1. 引言

　　數(shù)位科技的進(jìn)步，如微處理器運(yùn)算效能不斷提升，帶給深入研發(fā)新一代MOSFET更多的動(dòng)力，這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快，幾乎成為各種半導(dǎo)體主動(dòng)元件中快的一種。MOSFET在數(shù)位訊號(hào)處理上主要的成功來自CMOS邏輯電路的發(fā)明，這種結(jié)構(gòu)的好處是理論上不會(huì)有靜態(tài)的功率損耗，只有在邏輯門（logic gate）的切換動(dòng)作時(shí)才有電流通過。CMOS邏輯門基本的成員是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS邏輯門的基本操作都如同反相器一樣，同一時(shí)間內(nèi)必定只有一種晶體管（NMOS或是PMOS）處在導(dǎo)通的狀態(tài)下，另一種必定是截止?fàn)顟B(tài)，這使得從電源端到接地端不會(huì)有直接導(dǎo)通的路徑，大量節(jié)省了電流或功率的消耗，也降低了積體電路的發(fā)熱量。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、的測量方法和系統(tǒng)是非常必要的。

　　1925年，J.B.Johnson 在"低頻電路中的肖特基效應(yīng)"的論文中次提出了"1/f 噪聲"這一術(shù)語。在考查肖特基效應(yīng)時(shí)， J.B.Johnson 發(fā)現(xiàn)除了shot noise 以外，在低頻部分還有較強(qiáng)烈的電流噪聲。若使用氧化物陰極，該電流就更大。經(jīng)過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，J.B.Johnson 還發(fā)現(xiàn)這個(gè)在低頻部分的電流噪聲的功率譜密度和頻率 f 成反比，因此，他把這種噪聲稱作"1/f 噪聲"（"1/f noise"）。此后，人們發(fā)現(xiàn)，在碳酸電阻中流過的電流也表現(xiàn)出具有同真空管電流同樣功率譜密度的電流噪聲。相繼， 在諸如風(fēng)、光、地球的平均溫度、宇宙射線的強(qiáng)度變化等各種自然現(xiàn)象中都觀察到了"1/f 波動(dòng)".而且在音樂的聲音強(qiáng)弱和節(jié)奏變化中以及書法和水墨畫等的濃淡空間分布變動(dòng)中也發(fā)現(xiàn)了"1/f 波動(dòng)"的變化規(guī)律。

　　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。

　　2. 噪聲模型

　　在當(dāng)今高速發(fā)展的信息時(shí)代，激烈的競爭帶來的各方面壓力經(jīng)常使人處于一種高度疲勞狀態(tài)。因此，人們渴望回歸大自然，在和諧安逸的環(huán)境中緩解自我壓力， 試圖將"五感（視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺）"調(diào)節(jié)至和諧的狀態(tài)。宇宙中的"1/f 波動(dòng)（1/f fluctuation ,1/f 噪聲）"具有維系大環(huán)境平衡、和諧的重要作用，在國外，"1/f 波動(dòng)"引起了科學(xué)家們的極大重視。1/f噪聲也叫閃爍噪聲（flicker noise），是有源器件中載波密度的隨機(jī)波動(dòng)而產(chǎn)生的，它會(huì)對中心頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并在中心頻率上形成兩個(gè)邊帶，降低了振蕩器的Q值。由于1/f噪聲是在中心頻率附近的主要噪聲，因此在設(shè)計(jì)器件模型時(shí)必須考慮到它的影響。

　　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噪聲特征分析和評測，并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。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。