1. 引言
MOSFET在模擬和射頻電路中得到了廣泛的應用。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用中人們關注的重要因素。此外，隨著器件特征尺寸的縮小，1/f噪聲會大大增加[參考文獻1]。因此，在測量1/f噪聲時設計一套可靠的、重復性好的、精確的測量方法和系統是非常必要的。
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，出現在1990年的配置方案[1]。這一配置采用SMU和兩個低通濾波器為漏極和柵極提供偏壓。通過一個前置放大器和一個動態信號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]，采用了多種關鍵組件，例如低噪聲放大器（LNA）、級聯二極管和濾波器。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1/f噪聲測量方法和相應的測試架構，能夠測量低于100 Hz的低頻1/f噪聲。
1. 噪聲模型
關于1/f 噪聲的起源，人們提出了多種理論闡述，例如Whorter提出的載流子波動理論[*]，基于實驗結果的Hooge的遷移率波動理論[*]以及把這兩者結合的統一噪聲模型[1]。2003年，Wong發表了一篇關于1/f噪聲研究和最新進展的綜述性論文[2]。
盡管Hooge的實驗結果在某些時候與模型一致，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)
根據這一方程，可以推導出一個固定頻率下的對數線性方程：
(2)
新的測量方法和架構的目標是提取方程式中的參數AF和KF。
這兩個參數可以改變功率譜中的頻 率提取到。
3. 測量架構
a) 噪聲測量配置
噪聲測量配置是由吉時利的系列測量儀器構成的，包括半導體特征分析系統KI4200-SCS、可編程低電流放大器KI428-PROG和低通濾波器，以及吉時利的ACS（自動特征分析套件）軟件。在構建這一配置時，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，實線表示數據流。
b) 測試系統設計
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，控制電流放大器，和分析測試結果等工作。
我們采用一個KI 4200 SMU和一個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。
采用一個探針臺測量晶圓級1/f噪聲。探針臺、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的范圍內進行調整。由于KI 428-PROG配置了GPIB端口，因此ACS軟件可以通過IEEE-488總線對其進行編程。428-PROG結合不同的偏壓能夠使器件工作在不同的區域。
KI 4200-SCP2與電流放大器的輸出端相連。KI 4200-SCP2是一個帶有嵌入式數字信號處理器的雙通道數字存儲示波器。因此在軟件控制下，這種示波器能夠監測、捕捉和分析輸出信號
c) 軟件控制
ACS（自動特征分析套件）軟件平臺支持采用多種測試儀器的晶匣級、晶圓級和器件級半導體特征分析，支持基于半自動和全自動探針臺的自動化參數測試。在安裝在吉時利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，因此可以實現自動化的噪聲測量系統。
我們將所有的測試例程編碼為一個測試模塊。在ACS測試環境中可以復制該模塊。通過設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，可以在器件級對它們進行測試。
4. 驗證與討論
為了驗證上述測試架構，我們對各種偏壓條件下不同尺寸的nMOS和pMOS器件進行了1/f噪聲特征分析和評測，并與模擬結果進行了對比。圖2給出了p型MOSFET漏極電流噪聲的測量結果。左圖給出了在ACS軟件的控制下KI 4200-SCP2在20個均值測量周期上捕捉到的噪聲電流信號。右圖是對這些測得的數據進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相關性。
圖2. 對一個pMOS管測得的漏極電流噪聲
如前所述，我們測量的目標是提取噪聲參數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pMOS管的測量結果。
圖3. 不同柵極偏壓下測得的噪聲數據
為了分析柵氧電容相關性或進行其他進一步的研究，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果。
圖4. 不同柵氧厚度下pMOS器件的1/f噪聲測量數據
然后，我們就可以估算出1/f噪聲參數，建立不同的模擬模型。圖5給出了在一個p溝道MOSFET的強反型區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系
5. 結束語
本文介紹了一種評測MOSFET 1/f噪聲的晶圓級測量方法和配置方案。這種測量技術可以在晶圓上自動進行。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。