CN101413976A - 电子材料与器件散粒噪声测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子材料与器件散粒噪声测试方法，解决现有散粒噪声测试方法准确性及可靠性差的问题。整个测试系统包括：低温装置、放大系统和数据采集与处理系统。其测试过程为：测试系统背景噪声S_c和被测样品电导G，确定被测样品的最小电流I及最高温度T；根据最小电流I及被测样品相关噪声测试标准优选m个测试电流点；将被测样品置于低温装置内的屏蔽样品室，选取m个测试电流点中最大电流值I′_max作为工作电流，进行样品噪声初测；计算1/f噪声转折频率f_C，确定放大系统和数据采集与处理系统相关参数；分别在m个测试电流点测试被测样品噪声时间序列和频谱，得到散粒噪声测试结果并生成测试报告。本发明具有测试精度、准确性高和测试系统灵活的优点。

Description

电子材料与器件散粒噪声测试方法

技术领域

本发明属于电子测试测量技术领域，涉及散粒噪声测试方法，用于对电子材料、元器件、半导体集成电路、量子效应器件、介观电子器件及纳米结构与器件的散粒噪声测试。

背景技术

1.电子材料及器件散粒噪声

随着电子器件朝着高性能、小尺寸和长寿命方向发展，传统的寿命试验可靠性评价方法的局限性日益显著。近年来大量的研究结果表明，噪声是导致大多数电子器件失效的各种潜在缺陷的敏感反映，噪声检测方法以其灵敏、普适、快速和非破坏性的突出优点，正在发展成为一种新型的电子器件可靠性表征工具。噪声测试成为电子科学和技术中重要的研究领域。

从噪声的功率谱密度特征看，电子器件的噪声通常包括白噪声，1/f噪声和g-r噪声三种分量，即：

$S\left(f\right)=A+\frac{B}{f^{\mathrm{\γ}}}+\frac{C}{1+{\left(\frac{f}{f_0}\right)}^{\mathrm{\α}}}---\left(1\right)$

其中，A为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数因子，C为g-r噪声的幅度、f₀和α分别为g-r噪声转折频率和指数因子。1/f噪声及g-r噪声主要是由器件处于偏置时内部缺陷引起的，而白噪声主要由两部分组成：(1)载流子随机热运动而在器件或电路两端产生的电压涨落，这种电压涨落不会因偏置条件改变而变化，仅是温度的函数，即为通常所说的热噪声。(2)器件或电路中电子离散性的表现，故称为散粒噪声，也称量子噪声。由于电子电量值很小，因而散粒噪声仅在特定条件下才得以表现。

热噪声及散粒噪声的频谱均属于白噪声特性，因而其幅值都包含在A中。为了抑制和应用电噪声，必须检测和分析各种噪声。

2.散粒噪声的应用

与1/f噪声和g-r噪声相同，散粒噪声也可用于电子作用机制与可靠性的无损表征研究。比如MOS电容的散粒噪声在SILCs(Stressed-induced leakage currents)效应前后发生了幅值变化；超薄栅氧化层隧穿电流出现的超散粒噪声，是由于氧化层陷阱的存在引入了区域势阱，它与共振隧穿器件的超散粒噪声具有相同的起源。近年来，随着纳米科技的发展，在介观系统和结构中，人们发现散粒噪声在量子信息表征方面具有重要应用潜力和前景。与电导相比，散粒噪声能够提供更多的介观输运与量子效应信息。通过一些较为简单的实验，国外学者利用散粒噪声提取纳米器件和结构中的量子效应信息，比如，利用散粒噪声探测开放通道、测量准粒子电荷、辨别量子腔体中的波动性与粒子性等。其中，准粒子电荷测量证实了超导体中的有效传导电荷的确是库泊电子对。此外，有关散粒噪声应用的诸多独创性构思也纷纷出现，比如，探测电子的纠缠态、注入弹道导体电子的能量分布以及自旋极化与相干。

以上的应用对散粒噪声测试技术提出了更多的要求。散粒噪声测量技术的进步和标准化有利于这些应用的实现，这些应用的实现将会推动量子效应表征、量子计算、量子通信以及自旋电子学的发展。此外，散粒噪声的测试技术将给全计数统计学提供电子介观输运的研究内容，将全计数统计学应用于散粒噪声时间序列分析将会得到更多的量子效应信息，从而促进量子效应表征技术的进步。

3.现有散粒噪声测试方法

目前还没有专门针对散粒噪声测试的技术，现行测试方法主要是采用通用仪器搭建。其主要部分包括：液氮或液氦杜瓦瓶、常规放大器、频谱分析仪和数字示波器等。由装有液氮或液氦的杜瓦瓶为被测器件提供低温环境，将被测样品的噪声通过常规放大器进行放大，分别使用数字示波器和频谱分析仪分析噪声时间序列和频谱，系统结构见图1。

现行这种测试方法存在诸多问题：

(1)通常的液氮杜瓦装置主要是应用于生物、医学等方面，还没有专门针对电子材料和器件的样品室。使用通常的液氮杜瓦装置存在诸多不足，首先，不能较好地去除外界电磁干扰；其次不能确保温度的稳定性及温度测试的准确性，同时也不便于样品的安装放置。

(2)常规放大器的噪声、带宽及增益指标往往不能达到散粒噪声测试的要求。比如，典型的常规放大器噪声指标为

带宽指标为1MHz，增益在1×10⁶以内。放大器带宽越大其增益越小，如射频放大器带宽可达上GHz，但其增益只有几十甚至几倍，同时噪声指标随增益增大也有所恶化。由散粒噪声的特性可知，散粒噪声具有噪声功率谱密度小且频率范围宽等特点，噪声功率谱密度约在几

数量级。这就要求放大器必须具有更低的噪声，更高带宽和增益，所以只使用常规放大器并不适合散粒噪声的测试。

(3)数字频谱分析仪和数字示波器测试精度较低，功能有限且费用昂贵。若要完全满足各类器件和电路的散粒噪声测试要求，则需要更大带宽的此类仪器，这将进一步增加测试费用，并且此类仪器功能单一，适用性和可升级性差。目前，噪声测试技术处在不断的发展之中，系统的不断升级换代是不可避免的，而采用这种方式时，系统的功能扩展往往受到系统硬件的限制，二次自主开发能力差。

基于上述原因可以看出：通用噪声测试方法应用于散粒噪声测试的系统搭建费用高，费效比低，可维护性差，不能满足散粒噪声测试的准确性、可靠性和有效性要求。同时现行测试方法没有科学严谨的规范，测量得到的散粒噪声混有其他噪声成分，因此如何准确测量和提取散粒噪声成为该领域一个瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有方法的不足，提出一种电子材料与器件散粒噪声测试方法，以满足散粒噪声测试的准确性、可靠性和有效性要求。

实现本发明目的的技术方案是，搭建测试系统，并用该测试系统进行散粒噪声的测量。其中，测试系统包括：低温装置、放大系统和数据采集与处理系统，放大系统的输入输出分别与低温装置和数据采集与处理系统相连接，其特征在于，低温装置采用液氮或液氦装置；放大系统采用专用的低噪声前置放大器和通用放大器构成的两级放大结构；数据采集与处理系统采用数据采集卡及专用散粒噪声测试分析软件。

所述的测试的系统，其中低温装置内装有屏蔽样品室，样品室于低温装置外壳构成双层屏蔽结构，以进一步抑制外部噪声干扰。

本发明的测试方法，包括如下步骤：

(1)测试系统背景噪声和被测样品的电导值，通过热噪声与散粒噪声公式联立求解，确定被测样品的最小电流I和最高温度T；

(2)将被测样品放置于低温装置内的屏蔽环境下，根据所确定的最小电流和最高温度，设置被测样品的工作电流I′(n)及测试温度T′，选取低温装置，n＝1，2，3...；

(3)根据设置的样品工作电流I′(n)，测试温度T′及低温装置对被测样品噪声特性进行初步测试，得到噪声功率谱密度S(f)；

(4)根据电子器件噪声功率谱密度公式，计算1/f噪声转折频率f_C，分别设置低噪声放大器的频率带宽和增益，以及数据采集与处理系统的采样频率和采样点数，使数据采集卡能够采集到散粒噪声；

(5)通过数据采集与处理系统进行噪声信号时间序列采集和频谱转换，得到被测样品散粒噪声的时间序列图和频谱图；

(6)打印测试报告。

本发明与现有的散粒噪声测试方法相比，具有以下优点：

1.本发明由于采用的低温装置和屏蔽样品室构成的双层屏蔽结构，可进一步抑制外界电磁干扰，同时利用专用的低温装置能够实现温度的准确控制和实时测量；

2.本发明由于采用低噪声放大器及通用放大器组成的两级放大系统，扩展了通用放大器的性能，使放大系统不仅具有极低背景噪声，而且充分满足散粒噪声测试对增益和带宽的要求；

3.本发明由于使用专用散粒噪声分析软件提高了数据分析和处理速度，能快速生成测试报告，同时增强了对数据采集硬件控制的灵活性；

4.本发明由于使用虚拟仪器技术使得本系统可以很方便的实现升级，降低了成本；

5.本发明的测试方法由于采用了对测试条件的优化，提高了电子材料与器件散粒噪声测试的精度和准确性。

附图说明

图1是现有散粒噪声测试的系统框图；

图2是本发明散粒噪声测试系统框图；

图3是本发明的测试过程示意图；

图4是测试的系统背景噪声、低温样品噪声和室温样品噪声比较图；

图5是65nmNMOS亚阈区噪声功率谱密度随电流变化关系图；

图6是65nmNMOS反型区噪声功率谱密度与电流变化关系图。

具体实施方式

参照图2，本发明的测试系统包括：低温装置、放大系统和数据采集与处理系统，其中，低温装置根据测试要求选择基于通用液氮杜瓦瓶改装的低温装置或专门的低温装置，以实现温度的控制和实时显示；放大系统采用专用的低噪声前置放大器及通用放大器构成的两级放大结构，以实现高增益及极低的背景噪声；数据采集与处理系统采用数据采集卡及专用散粒噪声测试分析软件，实现对电子材料与器件散粒噪声的测试与分析。低温装置内装有屏蔽样品室，该屏蔽样品室采用铝质封闭空间，与低温装置外壳形成双层屏蔽结构，以去除外界电磁干扰，同时铝质屏蔽样品室利于样品安装和导热；该放大系统的输入输出分别与低温装置和数据采集与处理系统相连接。测试时将被测样品置于低温装置屏蔽样品室内，进行放大和测试。

参照图3，本发明的测试步骤如下：

步骤1，测试系统背景噪声。

1.1)将低噪声放大系统输入短接或接地，开始时域信号预采集，观察实时波形，调整低噪声放大系统增益K，当在预采集中能明显观察到噪声信号，停止时域预采集；

1.2)设置数据采集与处理系统的增益，采样率及平均采集次数参数：即增益与低噪声放大器增益K一致；采样率为数据采集卡最大采样率f_M；平均采集次数M≥32；

1.3)按照步骤1.2)设置的所述参数进行频谱采样，并对频谱高频白噪声部分进行平均值计算，得到系统背景噪声S_c。

步骤2，测试被测样品电导值，即根据不同的样品选择万用表或源测单元测试被测样品的电导值G。

步骤3，确定被测样品的最小电流I和最高温度T。

3.1)根据测试背景噪声S_c确定被测样品的最小电流： $I=\frac{2S_c}{q},$ 式中q为电子电量；

3.2)根据样品电导值G，通过热噪声公式S_i＝4kTG与散粒噪声公式 $S_i^{\&prime;}=2\mathrm{qI}$ 联立求解，并根据散粒噪声幅度比热噪声大4倍的要求即 $4S_i<S_i^{\&prime;},$ 得出最高温度T和最小电流电流关系 $T=\frac{\mathrm{qI}}{8\mathrm{kG}},$ 式中：S_i为热噪声功率谱密度，

为样品散粒噪声功率谱密度，k≈1.38×10^-23J/K为波尔兹曼常数；

步骤4，根据所确定的最小电流I和最高温度T，设置被测样品的工作电流I′(n)，n＝1，2，3...m及测试温度T′。

4.1)根据最小电流I选取被测样品的工作电流值为I′(n)≥I，n＝1，2，3...m，m的数值按被测样品的噪声测试标准确定；

4.2)根据最高温度T设置被测样品的测试温度为T′≤T。

步骤5，选取低温装置并放置被测样品。

5.1)根据设置的测试温度T′选择低温装置，当T′大于77K时，使用低温液氮装置；当T′小于77K时，使用液氦装置，并控制液氦装置使其温度小于等于T′；

5.2)将被测样品放置于低温装置的屏蔽样品室内，并与低噪声放大系统相连接。

步骤6，根据选取的样品的工作电流I′(n)，测试温度T′及低温装置对被测样品噪声特性进行初步测试，得到噪声功率谱密度S(f)。

6.1)根据被测样品的噪声测试标准，确定被测的点数m，在所选取的m个工作电流中选取最大的电流值作为被测样品初测电流值

6.2)对低温装置进行温度控制，使样品室温度达到设置的测试温度T′；

6.3)调整低噪声放大系统的低频截止频率f_L≤1Hz，高频截止频率为

式中f_M为数据采集卡最大采样率；

6.4)对散粒噪声时域信号进行预采集，实时观察波形，调整放大器增益K，当在预采集中能明显观察到噪声信号，停止预采集；

6.5)设置数据采集与处理系统增益与低噪声放大器增益K一致，通过数据采集与处理系统对低噪声放大器放大输出信号进行频谱采样，得到初测噪声信号的功率谱密度S(f)。

步骤7，计算1/f噪声转折频率f_C，设置低噪声放大器的频率带宽，以及数据采集与处理系统的采样频率和采样点数。

7.1)根据电子器件噪声功率谱密度公式 $S\left(f\right)=A+\frac{B}{f^{\mathrm{\&gamma;}}}+\frac{C}{1+{\left(\frac{f}{f_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}$ 对所测噪声功率谱密度S(f)进行曲线拟合，计算1/f噪声转折频率f_C；

式中：A为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数因子，C为g-r噪声的幅度、f₀和α分别为g-r噪声转折频率和指数因子；

7.2)根据具体器件测试标准确定散粒噪声分析带宽f_B，计算放大器带宽滤波器所需最高频率为f_H＝f_C+f_B；

7.3)设置低噪声放大系统频率带宽，即低频截止频率的大小等于转折频率f_C，高频截止频率的大小等于最高频率f_H。

步骤8，测试样品散粒噪声信号时间序列和频谱。

8.1)设置当n＝1时被测样品工作电流为I′(n)，保持测试温度T′不变；

8.2)对时域信号进行预采集，实时观察噪声信号的出现，并调整放大系统增益K，当在预采集中能明显观察到噪声信号时，停止时域预采集；

8.3)保持数据采集与处理系统增益与低噪声放大系统增益K一致，通过数据采集与处理系统对低噪声放大系统放大输出噪声信号进行频谱采样，得到测试样品散粒噪声信号的功率谱密度S(f)，并保存该功率谱密度数据及图形；

8.4)保持数据采集与处理系统参数不变，对样品散粒噪声信号进行时间序列采集，并保存时间序列数据及图形；

8.5)改变n值即设置不同的工作电流I′(n)，重复步骤8.1)～步骤8.4)，直到n＝m，测试结束。

步骤9，打印测试报告。

本发明的效果可以通过以下试验测试进一步说明：

1.测试对象：采用本发明测试方法对0.18μm工艺，沟道宽长比20μm/0.6μm，栅氧化层厚度为20nm，阈值电压0.7V的nMOS器件测试进行不同条件下的散粒噪声测试。

2.测试系统：采用液氮装置YDS-10-125及铝质圆筒构成低温双层屏蔽样品室，利用超低噪声前置放大器SA200F3与通用放大器PARC113构成两级放大系统，DAQ2010采集卡及LabView 6.0虚拟仪器软件搭建的散粒噪声测试软件。

3.测试条件：测试试验首先对系统在低温77K时背景总噪声进行了测试；对nMOS器件在室温及低温77K，相同电流条件下进行了对比测试；最后对nMOS器件在低温77K，并分别处于压阈区和反型区时不同源漏电流条件下进行了散粒噪声测试，即对15个不同电流测试点进行测试。

4.测试结果：如图4、图5和图6所示。

图4给出了低温系统背景噪声、低温样品噪声和室温样品噪声测试结果。从图4中可以得到低温系统背景噪声比低温样品噪声值小约2倍，说明采用了双层屏蔽结构的测试系统可以极大抑制外部干扰，能够准确有效地测试器件散粒噪声；同时，从低温样品噪声和室温样品噪声测试结果对比可以说明采用本方法选取的温度可以有效的抑制器件热噪声，提高测试可信性。

图5和图6分别给出了77K温度时nMOS器件处于压阈区和反型区不同电流条件下的散粒噪声测试结果，从图5和图6可见，实际的测试结果与nMOS器件散粒噪声理论值能较好的符合，从而进一步证明了本测试方法的准确性。

Claims (8)

1.一种电子材料与器件散粒噪声测试方法，包括如下步骤：

(1)测试系统背景噪声和被测样品的电导值，通过热噪声与散粒噪声公式联立求解，确定被测样品的最小电流I和最高温度T；

(2)根据所确定的最小电流和最高温度，设置被测样品的工作电流I′(n)及测试温度T′，选取低温装置，n＝1，2，3...，将被测样品放置于所选取的低温装置屏蔽环境内；

(3)根据设置的样品工作电流I′(n)，测试温度T′及低温装置对被测样品噪声特性进行初步测试，得到噪声功率谱密度S(f)；

(4)根据电子器件噪声功率谱密度公式，计算1/f噪声转折频率f_C，分别设置低噪声放大器的频率带宽和增益，以及数据采集与处理系统的采样频率和采样点数，使数据采集卡能够采集到散粒噪声；

(5)通过数据采集与处理系统进行噪声信号时间序列采集和频谱转换，得到被测样品散粒噪声的时间序列图和频谱图；

(6)打印测试报告。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)所述的根据所确定的最小电流和最高温度，设置被测样品的工作电流I′和测试温度T′，并选取低温装置，按如下步骤进行：

(2a)根据被测样品的相应标准设置工作电流I′(n)，且满足I′(n)>I；

(2b)根据被测样品的相应标准设置测试温度T′，且满足T′<T；

(2c)根据设置的测试温度选择低温装置，当最低温度大于77K时，使用低温液氮装置，选取T′为固定的77K；当最低温度小于77K时，使用液氦装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)所述的对被测样品噪声特性进行初步测试，按如下步骤进行：

(3a)选取工作电流I′(n)中的最大电流值作为初测电流，设置采样率为数据采集卡最大采样率f_M，并设置低噪声放大器的低频截止频率f_L≤1Hz，高频截止频率为

(3b)通过数据采集与处理系统采集低噪声放大器放大输出的噪声信号并进行傅立叶变换，得到初测噪声信号的功率谱密度S(f)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)所述的计算1/f噪声转折频率f_C及设置低噪声放大器的频率带宽和增益，按如下步骤如下：

(4a)根据电子器件噪声功率谱密度公式 $S\left(f\right)=A+\frac{B}{f^{\mathrm{\&gamma;}}}+\frac{C}{1+{\left(\frac{f}{f_0}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}}$ 对所测噪声功率谱密度S(f)进行曲线拟合，计算1/f噪声转折频率f_C，

式中：A为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数因子，C为g-r噪声的幅度、f₀和α分别为g-r噪声转折频率和指数因子；

(4b)根据具体器件测试标准确定散粒噪声分析带宽f_B，计算放大器带宽滤波器所需最高频率f_H＝f_C+f_B；

(4c)设置低噪声放大器频率带宽，即低频截止频率的大小等于转折频率f_C，高频截止频率的大小等于最高频率f_H；

(4d)调整低噪声放大器增益K，使数据采集卡能采集到噪声信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)所述的设置数据采集与处理系统的采样频率和采样点数，按如下步骤如下：

(4e)根据低噪声放大器最高频率f_H，设置数据采集卡采样频率f_S，即f_S≥2f_H；

(4f)由采样频率f_S计算得到采样点数：N＝f_S/f_C。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)所述的通过数据采集与处理系统进行噪声信号时间序列采集和频谱转换，按如下步骤如下：

(5a)设置数据采集与处理系统增益，使其增益与低噪声放大器增益K一致；

(5b)进行散粒噪声信号时间序列的预采集，并实时调整数据采集与处理系统的模数转换参数，直到能够明显观察到散粒噪声时间序列信号为止；

(5c)按照调整后的模数转换参数，再进行散粒噪声信号时间序列采集，得到时间序列图及数据，并进行保存；

(5d)设置数据采集与处理系统信号频谱采集的平均参数M，要求M≥32；

(5e)按照平均参数M进行散粒噪声信号的频谱采集，得到散粒噪声频谱图及数据，并进行保存。

7.一种电子材料与器件散粒噪声测试的系统，包括低温装置、放大系统和数据采集与处理系统，放大系统的输入输出分别与低温装置和数据采集与处理系统相连接，其特征在于，低温装置采用液氮或液氦装置；放大系统采用专用的低噪声前置放大器和通用放大器构成的两级放大结构；数据采集与处理系统采用数据采集卡及专用散粒噪声测试分析软件。

8.根据权利要求7所述的测试的系统，其特征在于低温装置内装有屏蔽样品室，样品室与低温装置外壳构成双层屏蔽结构，以进一步抑制外部噪声干扰。

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