JP2005249701A

JP2005249701A - ３端子以上の端子を持つ電気的試料の正確な直流特性の評価方法

Info

Publication number: JP2005249701A
Application number: JP2004063551A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ebimoto; 博史胡本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】３つ以上の端子を持つ電気的試料の直流での測定系において、測定器と被測定物の間のケーブル、プローブ、テストパターン上の配線等の微小な寄生抵抗の値による測定誤算を補正することで、より高精度な測定を行うことを目的とする。
【解決手段】測定器、被測定物、及び、それらを接続する少なくとも３つ以上の連結経路から構成される直流電気特性測定系において、被測定物と、連結経路の接続を外し、全連結経路を被測定物と接続していた箇所において全て短絡した測定系において、何れか２端子間での電流対電圧測定を、連結経路の数と同じ回数実施する予備測定の工程、工程より取得した全電流対電圧特性と、各々の連結経路の寄生抵抗値の関係を全て数式で表現、全ての寄生抵抗値を導出する工程、実際に被測定物を測定する工程、測定結果と、寄生抵抗値より、被測定物のみの特性を演算する工程より、測定誤差を補正することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は３端子以上の端子を持つ多端子の電気的試料の直流特性の測定方法に関し、特に測定を行う測定系に存在する微小な寄生抵抗の影響を簡単な予備測定及び演算処理により被測定物の測定データから取り除くことにより、被測定物の特性をより正確に測定できるシステム及び測定方法に関する。

電気回路、又は回路に用いられる電気的デバイスの測定において、直流電気特性の測定は代表的なものの１つである。直流電気特性の測定を行う場合、測定器と被測定物は、ケーブル、プローブ、テストパターン上の配線等を使用して連結され、その連結経路には有限の寄生抵抗が存在する。通常、測定器が出力及び検知する電圧値及び電流値は測定器内の被測定物側端の値であり、前記連結経路に寄生抵抗が存在する場合、前記電流値は実際に被測定物の端子に流れている電流値に等しいが、前記電圧値は実際に被測定物端に印加されている電圧値とは異なり、測定誤差となってしまう。

通常、前記寄生抵抗は微小であるため前記測定誤差は無視できることが多いが、大電流の評価をする場合や、微小な抵抗値の評価をする場合、前記寄生抵抗が測定結果に及ぼす影響は無視できない。

従来、前記寄生抵抗の影響を無くす手法としてはケルビン接続での測定方法が一般的に用いられている（例えば非特許文献１参照）。
アジレント・テクノロジー株式会社プロダクト・ノート、"プローバ接続ガイド"、[平成１６年１月６日検索]、インターネット＜http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/00-2514.pdf＞

前記寄生抵抗の影響を除去するケルビン接続での測定方法は被測定物の１端子に対し測定系は２端子必要であるため、端子数が多数である電気回路の測定をする場合、その全ての端子にケルビン接続が必要なため、測定系は大規模、高コストなものになってしまう。また、被測定物が半導体基板上等に被測定物とその端子をとるための配線及びパッドの構成で基板上に作りこまれている測定パターンにおいて、前記配線及びパッドが被測定物の端子１つについて１系統しか用意されていない場合、ケルビン接続での測定方法では前記基板内の配線及びパッドの寄生抵抗の影響を無くすことはできない。

本発明では、３つ以上の端子を持つ電気回路及び電気的デバイスの直流での測定系において、測定器と被測定物の間のケーブル、プローブ、テストパターン上の配線等の有限の寄生抵抗の値を簡単な予備測定と演算処理で簡単かつ短時間で導出し、その値を保持し、その後の被測定物の測定において測定毎に前記測定系の寄生抵抗の影響による測定誤差を補正することで、ケルビン接続による測定方法を用いることなく、前記連結経路の寄生抵抗を補正することができ、かつケルビン接続による測定方法では補正できない前記基板上に作りこまれている測定パターンの配線及びパッドの寄生抵抗も補正することができる測定システム及び、測定方法の提供を目的とする。

前記問題を解決するために本発明の請求項１では、測定器、被測定物及び測定器と被測定物を接続する少なくとも３つ以上の連結経路から構成される直流電気特性測定系において、前記連結経路に存在する寄生抵抗による測定誤差を無くすことを目的とし、第１の工程として前記寄生抵抗の値をあらかじめ導出するための予備測定として、被測定物の測定に使用する全ての連結経路と被測定物の接続を外し、その外した部位において前記複数の連結経路同士を全て短絡、もしくは連結経路同士をその外した部位において直接全て短絡することが困難な場合は、連結経路の寄生抵抗に比べて十分抵抗値の低い導体を通じて全ての連結経路同士を短絡し、その状態で任意の２端子（２つの連結経路）を使用して連結経路の数と同じ回数の電流対電圧測定を、測定毎に連結経路同士の組み合わせが重複しないという条件と、全ての連結経路が最低１回は測定に使用されるという条件と、測定時は測定に使用している２つの端子以外の全ての端子の測定器側の入力インピーダンスを連結経路の寄生抵抗に比べて十分大きな値（１ＭΩ等）に設定することを条件として実施する工程と、第２の工程として前記予備測定の全ての測定結果の電流対電圧特性と全ての連結経路の寄生抵抗値の関係を数式で表し、それら全てを用いて全ての連結経路の寄生抵抗値をそれぞれ導出し保存する工程と、第３の工程として実際に被測定物の測定を実施する工程と、第４の工程として前記第３の工程での測定結果と前記第２の工程で保存した各連結経路の寄生抵抗値より連結経路の寄生抵抗の影響を除去した被測定物のみの特性を演算する工程により、前記連結経路に存在する寄生抵抗による測定誤差を取り除いた被測定物の特性を評価することができる。

また、被測定物が、半導体基板上等に被測定物とその端子をとるための配線及びパッドの構成で基板上に作りこまれている測定パターンであり、前記配線及びパッドが、被測定物の端子１つについて、１系統しか用意されていない場合、ケルビン接続での測定方法では前記基板内の配線及びパッドの寄生抵抗の影響を無くすことはできないという課題に対し、本発明の請求項２では、測定パターン内の被測定物を十分抵抗の低い導体と置き換えることで、前記連結経路同士を短絡した形状の予備測定用のパターンを、あらかじめ基板上の被測定物近辺に作成し、それを使用して請求項１に示した一連の工程を実施することで、前記基板内に作りこまれた配線及びパッドの寄生抵抗による測定誤差も連結経路の寄生抵抗の１部として補正することができ、基板内に作りこまれた被測定物のみの特性を正確に評価することができる。

大規模、高コストであるケルビン端子での測定系を使用することなく、測定器と被測定物間の連結経路の有限の寄生抵抗による測定誤差を簡単な予備測定及び演算を用いて補正することができ、被測定物の特性を正確に評価することができる。また、本発明の手法を用いることで、ケルビン接続での測定方法では補正できない、被測定物が半導体基板上等に被測定物とその端子をとるための配線及びパッドの構成で基板上に作りこまれている測定パターンであり、前記配線及びパッドが被測定物の端子１つについて１系統しか用意されていない場合に関しても、前記配線及びパッドの寄生抵抗による測定誤差を連結経路の寄生抵抗の一部として補正することができ、基板内に作りこまれた被測定物のみの特性を正確に評価することができる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は図１に示した被測定物Ａと、測定器と被測定物を接続するケーブル、プローブ等の連結経路Ｂ１〜Ｂｎと、測定器Ｃと、Ｃを制御する装置Ｄで構成される。また、ＤはＣの制御機能に加え、Ｃの測定条件、測定結果の所得、格納機能、所得したデータの演算、演算したデータの格納機能を持つものである。

まず第１の工程の、被測定物測定前の予備測定の方法として、対象となる測定系が図１におけるＡとＢ１〜Ｂｎとの境界部で脱着が可能な場合、その接続を外しＢ１〜Ｂｎの端子同士をこれまでＡと接続していた部位において全て短絡する。この概要図を図２に示す。この状態でＤよりＣを駆動して予備測定を行い測定結果をＤに取り込む。予備測定の内容としては、図２の短絡されたＢ１〜Ｂｎの任意の２端子での電流対電圧測定を連結経路の数と同じ回数（図１〜４においては、ｎ回）実施する。但し、測定毎で連結経路の組み合わせは重複せず、全ての連結経路が最低１回は測定されている必要があり、測定を実施している端子以外の端子の測定器側の入力インピーダンスは測定系の寄生抵抗に比べて十分大きな値（１ＭΩ等）に設定する。次に第２の工程として、この各々の測定結果より各寄生抵抗Ｒ１〜Ｒｎと前記測定結果の関係式を定義する。式はＣの端子ｘと端子ｙの間の電圧、電流をＶｘｙ、Ｉｘｙ、それぞれの端子に繋がる連結経路を、Ｂｘ、Ｂｙとし、ＢｘとＢｙの直列の寄生抵抗成分をＲｘ、Ｒｙとしたときに、
Ｖｘｙ／Ｉｘｙ＝Ｒｘ＋Ｒｙ（式−１）
と定義する。例として図２の端子１と端子２で測定を行った場合式−１は、
Ｖ１２／Ｉ１２＝Ｒ１＋Ｒ２（式−２）
となる。前記予備測定の結果全てに式−１を適応することでｎ個の変数、Ｒ１〜Ｒｎに対してｎ個の式を導くことができる。定義した全ての式を使用して、図２のＲ１〜Ｒｎを導出し、Ｄの該当する箇所に導出した各端子の寄生抵抗値を格納、保存する。次に、第３の工程の被測定物測定として、図１のように測定器と被測定物を接続し前記制御装置で測定を行う。次に第４の工程の測定データの補正として、第３の工程の測定結果と、第２の工程で格納した寄生抵抗値、Ｒ１〜Ｒｎより、測定系の寄生抵抗の影響を除去した被測定物の特性を演算する。演算手法としてはＣの端子ｘの電圧、電流を、Ｖｘ、Ｉｘ、Ｃに繋がる連結経路Ｂｘの寄生抵抗値をＲｘ、端子ｘの被測定物端にかかっている電圧をＶｘ＿ｉｎとすると、Ｖｘ＿ｉｎは、
Ｖｘ＿ｉｎ＝Ｖｘ−ＩｘＲｘ（式−３）
で与えられる。このＶｘ＿ｉｎを各端子について導出し、端子ｘの被測定物端の電流対電圧の関係、Ｉｘ対Ｖｘ＿ｉｎとしてデータ補正、保存し、一連の測定を終了する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態として、被測定物が半導体基板上等に被測定物とその端子をとるための配線及びパッドの構成で基板上に作りこまれている測定パターンであり、連結経路と被測定物の境界部が基板内の作りこまれた配線部位であり、脱着及び直接短絡させることが不可能な場合の本発明の実施方法を示す。この場合の測定系を図３に示す。

まず第１の工程の被測定物測定前の予備測定の方法として、図３にあるように、Ｅが半導体基板上等に被測定物とその端子をとるための配線及びパッドの構成で基板上に作りこまれている測定パターンであり、前記境界部が基板内の作りこまれた配線部位であり脱着及び直接短絡させることが不可能な場合は、あらかじめ予備測定用のパターンを用意しておく。予備測定用のパターンの形状としては、図３の測定パターン内のＥを連結経路の寄生抵抗値に比べて十分抵抗の低い導体と置き換えることで、前記境界部でＢ１〜Ｂｎの端子同士をごく微小な抵抗体で短絡した形状とし、予備測定においては測定パターンの代わりにこれを使用する。以後この予備測定用のパターンをショートパターンと呼ぶ。これを図４に示す。この状態でＤよりＣを駆動して予備測定を行い、測定結果を前記測定制御装置に取り込む。以降、第１の実施形態と同じ手法で予備測定及び、演算処理を行い、図４のＲ１〜Ｒｎを導出し、Ｄの該当する箇所に導出した各端子の寄生抵抗値を格納、保存する。この時、導出されるＲ１〜Ｒｎは、第１の実施形態でのケーブル、プローブ等の寄生抵抗に加え、基板上の配線及びパッドの寄生抵抗も含んだものである。以降、第１の実施形態と同じ手法で被測定物測定、その測定データの補正を行い一連の測定を終了する。この第２の実施形態の手法を用いることで、ケルビン接続での測定方法では補正できない、被測定物が半導体基板上等に被測定物とその端子をとるための配線及びパッドの構成で基板上に作りこまれている測定パターンであり、前記配線及びパッドが被測定物の端子１つについて１系統しか用意されていない場合に関しても、前記配線及びパッドの寄生抵抗による測定誤差を連結経路の寄生抵抗の１部として補正することができ、基板内に作りこまれた被測定物のみの特性を正確に評価することができる。

本発明の産業利用上の可能性として、半導体装置の量産工場において、半導体基板上に作りこんだ半導体回路の出来映えを検査するため回路内で使用されている代表的な素子の特性を測定する。それら代表的な素子の測定パターンは基板上でＰＣＭと呼ばれる検査用測定パターン専用の部位に配置されている。そのＰＣＭの測定において、前記第２の実施形態のショートパターンを使用しての測定データの補正を実施することで測定系の寄生抵抗に加え基板内に作りこんだ測定パターンの被測定物以外の配線寄生抵抗を補正することができ、被測定物の特性をより正確に測定することができる。配線に存在する微小な寄生抵抗値が測定値に大きく影響してくる大電流パワーＦＥＴの評価等には当手法は非常に有用である。

また、半導体回路設計時に使用する回路シミュレーター内部の１つ１つのデバイスのモデリングを実施する際、その素子特性を正確に測定する必要がある。その測定において前記のショートパターンを使用しての測定データの補正を実施することで、測定系の寄生抵抗に加え基板内に作りこんだ測定パターンの被測定物以外の配線寄生抵抗を補正することができ、被測定物の特性をより正確に測定することができる。配線に存在する微小な寄生抵抗値が測定値に大きく影響してくる大電流パワーＦＥＴの評価等には、当手法は非常に有用である。

第１の実施形態を実施するための直流測定法を実施する測定系を示す図第１の実施形態を実施するための予備測定用測定系概要図第２の実施形態を実施するための直流測定法を実施する測定系を示す図第２の実施形態を実施するための予備測定用測定系概要図

符号の説明

Ａ被測定物
Ｂ１〜Ｂｎ測定器と被測定物を接続する連結経路（ケーブル、プローブ、テストパターン上の配線等）
Ｒ１〜ＲｎＢ１〜Ｂｎにつく直列抵抗成分の各々の和
Ｃ測定器
Ｄ測定制御装置
Ｅ基板内に作りこまれている被測定物
Ｆ基板内に作りこまれている被測定物の外周と同じ大きさの、十分抵抗の低い導体

Claims

測定器、被測定物及び測定器と被測定物を接続する少なくとも３つ以上の連結経路から構成される直流電気特性測定系において、前記連結経路に存在する寄生抵抗による測定誤差を無くすことを目的とし、第１の工程として前記寄生抵抗の値をあらかじめ導出するための予備測定として、被測定物の測定に使用する全ての連結経路と被測定物の接続を外し、その外した部位において前記複数の連結経路同士を全て短絡、もしくは連結経路同士をその外した部位において直接全て短絡することが困難な場合は、連結経路の寄生抵抗に比べて十分抵抗値の低い導体を通じて全ての連結経路同士を短絡し、その状態で任意の２端子（２つの連結経路）を使用して連結経路の数と同じ回数の電流対電圧測定を、測定毎に連結経路同士の組み合わせが重複しないという条件と、全ての連結経路が最低１回は測定に使用されるという条件と、測定時は測定に使用している２つの端子以外の全ての端子の測定器側の入力インピーダンスを連結経路の寄生抵抗に比べて十分大きな値（１ＭΩ等）に設定することを条件として実施する工程と、第２の工程として前記予備測定の全ての測定結果の電流対電圧特性と全ての連結経路の寄生抵抗値の関係を数式で表し、それら全てを用いて全ての連結経路の寄生抵抗値をそれぞれ導出し保存する工程と、第３の工程として実際に被測定物の測定を実施する工程と、第４の工程として前記第３の工程での測定結果と前記第２の工程で保存した各連結経路の寄生抵抗値より連結経路の寄生抵抗の影響を除去した被測定物のみの特性を演算する工程により、前記連結経路に存在する寄生抵抗による測定誤差を取り除いた被測定物の特性を評価することができる測定システム、及び、測定方法。
請求項１に示した予備測定において、連結経路同士を被測定物との接続部位において直接全て短絡することが困難な場合の、連結経路の寄生抵抗に比べて十分抵抗値の低い導体を通じて全ての連結経路同士を短絡する手法が、被測定物が半導体基板上等に被測定物とその端子をとるための配線及びパッドの構成で基板上に作りこまれている測定パターンであり、連結経路と被測定物の境界部が基板内の作りこまれた配線部位にあり脱着及び直接短絡させることが不可能な場合に、測定パターン内の被測定物を十分抵抗の低い導体と置き換えることで、前記連結経路同士を短絡した形状の予備測定用のパターンを、あらかじめ基板上の被測定物近辺に作成し、それを使用して請求項１に示した一連の工程を実施することで、前記基板内に作りこまれた配線及びパッドの寄生抵抗による測定誤差も連結経路の寄生抵抗の１部として補正することができ、基板内に作りこまれた被測定物のみの特性を正確に評価することができる測定システム及び測定方法。