高阻器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用研究--低頻噪聲測(cè)試技術(shù)理論（一）

1.1高阻器件的定義

電子器件或材料按其等效電阻大小可劃分為：高阻器件、中阻器件、低阻器件。而上述三類器件的定義隨器件或材料的應(yīng)用目的和應(yīng)用領(lǐng)域的不同而不同。

本項(xiàng)研究工作從噪聲測(cè)試的角度來(lái)定義和劃分上述三類器件。常規(guī)噪聲測(cè)試方法和測(cè)試儀器能夠準(zhǔn)確測(cè)量等效阻值在50 -10⁶歐之間的器件的噪聲，我們將阻值在該范圍內(nèi)的器件定義為中阻器件。我們根據(jù)傳統(tǒng)噪聲測(cè)試原理，改進(jìn)已有噪聲測(cè)試技術(shù)和測(cè)試方法還可以繼續(xù)測(cè)量一些等效阻值在該范圍之外的器件的噪聲，這些器件被定義為低阻器件或高阻器件，其中等效阻值大致在1 -50歐之間的器件被定義為低阻器件，等效阻值大致在10 ⁶ -10 ¹⁰歐之間的器件被定義為高阻器件。

本研究中高阻器件阻值范圍的下限是10 ⁶歐，這是因?yàn)椋孩俑鶕?jù)國(guó)內(nèi)外已有研究經(jīng)驗(yàn)，能夠被常規(guī)噪聲測(cè)試方法和儀器準(zhǔn)確測(cè)量到噪聲的器件的阻值均小于10 ⁶歐②本人查閱過(guò)的所有文獻(xiàn)中，能用傳統(tǒng)電壓測(cè)試方法測(cè)量到噪聲的器件的最高阻值為255K ，剛好處于本劃分方法的中阻器件阻值范圍上限附近。③阻值在此界限以上的器件全部采用了針對(duì)高阻器件的特殊噪聲測(cè)試方法。本研究中高阻器件阻值范圍的上限是10G，這是因?yàn)椋簩?duì)于最常見的大阻值電阻器、電容器、柵氧化層三類高阻器件或材料來(lái)說(shuō)：①常用電容器的等效絕緣電阻從上百兆歐姆可延伸至上千兆歐姆。再比如，mos器件常用的二氧化硅柵氧化層的厚度從當(dāng)前工藝極限1.2nm到2.5nm之間的等效電阻的大致范圍在10 ⁵ -10 ¹⁰歐；有噪聲研究意義的高阻值電阻的阻值也大都在10 9以下。②采用本文設(shè)計(jì)的噪聲測(cè)試方法可以準(zhǔn)確測(cè)量噪聲的器件阻值在10 ¹⁰歐以下。

1.2高阻樣品噪聲測(cè)試的需求

隨著科技的發(fā)展，電子器件尺寸不斷縮小、壽命不斷增加、性能不斷提高。在這種背景下，諸如高低溫老化法，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載應(yīng)力施加法等傳統(tǒng)的可靠性分析方法所需的時(shí)間在不斷增加，消耗的資源和成本也在上升，因此常常難以滿足科研和生產(chǎn)工作的需要。然而基于低頻噪聲測(cè)試技術(shù)的可靠性分析手段以其相對(duì)于傳統(tǒng)方法獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用意義。低頻噪聲測(cè)試技術(shù)擁有耗時(shí)短，對(duì)器件無(wú)損傷，對(duì)器件缺陷敏感的諸多優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于可靠性表征、產(chǎn)品篩選、失效分析，或被當(dāng)作樣品的性能指標(biāo)。

目前高阻器件低頻噪聲測(cè)試的需求主要來(lái)源于針對(duì)mos柵氧化層、高阻值電阻器、電容器這三類器件的噪聲測(cè)試。近年來(lái)國(guó)外已有研究證實(shí)上述三類高阻器件的噪聲同中低阻器件的噪聲一樣有重要的研究?jī)r(jià)值。

國(guó)內(nèi)對(duì)高阻器件噪聲測(cè)試技術(shù)的需求也已開始出現(xiàn)，體現(xiàn)在針對(duì)電容器和電阻器這兩種器件的測(cè)試需求。西安某電阻漿料廠曾經(jīng)向我們實(shí)驗(yàn)室提出測(cè)試阻值較高的電阻漿料低頻噪聲的要求，但受限于當(dāng)時(shí)測(cè)試技術(shù)條件，我們未能進(jìn)行合作。我們實(shí)驗(yàn)室承接的國(guó)內(nèi)某研究所的項(xiàng)目中也有通過(guò)電容的低頻噪聲來(lái)表征其可靠性的應(yīng)用研究。最近國(guó)內(nèi)又有某MLCC電容生產(chǎn)商向我們提出器件噪聲測(cè)試要求。

1.3國(guó)內(nèi)外高阻樣品噪聲測(cè)試技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外在高阻樣品噪聲測(cè)試方面已經(jīng)做了探索工作，并針對(duì)不同的器件開發(fā)出不同的測(cè)試技術(shù)，以滿足高阻器件噪聲測(cè)試應(yīng)用的需求。

1.3.1應(yīng)用于電容器的測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀

目前針對(duì)電容的低頻噪聲測(cè)試技術(shù)主要采取的是一種間接測(cè)試噪聲的方法。這種方法讓來(lái)自電容的漏電流噪聲經(jīng)過(guò)一個(gè)大阻值電阻，從而在大阻值電阻上產(chǎn)生一個(gè)電壓波動(dòng)，以此將漏電流噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷涸肼曅盘?hào)，最后通過(guò)測(cè)試電壓噪聲信號(hào)來(lái)間接測(cè)試電容的漏電流噪聲。

電容的噪聲測(cè)試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀如下：已有研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于一些常用的電容器（鉭電解電容，鋁電解電容），漏電流噪聲可以用作反映器件質(zhì)量的性能指標(biāo)，因?yàn)檠芯恐邪l(fā)現(xiàn)電容的噪聲量級(jí)與質(zhì)量成反比 。在另一個(gè)電容噪聲與壽命的關(guān)系的研究中，研究者測(cè)試了一批鋁電解電容在2Hz頻點(diǎn)上的噪聲功率譜密度，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)與電容的壽命有直接關(guān)系，并以這個(gè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出了一套器件質(zhì)量篩選方法 。還有研究比較了被施加反向電應(yīng)力前后的電容的噪聲，發(fā)現(xiàn)了電容的噪聲在器件受到反向電應(yīng)力后幅度增加，說(shuō)明噪聲對(duì)反向應(yīng)力所造成的介質(zhì)損傷非常敏感，可以用來(lái)篩選出性能較好的器件。另一份研究 將噪聲應(yīng)用于電容失效機(jī)理的分析。

1.3.2應(yīng)用于大阻值電阻器的測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀

針對(duì)大阻值電阻器的低頻噪聲測(cè)試技術(shù)是一種電壓噪聲測(cè)試技術(shù)。該測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)是一次測(cè)量?jī)蓚€(gè)樣品的總電壓噪聲，并且能保證進(jìn)入放大器的信號(hào)中的直流分量不會(huì)使放大器飽和。

大阻值電阻的噪聲測(cè)試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀如下：目前國(guó)外在航天領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)熱輻射儀分辨率會(huì)受到儀器內(nèi)部大阻值偏置電阻噪聲的限制，并以此為背景，提出了特殊的測(cè)試技術(shù)，測(cè)量了超大阻值電阻的低頻噪聲，并將這種噪聲測(cè)試方法測(cè)到的噪聲作為性能指標(biāo)對(duì)電阻進(jìn)行篩選。該研究同時(shí)將噪聲量級(jí)大小作為性能是否提高的標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種降低噪聲的電路連接方法，提高了系統(tǒng)的分辨率，使大阻值電阻噪聲測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有價(jià)值的應(yīng)用。

1.3.3應(yīng)用于MOS類器件的測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀

針對(duì)MOS的噪聲測(cè)試技術(shù)普遍采用了用電流放大器測(cè)流過(guò)樣品的電流噪聲的方法。一套完善的低噪聲電流放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)通常很大，可以將微弱的電流噪聲信號(hào)充分放大，因此該技術(shù)被用來(lái)測(cè)試噪聲極其微弱的MOS類器件的柵漏電流噪聲。

MOS類器件的噪聲測(cè)試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀如下：近年來(lái)已有低頻噪聲研究主要集中在各種材料的MOS柵氧化層的可靠性研究上。研究發(fā)現(xiàn)MOS類器件的噪聲在表征器件可靠性和分析器件失效機(jī)理上有重要的研究?jī)r(jià)值，主要體現(xiàn)在三方面：第一，應(yīng)用于器件失效機(jī)理分析。有研究表明柵氧化層在擊穿前會(huì)產(chǎn)生一系列的爆裂噪聲，這些噪聲脈沖的頻率與擊穿的發(fā)生時(shí)間有一定關(guān)系。研究者們?cè)诒言肼暤拿}沖頻率達(dá)到一定臨界條件時(shí)，及時(shí)的消除電應(yīng)力使器件免于被擊穿，以此來(lái)更有效的觀察接近擊穿時(shí)器件性能的改變，從而可以更細(xì)致的研究導(dǎo)致?lián)舸┑脑?，進(jìn)行失效機(jī)理研究。第二，作為性能指標(biāo)來(lái)表征可靠性。隨著器件尺度的縮小，目前已出現(xiàn)了很多不同種類的高K柵介質(zhì)。然而這些柵介質(zhì)的漏電流噪聲大小各不相同，有研究測(cè)試了不同柵材料的低頻噪聲，以噪聲量級(jí)作為指標(biāo)，尋找低噪聲的材料來(lái)改進(jìn)工藝。第三，應(yīng)用于可靠性表征。器件尺寸縮小后，MOS電容中各種隧穿電流（FN隧穿，直接隧穿，由電應(yīng)力導(dǎo)致的氧化層陷阱隧穿）噪聲對(duì)系統(tǒng)影響越來(lái)越明顯。有研究者[2]研究了各種隧穿電流噪聲與CMOS超大規(guī)模集成電路可靠性之間的關(guān)系。

第二章低頻噪聲測(cè)試技術(shù)理論

本章主要闡述了低頻噪聲的物理基礎(chǔ)、測(cè)試技術(shù)的要求和實(shí)現(xiàn)方案。

2.1噪聲的物理理論

2.1.1低頻噪聲的定義

當(dāng)給器件（如電阻器、電容器）兩端施加直流偏壓V時(shí)，器件內(nèi)部電荷會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)形成電流，但是該電流的瞬時(shí)值卻是隨機(jī)漲落的，因此測(cè)試器件兩端電壓時(shí)實(shí)際測(cè)得的是直流電壓V（或電流I）和隨機(jī)漲落導(dǎo)致的交流電壓Vn（或電流In）兩種成分的疊加。

這種漲落是由器件內(nèi)載流子的隨機(jī)漲落和器件中的缺陷對(duì)載流子的隨機(jī)俘獲、釋放以及晶界勢(shì)壘對(duì)載流子的散射等多種原因?qū)е碌?。我們將這種電流的隨機(jī)漲落稱為噪聲。如圖2.1所示，將樣品R接入電路時(shí)，不僅有直流源V的作用，電路中還會(huì)產(chǎn)生低頻噪聲，一般將其等效為電路中的一個(gè)交流信號(hào)源V n。