半导体器件测试虚拟仿真教学实验设计

钟英辉 董馨源 马刘红 李梦珂 段智勇

(郑州大学 物理学院(微电子学院),郑州 450001)

集成电路是多学科、多领域交叉融合技术的结晶,是社会智能生产和国民经济发展的基石,已成为国家综合实力的重要体现和标志[1]。集成电路产品生产链条,主要包括设计、制造、封装、测试等环节。半导体器件作为集成电路功能实现的核心基础技术,是衔接半导体材料和集成电路的桥梁,对半导体器件进行在片性能测试是进行器件建模和集成电路设计的前提,是成为集成电路相关领域人才必须掌握的重要实践技能[2]。

半导体器件特性主要包括:电容-电压特性、电容-频率特性、接触特性、输出特性、转移特性、增益特性、频率特性等,测试过程中器件在探针台上扎针,采用直流电源模块进行供电,并通过半导体参数分析仪、矢量网络分析仪进行交直流特性测量。探针台系统涉及探针、交直流线缆、校准片等耗材,半导体参数分析仪需要配合多个功率模块及相关配件,矢量网络分析仪更是涉及合路器、机械开关等昂贵配件。同时,半导体器件特性测试过程,特别是矢量网络分析仪进行散射参数测试中涉及复杂的校准过程,耗时较长[3]。因此,半导体器件的测试主要停留在科研层面,并未向教学广泛普及。

虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术,指用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。随着计算机技术的发展,仿真技术逐步自成体系,成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法,而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。虚拟仿真技术在教学实验中的应用可以弥补真实实验高危险、高成本等弊端,成为相关领域教学实验重要手段。

本文提出通过构建探针台、半导体参数分析仪和矢量网络分析仪等设备的虚拟仿真模型,并基于常规PN结、肖特基结、异质结、双极型晶体管(BJT)、场效应晶体管(FET)、以及科研过程InP基高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极型晶体管(HBT)等的真实测试数据,通过科研反哺教学,建立半导体器件特性参数测试的虚拟仿真教学实验。增强学生动手实践能力,提升创新意识,掌握与产业需求接轨的知识技能。

1 测试系统虚拟模型构建

测试设备虚拟仿真模型基于郑州大学物理学院Keysight半导体参数分析仪B1500A、Cascade探针台MPS150和Keysight矢量网络分析仪N5245A原型设备,交直流特性测试系统如图1所示[4]。半导体参数分析仪包括4个功率模块,并通过Force和Sense端口进行直流特性测量。手动探针台包括载片台、探针臂、显微镜等配件。矢量网络分析仪进行器件散射参数测量时,借助Bias-T网络并通过半导体参数分析仪功率模块供电。

(a)探针台

半导体器件测试虚拟仿真实验采用C#语言开发,基于Unity3D开发引擎发布的WebGL版本,通过3DMax和Maya建立的三维模型实现立体可视化。支持Windows8/Windows10等操作系统,无需下载安装应用,通过火狐等浏览器直接打开网页即可运行该虚拟仿真系统。构建虚拟测试系统模型,如图2所示。

图2 构建的虚拟测试系统模型

2 测试实验交互步骤设计

半导体器件交直流参数测试系统实操,根据实际测试过程操作步骤进行扣分设置,并根据设备使用技巧设置扣分项。实验过程会设置试错过程,如探针与样品接触后XY方向不能调节,否则判断错误。下面以半导体器件直流特性测试为例给出操作步骤:

(1)打开探针台机柜;

(2)调节载片台XYZ旋钮(使探针和载片台分离),拉出载片台,将样品放在载片台中央,抽真空固定晶圆;

(3)调节1#2#3#探针臂微调旋钮,使得探针针尖与针脚良好接触,如图3所示;

图3 半导体器件测试扎针示意图

(4)打开半导体参数分析仪(如果测量散射参数还需要打开矢量网络分析仪),打开测试软件;

(5)设置半导体参数分析仪测试参数(如器件电极电压、测试步长、输出设置),进行半导体器件特性测试;

(6)调节载片台XYZ旋钮(使探针和载片台分离),拉出载片台,取出样品,送回载片台;

(7)关闭半导体参数分析仪和探针台机柜;

(8)根据器件特性曲线,提取特性参数,分析器件机理。

3 测试实验设计

器件特性测试以常规PN结、肖特基结、异质结、BJT、FET等器件真实测试数据为基础。同时,InP基器件依靠能带工程解决方案,是继Si基器件重要的太赫兹技术解决方案,在毫米波、亚毫米波甚至太赫兹信号收发芯片中具有重要前景和应用需求。教学实验增加了InP基HEMT和HBT器件的虚拟测试实验,器件在中国科学院微电子研究所流片,特性种类可选择输出特性、转移特性、电容效应、S参数等。测试过程需要给器件设置合适的偏压范围。如2×50 μm栅宽、120 nm栅长的InP基HEMT输出特性曲线如图4所示。

图4 InP基HEMT器件输出特性曲线

学生通过不同器件、不同偏压下不同特性曲线的测量和数据处理分析,掌握半导体器件特性测试设备使用技巧,掌握半导体器件特性的变化规律和趋势,掌握软件进行数据处理分析的技巧。

4 结语

本文提出通过构建半导体器件虚拟测试系统,并以科研实测数据为基础,进行了不同半导体器件特性的虚拟测试,可解决实际测试实验成本高、耗时长的问题,让学生加深对半导体器件相关基础知识的理解,增强学生动手实践能力,调动学生学习兴趣。在信息技术高速发展的今天,人才培养也需要与时俱进,实验课程教学教改实践永远在路上。