소자 모델링 및 특성 분석
모바일 소자 설계의 발전과 자동차 및 마이크로파 통신 시스템에 사용되는 신기술의 등장으로 반도체 모델링 및 특성 분석의 중요성이 더욱 커지고 있다. 과거에는 시간 및 비용 효율적인 온웨이퍼 공정을 구축하는 데 있어 두 가지 모두 필수적이었지만, 이제는 그 중요성이 더욱 커지고 있으며 어려운 과제가 되고 있다. 이는 밀리미터파(mmWave) 주파수로 확장되는 설계와 낮은 유전상수/선형지수(Dk/Df)를 가진 첨단 소재 및 공정 구현 때문이다.
이러한 모든 이유로 정확한 반도체 모델링 및 특성 분석은 엔지니어링 및 테스트의 한계를 계속해서 확장할 것이다. 그리고 이는 단지 시작에 불과하다. 6G 및 인공지능(AI)을 포함한 차세대 기술을 위해 D 대역(110~170GHz) 및 그 이상의 주파수 대역에서 첨단 R&D가 진행 중이다. 따라서 정확한 모델을 개발하려면 DC에서 시작하여 220GHz, 그리고 최대 1.1THz까지 확장되는 단일 스윕 측정이 필요한 경우가 많다.
효과적인 소자 모델링
반도체 소자 모델링은 엔지니어가 시제품 웨이퍼에 의존하는 대신 회로 시뮬레이션을 통해 개별 소자 및 하위 시스템의 동작을 결정할 수 있도록 지원하기 때문에 매우 중요하다. 시제품 웨이퍼는 매우 비싸고 느린 대안이다. 또한 실제 반도체 생산이 본격적으로 시작되기 전에 잠재적인 문제를 발견하는 데 도움이 될 수 있다. 정확한 모델을 생성하려면 실제 작동 조건을 적절히 시뮬레이션하기 위해 가능한 가장 넓은 주파수 범위에서 소자의 특성을 분석해야 한다.
소자 특성 분석은 대역 외 불요파 및 고조파, 그리고 대역 외 진동을 식별하는 데 중요하다. 이러한 문제와 그 원인을 파악하는 것은 특히 적용 대역을 벗어난 주파수에서 중요하다.
광범위한 온웨이퍼 테스트
장치 모델링을 위해 엔지니어는 RF 및 DC 측정 데이터에서 가능한 한 많은 정보를 필요로 합니다. 파운드리와 팹리스 반도체 회사들은 장기간에 걸친 정확하고 안정적인 측정이 필수적입니다. 엔지니어는 실리콘 CMOS, 바이폴라, 화합물 갈륨 비소(GaAs), 갈륨 나이트라이드(GaN) 및 기타 여러 장치 기술과 기판을 활용하여 온웨이퍼 장치에 대한 광범위한 테스트를 수행해야 합니다.
125GHz를 훨씬 초과하는 디바이스를 특성화 하면 디바이스 모델 정확도가 크게 향상되는 것으로 입증되었습니다. 매우 넓은 주파수 범위에서 단일 스윕 커버리지를 제공함으로써 퍼스트 턴 디자인 성공 가능성이 크게 향상됩니다. 최종 결과는 테스트 비용이 낮아지고 출시 시간이 빨라지며 시장에서 잠재적인 경쟁 우위를 확보할 수 있습니다.
측정 과제 극복
마이크로파 통신 시스템이 밀리미터파(mmWave) 스펙트럼으로 이동함에 따라, 웨이퍼 상 측정은 소자의 정확한 특성 분석 및 필요한 데이터 추출을 위해 고주파까지 확장되어야 한다. 고주파에서 정확한 측정을 보장하는 데에는 상당한 기술적 과제가 있다. 측정 반복성, 안정적인 프로브 접촉, 노이즈(내부 또는 외부), 프로브 전류 누설, 열 성능, 온도 변수, 그리고 소자와 테스트 장비 간의 안정적인 연결 등이 이러한 과제에 포함된다.
실제 환경에서 소자의 성능을 정확하게 예측하기 위한 전체 물리적 모델을 완성하려면 기존의 S-파라미터, 이득 압축, 왜곡 측정보다 더 정밀한 측정이 필요하다. 소자를 정확하게 검증하기 위해서는 2차, 3차, 5차 고조파를 측정해야 한다. 또한, 소자 특성이 후속 회로에 영향을 미치지 않도록 불요파를 측정해야 한다.
소자 특성 분석 과정에서 이러한 매개변수를 정확하게 측정하여 소자의 적절한 사양을 설정해야 한다. 생산 단계에서는 테스트 시간 최소화와 적절한 합격/불합격 판정간의 균형을 유지해야 한다.
온웨이퍼 테스트 솔루션
정확한 소자 모델링 및 특성 분석을 위해서는 DC에서 220GHz까지 단일 스윕 측정을 수행할 수 있는 광대역 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 중심으로 하는 테스트 솔루션이 필요하다. 통신 시스템의 주파수 범위가 지속적으로 발전함에 따라, 이러한 VNA 기반 광대역 시스템은 최대 1.1THz의 매우 낮은 주파수에서도 안정적인 전력을 확보하기 위해 고급 mmWave 도파관 모듈을 통합해야 한다.
