鐘英輝 董馨源 馬劉紅 李夢(mèng)珂 段智勇

(鄭州大學(xué) 物理學(xué)院(微電子學(xué)院),鄭州 450001)

集成電路是多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉融合技術(shù)的結(jié)晶,是社會(huì)智能生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石,已成為國家綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)和標(biāo)志[1]。集成電路產(chǎn)品生產(chǎn)鏈條,主要包括設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)。半導(dǎo)體器件作為集成電路功能實(shí)現(xiàn)的核心基礎(chǔ)技術(shù),是銜接半導(dǎo)體材料和集成電路的橋梁,對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行在片性能測(cè)試是進(jìn)行器件建模和集成電路設(shè)計(jì)的前提,是成為集成電路相關(guān)領(lǐng)域人才必須掌握的重要實(shí)踐技能[2]。

半導(dǎo)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(zhuǎn)移特性、增益特性、頻率特性等,測(cè)試過程中器件在探針臺(tái)上扎針,采用直流電源模塊進(jìn)行供電,并通過半導(dǎo)體參數(shù)分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行交直流特性測(cè)量。探針臺(tái)系統(tǒng)涉及探針、交直流線纜、校準(zhǔn)片等耗材,半導(dǎo)體參數(shù)分析儀需要配合多個(gè)功率模塊及相關(guān)配件,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀更是涉及合路器、機(jī)械開關(guān)等昂貴配件。同時(shí),半導(dǎo)體器件特性測(cè)試過程,特別是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行散射參數(shù)測(cè)試中涉及復(fù)雜的校準(zhǔn)過程,耗時(shí)較長[3]。因此,半導(dǎo)體器件的測(cè)試主要停留在科研層面,并未向教學(xué)廣泛普及。

虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù),指用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,仿真技術(shù)逐步自成體系,成為繼數(shù)學(xué)推理、科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后人類認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法,而且正在發(fā)展成為人類認(rèn)識(shí)、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項(xiàng)通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用可以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)高危險(xiǎn)、高成本等弊端,成為相關(guān)領(lǐng)域教學(xué)實(shí)驗(yàn)重要手段。

本文提出通過構(gòu)建探針臺(tái)、半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備的虛擬仿真模型,并基于常規(guī)PN結(jié)、肖特基結(jié)、異質(zhì)結(jié)、雙極型晶體管(BJT)、場(chǎng)效應(yīng)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(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)等的真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù),通過科研反哺教學(xué),建立半導(dǎo)體器件特性參數(shù)測(cè)試的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)。增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力,提升創(chuàng)新意識(shí),掌握與產(chǎn)業(yè)需求接軌的知識(shí)技能。

1 測(cè)試系統(tǒng)虛擬模型構(gòu)建

測(cè)試設(shè)備虛擬仿真模型基于鄭州大學(xué)物理學(xué)院Keysight半導(dǎo)體參數(shù)分析儀B1500A、Cascade探針臺(tái)MPS150和Keysight矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5245A原型設(shè)備,交直流特性測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示[4]。半導(dǎo)體參數(shù)分析儀包括4個(gè)功率模塊,并通過Force和Sense端口進(jìn)行直流特性測(cè)量。手動(dòng)探針臺(tái)包括載片臺(tái)、探針臂、顯微鏡等配件。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行器件散射參數(shù)測(cè)量時(shí),借助Bias-T網(wǎng)絡(luò)并通過半導(dǎo)體參數(shù)分析儀功率模塊供電。

(a)探針臺(tái)

半導(dǎo)體器件測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用C#語言開發(fā),基于Unity3D開發(fā)引擎發(fā)布的WebGL版本,通過3DMax和Maya建立的三維模型實(shí)現(xiàn)立體可視化。支持Windows8/Windows10等操作系統(tǒng),無需下載安裝應(yīng)用,通過火狐等瀏覽器直接打開網(wǎng)頁即可運(yùn)行該虛擬仿真系統(tǒng)。構(gòu)建虛擬測(cè)試系統(tǒng)模型,如圖2所示。

圖2 構(gòu)建的虛擬測(cè)試系統(tǒng)模型

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)交互步驟設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體器件交直流參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)操,根據(jù)實(shí)際測(cè)試過程操作步驟進(jìn)行扣分設(shè)置,并根據(jù)設(shè)備使用技巧設(shè)置扣分項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)過程會(huì)設(shè)置試錯(cuò)過程,如探針與樣品接觸后XY方向不能調(diào)節(jié),否則判斷錯(cuò)誤。下面以半導(dǎo)體器件直流特性測(cè)試為例給出操作步驟:

(1)打開探針臺(tái)機(jī)柜;

(2)調(diào)節(jié)載片臺(tái)XYZ旋鈕(使探針和載片臺(tái)分離),拉出載片臺(tái),將樣品放在載片臺(tái)中央,抽真空固定晶圓;

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

圖3 半導(dǎo)體器件測(cè)試扎針示意圖

(4)打開半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(如果測(cè)量散射參數(shù)還需要打開矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀),打開測(cè)試軟件;

(5)設(shè)置半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試參數(shù)(如器件電極電壓、測(cè)試步長、輸出設(shè)置),進(jìn)行半導(dǎo)體器件特性測(cè)試;

(6)調(diào)節(jié)載片臺(tái)XYZ旋鈕(使探針和載片臺(tái)分離),拉出載片臺(tái),取出樣品,送回載片臺(tái);

(7)關(guān)閉半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和探針臺(tái)機(jī)柜;

(8)根據(jù)器件特性曲線,提取特性參數(shù),分析器件機(jī)理。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

器件特性測(cè)試以常規(guī)PN結(jié)、肖特基結(jié)、異質(zhì)結(jié)、BJT、FET等器件真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。同時(shí),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(shù)解決方案,在毫米波、亞毫米波甚至太赫茲信號(hào)收發(fā)芯片中具有重要前景和應(yīng)用需求。教學(xué)實(shí)驗(yàn)增加了InP基HEMT和HBT器件的虛擬測(cè)試實(shí)驗(yàn),器件在中國科學(xué)院微電子研究所流片,特性種類可選擇輸出特性、轉(zhuǎn)移特性、電容效應(yīng)、S參數(shù)等。測(cè)試過程需要給器件設(shè)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(xué)生通過不同器件、不同偏壓下不同特性曲線的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理分析,掌握半導(dǎo)體器件特性測(cè)試設(shè)備使用技巧,掌握半導(dǎo)體器件特性的變化規(guī)律和趨勢(shì),掌握軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析的技巧。

4 結(jié)語

本文提出通過構(gòu)建半導(dǎo)體器件虛擬測(cè)試系統(tǒng),并以科研實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行了不同半導(dǎo)體器件特性的虛擬測(cè)試,可解決實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長的問題,讓學(xué)生加深對(duì)半導(dǎo)體器件相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的理解,增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天,人才培養(yǎng)也需要與時(shí)俱進(jìn),實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)教改實(shí)踐永遠(yuǎn)在路上。