半導(dǎo)體器件噪聲頻域和時(shí)域分析的新方法研究.pdf

1、噪聲是電路、器件，以至于其他自然和人造系統(tǒng)中普遍存在的物理現(xiàn)象，對(duì)其研究既具有科學(xué)意義，又有實(shí)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的研究，人們?cè)趲缀跛蓄?lèi)型的電子材料、電子元器件和電子整機(jī)中都可以觀測(cè)到噪聲的存在，電噪聲具有豐富的形式和內(nèi)容。對(duì)電噪聲的研究將拓寬和加深對(duì)噪聲的理解。本文將近年發(fā)展的信號(hào)處理方法應(yīng)用于半導(dǎo)體器件噪聲的分析，并探討其在可靠性表征方面的應(yīng)用。
　　 半導(dǎo)體器件噪聲的傳統(tǒng)分析方法是頻譜分析。頻譜的形狀參數(shù)是一類(lèi)廣泛使用

2、的頻譜參數(shù)。但是通過(guò)頻譜參數(shù)不能夠全面刻畫(huà)噪聲的特性，其原因如下：首先器件噪聲存在多種成分，它們?cè)陬l譜中可能會(huì)相互掩蓋，從而阻礙了某些噪聲成分參數(shù)的提?。黄浯坞S著噪聲成分的增多，頻譜形狀參數(shù)的提取日益困難，而且誤差越來(lái)越大，嚴(yán)重影響了噪聲分析結(jié)果的精度；最后隨著器件工藝的改進(jìn)、新型器件的出現(xiàn)以及噪聲分析手段的提高，人們?cè)谠絹?lái)越多的器件中發(fā)現(xiàn)了非高斯、非線(xiàn)性、非穩(wěn)態(tài)噪聲的存在，這些噪聲成分是功率譜分析方法所不能描述的。
　　 基于

3、上述原因，器件噪聲需要采用頻譜參數(shù)在內(nèi)的多個(gè)參量進(jìn)行表征。器件噪聲多參量表征的工作分為三個(gè)層面：一、采用各種頻域、時(shí)域和時(shí)頻分析方法，提出能夠反映噪聲不同特性的多個(gè)表征參量；二、將這些表征參量用于噪聲信號(hào)分析，提取信號(hào)的各種特性；三、與器件物理相結(jié)合，探討器件噪聲的微觀機(jī)制。
　　 圍繞器件噪聲的多參量表征，本文取得了三個(gè)方面的創(chuàng)新性研究結(jié)果：新的模型、新的方法應(yīng)用以及將它們用于器件噪聲分析后所獲得的新的結(jié)論。新的模型是指提出一

4、種氧化層邊緣陷阱按激活能分布的密度函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了MOSFET 1/fγ噪聲的模型，和基于邊緣陷阱俘獲-發(fā)射載流子熱激活動(dòng)力學(xué)過(guò)程的1/fγ噪聲Monte Carlo模擬方法，并得到了頻率指數(shù)γ可控的1/fγ漲落的噪聲時(shí)間序列。
　　 新的方法應(yīng)用是指在子波分析、高階統(tǒng)計(jì)量分析和復(fù)雜度分析方面所提出的新的表征參量。分述如下。
　　 1.基于子波變換，提出了子波極大模統(tǒng)計(jì)特性分析方法、平均Lipschitz指數(shù)分析

5、方法、子波相似系數(shù)分析方法、局部Lipschitz指數(shù)分析方法這4種分析方法。子波極大模統(tǒng)計(jì)特性分析方法刻畫(huà)了噪聲子波系數(shù)極大模的統(tǒng)計(jì)分布；局部Lipschitz指數(shù)刻畫(huà)了信號(hào)子波系數(shù)的跨尺度衰減特性，描述了信號(hào)的局部奇異性；平均Lipschitz指數(shù)刻畫(huà)了給定時(shí)間長(zhǎng)度的序列中子波系數(shù)平均跨尺度衰減特性，反映了信號(hào)的整體奇異性；而子波相似系數(shù)刻畫(huà)了兩個(gè)信號(hào)的子波極大模在個(gè)數(shù)和幅值之間的匹配程度，反映了兩個(gè)信號(hào)的相似程度。
　　

6、2.提出了電子器件噪聲高斯性和線(xiàn)性的定量分析方法，采用了雙相干系數(shù)平方和(S)這一表征參量。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬噪聲信號(hào)的分析，給出了依據(jù)S值對(duì)器件噪聲分類(lèi)的定量標(biāo)準(zhǔn)，即S 值處于：區(qū)間(0,2)內(nèi)為線(xiàn)性高斯信號(hào)；區(qū)間(2,60)內(nèi)為非線(xiàn)性高斯信號(hào)；區(qū)間(60,500)內(nèi)為線(xiàn)性非高斯信號(hào)；區(qū)間(500,+∞)內(nèi)為非線(xiàn)性非高斯信號(hào)。將這種分析方法用于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電子器件噪聲信號(hào)分析中，表明器件噪聲中廣泛存在這四種類(lèi)型的信號(hào)，并可以用該方法進(jìn)行有效

7、區(qū)分。
　　 3.實(shí)現(xiàn)并改進(jìn)了LZ復(fù)雜度分析方法和漲落復(fù)雜度分析方法，通過(guò)它們可以有效地刻畫(huà)信號(hào)的復(fù)雜度。在計(jì)算漲落復(fù)雜度時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的均值二進(jìn)制粗?；岢隽瞬罘执至；绞?，并進(jìn)行了分析驗(yàn)證。
　　 新的結(jié)論是指將上述分析方法用于MOSFET實(shí)際測(cè)試噪聲信號(hào)所獲得的結(jié)論，分述如下。
　　 1.根據(jù)子波極大模統(tǒng)計(jì)分析方法的分析結(jié)果可知：1)nMOSFET和pMOSFET的子波極大模統(tǒng)計(jì)結(jié)果均與RTS疊加模型的結(jié)

8、果相接近；2)輻照沒(méi)有改變nMOSFET和pMOSFET的低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)制；3)輻照沒(méi)有在MOSFET材料中引入新的缺陷類(lèi)型，而是使原有類(lèi)型缺陷增多或使散射增強(qiáng)，其中nMOSFET的輻照損傷大于pMOSFET。
　　 2.根據(jù)雙相干系數(shù)平方和的分析結(jié)果可知：nMOSFET器件噪聲存在非高斯性；小尺寸器件噪聲的非高斯性強(qiáng)于大尺寸器件；在器件的線(xiàn)性區(qū)，其非高斯性隨著漏壓的增加而增加。這一現(xiàn)象是由數(shù)學(xué)上的中心極限定理和器件噪聲的微觀機(jī)

9、制所共同決定的。
　　 3.根據(jù)LZ復(fù)雜度分析方法的分析結(jié)果可知：MOSFET在線(xiàn)性區(qū)噪聲的LZ值隨著漏壓的增大而減小，隨著柵壓的增大而增大；nMOSFET噪聲LZ值的變化幅度要大于pMOSFET。
　　 4．漲落復(fù)雜度分析方法有兩個(gè)表征參量：漲落復(fù)雜度(FC)和平均信息增益(mIG)。其結(jié)論如下：隨著漏壓的增加，MOSFET噪聲的FC值減小，mIG值增加，其C-R值向Bernoulli曲線(xiàn)的右下方移動(dòng)；隨著柵壓的增加，