使用 B1500A WGFMU 模块测量先进 MOSFET 的随机电报噪声（RTN）

使用 B1500A WGFMU 模块测量先进 MOSFET 的随机电报噪声（RTN）

引言

随机电报噪声（RTN）是高级 MOSFET 中出现的一种电子噪声。它是因捕获和发射陷入栅氧化层的载流子而产生的，通常表现为叠加在大信号上的小信号。精确测量和评测整个晶圆上的 RTN 非常重要，因为 RTN 会严重影响器件的可靠性。RTN 不仅对晶体管的可靠性有重要影响，还会影响到包含 CMOS 图像传感器、闪存等元器件的电路的可靠性。

为了得到可靠的电路设计，您需要考虑留下适当的裕量来抵消 RTN 的影响。如果裕量设置得太低，RTN 可能会导致器件失效。如果裕量设置得太高，那么多余的裕量又会限制器件的性能。最近业界在低功耗技术方面取得了新的突破，使得电子设备的驱动电压得以降低，工作裕量也随之下降。但这也要求我们更精确、更详细地测量和评测 RTN，以便实现可靠的电路设计。

当前的 RTN 测量解决方案由用户配置的仪器装置组成，通常包括低噪声电源、电流电压转换器和示波器（或电压采样器）等器件。不过，这样的测量解决方案很难得到稳定和一致的结果。其中最主要的原因是元器件没有经过很好的校准，甚至整个系统都没有经过校准。此外，由多种仪器构成的 RTN 测量解决方案很容易产生测量误差。因为它们的电缆连接非常复杂，单个仪器元器件的误差累积起来形成了总体误差。因此，为了获取一致的 RTN 数据，工程师们迫切需要一款现成的独立 RTN 解决方案，而且这个解决方案应具有可保证的技术指标。

处于研发阶段的先进器件目前还无法在晶圆上稳定地制造出来。您必须详细地测量和分析晶圆上的各种器件，为此迫切需要实现自动 RTN 测量。B1530A 波形发生器/快速测量单元（WGFMU）是 B1500A 半导体器件分析仪的一个高级模块。有了这个模块，您无需使用任何其他测量设备即可进行 RTN 测量。WGFMU 模块的本底噪声还不到 0.1 mV（rms），电流测量采样率在 1 S/s 到 200 MS/s 之间，带宽从直流一直达到 16 MHz。这些测量功能加上每通道能够存储最多 400 万个点的深测量存储器，使 B1500A 的 WGFMU 模块能够在很宽的频率范围内测量 RTN。此外，WGFMU 模块还配有示范的 RTN 分析软件，方便您立即开始 RTN 分析。

E4727E3 软件专为配有 WGFMU 的 B1500A 开发，并提供了 RTN 自动测量功能。它包括晶圆探头控制功能，支持您执行低成本的晶圆上自动 RTN 测量。这样可以显著提高 RTN 测量和数据分析的效率。本应用指南介绍了如何使用 B1500A 的 WGFMU 模块来测量 RTN，并给出了一些实际测量示例。本应用指南还介绍了一个使用 WGFMU 和 E4727E3 软件的晶圆上自动 RTN 测量解决方案。

使用 B1500A 的 WGFMU 模块测量 RTN

B1500A 的 WGFMU 模块本底噪声不到 0.1 mV（rms），其电流测量采样率为 1 S/s 到 200 MS/s，带宽为直流到 16 MHz。凭借这些功能和每个通道最多可存储 400 万点的深测量存储器，B1500A 的 WGFMU 模块能够测量 1 Hz 以下到多 MHz 频率范围内的 RTN。

B1500A 的 WGFMU 解决方案由 WGFMU 模块以及两个远程感应和开关单元（RSU）组成。主机中包含的 WGFMU 模块生成任意波形，这些波形随后通过电缆传输给 RSU。RSU 执行实际的电流或电压测量，它独立于 WGFMU 模块，因此可以放置在被测器件（DUT）附近，以尽量减少电缆长度，确保精确的高速测量。由于每个 WGFMU 模块能支持两个 RSU，因此只要将一个RSU 接栅极，另一个 RSU 接漏极，就能用单个 WGFMU 模块来测量 MOSFET 上的 RTN。在这种情况下，衬底（或基底）和源极端子应连接到同轴电缆外部屏蔽的公共（接地）层（参见图 2）。一台 B1500A 最多可以安装 5 个 WGFMU 模块，提供最多 10 个通道。

B1500A 的 WGFMU 模块还装有示范软件，用于测量和分析 RTN（参见图 3）。通过这个示范软件，用户可以使用 WGFMU 模块立即开始 RTN 评测。图 4 是 WGFMU 和 RSU 的简化电路图。WGFMU 具有任意线性波形发生器（ALWG）的电压生成能力，ALWG 生成的波形通过 RSU 输出。RSU 执行实际的电流或电压测量。WGFMU 有两种操作模式：PG 模式和快速 IV 模式。PG 模式能以非常快的速度测量电压，且输出阻抗为 50 欧姆，可以最大程度减少波形反射。与 PG 模式相比，快速 IV 模式的测量速度稍慢一点，波形上升实际/下降时间也比较长，但它可以同时测量电流和电压。

RTN 数据分析软件

该软件可以对 B1500A 的 WGFMU 模块测得的漏极电流执行时域和频域分析，并能自动显示提取的参数。

• 直观的时域数据和数字化数据
• 功率分布
• 电平和出现率（appearance）直方图
• 捕获和发射时间常数及其比率的直方图

实用测量注意事项

为了执行精确的 RTN 测量，我们必须考虑方方面面因素的影响，例如测量设备的性能、被测器件的特性以及环境噪声。在下面的章节中，我们将介绍如何减小这些因素的影响。

测量设备和环境噪声

如果要测量的 RTN 低于电流测量本底噪声，那么您就无法观察到 RTN。图 5 为 B1500A 中WGFMU 模块在不同电流量程内的本底噪声。要进行 RTN 测量，务必要选择合适的量程。注意：这是补充数据，不是模块保证的技术指标。此外，其他环境因素（如震动和电磁干扰）也会影响 RTN 测量。要消除震动带来的噪声，应当使用能够防震的半自动晶圆探头。要消除电磁干扰，应尽量缩小电流测量环路。要缩短电流回路，可以将 WGFMU 模块和 RSU 之间的电缆捆在一起，并将 MOSFET 衬底和源极焊盘连接到栅极和漏极信号线的屏蔽层上，这样可以在被测器件附近建立一个电流回路。

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