半導體器件測試虛擬仿真教學實驗設計

鐘英輝 董馨源 馬劉紅 李夢珂 段智勇

(鄭州大學 物理學院(微電子學院),鄭州 450001)

集成電路是多學科、多領域交叉融合技術的結晶,是社會智能生產和國民經濟發展的基石,已成為國家綜合實力的重要體現和標志[1]。集成電路產品生產鏈條,主要包括設計、制造、封裝、測試等環節。半導體器件作為集成電路功能實現的核心基礎技術,是銜接半導體材料和集成電路的橋梁,對半導體器件進行在片性能測試是進行器件建模和集成電路設計的前提,是成為集成電路相關領域人才必須掌握的重要實踐技能[2]。

半導體器件特性主要包括:電容-電壓特性、電容-頻率特性、接觸特性、輸出特性、轉移特性、增益特性、頻率特性等,測試過程中器件在探針臺上扎針,采用直流電源模塊進行供電,并通過半導體參數分析儀、矢量網絡分析儀進行交直流特性測量。探針臺系統涉及探針、交直流線纜、校準片等耗材,半導體參數分析儀需要配合多個功率模塊及相關配件,矢量網絡分析儀更是涉及合路器、機械開關等昂貴配件。同時,半導體器件特性測試過程,特別是矢量網絡分析儀進行散射參數測試中涉及復雜的校準過程,耗時較長[3]。因此,半導體器件的測試主要停留在科研層面,并未向教學廣泛普及。

虛擬仿真又稱虛擬現實技術或模擬技術,指用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術。隨著計算機技術的發展,仿真技術逐步自成體系,成為繼數學推理、科學實驗之后人類認識自然界客觀規律的第三類基本方法,而且正在發展成為人類認識、改造和創造客觀世界的一項通用性、戰略性技術。虛擬仿真技術在教學實驗中的應用可以彌補真實實驗高危險、高成本等弊端,成為相關領域教學實驗重要手段。

本文提出通過構建探針臺、半導體參數分析儀和矢量網絡分析儀等設備的虛擬仿真模型,并基于常規PN結、肖特基結、異質結、雙極型晶體管(BJT)、場效應晶體管(FET)、以及科研過程InP基高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質結雙極型晶體管(HBT)等的真實測試數據,通過科研反哺教學,建立半導體器件特性參數測試的虛擬仿真教學實驗。增強學生動手實踐能力,提升創新意識,掌握與產業需求接軌的知識技能。

1 測試系統虛擬模型構建

測試設備虛擬仿真模型基于鄭州大學物理學院Keysight半導體參數分析儀B1500A、Cascade探針臺MPS150和Keysight矢量網絡分析儀N5245A原型設備,交直流特性測試系統如圖1所示[4]。半導體參數分析儀包括4個功率模塊,并通過Force和Sense端口進行直流特性測量。手動探針臺包括載片臺、探針臂、顯微鏡等配件。矢量網絡分析儀進行器件散射參數測量時,借助Bias-T網絡并通過半導體參數分析儀功率模塊供電。

(a)探針臺

半導體器件測試虛擬仿真實驗采用C#語言開發,基于Unity3D開發引擎發布的WebGL版本,通過3DMax和Maya建立的三維模型實現立體可視化。支持Windows8/Windows10等操作系統,無需下載安裝應用,通過火狐等瀏覽器直接打開網頁即可運行該虛擬仿真系統。構建虛擬測試系統模型,如圖2所示。

圖2 構建的虛擬測試系統模型

2 測試實驗交互步驟設計

半導體器件交直流參數測試系統實操,根據實際測試過程操作步驟進行扣分設置,并根據設備使用技巧設置扣分項。實驗過程會設置試錯過程,如探針與樣品接觸后XY方向不能調節,否則判斷錯誤。下面以半導體器件直流特性測試為例給出操作步驟:

(1)打開探針臺機柜;

(2)調節載片臺XYZ旋鈕(使探針和載片臺分離),拉出載片臺,將樣品放在載片臺中央,抽真空固定晶圓;

(3)調節1#2#3#探針臂微調旋鈕,使得探針針尖與針腳良好接觸,如圖3所示;

圖3 半導體器件測試扎針示意圖

(4)打開半導體參數分析儀(如果測量散射參數還需要打開矢量網絡分析儀),打開測試軟件;

(5)設置半導體參數分析儀測試參數(如器件電極電壓、測試步長、輸出設置),進行半導體器件特性測試;

(6)調節載片臺XYZ旋鈕(使探針和載片臺分離),拉出載片臺,取出樣品,送回載片臺;

(7)關閉半導體參數分析儀和探針臺機柜;

(8)根據器件特性曲線,提取特性參數,分析器件機理。

3 測試實驗設計

器件特性測試以常規PN結、肖特基結、異質結、BJT、FET等器件真實測試數據為基礎。同時,InP基器件依靠能帶工程解決方案,是繼Si基器件重要的太赫茲技術解決方案,在毫米波、亞毫米波甚至太赫茲信號收發芯片中具有重要前景和應用需求。教學實驗增加了InP基HEMT和HBT器件的虛擬測試實驗,器件在中國科學院微電子研究所流片,特性種類可選擇輸出特性、轉移特性、電容效應、S參數等。測試過程需要給器件設置合適的偏壓范圍。如2×50 μm柵寬、120 nm柵長的InP基HEMT輸出特性曲線如圖4所示。

圖4 InP基HEMT器件輸出特性曲線

學生通過不同器件、不同偏壓下不同特性曲線的測量和數據處理分析,掌握半導體器件特性測試設備使用技巧,掌握半導體器件特性的變化規律和趨勢,掌握軟件進行數據處理分析的技巧。

4 結語

本文提出通過構建半導體器件虛擬測試系統,并以科研實測數據為基礎,進行了不同半導體器件特性的虛擬測試,可解決實際測試實驗成本高、耗時長的問題,讓學生加深對半導體器件相關基礎知識的理解,增強學生動手實踐能力,調動學生學習興趣。在信息技術高速發展的今天,人才培養也需要與時俱進,實驗課程教學教改實踐永遠在路上。