短溝道MOSFET散粒噪聲測試方法研究

　　近年來隨著介觀物理和納米電子學(xué)對(duì)散粒噪聲研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)散粒噪聲可以很好的表征納米器件內(nèi)部電子傳輸特性。由于宏觀電子元器件中也會(huì)有介觀或者納米尺度的結(jié)構(gòu)，例如缺陷、小孔隙和晶粒等，因而也會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲，并且可能攜帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。這使人們對(duì)宏觀電子元器件中散粒噪聲研究產(chǎn)生了極大的興趣。另一方面，隨著器件尺寸的不斷縮小，MOSFET器件中散粒噪聲成分也越來越顯著，已經(jīng)嚴(yán)重影響器件以及電路的噪聲水平，人們必須要了解電子元器件中散粒噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和特性，以便更好的抑制器件的散粒噪聲，實(shí)現(xiàn)器件和電路的低噪聲化。

　　對(duì)于短溝道MOSFET器件，在室溫條件下，散粒噪聲被其他類型的噪聲所淹沒，一般在實(shí)驗(yàn)中很難觀察到它的存在。目前國內(nèi)外對(duì)于散粒噪聲測試技術(shù)的研究取得了快速的進(jìn)展，但是普遍存在干擾噪聲大、測試儀器價(jià)格昂貴等問題，難以實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用。文中所介紹的測試系統(tǒng)是在屏蔽環(huán)境下將被測器件置于低溫裝置內(nèi)，抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾;同時(shí)使用低噪聲前置放大器使散粒噪聲充分放大，并顯著降低系統(tǒng)背景噪聲;通過提取噪聲頻譜高頻段平均值，去除了低頻1/f噪聲的影響，使測試結(jié)果更加的準(zhǔn)確。使用本系統(tǒng)測試短溝道MOSFET器件散粒噪聲，得到了很好的測試結(jié)果。文中的工作為散粒噪聲測試提供了一種方法，對(duì)短溝道MOSFET散粒噪聲測試結(jié)果進(jìn)行了討論。

　　1 測試原理

　　對(duì)于短溝道MOSFET中散粒噪聲的測試，主要影響因素包括：外界電磁干擾、低頻1/f噪聲、熱噪聲以及測試系統(tǒng)背景噪聲等。散粒噪聲屬于微弱信號(hào)，在實(shí)際測試中外界電磁干擾對(duì)測試結(jié)果影響顯著，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放置于電磁屏蔽環(huán)境下進(jìn)行測試，這樣就有效地抑制了外界電磁干擾。散粒噪聲和熱噪聲均屬于白噪聲，在室溫下由于熱噪聲的影響，一般很難測量到散粒噪聲的存在，因此需要最大限度降低熱噪聲的影響。在測試中將待測器件置于液氮環(huán)境中，在此溫度下器件熱噪聲相對(duì)于散粒噪聲可以忽略。對(duì)于器件散粒噪聲的測試，必須通過充分放大才能被數(shù)據(jù)采集卡所采集，所以要、求放大器要有足夠的增益，同時(shí)要求不能引入太大的系統(tǒng)噪聲，否則系統(tǒng)噪聲會(huì)淹沒所測器件的散粒噪聲，因此采用低噪聲高增益的前置放大器。對(duì)于短溝道MOSFET，其低頻1/f噪聲非常顯著，它對(duì)散粒噪聲的影響很大，由于1/f只是在低頻部分明顯，在高頻部分很小，因而可以通過提取噪聲高頻部分的平均值來降低1/f噪聲對(duì)測試的影響，使測試結(jié)果更加的準(zhǔn)確。據(jù)此，設(shè)計(jì)了一種低溫散粒噪聲測試系統(tǒng)。

　　2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試方案

　　2.1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　測試系統(tǒng)，如圖1所示，主要由偏置電路、低噪聲前置放大器、數(shù)據(jù)采集和噪聲分析系統(tǒng)組成。將所有測試設(shè)備放置于雙層金屬網(wǎng)組成的屏蔽室內(nèi)，可以有效的抑制外界電磁噪聲的干擾;測試系統(tǒng)低溫裝置是一個(gè)裝有液氮的杜瓦瓶，它可以提供77 K的測試溫度，這樣就有效的降低了熱噪聲的影響。Vcc1和Vcc2為電壓可調(diào)的低噪聲鎳氫直流電池組，分別為器件提供柵源電壓和漏源偏壓，電池組不能用直流電源代替，因?yàn)橹绷麟娫吹脑肼暠容^大。

　　變阻器R1和R2均屬于低噪聲線繞電位器，最大阻值均為10 kΩ，分別用于柵源電壓和漏源的調(diào)節(jié)。同時(shí)為了測試更加準(zhǔn)確，變阻器R1和R2也一并置于液氮裝置內(nèi)，以降低其自身熱噪聲的影響。前置放大器采用美國EG&G普林斯頓應(yīng)用研究公司制造的PARC113型低噪聲前置放大器，放大增益范圍為20～80 dB，測試帶寬為1～300 kHz，其背景噪聲很低，滿足實(shí)驗(yàn)的測試要求。

　　數(shù)據(jù)采集和噪聲分析軟件為“XD3020電子元器件噪聲-可靠性分析系統(tǒng)”軟件，它包含5大功能：噪聲頻譜分析、器件可靠性篩選、噪聲分析診斷、時(shí)頻域子波分析、時(shí)域分析。對(duì)于散粒噪聲分析，主要用到噪聲頻譜分析模塊。

　　通過具體測試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)置柵源電壓為0.1 V，漏源電壓為0.36 V，為了降低低頻1/f噪聲的干擾，提取電流噪聲功率譜299～300 kHz高頻段的平均值。如圖2所示，從圖中可以看出高頻段是白噪聲。在室溫下，被測器件噪聲幅值為1.2×10-15V2/Hz左右;而77 K時(shí)，在相同偏置條件下測試了樣品的噪聲，電流噪聲幅值為1.5×10-16V2/Hz左右，對(duì)比室溫和77 K時(shí)樣品噪聲，可以看出噪聲幅值降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，通過計(jì)算可知熱噪聲被減少大約90%，可見77 K時(shí)熱噪聲被明顯抑制。同時(shí)測量了低溫下系統(tǒng)的背景噪聲，它的噪聲幅值為4×10-17V2/Hz左右，而低溫下樣品的噪聲幅值為1.5×1O-16V2/Hz，因此低溫下系統(tǒng)背景噪聲相對(duì)較小，可以忽略。本測試系統(tǒng)能滿足低溫下散粒噪聲測試的要求。

　　2.2 測試方案

　　實(shí)驗(yàn)樣品選用0.18μm工藝nMOSFET器件，溝道寬長比為20μm/0.6μm，柵氧化層厚度為20 nm，閾值電壓為0.7 V。分別測試器件在亞閾區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)的源漏電流散粒噪聲功率譜。具體步驟為，設(shè)置Vgs=0.1 V，使器件處在亞閾值區(qū)，Ids在0.055～1 mA變化，測試器件在不同溝道電流下的電流噪聲功率譜值;再設(shè)置Vgs=1.2 V，使器件工作在反型區(qū)，測試Ids在0.055～1.5 mA變化時(shí)線性區(qū)和飽和區(qū)的電流噪聲功率譜值。在功率譜提取時(shí)，取270～300 kHz頻率段電流噪聲功率譜的平均值，這樣既可以去除低頻1/f噪聲對(duì)測試結(jié)果的影響，也可以通過平均值算法使分析的測試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。