高阻器件低頻噪聲測試技術(shù)與應(yīng)用研究--低頻噪聲測試技術(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。

本項研究工作從噪聲測試的角度來定義和劃分上述三類器件。常規(guī)噪聲測試方法和測試儀器能夠準(zhǔn)確測量等效阻值在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)噪聲測試原理，改進已有噪聲測試技術(shù)和測試方法還可以繼續(xù)測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，這是因為：①根據(jù)國內(nèi)外已有研究經(jīng)驗，能夠被常規(guī)噪聲測試方法和儀器準(zhǔn)確測量到噪聲的器件的阻值均小于10 ⁶歐②本人查閱過的所有文獻中，能用傳統(tǒng)電壓測試方法測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高阻器件的特殊噪聲測試方法。本研究中高阻器件阻值范圍的上限是10G，這是因為：對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說：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)計的噪聲測試方法可以準(zhǔn)確測量噪聲的器件阻值在10 ¹⁰歐以下。

1.2高阻樣品噪聲測試的需求

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，長時間過載應(yīng)力施加法等傳統(tǒng)的可靠性分析方法所需的時間在不斷增加，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試技術(shù)的可靠性分析手段以其相對于傳統(tǒng)方法獨特的優(yōu)勢體現(xiàn)出重要的研究價值和應(yīng)用意義。低頻噪聲測試技術(shù)擁有耗時短，對器件無損傷，對器件缺陷敏感的諸多優(yōu)勢，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試的需求主要來源于針對mos柵氧化層、高阻值電阻器、電容器這三類器件的噪聲測試。近年來國外已有研究證實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價值。

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

1.3國內(nèi)外高阻樣品噪聲測試技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

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

1.3.1應(yīng)用于電容器的測試技術(shù)現(xiàn)狀

目前針對電容的低頻噪聲測試技術(shù)主要采取的是一種間接測試噪聲的方法。這種方法讓來自電容的漏電流噪聲經(jīng)過一個大阻值電阻，從而在大阻值電阻上產(chǎn)生一個電壓波動，以此將漏電流噪聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷涸肼曅盘?，最后通過測試電壓噪聲信號來間接測試電容的漏電流噪聲。

電容的噪聲測試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀如下：已有研究發(fā)現(xiàn)對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)，因為研究中發(fā)現(xiàn)電容的噪聲量級與質(zhì)量成反比 。在另一個電容噪聲與壽命的關(guān)系的研究中，研究者測試了一批鋁電解電容在2Hz頻點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，說明噪聲對反向應(yīng)力所造成的介質(zhì)損傷非常敏感，可以用來篩選出性能較好的器件。另一份研究 將噪聲應(yīng)用于電容失效機理的分析。

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

針對大阻值電阻器的低頻噪聲測試技術(shù)是一種電壓噪聲測試技術(shù)。該測試技術(shù)的特點是一次測量兩個樣品的總電壓噪聲，并且能保證進入放大器的信號中的直流分量不會使放大器飽和。

大阻值電阻的噪聲測試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀如下：目前國外在航天領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)熱輻射儀分辨率會受到儀器內(nèi)部大阻值偏置電阻噪聲的限制，并以此為背景，提出了特殊的測試技術(shù)，測量了超大阻值電阻的低頻噪聲，并將這種噪聲測試方法測到的噪聲作為性能指標(biāo)對電阻進行篩選。該研究同時將噪聲量級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試技術(shù)實現(xiàn)了有價值的應(yīng)用。

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

針對MOS的噪聲測試技術(shù)普遍采用了用電流放大器測流過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充分放大，因此該技術(shù)被用來測試噪聲極其微弱的MOS類器件的柵漏電流噪聲。

MOS類器件的噪聲測試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀如下：近年來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理上有重要的研究價值，主要體現(xiàn)在三方面：第一，應(yīng)用于器件失效機理分析。有研究表明柵氧化層在擊穿前會產(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)生時間有一定關(guān)系。研究者們在爆裂噪聲的脈沖頻率達到一定臨界條件時，及時的消除電應(yīng)力使器件免于被擊穿，以此來更有效的觀察接近擊穿時器件性能的改變，從而可以更細致的研究導(dǎo)致?lián)舸┑脑?，進行失效機理研究。第二，作為性能指標(biāo)來表征可靠性。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，有研究測試了不同柵材料的低頻噪聲，以噪聲量級作為指標(biāo)，尋找低噪聲的材料來改進工藝。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）噪聲對系統(tǒng)影響越來越明顯。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。

第二章低頻噪聲測試技術(shù)理論

本章主要闡述了低頻噪聲的物理基礎(chǔ)、測試技術(shù)的要求和實現(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，器件內(nèi)部電荷會產(chǎn)生定向移動形成電流，但是該電流的瞬時值卻是隨機漲落的，因此測試器件兩端電壓時實際測得的是直流電壓V（或電流I）和隨機漲落導(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)載流子的隨機漲落和器件中的缺陷對載流子的隨機俘獲、釋放以及晶界勢壘對載流子的散射等多種原因?qū)е碌?。我們將這種電流的隨機漲落稱為噪聲。如圖2.1所示，將樣品R接入電路時，不僅有直流源V的作用，電路中還會產(chǎn)生低頻噪聲，一般將其等效為電路中的一個交流信號源V n。