JPS61231469A - 半導体デバイス測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体デバイス内を流れる電流に基づき、周
囲に発生する磁場、磁場の時間的ゆらぎ（雑音）、発熱
温度の物理量をそれぞれ測定する半導体デバイス測定！
Ｉｆｆｔに関する。

背景技術 最近、半導体デバイス素子の微少化および高密度化を図
るため、半導体デバイスの開発技術は急速に進んでいる
。現在、３次元集積回路などは基礎研究の段階であるが
、将来は実用化されるものと想像される。特にデバイス
内の素子間の距離が短いＬＳＩ（大規横集積回路）や３
次元集積回路などの半導体デバイスの設計においでは、
素子間の干渉効果による信号エラーの発生を防止するた
めに、デバイス素子内を流れる電流に基づくデバイス素
子近傍での局所磁場、局所電場、局所磁場および局所電
場の時間的ゆらぎ（雑音）、およびデバイス内電流や発
光に基づく発熱などを考慮する必要がある。たとえばデ
バイス素子内のある直線に沿って電流Ｉが流れるとき、
距離Ｒだけ離れた場所には、ビオ・サーパルの法則に従
って２１／ＲＣ（Ｉ：電流の大きさ、Ｒ：位置ベクトル
の大きさ、Ｃ：光速度）の磁界が発生する。具体的には
、Ｉ＝ＩＩｌｌＡでＲ＝１μ論の場合、磁界は２　ｇａ
ｕｓｓ程度となる。＊た発生した磁界には電場が伴なっ
ており９、この電場は磁界の測定から算定することがで
きるが、現状ではミクロ域での磁界測定を行なう装置は
存在しない。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、半導体デバイスの表面および近傍の空間にお
ける局所磁場、その時間的ゆらぎや方向、発熱の分布を
μｍオーダーの領域内で検出し、これによって特にＬＳ
Ｉや３次元集積回路の設計評価に役立つことができるよ
うにした半導体デバイス測定装置を提供することである
。

間Ｍ、ｄを解決するための手段 本発明は、半導体デバイス内を流れる電流に基づき、周
囲に発生する磁場、磁場の時間的ゆらぎ、発熱温度のい
ずれかの物理量を測定する半導体デバイス測定装置にお
いて、 ランデのｇ因子が予め既知である磁性体と、磁性体を半
導体デバイスに接触または近接せしめる手段と、 磁性体による電磁波の共鳴吸収を可能ならしめる空洞共
振器と、 空洞共振器の外部に配置される電磁石とを含み、前記磁
性体を前記空洞共振器内に挿入せしめ、電磁波の共鳴＠
収を行なわしめることにより、共鳴磁場のシフト量、共
鳴曲線のゆらぎおよび共鳴曲線の強度を検出して前記磁
場、磁場の時間的ゆらぎおよび発熱温度を測定すること
を特徴とする半導体デバイス測定装置である。

作　　用 本発明に従えば、磁性スピンによるマイクロ波の共鳴吸
収ｃ以下、ＥＳＲと呼ぶ）を利用することによって、半
導体デバイス内を流れる電流に基づき、周囲に発生する
磁場、磁場の時間的中らぎ（雑音）、発熱温度のいずれ
かの物理量を測定することができる。

実施例 第１図は本発明に従う半導体デバイス測定１ｉ１！Ｅ１
の断面図であり、第２図および第３図は半導体デバイス
２付近の拡大断面図である。電磁石３゜４間には、開口
部５を有する矩形状のＥＳＲ用空洞共振器６が設置され
る。この空洞共振器６内には、局所磁場などが測定され
るべき半導体デバイス２が設置される。この半導体デバ
イス２０表面の参照符Ａで示す部分（第３図参照）には
、一定の電流Ｉが流れているものとし、当電流Ｉによる
地点Ｂ（第３図参照）での局所磁場をｈ′とし、電磁石
３．４による共鳴磁場をＨ０′　とする。

半導体デバイス２１よ、上下に延びる支持棒７の上ｊ１
部７ａに固定される。この支持棒７内には、吸引孔８が
形成される。吸引孔８の下方端は真空１９に連通し、そ
の上方端は断面がＹ字状である＠着花１０に連通する。

吸着孔１０は、半導体デバイス２に螺んで開口１１を有
し、したがって真空［９が駆動されたとかには、半導体
デバイス２ｆｆ支井棒７に吸着され、半導体デバイス２
と支持棒７とが一体的に固定されることとなる。

半導体デバイス２の上方には、第２図の上下に延び、か
つ輸＃ＩＩまわりに回転駆動可能なサンプル保持棒１３
が配置される。サンプル保持棒１３は、す７Ｔイアのよ
うな熱伝導率の高い材料が好適に用いられる。サンプル
保持棒１３内には、上下に平行に延びる２本の吸引孔１
５が形成される。吸引孔１５の下方端は半導体デバイス
２に臨んでそれぞれ開口しており、その上方端は真空源
１６に連通している。半導体デバイス２を角変位するに
あたっては、まず真空源９の駆動を止めて半導体デバイ
ス２と支持棒７どの吸着状態を解除するとともに、真空
源１６を駆動して半導体デバイス２をサンプル保持棒１
３に吸着させる０次にサンプル保持棒１３を回転駆動し
て半導体デバイス２を所望の角度たとえば９０°角変位
し、その後真空源１６の駆動を止めて半導体デバイス２
と支持棒１３との吸着状態を解除するとともに、真空源
９を駆動して半導体デバイス２を支持棒７に再び吸着さ
せる。こうして半導体デバイス２の角変位駆動を打なう
ことができる。真空源９，１６の駆動制御およびサンプ
ル保持棒１３の角変位駆動制御は、たとえば中央処理装
置＜ｃ　ｐ　ｕ　＞からの制御信号によって行なうよう
にしてもよい、このように半導体デバイス２を角変位す
ることによって、後述するように局所磁場ｈ′　の大き
さやその方向を知ることができる。なお半導体デバイス
２の表面は滑らかになっていない場合もあるので、サン
プル保持棒１３の下方端と、半導体デバイス２の表面と
の距離ｔｈを測定することができるレーザーを用いたセ
ンサー１７を設ける構成にしでもよい。

サンプル保持棒１３の下方端の半導体デバイス２に臨む
位置には、ＥＳＲに使用するための電子スピンを有する
ＥＳＲ磁性体サンプル（以下磁性体と呼ぶ）１２が保持
される。磁性体１２は、絶縁膜１４によってサンプル保
持棒１３から落下するのが防がれる。磁性体１２の材料
として、たとえばＤＰＰＨ（Ｃ，、＋Ｈ１２ＮｓＯ，＝
２．２ジフェニル−１−ビクリルヒドラジル）や硫酸鋼
などが考えられるが、ＤＰＰＨのＥＳＲの吸収線幅は数
ｊウスと小さく、信号が非常に大きいのでＥＳＲ用磁性
体サンプルとして好適である。ＤＰＰＨに含まれる窒素
（Ｎ）はほとんど遊離基（ｆｒｅｅ　ｒａｄｉｃａｌ）
になっており、したがってＥＳＲ測定が可能である。

本件半導体デバイス測定装置２０のシステムブロックを
第４図に示す、ＥＳＲスペクトロメーター２０は、電磁
石３，４お上り空洞共振器６の他に導波管系、クリスタ
ル検知器、クライストロン、電源等から構成される。半
導体デバイス保持制御系２１は、空洞共振器６内に半導
体デバイス２お上り磁性体１２を保持して制御する系で
あり、半導体デバイス２上での磁性体１２の位置、半導
体デバイス２と磁性体１２との距離ｔｈおよび半導体デ
バイス２の方向などを表示で終るように構成される６局
所磁場測定系２２では、局所磁場ｈ′　を測定し、その
値をデジタルまたはアナログによって表示する１局所磁
場シミエレーシタン系２３は、ＬＳＩ設計において、局
所磁場ｈ′を予めフンビ】−タシミュレーシタンするこ
とが可能であり、上記局所磁場測定系２２の出力と比較
することにより、ＬＳＩの不良置所を見つけることが可
能となる。また局所雑音分布測定Ｊ％２４お上り局所発
熱分布測定系２５は、上記局所磁場ｈ′　の時間的ゆら
ぎおよび半導体デバイス２の発熱温度をそれぞれ測定し
、これらの各位をデジタルまたはアナログによって表示
する。また半導体デバイスチップ電気系２６は、半導体
デバイス２内に実際に電流を流すための電源等である。

第５図〜第７図を参照して、ＥＳＲの概要を説明する。

スピンの大きさが１／２の電子に外部から磁場Ｈを印加
すると、電子のエネルギーレベルは分岐し、その間隙の
エネルギーは、ｇβＨ（ｇ：ランデのｇ因子、β：ポー
ア磁子）となる、このｇβＨに等しいエネルギーｈν　
（ｈニブランク定数、シ：ＦＲ波数）の電磁波を上記電
子に入射すると電磁波が吸収される。一般にＥＳＲにお
いては周液数νを固定し、磁場Ｈを変化させて、電磁波
の吸収Ｙ　（Ｈ）に関する情報を得ているが、通常のＥ
ＳＲ＠置は、検知の感度上、吸収Ｙ（Ｈ）の第１微分ｃ
ｌＹ（’Ｈ）／ｄＨを測定する。吸収Ｙ　（Ｈ）およＣ
／第１微分ｄＹ　（Ｈ）／ｄＨの各曲線に関する典型的
な例を第５図（１）および第５図（２）に示す、ＥＳＲ
においては、共鳴磁場Ｈ０と吸収強度／　Ｙ　（）Ｉ　
）ｄＨが重要なパラメータである０本発明は共鳴磁場Ｈ
０と吸収強度／　Ｙ　（Ｈ）ｄＨの測定により、半導体
デバイス２の表面での局所磁場、局所磁場のゆらぎ、お
よび発熱温度を測定するものであり、以下共鳴磁場Ｈ０
おより吸収強度／　Ｙ　（Ｈ）ｄＨについて簡単に説明
する。

まずＥＳＨの共鳴磁場Ｈ０の意義について、まずスピン
１／２の電子に外部の電磁石３．４によりＨｏの磁場を
印加したら第６図（１）で示すＥＳＲの共鳴が起こると
仮定する０次にもし当電子スピンに電磁石３，４による
磁場以外に半導体デバイス２に流れる電流Ｉによって既
にｈ′　の局所磁場が作用している第６図（２）の場合
・を考える。、：の場合は、電磁石３，４による印加磁
場がＨ０′のとき共鳴が起こる。ここで、磁場Ｈ０′　
　は以下の第１式または第２式を満たす。

Ｈ，＝Ｈ，’　＋ｈ’　　　　　　　　　　　・・・（
１）ｈ’　　”　Ｈｏ　　　Ｈ−’　　　　　　　　　
　　　　　　　　・・・（２）この共鳴磁場Ｈ０は、電
子スピンを有する磁性体１２によって定まるため、電磁
石３．４によって共鳴する磁場Ｈ０′　　を測定するこ
とによって局所磁場ｈ′　を知ることができる６本発明
では共鳴磁場Ｈ０が既知である磁性体１２を用いて磁場
Ｈ０′を測定することによって、局所磁場ｈ′を算定す
ることを基本原理としている。磁性体１２のＥＳＲ共鳴
は第１式に従って電磁石３，４からの印加磁場がＨｏ′
　　のときに起こるが、電磁石３．４が存在しないとき
、すなわち局所磁場ｈ″　が零であるときの共鳴磁場は
Ｈｏである。したがってＥＳＲ共鳴実験により、第６図
（２）で示す微分曲線ｄＹ（Ｈ）／ｄＨのン７トｈ′　
　を知ることにより、半導体半導体デバイス２内の電流
Ｉに基づく局所磁場ｈ′を測定することができる。

次に第５図（１）に示すＥＳＲの吸収強度／Ｙ　（Ｈ）
ｄＨは、電磁波の吸収Ｙ　（Ｈ）の曲線の面積を表わし
ており、この吸［強度／　Ｙ　（Ｈ）ｄＨは、第５図（
２）の微分ｄＹ　（Ｈ）／（ＩＨの曲線における最大点
Ｐ１と最小点Ｐ２闇の距離ΔＨｐｐおよびＡに関連する
第３式で表わすことができる。

■＝７　Ｙ　（Ｈ）ｄＨｃｃＡ　（ΔＨｐｐ）”　　　
　　＝・（３）半導体デバイス２内に電流Ｉを流すこと
によって半導体デバイス２の表面の温度分布を測定する
には、サンプル保持棒１３に保持された磁性体１２を間
接的にデバイス表面に接触させ、デバイス表面をスキャ
ンさせる。磁性体１２すなわちＤＰＰＨの吸収強度／　
Ｙ　（Ｈ）ｄＨは、絶対温度に反比例し、したがりて吸
収強度／　Ｙ　（Ｈ）ｄＨを測定することによって、半
導体デバイス２の表面における温度分布または発熱分布
の測定を行なうことができる。この測定は、空洞共振器
６内を真空状態下で行なうようにしてもよい。

次に半導体デバイス２の近傍地点Ｂ　（第３図参照）に
磁性体１２を設置してＥＳＲを測定すると、共鳴時の印
加磁場Ｈ０′　　は＃７図（２）に示すように、半導体
デバイス２内の時刻ｔｌｔｔ２における電流ＩのＯＮ、
ＯＦＦに従って時間的に変化する。

局所磁場ｈ′　が時間とともにノイズ的に変化する場合
は、第１微分ｄＹ　（Ｈ）／ｄＨの曲線に雑音が入る１
局所磁場ｈ′　の大きさは、この雑音のために時間とと
もに変化する場合があり、雑音の大きさ、等はＥＳＲ曲
線で局所磁場ｈ′　の時間的揺れかられかる。したがっ
て第６図（３）で示される第１微分ｄＹ　（Ｈ）／ｄＨ
の曲線幅りから雑音の大きさを定性的に知ることができ
る。

本発明者の実験によれば、磁性体サンプルであるＤＰＰ
Ｈのｇ因子が２．００３６であり、ＥＳＲ共鳴実験で使
用するマイクロ波の周波数が９ＧＨｚ（＝　９　Ｘ　１
０　’Ｈｚ）であるとすると、局所磁場ｈ′を零と仮定
した場合では、第７図（１）で示すようにｈν＝ｇβＨ
により印加磁場Ｈ０が３２０９．０２３　ｇａｕｓｓの
とかに共鳴が起こる。これに対してｈ゛＝：　ｌ　ｇａ
ｕｓｓのときは電磁石３，４による印加磁場Ｈ０が３２
０９−１＝３２０８１ａｕｓｓのとき共鳴する。

ＥＳＲでは約１０１＠以上のスピンがあれば測定可能な
ので、磁性体１２の体積は１μ−角程度あれば十分であ
る。

半導体デバイス２内に流れる電流■に基づき、周囲に発
生する磁場、磁場の時間的ゆらぎ（雑音）、発熱温度な
どの物理量を測定するにあたっては、第８図に示したよ
うに、半導体デバイス２を多くの番地に識別区分する。

サンプル保持棒１３の先端に接着した磁性体１２とデバ
イス表面との距離ｔｈを維持した状態で、サンプル保持
棒１３を半導体デバイス２上に番地の順にスキャンし、
ＥＳＲより各番地上での局所磁場ｈ’の２軸方向の磁場
ｈ゛２をそれぞれ読み取り、　ＥＳＲの装置の記憶装置
に順次入力する。この上うなＥＳＲでは、局所磁場ｈ′
の２輪方向の成分しか判らないため、Ｘ軸方向の成分を
測定するには半導体デバイス２を前述のように回松して
９０°角変位する必要がある。

なお半導体デバイス２上の２輪方向の磁場ｈｚ’の分布
を、たとえば第９図の参照符Ｑｌ、Ｑ２のようにコンピ
ュータ表示装置によって立体的に表示するようにしても
よい、また磁性体１２と半導体デバイス２の表面との距
離ｔｈをパラメータとして第１０図−第１２図に示した
ように七の磁場の強度を立体的に表示するようにしても
よい、また半導体デバイス２を第８図のｘｚ面で回転し
て９０”角変位してＥＳＲデータをとれば、第１３図の
矢符Ｃに示したように局所磁場ｈ′の方向を知ることが
できる。このように測定された局所磁場ｈ′は、局所電
場を伴っているので局所磁場ｈ″の分布から局所電場に
関する知見を得ることができる。

なお半導体デバイス２の発熱温度分布は、距離ｔｂをパ
ラメータとしてｐ１４１４図〜第１６図に示したように
立体的に表示するようにしてもよい。

前記実施例では、半導体デバイス２を回転して局所磁場
ｈ′の方向を変化するようにしたけれども、半導体デバ
イスチップ２を回転せず、外部に配置された電磁石３，
４を回転するようにしても同様の効果が得られる。また
ＥＳＲ空洞共振Ｂ６を矩形状としたけれど、たとえば円
筒状であってもよい。

また前記実施例では、ＥＳＲ共鳴には９ＧＨｚ帯のクラ
イストロンを使用すると仮定した。９ＧＨｚ帯での空洞
共振器６にはたとえば矩形共振器（Ｔ　Ｅ　、、２モー
ド等）があり、直径１ｃ−程度の半導体デバイス２を挿
入できる穴５を共振器６に設けることが可能である。し
たがって大きい半導体デバイス２を挿入するには、９Ｇ
Ｈｚより低いマイクロ波を用いるとよく、この場合の共
振器サイズは大きくなる。

効　　果 以上のように本発明によれば、以下に示す効果を得るこ
とができる。

（１）半導体デバイス内の電流に基づく、周囲の局所磁
場を測定できる。無接触測定が可能であるため、デバイ
ス表面上での局所磁場の方向、大きさの分布を知ること
ができる。

（２）上記（１）において得た測定値と、予めシミユレ
ートした値とを比較することにより、ＬＳＩの良否を算
定するテスタとして使用することができる。

（３）半導体デバイス内の電流に基づく発熱温度の分布
を測定することができる。

（４）半導体デバイス表面での雑音レベル、周波数依存
性を知ることができる。

（５）上記（１）〜（４）により、ＬＳ　Ｉ、三次元集
積回路の設計、評価が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体デバイス測定装置１の正面図、ＷＳ２図
および第３図は半導体デバイス２付近の拡大図、第４図
は半導体デバイス測定装置！！１のシス。 テムブロック図、第５図および第６図は磁性スピンによ
るマイクロ波の共鳴吸収（ＥＳＲ）を説明するための波
形図、第７図はＥＳＲの雑音分布を説明するための波形
図、１１％８図は半導体デバイス２お上りサンプル保持
棒１３の斜視図、ｔＩＳ９図は半導体デバイス２の２軸
方向の磁場ｈｚ’の分布を立体的に表示した図、ｔＩＳ
１０図〜第１図面第１２図１２と半導体デバイス２の表
面との距離ｔｈをパラ／−タとして立体的に表示した図
、第１３図は局所磁場ｈ′の方向を立体的に表示した図
、第１４図〜第１６図は半導体デバイス２の発熱温度分
布を距離ｔｈをパラメータとして立体的に表示した図で
ある。 ２・・・半導体デバイス、３，４・・・電磁石、６・・
・空洞共振器、７・・・支持棒、１２・・・磁性体、１
３・・・サンプル保持棒 代理人　　弁理士　画数　圭一部 Ａ 第１０図 １へ１ 第１２図 第１３図 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体デバイス内を流れる電流に基づき、周囲に発生す
   る磁場、磁場の時間的ゆらぎ、発熱温度のいずれかの物
   理量を測定する半導体デバイス測定装置において、 ランデのｇ因子が予め既知である磁性体と、磁性体を半
   導体デバイスに接触または近接せしめる手段と、 磁性体による電磁波の共鳴吸収を可能ならしめる空洞共
   振器と、 空洞共振器の外部に配置される電磁石とを含み、前記磁
   性体を前記空洞共振器内に挿入せしめ、電磁波の共鳴吸
   収を行なわしめることにより、共鳴磁場のシフト量、共
   鳴曲線のゆらぎおよび共鳴曲線の強度を検出して前記磁
   場、磁場の時間的ゆらぎおよび発熱温度を測定すること
   を特徴とする半導体デバイス測定装置。