JP5086591B2 - 容量測定装置および容量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスや半導体プロセスの開発において容量素子の擬似静的な容量測定に用いられる容量測定装置および容量測定方法に関するものである。

半導体デバイスや半導体プロセスの開発では、半導体デバイスや半導体プロセスの評価のために被測定対象（ＤＵＴ：Device Under Test）の容量測定が行われている。被測定対象の容量測定には、大きく分けて、高周波での容量測定と低周波（quasi-static）での容量測定とがある。低周波での容量測定においては、近年の半導体プロセスの微細化などにより、測定する容量も小さくなり、高精度の測定を行える技術が要求されている。

ステップ電圧法は、被測定対象に印加する電圧を変化させることにより生じる充電電荷の変化量を測定し、その充電電荷の変化量と印加電圧の変化量から被測定対象の容量値を求める手法であり、例えば特許文献１などに、このステップ電圧法に関連する技術が開示されている。

ところで、半導体プロセスの微細化に伴い、特に低周波での容量測定の場合には、被測定対象に流れる充電電流を測定するための電流計に、被測定対象の抵抗成分による大きなリーク電流が流れ込み、これが容量測定に誤差をもたらすという課題がある。図５にこのリーク電流の影響の例を示す。被測定対象に印加する電圧を変化させると被測定対象に充電電流が流れて充電電荷（図５の電流（Ｉ）グラフの面積部分）が変化する。リーク電流がない場合には、電流計に流れ込む電流は被測定対象を通して流れる充電電流のみであるが、リーク電流が発生している場合には被測定対象を通して流れる充電電流に加えてリーク電流も電流計に流れ込み、結果的に被測定対象の充電電荷の変化量を正しく測定できない。そこで、このリーク電流分の電荷の補正を行うことが可能な容量測定方法が求められている。以下に、リーク電流分の補正を行うことが可能な容量測定方法の従来例を示す。

被測定対象の容量Ｃ（単位Ｆ）、充電電荷Ｑ（単位Ｃ）、印加電圧Ｖ（単位Ｖ）の関係は下式で表される。
Ｑ＝ＣＶ ・・・(1)

被測定対象の容量Ｃが一定であると仮定した場合、被測定対象への印加電圧Ｖをある電圧Ｖ_set1から異なる電圧Ｖ_set2に変化させると、被測定対象の充電電荷もある値Ｑ₁から異なる値Ｑ₂に変化する。すなわち、充電電荷はΔＱ（＝Ｑ₂−Ｑ₁）だけ変化する。この充電電荷の変化量ΔＱは、次式のように充電電流Ｉを積分して求められる。
ΔＱ＝∫Ｉｄｔ ・・・(2)

図６は印加電圧を変化させたときの充電電荷の変化量ΔＱをＰＬＣ（Power Line Cycle）の所定の整数倍として定められた期間Δｔ_PLCごとの区間の長方形近似によって求める場合の例を示す図である。Δｔ_PLCは、電源電圧の周波数が５０Ｈｚである時には例えば２０ｍｓであり、電源電圧の周波数が６０Ｈｚである時には例えば１６．６７ｍｓである。この場合、充電電荷の変化量ΔＱは次式で近似的に表される。
ΔＱ≒ΣＩ_ｋ＊Δｔ_PLC ・・・(3)
ただし、ｋ＝１，２，…，Ｔ_cinteg／Δｔ_PLCである。Ｔ_cintegは充電電流の積分時間である。

図９は、従来のステップ電圧法による測定を行う際のブロック図であり、可変電圧源８２の出力が被測定対象（ＤＵＴ）８１の一端に接続され、被測定対象８１の他端には、電流計８４を介して接地端子に接続されている。他方、可変電圧源８２の出力には、電圧計８３が接続されている。図７は従来のステップ電圧法による測定シーケンスを示す図であり、一回の測定ステップの印加電圧の変化を示している。まず、可変電圧源８２で印加電圧の値がある値Ｖ_set1に設定される。印加電圧の設定から予め決められた時間delay1が経過したとき、電圧計８３による印加電圧Ｖ₁の測定が行われ、続いて電流計８４によるリーク電流Ｉ_Ｌ1の測定が行われる。このように印加電圧Ｖ₁の測定とリーク電流Ｉ_Ｌ1の測定とが順に行われるのは、電圧計８３と電流計８４とが一つのＡ／Ｄ変換器を共有しているためである。印加電圧Ｖ₁の測定後、電流計８４による充電電流の測定が開始されるとともに、印加電圧の設定値が異なる値Ｖ_set2に変更される。これにより印加電圧が増加して行く。

電流計８４による充電電流の測定はΔｔ_PLC間隔でＴ_cinteg／Δｔ_PLCの回数繰り返され、その積分値が充電電荷の変化量ΔＱ_totalとして求められる。充電電流の測定が終了すると、電圧計８３で印加電圧Ｖ₂の測定が行われ、次いで、電流計８４でリーク電流Ｉ_Ｌ2の測定が行われる。

容量値Ｃは以下の式を用いて求められる。
Ｃ＝ΔＱ／ΔＶ＝（ΔＱ_total−ΔＱ_Leak＋Ｑ_correction）／（Ｖ₂−Ｖ₁） ・・・(4)
＝{（ΣＩ_ｋ＊Δｔ_PLC）−ΔＱ_Leak}／（Ｖ₂−Ｖ₁） ・・・(5)
ここで、ΔＱ_Leakはリーク電流による充電電荷の変化量であり、これは図８に示すように、充電電荷が時間的に線形に増加するという仮定をもとに、台形近似を使って次式により求められる。

ΔＱ_Leak＝１／２（Ｉ_Ｌ1＋Ｉ_Ｌ2）τ＋Ｉ_Ｌ2（Ｔ_cinteg−τ） ・・・(6)
ここで、τは被測定対象への充電時間であり、この時間は以下のようにして決められる。

本測定では、電流計８４が充電電流を期間Δｔ_PLCごとに測定すると同時に電流計８４の状態をモニターすなわち監視し、出力電圧と設定電圧値とが等しくないなら充電中であると判断し、出力電圧と設定電圧値とが等しくなった時点（以下、この状態をＶｌｏｏｐ状態と呼ぶ）をもって充電が完了したとみなしている。

なお、期間Δｔ_PLCごとに充電電流を測定することおよび電流計８４の状態をモニターするのは、パワーラインノイズによる影響をキャンセルするためである。

式(4)においてＱ_correctionは、電流計８４の内部のレンジ抵抗並列容量に充電される電荷量である。

電流計８４でのリーク電流Ｉ_Ｌ2の測定が完了したとき、決められた時間delay2の経過を待って、次のステップすなわち電圧設定値を上げて同様の測定が行われる。
特開２００２−１６８８９３号公報

しかしながら、上記従来の容量測定方法では、電流計８４は充電電流の測定時にＶＬｏｏｐ状態、すなわち出力電圧と設定電圧値が等しい状態に遷移したか否かをΔｔ_PLC期間ごとに検出するため、そのＶＬｏｏｐ状態へ変化したタイミングの検出精度は検出の分解能による制約を受ける。この制約はリーク電流の測定精度に響き、ひいては容量の測定精度にも影響していた。

また、上記従来の容量測定方法では、充電量が時間的に線形に増加するという仮定を前提としているが、実際に充電量が時間的に線形に増加するとは限らない。したがって、容量測定に台形近似を用いる従来の測定方法では、充電量が時間的に線形に増加しない場合に測定誤差を生じていた。

本発明はかかる事情を鑑み、リーク電流の測定精度を上げて被測定対象の容量値を精度良く測定することのできる容量測定装置および容量測定方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明の容量測定装置は、被測定対象に第１の設定電圧から第２の設定電圧への電圧変動を付与する電圧印加手段と、前記電圧変動の前後に前記被測定対象を流れるリーク電流及び前記電圧変動によって前記被測定対象を流れる充電電流を測定する電流測定手段と、前記電圧変動によって前記被測定対象を充電電流が流れる期間の印加電圧を測定する電圧測定手段と、前記電流測定手段の電流測定結果及び前記電圧測定手段の電圧測定結果をもとに前記被測定対象の充電時のリーク電流値を算出し、このリーク電流値を用いて前記被測定対象の容量値を算出する演算手段とを具備するものである。

すなわち、本発明の容量測定装置は、被測定対象の充電時のリーク電流が印加電圧に比例することから、被測定対象の充電電流の測定と同時に印加電圧の測定を行って、この印加電圧の値を被測定対象の充電時のリーク電流値の算出に利用し、この充電時のリーク電流値を被測定対象の容量値の算出に利用するものである。

本発明によれば、台形近似を使ってリーク電流による充電電荷の変化量を求めるために必要な充電時間の判定が不要であるため、被測定対象の容量値を精度良く測定できる。また、被測定対象の充電量が時間的に線形に増加しない場合であっても、被測定対象の容量値を精度良く測定できる。

また、本発明の別の態様において、電圧測定手段は、電圧変動によって被測定対象を充電電流が流れる期間の印加電圧の測定に加えて、電圧変動の前後の印加電圧を測定することとし、演算手段は、電流測定手段の電流測定結果と、電圧測定手段の測定結果である、被測定対象を充電電流が流れる期間の印加電圧及び電圧変動の前後の印加電圧とをもとに、被測定対象の充電時のリーク電流値を算出することとしてもよい。

本発明の容量測定装置および容量測定方法によれば、リーク電流を高精度に測定して被測定対象の容量値を精度良く測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面をもとに説明する。
図１は本発明の実施の形態にかかる容量測定装置と被測定対象との接続の構成を示す図である。同図に示すように、この容量測定装置は、被測定対象１に電圧変動を与えるようにステップ電圧を印加するステップ電圧源などとして動作する第１の測定ユニット２と、被測定対象１への印加電圧の変動の前後と変動中に被測定対象１を流れる電流を測定する電流計として動作する第２の測定ユニット３とで構成される。Ｃｘは被測定対象１の容量成分、Ｒｘは被測定対象１の抵抗成分である。

図２は第１の測定ユニット２及び第２の測定ユニット３の構成を示す図である。第１の測定ユニット２及び第２の測定ユニット３は同じハードウェアで構成される。なお、図２には第１の測定ユニット２または第２の測定ユニット３の一方の構成だけが示されている。

第１の測定ユニット２及び第２の測定ユニット３は、ＶＤＡＣ（電圧値デジタル／アナログコンバータ）１１、ＩＤＡＣ（電流値デジタル／アナログコンバータ）１２、Ｖ／Ｉ誤差アンプ１３、パワーアンプ１４、電流モニター回路１５、ＶＭバッファアンプ１６、電流モニターアンプ１７、電圧モニターアンプ１８、及び電圧測定用ＡＤＣ（アナログ／デジタルコンバータ）１９、制御ロジック部２１で構成される。これとは別に、本容量測定装置は、各測定ユニットから利用される共用リソースとして、電流測定用ＡＤＣ２０を装置内に少なくとも一つ備える。

ＶＤＡＣ１１は、制御ロジック部２１を通じてコントローラ２２より与えられたデジタルの電圧値をアナログ値に変換してＶ／Ｉ誤差アンプ１３に出力する。ＩＤＡＣ１２は、制御ロジック部２１を通じてコントローラ２２より与えられたデジタルの電流値をアナログ値に変換してＶ／Ｉ誤差アンプ１３に出力する。

Ｖ／Ｉ誤差アンプ１３は、ＶＬｏｏｐ状態、すなわち出力電圧と設定電圧値が等しい状態においてＶＤＡＣ１１より出力された電圧値とＶＭバッファアンプ１６の出力との差分をとって設定電圧値が被測定対象１の接続端子２３に出力されるようにパワーアンプ１４を制御する。また、Ｖ／Ｉ誤差アンプ１３は、非ＶＬｏｏｐ状態、すなわち出力電圧と設定電圧値が等しくない状態において、ＩＤＡＣ１２より出力された電流値と電流モニターアンプ１７の出力との差分をとって設定電流値が被測定対象１の接続端子２３に出力されるようにパワーアンプ１４を制御する。

パワーアンプ１４は、Ｖ／Ｉ誤差アンプ１３の出力をもとに被測定対象１の接続端子２３に出力する電圧または電流を制御する。電流モニター回路１５は、被測定対象１に流れる電流を観測する回路である。この電流モニター回路１５は被測定対象１に流れる電流に応じて電流感度（電流レンジ）を切り替える機能を持つ。

ＶＭバッファアンプ１６は、被測定対象１の接続端子２３の電圧を観測する。電流モニターアンプ１７は、電流モニター回路１５で測定された電流値をＡ／Ｄ変換できるように正規化するアンプである。電圧モニターアンプ１８は、ＶＭバッファアンプ１６で測定された電圧値をＡ／Ｄ変換できるように正規化するアンプである。

ＡＤＣ１９，２０のうちの一方のＡＤＣ１９は、各々の測定ユニットに備えられ、電圧モニターアンプ１８で正規化されたアナログの電圧値をデジタルの電圧値に変換する回路である。他方のＡＤＣ２０は、各々の測定ユニットから利用される共用の回路で、各々の測定ユニットに備えられた接続端子２７を介して接続され、各測定ユニットの電流モニターアンプ１７で正規化されたアナログの電流値をデジタルの電流値に変換する回路である。

制御ロジック部２１は、コントローラ２２からの制御命令を処理する論理回路である。制御ロジック部２１は、コントローラ２２からの制御命令に従って、例えば、ＶＤＡＣ１１に対する電圧値の設定、ＩＤＡＣ１２に対する電流値の設定などや、２つのＡＤＣ１９，２０の出力をコントローラ２２に伝送する制御などを行う。

上記の構成を有することによって、第１の測定ユニット２は、電流制限を行う機能、被測定対象１に印加する電圧値を設定する機能、印加電圧を測定する機能を有する電圧源として動作し、第２の測定ユニット３は、被測定対象１の充電電流を測定する電流計として動作する。

コントローラ２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力部などで構成されている。ＲＯＭにはステップ電圧法による容量測定のための処理手順であるプログラム及び各種のパラメータ情報などのファームウェアが格納されている。コントローラ２２は、入出力部を通じて、第１の測定ユニット２及び第２の測定ユニット３それぞれの制御ロジック部２１や、マンマシンインタフェース２４、外部インタフェース２５などと通信が可能なように接続されている。ＣＰＵはＲＯＭに格納されたファームウェアに従って、第１の測定ユニット２及び第２の測定ユニット３の出力をもとに被測定対象１の容量を測定するための制御命令の発行及び演算処理を実行し、その容量の測定結果を、入出力部を通じてマンマシンインタフェース２４、外部インタフェース２５などに出力する。

マンマシンインタフェース２４は、ユーザとの間で入出力を行うためのインタフェースであり、具体的にはディスプレイなどの表示装置、キーボードなどの入力装置などを含むものである。外部インタフェース２５は、本測定装置に通信ケーブルを介して接続された機器との間で入出力を行うためのインタフェースである。接続された機器としては、記録媒体に記録を行うための記録装置などである。

次に、この実施形態の容量測定装置の動作を説明する。
被測定対象１のリーク電流が印加電圧に比例することから、本実施形態の容量測定装置による容量測定では、被測定対象１の充電電流の測定と同時に印加電圧を測定して、この印加電圧の値を被測定対象１の充電時のリーク電流値の算出に利用し、この充電時のリーク電流値を用いて被測定対象１の容量値を算出する。

図３は本実施形態の容量測定装置による容量測定のシーケンスであり、一回の測定ステップの印加電圧の変化を示している。また、図４は連続する測定ステップと各測定ステップごとの印加電圧と充電電流を示す図である。

まず、コントローラ２２からの制御のもとで第１の測定ユニット２は被測定対象１の印加電圧の値を決められた設定値Ｖ_set1に設定する。その後、コントローラ２２は、予め決められた時間delay1が経過するのを待って、第２の測定ユニット３によって測定された電流値を電圧変動前のリーク電流の値Ｉ_Ｌ1として取り込むとともに、第１の測定ユニット２にて測定された電圧値を電圧変動前の印加電圧の値Ｖ₁として取り込む。このように第１の測定ユニット２の測定結果と第２の測定ユニット３の測定結果を同時に取り込むことが出来るように、第１の測定ユニット２及び第２の測定ユニット３が、それぞれ独立に動作して測定結果を出力できる構成を有している。

次に、コントローラ２２は、印加電圧の設定値を予め決められた異なる設定値Ｖ_set2に変更する。この電圧変動によって被測定対象１に容量測定のための充電電流が流れはじめる。被測定対象１の充電開始と同時あるいはほぼ同時に、コントローラ２２は、第１の測定ユニット２にて測定された電圧値を充電時の印加電圧の値として取り込むことを開始するとともに、第２の測定ユニット３にて測定された電流値を充電電流の値として取り込むことを開始する。この充電時の印加電圧及び充電電流の各測定は予め決められた時間Ｔ 続けられる。この時間Ｔは、Ｖ_set1からＶ_set2への電圧変動に対して被測定対象１の印加電圧がＶ_set2まで達するまでの見込み時間にマージンを加えた値とされている。

次に、コントローラ２２は、第１の測定ユニット２によって測定された電圧値を電圧変動後の印加電圧Ｖ₂の値として取り込むとともに、第２の測定ユニット３によって測定された電流値を電圧変動後のリーク電流Ｉ_Ｌ2の値として取り込む。この後、コントローラ２２は、決められた時間delay2が経過するのを待って、次のステップすなわち電圧設定値を上げて同様の測定を行うように制御を行う。

コントローラ２２は、上記のように第１の測定ユニット２の測定結果及び第２の測定ユニット３の測定結果をそれぞれ取り込んでＲＡＭに記憶し、ＲＯＭに格納されたファームウェアに従って被測定対象１の容量値Ｃを計算するための演算を実行する。容量値Ｃは以下の式で求められる。

Ｃ＝ΔＱ／ΔＶ＝｛（Ｉ_Ｍ−Ｉ_Ｌeak）＊Ｔ_cinteg＋Ｑ_correction｝／（Ｖ₂−Ｖ₁） ・・・(7)

ここで、Ｉ_Ｍは第２の測定ユニット３でＴ_cinteg 時間の間に測定された充電電流値、Ｉ_Ｌeakは充電時のリーク電流、Ｔ_cintegは充電時間、Ｑ_correctionは第２の測定ユニット３の内部のレンジ抵抗並列容量に充電される電荷量である。充電時のリーク電流Ｉ_Ｌeakは、充電電流の測定と同時に測定された印加電圧からその平均値Ｖ_avrgを求め、この印加電圧の平均値Ｖ_avrgを用いて次式により求められる。

Ｉ_Ｌeak＝Ｉ_Ｌ1＋（Ｉ_Ｌ2−Ｉ_Ｌ1）＊（Ｖ_avrg−Ｖ₁）／（Ｖ₂ −Ｖ₁ ） ・・・(8)

Ｖ₁は電圧変動前の第１の測定ユニット２の測定電圧、Ｖ₂は電圧変動後の第１の測定ユニット２の測定電圧、Ｉ_Ｌ1は電圧変動前の第２の測定ユニット３によって測定されたリーク電流、Ｉ_Ｌ2は電圧変動後に第２の測定ユニット３によって測定されたリーク電流である。

なお、(7)式、(8)式で、容量値Ｃ、リーク電流値Ｉ_Ｌeakのそれぞれの計算に、測定された印加電圧の値Ｖ₁、Ｖ₂を使用しているのは、電圧設定の分解能より印加電圧の測定分解能の方が高いためである。電圧設定の分解能が十分高いのならば、設定電圧の値Ｖ_set1、Ｖ_set2を用いてもよい。

以上説明したように、この実施形態の容量測定装置によれば、電圧変動によって被測定対象１を充電電流が流れる期間の印加電圧をもとに被測定対象１の充電時のリーク電流値Ｉ_Ｌeakを求め、被測定対象１の容量値Ｃを求めるので、従来の台形近似を使ってリーク電流による充電電荷の変化量ΔＱ_Leakを求めるために必要な充電時間τの判定が不要である。従来のこの充電時間τの判定においては、ＶＬｏｏｐ状態へ変化したタイミングの検出分解能がΔｔ_PLC間隔に制限されるが、本実施形態の容量測定装置ではそのような分解能による制約を受けず、容量値Ｃの測定精度を向上させることができる。

また、従来の容量測定方法では、充電量が時間的に線形に増加するという仮定を前提としているので、充電量が実際には時間的に線形に増加しない場合に容量値Ｃの測定誤差を発生していたが、本実施形態の容量測定装置では、そのような測定誤差が発生することはない。

なお、本発明は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ＡＤＣ２０は、上述の実施形態では容量測定装置に１つだけ備わっていると説明したが、これに限らず、各々の測定ユニット内に備えることもできる。

本発明の実施の形態にかかる容量測定装置と被測定対象との接続を示す図である。 図１における第１の測定ユニット及び第２の測定ユニットの構成を示す図である。 本実施形態の容量測定装置による容量測定シーケンスである。 連続する測定ステップと各測定ステップごとの印加電圧と充電電流を示す図である。 被測定対象の充電電流へのリーク電流の影響を示す図である。 充電電荷の変化量の測定方法を示す図である。 従来のステップ電圧法による測定シーケンスを示す図である。 図７の測定方法において想定されるリーク電流の変化を示す図である。 従来のステップ電圧法による容量測定装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 被測定対象
２ 第１の測定ユニット
３ 第２の測定ユニット
１１ ＶＤＡＣ
１２ ＩＤＡＣ
１３ Ｖ／Ｉ誤差アンプ
１４ パワーアンプ
１５ 電流モニター回路
１６ ＶＭバッファアンプ
１７ 電流モニターアンプ
１８ 電圧モニターアンプ
１９，２０ ＡＤＣ
２１ 制御ロジック部
２２ コントローラ

Claims (4)

1. 被測定対象に第１の設定電圧から第２の設定電圧への電圧変動を付与する電圧印加手段と、
   前記電圧変動の前後に前記被測定対象を流れるリーク電流及び前記電圧変動によって前記被測定対象を流れる所定期間中の充電電流を測定する電流測定手段と、
   前記電圧変動によって前記被測定対象を前記充電電流が流れる期間の印加電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記電流測定手段による前記リーク電流の電流測定結果及び前記電圧測定手段の電圧測定結果をもとに前記被測定対象の充電期間中のリーク電流値を算出し、このリーク電流値を用いて前記被測定対象の容量値を算出する演算手段と
   を具備することを特徴とする容量測定装置。
2. 前記電圧測定手段は、前記電圧変動によって前記被測定対象を前記充電電流が流れる期間の印加電圧の測定に加えて、前記電圧変動の前後の印加電圧を測定し、
   前記演算手段は、前記電圧変動の前後に前記被測定対象を流れる前記リーク電流の前記電流測定手段による電流測定結果と、前記電圧測定手段の測定結果である、前記被測定対象を前記充電電流が流れる期間の印加電圧及び前記電圧変動の前後の印加電圧とをもとに、前記被測定対象の充電期間中の前記リーク電流値を算出することを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
3. 被測定対象に第１の設定電圧から第２の設定電圧への電圧変動を付与するステップと、
   前記電圧変動の前後に前記被測定対象を流れるリーク電流を測定するステップと、
   前記電圧変動によって前記被測定対象を流れる所定期間中の充電電流を測定するステップと、
   前記電圧変動によって前記被測定対象を前記充電電流が流れる期間の印加電圧を測定するステップと、
   前記リーク電流及び前記印加電圧の測定結果をもとに前記被測定対象の充電期間中のリーク電流値を算出し、このリーク電流値を用いて前記被測定対象の容量値を算出するステップと
   を具備することを特徴とする容量測定方法。
4. 前記電圧変動の前後の印加電圧を監視するステップをさらに有し、
   前記容量値を算出するステップは、前記リーク電流、前記被測定対象を前記充電電流が流れる期間の印加電圧、及び前記電圧変動の前後の印加電圧のそれぞれの測定結果をもとに、前記被測定対象の充電期間中のリーク電流値を算出することを特徴とする請求項３に記載の容量測定方法。

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