(57)【要約】【課題】パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に印加し、高精度な分極評価を実現する強誘電体容量素子の評価装置と評価方法を提供する。【解決手段】各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に第１の電圧パルスを印加して強誘電体容量素子の分極を一方向に揃える（Ｐ１０１）。次に、複数の分極評価用強誘電体容量素子群に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら分極を評価する（Ｐ１０２）。次に、各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に第１の電圧パルスを印加して、強誘電体容量素子の分極を一方向に揃える（Ｐ１０３）。次に、各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に第３の電圧パルスを印加して分極を反転させる（Ｐ１０４）。次に、複数の分極評価用強誘電体容量素子群に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら分極を評価する（Ｐ１０５）。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の分極評価用強誘電体容量素子を用いた強誘電体容量素子の評価方法であって、
各分極評価用強誘電体容量素子に対して個別に第１の電圧パルスを印加して、前記各分極評価用強誘電体容量素子を一方向に分極させ、複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を一方向に揃える第１の工程と、
複数の分極評価用強誘電体容量素子に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら、前記複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を評価する第２の工程と、
前記各分極評価用強誘電体容量素子に対して個別に前記第１の電圧パルスを印加して、前記各分極評価用強誘電体容量素子を一方向に分極させ、複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を一方向に揃える第３の工程と、
前記各分極評価用強誘電体容量素子に対して個別に第３の電圧パルスを印加して、前記各分極評価用強誘電体容量素子の分極を反転させる第４の工程と、
前記複数の分極評価用強誘電体容量素子に対して同時に前記第２の電圧パルスを印加しながら、前記複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を評価する第５の工程とを含むことを特徴とする強誘電体容量素子の評価方法。
【請求項２】
分極評価用強誘電体容量素子が複数の強誘電体容量素子の並列回路からなり、分極評価用強誘電体容量素子群を構成している請求項１に記載の強誘電体容量素子の評価方法。
【請求項３】
半導体基板とプローバとを備えた強誘電体容量素子の評価装置であって、
前記半導体基板上には、並列接続された複数の強誘電体容量素子からなる分極評価用強誘電体容量素子群が複数形成されており、前記各分極評価用強誘電体容量素子群は、前記並列接続された複数の強誘電体容量素子の一方の電極が共通に接続された第１のプロービングパッドと、前記並列接続された複数の強誘電体容量素子の他方の電極が共通に接続された第２のプロービングパッドとを有し、
前記プローバは、複数の前記分極評価用強誘電体容量素子群の第１のプロービングパッドとそれぞれ同時に接触する複数の第１のプローブ針と、前記第１のプローブ針と対をなし、複数の前記分極評価用強誘電体容量素子群の第２のプロービングパッドとそれぞれ同時に接触する複数の第２のプローブ針と、複数の前記分極評価用強誘電体容量素子群の第１のプロービングパッドと個別に接触する第３のプローブ針と、前記第３のプローブ針と対をなし、複数の前記分極評価用強誘電体容量素子群の第２のプロービングパッドと個別に接触する第４のプローブ針とを有する強誘電体容量素子の評価装置。
【請求項４】
第１のプローブ針が第１のパルス発生器に接続され、第２のプローブ針がオシロスコープに接続されるとともに、一端が接地された容量既知の容量素子の他端に接続され、第３のプローブ針が第２のパルス発生器に接続され、第４のプローブ針が接地されることを特徴とする請求項３記載の強誘電体容量素子の評価装置。
【請求項５】
請求項３に記載の強誘電体容量素子の評価装置を用いた強誘電体容量素子の評価方法であって、
第３および第４のプローブ針を用いて、各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に第１の電圧パルスを印加して、並列接続された複数の強誘電体容量素子を一方向に分極させて、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を一方向に揃える第１の工程と、
第１および第２のプローブ針を用いて、複数の分極評価用強誘電体容量素子群に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら、前記複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を評価する第２の工程と、
前記第３および第４のプローブ針を用いて、前記各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に前記第１の電圧パルスを印加して、前記並列接続された複数の強誘電体容量素子を一方向に分極させて、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を一方向に揃える第３の工程と、
前記第３および第４のプローブ針を用いて、前記各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に第３の電圧パルスを印加して、前記並列接続された複数の強誘電体容量素子の分極を反転させる第４の工程と、
前記第１および第２のプローブ針を用いて、前記複数の分極評価用強誘電体容量素子群に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら、前記複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を評価する第５の工程とを含むことを特徴とする強誘電体容量素子の評価方法。
【請求項６】
半導体基板とパルス発生器とオシロスコープとを備えた強誘電体容量素子の評価装置であって、
前記半導体基板上には、強誘電体容量素子とリファレンス容量素子からなる分極評価用回路が形成されており、前記強誘電体容量素子の第１の電極と前記リファレンス容量素子の第１の電極とが前記半導体基板上の第１の配線により接続された第１のプロービングパッドと、前記強誘電体容量素子の第２の電極と前記半導体基板上の第２の配線により接続された第２のプロービングパッドと、前記リファレンス容量素子の第２の電極と前記半導体基板上の第３の配線により接続された第３のプロービングパッドとを有し、
前記オシロスコープは前記第１のプロービングパッドと電気的に接続可能であり、
前記パルス発生器は前記第２のプロービングパッド及び前記第３のプロービングパッドのいずれとも電気的に接続可能であることを特徴とする強誘電体容量素子の評価装置。
【請求項７】
請求項６に記載の強誘電体容量素子の評価装置を用いた強誘電体容量素子の評価方法であって、
前記パルス発生器により前記第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第１の工程と、
前記パルス発生器により前記第３のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第２の工程とを含むことを特徴とする強誘電体容量素子の評価方法。
【請求項８】
前記半導体基板上には、並列接続された複数の前記リファレンス容量素子からなるリファレンス容量素子群が形成されており、前記リファレンス容量素子群は、前記並列接続された複数のリファレンス容量素子の一方の電極が共通に接続された第４のプロービングパッドと、前記並列接続された複数のリファレンス容量素子の他方の電極が共通に接続された第５のプロービングパッドとを有することを特徴とする請求項６記載の強誘電体容量素子の評価装置。
【請求項９】
請求項８に記載の強誘電体容量素子の評価装置を用いた強誘電体容量素子の評価方法であって、
前記パルス発生器により前記第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第１の工程と、
前記パルス発生器により前記第３のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第２の工程と、
前記リファレンス容量素子群の容量を測定し前記リファレンス容量素子１個当りの容量を算出する第３の工程とを含むことを特徴とする強誘電体容量素子の評価方法。
【請求項１０】
半導体基板とパルス発生器とオシロスコープとを備えた強誘電体容量素子の評価装置であって、
前記半導体基板上には、強誘電体容量素子と第１のリファレンス容量素子と第２のリファレンス容量素子からなる分極評価用回路が形成されており、前記強誘電体容量素子の第１の電極と前記第１のリファレンス容量素子の第１の電極とが前記半導体基板上の第１の配線により接続された第１のプロービングパッドと、前記強誘電体容量素子の第２の電極と前記第２のリファレンス容量素子の第１の電極とが前記半導体基板上の第２の配線により接続された第２のプロービングパッドと、前記第１のリファレンス容量素子の第２の電極と前記半導体基板上の第３の配線により接続された第３のプロービングパッドと、前記第２のリファレンス容量素子の第２の電極と前記半導体基板上の第４の配線により接続された第４のプロービングパッドとを有し、
前記オシロスコープは前記第１のプロービングパッド及び前記第２のプロービングパッドのいずれとも電気的に接続可能であり、
前記パルス発生器は前記第１のプロービングパッドないし前記第４のプロービングパッドのいずれとも電気的に接続可能であることを特徴とする強誘電体容量素子の評価装置。
【請求項１１】
前記第１のリファレンス容量素子と前記第２のリファレンス容量素子が同じもので構成されていることを特徴とする請求項１０記載の強誘電体容量素子の評価装置。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の強誘電体容量素子の評価装置を用いた強誘電体容量素子の評価方法であって、
前記パルス発生器により前記第１のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第２のプロービングパッドの電圧波形を観測する第１の工程と、
前記パルス発生器により前記第４のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第２のプロービングパッドの電圧波形を観測する第２の工程と、
前記パルス発生器により前記第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第３の工程と、
前記パルス発生器により前記第３のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第４の工程とを含むことを特徴とする強誘電体容量素子の評価方法。
【請求項１３】
前記半導体基板上には、並列接続された複数の前記リファレンス容量素子からなるリファレンス容量素子群が形成されており、前記リファレンス容量素子群は、前記並列接続された複数のリファレンス容量素子の一方の電極が共通に接続された第５のプロービングパッドと、前記並列接続された複数の第１のリファレンス容量素子の他方の電極が共通に接続された第６のプロービングパッドとを有することを特徴とする請求項１１記載の強誘電体容量素子の評価装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の強誘電体容量素子の評価装置を用いた強誘電体容量素子の評価方法であって、
前記パルス発生器により前記第１のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第２のプロービングパッドの電圧波形を観測する第１の工程と、
前記パルス発生器により前記第４のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第２のプロービングパッドの電圧波形を観測する第２の工程と、
前記パルス発生器により前記第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第３の工程と、
前記パルス発生器により前記第３のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第４の工程と、
前記リファレンス容量素子群の容量を測定し前記リファレンス容量素子１個当りの容量を算出する第５の工程とを含むことを特徴とする強誘電体容量素子の評価方法。
【請求項１５】
前記半導体基板上には、並列接続された複数の前記第１のリファレンス容量素子からなる第１のリファレンス容量素子群と、並列接続された複数の前記第２のリファレンス容量素子からなる第２のリファレンス容量素子群が形成されており、前記第１のリファレンス容量素子群は、前記並列接続された複数の第１のリファレンス容量素子の一方の電極が共通に接続された第５のプロービングパッドと、前記並列接続された複数の第１のリファレンス容量素子の他方の電極が共通に接続された第６のプロービングパッドとを有し、前記第２のリファレンス容量素子群は、前記並列接続された複数の第２のリファレンス容量素子の一方の電極が共通に接続された第７のプロービングパッドと、前記並列接続された複数の第２のリファレンス容量素子の他方の電極が共通に接続された第８のプロービングパッドとを有することを特徴とする請求項１０記載の強誘電体容量素子の評価装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の強誘電体容量素子の評価装置を用いた強誘電体容量素子の評価方法であって、
前記パルス発生器により前記第１のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第２のプロービングパッドの電圧波形を観測する第１の工程と、
前記パルス発生器により前記第４のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第２のプロービングパッドの電圧波形を観測する第２の工程と、
前記パルス発生器により前記第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第３の工程と、
前記パルス発生器により前記第３のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながら前記オシロスコープにより前記第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する第４の工程と、
前記第１のリファレンス容量素子群の容量を測定し前記第１のリファレンス容量素子１個当りの容量を算出する第５の工程と、
前記第２のリファレンス容量素子群の容量を測定し前記第２のリファレンス容量素子１個当りの容量を算出する第６の工程とを含むことを特徴とする強誘電体容量素子の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体容量素子の評価方法および評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、強誘電体容量素子を記憶素子として利用したメモリ装置、いわゆる強誘電体メモリ装置の開発が活発になってきた。強誘電体メモリ装置の性能は、強誘電体容量素子の分極特性に大きく依存するので、強誘電体メモリ装置の開発において、強誘電体容量素子の分極特性の評価は、開発の指針を与える極めて重要な項目である。
【０００３】
ここでは、図４１から図４７を用いて、強誘電体容量素子の評価装置と評価方法を説明する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図４１と図４２は、従来の強誘電体容量素子の評価装置を示すものである。ここで、図４１における電気スイッチボックスの接点の状態を反転させたものが、図４２である。図４１と図４２において、１は半導体基板、２は分極評価用強誘電体容量素子群、３は強誘電体容量素子アレイ、４は強誘電体容量素子、５，６はプロービングパッド、７はプローブカード、８，９はプローブ針、１０は電気スイッチボックス、１１はリファレンス容量素子、１２はパルス発生器、１３はオシロスコープである。
【０００５】
強誘電体容量素子４は、強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体容量素子と同等のマスクレイアウト、プロセスにより製造される。強誘電体容量素子アレイ３は、ｍ個（ｍは２以上）の強誘電体容量素子４が半導体基板１上の配線により並列に接続されたものである。１個の強誘電体容量素子アレイ３を構成する強誘電体容量素子４の個数ｍは、測定系の浮遊容量の影響を小さくするために、合計した分極が１００ｐＣ以上となる個数としている。例えば、強誘電体容量素子４が強誘電体薄膜にＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）を用いた電極面積１平方μｍの強誘電体容量素子の場合、ｍは数１００以上である。
【０００６】
分極評価用強誘電体容量素子群２は、強誘電体容量素子アレイ３とプロービングパッド５，６とから構成されている。電気スイッチボックス１０は、２個の入力端子の電気信号の一方を出力端子に出力する。図４１では、電気スイッチボックス１０を介してプローブ針９とオシロスコープ１３の入力端子とが電気的に接続されている。図４２では、電気スイッチボックス１０を介してプローブ針９が接地されている。リファレンス容量素子１１は容量が既知であり、一端がオシロスコープ１３の入力端子に接続され、他端が接地されている。
【０００７】
図４３は、強誘電体容量素子の評価方法のフローチャートを示すものである。
【０００８】
工程Ｐ１において、図４２に示すように、プロービングパッド５とパルス発生器１２の出力端子に接続されたプローブ針８とを接触させるとともに、プロービングパッド６と接地させたプローブ針９とを接触させる。続いて、パルス発生器１２により、分極評価用強誘電体容量素子群２に図４４に示す第１の電圧パルス５１を印加し、分極評価用強誘電体容量素子群２の各分極評価用強誘電体容量素子４を一方向に分極させ、分極評価用強誘電体容量素子群２の分極を一方向に揃える。第１の電圧パルス５１は、電圧Ｖ１が強誘電体メモリ装置の電源電圧の上限Ｖｄｄｍａｘ、パルス幅ｔ１が１μｓｅｃ以上であり、分極評価用強誘電体容量素子群２の分極を飽和状態にまで反転させるのに十分な電圧パルスである。
【０００９】
工程Ｐ２において、図４１に示すように、プロービングパッド５とパルス発生器１２の出力端子に接続されたプローブ針８とを接触させるとともに、プロービングパッド６と一方の電極が接地されたリファレンス容量素子１１の他方の電極およびオシロスコープ１３の入力端子に接続されたプローブ針９とを接触させる。続いて、分極評価用強誘電体容量素子群２に図４５に示す第２の電圧パルス５２を印加しながら、オシロスコープ１３でプロービングパッド６における電圧波形５２ａを観測する。第２の電圧パルス５２は、電圧Ｖ２が強誘電体メモリ装置の電源電圧の上限Ｖｄｄｍａｘ、パルス幅ｔ２が１μｓｅｃ以上である。
【００１０】
オシロスコープ１３により観測した電圧波形５２ａの電圧にリファレンス容量素子１１の容量を乗算し、図４６に示す第１の分極ヒステリシス曲線５３と電圧０Ｖにおける分極Ｐ１０を算出する。
【００１１】
工程Ｐ３において、図４２に示すように、プロービングパッド５とパルス発生器１２の出力端子に接続されたプローブ針８とを接触させるとともに、プロービングパッド６と接地させたプローブ針９とを接触させる。続いて、パルス発生器１２により、分極評価用強誘電体容量素子群２に図４４に示す第１の電圧パルス５１を印加し、分極評価用強誘電体容量素子群２の各分極評価用強誘電体容量素子４を一方向に分極させ、分極評価用強誘電体容量素子群２の分極を一方向に揃える。
【００１２】
工程Ｐ４において、パルス発生器１２により、分極評価用強誘電体容量素子群２に図４７に示す第３の電圧パルス５４を印加し、分極評価用強誘電体容量素子群２の分極を反転させる。第３の電圧パルス５４は、電圧Ｖ３が強誘電体メモリ装置の電源電圧の下限Ｖｄｄｍｉｎ、パルス幅ｔ３が１００ｎｓ程度の、強誘電体メモリ装置の動作時に強誘電体容量素子に印加される電圧パルスに相当する電圧パルスである。
【００１３】
工程Ｐ５において、図４１に示すように、プロービングパッド５とパルス発生器１２の出力端子に接続されたプローブ針８とを接触させるとともに、プロービングパッド６と一方の電極が接地されたリファレンス容量素子１１の他方の電極およびオシロスコープ１３の入力端子に接続されたプローブ針９とを接触させる。続いて、分極評価用強誘電体容量素子群２に図４５に示す第２の電圧パルス５２を印加しながら、オシロスコープ１３でプロービングパッド６における電圧波形５２ｂを観測する。
【００１４】
オシロスコープ１３により観測した電圧波形の電圧５２ｂにリファレンス容量素子１１の容量を乗算し、図４６に示す第１の分極ヒステリシス曲線５５と電圧０Ｖにおける分極Ｐ１１を算出する。
【００１５】
工程Ｐ６において、分極Ｐ１１と分極Ｐ１０の差を、分極評価用強誘電体容量素子群２を構成する強誘電体容量素子４の個数ｍで割り、第３の電圧パルス５４による強誘電体容量素子４の分極反転を算出する。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１１−１７４０９８号公報（第２頁段落０００２〜０００４、第５〜７図）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構成では、以下のような欠点がある。
【００１８】
強誘電体メモリ装置の微細化に伴い、高速動作する強誘電体メモリ装置の開発が進められており、強誘電体容量素子の評価においても、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスによる分極反転を評価する必要が生じてきた。
【００１９】
しかし、従来の構成の強誘電体容量素子の評価装置および評価方法では、パルス発生器によりパルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを発生させても、分極評価用強誘電体容量素子群の分極が大きいために、立ち上がりの鈍りやリンギングが発生し、正確に電圧パルスを印加することができない。
【００２０】
一方、電圧パルスを正確に印加するために、分極評価用強誘電体容量の電極面積を小さくし、分極を小さくすると、測定系の浮遊容量の影響が大きくなり、正確な分極評価ができなくなる。
【００２１】
本発明は、上記課題について鑑み、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に印加し、高精度な分極評価を実現することができる強誘電体容量素子の評価方法と評価装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、強誘電体容量素子の評価方法の第１の発明は、複数の分極評価用強誘電体容量素子を用いた強誘電体容量素子の評価方法であり、以下の第１から第５までの各工程を含む。
【００２３】
第１の工程では、各分極評価用強誘電体容量素子に対して個別に第１の電圧パルスを印加して、各分極評価用強誘電体容量素子を一方向に分極させ、複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を一方向に揃える。
【００２４】
第２の工程では、複数の分極評価用強誘電体容量素子に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら、複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を評価する。
【００２５】
第３の工程では、各分極評価用強誘電体容量素子に対して個別に第１の電圧パルスを印加して、各分極評価用強誘電体容量素子を一方向に分極させ、複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を一方向に揃える。
【００２６】
第４の工程では、各分極評価用強誘電体容量素子に対して個別に第３の電圧パルスを印加して、各分極評価用強誘電体容量素子の分極を反転させる。
【００２７】
第５の工程では、複数の分極評価用強誘電体容量素子に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら、複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を評価する。
【００２８】
上記の分極評価用強誘電体容量素子は、複数の強誘電体容量素子の並列回路からなり、分極評価用強誘電体容量素子群を構成していることが多い。
【００２９】
この強誘電体容量素子の評価方法の第１の発明によれば、複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を一方向に揃える、またはその分極方向の反転のために、各分極評価用強誘電体容量素子に対して個別に電圧パルスを印加するようにし、複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極の評価のために複数の分極評価用強誘電体容量素子に対して同時にパルス電圧を印加しながら複数の分極評価用強誘電体容量素子の分極を評価することができる。
【００３０】
ここで、例えば１０ｎｓ以下のパルス幅の電圧パルスを正確に印加することができる程度に、各分極評価用強誘電体容量素子の分極を小さくし、かつ測定系の浮遊容量の影響を十分に小さくすることできる程度に、分極評価用強誘電体容量素子の個数を設定する。これにより、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００３１】
つぎに、強誘電体容量素子の評価装置の発明は、半導体基板とプローバとを備えている。半導体基板上には、並列接続された複数の強誘電体容量素子からなる分極評価用強誘電体容量素子群が複数形成されている。
【００３２】
各分極評価用強誘電体容量素子群は、並列接続された複数の強誘電体容量素子の一方の電極が共通に接続された第１のプロービングパッドと、並列接続された複数の強誘電体容量素子の他方の電極が共通に接続された第２のプロービングパッドとを有している。
【００３３】
プローバは、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の第１のプロービングパッドとそれぞれ同時に接触する複数の第１のプローブ針と、第１のプローブ針と対をなし、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の第２のプロービングパッドとそれぞれ同時に接触する複数の第２のプローブ針と、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の第１のプロービングパッドと個別に接触する第３のプローブ針と、第３のプローブ針と対をなし、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の第２のプロービングパッドと個別に接触する第４のプローブ針とを有している。
【００３４】
この強誘電体容量素子の評価装置の発明によれば、分極評価用強誘電体容量素子群を複数設け、分極評価用強誘電体容量素子群毎に第１および第２のプロービングパッドを設け、プローバには複数の分極評価用強誘電体容量素子群の第１および第２のプロービングパッドに対して同時に接触可能な第１および第２のプローブ針を設けるとともに、各分極評価用強誘電体容量素子群の第１および第２のプロービングパッドに対して個別に接触可能な第３および第４のプローブ針を設けている。そのため、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を一方向に揃える、またはその分極方向の反転のために、各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に電圧パルスを印加するようにし、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極の評価のために複数の分極評価用強誘電体容量素子群に対して同時にパルス電圧を印加しながら複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を評価することができる。
【００３５】
例えば１０ｎｓ以下のパルス幅の電圧パルスを正確に印加することができる程度に、各分極評価用強誘電体容量素子群の分極が小さくなるように、各分極評価用強誘電体容量素子群を構成する分極評価用強誘電体容量素子の個数を設定し、かつ測定系の浮遊容量の影響を十分に小さくすることできる程度に、分極評価用強誘電体容量素子群の個数を設定する。これにより、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００３６】
ここで、上記の第１のプローブ針が第１のパルス発生器に接続され、第２のプローブ針がオシロスコープに接続されるとともに容量素子の一端に接続され、第３のプローブ針が第２のパルス発生器に接続され、第４のプローブ針が接地され、容量素子の他端が接地されることで、分極方向を揃える、あるいは分極方向を反転させるための分極評価用強誘電体容量素子群への電圧パルスの印加と、分極の評価のための、電圧パルスの印加および分極評価用強誘電体容量素子群と基準容量との接続点の電圧の観測が行われる。
【００３７】
また、強誘電体容量素子の評価方法の第２の発明は、上記の強誘電体容量素子の評価装置を用いて強誘電体容量素子の評価を行う方法であり、第１から第５までの工程を含む。
【００３８】
第１の工程では、第３および第４のプローブ針を用いて、各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に第１の電圧パルスを印加して、並列接続された複数の強誘電体容量素子を一方向に分極させて、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を一方向に揃える。
【００３９】
第２の工程では、第１および第２のプローブ針を用いて、複数の分極評価用強誘電体容量素子群に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を評価する。
【００４０】
第３の工程では、第３および第４のプローブ針を用いて、各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に第１の電圧パルスを印加して、並列接続された複数の強誘電体容量素子を一方向に分極させて、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を一方向に揃える。
【００４１】
第４の工程では、第３および第４のプローブ針を用いて、各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に第３の電圧パルスを印加して、並列接続された複数の強誘電体容量素子の分極を反転させる。
【００４２】
第５の工程では、第１および第２のプローブ針を用いて、複数の分極評価用強誘電体容量素子群に対して同時に第２の電圧パルスを印加しながら、オシロスコープを用いて複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を評価する。
【００４３】
この強誘電体容量素子の評価方法の第２の発明によれば、上記の強誘電体容量素子の評価装置を用いている。そのため、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を一方向に揃える、またはその分極方向の反転のために、各分極評価用強誘電体容量素子群に対して個別に電圧パルスを印加するようにし、複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極の評価のために複数の分極評価用強誘電体容量素子群に対して同時にパルス電圧を印加しながら複数の分極評価用強誘電体容量素子群の分極を評価することができる。
【００４４】
ここで、例えば１０ｎｓ以下のパルス幅の電圧パルスを正確に印加することができる程度に、各分極評価用強誘電体容量素子群の分極が小さくなるように、各分極評価用強誘電体容量素子群を構成する分極評価用強誘電体容量素子の個数を設定し、かつ測定系の浮遊容量の影響を十分に小さくすることできる程度に、分極評価用強誘電体容量素子群の個数を設定する。これにより、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００４５】
つぎに、強誘電体容量素子の評価装置の第２の発明は、半導体基板とパルス発生器とオシロスコープとを備えている。半導体基板上には、強誘電体容量素子とリファレンス容量素子からなる分極評価用回路が形成されており、強誘電体容量素子の第１の電極とリファレンス容量素子の第１の電極とが半導体基板上の第１の配線により接続された第１のプロービングパッドと、強誘電体容量素子の第２の電極と半導体基板上の第２の配線により接続された第２のプロービングパッドと、リファレンス容量素子の第２の電極と半導体基板上の第３の配線により接続された第３のプロービングパッドとを有し、オシロスコープは第１のプロービングパッドと電気的に接続可能である。強誘電体容量素子の第１の電極とリファレンス容量素子の第１の電極とが半導体基板上の第１の配線により接続された第１のプロービングパッドとオシロスコープの入力端子の容量は合わせて２０ｐＦ程度であり、この容量をソーヤタワー回路のリファレンス容量と見なして、０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子、１個について、パルス発生器により第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加した時の分極を評価することができ、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００４６】
また、強誘電体容量素子の評価方法の第３の発明は、上記の強誘電体容量素子の評価装置を用いて強誘電体容量素子の評価を行う方法であり、第１から第２までの工程を含む。
【００４７】
第１の工程では、パルス発生器により第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながらオシロスコープにより第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する。
【００４８】
第２の工程では、パルス発生器により第３のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながらオシロスコープにより第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する。
【００４９】
第１の工程と第２の工程において、オシロスコープに接続された測定系の寄生容量は全く同じであり、２０ｐＦ程度である。従って、第１の工程で観測された電圧波形と第２の工程で観測された電圧波形の比較により、強誘電体容量素子とリファレンス容量素子の分極の比較が行え、リファレンス容量素子の容量を測定あるいは算出することにより、０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子、１個の分極を評価することができ、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００５０】
つぎに、強誘電体容量素子の評価装置の第３の発明は、半導体基板とパルス発生器とオシロスコープとを備えている。半導体基板上には、強誘電体容量素子と第１のリファレンス容量素子と第２のリファレンス容量素子からなる分極評価用回路が形成されており、強誘電体容量素子の第１の電極と第１のリファレンス容量素子の第１の電極とが半導体基板上の第１の配線により接続された第１のプロービングパッドと、強誘電体容量素子の第２の電極と第２のリファレンス容量素子の第１の電極とが半導体基板上の第２の配線により接続された第２のプロービングパッドと、第１のリファレンス容量素子の第２の電極と半導体基板上の第３の配線により接続された第３のプロービングパッドと、第２のリファレンス容量素子の第２の電極と半導体基板上の第４の配線により接続された第４のプロービングパッドとを有し、オシロスコープは第１のプロービングパッド及び第２のプロービングパッドのいずれとも電気的に接続可能であり、パルス発生器は第３のプロービングパッド及び第４のプロービングパッドのいずれとも電気的に接続可能である。強誘電体容量素子の第１の電極と第１のリファレンス容量素子の第１の電極とが半導体基板上の第１の配線により接続された第１のプロービングパッドとオシロスコープの入力端子の容量は合わせて２０ｐＦ程度であり、この容量をソーヤタワー回路のリファレンス容量と見なして、０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子、１個について、パルス発生器により第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加した時の分極を評価することができる。同様に、強誘電体容量素子の第２の電極と第２のリファレンス容量素子の第１の電極とが半導体基板上の第２の配線により接続された第２のプロービングパッドとオシロスコープの入力端子の容量は合わせて２０ｐＦ程度であり、この容量をソーヤタワー回路のリファレンス容量と見なして、０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子、１個について、パルス発生器により第１のプロービングパッドに電圧パルスを印加した時の分極を評価することができる。この構成では、第１のプロービングパッドと第２のプロービングパッドに、正の極性または負の極性のいずれかの電圧パルスしか印加できない分極評価用回路についても、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００５１】
また、強誘電体容量素子の評価方法の第４の発明は、上記の強誘電体容量素子の評価装置を用いて強誘電体容量素子の評価を行う方法であり、第１から第４までの工程を含む。
【００５２】
第１の工程では、パルス発生器により第１のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながらオシロスコープにより第２のプロービングパッドの電圧波形を観測する。
【００５３】
第２の工程では、パルス発生器により第４のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながらオシロスコープにより第２のプロービングパッドの電圧波形を観測する。
【００５４】
第３の工程では、パルス発生器により第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながらオシロスコープにより第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する。
【００５５】
第４の工程では、パルス発生器により第３のプロービングパッドに電圧パルスを印加しながらオシロスコープにより第１のプロービングパッドの電圧波形を観測する。
【００５６】
第１の工程と第２の工程において、オシロスコープに接続された測定系の寄生容量は全く同じであり、２０ｐＦ程度である。従って、第１の工程で観測された電圧波形と第２の工程で観測された電圧波形の比較により、強誘電体容量素子とリファレンス容量素子の分極の比較が行え、リファレンス容量素子の容量を測定あるいは算出することにより、０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子、１個にパルス発生器により第２のプロービングパッドに電圧パルスを印加した時の分極を評価することができる。同様に、第３の工程で観測された電圧波形と第４の工程で観測された電圧波形の比較により、強誘電体容量素子とリファレンス容量素子の分極の比較が行え、リファレンス容量素子の容量を測定あるいは算出することにより、０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子、１個にパルス発生器により第１のプロービングパッドに電圧パルスを印加した時の分極を評価することができる。これにより、第１のプロービングパッドと第２のプロービングパッドに、正の極性または負の極性のいずれかの電圧パルスしか印加できない分極評価用回路についても、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００５７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１と図２は本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置を示すものである。図１と図２において、１０１は半導体基板、１０２は分極評価用強誘電体容量素子群、１０３は強誘電体容量素子アレイ、１０４は強誘電体容量素子、１０５，１０６はプロービングパッド、１０７はプローブカード、１０８，１０９，１１０，１１１はプローブ針、１１２はリファレンス容量素子、１１３，１１４はパルス発生器、１１５はオシロスコープである。プローバは、プローブカード１０７およびプローブ針１０８〜１１１からなる。
【００５８】
強誘電体容量素子１０４は、強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体容量素子と同等のマスクレイアウト、プロセスにより製造される。強誘電体容量素子アレイ１０３は、ｍ個（ｍは２以上）の強誘電体容量素子１０４が半導体基板１上の配線により並列に接続されたものである。１個の強誘電体容量素子アレイ１０３を構成する強誘電体容量素子１０４の個数ｍは、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に印加することを目的に、分極が１０ｐＣ程度となる個数としている。例えば、強誘電体容量素子１０３が強誘電体薄膜にＳＢＴを用いた電極面積１平方μｍの強誘電体容量素子の場合、ｍは３０程度である。
【００５９】
分極評価用強誘電体容量素子群１０２は、強誘電体容量素子アレイ１０３とプロービングパッド１０５，１０６から構成されている。半導体基板１上には、ｎ個の分極評価用強誘電体容量素子群１０２が形成されている。ここで、ｎは、測定系の浮遊容量の影響を小さくするために、ｎ個並列の分極評価用強誘電体容量素子群１０２の合計した分極が１００ｐＣ以上となる個数としている。例えば、分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極が１０ｐＣの場合、ｎは１０以上である。
【００６０】
半導体基板１０１を載せている台は移動することができる。図１では、１個のプロービングパッド１０５とプローブ針１１０とが接触し、プロービングパッド１０５と対をなすプロービングパッド１０６とプローブ針１１１とが接触している。図２では、プロービングパッド１０５とプローブ針１０８とが接触し、プロービングパッド１０６とプローブ針１０９とが接触している。リファレンス容量素子１１は容量が既知である。
【００６１】
図３は本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置のプローブカードを示すものである。図３において、１２１，１２２，１２３，１２４は鉛ハンダ、１２５，１２６，１２７，１２８，１２９，１３０は配線、１３１，１３２，１３３，１３４はシールド線である。配線１２５，１２７はプローブ針１０８とパルス発生器１１３の出力端子とを接続する。配線１２６，１２８はプローブ針１０９とオシロスコープ１１５の入力端子とを接続する。配線１２９はプローブ針１１０とパルス発生器１１４の出力端子とを接続する。配線１３０はプローブ針１１１を接地させる。
【００６２】
図４は、本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子の評価方法のフローチャートを示すものである。
【００６３】
工程Ｐ１０１において、図１に示すように、ｉ個目（ｉ＝１〜ｎ）の分極評価用強誘電体容量素子群１０２のプロービングパッド１０５と、パルス発生器１１４の出力端子に接続されたプローブ針１１０とを接触させるとともに、プロービングパッド１０５と対をなすプロービングパッド１０６と、接地されたプローブ針１１１とを接触させる。続いて、パルス発生器１１４により、分極評価用強誘電体容量素子群１０２に図５の第１の電圧パルス１５１を印加し、分極評価用強誘電体容量素子群１０２の各分極評価用強誘電体容量素子１０４を一方向に分極させ、分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極を一方向に揃える。第１の電圧パルス１５１は、電圧Ｖ１０１が強誘電体メモリ装置の電源電圧の上限Ｖｄｄｍａｘ、パルス幅ｔ１０１が１μｓｅｃ以上であり、分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極を飽和状態にまで反転させるのに十分な電圧パルスである。工程Ｐ１０１を、１からｎまでの範囲の全てのｉに対して繰り返して行う。
【００６４】
工程Ｐ１０２において、図２に示すように、プロービングパッド１０５と、パルス発生器１１３の出力端子に接続されたプローブ１０８とを接触させるとともに、プロービングパッド１０６と、一方の電極が接地されたリファレンス容量素子１１２の他方の電極およびオシロスコープ１１５の入力端子とに接続されたプローブ１０９とを接触させる。続いて、分極評価用強誘電体容量素子群１０２に図６の第２の電圧パルス１５２を印加しながら、オシロスコープ１１５でプロービングパッド１０６における電圧波形１５２ａを観測する。第２の電圧パルス１５２は、電圧Ｖ１０２が強誘電体メモリ装置の電源電圧の上限Ｖｄｄｍａｘ、パルス幅ｔ１０２が１μｓｅｃ以上である。
【００６５】
オシロスコープ１１５により観測した電圧波形１５２ａの電圧にリファレンス容量素子１１２の容量値を乗算し、図７に示す第１の分極ヒステリシス曲線１５３と電圧０Ｖにおける分極Ｐ１０００を算出する。
【００６６】
工程Ｐ１０３において、図１に示すように、ｉ個目の分極評価用強誘電体容量素子群１０２のプロービングパッド１０５と、パルス発生器１１４の出力端子に接続されたプローブ針１１０とを接触させるとともに、プロービングパッド１０５と対をなすプロービングパッド１０６と、接地されたプローブ針１１１とを接触させる。続いて、パルス発生器１１４により、分極評価用強誘電体容量素子群１０２に図５の第１の電圧パルス１５１を印加し、分極評価用強誘電体容量素子群１０２の各分極評価用強誘電体容量素子１０４を一方向に分極させ、分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極を一方向に揃える。工程Ｐ１０３を、１からｎの範囲の全てのｉに対して繰り返して行う。
【００６７】
工程Ｐ１０４において、図１に示すように、ｉ個目の分極評価用強誘電体容量素子群１０２のプロービングパッド１０５と、パルス発生器１１４の出力端子に接続されたプローブ針１１０とを接触させるとともに、プロービングパッド１０６と、接地させたプローブ針１１１とを接触させる。続いて、パルス発生器１１４により、ｉ個目の分極評価用強誘電体容量素子群１０２に図８の第３の電圧パルス１５４を印加し、ｉ個目の分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極を反転させる。第３の電圧パルス１５４は、電圧Ｖ１０３が強誘電体メモリ装置の電源電圧の下限Ｖｄｄｍｉｎ、パルス幅ｔ１０３が１０ｎｓ以下の、高速動作する強誘電体メモリ装置の動作時に強誘電体容量素子に印加される電圧パルスに相当する電圧パルスである。工程Ｐ１０４を、１からｎまでの範囲の全てのｉに対して繰り返して行う。
【００６８】
工程Ｐ１０５において、図２に示すように、プロービングパッド１０５と、パルス発生器１１３の出力端子に接続されたプローブ１０８とを接触させるとともに、プロービングパッド１０６と、一方の電極が接地されたリファレンス容量素子１１２の他方の電極およびオシロスコープ１１５の入力端子とに接続されたプローブ１０９とを接触させる。続いて、分極評価用強誘電体容量素子群１０２に図６の第２の電圧パルス１５２を印加しながら、オシロスコープ１１５でプロービングパッド１０６における電圧波形１５２ｂを観測する。
【００６９】
オシロスコープ１１５により観測した電圧波形１５２ｂの電圧にリファレンス容量素子１１２の容量値を乗算し、図７に示す第２の分極ヒステリシス曲線１５５と電圧０Ｖにおける分極Ｐ１００１を算出する。
【００７０】
工程Ｐ１０６において、分極Ｐ１００１と分極Ｐ１０００の差を、分極評価用強誘電体容量素子群１０２を構成する強誘電体容量素子１０４の個数ｍ×ｎで割り、第３の電圧パルス１５４による強誘電体容量素子１０４の分極反転を算出する。
【００７１】
この実施の形態によれば、分極評価用強誘電体容量素子群１０２を複数設け、分極評価用強誘電体容量素子群１０２毎に第１および第２のプロービングパッド１０５，１０６を設け、プローバには複数の分極評価用強誘電体容量素子群１０２の第１および第２のプロービングパッド１０５，１０６に対して同時に接触可能な第１および第２のプローブ針１０８，１０９を設けるとともに、各分極評価用強誘電体容量素子群１０２の第１および第２のプロービングパッド１０５，１０６に対して個別に接触可能な第３および第４のプローブ針１１０，１１１を設けている。そのため、複数の分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極を一方向に揃える、またはその分極方向の反転のために、各分極評価用強誘電体容量素子群１０２に対して個別に電圧パルスを印加するようにし、複数の分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極の評価のために複数の分極評価用強誘電体容量素子群１０２に対して同時にパルス電圧を印加しながら複数の分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極を評価することができる。
【００７２】
ここで、例えば１０ｎｓ以下のパルス幅の電圧パルスを正確に印加することができる程度に、各分極評価用強誘電体容量素子群１０２の分極が小さくなるように、各分極評価用強誘電体容量素子群１０２を構成する分極評価用強誘電体容量素子１０４の個数を設定し、かつ測定系の浮遊容量の影響を十分に小さくすることできる程度に、分極評価用強誘電体容量素子群１０２の個数を設定する。これにより、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００７３】
なお、上記の実施の形態では、２台のパルス発生器１１３，１１４を設けていたが、同時に２台を使用することはないので、１台のパルス発生器をスイッチ等で切り替えて使用することも可能である。
【００７４】
また、上記の実施の形態の説明では、強誘電体容量素子アレイ１０３がｍ個（ｍは２以上）の強誘電体容量素子１０４の並列回路で構成される場合について説明したが、ｍは１であってもよい。
【００７５】
（第２の実施の形態）
図９は本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置を示すものである。図９において、２０１は半導体基板、２０２は分極評価用回路、２０３は強誘電体容量素子、２０４はリファレンス容量素子、２０５〜２０７はプロービングパッド、２０８はリファレンス容量素子群、２０９はリファレンス容量素子アレイ、２１０、２１１はプロービングパッド、２１２はオシロスコープ、２１３はパルス発生器、２１４は容量計である。強誘電体容量素子２０３は、強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体容量素子と同等のマスクレイアウト、プロセスにより製造される。強誘電体容量素子２０３は、強誘電体薄膜にＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）を用いており、電極面積は１平方μｍであり、容量ＣＦ１１は強誘電体メモリ装置の電源電圧に相当する１．８Ｖ印加時に０．３ｐＦ程度である。リファレンス容量素子２０４は、半導体基板上の層間絶縁膜からなる容量薄膜と、金属配線層からなる電極により構成され、容量ＣＲ１１は０．３ｐＦ程度である。リファレンス容量素子アレイ２０９は、リファレンス容量素子２０４がｎ個（１０００個程度）、並列に接続されており、容量は３００ｐＦ程度である。
【００７６】
図１０は、本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価方法のフローチャートを示すものである。
【００７７】
工程Ｐ２０１において、図１１に示すように、容量計２１４を用いてリファレンス容量素子アレイ２０９の容量ＣＲＡ１１を測定し、容量ＣＲＡ１１をリファレンス容量素子２０４の個数ｎで割ることにより、容量ＣＲ１１を算出する。
【００７８】
工程Ｐ２０２において、図１２に示すように、オシロスコープ２１２をプロービングパッド２０６に、パルス発生器２１３をプロービングパッド２０７に各々接続する。図１３は、図１２の測定系の等価回路を示したものである。図１３において、容量ＣＰＣ１１は強誘電体容量素子２０３の電極とプロービングパッド２０５を接続する配線及びプロービングパッド２０５の容量、容量ＣＰＣ１２は強誘電体容量素子２０３の電極及びリファレンス容量素子２０４の電極とプロービングパッド２０６を接続する配線及びプロービングパッド２０６の容量、容量ＣＰＣ１３はリファレンス容量素子２０４の電極とプロービングパッド２０７を接続する配線及びプロービングパッド２０７の容量、容量ＣＰＡ１１はプロービングパッド２０６とオシロスコープ２１２を接続する配線及びオシロスコープ２１２の入力端子の容量、容量ＣＰＡ１２はプロービングパッド２０７とパルス発生器２１３を接続する配線及びパルス発生器２１３の出力端子の容量である。図１２の測定系において、容量ＣＰＣ１１、容量ＣＰＣ１２、容量ＣＰＣ１３は１ｐＦ程度であり、容量ＣＰＡ１１、容量ＣＰＡ１２は２０ｐＦ程度である。図１２の測定系を用いて、パルス発生器２１３によりリファレンス容量素子２０４に図１４の電圧波形２２０の電圧パルス（最大値Ｖ２０１）を印加する。電圧波形２２１はオシロスコープ２１２による観測波形（最大値Ｖ２０２）である。電圧波形２２０と電圧波形２２１の関係より、測定系の寄生容量ＣＰＣ１２＋ＣＰＡ１１を以下の式で算出する。
【００７９】
ＣＰＣ１２＋ＣＰＡ１１＝（Ｖ２０１／Ｖ２０２−１）ＣＲ１１
工程Ｐ２０３において、図１５に示すように、プロービングパッド２０６を接地し、パルス発生器２１３をプロービングパッド２０５に接続する。図１６は、図１５の測定系の等価回路を示したものである。図１６において、容量ＣＰＡ１３はプロービングパッド２０５とパルス発生器２１３を接続する配線及びパルス発生器２１３の出力端子の容量、容量ＣＰＡ１４はプロービングパッド２０６を接地する配線の容量である。容量ＣＰＡ１３は２０ｐＦ程度、容量ＣＰＡ１４は１０ｐＦ程度である。図１５の測定系を用いて、パルス発生器２１３により強誘電体容量素子２０３に図１７の電圧波形２２５の電圧パルス（振幅Ｖ２０３）を印加し、強誘電体容量素子２０３の分極を一方向に揃える。電圧波形２２５のパルス幅ｔ２０１は１μｓ程度である。
【００８０】
工程Ｐ２０４において、図１８に示すように、オシロスコープ２１２をプロービングパッド２０６に、パルス発生器２１３をプロービングパッド２０５に各々接続する。図１９は、図１８の測定系の等価回路を示したものである。図１９において、容量ＣＰＡ１３はプロービングパッド２０５とパルス発生器２１３を接続する配線及びパルス発生器２１３の出力端子の容量である。図１８の測定系において、容量ＣＰＡ１３は２０ｐＦ程度である。図１８の測定系を用いて、パルス発生器２１３により強誘電体容量素子２０３に図２０の電圧波形２２６の電圧パルス（振幅−Ｖ２０４）を印加する。電圧波形２２７はオシロスコープ２１２による観測波形である。電圧波形２２７に測定系の寄生容量ＣＰＣ１２＋ＣＰＡ１１を乗算することにより、分極反転の波形２２８を求める。
【００８１】
この実施の形態によれば、強誘電体容量素子２０３の分極を評価する時のソーヤタワー回路のリファレンス容量に相当する、測定系の寄生容量ＣＰＣ１２＋ＣＰＡ１１を正確に算出することができる。測定系の寄生容量ＣＰＣ１２＋ＣＰＡ１１が２０ｐＦ程度であることから、容量ＣＦ１１が０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子２０３の分極を正確に評価することができ、パルス幅１０ｎｓ程度のパルスによる分極反転の評価をすることができる。
【００８２】
分極を正確に評価できる理由は以下に述べるとおりである。分極測定の精度は、オシロスコープによる電圧波形の測定精度に大きく依存する。通常、測定精度は１ｍＶ程度である。また、測定系の寄生容量ＣＰＣ１２＋ＣＰＡ１１は２０ｐＦ程度のものであり、容量ＣＦ１１は０．５ｐＦ程度であるので、振幅Ｖ２０４を１．８Ｖとした場合、電圧波形２２７の最大電圧は５０ｍＶ程度となる。したがって、オシロスコープの測定精度に対して数％の精度で測定することができる。
【００８３】
なお、上記の実施の形態では、オシロスコープ２１２とプロービングパッド２０６の接続及びパルス発生器２１３とプロービングパッド２０５、２０７の接続及び容量計２１４とプロービングパッド２１０、２１１の接続をケーブルにより直結しているが、リレイマトリクスなどを用いて電気的に切り替えても良い。
【００８４】
また、リファレンス容量素子アレイ２０９を構成するリファレンス容量素子２０４の個数ｎを１０００個程度としたが、リファレンス容量素子群２０８の容量を精度よく測定できる個数以上であれば、１０００個に限る必要はない。
【００８５】
（第３の実施の形態）
図２１は本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置を示すものである。図２１において、３０１は半導体基板、３０２は分極評価用回路、３０３は強誘電体容量素子、３０４はリファレンス容量素子、３０５〜３０８はプロービングパッド、３０９はリファレンス容量素子群、３１０はリファレンス容量素子アレイ、３１１、３１２はプロービングパッド、３１３はオシロスコープ、３１４はパルス発生器、３１５は容量計である。強誘電体容量素子３０３は、強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体容量素子と同等のマスクレイアウト、プロセスにより製造される。強誘電体容量素子３０３は、強誘電体薄膜にＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）を用いており、電極面積は１平方μｍであり、容量ＣＦ２１は強誘電体メモリ装置の電源電圧に相当する１．８Ｖ印加時に０．３ｐＦ程度である。リファレンス容量素子３０４は、半導体基板上の層間絶縁膜からなる容量薄膜と、金属配線層からなる電極により構成され、容量ＣＲ２１は０．３ｐＦ程度である。リファレンス容量素子アレイ３０９は、リファレンス容量素子３０４がｌ個（１０００個程度）、並列に接続されており、容量は３００ｐＦ程度である。
【００８６】
図２２は、本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価方法のフローチャートを示すものである。
【００８７】
工程Ｐ３０１において、図２３に示すように、容量計３１５を用いてリファレンス容量素子アレイ３１０の容量ＣＲＡ２１を測定し、容量ＣＲＡ２１をリファレンス容量素子３０４の個数ｌで割ることにより、容量ＣＲ２１を算出する。
【００８８】
工程Ｐ３０２において、図２４に示すように、オシロスコープ３１３をプロービングパッド３０７に、パルス発生器３１４をプロービングパッド３０８に各々接続する。図２５は、図２４の測定系の等価回路を示したものである。図２５において、容量ＣＰＣ２１はリファレンス容量素子３０４の電極とプロービングパッド３０５を接続する配線及びプロービングパッド３０５の容量、容量ＣＰＣ２２は強誘電体容量素子３０３の電極及びリファレンス容量素子３０４の電極とプロービングパッド３０６を接続する配線及びプロービングパッド３０６の容量、容量ＣＰＣ２３は強誘電体容量素子３０３の電極及びリファレンス容量素子３０４の電極とプロービングパッド３０７を接続する配線及びプロービングパッド３０７の容量、容量ＣＰＣ２４はリファレンス容量素子３０４の電極とプロービングパッド３０８を接続する配線及びプロービングパッド３０８の容量、容量ＣＰＡ２１はプロービングパッド３０７とオシロスコープ３１３を接続する配線及びオシロスコープ３１３の入力端子の容量、容量ＣＰＡ２２はプロービングパッド３０８とパルス発生器３１４を接続する配線及びパルス発生器３１４の出力端子の容量である。図２４の測定系において、容量ＣＰＣ２１、容量ＣＰＣ２２、容量ＣＰＣ２３、容量ＣＰＣ２４は１ｐＦ程度であり、容量ＣＰＡ２１、容量ＣＰＡ２２は２０ｐＦ程度である。図２４の測定系を用いて、パルス発生器３１４によりリファレンス容量素子３０４に図２６の電圧波形３２２の電圧パルス（最大値Ｖ３０１）を印加する。電圧波形３２３はオシロスコープ３１３による観測波形（最大値Ｖ３０２）である。電圧波形３２２と電圧波形３２３の関係より、測定系の寄生容量ＣＰＣ２３＋ＣＰＡ２１を以下の式で算出する。
【００８９】
ＣＰＣ２３＋ＣＰＡ２１＝（Ｖ３０１／Ｖ３０２−１）ＣＲ２１
工程Ｐ３０３において、図２７に示すように、プロービングパッド３０６を接地し、パルス発生器３１４をプロービングパッド３０７に接続する。図２８は、図２７の測定系の等価回路を示したものである。図２８において、容量ＣＰＡ２３はプロービングパッド３０６を接地する配線の容量、容量ＣＰＡ２４はプロービングパッド３０７とパルス発生器３１４を接続する配線及びパルス発生器３１４の出力端子の容量である。容量ＣＰＡ２３は１０ｐＦ程度、容量ＣＰＡ２４は２０ｐＦ程度である。図２７の測定系を用いて、パルス発生器３１４により強誘電体容量素子３０３に図２９の電圧波形３２７の電圧パルス（振幅Ｖ３０３）を印加し、強誘電体容量素子３０３の分極を第１の方向に揃える。電圧波形３２７のパルス幅ｔ３０１は１μｓ程度である。
【００９０】
工程Ｐ３０４において、図３０に示すように、オシロスコープ３１３をプロービングパッド３０７に、パルス発生器３１４をプロービングパッド３０６に各々接続する。図３１は、図３０の測定系の等価回路を示したものである。図３１において、容量ＣＰＡ２５はプロービングパッド３０６とパルス発生器３１４を接続する配線及びパルス発生器３１４の出力端子の容量である。図３０の測定系において、容量ＣＰＡ２５は２０ｐＦ程度である。図３０の測定系を用いて、パルス発生器３１４により強誘電体容量素子３０３に図３２の電圧波形３２９の電圧パルス（振幅Ｖ３０４）を印加する。電圧波形３３０はオシロスコープ３１３による観測波形である。電圧波形３３０に測定系の寄生容量ＣＰＣ２３＋ＣＰＡ２１を乗算することにより、分極反転の波形３３１を求める。
【００９１】
工程Ｐ３０５において、図３３に示すように、オシロスコープ３１３をプロービングパッド３０６に、パルス発生器３１４をプロービングパッド３０５に各々接続する。図３４は、図３３の測定系の等価回路を示したものである。図３４において、容量ＣＰＡ２６はプロービングパッド３０５とパルス発生器３１４を接続する配線及びパルス発生器３１４の出力端子の容量、容量ＣＰＡ２７はプロービングパッド３０６とオシロスコープ３１３を接続する配線及びオシロスコープ３１３の入力端子の容量である。図３３の測定系において、容量ＣＰＡ２６、容量ＣＰＡ２７は２０ｐＦ程度である。図３３の測定系を用いて、パルス発生器３１４によりリファレンス容量素子３０４に図３５の電圧波形３３４の電圧パルス（最大値Ｖ３０１）を印加する。電圧波形３３５はオシロスコープ３１３による観測波形（最大値Ｖ３０５）である。電圧波形３３４と電圧波形３３５の関係より、測定系の寄生容量ＣＰＣ２２＋ＣＰＡ２７を以下の式で算出する。
【００９２】
ＣＰＣ２２＋ＣＰＡ２７＝（Ｖ３０１／Ｖ３０５−１）ＣＲ２１
工程Ｐ３０６において、図３６に示すように、プロービングパッド３０７を接地し、パルス発生器３１４をプロービングパッド３０６に接続する。図３７は、図３６の測定系の等価回路を示したものである。図３７において、容量ＣＰＡ２８はプロービングパッド３０６とパルス発生器３１４を接続する配線及びパルス発生器３１４の出力端子の容量、容量ＣＰＡ２９はプロービングパッド３０７を接地する配線の容量である。容量ＣＰＡ２８は２０ｐＦ程度、容量ＣＰＡ２９は１０ｐＦ程度である。図３６の測定系を用いて、パルス発生器３１４により強誘電体容量素子３０３に図２９の電圧波形３２７の電圧パルスを印加し、強誘電体容量素子３０３の分極を第２の方向に揃える。
【００９３】
工程Ｐ３０７において、図３８に示すように、オシロスコープ３１３をプロービングパッド３０６に、パルス発生器３１４をプロービングパッド３０７に各々接続する。図３９は、図３８の測定系の等価回路を示したものである。図３９において、容量ＣＰＡ３０はプロービングパッド３０７とパルス発生器３１４を接続する配線及びパルス発生器３１４の出力端子の容量である。図３８の測定系において、図４０のように、容量ＣＰＡ３０は２０ｐＦ程度である。図３８の測定系を用いて、パルス発生器３１４により強誘電体容量素子３０３に電圧波形３２９の電圧パルス（振幅Ｖ３０４）を印加する。電圧波形３４０はオシロスコープ３１３による観測波形である。電圧波形３４０に測定系の寄生容量ＣＰＣ２２＋ＣＰＡ２７を乗算することにより、分極反転の波形３４１を求める。
【００９４】
この実施の形態によれば、強誘電体容量素子３０３の分極を評価する時のソーヤタワー回路のリファレンス容量に相当する、測定系の寄生容量ＣＰＣ２３＋ＣＰＡ２１及び測定系の寄生容量ＣＰＣ２２＋ＣＰＡ２７を正確に算出することができる。測定系の寄生容量ＣＰＣ１２＋ＣＰＡ１１、測定系の寄生容量ＣＰＣ２２＋ＣＰＡ２７が各々２０ｐＦ程度であることから、先の実施の形態と同様に容量ＣＦ２１が０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子３０３の分極を正確に評価することができ、パルス幅１０ｎｓ程度のパルスによる分極反転の評価することができる。また、強誘電体容量素子３０３のどちらの電極を使っても分極測定が行えるので、正の電圧または負の電圧の一方しか印加できない構造の分極評価用回路３０２に対して、強誘電体容量素子３０３の分極測定を両方の極性ついて行える。
【００９５】
なお、上記の実施の形態では、オシロスコープ３１３とプロービングパッド３０６、３０７の接続及びパルス発生器３１４とプロービングパッド３０５〜３０８の接続及び容量計３１５とプロービングパッド３１１、３１２の接続をケーブルにより直結しているが、リレイマトリクスなどを用いて電気的に切り替えても良い。
【００９６】
また、リファレンス容量素子アレイ３１０を構成するリファレンス容量素子３０４の個数ｌを１０００個程度としたが、リファレンス容量素子群３０９の容量を精度よく測定できる個数以上であれば、１０００個に限る必要はない。
【００９７】
【発明の効果】
強誘電体容量素子の評価方法の第１の発明によれば、例えば１０ｎｓ以下のパルス幅の電圧パルスを正確に印加することができる程度に、各分極評価用強誘電体容量素子の分極を小さくし、かつ測定系の浮遊容量の影響を十分に小さくすることできる程度に、分極評価用強誘電体容量素子の個数を設定することにより、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００９８】
また、強誘電体容量素子の評価装置の発明および強誘電体容量素子の評価方法の第２の発明によれば、例えば１０ｎｓ以下のパルス幅の電圧パルスを正確に印加することができる程度に、各分極評価用強誘電体容量素子群の分極が小さくなるように、各分極評価用強誘電体容量素子群を構成する分極評価用強誘電体容量素子の個数を設定し、かつ測定系の浮遊容量の影響を十分に小さくすることできる程度に、分極評価用強誘電体容量素子群の個数を設定することにより、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【００９９】
また強誘電体容量素子の評価方法の第３の発明によれば、０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子、１個の分極を評価することができ、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができる。
【０１００】
また強誘電体容量素子の評価方法の第４の発明によれば、０．５ｐＦ程度の強誘電体容量素子、１個の分極を評価することができ、電圧パルスの立ち上がりの鈍りやリンギングの発生を抑え、パルス幅が１０ｎｓ以下の電圧パルスを正確に強誘電体容量素子に印加することができ、しかも測定系の浮遊容量の影響を受けにくく、強誘電体容量素子の分極反転を高い精度で評価することができ、さらに正の電圧または負の電圧の一方しか印加できない構造の分極評価用回路に対して、強誘電体容量素子の分極測定を両方の極性について行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置のプローブカードを示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子の評価方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスおよびオシロスコープによる観測波形を示す波形図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子の評価方法で測定された分極ヒステリシス曲線を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価方法を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態におけるリファレンス容量素子に印加する電圧パルスの波形図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形とオシロスコープによる観測波形と分極波形を示す図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価方法を示すフローチャートである。
【図２３】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図２６】本発明の第３の実施の形態におけるリファレンス容量素子に印加する電圧パルスおよびオシロスコープによる観測波形を示す波形図である。
【図２７】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図２８】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図２９】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形図である。
【図３０】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図３１】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図３２】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形とオシロスコープによる観測波形と分極波形を示す図である。
【図３３】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図３４】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図３５】本発明の第３の実施の形態におけるリファレンス容量素子に印加する電圧パルスおよびオシロスコープによる観測波形を示す波形図である。
【図３６】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図３７】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図３８】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図３９】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子の評価装置の等価回路を示す図である。
【図４０】本発明の第３の実施の形態における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形とオシロスコープによる観測波形と分極波形を示す図である。
【図４１】従来の構成における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図４２】従来の構成における強誘電体容量素子の評価装置の構成を示すブロック図である。
【図４３】従来の構成における強誘電体容量素子の評価方法を示すフローチャートである。
【図４４】従来の構成における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形図である。
【図４５】従来の構成における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスおよびオシロスコープによる観測波形を示す波形図である。
【図４６】従来の構成における強誘電体容量素子の評価方法で測定された分極ヒステリシス曲線を示す図である。
【図４７】従来の構成における強誘電体容量素子に印加する電圧パルスの波形図である。
【符号の説明】
１　　半導体基板
２　　分極評価用強誘電体容量素子群
３　　強誘電体容量素子アレイ
４　　強誘電体容量素子
５，６　　プロービングパッド
７　プローブカード
８，９　プローブ針
１０　電気スイッチボックス
１１　リファレンス容量素子
１２　パルス発生器
１３　オシロスコープ
１０１、２０１、３０１　　半導体基板
１０２　　分極評価用強誘電体容量素子群
１０３　　強誘電体容量素子アレイ
１０４、２０３、３０３　　強誘電体容量素子
１０５，１０６　　プロービングパッド
１０７　　プローブカード
１０８，１０９，１１０，１１１　　プローブ針
１１２、２０４、３０４　　リファレンス容量素子
１１３，１１４、２１３、３１４　　パルス発生器
１１５、２１２、３１３　　オシロスコープ
２０２、３０２　　分極評価用回路
２１４、３１５　　容量計
【図１】
2004109019.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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