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(cè)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(cè)量方法和系統(tǒng)是非常必要的。

　　過(guò)去幾年，人們研究出了多種1/f噪聲的測(cè)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(guò)一個(gè)前置放大器和一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀檢測(cè)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(cè)量配置只能測(cè)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(cè)量方法和相應(yīng)的測(cè)試架構(gòu)，能夠測(cè)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" 

　　(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(cè)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(cè)量架構(gòu)

　　a) 噪聲測(cè)量配置

　　噪聲測(cè)量配置是由吉時(shí)利的系列測(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)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(cè)量，測(cè)量噪聲信號(hào)，控制電流放大器，和分析測(cè)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(cè)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(lái)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(cè)量晶圓級(jí)1/f噪聲。探針臺(tái)、DUT（待測(cè)器件）和濾波器都用電磁屏蔽金屬盒屏蔽起來(lái)，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(cè)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(guò)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(cè)、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(cè)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(cè)試。在安裝在吉時(shí)利4200-SCS上之后，它通過(guò)GPIB接口控制4200-SCS或外部測(cè)量?jī)x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(cè)量系統(tǒng)。

　　我們將所有的測(cè)試?yán)叹幋a為一個(gè)測(cè)試模塊。在ACS測(cè)試環(huán)境中可以復(fù)制該模塊。通過(guò)設(shè)置不同條件下的一系列測(cè)試模塊，ACS能夠提供多種不同的測(cè)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(cè)試。

　　4. 驗(yàn)證與討論

　　為了驗(yàn)證上述測(cè)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(cè)，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(cè)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(cè)量周期上捕捉到的噪聲電流信號(hào)。右圖是對(duì)這些測(cè)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(cè)得的漏極電流噪聲

　　如前所述，我們測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果。

圖3. 不同柵極偏壓下測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果。

圖4. 不同柵氧厚度下pMOS器件的1/f噪聲測(cè)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(cè)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(yǔ)

　　本文介紹了一種評(píng)測(cè)MOSFET 1/f噪聲的晶圓級(jí)測(cè)量方法和配置方案。這種測(cè)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(cè)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。