主要原因。这些陷阱能够与电容器的电极交换电荷，其特定的空间和能量分布决定了DA的强度及其频率、温度特性。尽管此前已有一些模型试图描述DA效应，例如Dow等人提出的等效RC模型，但其缺乏明确的物理基础；而Yuan等人针对MOS电容器开发的模型虽然有所进步，但仍存在局限性——它假设陷阱只与半导体衬底交换电荷，且未充分考虑偏压导致的氧化物内能带弯曲，因此无法应用于MIM电容器，也难以处理陷阱在空间和能量上非均匀分布的复杂情况。

为了解决现有模型的不足，并更深入地理解陷阱诱导DA的物理本质，来自乌迪内大学、摩德纳雷焦艾米利亚大学以及英飞凌科技公司的研究人员合作，在《IEEE Transactions on Electron Devices》上发表了一项研究。他们开发了一个全新的、基于物理的通用模型，用于计算包含任意空间和能量分布陷阱的MIM和MOS电容器的电容和电导。该模型的突出优势在于其同时考虑了陷阱与电容器上下两个电极的电荷交换，并采用了描述弹性和非弹性隧穿过程的先进表达式，避免了使用经验拟合参数。研究人员通过经过校准的TCAD（Technology Computer Aided Design）仿真，对模型进行了广泛的验证，并利用该模型成功解读了不同实验条件下观测到的tanδ趋势，从而建立了陷阱分布与DA特性之间的直接联系，为从物理根源上诊断和抑制DA效应、优化集成电路性能提供了强大的理论工具。

为开展本研究，作者主要运用了几项关键技术方法：首先，他们使用了Synopsys Sentaurus工具进行TCAD数值仿真，精确模拟了具有不同陷阱分布（均匀或高斯分布）的MIM/MOS电容器的电学响应。其次，在仿真中，他们重点考虑了非弹性声子辅助隧穿机制作为陷阱与电极间电荷交换的主要物理过程，因为该机制能够复现实验观察到的tanδ随温度升高的关键现象。最后，基于微扰理论，他们推导出了计算电容器导纳的解析表达式模型，该模型通过对陷阱在空间和能量上的贡献进行积分，来获得总的电容和电导变化。

仿真平台与物理机制验证

研究人员首先利用TCAD仿真平台分析了不同电荷交换机制（弹性隧穿与非弹性隧穿）对DA特性的模拟效果。他们发现，虽然弹性隧穿能够复现tanδ随频率下降的趋势，但其结果对温度不敏感，这与大量实验观察相悖。相反，当采用非弹性隧穿模型时，仿真结果不仅显示了正确的频率依赖性，还清晰地呈现出tanδ随温度升高而增大的现象，与实验数据高度一致。

这一关键对比表明，非弹性隧穿是产生实验所观测到的温度依赖性的必要物理机制，因此后续研究均基于此机制进行。此外，研究还将TCAD结果与已有的Yuan模型进行了对比，在陷阱只与底电极（BP）交换电荷的简化情况下，两者在电导（G）、电容（C）和tanδ的频率特性上表现出良好的一致性，这初步证明了TCAD仿真结果的可靠性，为其作为新模型的验证基准奠定了基础。

新模型的推导与构建

基于微扰理论，研究人员构建了一个新的解析模型。他们将氧化物电容划分为无限小的片段，并为每个位置的陷阱引入了连接到上下电极的等效导纳。

该模型的核心创新点在于，它通过积分计算所有陷阱对总导纳的贡献，从而能够处理陷阱在空间和能量上的任意分布（N_BT(x, E)），并且允许陷阱同时与两个电极进行电荷交换。模型的关键输入参数是陷阱的时间常数τ，它由包含非弹性隧穿物理的捕获率c决定，而非经验参数。最终，模型给出了由于陷阱引起的总电导增量G和电容增量ΔC的积分表达式，从而可以计算出完整的电容器阻抗频率特性。

模型验证与陷阱分布影响分析

新模型首先在与TCAD仿真的对比中得到了验证。在陷阱均匀分布在空间和能量的简单情况下，新模型、Yuan模型和TCAD仿真三者结果高度吻合。

更重要的是，研究系统性地探讨了不同陷阱分布对DA特性的影响。当陷阱在空间上呈高斯分布（峰值在介质/电极界面处）时，其导致的G/f和tanδ在频率范围内变化平缓；而均匀空间分布则导致G/f和tanδ随频率明显下降。

这一结果表明，tanδ的频率特性主要受陷阱空间分布形态的控制。相比之下，陷阱在能量上是均匀分布还是高斯分布，对tanδ趋势的影响则相对较小，因为起主要作用的是费米能级附近的陷阱。

研究还证实，新模型能够准确模拟陷阱同时与上下两个电极交换电荷的复杂情况。

实验数据拟合与物理洞察

最终，研究人员展示了新模型在解读实验数据方面的强大能力。通过调整模型中的陷阱分布参数，他们成功地复现了文献中报道的基于HfO₂和Ta₂O₅介质的MIM电容器的实验数据，包括不同温度下的电容频率色散和tanδ曲线。

这一过程不仅验证了模型的实用性，更重要的是，它允许研究人员从实验测得的电学响应中“反演”或“提取”出介质中陷阱的可能分布情况，为工艺优化和材料筛选提供了直接的物理依据。

本研究成功开发并验证了一个灵活、物理基础清晰的模型，用于描述MIM和MOS电容器中由边界陷阱引起的介电吸收效应。该模型通过TCAD仿真得到了严格验证，并证明其能够复现和解读不同频率、温度以及不同陷阱分布下的实验观测结果。研究的关键结论指出，介电吸收导致的损耗角正切（tanδ）行为主要由电导（G）随频率的变化所主导，而电容（C）的变化影响相对较小。更重要的是，陷阱在介质中的空间分布形态是决定tanδ频率特性（例如是随频率下降还是保持平坦）的关键因素。这项研究的意义在于，它将电容器的宏观电学性能（DA效应）与其介电材料中微观缺陷的物理特性直接联系起来。所提出的模型超越了现有模型的局限性，为理解和优化基于MIM/MOS电容器的集成电路（特别是高精度ADC）的性能提供了一个强大的分析和诊断工具。通过从简单的电学测量中提取陷阱分布信息，该工作有助于从物理根源上指导介质材料的开发、工艺的改进，最终提升集成电路的可靠性和性能。