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一种新的晶圆级1/f噪声测量方法

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发表在  2009-11-26 19:06:52  | 显示全部楼层 | 阅读模式

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摘要
本文提出了一种新的可靠的晶圆1/f噪声测量方法和架构。所提出的测试架构采用了吉时利的一系列仪器,包括4200-SCS、428和一个低通滤波器。并且采用了吉时利的自动特征分析套件(ACS)软件来控制测量仪器的操作,采集/分析测得的数据。由于所用的低通滤波器能够消除所有高于0.5 Hz的高频噪声,因此大大提高了1/f噪声的测量精度。利用这一测量架构能够在各种偏压条件下评测具有不同尺寸的NMOS和PMOS器件的1/f噪声特征。
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
    表1. MOSFET中1/f噪声的HSPICE表示

                                   
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    一般而言,漏极电流的噪声频谱可以用下列方程式来描述:

                                   
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    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:

                                   
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    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。

                                   
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    图1. 新的测量配置方案原理图
    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。
    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。

                                   
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    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。

                                   
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    图3. 不同栅极偏压下测得的噪声数据
    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。

                                   
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    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。

                                   
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    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。
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