（材料学专业论文）薄膜电阻器件低频噪声测量与可靠性研究.pdf

摘要 摘要 电路系统正向高度集成化方向发展，无源器件中只有电阻器可以比较容易的 集成于微电路内部，且大多数以薄膜形式存在。工程师们在进行可靠性设计时通 常只将注意力集中于微电路的核心有源器件部位，然而，电子系统的可靠性取决 于可靠性最弱的部分，薄膜电阻就属于该部分【l 】。器件或电路内部的噪声( 特别 是低频噪声) 是制约器件灵敏度和检测精度的一个关键指标，同时也是表征器件 质量和可靠性的一个重要的敏感参数，对电子器件内部噪声的检测与分析是关键 元器件可靠性保障的一个有效手段，薄膜电路的可靠性指标与其低频噪声特性有 密切关系，使用噪声测试方法能够对器件本身可靠性指标做出一定评价，还可以 对生产工艺水平做出正确评估【2 l ，本文完成以下工作： 1 在总结常规电阻器件低频噪声测试方法的前提下，针对低阻器件的噪声测 量进行深入研究，给出了阻抗匹配的原则并提出使用低输入阻抗放大器进 行噪声测量的方案； 2 针对裸片薄膜电阻的噪声测量引入了探针台测试方法，研究了使用探针台 时的电路连接方式及注意事项并探讨了接触噪声对测试结果的影响； 3 针对噪声信号极其微弱的特殊情况，采用了信号多级放大的思路，明确给 出了信号多级放大过程中信号强度与放大器本底噪声之间的关系及放大器 之间的匹配关系； 4 针对特殊对称电阻样品，可以使用锁相放大器对微弱噪声信号进行放大， 该方法可有效避免放大器本底噪声对信号的影响； 5 结合典型镍铬薄膜生产工艺，在老化试验前后分别进行噪声测量，总结了 该批器件的长期噪声特征，明确了噪声中个组成成分的工艺来源； 6 结合显微观察，发现电迁移是薄膜器件质量劣化的主要原因，噪声数据与 电迁移损伤的程度异常敏感，可以作为有效的指示参量； 7 对薄膜电阻器的工艺结构深入分析，明确了电迁移发生的位置，电流密度 异常变大是产生物质迁移的根本原因，给出了减少电迁移损伤的工艺方法； 8 发生损伤的器件低频噪声星明显的非稳态特征，利用噪声成份个参量值的 异常变化( 斜率特征) 能够有效的表征器件可靠性指标。 关键字：镍铬薄膜电阻、噪声测试、接触噪声、可靠性、噪声特征、1 f 噪声 摘要 a b s t r a c t l o wf r e q u e n c yn o i s eo ft h i n - f i l mr e s i s t o ri st h ee p i t o m eo fe f f e c to n m i c r o s t r u c t u r ei nd e v i c e ，i tt a k e sg r e a td e a lo fi n f o r m a t i o na s s o c i a t ew i t h t e c h n i c sa n dw i t hw h i c hw ec a ne s t i m a t et h eq u a l i t ya n dt e l i a b i l i t yt o o t h el o w f r e q u e n c yn o i s em e a s u r e m e n tm e t h o d sa n ds k i l l se s p e c i a l l yl o w - r e s i s t a n c ed e v i c ea n d b a r et h i n - f i l mc h i p sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l l o wf r e q u e n c yn o i s ed a t ai nd i f f e r e n tp e r i o d so ft h r e e1 5 kqn i c rt h i n - f ii m r e s i s t o r sa r em e a s u r e d t h er e s i s t o r sn o i s ec h a r a c t e r sa n ds o u r c e sa r ed i s c u s s e d i nd e t a i l t h em e t h o d sw i t hw h i c hw ec a nr e d u c et h en o i s ea r eg i v e n f u r t h e rm o r e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n1 fn o i s ea n de l e c t r o m i g r a t i o ni nn i c rt h i n f i l mr e s i s t o ra r e a n a l y z e d ，t h ea b n o r m a lc h a n g e so fn o i s ec a ni n d i c a t ee l e c t r o m i g r a t i o nd e s t r o y c l e a r l y e l e c t r o m i g r a t i o ni st h ep r i m a r yr e a s o nf o ra l l o yt h i n f i l mr e s i s t o r s s d a m n i f i c a t i o n s a n a l y s eo fn o i s ed a t aa n dm i c r o s c o p i c a le s p i a ls h o wt h a t t h e m a g n i t u d e a n df r e q u e n c ye x p o n e n to fl ，fn o i s ec h a n g e d a b n o r m a l l ya f t e r e l e c t r o m i g r a t i o n so c c u r r e n c e t h i su n s t e a d yc h a r a c t e r so fn o i s ec a ni n d i c a t et h e d e g r e eo fe l e c t r o m i g r a t i o nd a m n i f i c a t i o n si nt h ed e v i c e k e yw o r d s ：n i c rt h i nf i l mr e s i s t o r , n o i s em e a s u r e m e n t ，c o n t a c tn o i s e ，r e l i a b i l i t y , n o i s ec h a r a c t e r , l f n o i s e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：趔日期：丞堑：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) i 作成果时，书名单位仍然 为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。( 保密的论文在解密之后遵守此规定) 本学位论文书与保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：羔垄 导师签名：盘墨 日期：型：竺 日期：2 111 丝 绪论 第一章绪论 近年来，作为集成电路的一个重要分支，以薄膜、厚膜为基础的混合集成技 术已广泛应用于航空、航天、通信、汽车等电子系统中，混合集成技术能够在这 些新兴的电子领域中获得青睐主要是其得天独厚的性能和在恶劣环境中的高稳 定性和可靠性。随着其应用范围不断扩大，人们对薄、厚膜技术的要求也越来越 高，特别是对其性能、可靠性的要求日渐苛刻。 器件的低频噪声应用于微电子技术可靠性评估方面己越来越受到人们的青 睐1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 l 【刀。众所周知，电子系统的内部噪声是制约其性能、质量和可靠性的关 键因素之一。在各类测试系统中，噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最 小信号幅度，系统的噪声主要来自构成系统的分立元件中的噪声，随着电子整机 向着高度集成化和微系统化发展，系统内各部分的噪声对于整机性能的影响也越 来越突出，与之相适应，低噪声电子学的研究重点也逐渐从传统的线路低噪声电 子设计转向分立元件的低噪声物理研究，以及包括低噪声设计和低噪声工艺在内 的低噪声化技术的研究。研究表明，低频噪声的大小敏感地反映着电子器件内在 质量和可靠性的优劣。国外对噪声的研究大体上经历了三个阶段。第一个阶段是 在1 9 7 0 年前后，广泛研究了各种噪声的形成机理及其与器件微观参数的关系； 第二个阶段是从7 0 年代中期至8 0 年代中期，在对器件噪声特性作进一步深入了 解的同时，研制开发了多种低噪声分立器件和集成电路；第三个阶段大约是从 1 9 8 5 年开始，利用噪声( 特别是低频噪声) 作为器件微观性质研究、质量和可靠性 评估的手段。截止目前，电子器件中的噪声研究仍是一个非常活跃的领域，尚待 解决的问题仍然很多。 相对于厚膜电阻器件，薄膜电阻具有更高的精度和集成度。对其噪声的研究 源于两个方面：一是电阻中的噪声对通信系统中的信号产生调制作用，特别是低 频噪声；二是噪声可以作为薄膜电阻的结构、性能、质量和可靠性的指示参数。 此外，薄膜、厚膜电阻器是一个具有复杂导电路径的系统，关于其微观结构和导 电机理有很多假设和结构模型，其导电机理及噪声产生机理有着极大的学术价 值。 在我国，无论是在噪声的基础研究方面，还是在低频噪声器件与系统的研制 方面，都十分薄弱，薄膜电阻器的噪声无损检测及其可靠性评估方法还没有深入 发展，本文即将就薄膜电阻器的低频噪声测试方法和可靠性评估进行研究。本课 题来源于国家自然科学基金项目，旨在对溅射工艺的薄膜电阻器生产工艺进行 噪声特征研究和可靠性表征。 本论文具体结构如下：第二章介绍薄膜电阻器工艺；第三章介绍了噪声理论 绪论 及电阻器的常规噪声测试方法；第四章探讨了针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方 法；第五章针对实验和噪声数据测试给出了薄膜电阻器的低频噪声特性并明确噪 声各成分的工艺来源；第六章给出j 矿噪声用于薄膜电阻可靠性表征的方法；最 后一章是结束语，总结了研究成果并展望了后继工作和应用前景。 薄膜电阻器工艺 第二章薄膜电阻器工艺 随着集成电路技术的不断发展，电路系统的集成化程度越来越高，同时行业 应用也给微电路的设计提出了这样的要求外围电路尽可能的少，因为这样可 以大大方便电路设计并节约成本。正是基于以上的原因，无源元件的集成化得以 空前发展，其中薄膜电阻器的发展最为乐观，电容、电感器件因需要耗费较大面 积而使得集成化有些难度，还在不断的完善之中。 混合集成电路设计中的薄厚膜电阻器发展较早而且工艺种类较多，在半导体 集成电路设计中多采用掺杂技术来实现，其实质与薄膜工艺类似。 薄膜电阻器可分为纯金属、金属合金、金属化合物或金属陶瓷即：陶瓷和金 属的组合等几类。虽然有许多的电阻材料可以使用，但现在广泛在电路中使用的 材料只有三种：镍铬、氮化钽和铬硅氧化物金属陶瓷，全部使用有阻挡层金属的 金端头导体。阻挡层金属用于将电阻与金导体分开，以防止相互扩散。例如：在 镍铬薄膜电阻器中，使用镍做为阻挡层构成镍铬镍金系统，阻挡层镍的沉积厚 度为4 0 0 - - 1 5 0 0 a ，主要是防止铬从镍铬合金中扩散到金中。这种扩散可能会引 起两个可靠性方面的问题：镍铬中的镍对铬的比值的改变会引起电阻器的不稳 定，由于金焊接焊盘被铬沾污使线焊键合困难：镍铬除了起到电阻器元件的功 能外，还能够增加金对基片的附着力，镍铬做为附着层被称为“捆绑层”。在氮 化钽工艺中，钛是捆绑层，而钯用做扩散阻挡层。金很少被直接沉积在陶瓷上， 因为它的附着力很差。镍铬和氮化钽提供类似的电性能：2 5 3 0 0 欧姆 3 的面电 阻率和较低的t c r ( o 5 0 ) p p m c ，而金属陶瓷电阻具有更高的面电阻率( 从 l o o o 欧姆口到几千欧姆口) 这可以使我们很容易设计出超过1 0 0 k 欧口的大 阻值器件而只占用较少的面积。 以上提到的三种薄膜电阻生产工艺的过程相似。首先，在陶瓷基片上相继淀 积薄层电阻材料、阻挡层金属和顶层导体金属层，形成电阻导体的夹心结构。 然后，通过精密光刻技术，包括一系列的光刻胶涂层的曝光和选择性刻蚀，形成 一个错综复杂的导线和间隔图案的薄膜电阻器。这种电阻导体的夹心结构可以通 过蒸发或者溅射方法淀积。参考图2 1 可以了解薄膜电阻的一般工艺流程。 薄膜电阻器工艺 魄 二二二：二二二 熊蒸片 墩魁璇( n 虻r 凌m 溯 戳糖垒鳆鼷n l ，斌t 粼 簪髂f a n 溪 震饿套n 应搏党瓣黢 囊馈飘戆缓鹈穗融 垒静镜 图2 1 薄膜电阻的一般工艺流程 金属薄膜电阻具有以下优点：高电阻值、优良的高频特性和较低的噪声，所 以这类器件广泛应用于各种要求较高的精密领域，其可靠性也是特别的重要。 薄膜电阻器的特性高度地决定于在其上进行淀积的基片的表面特征，基片表 面越光滑，电阻值越稳定。镍铬电阻器的热稳定性极好，但是最容易受化学和电 解腐蚀的影响。氮化钽电阻器比镍铬电阻器更稳定，抗化学腐蚀和抗热性更好。 另外，退火条件对薄膜电阻器的性能影响很大，氮化钽和金属陶瓷电阻器的退火 温度远比镍铬电阻器的退火温度要高，通常在4 5 0 以上。 了删谶懋雪锄幽 噪声理论及电阻器的常规噪声测试方法 第三章噪声理论及电阻器的常规噪声测试方法 常规的噪声定义为对作用于有用信号的干扰源，这些干扰包括：电干扰、机 械干扰、声干扰、电化学干扰等方面。根据噪声的来源又可将噪声分为系统内部 产生的和系统外部拾取的，如无特殊说明，本无中所指的噪声均为电子元器件的 内部电噪声信号。 3 1 器件噪声的分类及特点 电子器件中的噪声通常按照产生的机制分为热噪声、散粒噪声、产生一 复合噪声和1 f 噪声四类，每类中又分成若干小类详细参考下图3 1 。 电 子 器 件 由 的 噪 亩 r ，热噪声 热电子噪声 白曝声 f 。“。姗8 1 娩 扩散噪声 j【稗发噪声，b 。；。、 有( f 色l i c 噪k s 声) 1f 基本。厅噪声 詈毳袭嘉噪声 lf 基本l ，f 噪声 一l 蚕毒霰磊噪声 o 1 厅噪声 t 非基本。，f 噪声丁蓁曩囊三 热噪声和散粒噪声均属于白噪声，即功率谱密度与频率无关。热噪声起源于 噪声理论及电阻器的常规噪声铡试方法 晶体中载流子的随机热运动，广泛存在于各种电阻性元器件之中，对于电阻器件 而言，熟噪声的大小只与电阻和温度有关，其存在是由器件的工作原理决定的， 是不能够彻底消除的。 有色噪声通常情况下在低频段内显著存在，该类噪声与器件外加偏置情况有 关，即外加电压或电流存在时，噪声存在，没有外加电压或电流时，噪声也消失。 产生一复合噪声分为复合噪声和猝发噪声，前者是由于重金属杂质引起的，后者 是由位错引起的。l f 噪声分基本l f 噪声和非基本1 f 噪声，后者是主要的1 f 噪声源，主要是由器件表面的氧化层陷阱和晶格位错造成的，根据多年来的研究 已经证实，l f 噪声是器件内部微观结构影响的缩影，承载了大量的与器件结构 和工艺水平相关的信息，往往能够反映器件的内在质量和可靠性的优劣。 通常情况下，我们把噪声信号在时域和频域内进行显示，下图3 2 和图3 3 分别为一个典型的薄膜电阻器件噪声信号的时间波形和功率谱密度波形，后者是 以双对数坐标给出的，我们能够看出信号强度与频率的近似反比关系。 一 瞪 粤 设 鐾 时间( s ) 图3 2 噪声时间信号 噪声理论及电阻器的常规噪声测试方法 星 空 裂 黧 蜜 l l 蠡 谖 螫 图3 3 噪声频谱数据 3 2电阻器的常规噪声测试方法 噪声测试通常指在元器件的正常工作状态下，采用交流耦合的方式测量器件 输出端的微弱电压波动，针对电阻器而言，输出端就是指电阻器的两端。 图3 4 常规电阻器件噪声方法 噪声理论及电阻器的常规噪声测试方法 图3 4 所示有两种低频噪声测试方法，其中方案一使用低频频谱分析仪直接 将放大的后的噪声信号输入频谱分析仪，直接得到噪声信号的频谱数据；方案二 是使用高速数据采集卡将噪声信号的时间波形采集到计算机，然后通过软件方式 计算频谱等数据指标。这里要说明的是，只要前置放大器给过来的噪声信号足够 大( 没有必要非常大，但要能够达到后端仪器的检测灵敏度以上，越接近后端仪 器的满量程状态越好) ，后面的数据采集的正确性就有保证，精度也可以较高。 针对图3 4 的电路还要做以下说明： 可变电位器应使用多圈线绕电位器，因为线绕电位器的噪声指标最低； 电池组不能使用直流电源代替，因为任何直流电源的背景噪声均比电池 的要大； 电池组的电压应尽可能高些，这样可以保证待测器件上的电流有较大的 调节范围； 本测试系统中的待测器件阻值应在2 0 0 欧姆以上，否则由于后端的前置 放大器是高输入阻抗设备，会造成较大的信号传输损耗，使得分析精度 下降； 线绕电位器的调节阻值最小不应该低于待测器件的阻值，否则检测出来 的噪声信号很可能不是待测样品的噪声信号，因为电路中的噪声信号主 要有电阻小的并联支路决定，这点在后面章节会作解释。 根据以上的总结，我们不难发现两个问题：阻值低于2 0 0 欧姆的器件，比 如是5 0 欧姆的电阻器的噪声如何测试? o 通常的前置放大器的最大放大倍数约 为1 0 0 0 0 ，如果放大倍数已经最大了，但是信号还没有被放大到足够大该怎么 办? 在第三章中我们将重点阐述这些问题的解决方法。 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 第四章针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 在混合集成电路中，低阻值的薄膜电阻广泛存在，这主要是因为其占用面积 小、易于制造和集成，由于使用较多，所以该类器件的可靠性也变得尤其重要。 低阻器件的电噪声测试较高阻值器件更为困难，众所周知电阻的热噪声强度与阻 值成平方根正比关系，阻值越小，热噪声强度越低，检测就越困难，另外测试时 还涉及到阻抗匹配的问题，与低阻器件进行阻抗匹配放大一直是一个有困难的事 情。从本章开始，我们将重点讨论针对低阻薄膜器件的噪声测试方法和相关的试 验技巧。 4 1 阻抗匹配的重要性 为什么要进行阻抗匹配? 简单的讲就是为了获得最大的输出功率，同时避 免信号反射，实例：如甩一根系在电线杆上的绳子和甩一根系在材质软硬差不多 的绳上的绳子，波形能够传到过去的状况有着很大的差别，下面以电池功率输出 为例来说明阻抗匹配的重要性。 一一一1 ： i ：电 ! 池 ! 内 ! 部 l j 兰c 内阻， 1 l 一 1 ：j 图4 i电池的功率输出问题 计算图4 1 中负载电阻r 上的功率消耗： 最= c 南2 暖2 乏r 2 三，为使该式取得置馗应该让分母孙，e 和 ，为固定常数棚：妄+ r 芝栎_ 2 ，l 、当且仅当妄= r 时取得最小值，此 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 时有矗= ，输出功率为竺。 4 ， 所以，在考虑功率传输时一定应该注意前级和后级的阻抗匹配问题，匹配就 是要求前后两级的阻抗尽可能接近。 噪声信号实际上是非常微弱的，要想正确检擐4 出噪声信号必须对信号进行放 大，这个过程中就涉及到阻抗匹配的问题，即噪声源的阻抗情况是否与后面放大 器的输入阻抗是否匹配。通常的低噪声仪表放大器都是高输入阻抗类型的，为避 免信号的反射与衰减，必须在中闻环节进行阻抗匹配。 进行阻抗匹配最简单的办法当然就是使用低输入阻抗的低噪声放大器，目前 市场上有的低输入阻抗低噪声放大器种类很少而且价格较昂贵，例如：日本回路 设计公司的s a - 2 0 0 f 3 具有0 5 n v 0 胁 i k h z 的噪声指标并且输入阻抗为 i k l o k l o o kq 三种可选。 另外一种方法就是在信号源和高阻抗低噪声放大器之间加入阻抗匹配变压 器。阻抗匹配变压器是利用变压器的信号隔离和耦合作用进行阻抗改变的。使用 时必须要根据阻抗匹配变压器和后端放大器的n f ( 噪声系数) 图。以s i g n a l r e c o v e r y 公司的p a r c1 9 0 0 和p a r c1 1 3 低噪声放大器搭配测试5 0 欧姆电阻上 的噪声信号为例来说明匹配方法及过程，测试电路图如下： 图4 25 0 欧姆电阻样品噪声测试原理图 首先应参考图4 3p a r c1 1 3 的噪声系数图，横坐标为频率，纵坐标为源阻 抗。等高线图的中心为信号衰减最小的位置，对应的源阻抗坐标范围在1 0 0 k q 到i m q 范围，即是要求放大器前级的输出阻抗在该范围内，信号传递效果最好。 对应最初信号源的阻抗是5 0 欧姆，通过如下运算可以计算出匹配倍数， v 1 0 0 5 0 0 0 0 4 5 至t 、f 1 0 0 5 0 0 0 0 0 = 1 4 0 之间即可，那么我们通常选择l o o 倍即可。 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 图4 3p a r c1 1 3 放大器的噪声系数等高线 通过上图还可以看出经过阻抗匹配，中频段的信号( 1 k h z 到l o o k h z 范围) 衰减最小，在低频段则衰减较大。测试过程中还应该结合输入信号的大小及输入 阻抗特性来选择阻抗匹配变压器，图4 4 就是常用的阻抗匹配变压器$ r 5 5 4 的噪 声系数图，该变压器具有如下指标：0 1 n v 上如输入噪声、o 1 h z 一4 0 k h z 带宽 范围、1 0 0 或5 0 0 倍增益可选、单端或差分方式输入。 玉毋、 、：弋 l妒 ，一 1 0 嘏 、一阳、 乃| 乒 、n ，：爻 m嫩坩洲 姒7 冬 。 、f 心 | “ f r e q u e 图4 4s r 5 5 4 阻抗匹配变压器噪声系数等高线 因为阻抗匹配变压器存在感性线圈，所以其频率特性对信号的测量有较大的 矗垂#_t_utr口n 8旨h18j品 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 影响，图4 5 就是s r 5 5 4 阻抗匹配变压器的频率特性图，这里主要要注意输入阻 抗不同情况下，频率特性是不一样的，这一点也正是使用阻抗匹配的致命问题。 斟 5 4 4 4 3 4 甜 鬯1 4 4 $ ，6 氆 a m p l i t u d er e s p o n s ev s t r a n s k x m e r s o u r c er e s i s t a n c ea n df r e q u e n c y o m 孑 歹一 ， i 、 多i ， 5 。 柏 2 d o o 岳 1 0 2 0 渤 4 0 n 1 卜缸1 0 i - i z1 0 0 h z f i d - z1 0k h z1 0 0 i ( h z f r e q u e n c y 图4 , 5s r 5 5 4 阻抗匹配变压器的频率特性 4 2 信号充分放大的重要性 本节我们针对各种测试系统，我们来分析一下信号的传递特性。 鎏谚i ，级藏蠹缫缀 图4 6 其中，s i n 为噪声信号输入，e i 输入阻抗，r o 为放大器输出阻抗。 该系统具有以下传递特性： 一级放大系统 为放大器本底等效输入噪声，r i 为放大器 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 s o u t = g 牢s i n e o u t = g * e i 系统总输出= s o u t4 - e o u t 结论：s i n ) e i( 至少两倍以上) 爹2 篓薹舞藏燹系统 图4 7 二级放大系统 其中，s i n 为噪声信号输入，e i 为第i 级放大器本底等效输入噪声，r l i 、 r 2 i 为放大器输入阻抗，r i o 、r 2 0 为放大器输出阻抗，r s 为用于阻抗匹配的附 加源电阻。 该系统具有以下传递特性： s o u t = g i * g 2 * s i n ( e o u t ) ( g i * g 2 * e 1 ) 2 + ( g 2 $ e 2 ) 。 系统总输出= s o u t + e o u t 结论：噪声主要因素来源于前级放大器s i n ) ) e i( 至少两倍以上) 并使 得前级增益尽可能高，可有效避免后级噪声引入。 4 , 2 3 数据采集卡的模数转换( a d c ) 过程 首先要介绍的概念是模数转换精度，它代表数采卡拾取模拟信号的能力，通 常有8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位、1 6 位、2 0 位、2 4 位等种类，例如：x d 2 0 0 0 测试系统中使用的数据采集卡为1 4 位精度、l o v 输入范围，那么数据a d 芯片 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 的最小1 位表示：2 0 2 “= o 0 0 1 2 2 0 7 0 3 1 2 5 v = 1 2 2 0 7 0 3 1 2 5 m v 的电压值，也就是说 小于1 2 2 0 7 0 3 1 2 5 m v 的电压信号根本不可能被数据采集卡采集，所以待检测的微 弱信号必须在前级放大足够多，且放大信号越接近满量程，数据准确性越好。 另外各种数据采集卡设备都具有放大功能，所以数据采集卡本身也存在本 底噪声，下面探讨如何测量放大器的本底噪声。 羲誊群麟器零戚睇测试 1 前置放大器输入端短接到地、选择合适的带宽进行测试； 2 本底噪声同样会被放大器放大； 3 前放增益较小时，即输出信号不能够达到数据采集卡捡拾范围，此时测 出的信号为数据采集卡的本地噪声( 较大) ； 4 输入数据采集卡的信号应尽可能工作在接近满量程状态，才有最好的数 据准确性( 适当放大并尽量减少噪声引入) ； 5 如果放大器本身增益较小，不能将自身本底噪声信号足够放大，此时可 以考虑后端再接到放大器之上，直到信号放大到数据采集卡能够正确采 集为止，当然这个过程仍要考虑阻抗匹配和本底噪声与原始信号大小对 应等相关因素。 表3 1 为几个相关设备的本底噪声参数，这些数据是在在0 0 3 h z 一3 0 0 0 h z 频带范围内，增益设置为1 0 0 0 0 倍；d a q 2 0 1 0 卡的测试是在4 倍增益下进行的； 这些数据可以为器件噪声测试提供正确性参考。 表4 1 放大设备本底噪声数据 设备名称 1 h zl o h z1 0 0 h z1 0 0 0 h z p a r c l l 35 4 n v 瓦1 1 n v 瓦 5 7 n v 、h z 4 4 n v q h z x d 2 0 0 2 1 0 4 n v 乏2 t n ，0 h z6 8 n v 舷5 6 n v 妇； d a q 2 0 1 0 1 6 r ，0 h z2 3 8 n v 瓦2 0 6 7 0 h z2 0 8 n v 瓦 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 4 3 如何识别噪声信号的正确性 微弱信号通过各级放大后，其正确性往往难以保证，有时采集回来的信号也 并非是原始的噪声信号，表4 2 总结了的一些经验和注意事项能够作为信号正确 性与否的有效判断，首先给出正确的测试步骤： i 首先应设置好前置放大器的带宽参数和放大倍数，并在计算机软件端作相 应设置，切记要一致对应： i i 正确连接所有导线，确保没有断线、虚连、短路等现象存在： i i i 将前置放大器的信号耦合方式打到交流耦合方式； i v 依次打开测试电路和前置放大器的电源，并进行一段时间预热，通常5 1 0 分钟，同时打开时间序列采集监测窗口等待信号稳定； v 信号时间波形特性一致，且以o v 为中心上下波动、频率特性一致是信号稳 定的基本特征，信号稳定后即可启动软件进行数据测量。 表4 2 故障归总 不正常现象 可能原因解决办法 测试电路电路未加电源或电池 没电 检查测试电路电源与连接 时间监测放大器没有加电或电池没电检查电源和电量检测 窗口无波形放大器的耦合方式不对耦合方式应为交流方式 整个电路的连线断路或短路检查连线，确保无断路短路 放大器的增益过小 增大放大器和数采卡增益 测试的数据 前置放大器的实际增益倍数与 俭查并调整 明显与常规 软件上设置的不一致 数据在数量 测得数据可能是前置放大器的 样品测试电路与前置放大器之 级上存在差 本底噪声间有短路现象 测得数据可能是数据采集卡的 异 数据采集卡前端有短路现象 本底噪声 电路中的某个位置存在断路现 测试的数据象，干扰越强，越可能是在较检查电路中是否存在断路现象 中有明显的前级出现断路 于扰现象 连接部位存在接触噪声导致干 扰 尽可能将接插件改成焊接连线 另外，通过观察采集数据的频谱特性可以判断信号来自于前置放大器之前还 是之后，通过观察放大器的带通滤波器特性是否存在即可作出判断，如果有则表 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 示信号来源于放大器之前，如果没有则表示信号来源于放大器之前或者信号没有 被充分放大，需要作出调整，参看图4 8 我们可以看出，因为放大器的带通设在 d c - - 1 0 k h z ，所以能够明显看出：1 0 k h z 附近有明显衰减，说明信号来自于前置 放大器之前。 望 圣 憾 辩 翘 讲 霞 二f i 媸 额砑遥h z 图4 8 从带宽滤波器分析信号的正确性 4 4 锁相放大器应用于超低噪声信号测试 上面阐述的各种方法，是比较直接和易于理解的，在研究低频甚至超低频信 号时，费时较长、精度不高，效果不是很理想，解决问题的方法就是采用锁相测 试方法。 镌4 1 锁相放大器用予接触电阻测试 电路系统巾广泛使用各种接插件，接插件的孩触电附足影响性能的重要指 标，通常足通过电流流过接触点时所产生的电压降来进行测量的。在j 1 5 等标准 中，规定了测量电流为1 0 2 0 m a 。现实英勇中除了电源线以外，真正使用这样 大的电流的接捅件几乎是没有的，用于传递信号的接插件在实际使用情况下的电 流很小接近于0 ，所以，用大电流测最所得的值很可能与实际的使用状态不同。 如果使用锁相放大器，那么即使是用以往订：事实。k 不可能的1ua 左右的微小电 针对低阻薄膜电阻嚣的噪声测试方法 流，也能够稳定地测量接触电阻，图4 9 就是相应的测试框图，图4 1 0 是常见接 插件的测量结果。 图4 9 小电流下接插件接触电阻测试框图 零部件名称电阻值 印刷电路板插头座 9 2 m q 用于设备内部连接的插头座3 蛐 ，用于设备之间连接的插头座 1 8 m n 用于设备之间的金属插头座 1 1 m o 小型拨动开关 1 2 m q 集成电路插座 3 9 m q 图4 1 0 常见接插件的测量结果 啦建2 锁相放犬器用于电阻器件低频噪声测试 锁相放大器能够测量被噪声埋没了的信号。在测量各种物理量( 温度、加速 度等) 时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器( 测量仪器) 中 去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号( 也就是 噪声) 也一起被测量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 图4 1 1 干扰信号引入途径 噪声并不仅限于电信号，也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据 不同场合，也出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的 信号越微弱，那么噪声就相对地越大。在这里，让我们来看一下用交流电压表来 测量不同电平的i k i z 的正弦波信号的结果。在信号上叠加了0 1 v m r s 的白噪声。 “毫伏计”是一般的交流电压表，“锁相放大器”是一种专门测量微小信号的 ( 特殊的) 交流电压表。 ，。h 。 锁相放大器的 测量结果 1 v r m s 0 9 9 9 v r m s 1 4 0 m v r m s9 9 m v r m s 。一。 1 0 5 m v r m si o l m v r m s 蛰 翳名 圆 鞘皇 雷 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 毫伏计也同时测量噪声。即使用数字万用表( d m m ) 来测量，也会得到与毫 伏计相同的测量结果。但锁相放大器，能在比目的信号( 1 k h z 正弦波) 强1 0 0 0 倍的噪声中把目的信号几乎准确无误地检测出来，所以在测量埋没在噪声中的信 号时，使用锁相放大器最为合适。锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因 为很好地利用了噪声( 自噪声) 与目的信号( 正弦波) 之间在性质上的差别。 锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量 的信号通过频率变换的方式转变成为直流。 k p f 截测鳌信号 s l n ( “a ) 参照馏每 s i n ( e ) “曰) c o s ( $ - a ) 2 - c o s ( 2 w t + a + 母) 2 图4 1 2 锁相放大器的结构 在外差式振荡技术中被称为本地振荡( l o c a lo s c i l l a t i o n ) 的、用于做乘 法运算的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器 能够( 从被测量信号中) 检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信 号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换 成为直流，因而才能够通过低通滤波器( l p f ) 。其他频率的分量因为被转换成为 频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器( l p f ) 滤除。在频率域中，如下 图所示。 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 图4 1 3 频域信号变换过程 锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由图4 1 3 中低通滤波器( l p f ) 的截止 频率来确定的。例如，在测量l o k h z 的信号时，如果使用i m h z 的低通滤波器( l p f ) ， 那么就等效于在使用l o k h z i m h z 的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成 为q 值，就相当于5 x1 0 。要想真正制造这样高的q 值的带通滤波器，那是不可 能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。在使用通频带非常狭窄的带 通滤波器( b p f ) 时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会 产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。与这种情况相比 较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能 够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相 放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实 现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。 实际的锁相放大器又是使用p s d ( 相敏检波器) 作为乘法器来进行频率变换。 一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。所以采用开关 元件进行同步检波，由此实现频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路，称 作p s d ( 相敏检波器，p h a s es e n s i t i v ed e t e c t o r ) ，这是组成锁相放大器的心 脏部分。 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 梭溅鬣倍号 参照熔警 p s ol p f 1 孓囝t 乎轴 o j l r l f l 图4 1 4 实际的锁相放大器结构 采用方波作为参照信号，与参照信号同步使被测量信号的极性翻转，也就是在 1 ( 一1 ) 这两者之间进行切换。 p s d 的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的 变化。由此，低通滤波器( l p f ) 的输出信号( 也就是锁相放大器测量所得到的 值) 也会产生变化。除了相位差为0 。之外，在其他状态下不能很好地测量被测 信号的大小。这样，就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0 。， 然后再输入到p s d 。这个相位调节的电路，称作移相电路( p h a s es h i f t e r ) ，是 锁相放大器中必不可少的电路。 p s f ll p f 梭溅鼗信号 参熊l 骞号 l j l 1 输出 p n es h l t t a t 图4 1 5 带移相电路的锁相放大器 上述的锁相放大器，称作单相位锁相放大器。为了能够正确地测量振幅和相 位，需要有能够调节移相电路的“相位调节”部分。另外，如果将参照信号的相 位移动9 0 。，使用两个p s i ) ，那么也可以组成不需要调节相位的双相位锁相放大 器。 最后，让我们来说明锁相放大器的一个重要参数“动态保留”。对于通 常的电压表，是有测量量程的。在l o v 量程，能测量的最大电压为l o v 。如果超 过了i o v 电压。那么就需要增大量程，例如，用2 0 v 的量程进行测量。锁相放大 器也是一种电压表，当然也有测量的量程。但是，锁相放大器是用来测量被掩埋 在噪声中的微弱信号的，所以除了通常的测量量程之外，还具有被称作为“动态 保留”的一个参数。该参数表示可以容忍测量量程的最大多少倍的噪声，由下面 的公式来定义。 针对低阻薄膜电阻器的噪声寝9 试方法 动惫保翟【d 团；2 0 煳翻犬翥篓喜篙譬吐 对于几乎所有的锁相放大器，与被测量的信号在一起，“动态保留”是有若干个 档级可以变更的。例如，上面介绍的在要测量的0 i m v r m s 的目的信号上，叠加 了0 i v r m s ( a o 8 v p - p ) 的噪声电压的例子中，如果把测量量程设定为0 i m v 量程，那么就需要有7 8 d b 以上的动态保留。 锁相放大器应用于电子器件低频噪声测试采用图4 1 6 所示的电路，系统采 用五探针交流测试方法并使用数字信号处理技术使测试噪声指标最低达到 1 0 v 2 ，上拓，频率范围通常在l r l l i z 一2 0 h z 的较低范围，系统还可以通过在直流 信号上叠加交流信号的方式来测量噪声信号并能够在测试噪声中减去背景噪声 从而大大提高精度。 _ “a f 图4 1 6 锁相放大器应用于电阻低频噪声测量及结果比较 上图电路中采用五探针电桥结构，中心电极将待测样品分成相等的两部分并 有效接地，这两部分样品电阻组成了交流电桥的下桥臂，极低噪声的线绕电阻器 组成了交流电桥的两个上桥臂。上臂阻抗的选择要远远大于样品的阻抗，这样通 过样品的电流就取决于线绕电阻器的阻抗。通过调节r 。和并联于r 。两端的低噪声 电容，使得电桥两边电流的相位和幅度都相同，在这种平衡下，进入放大器的信 号就只有涨落的噪声信号。因为这时进入放大器的噪声信号幅度非常小，需要进 行信号放大。采用此种电路可以提高测试灵敏度数倍，另外这种5 探针技术同样 能够降低温漂对噪声信号的影响，这是因为由样品的两个相同部分组成的桥臂， 漫飘对阻抗飘移的影响是平衡的。 噪声测量中的精确程度取决于标准样品的噪声水平，当样品的功率谱 针对低阻薄膜电阻嚣的噪声测试方法 ( ，j 1 0 - 坩一1 0 讲、 2 h z - i 时，背景噪声不是问题，传统的直流偏置方法就足够了， 但是在噪声功率谱指标在t 0 一俨h z 。范围甚至更低时，必须采用以上的锁相测试 方法。 、 、 1 秒辑懈_ _ “ 1 图4 1 7 前放p a r c i l 3 的本底噪声 从图4 1 7 可以看出，放大器的本底噪声在低频段较大，高频段近似于放大器 前端的输入电阻的热噪声，不可避免。通过与图3 8 的比较，前放p a r c l l 3 的本底 噪声是比较大的，但因为电路中的阻抗匹配变压器能够将信号提前放大，所以这 不是问题。因为测试的噪声信号是叠加在载波频率f o 下的，实现了测试频段的搬 移，这样就避免了放大器本底噪声淹没信号的问题，f 。是通过锁放大器进行设定 的。通过此种方法，我们可以测出最低约l n f l z 左右的功率谱值，使用传统的直流 偏置方法测量i m h z 左右的噪声功率谱是非常困难的，因为此时噪声信号已被放大 器的本底噪声淹没。 4 5 针对薄膜裸片的探针台测试方法 参考图2 1 薄膜电阻的工艺流程，在几个中间环节都应该进行测试，一方面 是要检测电阻参数的准确性，另外，还可以通过中间阶段的测量来监测和评估生 产线的工艺水平。 结合微电子晶圆裸片的探针测试方法，可以将探针台引入到薄膜裸片的测试 之中，但是这与微电子器件裸片测试不同，电子器件低频噪声测试的是微弱的模 针对低阻薄膜电阻器的噪声测试方法 拟信号，任何一点的外界干扰否可能对测试结果产生较大影响；而微电子裸片的 测试通常是大信号测试，而测试的往往是器件的数字信号特征，所以外界引入的 干扰对测试结果的影响微弱甚至可以忽略。将探针方法应用到薄膜器件噪声测试 之中应注意以下几个问题：探针与器件之间的接触噪声、探针对器件焊盘的损坏、 外加电源的要求和选择什么样的连接方法。下面我们就针对这些问题展开探讨。 凌1 探针接触噪声磷究 探针作为一类特殊的接插件广泛应用于晶圆及裸片级的器件测试之中，没有 封装的器件必须通过这种方式取得样品与测试系统的连接，目前这种方法主要应 用于器件特性测试。针对薄膜裸片，没有封装引线，测试常规参数如阻值时，可 以采用探针方法，精度也是可信的，但是当我们使用探针来测试电阻器件的微弱 噪声信号时，所带来的影响和方法的正确性就必须引起足够的重视，即如何测试 才能够保证信号的正确性与完整性并尽可能降低接触噪声，下面作深入探讨。 参考图4 1 8 的测试电路，e 为直流偏置电源，通常为电池组；兄为电流调 节电阻；r 。为待测样品；a 、b 为探针接触点；c 、d 点为四探针法的测试点， 可以测量电压和噪声信号。本电路中，接触噪声产生于a 、b 两点，想降低电路 中的接触噪声，就应该从降低这两点的噪声着手。 鼍 一盘 图4 1 8