JP3506243B2 - プロービングシステム及び容量測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定試料の電気
特性を測定するプロービングシステムに関し、特に、数
ｆＦオーダーの微小な容量値を高精度で測定するのに適
したプロービングシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、半導体基板上に形成される容
量等の電気特性を測定するための従来のプロービングシ
ステムの構成図である。このプロービングシステムは、
大きく分けて、プローバ１と容量計２とから構成され
る。プローバ１は、アース（接地）に接続されたシール
ドボックス１１と、そのシールドボックス１１内に置か
れたステージ１３、そのステージ１３の周囲を囲む置き
台１５及びその置き台１５に置かれたマニピュレータ１
４とから構成される。

【０００３】ステージ１３には、測定対象の容量を形成
している被測定試料１２が載置され、マニピュレータ１
４には、信号ケーブル３とアースケーブル４とが固定さ
れている。信号ケーブル３及びアースケーブル４は、外
部導体でシールドされた同軸ケーブルであり、その内部
導体は先端部が露出し、それぞれ、検出探針及アース探
針として被測定試料１２の測定箇所（容量を構成してい
る電極等）に接触している。信号ケーブル３の他端は、
容量計２に接続され、一方、アースケーブル４の他端
は、アースに接続される。なお、ステージ１３の導電性
部分、置き台１５の導電性部分、マニピュレータ１４の
導電性部分及びケーブル３、４の外部導体は、シールド
ボックス１１と接続又は接触することによってアースに
接続され、外乱ノイズを遮蔽している。

【０００４】このような接続と構成によって、容量計２
に接続された信号ケーブル３の内部導体と外部導体間の
容量を測定することで、被測定試料１２の容量を測定す
ることが可能になる。ところが、このままでは、信号ケ
ーブル３の内部導体と信号ケーブル３の外部導体、シー
ルドボックス１１、ステージ１３、マニピュレータ１４
及び置き台１５との間、信号ケーブル３の内部導体が接
触している被測定試料１２の電極とステージ１３との間
等で形成される浮遊容量が誤差となって加算されてしま
う。

【０００５】そこで、従来のプロービングシステムは、
例えば、信号ケーブル３やアースケーブル４の内部導体
を被測定試料１２に接触させない状態で容量を測定して
おき、その容量値を実測値から差し引くことで、真の容
量値を測定しようとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
浮遊容量は、信号ケーブル３の折れ曲がり具合、信号ケ
ーブル３内の絶縁体の誘電率の温度変化、信号ケーブル
３とマニピュレータ１４等との位置関係、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
（フェムトファラッド；１０^-15Ｆ）のオーダーで）変
化するために、従来のプロービング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ｆ
Ｆ以下の微小容量を測定することは困難である。そこ
で、本発明は、上記の課題を解決するためになされたも
のであり、浮遊容量の影響を除去して精度の高い測定を
行うことができるプロービングシステムを提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るプロービングシステムは、プローバと
第１測定回路とを備えるプロービングシステムであっ
て、前記プローバは、被測定試料を覆うボックスと、一
端が検出探針として被測定試料に接触する信号線と、前
記信号線を覆う第１シールド部材とを有し、前記第１測
定回路は、前記信号線の他端が入力端子に接続されると
ともに、前記第１シールド部材が出力端子に接続される
ボルテージフォロワと、前記信号線に一端が接続された
インピーダンス手段と、前記インピーダンス手段の他端
が出力端子に接続されるとともに、前記インピーダンス
手段及び前記ボルテージフォロワ手段が負帰還路に含ま
れるように接続された第１演算増幅器とを有することを
特徴とする。

【０００８】これによって、信号線を覆う第１シールド
部材は、ボルテージフォロワの出力電位、つまり、信号
線と同電位で、かつ、低出力インピーダンスの出力電位
に駆動され、ガーディングされる。

【０００９】ここで、前記ボックスは、前記第１シール
ド部材と電気的に接続されるか又は接地される状態にし
ておいてもよい。接地の場合には、対ボックス容量も検
出してしまう。それをなくす為に後段でキャンセル手段
を用いても良いが、エラー発生要因が増える為に、好ま
しくは、前記第１シールド部材と電気的に接続されるよ
うにする。同様に、前記プローブ内に、被測定試料を保
持する載置台、信号線や探針を固定するマニピュレータ
等を設け、それら載置台やマニピュレータの導電性部分
についても、前記第１シールド部材と電気的に接続され
るか又は接地される状態にしておくことができる。接地
の場合には、対おき台、対マニピュレータの容量も検出
してしまう。それをなくす為に後段でキャンセル手段を
用いても良いが、エラー発生要因が増える為に、好まし
くは、前記第１シールド部材と電気的に接続されるよう
にする。なお、ボックスが接地されている状態のとき
は、前記第１シールド部材はボックスに対してフローテ
ィングとなっている方が、第１シールド部材が接地され
るのを防ぐ為により好ましい。

【００１０】また、基準電位探針として被測定試料に接
触する基準電位線の他端は、接地しておくだけでなく、
安定化された一定の直流電圧を発生する電源等に接続し
ておいてもよい。そして、その基準電位線を覆う第２シ
ールド部材については、前記第１シールド部材と電気的
に接続しておくか、接地しておくか、又は、フロート状
態に置く。この場合、外乱の影響を最も小さくできる接
地が、より好ましい態様である。これによって、測定環
境や被測定試料の特性等に応じた接続態様とすること
で、例えば、より安定したグランド電位に基づく高い精
度の測定が可能となる。ここで「基準電位」とは、時間
的に一定の電位が保持される状態の事を指し、接地され
る状態も含む。

【００１１】なお、信号線及び基準電位線を２重シール
ドで覆う構造を有する３重の同軸ケーブルを用いて被測
定試料を測定してもよい。そして、最外側のシールドを
ガードやアース（接地）に接続したり、フロート状態に
しておけばよい。これによって、シールド効果を高めた
りすることができる。なお好ましくは、外部からの外乱
をいちばん小さくできるので、最外側シールドを接地と
し、内側シールドをガードに接続する。また、ガード電
位として、ボルテージフォロワの出力信号をそのまま利
用するのではなく、その信号を位相・振幅補償して得ら
れる補償後の信号を利用してもよい。これによって、事
前に位相及び振幅の調整をしておくことで、信号線に印
加される交流電圧と位相及び振幅が完全に一致したガー
ド信号が外部導体に印加されることとなり、浮遊容量が
完全にキャンセルされる。

【００１２】なお、ガード電位を印加する対象として、
ケーブルの外部導体やボックス等の装置部材に限られ
ず、被測定試料中の不要な導電性部分についても対象と
することができる。例えば、ＭＯＳトランジスタのゲー
ト・ソース間容量を測定する場合には、ドレイン及び半
導体基板（バルク部）をガード電位に保持すればよい。
これによって、不要な電極間容量（ゲート・ドレイン間
容量、ゲート・バルク間容量、ソース・バルク間容量）
が排除され、純粋なゲート・ソース間容量が計測され
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の１つの実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発
明に係るプロービングシステムの構成を示す図である。
なお、図１３に示された従来の構成要素と同一の構成要
素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。本
発明に係るプロービングシステムは、大きく分けて、プ
ローバ１と容量計５とから構成される。プローバ１は、
図１３に示されたものと同一の構成要素、つまり、シー
ルドボックス１１、ステージ１３、マニピュレータ１４
及び置き台１５を備える。ステージ１３には、測定対象
の容量を形成している被測定試料１２が載置され、マニ
ピュレータ１４には、信号ケーブル７と基準電位ケーブ
ル８とが固定されている。

【００１４】そして、シールドボックス１１、ステージ
１３の導電性部分、置き台１５の導電性部分、マニピュ
レータ１４の導電性部分、信号ケーブル７の外部導体７
１及び基準電位ケーブル８の外部導体８１（以下、これ
らを総称して「プローバの導電性部分」と呼ぶ。）は、
シールドボックス１１等を介して電気的に接続され、同
電位となっている。このように、本プロービングシステ
ムのプローバ１は、図１３に示された従来のものと、個
々の構成要素において共通するが、接続状態において異
なる。つまり、従来のプローバ１の導電性部分は、図１
３に示されるように、シールドボックス１１や信号ケー
ブル３の外部導体を介してアース（接地）に接続されて
いるが、本プロービングシステムのプローバ１の導電性
部分は、図１に示されるように、接地から開放されてお
り、信号ケーブル７の外部導体に電圧を印加している容
量測定回路６によって定まる電位（後述するように、信
号ケーブル７の内部導体の電位と同一のガード電位）に
保持されている。

【００１５】図２は、図１に示された被測定試料１２の
拡大図である。被測定試料１２は、Ｓｉ基板上に形成さ
れた絶縁層を含む積層構造の回路等であり、上層から下
層に向けて、測定電極１２５、容量絶縁膜１２４、下部
電極１２３、フィールド酸化膜１２２及びシリコン基板
１２１から構成されている。ここでは、容量絶縁膜１２
４を挟んで対抗する２つの電極１２５、１２３によって
形成される容量が測定対象となっている。そのために、
基準電位ケーブル８の内部導体８２は、測定電極１２５
に接触し、信号ケーブル７の内部導体７２は、下部電極
１２３に接触している。

【００１６】なお、信号ケーブル７（及び基準電位ケー
ブル８）は、その外部導体７１（外部導体８１）がシー
ルドボックス１１と電気的に接続されるとともに、内部
導体７２（内部導体８２）の先端だけ露出するように下
部電極１２３（測定電極１２５）の近くまで延びて内部
導体７２（内部導体８２）をシールドしている。信号ケ
ーブル７（及び基準電位ケーブル８）の内部導体７２
（内部導体８２）の露出した先端部は検出探針として作
用し、マニピュレータ１４によって位置調整されて下部
電極１２３（測定電極１２５）の適宜の位置に接触す
る。

【００１７】図３は、図１に示された容量計５が備える
容量測定回路６の回路図である。この容量測定回路６
は、信号ケーブル７の内部導体７２に接続された容量に
交流電圧を印加することで、その容量値に対応する電圧
を出力端子６２に出力する測定回路として機能するとと
もに、信号ケーブル７の内部導体７２に現れる電圧と同
電位の電圧を外部導体７１に印加するガーディング手段
（電圧源）としても機能する。具体的には、この容量測
定回路６は、交流信号発生器６４と、２つの演算増幅器
６０、６１と、３つの抵抗（Ｒ１）６５、抵抗（Ｒ２）
６６、抵抗（Ｒ３）６７と、信号ケーブル７とを含んで
構成される。抵抗（Ｒ１）６５、抵抗（Ｒ２）６６及び
演算増幅器６０は、交流信号発生器６４からの信号を反
転増幅し、その電圧を交流出力端子６３に出力する負帰
還回路を構成している。抵抗（Ｒ３）６７、信号ケーブ
ル７の内部導体７２及び演算増幅器６１は、この順序で
直列に接続され、上記負帰還回路の帰還路（演算増幅器
６０の出力端子と抵抗（Ｒ２）６６との間）に挿入され
ている。

【００１８】なお、演算増幅器６１は、出力端子と反転
入力端子とが短絡され、電圧利得が１のボルテージフォ
ロワ（インピーダンス変換器）として機能している。そ
して、その演算増幅器６１の出力端子は、信号ケーブル
７の外部導体７１に接続されている。これによって、信
号ケーブル７の外部導体７１及びこの外部導体７１と接
続されているプローバ１の導電性部分は、常に、信号ケ
ーブル７の内部導体７２と同電位の電圧（ガード電位）
に駆動され、ガーディングされる。つまり、信号ケーブ
ル７の内部導体７２と信号ケーブル７の外部導体７１及
びプローバ１の導電性部分との間で浮遊容量が発生する
ことや、その間に存在する媒体の誘電率の変動に伴う測
定誤差の発生や不安定になること等が回避される。

【００１９】次に、この容量測定回路６における出力端
子６２での電圧Ｖ01と被測定試料１２の容量値Ｃsとの
関係を説明する。まず、交流信号発生器６４が発生する
信号の電圧Ｖiと交流出力端子６３での電圧Ｖ02との関
係は、演算増幅器６０よる反転増幅回路に着目すると、 Ｖ02＝−（Ｒ2／Ｒ1）・Ｖi （式１） となる。そして、演算増幅器６１がボルテージフォロワ
として機能していることから、この電圧Ｖ02は、演算増
幅器６１の非反転入力端子での電圧、即ち、信号ケーブ
ル７の内部導体７２と抵抗（Ｒ３）６７との接続点での
電位に等しくなる。一方、抵抗（Ｒ３）６７の他端に
は、演算増幅器６０の出力端子が接続されている。信号
線の電圧Ｖ02が被測定容量に印加され、それに基づく電
流が抵抗（Ｒ３）６７に流れる。それは、演算増幅器６
１の入力インピーダンスが極めて高いためである。この
とき、抵抗（Ｒ３）６７に流れる電流ＩR3は、 ＩR3＝ｊωＣs・Ｖ02 となる。今、出力端子６２の電圧をＶ01とすると、 Ｖ01＝Ｖ02＋Ｒ3・ＩR3 の関係が成り立つ。これらの式からＩR3を消去すると、 Ｖ01＝（１＋ｊωＣs・Ｒ3）・Ｖ02 （式２） となる。この式２に、上記式１を代入すると、 Ｖ01＝−（（１＋ｊωＣs・Ｒ3）・Ｒ2／Ｒ1）・Ｖi （式３） が得られる。

【００２０】この式３から分かるように、演算増幅器６
０の出力電圧Ｖ01は、被測定試料１２の静電容量Ｃsに
比例する交流成分を含んでいる。ここで着目すべきこと
は、演算増幅器６１はイマージナリ・ショートの状態に
あるので、内部導体７２と外部導体７１とは同電位とな
る。従って、その間に形成されるとみなされる浮遊容量
は、検出されない。同様に、外部導体７１とシールドボ
ックス１１とを接続した場合も、対シールドボックスと
の間に形成されるとみなされる浮遊容量は検出されな
い。さらに、ステージ１３、置き台１５、マニピュレー
タ１４等とも同様に外部導体７１と接続すると、同じよ
うに浮遊容量は検出されない。これにより、演算増幅器
６０の出力電圧Ｖ01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、被測定試料１２の静電容量ＣsがｆＦオーダーの微
小なものであっても、演算増幅器６０からは、そのよう
な微小な静電容量Ｃsのみに対応した電圧Ｖ01が出力さ
れる。

【００２１】そして、この出力電圧Ｖ01から、被測定試
料１２の静電容量Ｃsに比例した電圧を求めることがで
き、この電圧の値、抵抗６７の抵抗値Ｒ3及び交流信号
電圧Ｖｉの大きさから、静電容量Ｃsを求めることが可
能になる。前述のとおり、演算増幅器６０の出力電圧Ｖ
01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１２の静電容量Ｃ
sに対応する項を含むのみであるから、静電容量Ｃsがい
かに微小であっても、その静電容量Ｃsを高精度に検出
することができる。

【００２２】ここで、図１〜図３の被測定試料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のプロービングシステム
は被測定試料１２の良否を判定するために使用すること
ができる。つまり、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を監視し、その静電
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
良否を判定することができる。この場合にも、演算増幅
器６０の出力電圧Ｖ01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
となるので、この静電容量がいかに微小であっても、そ
の容量値を高精度に測定することができ、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
容量の測定が可能となり、高性能で低価格の半導体デバ
イスの提供に寄与することができる。

【００２３】また、図１〜図３の被測定試料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
方の電極は信号ケーブル７の内部導体７２を介して演算
増幅器６１の非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）は基準電位ケーブル８の内
部導体８２を介してグランドに接続される。このような
容量測定の対象となる「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など、静電容量の変化を利用し
て各種物理量を検出す全てのトランスデューサ（デバイ
ス）が含まれる。

【００２４】次に、以上のプロービングシステムを用い
て、ＭＯＳトランジスタのゲート容量を測定したときの
実験例を示す。図４は、ＭＯＳトランジスタ９０のゲー
ト・ドレイン間容量（ＣＧＤＯ）を実測したときの接続
状態及び測定結果を示す図である。このＭＯＳトランジ
スタ９０は、ゲート９１の幅Ｗが５０μｍで、長さＬが
２．０μｍで、絶縁酸化膜９４の厚みＴoxが１５ｎｍで
ある。ここでは、ゲート９１を信号ケーブル７の内部導
体７２に接触させ、ドレイン９３を基準電位ケーブル８
の内部導体８２に接触させ、ソース９２及び半導体バル
ク９５を信号ケーブル７の外部導体７１等に電気的に接
続している。この時、内部導体８２はアース（接地）に
接続されている。このような接続形態での測定によっ
て、ソース９２及び半導体バルク９５は、ガード電位、
即ち、ゲート９１と同電位に駆動され、この間の容量が
誤差となって加算されてしまうことが回避され、ゲート
９１及びドレイン９３間の正確な容量値（ここでは、１
７．８ｆＦ）が得られている。

【００２５】図５は、ＭＯＳトランジスタ９０のゲート
・ソース間容量（ＣＧＳＯ）を実測したときの接続状態
及び測定結果を示す図である。ここでは、ゲート９１を
信号ケーブル７の内部導体７２に接触させ、ソース９２
を基準電位ケーブル８の内部導体８２に接触させ、ドレ
イン９３及び半導体バルク９５を信号ケーブル７の外部
導体７１等に電気的に接続している。この時、内部導体
８２はアース（接地）に接続されている。このような接
続形態での測定によって、ドレイン９３及び半導体バル
ク９５は、ガード電位、即ち、ゲート９１と同電位に駆
動され、この間の容量が誤差となって加算されてしまう
ことが回避され、ゲート９１及びソース９２間の正確な
容量値（ここでは、１６．３ｆＦ）が得られている。

【００２６】図６は、ＭＯＳトランジスタ９０のゲート
・ドレイン及びソース間容量（ＣＧＤＯ＆ＣＧＳＯ）を
実測したときの接続状態及び測定結果を示す図である。
ここでは、ゲート９１を信号ケーブル７の内部導体７２
に接触させ、ソース９２及びドレイン９３を基準電位ケ
ーブル８の内部導体８２に電気的に接続し、半導体バル
ク９５を信号ケーブル７の外部導体７１等に接続してい
る。この時、内部導体８２はアースに接続されている。
このような接続形態での測定によって、半導体バルク９
５は、ガード電位、即ち、ゲート９１と同電位に駆動さ
れ、この間の容量が誤差となって加算されてしまうこと
が回避され、ゲート９１とソース９２及びドレイン９３
間の正確な容量値（ここでは、３４．４ｆＦ）が得られ
ている。

【００２７】以上の３つの測定結果を表にまとめると、
以下の通りである。

【表１】 なお、この表における「１μｍ当たり容量値」は、左欄
の「測定結果」の値をゲート９１の幅Ｗ（５０μｍ）で
割り算して得られた値である。また、下段に示された容
量パラメータ値は、その理論値である。

【００２８】この表から分かるように、本プロービング
システムにより、ｆＦオーダーであるにも拘わらず、実
測によって得られた「１μｍ当たり容量」は、理論値と
極めて近い値を示している。また、ゲート・ドレイン及
びソース間容量（ＣＧＤＯ、ＣＧＳＯ）の測定値は、個
別の測定によるゲート・ドレイン間容量（ＣＧＤＯ）の
測定値とゲート・ソース間容量（ＣＧＳＯ）の測定値の
和にほぼ等しい。このことから、各測定において、ガー
ド電位による浮遊容量のキャンセルが効果的に行われて
いることが確認される。

【００２９】次に、図１に示された本実施の形態のプロ
ービングシステムにおける接続形態についての３つの変
形例１〜３を図７〜図９に示す。これら変形例の特徴
は、以下の表に示される通りである。

【表２】 なお、この表において、「Source」は、信号を意味し、
「Guard」は、ガード電位（容量測定回路６の交流出力
端子６３への接続）を意味し、「基準電位」は、接地を
含む予め定められた一定の電位への接続を意味し、「フ
ロート」は、これらのいずれの電位からも絶縁された開
放状態を意味する。

【００３０】図７に示された変形例１に係るプロービン
グシステムは、基準電位ケーブル８の外部導体８１がシ
ールドボックス１１に接続されず、接地（例えば、内部
導体８２と短絡）されるか又はフロート状態に置かれる
点（図示せず）で、ガード電位に保持された図１の実施
の形態と異なる。この図７では、基準電位ケーブル８の
外部導体８１がシールドボックス１１と接触することな
く開放されている様子（基準電位ケーブル８がシールド
ボックス１１を貫通する箇所１７）が示されている。こ
のような接続形態にすることで、基準電位ケーブル８の
内部導体８２と外部導体８１間に交流信号が印加された
状態となることが回避され、基準とされる電位が不安定
となること等が防止され得る。

【００３１】図８に示された変形例２に係るプロービン
グシステムは、信号ケーブル７の外部導体７１を除くプ
ローバ１の導電性部分、即ち、基準電位ケーブル８の外
部導体８１、シールドボックス１１、ステージ１３の導
電性部分、置き台１５の導電性部分及びマニピュレータ
１４の導電性部分が接地される点で、ガード電位に保持
された図１の実施の形態と異なる。この図８では、信号
ケーブル７がシールドボックス１１を貫通する箇所１８
ａ、１８ｂに示されるように、信号ケーブル７の外部導
体７１はシールドボックス１１と接触することなく開放
され、シールドボックス１１とアースとの接続箇所１８
ｃに示されるように、シールドボックス１１が接地され
ている様子が示されている。この接続形態により被測定
試料１２のバルク側を接地電位とすることができる他、
被測定試料１２全体がアース電位でシールドされること
となり、外乱ノイズの進入に対する遮蔽効果が増加し得
る。また、操作者が触れ安い箇所（シールドボックス１
１やマニピュレータ１４等）が接地されるので、感電に
対する安全性が確保される。ちなみに、本発明の他の接
続形態の例では、すべて被測定試料１２のバルク側がガ
ード電位（信号ケーブル７の内部導体７２と同電位）と
なっている。

【００３２】図９に示された変形例３に係るプロービン
グシステムは、基準電位ケーブル８の内部導体８２が接
地からバイアスされた一定の直流電位１９に保持（例え
ば、安定化された直流電圧電源の出力端子に接続）され
る点で、アースに接続された図１の実施の形態と異な
る。このような接続形態にすることで、この基準電位ケ
ーブル８の内部導体８２と接続される被測定試料１２の
測定電極１２５は、接地ではなく、一定の直流電位に保
持され、ノイズ等を含まない安定化された電位に維持さ
れるので、より安定した容量測定が実現され得る。な
お、上記式３から分かるように、容量測定回路６で得ら
れる出力電圧Ｖ01は、交流信号発生器６４からの信号Ｖ
iの交流成分に依存し、直流成分には依存しないので、
被測定試料１２の基準となる電位の大きさ（直流電位）
は、測定誤差の要因とはならない。なお、このような被
測定試料１２へのバイアス電位を変化させながら容量値
の変化を測定することで、ＭＯＳ等におけるＣ−Ｖ測定
が可能となる。

【００３３】以上の変形例によって、基準電位ケーブル
８を流れる信号状態、被測定試料１２を覆うシールドの
効果、被測定試料１２の基準となる電位等が変更される
こととなるが、上記表に示されるように、信号ケーブル
７の外部導体７１と内部導体７２とが同電位に維持さ
れ、この間での浮遊容量がキャンセルされる点では共通
している。したがって、これらの実施の形態及び変形例
を測定環境（外乱ノイズの発生量や印加する交流信号の
周波数等）や被測定試料１２の特性（容量値の大きさ
等）に応じて適宜、選択して使用することで、それぞれ
のメリットを生かした高精度で安定した微小容量の測定
が可能となる。

【００３４】なお、いずれのプロービングシステムにお
いても、２つのケーブル７、８は、１つの外部導体をシ
ールドとする同軸ケーブル（coaxial cable）であった
が、これに代えて、２重シールド構造の同軸ケーブル
（triaxial cable）を用いてもよい。具体的には、信号
ケーブル７については、芯線をsource、内側シールドを
Guard、外側シールドをアース、基準電位又はフロート
状態にしたり、基準電位ケーブル８については、芯線を
基準電位、内側シールドをGuard、外側シールドをアー
ス又はフロート状態にしたりする接続が考えられる。こ
れによって、芯線を流れる信号に対するシールド効果を
高めたり、感電に対する安全を確保すること等が可能と
なる。

【００３５】次に、図３に示された本実施の形態の容量
測定回路６に代わる変形例及び応用回路を示す。図１０
は、第１の変形例に係る容量測定回路６に置き換え得る
容量測定回路２０の回路図である。この容量測定回路２
０は、図３に示された容量測定回路６に対して、演算増
幅器６１の交流出力端子６３と信号ケーブル７の外部導
体７１との間に、位相振幅補償回路２１ａを挿入したも
のに等しい。つまり、図３に示された容量測定回路６で
は、演算増幅器６１の出力信号をそのまま信号ケーブル
７の外部導体７１に印加していたのに対し、この容量測
定回路２０では、演算増幅器６１の出力信号に対して位
相（及び、振幅）補償を施し、得られた補償後の信号を
信号ケーブル７の外部導体７１に印加している。これ
は、演算増幅器６１自体の特性（理想的な演算増幅器で
ないこと）や周辺回路の影響等によって、信号ケーブル
７の内部導体７２の電位（信号電位）と外部導体７１の
電位（ガード電位）間にわずかにずれ（位相及び振幅が
同一でないこと）が生じるので、そのずれを完全にキャ
ンセルするためである。

【００３６】図１１は、第２の変形例に係る容量測定回
路６、２０に置き換え得る容量測定コア部４１を含む回
路図である。この容量測定回路４０は、大きく分けて、
図３及び図１０に示された容量測定回路６、２０に対応
するコア部４１、そのコア部４１の出力端子６２での信
号電圧Ｖ01を入力として反転増幅する反転部４２、及
び、その反転部４２の出力端子４４での信号電圧Ｖ03と
コア部４１の交流出力端子６３での信号電圧Ｖ02とを加
算し、出力端子４５に電圧Ｖ04の信号を出力する加算部
４３から構成される。コア部４１は、図３に示された容
量測定回路６に対して、交流信号発生器６４の出力端子
と信号ケーブル７の外部導体７１との間に位相振幅補償
回路２１ｂを挿入したものに等しい。つまり、このコア
部４１は、図３の容量測定回路６に位相振幅補償回路を
追加している点で、図１０に示された第１の変形例と共
通するが、位相振幅補償回路２１ｂへの入力として、交
流信号発生器６４からの信号を直接的に用いている点
で、第１の変形例と異なる。

【００３７】反転部４２は、可変抵抗（Ｒ4）５０、抵
抗（Ｒ5）５１、可変抵抗（Ｒ6）５２、コンデンサ５３
及び演算増幅器５４を備えた反転増幅回路であり、電圧
利得が１で、かつ、その出力端子４４での信号Ｖ03の位
相がコア部４１の交流出力端子６３での信号Ｖ02と同一
になるように、可変抵抗（Ｒ4）５０及び可変抵抗（Ｒ
6）５２の抵抗値が調整されている。この反転部４２の
入力電圧Ｖ01と出力電圧Ｖ03とは、以下の関係が成り立
っている。 Ｖ03＝−Ｖ01 （式４）

【００３８】加算部４３は、抵抗値の等しい３つの抵抗
（Ｒ7）５５、抵抗（Ｒ8）５６及び抵抗（Ｒ9）５７が
演算増幅器５８に接続された加算器である。つまり、２
つの入力信号の電圧Ｖ02、Ｖ03と、出力電圧Ｖ04とは、
以下の関係が成り立つ。 Ｖ04＝−（Ｖ02＋Ｖ03） （式５） この式５に、上記式４を代入すると、 Ｖ04＝Ｖ01−Ｖ02 （式６） が得られる。この式６から分かるように、出力端子４５
の信号電圧Ｖ04は、コア部４１の２つの出力端子６２、
６３での信号電圧Ｖ01、Ｖ02の差、言い換えると、被測
定容量の変化に対応した出力電圧の変化となっている。
この式６に、式２を代入して整理した後に、式１を代入
すると、 Ｖ04＝（１＋ｊωＣs・Ｒ3）・Ｖ02−Ｖ02 ＝ｊωＣs・Ｒ3・Ｖ02 ＝−（ｊωＣs・Ｒ2・Ｒ3／Ｒ1）・Ｖi （式７） が成り立つ。つまり、この第２の変形例の容量測定回路
４０の出力端子４５からは、容量値Ｃsに比例した電圧
Ｖ04が出力されていることが分かる。よって、この電圧
Ｖ04に基づいて、種々の信号処理を施すことで、未知の
容量値Ｃｓを特定することができる。また、上記式７
が、図３に示された出力電圧Ｖ01を示す式３よりも簡素
化されている（出力Ｖ04と入力Ｖiとが比例している）
ことから分かるように、この容量測定回路４０では、誤
差要因の発生が極力抑制されている。

【００３９】図１２（ｂ）は、図１１に示された位相振
幅補償回路２１ｂの詳細な回路図である。この位相振幅
補償回路２１ｂは、大きく分けて、入力端子２２から入
力された信号の位相をシフトする位相調整部２４と、そ
の出力信号に対して電圧増幅し、出力端子２３に出力す
る振幅調整部２５とから構成される。位相調整部２４
は、抵抗３３、可変抵抗３４、抵抗３５及びコンデンサ
３６が演算増幅器３１に接続された全域通過フィルタで
ある。可変抵抗３４の抵抗値を調整することで、この位
相調整部２４による位相のシフト量を調整することがで
きる。

【００４０】振幅調整部２５は、抵抗３７及び可変抵抗
３８が演算増幅器３２に接続された反転増幅回路であ
る。可変抵抗３８の抵抗値を調整することで、この振幅
調整部２５による振幅（電圧）増幅率を調整することが
できる。一方で、この位相振幅補償回路２１ｂを図１０
に示された容量測定回路２０に適用する場合、位相調整
部２４の抵抗３５を可変抵抗３８とし、振幅調整部２５
を削除する。こうすることで、図１２（ａ）に示される
ように、位相反転しないで、かつ、振幅と位相の両方が
調整可能な、図１０に示された容量測定回路２０用の位
相振幅補償回路２１ａを得ることができる。このよう
に、これら位相振幅補償回路２１ａ、２１ｂにおける２
つの可変抵抗３４、３８を適切に調整しておくことで、
容量測定回路６の演算増幅器６１における非反転入力端
子と交流出力端子６３間の信号のずれ、即ち、信号ケー
ブル７の内部導体７２と外部導体７１での信号電位のず
れをキャンセルし、振幅及び位相が完全に一致した理想
的なイマージナリ・ショートの状態に近づけることがで
きる。したがって、交流信号発生器６４からの発生信号
Ｖｉが数ｋＨｚ〜数百ＫＨｚ程度の周波数であれば、信
号ケーブル７の内部導体７２と外部導体７１との間の浮
遊容量を確実にキャンセルし、被測定試料１２が有する
容量Ｃｓだけを正確に検出することができる。

【００４１】以上、本発明に係るプロービングシステム
について、実施の形態及び変形例に基づいて説明した
が、本発明は、これらに限定されないのは言うまでもな
い。例えば、本実施の形態におけるプロービングシステ
ムは、容量の測定に用いられたが、インダクタンスの測
定に用いることができる。また、本実施の形態では、信
号ケーブル７及び基準電位ケーブル８として同軸ケーブ
ルが用いられたが、これに代えて、単芯のケーブルとそ
れを覆うシールド材とを組み合わせたり、ツイストペア
等の撚り線を用いてもよい。

【００４２】また、図２に示された被測定試料１２や図
４等に示されたＭＯＳトランジスタ９０の容量測定にお
いて、信号ケーブル７と基準電位ケーブル８それぞれを
接触させる電極や端子を入れ替えてもよい。例えば、被
測定試料１２の測定電極１２５に信号ケーブル７の内部
導体７２を接触させ、下部電極１２３に基準電位ケーブ
ル８の内部導体８２を接触させてもよい。また、本実施
の形態では、信号ケーブル７及び基準電位ケーブル８
は、マニピュレータ１４によって固定され、それらの内
部導体が直接、被測定試料１２に接触したが、マニピュ
レータ１４に固定されたプローブ針を介して被測定試料
１２に接触してもよい。この場合には、信号ケーブル７
及び基準電位ケーブル８は、コネクタ等を介して、その
内部導体が露出することなくプローブ針と接続される。
そして、プローブ針自体も、同軸ケーブルのように、絶
縁材を介してシールド部材で覆われ、被測定試料１２と
接触する先端部を除いてガードされる構造を有すること
が望ましい。

【００４３】また、本実施の形態では、被測定試料１２
に直列に接続されるインピーダンス手段として抵抗（Ｒ
３）６７が用いられたが、固定されたインピーダンスを
有するならば、このような抵抗に限られない。例えば、
容量やインダクタンス、それらの組合せによるインピー
ダンス等であってもよい。また、本実施の形態及び変形
例に係るプロービングシステムの接続形態及び容量測定
回路を任意に組み合わせることで、様々なバリエーショ
ンのプロービングシステムを構築することができる。例
えば、接続形態として、図７のプロービングシステムを
採用し、その容量測定回路として、図１１に示された回
路を採用することで、グランド電位が安定し、かつ、出
力電圧から簡易に容量値Ｃsを特定することができる実
用的なプロービングシステムが完成される。

【００４４】また、各種接続形態を切替回路によって選
択する構成とすることもできる。例えば、プローバ１の
導電性部分を信号ケーブル７の外部導体７１又はアース
に接続する切替回路を設けたりしてもよい。同様に、被
測定試料１２の容量と直列に接続される抵抗（Ｒ３）６
７として、抵抗値の異なる複数の抵抗の中から１つを選
択する切替回路を設けたり、容量測定回路６と信号ケー
ブル７とを接続したり切り離したりする切替回路を設け
てもよい。これによって、広い範囲にわたる容量の測定
が可能となったり、反転部４２における位相・振幅調整
が容易になったりする。

【００４５】さらに、図１２に示された位相振幅補償回
路２１ａ、２１ｂは、いずれも、位相及び振幅を調整す
る機能を有したが、本発明は、必ずしも、位相と振幅の
両方の調整機能を必要とするものではない。つまり、信
号ケーブル７の外部導体７１と内部導体７２それぞれに
流れる信号を同電位にすることができるならば、位相だ
けを調整、または、振幅だけを調整する機能を有する補
償回路で足りる場合もある。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係るプロービングシステムによれば、信号ケーブルの
内部導体と外部導体とは同電位に保持されるので、それ
ら内部導体と外部導体間の浮遊容量が測定誤差として加
算されたり、温度等の変動により浮遊容量が変化するこ
との影響を受けたりすることが回避される。これによっ
て、ｆＦオーダーの微小な容量値等を高精度で、かつ、
安定して測定することが可能となる。

【００４７】また、本発明のプロービングシステムを用
いた実測によって、半導体試料を数ｆＦの精度で測定で
きることが確認されている。被測定試料が半導体ウェハ
である場合には、本発明により、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、簡易
な方法であるにも拘わらず、高い精度で半導体デバイス
の電気特性を計測したり、その良否を判定することがで
き、高性能で低価格な半導体デバイスを提供することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプロービングシステムの構成を示
す図である。

【図２】図１に示された被測定試料の拡大図である。

【図３】同システムの容量計が備える容量測定回路の回
路図の一例である。

【図４】同システムを用いてＭＯＳトランジスタのゲー
ト・ドレイン間容量（ＣＧＤＯ）を実測した例の接続状
態及び測定結果を示す図である。

【図５】同システムを用いてＭＯＳトランジスタ９０の
ゲート・ソース間容量（ＣＧＳＯ）を実測した例の接続
状態及び測定結果を示す図である。

【図６】同システムを用いてＭＯＳトランジスタ９０の
ゲート・ドレイン及びソース間容量（ＣＧＤＯ＆ＣＧＳ
Ｏ）を実測した例の接続状態及び測定結果を示す図であ
る。

【図７】プロービングシステムの接続形態についての変
形例１を示す図である。

【図８】プロービングシステムの接続形態についての変
形例２を示す図である。

【図９】プロービングシステムの接続形態についての変
形例３を示す図である。

【図１０】容量測定回路についての第１の変形例を示す
回路図である。

【図１１】容量測定回路についての第２の変形例を示す
回路図である。

【図１２】（ａ）は上記第２の変形例における位相振幅
補償回路の詳細な回路図の一例であり、（ｂ）は上記第
１の変形例における位相振幅補償回路の詳細な回路図の
一例である。

【図１３】従来のプロービングシステムの構成を示す図
である。

【符号の説明】

１ プローバ ５ 容量計 ６ 容量測定回路 ７ 信号ケーブル ８ 基準電位ケーブル １１ シールドボックス １２ 被測定試料 １３ ステージ １４ マニピュレータ １５ 置き台 １７、１８ａ〜ｃ 接触・接続箇所 １９ 直流電位 ２０ 容量測定回路 ２１ａ、２１ｂ 位相振幅補償回路 ２２ 入力端子 ２３、４４、４５、６２、６３ 出力端子 ２４ 位相調整部 ２５ 振幅調整部 ３１、３２、５４、５８、６０、６１ 演算増幅器 ３３、３５、３７、６５〜６７ 固定抵抗 ３４、３８ 可変抵抗 ３６、５３ コンデンサ ４０ 容量測定回路 ４１ コア部 ４２ 反転部 ４３ 加算部 ６４ 交流信号発生器 ７１ 外部導体 ７２ 内部導体 ８１ 外部導体 ８２ 内部導体 ９０ ＭＯＳトランジスタ ９１ ゲート ９２ ソース ９３ ドレイン ９４ 絶縁酸化膜 ９５ 半導体バルク １２１ シリコン基板 １２２ フィールド酸化膜 １２３ 下部電極 １２４ 容量絶縁膜 １２５ 測定電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−303775（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−82103（ＪＰ，Ａ) 特開2000−55956（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 27/00 - 27/32 G01R 1/06 - 1/073

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローバと第１測定回路とを備えるプロ
   ービングシステムであって、 前記プローバは、 被測定試料を覆うボックスと、 一端が検出探針として被測定試料に接触する信号線と、 前記信号線を覆う第１シールド部材とを有し、 前記第１測定回路は、 前記信号線の他端が入力端子に接続されるとともに、前
   記第１シールド部材が出力端子に接続されるボルテージ
   フォロワと、 前記信号線に一端が接続されたインピーダンス手段と、 前記インピーダンス手段の他端が出力端子に接続される
   とともに、前記インピーダンス手段及び前記ボルテージ
   フォロワ手段が負帰還路に含まれるように接続された第
   １演算増幅器とを有することを特徴とするプロービング
   システム。
2. 【請求項２】 プローバと第２測定回路とを備えるプロ
   ービングシステムであって、 前記プローバは、 被測定試料を覆うボックスと、 一端が検出探針として被測定試料に接触する信号線と、 前記信号線を覆う第１シールド部材とを有し、 前記第２測定回路は、 イマージナリ・ショートの状態となる第１及び第２入力
   端子を有し、その第１入力端子に前記信号線の他端が接
   続された第２演算増幅器と、 前記信号線の信号電圧と同電位の電圧を前記第１シール
   ド部材に印加するガード手段と、 前記信号線に一端が接続されたインピーダンス手段と、 前記インピーダンス手段の他端が出力端子に接続される
   とともに、前記インピーダンス手段及び前記第２演算増
   幅器が負帰還路に含まれるように接続された第３演算増
   幅器とを有することを特徴とするプロービングシステ
   ム。
3. 【請求項３】 前記ボックスは、前記第１シールド部材
   と電気的に接続されるか又は基準電位に接続されること
   を特徴とする請求項１又は２記載のプロービングシステ
   ム。
4. 【請求項４】 前記プローバは、さらに、被測定試料を
   保持する載置台を有し、 前記載置台は、前記第１シールド部材と電気的に接続さ
   れるか又は基準電位に接続されることを特徴とする請求
   項１〜３のいずれか１項に記載のプロービングシステ
   ム。
5. 【請求項５】 前記プローバは、さらに、一端が基準電
   位探針として被測定試料に接触する基準電位線を有し、 前記基準電位線の他端は、接地されるか又は一定の電位
   に保持されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
   １項に記載のプロービングシステム。
6. 【請求項６】 前記プローバは、さらに、前記基準電位
   線を覆う第２シールド部材を有し、 前記第２シールド部材は、前記第１シールド部材と電気
   的に接続されるか、基準電位に接続されるか、又は、フ
   ロート状態に置かれることを特徴とする請求項５記載の
   プロービングシステム。
7. 【請求項７】 前記第１シールド部材は、複数層の同軸
   構造となっていることを特徴とする請求項１〜６のいず
   れか１項に記載のプロービングシステム。
8. 【請求項８】 前記第１演算増幅器又は前記第３演算増
   幅器には、交流信号が入力され、 前記ガード手段は、前記交流信号、前記ボルテージフォ
   ロワ又は前記第２演算増幅器の出力端子に現れる交流信
   号に対して位相補償及び振幅補償の少なくとも一方を施
   し、得られた信号を前記第１シールド部材に印加するこ
   とを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のプ
   ロービングシステム。
9. 【請求項９】 プローバと測定回路とを備えるプロービ
   ングシステムによる被測定試料の容量測定方法であっ
   て、 前記プローバに置かれた被測定試料をボックスで覆うと
   ともに、第１シールド部材で覆われた信号線の一端を検
   出探針として被測定試料に接触させ、 前記測定回路において、 ボルテージフォロワの入力端子に前記信号線の他端を接
   続するとともに、その出力端子に前記第１シールド部材
   を接続し、 インピーダンス手段の一端を前記信号線に接続するとと
   もに、その他端を第１演算増幅器の出力端子に接続し、 前記インピーダンス手段及び前記ボルテージフォロワ手
   段が前記第１演算増幅器の負帰還路に含まれるように接
   続し、 前記第１演算増幅器の出力端子を当該測定回路の出力端
   子とし、当該測定回路の出力端子の電圧に基づいて前記
   被測定試料の容量を測定することを特徴とする容量測定
   方法。
10. 【請求項１０】 プローバと測定回路とを備えるプロー
    ビングシステムによる被測定試料の容量測定方法であっ
    て、 前記プローバに置かれた被測定試料をボックスで覆うと
    ともに、第１シールド部材で覆われた信号線の一端を検
    出探針として被測定試料に接触させ、 前記測定回路において、 第２演算増幅器の第１及び第２入力端子をイマージナリ
    ・ショートの状態にさせるともに、その第１入力端子に
    前記信号線の他端を接続し、 ガード手段によって、前記信号線の信号電圧と同電位の
    電圧を前記第１シールド部材に印加し、 インピーダンス手段の一端を前記信号線に接続するとと
    もに、その他端を第３演算増幅器の出力端子に接続し、 前記インピーダンス手段及び前記第２演算増幅器が前記
    第３演算増幅器の負帰還路に含まれるように接続し、 前記第３演算増幅器の出力端子を当該測定回路の出力端
    子とし、当該測定回路の出力端子の電圧に基づいて前記
    被測定試料の容量を測定することを特徴とする容量測定
    方法。
11. 【請求項１１】 前記被測定試料は、ソース端子及びド
    レイン端子が形成された半導体バルクと酸化膜を挟んで
    対抗するゲート端子とからなるＭＯＳトランジスタであ
    り、 前記３つの端子及び半導体バルクのうちの少なくとも１
    つを信号線に接続し、前記信号線に電気的に接続しない
    残りの前記端子及び半導体バルクのうちの少なくとも１
    つを基準電位に接続し、更にこれまで接続されなかった
    残りの部分が前記端子及び半導体バルクのうちに少なく
    とも１つ存在する場合には当該（存在）部分を第１シー
    ルド部材と電気的に接続し、前記基準電圧が接地、所定
    の電圧、あるいは、スイープさせながら印加される電圧
    のいずれかに接続され、 前記測定回路の出力端子の電圧に基づいて、ＭＯＳトラ
    ンジスタ内の所定部分の容量を測定することを特徴とす
    る請求項９又は１０記載の容量測定方法。