通过统计单缺陷谱研究低温CMOS器件中的低频噪声
介观与纳米尺度物理
2025-10-24 v2 应用物理
摘要
低温CMOS器件中的高1/f噪声是设计低温应用复杂电路时需要控制的关键参数。当前模型预测1/f噪声与温度成线性关系，并且栅氧化层缺陷预计在低温下会冻结。然而，反复观察到1/f噪声偏离了预测行为，并且栅氧化层缺陷在4.2 K左右仍然活跃，产生随机电报噪声。在本文中，我们探测了2500个nMOS器件在低至5 K温度下的单个栅氧化层缺陷，以研究低温CMOS器件中1/f噪声的起源。从我们的结果可以清楚地看出，在低温下活跃并导致随机电报噪声的缺陷数量比在300 K时更多。由带电缺陷引起的阈值电压漂移呈指数分布，在不同温度和偏压下具有不同的模态：从300 K时的单模态到100 K以下的三模态。第三种模态在渗流理论的框架下进行解释。通过拟合这些分布，表明超过80%的检测到的缺陷属于氧化物体。随后，从时域原始数据开始，我们重建了低频噪声谱，突出了属于不同分支，因此属于不同氧化层的缺陷的贡献。该分析表明，尽管界面陷阱和与第三种模态相关的大缺陷是5 K下1/f噪声的主要来源，但体氧化物缺陷在低温下仍然对低频噪声有显著贡献。最后，我们表明缺陷时间常数和步长高度是不相关的，证明了电荷俘获的弹性隧穿模型并不准确。
引用
@article{arxiv.2505.04030,
title = {Investigation of Low Frequency Noise in CryoCMOS devices through Statistical Single Defect Spectroscopy},
author = {Edoardo Catapano and Anirudh Varanasi and Philippe Roussel and Robin Degraeve and Yusuke Higashi and Ruben Asanovski and Ben Kaczer and Javier Diaz Fortuny and Michael Waltl and Valeri Afanasiev and Kristiaan De Greve and Alexander Grill},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.04030},
year = {2025}
}