1. 引言

　　数位科技的进步，如微处理器运算效能不断提升，带给深入研发新一代MOSFET更多的动力，这也使得MOSFET本身的操作速度越来越快，几乎成为各种半导体主动元件中快的一种。MOSFET在数位讯号处理上主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明，这种结构的好处是理论上不会有静态的功率损耗，只有在逻辑门（logic gate）的切换动作时才有电流通过。CMOS逻辑门基本的成员是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS逻辑门的基本操作都如同反相器一样，同一时间内必定只有一种晶体管（NMOS或是PMOS）处在导通的状态下，另一种必定是截止状态，这使得从电源端到接地端不会有直接导通的路径，大量节省了电流或功率的消耗，也降低了积体电路的发热量。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、的测量方法和系统是非常必要的。

　　1925年，J.B.Johnson 在"低频电路中的肖特基效应"的论文中次提出了"1/f 噪声"这一术语。在考查肖特基效应时， J.B.Johnson 发现除了shot noise 以外，在低频部分还有较强烈的电流噪声。若使用氧化物阴极，该电流就更大。经过进一步的实验，J.B.Johnson 还发现这个在低频部分的电流噪声的功率谱密度和频率 f 成反比，因此，他把这种噪声称作"1/f 噪声"（"1/f noise"）。此后，人们发现，在碳酸电阻中流过的电流也表现出具有同真空管电流同样功率谱密度的电流噪声。相继， 在诸如风、光、地球的平均温度、宇宙射线的强度变化等各种自然现象中都观察到了"1/f 波动".而且在音乐的声音强弱和节奏变化中以及书法和水墨画等的浓淡空间分布变动中也发现了"1/f 波动"的变化规律。

　　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。

　　2. 噪声模型

　　在当今高速发展的信息时代，激烈的竞争带来的各方面压力经常使人处于一种高度疲劳状态。因此，人们渴望回归大自然，在和谐安逸的环境中缓解自我压力， 试图将"五感（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉）"调节至和谐的状态。宇宙中的"1/f 波动（1/f fluctuation ,1/f 噪声）"具有维系大环境平衡、和谐的重要作用，在国外，"1/f 波动"引起了科学家们的极大重视。1/f噪声也叫闪烁噪声（flicker noise），是有源器件中载波密度的随机波动而产生的，它会对中心频率信号进行调制，并在中心频率上形成两个边带，降低了振荡器的Q值。由于1/f噪声是在中心频率附近的主要噪声，因此在设计器件模型时必须考虑到它的影响。

　　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

　　NLEV=0 NLEV="1" NLEV="2噪声模型" 

　　(1)

　　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：

　　(2)

　　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，特别注意要限度地减少外界电磁噪声。

　　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。

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。

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。

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。

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。