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，在實(shí)際測試中外界電磁干擾對測試結(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于散粒噪聲可以忽略。對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。對于短溝道MOSFET，其低頻1／f噪聲非常顯著，它對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。

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    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，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。

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3 測試結(jié)果及討論
    圖3和圖4分別為器件工作在亞閾區(qū)和反型區(qū)條件下，電流噪聲功率譜隨漏源電流的變化情況。

    由圖中可以看出，在亞閾區(qū)，小漏源電流的條件下，溝道電流和電流噪聲功率譜呈現(xiàn)線性關(guān)系，證明器件在此工作條件下存在散粒噪聲。相比于長溝道MOSFET器件，短溝道器件溝道源區(qū)附件明顯存在一個(gè)勢壘，勢壘高度隨柵源電壓的增大而增大，隨漏源電壓的增大而減小。在此偏置條件下，溝道內(nèi)電場強(qiáng)度很小，擴(kuò)散電流成分顯著，擴(kuò)散電流隨機(jī)通過源極附近勢壘，引起散粒噪聲。隨著漏源電壓的增大，溝道內(nèi)電場增強(qiáng)，勢壘減小，漂移電流成為主要成分，散粒噪聲隨之被抑制。
    在反型區(qū)，小的漏源電流條件下，器件工作在線性區(qū)。如圖4所示，與亞閾區(qū)類似，可以看到明顯的散粒噪聲成分。但是隨著漏源電流的增大，在漏源電流大約為0．5μA時(shí)，器件進(jìn)入飽和區(qū)。此時(shí)源區(qū)勢壘和溝道內(nèi)擴(kuò)散電流成分顯著減小，因此導(dǎo)致由擴(kuò)散電流引起的散粒噪聲減小。但此時(shí)漏端溝道正好處在夾斷點(diǎn)位置，載流子通過夾斷點(diǎn)耗盡區(qū)是彈道傳輸模式，引起了散粒噪聲的產(chǎn)生，導(dǎo)致散粒噪聲再次隨漏源電流的增大而增大。但隨著漏源電流的繼續(xù)增大，夾斷區(qū)長度不斷增加，載流子在夾斷區(qū)散射增強(qiáng)，散粒噪聲再次被抑制。

4 結(jié)束語
    針對MOSFET散粒噪聲難以測量的特點(diǎn)，文中提出了一種低溫散粒噪聲測試方法。在屏蔽環(huán)境下，將被測器件置于低溫裝置內(nèi)，有效抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾。采用背景噪聲充分低的放大器以及偏置器、適配器等，建立低溫散粒噪聲測試系統(tǒng)。應(yīng)用本系統(tǒng)對短溝道MOSFET器件進(jìn)行噪聲測試，分析該器件散粒噪聲的特性。文中的工作為器件散粒噪聲測試提供了一種方法，對短溝道MOSFET散粒噪聲特性進(jìn)行了分析。