由国集成电路 Ｃｈｉ１３８ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ 设计 谢凯翔 （是德科技） １ 引言 随机电报信号（ＲＴＳ）在±１之间随机变动，并 且有数个零点．在任意时间间隔内都能用泊松过程 来描述。随机电报信号噪声（也称突发或跳跃噪 声）具有ＲＴＳ特征，主要特点是作用在大的信号上 附加低电平信号。在ＣＭＯＳ图像传感器（也称有源 像素传感器）中，ＲＴＳ噪声会在本该是黑色的地方 产生错误的白点。随着半导体元件的微型化，ＭＯＳ— ＦＥＴ中随机电报信号噪声的影响越来越严重。 至今，ＲＴＳ噪声测量南一系列自定义的元件组 成，常见的有：低噪声电源、变压器电流和示波器 图１放大电路中ＲＴＳ噪声导致的像素偏差 （或电 表）。但是，这些测量元件很难保证稳定和 始终如一的测量结果。这主要是因为元件或整个系 统的校准略显不足。另外，由于元件的结构复杂性 和单个元件中误差相累加的总误差，多重元件中的 随机噪声都很容易造成ＲＴＳ测量错误。因此．为了 尺寸，从而提高信噪比。通过这些方法我们能减小 ＭＯＳＦＥＴ的尺寸，从而让它对ＲＴＳ噪声更加敏感。 １．２ ＲＴＳ噪声的物理特性 ＭＯＳＦＥＴ中的ＲＴＳ噪声可以理解为阈值电压 的改变，这有可能是随机的，也有可能是因为ＭＯＳ— ＦＥＴ中绝缘层间接收到的发射电子（见网２）。 由于单个电子被俘获造成的Ｖｔｈ变化可以用方 采集一致的ＲＴＳ噪声数据，需要一个实时的、能确 保ＲＴＳ噪声处理规格的解决方案。 １．１ ＣＭＯＳ图像传感器中的随机噪声 在当代的ＣＭＯＳ图像传感器中，ＲＴＳ噪声是噪 声源中对像素影响最大的噪声干扰。每个ＣＭＯＳ图 像传感器都有一个读出放大器用来放大从图像二极 管获得的光电流信号（参见图１）。为了提高像素密 度，我们必须缩小放大器并尽量增大光电二极管的 程式１来描述。 ｔ 这里ｑ是电子电荷．Ｌ是栅长，ｗ是栅宽．Ｃｏｘ 是栅电容。从方程式可以清楚地看出随着元件收缩 Ｖｔｈ反而变大。由于发射电子的俘获可能是微秒至 和两个遥感器和开关装置（ＲＳ｛：）卡勾成 ＷＧＦＭＵ模 导带Ｅｃ 组安装在丰机上，它 ｚ－＇ｔ５ｔ』 －成任意波形，片将这些波形 通过电缆传送至ＲＳ１１ 、ＲＳ［１执行实际电流或电压测 量，它于ＷＧＦＭＵ模组，因此可以将它放在被测 元件（ＤＵＴ）附近，尽量减少电缆长度，以确保精确 费米能级Ｅｆ 的高速测最。由于每个ＷＧＦＭＵ模组能支持两个 ＲＳＵ，因此只要将一个ＲＳ１Ｌｆ接栅极，另一个ＲＳＵ接 栅极 绝缘层 衬底 漏极，就能用ＷＧＦＭＩ１模组测量ＭＯＳＦＥＴ的ＲＴＳ噪 声了。这样的话，衬底（或基底）和源极端子就应 图２能带转移电荷陷阱生成的ＲＴＳ噪声 秒级别，一些由ＲＴＳ噪声造成的像素缺失可能会傲 肉眼观察到 连接到同轴电缆的外接地屏蔽上（参 罔３） 一个 Ｂ１５００Ａ丰机最多可以发装５个Ｗ（；ＦＭＩＩ模组，也 就是说最多１０个通道： ２利用Ｂ１ ５００Ａ的ＷＧＦＭＵ模组 测量ＲＴＳ噪声 半导体器件分析仪Ｂ１５００Ａ的ＷＧＦＭＵ模组噪 声不到０．１ ｍＶ（ｒｉｌｌｓ），电流测量取样频率在１ Ｓｉｓ至 Ｒ ｌ ２００ ＭＳ／ｓ之间，带宽在ＤＣ一１６ＭＨｚ之间。Ｂ１５００Ａ的 ＷＧＦＭＵ模组每个通道有４Ｍ的洲量存储器，Ｉ 此 图３单个Ｂ１ ５００Ａ ＷＧＦＭＵ模组构成的ＲＴＳ噪声测量系统 它能测量ｌＨｚ以下到多个ＭＨｚ频率范围内的ＲＴＳ 噪声。 Ｂ １５００Ａ的ＷＧＦＭＵ模组配有洲｛ 和分析ＲＴＳ 噪声的软件（参见 ４） 可以 该软件 利ｊｆｊ ＷＧＦＭ【＿模组进行ＲＴＳ噪声评估 Ｂ１５００Ａ的ｗ（；ＦＭＵ解决方案由ＷＧＦＭＵ模组 图４分析ＲＴＳ噪声特性的抽样程序 极快Ｉ／ｖｌ测量模式 极块Ｉ／Ｖ Ｖ测量曩式 图５ ＷＧＦＭＵ模组的简单电路图 图５是ＷＧ ＦＭＵ和ＲＳＵ的简单电路图。 ＷＧＦＭＵ有任意线性波形发生器（ＡＬＷＧ）的电压 产生能力，事实』二，ＡＬＷ（一 ．的波形产 量超过ＲＳＵ。 ＲＳＵ执行实际的电流和电 测量。ＷＧＦＭＵ有两种 操作模式：ＰＧ模式和极速ＩＶ模式。ＰＧ模式整合了 极快速测量能力和５０欧姆的的输出阻抗，尽量减少 波形反射。和ＰＧ模式相比．快速ＩＶ模式的测量速 度和波形卜升／下降时间都略微慢一点，但是它能 测量电压和电流值。 Ｂ ｌ ５００Ａ的ＷＧＦＭＵ模组主要规格描述如下。 电压供给 一输｝｛Ｊ范罔： ±５ Ｖ Ｏ Ｖ～＋ｌ０ Ｖ —ｌ０ Ｖ～０ Ｖ 一噪声电平： 不到０．１ ｍＶ（ｒｍｓ） 电流测量 一测量范同： ±１０ ｍＡ阎定 ±１ ｍＡ 定 ±１００ Ａ固定 ±１０ Ａ【Ｔ坷定 ±１ Ａ 定 一测量分辨率 ０．０１４％范围 一噪声电平 ０．２％范罔 一取样问隔 ５ ＤＳ、１０ ｎｓ至ｌ ｓ可变 一硬件均值 １０ｎｓ至２０ｍｓ呵变 一测量存储大小每通道约４Ｍ数据点 ３ ＲＴ￥数据分析软件 该软件能对Ｂ１５００Ａ的ＷＧＦＭＵ模组测量的漏 极电流进行时域和频域分析，并自动显示相关参数。 一直观时域数据和数字化数据 一功率分布 一电半柱状图和外观设计 一捕获和发射时间柱状图及其比率 ４实际测量操作 实现精确的ＲＴＳ测量，需要将被测元件的测量 设备性能分析和环境噪声等因素考虑在内。在接下 来的几节中，我们将介绍如何缓解这些因素的影响。 ４．１测量设备和环境噪声 如果测定的ＲＴＳ噪声低于电流测量噪声电平， 那么就不会观察到ＲＴｓ噪声。图６为Ｂ１５００Ａ的 ＷＧＦＭＵ模组在不同电流测量范同下的噪声电平要 《 一 倒 韶 缸 謦 １ １ ｋ １Ｍ 频率（Ｈｚ） （注：此为补充数据，不可视为本模组规格的保证） 图６ ＷＧＦＭＵ模组不同电流测量范围下的噪声 进行ＲＴＳ噪声测量，最重要的是要选择合适的测 量范围。 表１ 此外，其它环境因素，如震动和电磁干扰都会影 响ＲＴＳ噪声测量。要消除震动带来的噪声，可以使 用带震动隔离的半自动晶圆探针台。要消除电磁干 扰，应尽量缩小电流测量回路。要缩短电流回路可 以将ＷＧＦＭＵ模组和ＲＳＵ的电缆绑在一起，也可以 通过连接ＭＯＳＦＥＴ衬底和源极板屏蔽栅极和漏极 （注：实际带宽可能会因为额外布线和设备电 容性负载而退化） 之间的信号线在被测元件的衬底创建电流回路。 流区间，所以当你选择一个电流测量区间时，一定要 确保有足够的带宽来观测那些你想要测量到的ＲＴＳ ４．２取样频率 通过测量均值能减少测量电流噪声。图７是通 过均值降低噪声的实例。增加平均时间能进一步降 低测量电流的噪声。但如果取样频率大于电子捕获 或发射时间，那么在被测量的电流中就不会观测到 ＲＴＳ噪声。 噪声。 ４．４测量条件 由于那些捕获电子和生成ＲＴＳ噪声的边界陷 阱有其空间和能量分布，所以时间常量和（返回） ＲＴｓ的噪声水平极大地取决于作用于ＭＯＳＦＥＴ栅 极和漏极的偏压。 嗣■菇■ 图８是加载不同栅极电压时的ＲＴＳ噪声实例。 三 孽 该实例采用的是大小为０．４４ ｍ（Ｗ）至０．２４ １３１ １０ｍＡ （Ｌ）、氧化物浓度为４ ｎｍ的ＮＭＯＳ ＦＥＴ。从这个例 １ ｍＡ 蓥 子可以看到ＲＴＳ噪声水平和时间常量及与栅极电 １００ ｕＡ 压变动一起产生变化的柱状图峰值数据。 １０ ｕＡ 结果表明，测量ＲＴＳ噪声有必要在偏置条件、 １ ｕＡ 电流范围和取样频率多个组合条件下进行。这样测 量所得的数据对配电和边界陷阱的时间常数才有 价值。 Ｉ，Ｄ‘ｘｌ０‘ 平均时间（秒） 图７以平均时间测量电流的噪声降低 使用较低的电流测量区间也可以 降低测量电流的噪声。在这种情况下， ｝电流测量的带宽决定ＲＴＳ噪声频率成 分的上限。 Ｉ 。 ｌ ＿ Ｉ１ ．ｌ．ｌ ’ － ＿ｒ ４．３电流测量带宽 表１是个补充信息，说明Ｂ１５００Ａ 的ＷＧＦＭＵ模组电流测量回路（加载 了２５ ｐＦ）的频带宽度（由一３ ｄＢ点确 定）。 １ 】 Ｉ ｛▲ 由于低电流区间的带宽低于高电 图８ ＲＴＳ噪声作为栅极偏压的函数变化 巾国集成电路 Ｃｈｉｎａ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ 设计 ４．５晶圆分布 由于ＭＯＳＦＥＴ非常微小，根据晶圆上缺陷陷阱 的分布和频率不同，有些元件不会出现ＲＴＳ噪声， 而另一 则可以观察到明显的ＲＴＳ噪声。有上述 讨论说明有必要在晶圆级别测量多个设备，以便观 察ＲＴＳ噪声。相反，通过评估晶圆内ＲＴＳ噪声的空 ｊ ／ 、 ， ｌ ’ ＼ Ｉ Ｉ ｌ 声 ●Ｌ ＼ ｌ Ｊ ， ＿－ Ｊ ｆ ●－ Ｉ－ ｔｓｔ，ｌ ＿ 一： 榔 一 － 。间分布能推算出与设备操作直接相关的缺陷密度 分布。 ， 二－ ７ ｒ’１… １叶 ’Ｉ ÷ ｊ ．． Ｊ 图９晶圆内的ＲＴＳ噪声分布变化图 ５结论 现代高分辨率ＣＭＯＳ图像传感器其每个像素 读出放大器的ＲＴＳ噪声分析，对于尽量减少成像中 的随机像素噪声来说非常重要。 ＢＩ５００Ａ之ＷＧＦＭＵ模组的ＭＯＳＦＥＴ ＲＴＳ噪声 测量是现成的噪声测量解决方案，能在ＣＭＯＳ 图形传感器中得到精准且可重复的ＲＴＳ噪声分析。团 上接第１ １页 横向发展，重点突出ＡＤＡＳ领域 随着自动驾驶、汽车娱乐系统、车车互联、人车 互联的发展，车上装满了大量的雷达系统、摄像头、 作为全球性的仿真公司，在中国整个上升和转 型崛起的潮流中，ＡＮＳＹＳ作为多物理、全面仿真公 司愿意共同参与进来。中国市场足够大，足够容纳 优秀的同行企业。没有竞争对手，对整个行业来说 并不是一件好事，大家容易懈怠。刘晓芹于２０１２年 加入ＡＮＳＹＳ公司，在美国研发中心工作至今，同时 超声波传感器和激光雷达识别周边的一切事物，这 些数据传输交互本质来讲都涉及电磁场。在汽车内 部多天线、多个电子系统相互作用，势必带来电磁干 扰和辐射，带来安全隐患并影响用户体验。未来自 动驾驶的改变一是车的改造；二是沿路交通系统需 要设置大量的雷达和传感器来交换数据，也需要大 量的探测系统和防撞系统来测试距离，这都需要仿 真软件提前预知各种情况并做出对策。车车互联也 大量运用ｌｏＴ交互数据，这方面ＡＮＳＹＳ也有大量布 局和解决方案．对物理的性能、极限的仿真都有解决 方案，去年收购的德国公司ＭＥＤＩＮＩ，也补充了汽车 品牌安全标准和可靠性平台。 也兼任ＡＮＳＹＳ半导体大中华区总经理，他随时做好 全时回国工作的准备。刘晓芹说：“今年我会全时在 中国工作，全面发展中国市场，我非常希望中国的企 业能迅速成长起来。由于中国的集成电路产业人才 极度匮乏，技术相对落后，培养人才是产业发展的长 久之计。我在ＡＮＳＹＳ研发部工作时积极加强中国研 发中心，同时也是在培养本土的人才，把硅谷最先进 的技术带到中国，帮助中国企业不仅是量的提升，更 重要的是质的提升。ＡＮＳＹＳ的半导体芯片及电子设 计软件为行业提供最好的功耗、电源噪声可靠性解 决方案，同时也提供芯片和封装、系统之间多物理量 情怀系中国 作用的全套解决方案和技术支持，希望自己与ＡＮＳＹＳ 公司一起为中国集成电路产业发展贡献力量。”四
