測(cè)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(cè)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(cè)量，測(cè)量噪聲信號(hào)，控制電流放大器，和分析測(cè)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(cè)量的精度大大提高了。采用一個(gè)金屬盒將該濾波器屏蔽起來(lái)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(cè)量晶圓級(jí)1/f噪聲。探針臺(tái)、DUT（待測(cè)器件）和濾波器都用電磁屏蔽金屬盒屏蔽起來(lái)，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(cè)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(guò)IEEE-488總線對(duì)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(cè)、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(cè)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(cè)試。在安裝在吉時(shí)利4200-SCS上之后，它通過(guò)GPIB接口控制4200-SCS或外部測(cè)量?jī)x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(cè)量系統(tǒng)。
我們將所有的測(cè)試?yán)叹幋a為一個(gè)測(cè)試模塊。在ACS測(cè)試環(huán)境中可以復(fù)制該模塊。通過(guò)設(shè)置不同條件下的一系列測(cè)試模塊，ACS能夠提供多種不同的測(cè)試模塊。采用屬于同一器件的模塊，可以在器件級(jí)對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試。
4. 驗(yàn)證與討論
為了驗(yàn)證上述測(cè)試架構(gòu)，我們對(duì)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(píng)測(cè)，并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖2給出了p型MOSFET漏極電流噪聲的測(cè)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(cè)量周期上捕捉到的噪聲電流信號(hào)。右圖是對(duì)這些測(cè)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(duì)一個(gè)pMOS管測(cè)得的漏極電流噪聲
如前所述，我們測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果。

 
圖3. 不同柵極偏壓下測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果。

 
圖4. 不同柵氧厚度下pMOS器件的1/f噪聲測(cè)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(cè)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(yǔ)
本文介紹了一種評(píng)測(cè)MOSFET 1/f噪聲的晶圓級(jí)測(cè)量方法和配置方案。這種測(cè)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(cè)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。