CN103792438B - 一种soi mos器件闪烁噪声的测试设备及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种闪烁噪声的测试方法，包括以下步骤：测试待测器件的输出特性；将器件的漏极连接到低噪声电流放大器的输入端；将低噪声电压放大器和信号分析仪的采样模式设置为直流模式；打开低噪声电流放大器的电压源，为漏端提供偏置；时域采样；然后将低噪声电压放大器和信号分析仪的采样模式设置为交流模式；调节低噪声电压放大器的放大倍率使低噪声电压放大器的输出达到最大值；频域采样，读取数据；改变漏端电压，重复上述步骤。根据本发明的另一个方面，还提供了一种闪烁噪声的测试设备。

Description

一种SOI MOS器件闪烁噪声的测试设备及测试方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种SOIMOS器件闪烁噪声的测试设备及测试方法。

背景技术

现今超大规模集成电路高速发展，制造工艺不断进步，随着工艺的特征尺寸的减小，工作电压也逐渐的变小，噪声对器件的影响就越发的凸显出来了，它会造成信号的失真，甚至误操作。噪声一般分外部噪声和器件的本征噪声，外部噪声一般是由于其他仪器或者环境等所造成的扰动，此部分的噪声一般采用接地，屏蔽和滤波的方法，可将其所产生的噪声降至最低；器件的本征噪声是由于器件本身所固有噪声，和器件的制造工艺有着密不可分的联系，其包括热噪声，产生复合噪声，散粒噪声，和闪烁噪声等。另一方面，由于无线通讯设备的广泛的应用，对振荡器的要求也越来越高，事实上，以闪烁噪声为代表的低频噪声在振荡电路中扮演着重要的角色，低频的器件噪声会影响振荡器的频率，因此也成为设计振荡器的关键要素之一。基于以上两点，低频噪声对于评估一个器件的好与坏也变得越来越重要了，也是继氧化层完整性，热载流子效应，和负偏压温度不稳定性之后，又一表征器件特性的重要参数。

因此准确的测试出闪烁噪声在工程和研究中变得日益重要，现有的测试方案通常采用keithley公司的半导体特征分析系统KI4200‐SCS、可编程低电流放大器KI428‐PROG和低通滤波器，以及的ACS(自动特征分析套件)软件等软硬件配置起来的测试系统。但是这种测试方法是用keithley的KI4200‐SCS来提供栅压，其电压经过滤波器后，噪声比较大，致使背景噪声很大；带宽也比较窄，只有1K左右，不能达到所需要的要求。除此之外，还可以采用安捷伦的基本版的闪烁噪声测试系统，但这套设备的价格比较昂贵。

因此，希望提出一种闪烁噪声的测试设备及方法，降低测试成本，同时改善测试的效果。

发明内容

本发明提供了一种可以解决上述问题的闪烁噪声的测试设备及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种闪烁噪声的测试方法，该方法包括以下步骤：

a)测试待测器件的输出特性，确定器件的直流偏置条件；

b)根据步骤a)得到的直流偏置条件设置栅极偏置源，并通过低通滤波器接到器件的栅极上；

c)将器件的漏极连接到低噪声电流放大器的输入端，再将低噪声电流放大器的输出端连接到低噪声电压放大器的输入端，最后将低噪声电压放大器的输出端接到信号分析仪的输入端；

d)将低噪声电压放大器和信号分析仪的采样模式设置为直流模式；

e)将器件放在夹具上，打开栅极偏置源的电源，等待一定的时间；

f)打开低噪声电流放大器的电压源，为漏端提供偏置；

g)设置低噪声电压放大器的放大倍率为1，调节低噪声电流放大器的放大倍率使低噪声电压放大器的输出达到最大值；

h)时域采样，并计算出需要补偿的电流；

i)打开低噪声电流放大器的补偿电流源，设置需要补偿的电流，根据低噪声电流放大器带宽和放大倍率的关系将其的放大倍率设置为最大；

j)然后将低噪声电压放大器和信号分析仪的采样模式设置为交流模式；

k)调节低噪声电压放大器的放大倍率使低噪声电压放大器的输出达到最大值；

l)频域采样，读取数据；

m)改变漏端电压，重复步骤f)到步骤l)；

n)设置漏端电压为0，重复步骤f)到步骤l)；

o)改变栅极电压，重复步骤c)至步骤n)。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种闪烁噪声的测试设备，包括：

栅极偏置源，通过低通滤波器与待测器件的栅极相连；

低通滤波器，输入端和输出端分别与栅极偏置源和待测器件的栅极相连；

低噪音电流放大器，输入端和输出端分别与待测器件的漏极和低噪声电压放大器相连；

低噪声电压放大器，输入端和输出端分别于低噪声电流的放大器和信号分析仪相连；

信号分析仪，输入端与低噪声电压放大器的输出端相连；

测试器件探针台，用于对器件进行测试。

与现有技术相比，采用本发明提供的技术方案具有如下优点：通过利用探针台和安直流电源等实验室常用设备，再添加一台信号分析仪，低噪声电流放大器和低噪声电压放大器，就能搭建一个满足基本要求的噪声测试系统，为噪声提参和辐照对噪声的研究提供了一个测试平台。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为根据本发明的实施例的测试方法的流程图；

图2为根据本发明的实施例的测试设备的结构图；

图3为根据本发明的实施例的噪声测试仪器控制程序界面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。

根据本发明的一个方面，提供了一种半导体结构的制造方法。下面，将结合图2至图3通过本发明的一个实施例对图1形成闪烁噪声的测试方法进行具体描述。如图1所示，本发明所提供的测试方法包括以下步骤：

在步骤S101中，测试待测器件100的输出特性，确定器件的直流偏置条件。

具体地，所述待测器件是MOFFET器件，在本实施例中所采用的MOSFET器件是形成在SOI(绝缘衬底上的硅)上的。首先采用常规的电路测试方法测试所述待测器件的输出特性，并根据测试结果确定本测试系统要施加的直流偏置条件，包括栅极电压Vg和漏端电压Vds。

在步骤S102中，根据步骤S101得到的直流偏置条件设置栅极偏置源101，并通过低通滤波器102接到所述器件100的栅极上。

具体的，通过连接线将栅极偏置源的输出端同所述待测器件100的栅极连接起来，为待测器件提供栅极偏置电压。为了使加在栅极的电压更加的稳定，要对栅极偏置源的直流电压进行一个滤波，如此才能确定测量到噪声是器件本身所引起的噪声。然后将栅极偏置源的电压设置为步骤S101中得到的栅极电压Vg。

在步骤S103中，将所述器件的漏极连接到低噪声电流放大器103的输入端，再将低噪声电流放大器103的输出端连接到低噪声电压放大器104的输入端，最后将低噪声电压放大器104的输出端接到信号分析仪105的输入端。

具体的，连接方式如图2所示，待测器件的漏端连接到低噪声电流放大器103的输入端，用来将漏端电流转化为电压信号。然后再将低噪声电流放大器103的输出端接到低噪声电压放大器104的输入端，将低噪声电流放大器103输出的电压信号进行放大，这样后面的采用步骤将更容易进行。最后，将低噪声电压放大器104的输出端同信号分析仪105的输入端相连，来将时域的电压信号转换为频域的能量功率谱。

在步骤S104中，将低噪声电压放大器104和信号分析仪105的采样模式设置为直流模式。

具体的，因为低噪声电压放大器104和信号分析仪105包含有直流和交流两种工作模式，我们在此步中，首先将其工作模式设置为直流模式，这样直流信号和交流信号就都可以通过。

在步骤S105中，将所述待测器件100放在夹具上，打开栅极偏置源101的电源，等待一定的时间。

具体的，首先将待测器件用夹具固定起来，本领域技术人员可通过所述待测器件的参数自行设置夹具的尺寸，只要能确保待测器件固定的同时不影响其电学连接和测试即可。

在固定好待测器件后，打开栅极偏置源101的电源，并在步骤S102中设置的偏置电源稳定一定时间，在本实施例中，选取的稳定时间为5分钟，在其它实施例中，可以根据低通滤波器所需要的稳定时间的不同而进行改变。

在步骤S106中，打开低噪声电流放大器103的电压源，为漏端提供偏置。

具体的，打开低噪声电流放大器103的电压源，然后根据步骤S101中得到的漏端电压Vds来设置电压源的大小，为待测器件的漏端提供电压偏置。

在步骤S107中，设置低噪声电压放大器的放大倍率为1，调节低噪声电流放大器103的放大倍率使低噪声电压放大器104的输出达到最大值。

具体的，首先将低噪声电压放大器104的放大倍率设置为1，然后根据低噪声电压放大器的输出来调节低噪声电流放大器的放大倍率，当低噪声电压放大器的输出达到最大值时停止调节。

在步骤S108中，时域采样，并计算出需要补偿的电流。

具体的，对调节后的输出信号以一定的频率进行时域采样，并根据采样结果计算出需要补偿的电流。

在步骤S109中，打开低噪声电流放大器103的补偿电流源，设置需要补偿的电流，根据低噪声电流放大器103带宽和放大倍率的关系将其的放大倍率设置为最大。

具体的，首先打开低噪声电流放大器103中补偿电流源的开关，并根据步骤S108中计算得到的补偿电流的大小设置需要补偿的电流。然后根据低噪声电流放大器103的带宽和放大倍率的关系将它的放大倍率设置为最大。

在步骤S1010中，将低噪声电压放大器104和信号分析仪105的采样模式设置为交流模式。

具体的，将低噪声电压放大器104和信号分析仪105的采样模式从步骤S104中设置的直流模式改为交流模式，这样就可以去除信号中的直流成分，只放大或者采样信号中的交流成分。

在步骤S1011中，调节低噪声电压放大器104的放大倍率使低噪声电压放大器104的输出达到最大值。

具体的，在保持步骤S109中低噪声电流放大器103的放大倍率不变的情况下，调节低噪声电压放大器104的放大倍率，当低噪声电压放大器104的输出达到最大值时调节停止。

在步骤S1012中，频域采样，读取数据。

具体的，当输入到信号分析仪的时域信号经过处理得到频域的能量功率谱后，对其进行采样，得到我们需要数据。所得到的数据可以实时处理，或是先通过计算机进行存储，当所有数据收集完毕后再进行统一处理。

在步骤S1013中，改变漏端电压，重复步骤S106到步骤S1012。

具体的，在不改变步骤S105以及之前步骤的其它设置的前提下，调节步骤S106中所述的低噪声电流放大器103的电压源的大小，改变漏端电压，然后重复之后的步骤直到步骤S1012，测试获得待测器件在相同栅压下不同漏端电压下的噪声。具体的漏端电压的大小，本领域技术人员可根据待测器件参数的不同，以及测试精度的需要来自行确定。

在步骤S1014中，设置漏端电压为0，重复步骤S106到步骤S1012。

具体的，同步骤S1013相同，只是通过低噪声电流放大器的电压源来将漏端电压固定为0V，对背景噪声进行采样。

在步骤S1015中，改变栅极电压，重复步骤S103到步骤S1014。

具体的，改变在步骤S102中设置的栅极偏置源的大小，然后重复之后的步骤，测试待测器件在不同栅压下的噪声。

在本发明的实施例中，步骤是S106到步骤S1015可通过控制计算机来完成，只需要设计好控制软件即可，软件界面如图3所示，在开始测试前，需要设置好端电压，栅极电压，始终频率，采样模式等参数。在其它实施例中，也可以通过手动或是其它控制方式来完成步骤是S106到步骤S1015。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种SOIMOSFET器件闪烁噪声的测试设备，请参考图2。如图所示，该测试设备包括：

栅极偏置源101，通过低通滤波器102与待测器件100的栅极相连；

低通滤波器102，输入端和输出端分别与栅极偏置源101和待测器件100的栅极相连；

低噪音电流放大器103，输入端和输出端分别与待测器件100的漏极和低噪声电压放大器104相连；

低噪声电压放大器104，输入端和输出端分别于低噪声电流的放大器103和信号分析仪105相连；

信号分析仪105，输入端与低噪声电压放大器104的输出端相连；

测试器件探针台，用于对所述待测器件100进行测试。

具体地，在本实施例中，所述低噪声电流放大器103、低噪声电压放大器104和信号分析仪105可分别与计算机106相连，来实现测试过程的自动化。具体的连线方式如图2所示，其中低噪声电流放大器103、低噪声电压放大器104与计算机的连接线是RS232，信号分析仪105与计算机的连接线是CPIB。

待测器件漏端与低噪声电流放大器103、低噪声电流放大器103与低噪声电压放大器104以及低噪声电压放大器104与信号分析仪105的连线采用的是BNC线。在其他实施例中，本领域技术人员也可根据需要选择其它合适的连接线。

在本实施例中，所述栅极偏置源101采用的是安捷伦的直流电源分析仪N6705B，它的特点是输出的直流电压比较稳定，噪声比较小，因此可以有效减少由于栅极电压的波动而引起的漏端噪声。

所述低通滤波器102是1Hz的被动式滤波器，它的优点是噪声比较小，缺点是响应时间比较长，因此在使用时需要一定的稳定时间。所述低通滤波器的作用是把栅极偏置源的直流电压进行一个滤波，使加在栅极的电压更加的稳定，最大可能的消除噪声对最终测试结果带来的影响，以此确保测量到噪声是器件本身所引起的。

所述低噪声电流放大器103是斯坦福研究所的SR570，它的最大带宽可以达到1MHz,最小噪声可以达到1E‐24A^2/Hz,因此可以满足本发明测试系统的要求，它在测试设备当中所起的作用是将漏端的电流信号转化为电压信号。

所述低噪声电压放大器104是斯坦福研究所的SR560，低噪声电压放大器是测试系统中二级放大电路的核心仪器，它的作用是将低噪声电流放大器输出的电压信号进一步的放大，使得后续的采样步骤更容易进行，采样效果也更好。

所述动态信号分析仪(105)是HP35670，它在测试系统当中的主要作用是将时域的电压信号转换为频域的能量功率谱，并接受最后的频谱采样。

本实施例所采用的低噪声电压放大器和动态信号分析仪均至少包括直流和交流两种工作模式，其中直流模式的特征是直流信号和交流信号都可以通过，交流模式的特征是只有交流信号可以通过，可以去除信号中的直流成分，只放大或采样信号的交流成分。

本发明通过利用探针台和安直流电源等实验室常用设备，再添加一台信号分析仪，低噪声电流放大器和低噪声电压放大器，就能搭建一个满足基本要求的噪声测试系统，为噪声提参和辐照对噪声的研究提供了一个测试平台。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (5)

1.一种SOIMOSFET器件闪烁噪声的测试方法，该方法包括以下步骤：

a)测试待测器件(100)的输出特性，确定器件的直流偏置条件；

b)根据步骤a)得到的直流偏置条件设置栅极偏置源(101)，并通过低通滤波器(102)接到所述器件(100)的栅极上；

c)将所述器件的漏极连接到低噪声电流放大器(103)的输入端，再将低噪声电流放大器(103)的输出端连接到低噪声电压放大器(104)的输入端，最后将低噪声电压放大器(104)的输出端接到信号分析仪(105)的输入端；

d)将低噪声电压放大器(104)和信号分析仪(105)的采样模式设置为直流模式；

e)将所述待测器件(100)放在夹具上，打开栅极偏置源(101)的电源，等待一定的时间；

f)打开低噪声电流放大器(103)的电压源，为漏端提供偏置；

g)设置低噪声电压放大器的放大倍率为1，调节低噪声电流放大器(103)的放大倍率使低噪声电压放大器(104)的输出达到最大值；

h)时域采样，并计算出需要补偿的电流；

i)打开低噪声电流放大器(103)的补偿电流源，设置需要补偿的电流，根据低噪声电流放大器(103)带宽和放大倍率的关系将其的放大倍率设置为最大；

j)将低噪声电压放大器(104)和信号分析仪(105)的采样模式设置为交流模式；

k)调节低噪声电压放大器(104)的放大倍率使低噪声电压放大器(104)的输出达到最大值；

l)频域采样，读取数据；

m)改变漏端电压，重复步骤f)到步骤l)；

n)设置漏端电压为0，重复步骤f)到步骤l)；

o)改变栅极电压，重复步骤c)至步骤n)。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其中步骤d)所述的直流模式的特征是直流信号和交流信号都可以通过。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其中步骤e)所述的时间为5分钟。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其中步骤j)所述的交流模式的特征是只有交流信号可以通过。

5.根据权利要求1所述的测试方法，其中步骤f)到步骤o)可通过计算机(106)控制完成。