CN202083773U - 半导体参数测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体测试技术领域，特别涉及一种用于晶体管参数测试的半导体参数测试系统，包括探针系统、数字源表、PC机、温度控制装置、抽真空装置和软件系统；抽真空装置将半导体器件吸附在探针系统中的样品台上；探针系统中的传输线按照测试电路与数字源表的接线口相连；数字源表通过GPIB接口与PC机相连，利用数字源表的电源功能把电压或电流通过探针加载在半导体器件的电极上，同时利用数字源表的万用表功能进行数据采集；样品台中设有加热丝和热电偶棒，通过温度控制装置对样品台的温度进行控制，温度控制装置通过RS232接口与PC机相连。整个测试系统都是由PC机进行控制，最后在PC机上显示、分析和保存测试数据。本实用新型可以使半导体测试成为自动化测试过程，使测试变得更方便、更高效的同时，大幅度地降低测试成本。

Description

半导体参数测试系统

技术领域

本实用新型属于半导体测试技术领域，特别涉及一种用于晶体管参数测试的半导体参数测试系统，并可以把该测试系统推广到其它类型半导体器件的参数测试中去。 

背景技术

目前，针对半导体参数测试有各种各样的仪器，但基本都是分立的，即每台仪器只能实现一个或者为数不多的几个参数的测试，比如：测伏安特性曲线需要伏安特性测试仪，测电容-电压特性曲线需要电容-电压测试仪；并且，对不同类型的半导体器件需要不同的测试仪器，比如：三极管测试仪器与二极管测试仪器是不同的；而且，国内生产的测试仪器基本上还是采用指针式仪表和手动操作，此方法读数慢而且不够准确，操作也比较繁琐。国外半导体参数测试仪器虽在性能上有所提升，但是价格十分昂贵。这势必会导致半导体测试系统的构成装置过于庞大，增加了测试时间，进而增加了测试成本。 

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有的半导体参数测试中存在的弊端，使半导体测试过程变得更方便、更高效，并且在保证测试性能的前提下，大幅度地降低测试成本。 

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种半导体参数测试系统，包括探针系统、数字源表、PC机、温度控制装置、抽真空装置和软件系统；所述抽真空装置将半导体器件吸附在探针系统中的样品台上，所述探针系统中的传输线按照测试电路与数字源表的接线口相连；所述数字源表通过GPIB接口与PC机相连，所述数字源表同时具有电源和万用表功能，利用数字源表的电源功能把电压或电流通过探针加载在半导体器件的电极上，同时利用数字源表的万用表功能进行数据采集；所述样品台中设有加热丝和热电偶棒，通过温度控制装置对样品台的温度进行控制，所述温度控制装置通过RS232接口与PC机相连。 

进一步地，所述探针系统中的探针三维调节装置通过可控磁性的吸盘与铁座之间的磁力固定在铁座上，所述探针通过带BNC接口的传输线与数字源表的接线口相连。 

进一步地，所述样品台中的真空泵接口与抽真空装置相连，通过吸气口和吸气槽把半导体器件吸附在样品台，所述样品台固定在样品台三维调节装置上。 

进一步地，所述样品台上方设有显微镜及显微镜高度调节装置，所述显微镜高度调节装 置固定在与底座连接的固定杆上；在所述显微镜物镜的上方设有LED光源和CCD摄像头。 

进一步地，所述样品台中设有电热丝和四个电热偶棒插槽，插入热电偶棒，所述电热丝外接温度控制装置，所述热电偶棒为温度控制装置提供反馈温度。 

进一步地，所述的测试参数包括电流-电压特性、转移特性、跨导特性、开启电压值、漏极饱和电流值、温度特性。 

本实用新型设计了一套探针系统，由于现在半导体工艺普遍采用微纳光刻工艺，制造出的半导体器件都在微米级别，如本实用新型中的测试样品为高电子迁移率晶体管(HEMT)，其芯片尺寸仅为500微米*500微米，电极尺寸仅为60微米*60微米，所以必须设计出符合现代化半导体生产工艺要求的探针系统。 

本实用新型采用两台Agilent U3606A数字源表构成电源和数据采集单元，其特征在于该数字源表同时具有电源和万用表功能。该数字源表能达到5位半的精度，电流能达到微安，电压能达到微伏级别，并能通过GPIB接口与PC机进行通讯，大大地减少了半导体参数测试中所要的测试仪器，而且利用PC机进行控制，实现了自动化测试的目标。利用数字源表的电源功能，通过PC机中编好的软件系统发送指令直接控制数字源表的电压、电流输出，给晶体管加载所需的电压或电流，并利用数字源表的万用表功能实时采集测量值。采用的温度控制装置通过RS232接口与PC机进行通讯，控制样品台的温度。 

本实用新型中，在对每一个参数进行测量前只需要采用不同的测试电路，即对数字源表采用不同的连线，就可实现对各种参数包括电流-电压特性、转移特性、跨导特性、开启电压值、漏极饱和电流值、温度特性的自动化测量。并可根据测试需要不断地扩展测试功能，具有很好的可扩展性。 

本实用新型的有益效果是，可以使半导体测试成为自动化测试过程，使测试变得更方便、更高效的同时，大幅度地降低测试成本。由于其低成本、高效性和自动化测试过程能在高校实验室及工厂中得到广泛推广。 

附图说明

图1是本实用新型半导体参数测试系统的结构示意图。 

图2a、图2b是本实用新型半导体参数测试系统的总体示意图。 

图3a是本实用新型中样品台的结构示意图。 

图3b是图3a的截面图。 

图4是本实用新型中对于HEMT器件的电流-电压特性曲线、转移特性曲线及跨导特性 曲线、开启电压值、漏极饱和电流值、温度特性的测试所用的电路示意图。 

图5是本实用新型中对HEMT器件的转移特性、跨导特性、开启电压值、漏极饱和电流值的测试结果图。 

图6是本实用新型中对HEMT器件的温度特性的测试结果图。 

图7是本实用新型中对HEMT器件的电流-电压特性的测试结果图。 

图8为本实用新型中设计的软件系统结构框图。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。 

在图1中，通过抽真空装置把半导体器件吸附在探针系统中的样品台上；探针系统中的传输线按照测试电路与数字源表的接线口相连，数字源表通过GPIB接口与PC机相连，利用数字源表的电源功能把电压或电流通过探针加载在半导体器件的电极上，同时利用数字源表的万用表功能进行数据采集；样品台中有加热丝和热电偶棒，通过温度控制装置就能对样品台的温度进行控制，温度控制装置通过RS232接口与PC机相连；利用编写的软件系统，通过GPIB接口和RS232接口发出指令对仪器进行控制。 

数字源表构成了电源和数据采集单元，同时具有电源和万用表功能，通过GPIB接口与PC机进行通讯，利用数字源表的电源功能，通过软件系统发送指令直接控制数字源表的电压、电流输出，给晶体管加载所需的电压或电流，并利用数字源表的万用表功能实时采集测量值。温度控制装置通过RS232接口与PC机进行通信，通过样品台中的加热丝和热电偶对样品台进行温度的输出和控制。整套测试系统最终通过用LabVIEW编程的软件系统实现所需要的功能，进而在电脑屏幕上即时地显示出测量曲线或者测量值。 

在图2a、图2b所示实施例中，探针三维调节装置1利用可控磁性的吸盘2与铁座3之间的磁性吸力固定在铁座上，总共有三个相同的探针，探针4通过带BNC接口的传输线5与数字源表16中的数字源表的接线口17相连，总共两台数字源表。并把探针与传输线的一头通过螺丝固定在探针三维调节装置上，这样探针的位置可以通过三维调节装置进行调整。样品台8中的真空泵接口与抽真空装置15相连，通过吸气口22和吸气槽23把半导体器件7吸附在样品台。加热丝25与温度控制装置相连，可对样品台进行加热。在四个热电偶棒插槽24插入热电偶棒，即可通过热电偶棒为温度控制装置提供反馈温度，用于对样品台温度的控制。同时样品台固定在样品台三维调节装置6上。通过调节样品台三维调节装置，可以使测试样品呈现在显微镜9的目镜中央。均匀照明的LED光源10固定在显微镜的物镜上方，提 供显微镜所要的光源。CCD摄像头11提供了除目镜观测外的另外一种观测方式，显微镜高度调节装置12与底座连接的固定杆13之间是螺纹连接，可以通过螺纹调节显微镜的高度。两台数字源表通过GPIB接口与PC机19相连，温度控制装置通过RS232接口与PC机相连，抽真空装置、数字源表、温度控制装置18和PC机都放在仪器柜14中。 

在图3a、图3b中，样品台提供了一个真空泵接口20，外接抽真空装置可以对真空室21进行抽真空，通过吸气口22和吸气槽23就可以把样品吸在样品台上。在样品台中有加热丝25，外接温度控制装置，可对样品台进行加热，同时提供了四个热电偶棒插槽24，插入热电偶棒，该热电偶棒为温度控制装置提供反馈温度，用于温度控制装置对样品台温度的控制。 

按照图4中的测试电路，第一台数字源表的电源正极接线口通过连线与探针系统中一根带BNC接口的传输线相连，并把与该传输线相连的探针加在晶体管的栅极；该数字源表的电源负极接线口与第二台数字源表的电源负极接线口通过连线相连，而且把该负极接线口通过连线与探针系统中第二根带BNC接口的传输线相连，并把与该传输线相连的探针加在晶体管的源极，第二台数字源表的电源正极接线口与该数字源表的万用表正极接线口通过连线相连，万用表的负极接线口通过连线与探针系统中第三根带BNC接口的传输线相连，并把与该传输线相连的探针加在晶体管的漏极。通过PC机中编好的软件系统发送指令直接控制数字源表的电压、电流输出，给晶体管三个电极加载所需的电压或电流，并利用数字源表的万用表功能实时采集测量值。软件系统发送指令控制温度控制装置，实现对样品台温度的控制。进而在PC屏幕上实时地显示出测量曲线或者测量值。 

转移特性、跨导特性、开启电压值、漏极饱和电流值的测试 

利用PC机中软件系统的用户接口模块，通过GPIB接口对数字源表发送指令，使得漏源电压Vds＝0.5V(视半导体器件类型而变)，栅源电压Vgs＝-1.2V-0V，步长为0.05V。利用软件系统的数据采集模块采集在加载不同栅源电压值Vgs情况下的漏电流Ids，最后在PC机上自动绘制出转移特性(Ids-Vgs)曲线，如图5中曲线1，其中横坐标x轴表示栅源电压Vgs，单位为伏，纵坐标y轴表示漏电流Ids，单位为毫安。 

在转移特性曲线上，当栅源电压Vgs为0V时，对应的漏电流Ids值即为漏极饱和电流值(Idss)，即曲线1与纵坐标y轴的交点所对应的值。 

对转移特性曲线中的各个离散点求导，即可绘制出跨导特性曲线(Gm-Vgs)，如图5中的曲线2，横坐标x轴表示栅源电压Vgs，单位为伏，纵坐标y轴表示跨导Gm，单位为毫西。 

求出跨导特性曲线上最大跨导对应的Vgs，在该Vgs值下的转移特性曲线的坐标点，即图5中的虚线与曲线1的交点，求该点在转移特性曲线上的切线，如图5中的曲线3，该切 线与横坐标的交点即为开启电压(Vth)，其中横坐标x轴表示栅源电压Vgs，单位为伏，纵坐标y轴表示漏电流电导，单位为毫西。 

图5为PC上显示的最终测试结果。 

温度特性的测试 

利用PC机中软件系统的用户接口模块，通过RS232接口对温度控制装置发送指令，使得T＝25℃和T＝45℃。温度特性测试设置和转移特性的测试设置是一样的，只是在不同温度下测试转移特性曲线，最终在同一坐标系中绘制出两条转移特性曲线。曲线4是在T＝25℃时测得的转移特性曲线，曲线5为T＝45℃测得的转移特性曲线，其中横坐标x轴表示栅源电压Vgs，单位为伏，纵坐标y轴表示漏电流Ids，单位为毫安。 

图6为PC上显示的最终测试结果。 

电流-电压特性(I-V特性)的测试 

利用PC机中软件系统的用户接口模块，通过GPIB接口对数字源表发送指令，使得Vgs＝Vth-0V，步长为0.2V。在相同栅源电压Vgs下，使得漏源电压Vds为可变量(Vds＝0-0.8V，步长为0.05V)，利用软件系统的数据采集模块采集在加载相同Vgs电压值，不同Vds电压值情况下的漏电流Ids电流值，并绘制出曲线。最后在PC机上自动绘制出多条在不同Vgs之下的电流-电压特性(Ids-Vds)曲线。曲线6为Vgs＝-0.8V时的I-V特性曲线，曲线7为Vgs＝-0.6V时的I-V特性曲线，曲线8为Vgs＝-0.4V时的I-V特性曲线，曲线9为Vgs＝-0.2V时的I-V特性曲线，曲线10为Vgs＝0V时的I-V特性曲线，其中横坐标x轴表示栅源电压Vds，单位为伏，纵坐标y轴表示漏电流Ids，单位为毫安。 

图7为PC上显示的最终测试结果。 

在此半导体参数测试系统中，利用高性能的探针系统可以对多种参数进行测试工作，比如晶体管的电容-电压特性(C-V特性)、off-state栅源击穿电压(BVgs)、off-state漏源击穿电压(BVds)、on-state击穿电压(BVon)；以及其它类型的半导体器件，比如二极管，只需要改变测试电路，使用探针系统中的2个探针，无需增加或改变测试仪器就可以实现参数测试工作。 

符号说明 

Vds：漏源电压。 

Vgs：栅源电压。 

Ids：漏电流。 

Idss：漏极饱和电流。 

Vth：开启电压。 

Gm：跨导。 

本实用新型中的软件系统结构框图如图8，软件系统是在Windows XP操作系统下采用LabVIEW 2009来实现的。具有以下模块：用户接口模块；数据采集模块；分析计算模块；数据显示/打印/保存模块； 

用户接口模块 

用户接口模块主要是让具有GPIB或者RS232接口的仪器与PC机相连，通过该模块发指令来控制仪器，实现人机交互功能，从而达到自动化测试目的。 

数据采集模块 

本半导体参数测试系统中利用数字源表的万用表功能进行数据采集工作，并通过GPIB接口与PC机相连，自动地采集电压或者电流值。 

分析计算模块 

分析计算模块是把数据采集模块采集到的数据进行分析和计算工作。 

测试半导体的跨导特性，是对数据采集模块采集到的转移特性曲线求导，即是跨导特性曲线。 

测试漏极饱和电流，是在转移特性(Ids-Vgs)曲线上，当Vgs为0V时，对应的Ids值即为漏极饱和电流。 

测试开启电压，是先找出跨导特性曲线上最大跨导值对应的Vgs，在该Vgs值下的转移特性曲线的坐标点，并求该点在转移特性曲线上的切线，该切线与横坐标的交点即为开启电压。 

数据显示/打印/保存模块 

数据显示/打印/保存模块是把数据采集模块采集到数据和分析计算模块计算出来的结果实时显示在PC机的屏幕上，或保存为文档，能方便地调用原先的测试数据，或者打印出来，究竟采用哪种方式均由用户自己选择。 

实例 

本实例中，对中国科学院微电子研究所提供的高电子迁移率晶体管HEMT进行测试，测试过程如下： 

第一步：样品台中的真空泵接口接上抽真空装置，打开抽真空装置，把HEMT器件放在探针系统中的样品台上，HEMT器件就被吸附在样品台上。通过调节显微镜的位置以及样品台三维调节装置，使HEMT呈现在显微镜目镜观测到的中心位置。 

第二步：按照测试电路，把数字源表的接线口通过连线和探针系统中的三根带BNC接口的传输线相连。 

第三步：通过显微镜的目镜观测，调节探针三维调节装置把三个探针加到HEMT器件的源极，漏极和栅极上。 

第四步：四根热电偶棒插入样品台中的热电偶棒插槽中，两台数字源表通过GPIB接口与PC机相连，温度控制装置通过RS232接口与PC机相连。 

第五步：打开编写的软件系统，通过PC机中GPIB接口对数字源表发出指令，控制电压的输出以及对电压和电流的采集。通过PC机中RS232接口对温度控制装置发出指令，控制样品台的温度。最终在PC机的屏幕上实时地显示测试结果。根据需要进行保存或者打印操作。 

Claims (6)

1.一种半导体参数测试系统，其特征在于包括探针系统、数字源表、PC机、温度控制装置、抽真空装置和软件系统；所述抽真空装置将半导体器件吸附在探针系统中的样品台上，所述探针系统中的传输线按照测试电路与数字源表的接线口相连；所述数字源表通过GPIB接口与PC机相连，所述数字源表同时具有电源和万用表功能，利用数字源表的电源功能把电压或电流通过探针加载在半导体器件的电极上，同时利用数字源表的万用表功能进行数据采集；所述样品台中设有加热丝和热电偶棒，通过温度控制装置对样品台的温度进行控制，所述温度控制装置通过RS232接口与PC机相连。

2.根据权利要求1所述的半导体参数测试系统，其特征在于：所述探针系统中的探针三维调节装置通过可控磁性的吸盘与铁座之间的磁力固定在铁座上，所述探针通过带BNC接口的传输线与数字源表的接线口相连。

3.根据权利要求1所述的半导体参数测试系统，其特征在于：所述样品台中的真空泵接口与抽真空装置相连，通过吸气口和吸气槽把半导体器件吸附在样品台，所述样品台固定在样品台三维调节装置上。

4.根据权利要求1所述的半导体参数测试系统，其特征在于：所述样品台上方设有显微镜及显微镜高度调节装置，所述显微镜高度调节装置固定在与底座连接的固定杆上；在所述显微镜物镜的上方设有LED光源和CCD摄像头。

5.根据权利要求1所述的半导体参数测试系统，其特征在于：所述样品台中设有电热丝和四个电热偶棒插槽，插入热电偶棒，所述电热丝外接温度控制装置，所述热电偶棒为温度控制装置提供反馈温度。

6.根据权利要求1所述的半导体参数测试系统，其特征在于：所述的测试参数包括电流-电压特性、转移特性、跨导特性、开启电压值、漏极饱和电流值、温度特性。 

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