1. 引言
MOSFET在模擬和射頻電路中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，MOSFET中的低頻噪聲，尤其是較高頻率的1/f噪聲，是模擬和射頻電路應(yīng)用中人們關(guān)注的重要因素。此外，隨著器件特征尺寸的縮小，1/f噪聲會(huì)大大增加[參考文獻(xiàn)1]。因此，在測量1/f噪聲時(shí)設(shè)計(jì)一套可靠的、重復(fù)性好的、精確的測量方法和系統(tǒng)是非常必要的。
過去幾年，人們研究出了多種1/f噪聲的測量方案和配置。例如，出現(xiàn)在1990年的配置方案[1]。這一配置采用SMU和兩個(gè)低通濾波器為漏極和柵極提供偏壓。通過一個(gè)前置放大器和一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀檢測漏極中的噪聲。第二種配置與第一種類似，只是采用了電池提供偏壓。在第三種解決方案中[2]，采用了多種關(guān)鍵組件，例如低噪聲放大器（LNA）、級(jí)聯(lián)二極管和濾波器。但是，這些已有的測量配置只能測量較高頻段的噪聲（例如高于100Hz）。
本文提出了一種新的可靠的
晶圓級(jí)1/f
噪聲測量方法和相應(yīng)的測試架構(gòu)，能夠測量低于100 Hz的低頻1/f噪聲。
1. 噪聲模型
關(guān)于1/f 噪聲的起源，人們提出了多種理論闡述，例如Whorter提出的載流子波動(dòng)理論[*]，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的Hooge的遷移率波動(dòng)理論[*]以及把這兩者結(jié)合的統(tǒng)一噪聲模型[1]。2003年，Wong發(fā)表了一篇關(guān)于1/f噪聲研究和最新進(jìn)展的綜述性論文[2]。
盡管Hooge的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在某些時(shí)候與模型一致，但是人們通常采用Whorter理論模擬MOSFET的1/f噪聲。例如，常用到的模擬軟件HSPICE中的噪聲模型就是基于Whorter理論的。表1給出了HSPICE中的噪聲模型。
表1. MOSFET中1/f噪聲的HSPICE表示
NLEV=0 NLEV=1 NLEV=2
噪聲模型
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(1)
根據(jù)這一方程，可以推導(dǎo)出一個(gè)固定頻率下的對(duì)數(shù)線性方程：
(2)
新的測量方法和架構(gòu)的目標(biāo)是提取方程式中的參數(shù)AF和KF。 這兩個(gè)參數(shù)可以改變功率譜中的頻 率提取到。 3. 測量架構(gòu)
a) 噪聲測量配置
噪聲測量配置是由吉時(shí)利的系列測量儀器構(gòu)成的，包括半導(dǎo)體特征分析系統(tǒng)KI4200-SCS、可編程低電流放大器KI428-PROG和低通濾波器，以及吉時(shí)利的ACS（自動(dòng)特征分析套件）軟件。在構(gòu)建這一配置時(shí)，特別注意要最大限度地減少外界電磁噪聲。 | 測試配置的原理圖如圖1所示，其中虛線表示ACS控制流，實(shí)線表示數(shù)據(jù)流。
b) 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
安裝了ACS軟件的KI 4200-SCS和KI 4200-SCP2，能夠完成提供輸入電壓，控制電流-電壓的測量，測量噪聲信號(hào)，控制電流放大器，和分析測試結(jié)果等工作。
我們采用一個(gè)KI 4200 SMU和一個(gè)0.5Hz濾波器提供器件的輸入偏壓。由于低通濾波器能夠消除所有高于0.5Hz的噪聲，因此1/f噪聲測量的精度大大提高了。采用一個(gè)金屬盒將該濾波器屏蔽起來以避免引入外界電磁干擾，這樣盡可能地使輸入偏壓為一直流偏壓。
采用一個(gè)探針臺(tái)測量晶圓級(jí)1/f噪聲。探針臺(tái)、DUT（待測器件）和濾波器都用電磁屏蔽金屬盒屏蔽起來，從而消除和減少了外部噪聲的干擾。
低電流放大器KI 428-PROG在1/f噪聲測量中具有重要的作用。KI 428-PROG是由內(nèi)部電池供電的，這樣，除了能用于放大DUT的電流噪聲，它還能夠提供DUT輸出端的偏壓。DUT的輸出端直接與KI 428-PROG的輸入端相連。KI 428-PROG能夠以2.5mV的分辨率提供范圍從-5V～5V的輸出電壓。因此，我們可以將DUT偏置在所需的電壓上，防止其受到交流線路的噪聲干擾。KI 428-PROG的增益可以在103～1011的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。由于KI 428-PROG配置了GPIB端口，因此ACS軟件可以通過IEEE-488總線對(duì)其進(jìn)行編程。428-PROG結(jié)合不同的偏壓能夠使器件工作在不同的區(qū)域。
KI 4200-SCP2與電流放大器的輸出端相連。KI 4200-SCP2是一個(gè)帶有嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器的雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器。因此在軟件控制下，這種示波器能夠監(jiān)測、捕捉和分析輸出信號(hào) c) 軟件控制
ACS（自動(dòng)特征分析套件）軟件平臺(tái)支持采用多種測試儀器的晶匣級(jí)、晶圓級(jí)和器件級(jí)半導(dǎo)體特征分析，支持基于半自動(dòng)和全自動(dòng)探針臺(tái)的自動(dòng)化參數(shù)測試。在安裝在吉時(shí)利4200-SCS上之后，它通過GPIB接口控制4200-SCS或外部測量儀器。由于KI-428具有GPIB控制端口，因此可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的噪聲測量系統(tǒng)。
我們將所有的測試?yán)叹幋a為一個(gè)測試模塊。在ACS測試環(huán)境中可以復(fù)制該模塊。通過設(shè)置不同條件下的一系列測試模塊，ACS能夠提供多種不同的測試模塊。采用屬于同一器件的模塊，可以在器件級(jí)對(duì)它們進(jìn)行測試。
4. 驗(yàn)證與討論
為了驗(yàn)證上述測試架構(gòu)，我們對(duì)各種偏壓條件下不同尺寸的nMOS和pMOS器件進(jìn)行了1/f噪聲特征分析和評(píng)測，并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖2給出了p型MOSFET漏極電流噪聲的測量結(jié)果。左圖給出了在ACS軟件的控制下KI 4200-SCP2在20個(gè)均值測量周期上捕捉到的噪聲電流信號(hào)。右圖是對(duì)這些測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換而得到的，該圖清晰地表明漏極的電流噪聲譜與頻率之間存在1/f相關(guān)性。
圖2. 對(duì)一個(gè)pMOS管測得的漏極電流噪聲
如前所述，我們測量的目標(biāo)是提取噪聲參數(shù)AF和KF。為了提取AF和KF，需要測量不同偏壓條件下的電流噪聲。圖3給出了不同偏壓下一個(gè)pMOS管的測量結(jié)果。
圖3. 不同柵極偏壓下測得的噪聲數(shù)據(jù)
為了分析柵氧電容相關(guān)性或進(jìn)行其他進(jìn)一步的研究，我們還測量了不同柵氧厚度下的1/f噪聲。圖4給出了不同柵氧厚度下的測試結(jié)果。
圖4. 不同柵氧厚度下pMOS器件的1/f噪聲測量數(shù)據(jù)
然后，我們就可以估算出1/f噪聲參數(shù)，建立不同的模擬模型。圖5給出了在一個(gè)p溝道MOSFET的強(qiáng)反型區(qū)中測得的漏極電流噪聲功率。
圖5. 漏極電流1/f噪聲與柵極偏壓的關(guān)系
5. 結(jié)束語
本文介紹了一種評(píng)測MOSFET 1/f噪聲的晶圓級(jí)測量方法和配置方案。這種測量技術(shù)可以在晶圓上自動(dòng)進(jìn)行。由于這種配置方案能夠測出低于100Hz的低頻噪聲分量，因此能夠有效提取到MOSFET的1/f噪聲。
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