一种新的晶圆级1/f噪声测量方法

1. 引言
MOSFET在模拟和射频电路中得到了广泛的应用。但是，MOSFET中的低频噪声，尤其是较高频率的1/f噪声，是模拟和射频电路应用中人们关注的重要因素。此外，随着器件特征尺寸的缩小，1/f噪声会大大增加[参考文献1]。因此，在测量1/f噪声时设计一套可靠的、重复性好的、精确的测量方法和系统是非常必要的。
过去几年，人们研究出了多种1/f噪声的测量方案和配置。例如，出现在1990年的配置方案[1]。这一配置采用SMU和两个低通滤波器为漏极和栅极提供偏压。通过一个前置放大器和一个动态信号分析仪检测漏极中的噪声。第二种配置与第一种类似，只是采用了电池提供偏压。在第三种解决方案中[2]，采用了多种关键组件，例如低噪声放大器（LNA）、级联二极管和滤波器。但是，这些已有的测量配置只能测量较高频段的噪声（例如高于100Hz）。
本文提出了一种新的可靠的晶圆级1/f噪声测量方法和相应的测试架构，能够测量低于100 Hz的低频1/f噪声。
1. 噪声模型
关于1/f 噪声的起源，人们提出了多种理论阐述，例如Whorter提出的载流子波动理论[*]，基于实验结果的Hooge的迁移率波动理论[*]以及把这两者结合的统一噪声模型[1]。2003年，Wong发表了一篇关于1/f噪声研究和最新进展的综述性论文[2]。
尽管Hooge的实验结果在某些时候与模型一致，但是人们通常采用Whorter理论模拟MOSFET的1/f噪声。例如，常用到的模拟软件HSPICE中的噪声模型就是基于Whorter理论的。表1给出了HSPICE中的噪声模型。
表1. MOSFET中1/f噪声的HSPICE表示
 NLEV=0 NLEV=1 NLEV=2
噪声模型  
 
 

(1) 根据这一方程，可以推导出一个固定频率下的对数线性方程：   (2) 新的测量方法和架构的目标是提取方程式中的参数AF和KF。 这两个参数可以改变功率谱中的频 率提取到。 3. 测量架构 a) 噪声测量配置 噪声测量配置是由吉时利的系列测量仪器构成的，包括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，以及吉时利的ACS（自动特征分析套件）软件。在构建这一配置时，特别注意要最大限度地减少外界电磁噪声。 测试配置的原理图如图1所示，其中虚线表示ACS控制流，实线表示数据流。

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b) 测试系统设计
安装了ACS软件的KI 4200-SCS和KI 4200-SCP2，能够完成提供输入电压，控制电流-电压的测量，测量噪声信号，控制电流放大器，和分析测试结果等工作。
我们采用一个KI 4200 SMU和一个0.5Hz滤波器提供器件的输入偏压。由于低通滤波器能够消除所有高于0.5Hz的噪声，因此1/f噪声测量的精度大大提高了。采用一个金属盒将该滤波器屏蔽起来以避免引入外界电磁干扰，这样尽可能地使输入偏压为一直流偏压。
采用一个探针台测量晶圆级1/f噪声。探针台、DUT（待测器件）和滤波器都用电磁屏蔽金属盒屏蔽起来，从而消除和减少了外部噪声的干扰。
低电流放大器KI 428-PROG在1/f噪声测量中具有重要的作用。KI 428-PROG是由内部电池供电的，这样，除了能用于放大DUT的电流噪声，它还能够提供DUT输出端的偏压。DUT的输出端直接与KI 428-PROG的输入端相连。KI 428-PROG能够以2.5mV的分辨率提供范围从-5V～5V的输出电压。因此，我们可以将DUT偏置在所需的电压上，防止其受到交流线路的噪声干扰。KI 428-PROG的增益可以在103～1011的范围内进行调整。由于KI 428-PROG配置了GPIB端口，因此ACS软件可以通过IEEE-488总线对其进行编程。428-PROG结合不同的偏压能够使器件工作在不同的区域。
KI 4200-SCP2与电流放大器的输出端相连。KI 4200-SCP2是一个带有嵌入式数字信号处理器的双通道数字存储示波器。因此在软件控制下，这种示波器能够监测、捕捉和分析输出信号

c) 软件控制
ACS（自动特征分析套件）软件平台支持采用多种测试仪器的晶匣级、晶圆级和器件级半导体特征分析，支持基于半自动和全自动探针台的自动化参数测试。在安装在吉时利4200-SCS上之后，它通过GPIB接口控制4200-SCS或外部测量仪器。由于KI-428具有GPIB控制端口，因此可以实现自动化的噪声测量系统。
我们将所有的测试例程编码为一个测试模块。在ACS测试环境中可以复制该模块。通过设置不同条件下的一系列测试模块，ACS能够提供多种不同的测试模块。采用属于同一器件的模块，可以在器件级对它们进行测试。
4. 验证与讨论
为了验证上述测试架构，我们对各种偏压条件下不同尺寸的nMOS和pMOS器件进行了1/f噪声特征分析和评测，并与模拟结果进行了对比。图2给出了p型MOSFET漏极电流噪声的测量结果。左图给出了在ACS软件的控制下KI 4200-SCP2在20个均值测量周期上捕捉到的噪声电流信号。右图是对这些测得的数据进行快速傅立叶变换而得到的，该图清晰地表明漏极的电流噪声谱与频率之间存在1/f相关性。

 
图2. 对一个pMOS管测得的漏极电流噪声
如前所述，我们测量的目标是提取噪声参数AF和KF。为了提取AF和KF，需要测量不同偏压条件下的电流噪声。图3给出了不同偏压下一个pMOS管的测量结果。

 
图3. 不同栅极偏压下测得的噪声数据[page]

为了分析栅氧电容相关性或进行其他进一步的研究，我们还测量了不同栅氧厚度下的1/f噪声。图4给出了不同栅氧厚度下的测试结果。

 
图4. 不同栅氧厚度下pMOS器件的1/f噪声测量数据
然后，我们就可以估算出1/f噪声参数，建立不同的模拟模型。图5给出了在一个p沟道MOSFET的强反型区中测得的漏极电流噪声功率。

 
图5. 漏极电流1/f噪声与栅极偏压的关系
5. 结束语
本文介绍了一种评测MOSFET 1/f噪声的晶圆级测量方法和配置方案。这种测量技术可以在晶圆上自动进行。由于这种配置方案能够测出低于100Hz的低频噪声分量，因此能够有效提取到MOSFET的1/f噪声。