容量測定装置および容量測定方法
【課題】 リーク電流の大きなデバイスに対しても精度良く容量を測定することのできる容量測定装置を提供する。
【解決手段】被測定対象に電圧変動を与えるステップ電圧源として動作する第１の測定ユニットと、電圧変動の前後に被測定対象を流れるリーク電流及び電圧変動時に被測定対象を流れる充電電流を測定する電流計として動作する第２の測定ユニットに加え、被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収するための電流源として動作する第３の測定ユニットを設ける。電流源の出力電流値には１ステップ前の出力電流値に１ステップ前のリーク電流の測定値を加えた値が設定される。電流計で測定される電流のうち被測定対象の抵抗成分を流れるリーク電流の大部分が電流源で吸収されるので、電流計には充電電流と前のステップでのリーク電流値と現在のステップでのリーク電流の差分のみが流れる。このため精度良く容量測定を行うことができる。
【解決手段】被測定対象に電圧変動を与えるステップ電圧源として動作する第１の測定ユニットと、電圧変動の前後に被測定対象を流れるリーク電流及び電圧変動時に被測定対象を流れる充電電流を測定する電流計として動作する第２の測定ユニットに加え、被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収するための電流源として動作する第３の測定ユニットを設ける。電流源の出力電流値には１ステップ前の出力電流値に１ステップ前のリーク電流の測定値を加えた値が設定される。電流計で測定される電流のうち被測定対象の抵抗成分を流れるリーク電流の大部分が電流源で吸収されるので、電流計には充電電流と前のステップでのリーク電流値と現在のステップでのリーク電流の差分のみが流れる。このため精度良く容量測定を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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１０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１０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。
【０００５】
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)
【０００６】
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Ｖset1から異なる電圧Ｖset2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)
【０００７】
図１１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ΔｔPLCごとの長方形近似によって求める場合の例を示す図である。ΔｔPLC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≒ΣＩｋ＊ΔｔPLC ・・・(3)
ただし、ｋ＝１，２，…，Ｔcinteg／ΔｔPLCである。Ｔcintegは充電電流の積分区間である。
【０００８】
図１４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１２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。なお、可変電圧源８２及び電圧計８３には第１の測定ユニットが用いられ、電流計８４には第２の測定ユニットが用いられている。まず、第１の測定ユニットで印加電圧の値がある値Ｖset1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、第１の測定ユニットによる印加電圧Ｖ1の測定が行われ、続いて電流計である第２の測定ユニットによるリーク電流ＩＬ1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ＩＬ1の測定とが順に行われるのは、第１の測定ユニットと第２の測定ユニットとで一つの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、第２の測定ユニット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Ｖset2に変更される。これにより印加電圧が増加して行く。
【０００９】
第２の測定ユニットによる充電電流の測定はΔｔPLC間隔でＴcinteg／ΔｔPLCの回数繰り返され、その積分値が充電電荷の変化量ΔＱtotalとして求められる。充電電流の測定が終了すると、電圧源で印加電圧Ｖ2の測定が行われ、次いで、第２の測定ユニットでリーク電流ＩＬ2の測定が行われる。
【００１０】
容量値Ｃは以下の式を用いて求められる。
Ｃ＝ΔＱ／ΔＶ＝（ΔＱtotal−ΔＱLeak＋Ｑcorrection）／（Ｖ2−Ｖ1） ・・・(4)
＝{（ΣＩｋ＊ΔｔPLC）−ΔＱLeak}／（Ｖ2−Ｖ1） ・・・(5)
ここで、ΔＱLeakはリーク電流による充電電荷の変化量であり、これは図１３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。
【００１１】
ΔＱLeak＝１／２（ＩＬ1＋ＩＬ2）τ＋ＩＬ2（Ｔcinteg−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。
【００１２】
本測定では、第２の測定ユニットが充電電流をΔｔPLCごとに測定する同時に第２の測定ユニット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。
【００１３】
なお、期間ΔｔPLCごとに充電電流を測定することおよび第２の測定ユニット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。
【００１４】
式(4)においてＱcorrectionは、第２の測定ユニット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。
【００１５】
第２の測定ユニットでのリーク電流ＩＬ2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。
【特許文献１】特開２００２−１６８８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記従来の容量測定方法では、充電電流に比較して、リーク電流が大きくなってくると、電流計を流れる電流のうちがリーク電流の占める割合が支配的となり、充電電流が電流計の測定レンジのうちのわずかとなり、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎ（信号雑音比）が低下するという問題が出てきた。
本発明はかかる事情を鑑み、リーク電流の大きなデバイスに対しても精度良く容量を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。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、本発明の容量測定装置は、被測定対象に電圧変動を付与する電圧源と、前記被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収する電流源と、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計とを具備することを特徴とする。
【００１８】
前記電流源は、両端が前記被測定対象の両端とそれぞれ接続されたフローティング電流源としてもよい。
【００１９】
前記電圧源は、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手段を有し、前記電流計の電流測定結果及び前記電圧源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をさらに具備するものであってもよい。
【００２０】
また、本発明の別の観点に基づく容量測定方法は、ステップ電圧法によって被測定対象の容量を測定する方法であって、電圧源が前記被測定対象に電圧変動を付与するステップと、１ステップ前の電流源の出力電流値に１ステップ前のリーク電流の測定値を加えた値を、前記被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収する電流源の出力電流値として設定するステップと、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電流計が測定するステップとを具備する。
【００２１】
すなわち、本発明は、電流計で測定される電流のうち、被測定対象の抵抗成分を流れるリーク電流の大部分が電流源で吸収されるので、電流計には、充電電流と、前のステップでのリーク電流値と現在のステップでのリーク電流の差分のみが流れる。このため、電流計の測定レンジを充電電流の測定に最適化することができ、充電電流の値を再現するダイナミックレンジの向上及びＳ／Ｎ（信号雑音比）の向上を図ることができる。
【００２２】
また、本発明は、電流源として、両端が被測定対象の両端とそれぞれ接続されたフローティング電流源を用いることによって、ノイズに対して両端子の電位が同相に動くため、電流源がノイズの影響を受けにくく出力電流が安定する。これにより、ノイズが加わった状況においても安定して容量測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の容量測定装置および容量測定方法によれば、リーク電流の大きなデバイスに対しても精度良く容量を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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として動作する第１の測定ユニット２と、電圧変動の前後に被測定対象１を流れるリーク電流及び電圧変動時に被測定対象１を流れる充電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、被測定対象１の抵抗成分Ｒｘを流れる電流を吸収するための電流源として動作する第３の測定ユニット４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。被測定対象１は複数の接続端子を有しており、第１の測定ユニット２は被測定対象１の複数の接続端子の一方に接続され、第２の測定ユニット３と第３の測定ユニット４は他方の接続端子に接続される。
【００２５】
図２は第１の測定ユニット２、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４の構成を示す図である。第１の測定ユニット２、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４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、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４のうちの一つの構成だけが示されている。
【００２６】
第１の測定ユニット２、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４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２つのＡＤＣ（アナログ／デジタルコンバータ）１９，２０、制御ロジック部２１で構成される。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
２つのＡＤＣ１９，２０のうちの一方のＡＤＣ１９は、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、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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し、第３の測定ユニット４は電力値の設定が可能な電流源として動作する。
【００３４】
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、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４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。また、ＣＰＵはＲＯＭに格納されたファームウェアに従って、電流源として動作する第３の測定ユニット４の電流値を設定する。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、この実施形態の容量測定装置の動作を説明する。
【００３７】
図３は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り、一回の測定ステップの印加電圧の変化を示している。この容量測定装置は、一回の測定ステップごとに、電圧変動の前後に被測定対象１を流れるリーク電流及び電圧変動時に被測定対象１を流れる充電電流及び印加電圧を測定して容量値を測定し、この測定ステップを、印加電圧の設定値を変更しながらｎステップ繰り返す。たとえば、容量測定装置は、電圧源の印加電圧を０Ｖから１０Ｖまで０．１Ｖごとにスイープさせる。この場合、０．１Ｖの電圧変動ごとの測定がｎ（＝１００）回繰り返される。
【００３８】
図４は連続する複数の測定ステップにおける、電圧源の印加電圧、被測定対象と流れる電流、電流源の電流、及び電流計の測定電流の関係を示す図である。図５は容量測定のフローチャートである。
【００３９】
初回のステップの測定において、コントローラ２２は、電圧源である第１の測定ユニット２の印加電圧の値を、初期値として決められた設定値Ｖset1（1)に設定する（ステップＳ０１）。なお、以下本明細書では、特定の回の測定ステップでの電流、電圧、容量等を表現する場合には、例えばＶset1（1)のように、これら電流、電圧、容量などの測定値、設定値あるいは計算値の名称に、括弧で囲んだ測定ステップ回数を付して表記する。次に、コントローラ２２は電流源である第３の測定ユニット４をオフ（電流値をゼロに設定）にしたまま電流計である第２の測定ユニット３にてリーク電流Ｉoffset(1)の測定を自動レンジで行わせる（ステップＳ０２）。次に、コントローラ２２は、第２の測定ユニット３の測定結果であるリーク電流Ｉoffset(1)の値を電流源である第３の測定ユニット４の出力電流値として設定する（ステップＳ０３）。
【００４０】
この後、コントローラ２２は、測定ステップ回数の変数を１（ｎ＝１）にセットし（ステップＳ０４）、印加電圧を設定値Ｖset1(n)（最初のステップでは設定値Ｖset1(1)）に設定してから一定の遅延時間delay1が経過後に第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前のリーク電流の値ＩＬ1(n)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(n)として取り込む（ステップＳ０５）。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。なお、これらの測定が同時に行われることは、本発明において必須の事項ではない。
【００４１】
次に、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（ステップＳ０６）。これと同時 あるいはほぼ同時に、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Ｖset2(n)に変更する（ステップＳ０７）。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Ｔcinteg続けられる（ステップＳ０８）。この時間Ｔcintegは、たとえば、Ｖset1(n)からＶset2(n)への電圧変動に対して被測定対象１の印加電圧がＶset2(n)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。
【００４２】
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(n)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ＩＬ2(n)の値として取り込む（ステップＳ０９）。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(n)を計算する（ステップＳ１０）。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。
【００４３】
次に、コントローラ２２は、測定ステップ回数の変数ｎの値をインクリメントして、次のステップの測定の動作を開始する（ステップＳ１１）。コントローラ２２は、電圧源である第１の測定ユニット２の印加電圧の値を、次のステップの設定値Ｖset1(n)に設定する（ステップＳ１２）。続いて、コントローラ２２は、電流源である第３の測定ユニット４の出力電流をＩoffset(n-1)＋ＩＬ2(n-1)に設定する（ステップＳ１３）。すなわち、前回のステップの電流源の出力電流値Ｉoffset(n-1)に前回のステップで電流計で測定されたリーク電流ＩＬ2(n-1)を加えた電流値を、今回のステップの電流源である第３の測定ユニット４の出力電流Ｉoffset(n)とする。
【００４４】
この後はステップＳ０５に戻って、コントローラ２２は、電圧変動前のリーク電流の値ＩＬ1(n)及び印加電圧の値Ｖ1(n)の取り込み、充電時の印加電圧の値と充電電流の値の取り込み、電圧変動後のリーク電流の値ＩＬ2(n)及び印加電圧の値Ｖ2(n)の取り込み、容量値Ｃ(n)の計算を繰り返す。以上の動作が最終のステップまで繰り返される。
【００４５】
これにより、電流計である第２の測定ユニット３で測定される電流の大部分が電流源である第３の測定ユニット４で吸収される。結果的に電流計である第２の測定ユニット３には、充電電流と、前のステップでのリーク電流値と現在のステップでのリーク電流の差分のみが流れる。
【００４６】
容量値Ｃは以下の式で求められる。
Ｃ＝ΔＱ／ΔＶ＝｛（ＩＭ−ＩＬeak）＊Ｔcinteg＋Ｑcorrection｝／（Ｖ2−Ｖ1） ・・・(7)
【００４７】
ここで、ＩＭは第２の測定ユニット３でＴcinteg 時間の間に測定された充電電流値、ＩＬeakは充電時のリーク電流、Ｔcintegは充電時間、Ｑcorrection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ＩＬeak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Ｖavrgを求め、この印加電圧の平均値Ｖavrgを用いて次式により求められる。
【００４８】
ＩＬeak＝ＩＬ1＋（ＩＬ2−ＩＬ1）＊（Ｖavrg−Ｖ1）／（Ｖ2 −Ｖ1 ） ・・・(8)
【００４９】
Ｖ1は電圧変動前の第１の測定ユニット２の出力電圧、Ｖ2は電圧変動後の第１の測定ユニット２の出力電圧、ＩＬ1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、ＩＬ2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。
【００５０】
なお、(7)式、(8)式で、容量値Ｃ、リーク電流値ＩＬeak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Ｖset1、Ｖset2を用いてもよい。
【００５１】
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、電流計である第２の測定ユニット３で測定される電流のうち、被測定対象１の抵抗成分Ｒｘを流れるリーク電流の大部分が電流源である第３の測定ユニット４で吸収されるので、電流計である第２の測定ユニット３には、充電電流と、前のステップでのリーク電流値と現在のステップでのリーク電流の差分のみが流れる。このため、電流計である第２の測定ユニット３の測定レンジを充電電流の測定に最適化することができ、充電電流の値を再現するダイナミックレンジの向上及びＳ／Ｎ（信号雑音比）の向上を図ることができる。
【００５２】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
図６は被測定対象１の一つの接続端子だけに容量測定のための各ユニットを接続した例である。また、個々の測定ユニットは、同じハードウェア構成を備えており、それぞれ電圧源、電流計、電流源として動作させることが可能であるので、一つの測定ユニット２を電圧源と電流計として動作させることとしている。
【００５３】
図７及び図８はオフセット用の電流源として測定ユニットではなくフローティング電流源４ａを被測定対象１に対して並列に接続した容量測定装置の例である。このフローティング電流源４ａをオフセット用の電流源として用いた場合の効果を説明する。
【００５４】
ここで、被測定対象１の容量が浮遊容量や測定ユニットの入力容量に対して比較的大きく、被測定対象１の両端の電位はＡＣ的なノイズに対して同相で動くものとする。ＧＮＤ系にノイズが乗っている場合、例えば図６に示すように、フローティングではない電流源を用いた場合では、電流源の出力アドミッタンスによって電流源の電流値が変動してしまい、測定値に影響を与える。これは、図６の電流源はノイズの乗っていない静かな測定器系のＧＮＤを基準に動作しているため、被測定対象１との接続端子に現れたノイズに反応しまうためである。特に、微細で、ゲート酸化膜が薄く、リーク電流の大きなデバイスでは、電流源の電流（Ｉoffset）よりも測定しようとする電流（充電電流）の方がはるかに小さいので、ノイズによる電流（Ｉoffset）の変動は測定しようとする電流（充電電流）の測定値に大きな影響を与える。これに対して、フローティング電流源４ａを被測定対象１に対して並列に接続した構成では、そのフローティング電流源４ａの両端が被測定対象１の両端にそれぞれ接続されてため、ノイズに対して両端子の電位が同相に動くため、電流源がノイズの影響を受けにくく出力電流（Ｉoffset）が安定する。すなわち、フローティング電流源４ａは、ノイズそのものではなくノイズによって誘起される被測定対象１の両端の電位差のみに影響されるだけに過ぎないので、測定に与える影響は非常に小さい。
【００５５】
図９は被測定対象１として４端子のＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を用いた場合の容量測定装置の例である。この例では、ＭＯＳＦＥＴのゲートとサブストレート、ソース、ドレインの各端子に、電流計である第２の測定ユニット３−１，３−２，３−３と電流源である第３の測定ユニット４−１，４−２，４−３がそれぞれ接続されている。それぞれの電流源である第３の測定ユニット４−１，４−２，４−３で、ＭＯＳＦＥＴのゲートとサブストレート、ソース、ドレインの各端子ごとの抵抗成分によるリーク電流の大部分が吸収されることで、それぞれの電流計である第２の測定ユニット３−１，３−２，３−３において高精度に充電電流を測定することができ、容量を精度良く測定することができる。
【００５６】
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、ＡＤＣ１９と２０は、上述の実施形態では各測定ユニットに１つずつ備わっているとして説明したが、これに限らず、各測定ユニット内に1つだけのＡＤＣとして実装し、スイッチで切り替えて電流または電圧を測定するようにすることもできる。また、各測定ユニット上のＡＤＣ１９と２０のいずれかあるいは両方を、各測定ユニット外の容量測定装置上に1つずつ備えられているように実装し、各測定ユニットから切り替えて接続するようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】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２】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。
【図３】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。
【図４】連続する複数の測定ステップにおける、電圧源の印加電圧、被測定対象と流れる電流、電流源の電流、及び電流計の測定電流の関係を示す図である。
【図５】本実施形態の容量測定装置による容量測定のフローチャートである。
【図６】被測定対象の一つの接続端子だけに容量測定のための各ユニットを接続した例を示す図である。
【図７】オフセット用の電流源としてフローティング電流源を用いた容量測定装置の例を示す図である。
【図８】オフセット用の電流源としてフローティング電流源を用いた容量測定装置の別の例を示す図である。
【図９】被測定対象として４端子のＭＯＳＦＥＴを用いた場合の容量測定装置の構成を示す図である。
【図１０】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。
【図１１】充電電荷の変化量の測定方法を示す図である。
【図１２】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１３】図１２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。
【図１４】図１２の測定方法におけるブロック図を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 被測定対象
２ 第１の測定ユニット（電圧源）
３ 第２の測定ユニット（電流計）
４ 第３の測定ユニット（電流源）
４ａ フローティング電流源
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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１０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１０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。
【０００５】
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)
【０００６】
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Ｖset1から異なる電圧Ｖset2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)
【０００７】
図１１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ΔｔPLCごとの長方形近似によって求める場合の例を示す図である。ΔｔPLC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≒ΣＩｋ＊ΔｔPLC ・・・(3)
ただし、ｋ＝１，２，…，Ｔcinteg／ΔｔPLCである。Ｔcintegは充電電流の積分区間である。
【０００８】
図１４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１２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。なお、可変電圧源８２及び電圧計８３には第１の測定ユニットが用いられ、電流計８４には第２の測定ユニットが用いられている。まず、第１の測定ユニットで印加電圧の値がある値Ｖset1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、第１の測定ユニットによる印加電圧Ｖ1の測定が行われ、続いて電流計である第２の測定ユニットによるリーク電流ＩＬ1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ＩＬ1の測定とが順に行われるのは、第１の測定ユニットと第２の測定ユニットとで一つの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、第２の測定ユニット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Ｖset2に変更される。これにより印加電圧が増加して行く。
【０００９】
第２の測定ユニットによる充電電流の測定はΔｔPLC間隔でＴcinteg／ΔｔPLCの回数繰り返され、その積分値が充電電荷の変化量ΔＱtotalとして求められる。充電電流の測定が終了すると、電圧源で印加電圧Ｖ2の測定が行われ、次いで、第２の測定ユニットでリーク電流ＩＬ2の測定が行われる。
【００１０】
容量値Ｃは以下の式を用いて求められる。
Ｃ＝ΔＱ／ΔＶ＝（ΔＱtotal−ΔＱLeak＋Ｑcorrection）／（Ｖ2−Ｖ1） ・・・(4)
＝{（ΣＩｋ＊ΔｔPLC）−ΔＱLeak}／（Ｖ2−Ｖ1） ・・・(5)
ここで、ΔＱLeakはリーク電流による充電電荷の変化量であり、これは図１３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。
【００１１】
ΔＱLeak＝１／２（ＩＬ1＋ＩＬ2）τ＋ＩＬ2（Ｔcinteg−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。
【００１２】
本測定では、第２の測定ユニットが充電電流をΔｔPLCごとに測定する同時に第２の測定ユニット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。
【００１３】
なお、期間ΔｔPLCごとに充電電流を測定することおよび第２の測定ユニット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。
【００１４】
式(4)においてＱcorrectionは、第２の測定ユニット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。
【００１５】
第２の測定ユニットでのリーク電流ＩＬ2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。
【特許文献１】特開２００２−１６８８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記従来の容量測定方法では、充電電流に比較して、リーク電流が大きくなってくると、電流計を流れる電流のうちがリーク電流の占める割合が支配的となり、充電電流が電流計の測定レンジのうちのわずかとなり、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎ（信号雑音比）が低下するという問題が出てきた。
本発明はかかる事情を鑑み、リーク電流の大きなデバイスに対しても精度良く容量を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。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、本発明の容量測定装置は、被測定対象に電圧変動を付与する電圧源と、前記被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収する電流源と、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計とを具備することを特徴とする。
【００１８】
前記電流源は、両端が前記被測定対象の両端とそれぞれ接続されたフローティング電流源としてもよい。
【００１９】
前記電圧源は、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手段を有し、前記電流計の電流測定結果及び前記電圧源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をさらに具備するものであってもよい。
【００２０】
また、本発明の別の観点に基づく容量測定方法は、ステップ電圧法によって被測定対象の容量を測定する方法であって、電圧源が前記被測定対象に電圧変動を付与するステップと、１ステップ前の電流源の出力電流値に１ステップ前のリーク電流の測定値を加えた値を、前記被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収する電流源の出力電流値として設定するステップと、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電流計が測定するステップとを具備する。
【００２１】
すなわち、本発明は、電流計で測定される電流のうち、被測定対象の抵抗成分を流れるリーク電流の大部分が電流源で吸収されるので、電流計には、充電電流と、前のステップでのリーク電流値と現在のステップでのリーク電流の差分のみが流れる。このため、電流計の測定レンジを充電電流の測定に最適化することができ、充電電流の値を再現するダイナミックレンジの向上及びＳ／Ｎ（信号雑音比）の向上を図ることができる。
【００２２】
また、本発明は、電流源として、両端が被測定対象の両端とそれぞれ接続されたフローティング電流源を用いることによって、ノイズに対して両端子の電位が同相に動くため、電流源がノイズの影響を受けにくく出力電流が安定する。これにより、ノイズが加わった状況においても安定して容量測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の容量測定装置および容量測定方法によれば、リーク電流の大きなデバイスに対しても精度良く容量を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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として動作する第１の測定ユニット２と、電圧変動の前後に被測定対象１を流れるリーク電流及び電圧変動時に被測定対象１を流れる充電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、被測定対象１の抵抗成分Ｒｘを流れる電流を吸収するための電流源として動作する第３の測定ユニット４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。被測定対象１は複数の接続端子を有しており、第１の測定ユニット２は被測定対象１の複数の接続端子の一方に接続され、第２の測定ユニット３と第３の測定ユニット４は他方の接続端子に接続される。
【００２５】
図２は第１の測定ユニット２、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４の構成を示す図である。第１の測定ユニット２、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４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、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４のうちの一つの構成だけが示されている。
【００２６】
第１の測定ユニット２、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４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２つのＡＤＣ（アナログ／デジタルコンバータ）１９，２０、制御ロジック部２１で構成される。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
２つのＡＤＣ１９，２０のうちの一方のＡＤＣ１９は、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、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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し、第３の測定ユニット４は電力値の設定が可能な電流源として動作する。
【００３４】
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、第２の測定ユニット３、及び第３の測定ユニット４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。また、ＣＰＵはＲＯＭに格納されたファームウェアに従って、電流源として動作する第３の測定ユニット４の電流値を設定する。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、この実施形態の容量測定装置の動作を説明する。
【００３７】
図３は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り、一回の測定ステップの印加電圧の変化を示している。この容量測定装置は、一回の測定ステップごとに、電圧変動の前後に被測定対象１を流れるリーク電流及び電圧変動時に被測定対象１を流れる充電電流及び印加電圧を測定して容量値を測定し、この測定ステップを、印加電圧の設定値を変更しながらｎステップ繰り返す。たとえば、容量測定装置は、電圧源の印加電圧を０Ｖから１０Ｖまで０．１Ｖごとにスイープさせる。この場合、０．１Ｖの電圧変動ごとの測定がｎ（＝１００）回繰り返される。
【００３８】
図４は連続する複数の測定ステップにおける、電圧源の印加電圧、被測定対象と流れる電流、電流源の電流、及び電流計の測定電流の関係を示す図である。図５は容量測定のフローチャートである。
【００３９】
初回のステップの測定において、コントローラ２２は、電圧源である第１の測定ユニット２の印加電圧の値を、初期値として決められた設定値Ｖset1（1)に設定する（ステップＳ０１）。なお、以下本明細書では、特定の回の測定ステップでの電流、電圧、容量等を表現する場合には、例えばＶset1（1)のように、これら電流、電圧、容量などの測定値、設定値あるいは計算値の名称に、括弧で囲んだ測定ステップ回数を付して表記する。次に、コントローラ２２は電流源である第３の測定ユニット４をオフ（電流値をゼロに設定）にしたまま電流計である第２の測定ユニット３にてリーク電流Ｉoffset(1)の測定を自動レンジで行わせる（ステップＳ０２）。次に、コントローラ２２は、第２の測定ユニット３の測定結果であるリーク電流Ｉoffset(1)の値を電流源である第３の測定ユニット４の出力電流値として設定する（ステップＳ０３）。
【００４０】
この後、コントローラ２２は、測定ステップ回数の変数を１（ｎ＝１）にセットし（ステップＳ０４）、印加電圧を設定値Ｖset1(n)（最初のステップでは設定値Ｖset1(1)）に設定してから一定の遅延時間delay1が経過後に第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前のリーク電流の値ＩＬ1(n)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(n)として取り込む（ステップＳ０５）。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。なお、これらの測定が同時に行われることは、本発明において必須の事項ではない。
【００４１】
次に、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（ステップＳ０６）。これと同時 あるいはほぼ同時に、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Ｖset2(n)に変更する（ステップＳ０７）。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Ｔcinteg続けられる（ステップＳ０８）。この時間Ｔcintegは、たとえば、Ｖset1(n)からＶset2(n)への電圧変動に対して被測定対象１の印加電圧がＶset2(n)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。
【００４２】
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(n)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ＩＬ2(n)の値として取り込む（ステップＳ０９）。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(n)を計算する（ステップＳ１０）。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。
【００４３】
次に、コントローラ２２は、測定ステップ回数の変数ｎの値をインクリメントして、次のステップの測定の動作を開始する（ステップＳ１１）。コントローラ２２は、電圧源である第１の測定ユニット２の印加電圧の値を、次のステップの設定値Ｖset1(n)に設定する（ステップＳ１２）。続いて、コントローラ２２は、電流源である第３の測定ユニット４の出力電流をＩoffset(n-1)＋ＩＬ2(n-1)に設定する（ステップＳ１３）。すなわち、前回のステップの電流源の出力電流値Ｉoffset(n-1)に前回のステップで電流計で測定されたリーク電流ＩＬ2(n-1)を加えた電流値を、今回のステップの電流源である第３の測定ユニット４の出力電流Ｉoffset(n)とする。
【００４４】
この後はステップＳ０５に戻って、コントローラ２２は、電圧変動前のリーク電流の値ＩＬ1(n)及び印加電圧の値Ｖ1(n)の取り込み、充電時の印加電圧の値と充電電流の値の取り込み、電圧変動後のリーク電流の値ＩＬ2(n)及び印加電圧の値Ｖ2(n)の取り込み、容量値Ｃ(n)の計算を繰り返す。以上の動作が最終のステップまで繰り返される。
【００４５】
これにより、電流計である第２の測定ユニット３で測定される電流の大部分が電流源である第３の測定ユニット４で吸収される。結果的に電流計である第２の測定ユニット３には、充電電流と、前のステップでのリーク電流値と現在のステップでのリーク電流の差分のみが流れる。
【００４６】
容量値Ｃは以下の式で求められる。
Ｃ＝ΔＱ／ΔＶ＝｛（ＩＭ−ＩＬeak）＊Ｔcinteg＋Ｑcorrection｝／（Ｖ2−Ｖ1） ・・・(7)
【００４７】
ここで、ＩＭは第２の測定ユニット３でＴcinteg 時間の間に測定された充電電流値、ＩＬeakは充電時のリーク電流、Ｔcintegは充電時間、Ｑcorrection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ＩＬeak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Ｖavrgを求め、この印加電圧の平均値Ｖavrgを用いて次式により求められる。
【００４８】
ＩＬeak＝ＩＬ1＋（ＩＬ2−ＩＬ1）＊（Ｖavrg−Ｖ1）／（Ｖ2 −Ｖ1 ） ・・・(8)
【００４９】
Ｖ1は電圧変動前の第１の測定ユニット２の出力電圧、Ｖ2は電圧変動後の第１の測定ユニット２の出力電圧、ＩＬ1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、ＩＬ2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。
【００５０】
なお、(7)式、(8)式で、容量値Ｃ、リーク電流値ＩＬeak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Ｖset1、Ｖset2を用いてもよい。
【００５１】
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、電流計である第２の測定ユニット３で測定される電流のうち、被測定対象１の抵抗成分Ｒｘを流れるリーク電流の大部分が電流源である第３の測定ユニット４で吸収されるので、電流計である第２の測定ユニット３には、充電電流と、前のステップでのリーク電流値と現在のステップでのリーク電流の差分のみが流れる。このため、電流計である第２の測定ユニット３の測定レンジを充電電流の測定に最適化することができ、充電電流の値を再現するダイナミックレンジの向上及びＳ／Ｎ（信号雑音比）の向上を図ることができる。
【００５２】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
図６は被測定対象１の一つの接続端子だけに容量測定のための各ユニットを接続した例である。また、個々の測定ユニットは、同じハードウェア構成を備えており、それぞれ電圧源、電流計、電流源として動作させることが可能であるので、一つの測定ユニット２を電圧源と電流計として動作させることとしている。
【００５３】
図７及び図８はオフセット用の電流源として測定ユニットではなくフローティング電流源４ａを被測定対象１に対して並列に接続した容量測定装置の例である。このフローティング電流源４ａをオフセット用の電流源として用いた場合の効果を説明する。
【００５４】
ここで、被測定対象１の容量が浮遊容量や測定ユニットの入力容量に対して比較的大きく、被測定対象１の両端の電位はＡＣ的なノイズに対して同相で動くものとする。ＧＮＤ系にノイズが乗っている場合、例えば図６に示すように、フローティングではない電流源を用いた場合では、電流源の出力アドミッタンスによって電流源の電流値が変動してしまい、測定値に影響を与える。これは、図６の電流源はノイズの乗っていない静かな測定器系のＧＮＤを基準に動作しているため、被測定対象１との接続端子に現れたノイズに反応しまうためである。特に、微細で、ゲート酸化膜が薄く、リーク電流の大きなデバイスでは、電流源の電流（Ｉoffset）よりも測定しようとする電流（充電電流）の方がはるかに小さいので、ノイズによる電流（Ｉoffset）の変動は測定しようとする電流（充電電流）の測定値に大きな影響を与える。これに対して、フローティング電流源４ａを被測定対象１に対して並列に接続した構成では、そのフローティング電流源４ａの両端が被測定対象１の両端にそれぞれ接続されてため、ノイズに対して両端子の電位が同相に動くため、電流源がノイズの影響を受けにくく出力電流（Ｉoffset）が安定する。すなわち、フローティング電流源４ａは、ノイズそのものではなくノイズによって誘起される被測定対象１の両端の電位差のみに影響されるだけに過ぎないので、測定に与える影響は非常に小さい。
【００５５】
図９は被測定対象１として４端子のＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を用いた場合の容量測定装置の例である。この例では、ＭＯＳＦＥＴのゲートとサブストレート、ソース、ドレインの各端子に、電流計である第２の測定ユニット３−１，３−２，３−３と電流源である第３の測定ユニット４−１，４−２，４−３がそれぞれ接続されている。それぞれの電流源である第３の測定ユニット４−１，４−２，４−３で、ＭＯＳＦＥＴのゲートとサブストレート、ソース、ドレインの各端子ごとの抵抗成分によるリーク電流の大部分が吸収されることで、それぞれの電流計である第２の測定ユニット３−１，３−２，３−３において高精度に充電電流を測定することができ、容量を精度良く測定することができる。
【００５６】
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、ＡＤＣ１９と２０は、上述の実施形態では各測定ユニットに１つずつ備わっているとして説明したが、これに限らず、各測定ユニット内に1つだけのＡＤＣとして実装し、スイッチで切り替えて電流または電圧を測定するようにすることもできる。また、各測定ユニット上のＡＤＣ１９と２０のいずれかあるいは両方を、各測定ユニット外の容量測定装置上に1つずつ備えられているように実装し、各測定ユニットから切り替えて接続するようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】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２】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。
【図３】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。
【図４】連続する複数の測定ステップにおける、電圧源の印加電圧、被測定対象と流れる電流、電流源の電流、及び電流計の測定電流の関係を示す図である。
【図５】本実施形態の容量測定装置による容量測定のフローチャートである。
【図６】被測定対象の一つの接続端子だけに容量測定のための各ユニットを接続した例を示す図である。
【図７】オフセット用の電流源としてフローティング電流源を用いた容量測定装置の例を示す図である。
【図８】オフセット用の電流源としてフローティング電流源を用いた容量測定装置の別の例を示す図である。
【図９】被測定対象として４端子のＭＯＳＦＥＴを用いた場合の容量測定装置の構成を示す図である。
【図１０】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。
【図１１】充電電荷の変化量の測定方法を示す図である。
【図１２】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１３】図１２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。
【図１４】図１２の測定方法におけるブロック図を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 被測定対象
２ 第１の測定ユニット（電圧源）
３ 第２の測定ユニット（電流計）
４ 第３の測定ユニット（電流源）
４ａ フローティング電流源
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象に電圧変動を付与する電圧源と、
前記被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収する電流源と、
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計と
を具備することを特徴とする容量測定装置。
【請求項２】
前記電流源は、両端が前記被測定対象の両端とそれぞれ接続されたフローティング電流源であることを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
【請求項３】
前記電圧源は、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手段を有し、
前記電流計の電流測定結果及び前記電圧源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部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
【請求項４】
前記被測定対象が複数の接続端子を有し、
前記電圧源は前記被測定対象の一方の前記接続端子に接続され、
前記電流源及び前記電流計は前記被測定対象の他方の前記接続端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
【請求項５】
前記被測定対象が複数の接続端子を有し、
前記電流源は、前記被測定対象の一方の前記接続端子に接続され、
前記電流計及び前記電圧源は、前記被測定対象の前記一方の接続端子に直列に接続され、
前記電流源及び前記電流計は前記被測定対象の他方の前記接続端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
【請求項６】
ステップ電圧法によって被測定対象の容量を測定する方法であって、
電圧源が前記被測定対象に電圧変動を付与するステップと、
１ステップ前の電流源の出力電流値に１ステップ前のリーク電流の測定値を加えた値を、前記被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収する電流源の出力電流値として設定するステップと、
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電流計が測定するステップと
を具備することを特徴とする容量測定方法。
【請求項１】
被測定対象に電圧変動を付与する電圧源と、
前記被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収する電流源と、
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計と
を具備することを特徴とする容量測定装置。
【請求項２】
前記電流源は、両端が前記被測定対象の両端とそれぞれ接続されたフローティング電流源であることを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
【請求項３】
前記電圧源は、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手段を有し、
前記電流計の電流測定結果及び前記電圧源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部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
【請求項４】
前記被測定対象が複数の接続端子を有し、
前記電圧源は前記被測定対象の一方の前記接続端子に接続され、
前記電流源及び前記電流計は前記被測定対象の他方の前記接続端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
【請求項５】
前記被測定対象が複数の接続端子を有し、
前記電流源は、前記被測定対象の一方の前記接続端子に接続され、
前記電流計及び前記電圧源は、前記被測定対象の前記一方の接続端子に直列に接続され、
前記電流源及び前記電流計は前記被測定対象の他方の前記接続端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の容量測定装置。
【請求項６】
ステップ電圧法によって被測定対象の容量を測定する方法であって、
電圧源が前記被測定対象に電圧変動を付与するステップと、
１ステップ前の電流源の出力電流値に１ステップ前のリーク電流の測定値を加えた値を、前記被測定対象の抵抗成分を流れる電流を吸収する電流源の出力電流値として設定するステップと、
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電流計が測定するステップと
を具備することを特徴とする容量測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−７０３０７（Ｐ２００８−７０３０７Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５０８７２（Ｐ２００６−２５０８７２）
【出願日】平成１８年９月１５日（２００６．９．１５）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１５日（２００６．９．１５）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]