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新的晶圆级1/f噪声测量法

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（＜1Ｈｚ），尤其是较高频率段（指在频谱图中的较高频率段）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。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。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，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洗衣粉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100Ｈｚ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。2003年，Ｈ．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。

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。

注：ＮＬＥＶ为ＨＳＰＩＣＥ的一个噪声方程选择器，用于选择需要用到的衬套噪声模型

一般而言，漏极电流的噪声频谱可以描述为

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，这两个参数可以通过改变偏压条件提取到。

2 测量架构及验证和讨论

2.1 测量架构

新能源产业地位不断提升

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。

测量配置的原理图如图1所示，图中虚线表示ＡＣＳ控制流，洁身器实线表示数据流。

安装了ＡＣＳ软件的ＫＩ4200-ＳＣＳ和ＫＩ4200-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。

本文采用一个ＫＩ4200ＳＭＵ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。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ＫＩ428-ＰＲＯＧ在1/ｆ噪声测量中具有重要的作用。ＫＩ428-ＰＲＯＧ的信号输入端能产生直流电压，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ＫＩ428-ＰＲＯＧ的输入端相连。ＫＩ428-ＰＲＯＧ能够以2.5ｍＶ的分辨率提供－5～5Ｖ的输出电压。因此，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。ＫＩ428-ＰＲＯＧ的增益可以在103～1011内进行调整。由于ＫＩ42我们的生产模式、经营模式、发展理念都在改变8-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。

ＫＩ4200-ＳＣＰ2与电流放大器的输出端相连。ＫＩ4200-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。

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。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。

本文将所有的测试例程编码为一东轻公司瞄准中高端市场和新兴领域个测试模块，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。

2.2 验证与讨论

为了验证上述测试架构，本文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。图2（ａ）给出了在ＡＣＳ软件的控制下ＫＩ4200-ＳＣＰ2在20个均值测量周期上捕捉到的噪声电流信号。图2（ｂ）是螺纹胶对这些测得的数据进行快速傅里叶变换而得到的，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。

如前所述，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。

为了分析栅氧电容相关性或进行其他进一步的研究，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。

然后，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。

3 结语

本文介绍了一种评测ＭＯＳＦＥＴ1/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级和器件级上自动进行。由于这种配置方案能够测出低于100Ｈｚ的低频噪声分量，并且，由于测试程序植入到自动特征分析套件ＡＣＳ中，因此能够快速有效地提取到ＭＯＳＦＥＴ的1/ｆ噪声。

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