JP3474111B2 - 微小容量測定システム及びプロービングシステム - Google Patents

微小容量測定システム及びプロービングシステム

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JP3474111B2
JP3474111B2 JP22693198A JP22693198A JP3474111B2 JP 3474111 B2 JP3474111 B2 JP 3474111B2 JP 22693198 A JP22693198 A JP 22693198A JP 22693198 A JP22693198 A JP 22693198A JP 3474111 B2 JP3474111 B2 JP 3474111B2
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    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • GPHYSICS
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    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605Measuring capacitance

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、浮遊容量の影響
を除去することにより、微小な容量値を数fFのオーダ
ーの精度で高精度で測定することを可能にする微小容量
測定システムに関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、シリコン基板上に形成される容
量の容量値を測定するための従来の容量測定システムの
構成を概略的に示している。この測定システムはプロー
バ1と容量計2とを備え、プローバ1は接地されたシー
ルドボックス11を有している。シールドボックス11
内には、被測定容量12を形成する被測定試料を載置す
るための且つ接地されたステージ13が設けられる。ス
テージ13の周囲を囲む台の上にマニピュレータ14が
配置され、マニピュレータ14の導電性部分は接地され
る。それぞれの外部導体がシールドボックス11に電気
的に接続されて接地された同軸ケーブル3、4のうち、
一方の同軸ケーブル3の内部導体の一端は被測定試料に
対向して被測定容量12を形成する測定電極に接続さ
れ、他端は容量計2の検出端子(入力端子)に接続され
る。こうして、内部導体31は測定電極と容量計とを結
ぶ信号線として動作する。他方の同軸ケーブル4の内部
導体の一端は被測定試料に接続され、他端は接地され
る。マニピュレータ14は、この実施の形態において
は、同軸ケーブル3、4の内部導体の一端が測定電極及
び被測定試料と接触する位置を調整するためのアクチュ
エータを含むものである。また、プローバ1には顕微鏡
が備え付けられている。
【0003】図5は、両方の同軸ケーブル3、4のそれ
ぞれの内部導体の一端が測定電極及び被測定試料と接し
た状態を拡大して示している。シリコン基板121の一
方の面にフィールド酸化膜122を介して、下部電極1
23として作用する被測定試料が設けられ、下部電極1
23の上に容量絶縁膜124を介して測定電極125が
配置されて下部電極123と測定電極125との間に被
測定容量12が形成される。シリコン基板121の裏
面、即ちステージ13と接する面は接地される。測定
時、一方の同軸ケーブル3の内部導体31の一端は測定
電極125と接触し、他方の同軸ケーブル4の内部導体
41の一端は下部電極123と接触する。
【0004】なお、使用形態に応じて、内部導体31の
一端を下部電極123に、内部導体41を測定電極12
5に接触させることも可能である(この場合の配置につ
いては後述の図2を参照されたい)。
【0005】従来の容量測定システムは以上述べたとお
りに構成されているため、シールドボックス11とプロ
ーバ1内の導電性部分との間、シールドボックス11と
マニピュレータ14の導電性部分との間、シールドボッ
クス11とステージ13との間、ステージ13とシリコ
ン基板121の裏面との間等に浮遊容量が形成されるた
め、この浮遊容量の値が被測定容量の容量値に加算され
ることになる。そこで、浮遊容量の存在に起因する誤測
定を防止するため、従来は、測定電極125に内部導体
151又は161の一端を接触させていないときの容量
計2の出力を誤差値として予め求めておき、その誤差値
を実際の測定した容量値から差し引くようにして測定値
を校正するようにしていた。
【0006】しかしながら、この浮遊容量は、同軸ケー
ブル3、4の折れ曲がり具合、同軸ケーブル3、4内の
絶縁層の誘電率の温度変化、シールドボックス11内の
同軸ケーブル、マニピュレータ14等の導電性部分相互
の位置関係、シールドボックス11内の大気の誘電率の
温度による変動、計測者の動き、などの諸要因によって
大きく(例えば数百fFのオーダーで)変化する。この
ため、従来の容量測定システムにおいては数十pF程度
の容量を測定するのが限界であり、数十fF以下の微小
容量を測定することはできなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の課
題を解決するために成されたものであり、寄生容量の影
響を除去して精度の高い測定値を提供することができる
微小容量測定システムを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、被測定試料を配置できるボックス
と、一端が前記被測定試料と接触させるための検出端子
となされた信号線と、前記信号線を包囲するシールド線
とを備えるプローバと、前記ボックスの導電性部分又は
前記被測定試料の所定の導電性部分の少なくとも一方と
前記シールド線とを同電位とする手段と、前記信号線の
他端が接続された反転入力端子と前記シールド線が接続
された非反転入力端子とを有し、前記反転入力端子と前
記非反転入力端子との間がイマジナリ・ショートの状態
である演算増幅器であって、前記非反転入力端子に定電
圧の交流信号を印加したとき、前記被測定試料の静電容
量に対応し且つ前記の印加された交流信号に正比例した
値を含む信号を出力する演算増幅器を備える容量測定回
路と、を具備することを特徴とする微小容量測定システ
ム、を提供する。
【0009】ここで、ボックスはシールドされているシ
ールドボックスであることが好ましい。また、ボックス
の形状は箱型に限られず、プローバを収納することがで
きる入れ物であればよい。被測定試料の所定の導電性部
分とは、アース(接地)電極を除く、少なくとも或る瞬
間に測定対象となっている電極以外のすべての導電性部
分であることが好ましいが、現実には、それらすべてを
接続することが難しいため、プローブカードのように、
プローブ針に接続されている導電性部分のうち、測定対
象電極以外であってもよいし、可能な他の手段により接
続され得る測定対象電極以外のすべて又はその一部分の
導電性部分であってもよい。
【0010】前記被測定試料の少なくとも2つの電極の
間には静電容量が形成され、前記検出端子は前記被測定
試料の前記電極とのうちのいずれか一方と接触する。
【0011】前記シールド線は、前記検出端子を除いて
前記信号線の全長を包囲するものであることが望まし
い。
【0012】更に、この微小容量測定システムは、前記
被測定試料の前記電極のうちの他方と一端が接触し、他
端が接地された接地信号線と、前記接地信号線を包囲
し、前記シールドボックスと電気的に接続されたシール
ド線と、を備えることが好ましい。そこで、前記プロー
バは、前記信号線と前記接地信号線との一端を前記被測
定試料と前記電極との適所とそれぞれ接触させるための
マニピュレータを備えることが望ましい。プローバの所
定の導電性部分は前記シールドボックスと同電位とされ
る。
【0013】ここで、プローバの所定の導電性部分と
は、検出端子とその信号線以外の部分の一部又は全部を
意味する。前記被測定試料は例えば半導体ウェハであ
る。
【0014】
【作用】演算増幅器の反転入力端子と非反転入力端子と
の間がイマジナリ・ショートの状態にあるため、シール
ドボックス内の任意の寄生容量及びその変動の影響が除
去され、被測定容量の容量値が高精度に測定される。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図1〜図3を参照しなが
ら、この発明の一つの実施の形態を詳細に説明する。図
1は、この発明に係る微小容量測定システムの構成を概
略的に示す図であり、図2は、図1の微小容量測定シス
テムにおける被測定試料付近を拡大して示す図である。
図1及び図2において、図4及び図5に示す構成要素と
同じ又は同等の構成要素には同一の参照数字を付すこと
にし、それらの構成要素についての説明は省略する。
【0016】図1において、この発明に係る微小容量測
定システムは、プローバ1と、容量測定装置5とを含
む。プローバ1は、図4及び図5について既に説明した
のと同様の構成を有しており、シールドボックス1、ス
テージ13、マニピュレータ14を備え、ステージ13
に被測定容量12を形成する被測定試料が載置される。
シールドボックス11、ステージ13の導電性部分、マ
ニピュレータ14の導電性部分、シリコン基板121の
裏面等、プローバ1全体の導電性部分は互いに電気的に
接続されて同電位とされる。
【0017】容量測定装置5は容量測定回路6と同軸ケ
ーブル7とを含み、同軸ケーブル7の外部導体71はシ
ールドボックス11に電気的に接続されると共に、内部
導体72の先端が100ミクロン以下の長さだけ露出す
るように被測定容量12の近くまで延びて内部導体72
をシールドする。同軸ケーブル7の内部導体72の露出
した先端部は検出端子として作用し、マニピュレータ1
4によって位置調整されて下部電極123の適宜の位置
に接触する。内部導体72の先端部すなわち検出端子の
断面直径は30ミクロン以下であることが望ましい。
【0018】容量絶縁膜124を介して下部電極123
に対向する測定電極125を接地するために、他の同軸
ケーブル8が設けられる。図2に示すとおり、同軸ケー
ブル8の内部導体82の先端部は測定電極125に接触
し、内部導体72の他端は接地される。同軸ケーブル8
の外部導体81は被測定容量12に近接した側まで延び
て内部導体81の先端部のみを100ミクロン以下の長
さだけ露出させると共に、シールドボックス11に電気
的に接続される。マニピュレータ14は内部導体82の
露出された先端部を測定電極125の適宜の位置に接触
させる。この露出した先端部の直径は30ミクロン以下
であることが望ましい。
【0019】容量測定回路6は演算増幅器61を備え、
同軸ケーブル7の外部導体71の他端は演算増幅器61
の非反転入力端子(+)に、内部導体72の他端は演算
増幅器61の反転入力端子(−)にそれぞれ接続され
る。以下、容量測定回路6の構成と動作について、図3
を用いて説明する。
【0020】図3において、演算増幅器61はその電圧
利得の方が閉ループ利得よりも極めて大きく、その開ル
ープ利得が無限大に近い演算増幅器であり、その出力端
子62と反転入力端子(−)との間に帰還抵抗63が接
続されていて演算増幅器61に負帰還がかかっている。
演算増幅器61の非反転入力端子(+)には交流信号発
生器64が接続される。同軸ケーブル7の外部導体71
は、外部からのノイズ等の不要信号が内部導体72に誘
導されるのを防止するよう動作するが、接地されず、前
記のとおり、演算増幅器1の非反転入力端子(+)と接
続される。この結果、シールドボックス11、ステージ
13の導電性部分、マニピュレータ14の導電性部分、
シリコン基板121の裏面等、プローバ1全体の導電性
部分も、演算増幅器61の非反転入力端子(+)と短絡
されることになる。
【0021】演算増幅器61の反転入力端子(−)に
は、同軸ケーブル7の内部導体72の一端が接続され、
内部導体72の他端は被測定容量12を形成する一方の
電極である下部電極123に接触する。被測定容量12
を形成する他方の電極である測定電極125は同軸ケー
ブル8の内部導体82を介して接地される。
【0022】演算増幅器61には帰還抵抗63を介して
負帰還がかかっており、しかも、演算増幅器61はその
電圧利得の方が閉ループ利得よりも極めて大きく、その
開ループ利得が無限大に近いので、演算増幅器61はイ
マジナリ・ショートの状態にある。すなわち、演算増幅
器61の反転入力端子(−)と非反転入力端子(+)と
の間の電圧差は実質的にゼロである。したがって、内部
導体72と外部導体71とは同電位にあるので、内部導
体72と外部導体71との間に生じる浮遊容量をキャン
セルすることができる。このことは、内部導体72の長
さに無関係に成立するし、内部導体72の移動や折り曲
げ、折り返し等に関係なく成立することである。
【0023】いま、交流信号発生器64の交流出力電圧
をViとし、交流出力電圧Viの角周波数をωとする。
また、被測定容量12の静電容量をCx、被測定容量1
2を流れる電流をi1、帰還抵抗63の抵抗値をRf、
帰還抵抗63を流れる電流をi2とし、演算増幅器61
の反転入力端子(−)における電圧をVm、演算増幅器
61の出力電圧をVoとすると、演算増幅器61は前述
のとおりイマジナリ・ショートの状態にあるので、反転
入力端子(−)における電圧Vmは交流信号発生器64
の交流信号出力電圧Viと同電位である。すなわち、
【0024】
【数1】Vi=Vm である。しかも、
【0025】
【数2】i1=−Vm/(1/jωCx)=−Vi/
(1/jωCx) i2=(Vm−Vo)/Rf=(Vi−Vo)/Rf が成り立つ。ここで、i1=i2であるから、演算増幅器
61の出力電圧Voを求めると、
【0026】
【数3】Vo=Vi(1+jωRf・Cx) となる。この式は、演算増幅器61が被測定容量12の
静電容量Cxに比例する交流成分を含む電圧を出力する
ことを表している。
【0027】ここで留意すべきは、演算増幅器61はイ
マジナリ・ショートの状態にあるので、シールドボック
ス11内に形成される寄生容量のような、等価的に内部
導体72と外部導体71との間に形成されるとみなされ
る浮遊容量が演算増幅器61の反転入力端子(−)と非
反転入力端子(+)の間に現れることはないということ
である。これにより、演算増幅器61の出力電圧Vo
は、内部導体72と外部導体71との間に生じる浮遊容
量に関係する項を全く含まないので、被測定容量12の
静電容量CxがfF(フェムトファラッド。ピコファラ
ッドの1000分の1)のオーダーの微小なものであっ
ても、演算増幅器61からは、そのような微小な静電容
量Cxのみに対応した電圧Voが出力される。この出力
電圧Voを積分することにより、被測定容量12の静電
容量Cxに比例した直流電圧を求めることができ、この
直流電圧の値、帰還抵抗63の抵抗値Rf及び交流出力
電圧Viの大きさから、静電容量Cxを求めることが可
能になる。前述のとおり、演算増幅器61の出力電圧V
oは内部導体72と外部導体71との間に生じる浮遊容
量に関係する項を含まず、被測定容量12の静電容量C
xに対応する項を含むのみであるから、静電容量Cxが
いかに微小であっても、その静電容量Cxを高精度に検
出することができる。
【0028】図1〜図3の被測定容量12を形成する一
方の電極である下部電極123は半導体ウェハであり得
る。この場合、図1の微小容量測定システムは被測定試
料の良否を判定するために使用することができる。この
ために、下部電極123と測定電極125との間に形成
される静電容量の大きさが監視され、静電容量の値が正
常値であるかどうかによって被測定試料の良否が判定さ
れる。この場合にも、演算増幅器61の出力電圧Voは
内部導体72と外部導体71との間に生じる浮遊容量に
関係する項を含まず、被測定試料と測定電極との間の静
電容量に対応する項を含むのみであるから、該静電容量
がいかに微小であっても、その静電容量を高精度に検出
することができるので、被測定試料の良否を高精度に判
定することが可能となる。具体的には、DRAMのメモ
リセル容量素子、配線容量、MOSトランジスタのゲー
ト容量やオーバーラップ容量、pnジャンクション容量
等、半導体デバイス内の各部の微小容量の測定を行うこ
とができ、高性能で低価格の半導体デバイスを提供する
ことができる。
【0029】更に、図1〜図3の被測定容量12は例え
ば容量型センサの容量であり得る。容量型センサの一方
の電極は内部導体72を介して演算増幅器61の反転入
力端子(−)に接続され、他方の電極(又はそれに相当
するもの)は接地されるか、適宜なバイアス電位に固定
されるか、あるいは、非接地で空間に解放される。この
場合の「容量型センサ」には、加速度センサ、地震計、
圧力センサ、変位センサ、変位計、近接センサ、タッチ
センサ、イオンセンサ、湿度センサ、雨滴センサ、雪セ
ンサ、雷センサ、位置合わせセンサ、接触不良センサ、
形状センサ、終点検出センサ、振動センサ、超音波セン
サ、角速度センサ、液量センサ、ガスセンサ、赤外線セ
ンサ、放射線センサ、水位計、凍結センサ、水分計、振
動計、帯電センサ、プリント基板検査機等の公知の容量
型センサばかりでなく、静電容量を検出する全てのデバ
イスが含まれる。
【0030】なお、以上の説明では、同軸ケーブル7、
8を用いるものとして説明してきたが、その代わりに、
下部電極123と演算増幅器61の反転入力端子との間
を接続するケーブル、測定電極125を接地するための
ケーブル及びこれらのケーブルをそれぞれ包囲するシー
ルド線を用いることができる。
【0031】
【発明の効果】以上、実施の形態を参照しながら説明し
たところから明らかなとおり、この発明は、シールドボ
ックス内の寄生容量やその変動等、信号線とそれを包囲
するシールド線との間に形成されるとみなされる一切の
浮遊容量に影響されることなく、被測定容量の容量値の
みに依存した出力を得ることができるので、被測定容量
の容量値が微小であっても、該容量値を高精度に検出す
ることが可能になるという格別の効果を奏する。
【0032】本発明による測定結果では、数fF(フェ
ムトファラッド)の精度で測定できることが確かめられ
た。
【0033】また、被測定試料が半導体ウェハである場
合には、該半導体ウェハの各種の微小容量を高精度に測
定することができるので、高性能で低価格な半導体デバ
イスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る微小容量測定システムの構成を
概略的に示す図である。
【図2】図1の微小容量測定システムにおける被測定容
量の付近を拡大して示す図である。
【図3】図1の容量測定回路の構成を概略的に示す図で
ある。
【図4】従来の容量測定システムの構成を概略的に示す
図である。
【図5】図4の容量測定システムにおける被測定容量の
付近を拡大して示す図である。
【符号の説明】
1:プローバ、 5:容量測定装置、 6:容量測定回
路、 7、8:同軸ケーブル、 12:被測定容量、
13:スタンド、 14:マニピュレータ、61:演算
増幅器、 123:下部電極、 125:測定電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−280806(JP,A) 特開 昭61−14578(JP,A) 特開 平7−5197(JP,A) 特開 昭63−217634(JP,A)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定試料を配置できるボックスと、一端
    が前記被測定試料と接触させるための検出端子となされ
    た信号線と、前記信号線を包囲するシールド線とを備え
    るプローバと、 前記ボックスの導電性部分又は前記被測定試料の所定の
    導電性部分の少なくとも一方と前記シールド線とを同電
    位とする手段と、 前記信号線の他端が接続された反転入力端子と前記シー
    ルド線が接続された非反転入力端子とを有し、前記反転
    入力端子と前記非反転入力端子との間がイマジナリ・シ
    ョートの状態である演算増幅器であって、前記非反転入
    力端子に定電圧の交流信号を印加したとき、前記被測定
    試料の静電容量に対応し且つ前記の印加された交流信号
    に正比例した値を含む信号を出力する演算増幅器を備え
    る容量測定回路と、 を具備することを特徴とする微小容量測定システム。
  2. 【請求項2】前記プローバが、前記信号線と前記接地信
    号線との一端を前記被測定試料の前記電極との適所とそ
    れぞれ接触させるためのマニピュレータを更に備え、該
    プローブの所定の導電性部分を前記ボックスと同電位と
    する手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の微小
    容量測定システム。
  3. 【請求項3】被測定試料を配置できるシールドボックス
    を備えるプローバと、 一端が前記被測定試料と接触させるための検出端子とな
    された信号線と、 前記信号線を包囲するシールド線と、 前記シールドボックスの導電性部分、前記被測定試料の
    導電性部分及び前記シールド線を同電位とする手段と、 前記信号線の他端が接続された反転入力端子と前記シー
    ルド線が接続された非反転入力端子とを有し、前記反転
    入力端子と前記非反転入力端子との間がイマジナリ・シ
    ョートの状態である演算増幅器であって、前記非反転入
    力端子に定電圧の交流信号を印加したとき、前記被測定
    試料の静電容量に対応し且つ前記の印加された交流信号
    に正比例した値を含む信号を出力する演算増幅器を備え
    る容量測定回路と、 を具備し、前記シールドボックス内の寄生容量及びその
    変動の影響を除去したことを特徴とする微小容量測定シ
    ステム。
  4. 【請求項4】前記被測定試料の少なくとも2つの電極の
    間に静電容量を形成してなり、前記検出端子が前記被測
    定試料の前記電極のうちのいずれか一方と接触すること
    を特徴とする、請求項1〜3のいずれか1つに記載の微
    小容量測定システム。
  5. 【請求項5】前記シールド線が、前記検出端子を除いて
    前記信号線の全長を包囲するシールド線であることを特
    徴とする、請求項1〜4記載の微小容量測定システム。
  6. 【請求項6】前記被測定試料の前記電極とのうちの他方
    と一端が接触し、他端が接地された接地信号線と、 前記接地信号線を包囲し、前記シールドボックスと電気
    的に接続されたシールド線と、 を更に備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか
    1つに記載の微小容量測定システム。
  7. 【請求項7】前記プローバが、前記信号線と前記接地信
    号線との一端を前記被測定試料の前記電極との適所とそ
    れぞれ接触させるためのマニピュレータを更に備え、該
    プローブの所定の導電性部分を前記シールドボックスと
    同電位とする手段を備えたことを特徴とする請求項1〜
    6のいずれか1つに記載の微小容量測定システム。
  8. 【請求項8】半導体装置の容量を測定するプローブと容
    量測定回路と を含み、 前記プローブは、少なくとも一端が前記被測定試料と接
    触されるための検出端子となされた信号線と、前記信号
    線を包囲するシールド線とを含み、 前記容量測定回路は、前記信号線の他端が接続された反
    転入力端子と、前記シールド線が接続された非反転入力
    端子とを有し、前記反転入力端子と前記非反転入力端子
    との間がイマジナリ・ショートの状態である演算増幅器
    であって、前記非反転入力端子に定電圧の交流信号を印
    加したとき、前記被測定試料の静電容量に対応し且つ前
    記の印加された交流信号に正比例した値を含む信号を出
    力する演算増幅器を具備することを特徴とするプロービ
    ングシステム。
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