(57)【要約】【課題】高速測定可能なインピーダンス測定装置の提供【解決手段】自動平衡ブリッジを備えるインピーダンス測定装置において、自動平衡ブリッジ内の狭帯域増幅器に具備される位相検波器およびベクトル変調器に正弦波信号および余弦波信号を供給する４つの数値制御発振器を備える。４つの数値制御発振器は、外部からの数値制御により出力信号の周波数または位相が変化する。また、インピーダンス測定装置は、４つの数値制御発振器を外部制御があってから所定時間後に周波数または位相が変化する発振器とした。さらに、インピーダンス測定装置は、４つの数値制御発振器の出力信号の周波数や位相の変化が同期するように制御する手段を備えた。【選択図】図４
2004317345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相検波器と積分器とベクトル変調器とを具備する狭帯域増幅器であって、
前記狭帯域増幅器は、入力信号を前記位相検波器により同相成分と直交成分に分解し、前記同相成分と前記直交成分をそれぞれ前記積分器により積分し、前記積分された同相成分と前記積分された直交成分を前記ベクトル変調器でベクトル変調して、ベクトル信号を出力する、狭帯域増幅器において、
さらに、第一の信号源と、第二の信号源と、第三の信号源と、第四の信号源と、制御手段とを備え、
前記第一の信号源は、第一の正弦波信号を前記位相検波器に供給し、
前記第二の信号源は、第一の正弦波信号と直交する第一の余弦波信号を前記位相検波器に供給し、
前記第三の信号源は、第二の正弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、
前記第四の信号源は、第二の正弦波信号と直交する第二の余弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、
前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源は、出力信号の周波数と位相が前記制御手段により数値制御される信号源であって、前記制御手段の制御があってから所定の待ち時間が経過した時に出力信号が実際に変化し、
前記制御手段は、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源のそれぞれの出力信号の変化時期が全て同期するよう、それぞれの前記所定の待ち時間分だけ同期させようとする時期より前に、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源のそれぞれを制御する、
ことを特徴とする狭帯域増幅器。
【請求項２】
前記積分器の出力信号が安定した状態を保てるように、前記位相検波器および前記ベクトル変調器に供給する信号を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の狭帯域増幅器。
【請求項３】
前記第一の正弦波信号と前記第二の正弦波信号との位相差は、前記第一の信号源を制御することにより調整され、
前記第一の余弦波信号と前記第二の余弦波信号との位相差は、前記第一の信号源を制御することにより調整される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の狭帯域増幅器。
【請求項４】
さらに、クロック源を備え、
前記クロック源は、第一の信号源、第二の信号源、第三の信号源および第四の信号源に、クロック信号を供給し、
前記所定の待ち時間は、前記クロック信号の周期によって決定される、
ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の狭帯域増幅器。
【請求項５】
被測定物の第一の端子に接続される信号源と、前記被測定物の第二の端子に接続され、前記第二の端子を仮想接地するとともに、前記被測定物に流れる電流信号を電圧信号に変換して出力する帰還増幅器と、前記第一の端子と前記第二の端子との間の電圧信号と、前記帰還増幅器の出力信号とのベクトル電圧比を測定する手段とを備え、前記ベクトル電圧比から前記被測定物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
前記帰還増幅器は、狭帯域増幅器を備え、
前記狭帯域増幅器は、位相検波器と積分器とベクトル変調器とを具備し、入力信号を前記位相検波器により同相成分と直交成分に分解し、前記同相成分と前記直交成分をそれぞれ前記積分器により積分し、前記積分された同相成分と前記積分された直交成分を前記ベクトル変調器でベクトル変調して、ベクトル信号を出力する、インピーダンス測定装置において、
さらに、第一の信号源と、第二の信号源と、第三の信号源と、第四の信号源と、制御手段とを備え、
前記第一の信号源は、第一の正弦波信号を前記位相検波器に供給し、
前記第二の信号源は、第一の正弦波信号と直交する第一の余弦波信号を前記位相検波器に供給し、
前記第三の信号源は、第二の正弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、
前記第四の信号源は、第二の正弦波信号と直交する第二の余弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、
前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源は、出力信号の周波数と位相が前記制御手段により数値制御される信号源であって、前記制御手段の制御があってから所定の待ち時間が経過した時に出力信号が実際に変化し、
前記制御手段は、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源のそれぞれの出力信号の変化時期が全て同期するよう、それぞれの前記所定の待ち時間分だけ同期させようとする時期より前に、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源のそれぞれを制御する、
ことを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項６】
前記積分器の出力信号が安定した状態を保てるように、前記位相検波器および前記ベクトル変調器に供給する信号を制御する、
ことを特徴とする請求項５に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項７】
前記第一の正弦波信号と前記第二の正弦波信号との位相差は、前記第一の信号源を制御することにより調整され、
前記第一の余弦波信号と前記第二の余弦波信号との位相差は、前記第一の信号源を制御することにより調整される、
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項８】
さらに、クロック源を備え、
前記クロック源は、第一の信号源、第二の信号源、第三の信号源および第四の信号源に、クロック信号を供給し、
前記所定の待ち時間は、前記クロック信号の周期によって決定される、
ことを特徴とする請求項５、請求項６または請求項７に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項９】
被測定物の第一の端子に接続される信号源と、前記被測定物の第二の端子に接続され、前記第二の端子を仮想接地するとともに、前記被測定物に流れる電流信号を電圧信号に変換して出力する帰還増幅器と、前記第一の端子と前記第二の端子との間の電圧信号と、前記帰還増幅器の出力信号とのベクトル電圧比を測定する手段とを備え、前記ベクトル電圧比から前記被測定物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
前記帰還増幅器は、位相検波器とベクトル変調器とを具備する変調形の狭帯域増幅器を備える、インピーダンス測定装置において、
さらに、第一の信号源と、第二の信号源と、第三の信号源と、第四の信号源と、制御手段とを備え、
前記第一の信号源は、第一の正弦波信号を前記位相検波器に供給し、
前記第二の信号源は、第一の正弦波信号と直交する第一の余弦波信号を前記位相検波器に供給し、
前記第三の信号源は、第二の正弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、
前記第四の信号源は、第二の正弦波信号と直交する第二の余弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、
前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源は、出力信号の周波数と位相が前記制御手段により数値制御される信号源であって、
前記制御手段は、前記第一の正弦波信号と前記第二の正弦波信号との位相差を前記第一の信号源を制御することにより調整し、前記第一の余弦波信号と前記第二の余弦波信号との位相差を前記第一の信号源を制御することにより調整する、
ことを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項１０】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインピーダンス測定装置に係り、特に、高速測定が可能なインピーダンス測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インピーダンス測定装置の先行技術例として、自動平衡ブリッジ法によるインピーダンス測定装置がある。自動平衡ブリッジ法によるインピーダンス測定装置は、広い測定周波数範囲をカバーし、また、広いインピーダンス測定範囲で測定確度が良いことを特徴とする（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
以下に、自動平衡ブリッジ法によるインピーダンス装置の内部構成と動作について説明する。図１は、自動平衡ブリッジ法によるインピーダンス装置の内部構成を示す図である。図１において、インピーダンス測定装置１０は、被測定物１００のインピーダンスを測定するために、信号源２００と、電流電圧変換器３００とベクトル電圧計４００とを備える。インピーダンス測定装置１０は、装置全体がＣＰＵなどの演算制御装置ＣＴＲＬ１（不図示）の制御により動作する。
【０００４】
被測定物１００は、２端子を有する素子または回路である。被測定物１００は、端子を少なくとも２つ有していれば良いので、３以上の端子を有する素子または回路などであっても良い。その場合、３以上の端子のうち２つが測定に用いられる。被測定物１００は、図１中において「ＤＵＴ」と表示する。図１において、被測定物１００とケーブル５１０とケーブル５２０とが接続される点を、Ｈｉｇｈ端子と称する。また、被測定物１００とケーブル５３０とケーブル５４０とが接続される点を、Ｌｏｗ端子と称する。
【０００５】
信号源２００は、ケーブル５１０を介して被測定物１００の第一の端子に接続され、被測定物１００に供給する測定信号を発生する信号源である。また、信号源２００は、ケーブル５１０、ケーブル５２０およびバッファ５５０を介してベクトル電圧計４００にも接続され、測定信号をベクトル電圧計４００に供給する。測定信号は、単一正弦波信号とする。しかし、測定信号は、単一正弦波信号に限定されず、複数の正弦波を含む信号であっても良い。
【０００６】
電流電圧変換器３００は、被測定物１００に流れる電流を変換して電圧信号をバッファ５６０へ出力するものである。電流電圧変換器３００は、零位検出器３１０と、狭帯域増幅器６００と、バッファ３２０と、レンジ抵抗器３３０とを備える。ケーブル５３０、零位検出器３１０、狭帯域増幅器６００、バッファ３２０、レンジ抵抗器３３０、および、ケーブル５４０は、負帰還ループ３４０を形成している。
【０００７】
零位検出器３１０は、レンジ抵抗器３３０に流れる電流と被測定物１００に流れる電流とを平衡させて、ケーブル５３０を介して零位検出器３１０の入力端子に流れ込む電流を零にするような信号を狭帯域増幅器６００へ出力する。レンジ抵抗器３３０に流れる電流と被測定物１００に流れる電流とが平衡する時、Ｌｏｗ端子の電圧は仮想接地される。
【０００８】
ここで、図２を参照する。図２は、狭帯域増幅器６００の内部構成を示す図である。狭帯域増幅器６００は、位相検波器６１０と、フィルタ６２０およびフィルタ６３０と、ベクトル変調器６４０と、信号源６５０とを備え、零位検出器３１０の出力信号を増幅してバッファ３２０へ出力する。狭帯域増幅器６００は、零位検出器３１０の出力信号を位相検波器６１０により同相成分と直交成分とに分解し、同相成分および直交成分をフィルタ６２０およびフィルタ６３０により濾波し、濾波された同相成分および直交成分をベクトル変調器６４０により変調し、ベクトル変調電圧信号をバッファ３２０へ出力する。
【０００９】
信号源６５０は、測定信号と同一の周波数を有する正弦波信号源である。信号源６５０の出力信号は、位相シフト回路６６０により余弦波信号に変換される。また、位相トラッキング回路６７０は、信号源６５０の出力信号を所望の位相量だけずらして出力する。位相トラッキング回路６８０は、位相シフト回路６６０の出力信号を所望の位相量だけずらして出力する。
【００１０】
位相検波器６１０は、混合器６１１と混合器６１２とを備える。混合器６１１は、位相トラッキング回路６７０の出力信号が入力される。混合器６１２は、位相トラッキング回路６８０の出力信号が入力される。位相トラッキング回路６７０が出力する正弦波信号と位相トラッキング回路６８０が出力する余弦波信号は、測定信号と同一の周波数を有し、互いに直交する。従って、混合器６１１と混合器６１２は、零位検出器３１０の出力信号を同相成分と直交成分とに直交分解することができる。
【００１１】
フィルタ６２０は、積分器であって、混合器６１１の出力信号を積分する。フィルタ６３０は、積分器であって、混合器６１２の出力信号を積分する。
【００１２】
ベクトル変調器６４０は、混合器６４１および混合器６４２と、加算器６４３とを備える。混合器６４１は、信号源６５０の出力信号が入力される。混合器６４２は、位相シフト回路６６０の出力信号が入力される。信号源６５０が出力する正弦波信号と位相シフト回路６６０が出力する余弦波信号は、測定信号と同一の周波数を有し、互いに直交する。混合器６４１は、フィルタ６２０の出力信号を信号源６５０から出力される正弦波信号で変調し出力する。混合器６４２は、フィルタ６３０の出力信号を位相シフト回路６６０から出力される余弦波信号で変調し出力する。混合器６４１から出力される電圧信号と混合器６４２から出力される電圧信号は、加算器６４３により加算され、バッファ３２０へ出力される。
【００１３】
なお、上述の説明からも明らかなように、狭帯域増幅器６００は、一時に増幅する帯域は狭いが、信号源６５０の出力信号の周波数を可変する事により広い周波数範囲に対応する。
【００１４】
再び、図１を参照する。ベクトル電圧計４００は、バッファ５５０の出力信号Ｅｄｕｔおよびバッファ５６０の出力信号Ｅｒｒをそれぞれ測定する。制御装置ＣＴＲＬ１は、測定された信号Ｅｄｕｔと信号Ｅｒｒとのベクトル比を計算し、さらに、計算したベクトル比とレンジ抵抗器３３０の抵抗値とから被測定物１００のインピーダンスを算出する。
【００１５】
【特許文献１】
特開平１０−３８９３６号公報（第２−３頁、第７図）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体ウェハー上に形成されるＭＯＳ型デバイスの製造工程における重要な測定項目の１つに、ゲート酸化膜厚の測定がある。ゲート酸化膜厚は、ＭＯＳ型デバイスの動作閾値を決定付ける重要なパラメータである。ゲート酸化膜厚は、ＭＯＳ型デバイスのインピーダンスを測定し、インピーダンス測定値からＭＯＳ型デバイスの容量を算出し、算出した容量値から誘電率を介して酸化膜厚へ等価換算する事により測定されるようになってきた。従来のインピーダンス測定装置１０は、ＭＯＳ型デバイスのインピーダンスを測定しようとする場合、２つの問題がある。
【００１７】
１つ目の問題は、信号源６５０の出力信号の周波数が変化した時に混合器６１１などに入力される信号が安定するまでに時間を要することである。信号源６５０の出力信号の周波数は、被測定物１００のインピーダンスを複数の周波数で測定する場合に、測定信号に追従して変化する。上述の通り、信号源６５０の出力信号は、位相シフト回路６６０、位相トラッキング回路６７０または位相トラッキング回路６８０を経由して混合器６１１などに入力される。従来、位相シフト回路６６０は、ＰＬＬ回路で構成される。また、位相トラッキング回路６７０および位相トラッキング回路６８０は、全帯域通過フィルタまたは高域通過フィルタで構成される。従って、位相シフト回路６６０、位相トラッキング回路６７０および位相トラッキング回路６８０は、入力される信号の周波数が変わると、出力信号が安定するまでに時間を要する。インピーダンス測定装置では、幾つかの周波数に変更しながら測定を行う。その際に、信号の収束時間が長引けば、電流電圧変換器３００の出力信号の収束時間も長引き測定開始が遅れる。つまり、上述の信号収束時間が高速測定の阻害要因となっている。
【００１８】
２つ目の問題は、測定精度と回路規模とのトレードオフである。インピーダンス測定装置１０は、負帰還ループ３４０を安定動作させるために、負帰還ループ３４０の一巡移相を１８０°に調整する。具体的には、演算制御装置ＣＴＲＬ１が位相トラッキング回路６７０を制御し、混合器６１１に入力される信号と混合器６４１に入力される信号の位相差を調整する。また、演算制御装置ＣＴＲＬ１が位相トラッキング回路６８０を制御し、混合器６１１に入力される信号と混合器６４１に入力される信号の位相差を調整する。従来、位相トラッキング回路６７０および位相トラッキング回路６８０は、抵抗器やコンデンサなどの受動部品を含む回路により構成される。位相トラッキング回路６７０および位相トラッキング回路６８０は、上述の位相差の調整を精密に行おうとすれば、抵抗器とコンデンサとの組が多数必要となる。部品点数の増加は、回路規模の増大および平均無故障時間（ＭＴＢＦ）の増加を招く。また、抵抗器やコンデンサは温度依存特性を有するので、部品点数の増加は測定誤差の増加も招く。一方、抵抗器とコンデンサとの組を少なくすると、負帰還ループ３４０の収束時間が長くなる。特に、ウェハー上に形成されたＭＯＳ型デバイスのインピーダンスを測定する場合、マトリックス・スイッチやプローブカードなどを介して測定を行うので、収束時間の問題が顕著に現れる。また、位相トラッキング回路６７０の移相量と位相トラッキング回路６８０の移相量とが同一にならず、測定誤差を生じる場合がある。
【００１９】
近年、半導体の微細加工技術は著しい進歩を遂げ、１枚のウェハー上に膨大な数の素子または回路が形成されている。測定対象となる素子の数が著しく増加する一方で、それに応じた測定時間の増加は許容されない。また、高速測定のために、測定精度を犠牲にすることも許されない。現在の半導体業界において、高速かつ高精度なインピーダンス測定の実現が極めて重要な課題となっている。
【００２０】
本発明は、上記の課題を解決するために、測定精度を犠牲にすること無く、インピーダンス測定装置の測定を高速化する事を目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するためになされたものであって、本第一の発明は、位相検波器と積分器とベクトル変調器とを具備する狭帯域増幅器であって、前記狭帯域増幅器は、入力信号を前記位相検波器により同相成分と直交成分に分解し、前記同相成分と前記直交成分をそれぞれ前記積分器により積分し、前記積分された同相成分と前記積分された直交成分を前記ベクトル変調器でベクトル変調して、ベクトル信号を出力する、狭帯域増幅器において、さらに、第一の信号源と、第二の信号源と、第三の信号源と、第四の信号源と、制御手段とを備え、前記第一の信号源は、第一の正弦波信号を前記位相検波器に供給し、前記第二の信号源は、第一の正弦波信号と直交する第一の余弦波信号を前記位相検波器に供給し、前記第三の信号源は、第二の正弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、前記第四の信号源は、第二の正弦波信号と直交する第二の余弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源は、出力信号の周波数と位相が前記制御手段により数値制御される信号源であって、前記制御手段の制御があってから所定の待ち時間が経過した時に出力信号が実際に変化し、前記制御手段は、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源のそれぞれの出力信号の変化時期が全て同期するよう、それぞれの前記所定の待ち時間分だけ同期させようとする時期より前に、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源のそれぞれを制御する、ことを特徴とするものである。
【００２２】
また、本第二の発明は、本第一の発明において、前記積分器の出力信号が安定した状態を保てるように、前記位相検波器および前記ベクトル変調器に供給する信号を制御する、ことを特徴とするものである。
【００２３】
さらに、本第三の発明は、前記第一の発明または前記第二の発明において、前記第一の正弦波信号と前記第二の正弦波信号との位相差は、前記第一の信号源を制御することにより調整され、前記第一の余弦波信号と前記第二の余弦波信号との位相差は、前記第一の信号源を制御することにより調整される、ことを特徴とするものである。
【００２４】
またさらに、本第四の発明は、前記第一の発明、前記第二の発明または前記第三の発明において、さらに、クロック源を備え、前記クロック源は、第一の信号源、第二の信号源、第三の信号源および第四の信号源に、クロック信号を供給し、前記所定の待ち時間は、前記クロック信号の周期によって決定される、ことを特徴とするものである。
【００２５】
また、本第五の発明は、被測定物の第一の端子に接続される信号源と、前記被測定物の第二の端子に接続され、前記第二の端子を仮想接地するとともに、前記被測定物に流れる電流信号を電圧信号に変換して出力する帰還増幅器と、前記第一の端子と前記第二の端子との間の電圧信号と、前記帰還増幅器の出力信号とのベクトル電圧比を測定する手段とを備え、前記ベクトル電圧比から前記被測定物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、前記帰還増幅器は、変調形の狭帯域増幅器を備え、前記狭帯域増幅器は、位相検波器と積分器とベクトル変調器とを具備し、入力信号を前記位相検波器により同相成分と直交成分に分解し、前記同相成分と前記直交成分をそれぞれ前記積分器により積分し、前記積分された同相成分と前記積分された直交成分を前記ベクトル変調器でベクトル変調して、ベクトル信号を出力する、インピーダンス測定装置において、さらに、第一の信号源と、第二の信号源と、第三の信号源と、第四の信号源と、制御手段とを備え、前記第一の信号源は、第一の正弦波信号を前記位相検波器に供給し、前記第二の信号源は、第一の正弦波信号と直交する第一の余弦波信号を前記位相検波器に供給し、前記第三の信号源は、第二の正弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、前記第四の信号源は、第二の正弦波信号と直交する第二の余弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源は、出力信号の周波数と位相が前記制御手段により数値制御される信号源であって、前記制御手段の制御があってから所定の待ち時間が経過した時に出力信号が実際に変化し、前記制御手段は、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源のそれぞれの出力信号の変化時期が全て同期するよう、それぞれの前記所定の待ち時間分だけ同期させようとする時期より前に、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源のそれぞれを制御する、ことを特徴とするインピーダンス測定装置。
【００２６】
さらに、本第六の発明は、本第五の発明において、前記積分器の出力信号が安定した状態を保てるように、前記位相検波器および前記ベクトル変調器に供給する信号を制御する、ことを特徴とするものである。
【００２７】
またさらに、本第七の発明は、本第五の発明または本第六の発明において、前記第一の正弦波信号と前記第二の正弦波信号との位相差は、前記第一の信号源を制御することにより調整され、前記第一の余弦波信号と前記第二の余弦波信号との位相差は、前記第一の信号源を制御することにより調整される、ことを特徴とするものである。
【００２８】
またさらに、本第八の発明は、本第五の発明、本第六の発明または本第七の発明において、さらに、クロック源を備え、前記クロック源は、第一の信号源、第二の信号源、第三の信号源および第四の信号源に、クロック信号を供給し、前記所定の待ち時間は、前記クロック信号の周期によって決定される、ことを特徴とするものである。
【００２９】
またさらに、本第九の発明は、被測定物の第一の端子に接続される信号源と、前記被測定物の第二の端子に接続され、前記第二の端子を仮想接地するとともに、前記被測定物に流れる電流信号を電圧信号に変換して出力する帰還増幅器と、前記第一の端子と前記第二の端子との間の電圧信号と、前記帰還増幅器の出力信号とのベクトル電圧比を測定する手段とを備え、前記ベクトル電圧比から前記被測定物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、前記帰還増幅器は、位相検波器とベクトル変調器とを具備する変調形の狭帯域増幅器を備える、インピーダンス測定装置において、さらに、第一の信号源と、第二の信号源と、第三の信号源と、第四の信号源と、制御手段とを備え、前記第一の信号源は、第一の正弦波信号を前記位相検波器に供給し、前記第二の信号源は、第一の正弦波信号と直交する第一の余弦波信号を前記位相検波器に供給し、前記第三の信号源は、第二の正弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、前記第四の信号源は、第二の正弦波信号と直交する第二の余弦波信号を前記ベクトル変調器に供給し、前記第一の信号源、前記第二の信号源、前記第三の信号源および前記第四の信号源は、出力信号の周波数と位相が前記制御手段により数値制御される信号源であって、前記制御手段は、前記第一の正弦波信号と前記第二の正弦波信号との位相差を前記第一の信号源を制御することにより調整し、前記第一の余弦波信号と前記第二の余弦波信号との位相差を前記第一の信号源を制御することにより調整する、ことを特徴とするものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付の図面に示す好適実施形態に基づいて説明する。本発明の好適実施形態は、自動平衡ブリッジ法によるインピーダンス測定装置であって、その内部構成図を図３に示す。なお、図１と図３とにおいて、互いに等価な機能および性能を有する構成要素には、同一の参照番号が付してある。
【００３１】
図３において、インピーダンス測定装置２０は、被測定物１００のインピーダンスを測定するために、信号源２００と、電流電圧変換器８００とベクトル電圧計４００とを備える。インピーダンス測定装置２０は、プログラムを実行するコンピュータ装置１０００の制御により動作する。
【００３２】
被測定物１００は、半導体ウェハー上の複数のＭＯＳ型デバイスである。図示の便宜上、被測定物１００は、１つのみ図示し「ＤＵＴ」と表示する。本実施の形態ではＭＯＳ型デバイスの容量を測定するので、被測定物１００は第一の端子と第二の端子とを有するコンデンサとする。被測定物１００は、ウェハーインターフェース装置７００を介してインピーダンス測定装置２０と接続される。ウェハーインターフェース装置７００は、図示しないが、半導体ウェハーを固定するためのチャック、半導体ウェハー上の被測定物１００に接触するためのプローブカード、および、マトリックス・スイッチなどを備える。図３において、ウェハーインターフェース装置７００とケーブル５１０とケーブル５２０とが接続される点を、Ｈｉｇｈ端子と称する。また、ウェハーインターフェース装置７００とケーブル５３０とケーブル５４０とが接続される点を、Ｌｏｗ端子と称する。なお、被測定物１００は、端子を少なくとも２つ有していれば良いので、トランジスタのように３以上の端子を有する素子または回路などであっても良い。その場合、３以上の端子のうち２つが測定に用いられる。
【００３３】
信号源２００は、ケーブル５１０およびウェハーインターフェース装置７００を介して被測定物１００の第一の端子に接続され、被測定物１００に供給する測定信号を発生する信号源である。また、信号源２００は、ケーブル５１０、ケーブル５２０およびバッファ５５０を介してベクトル電圧計４００にも接続され、測定信号をベクトル電圧計４００に供給する。測定信号は、単一正弦波信号とする。しかし、測定信号は、単一正弦波信号に限定されず、複数の正弦波を含む信号であっても良い。
【００３４】
電流電圧変換器８００は、被測定物１００に流れる電流を変換して電圧信号をバッファ５６０へ出力するものである。電流電圧変換器８００は、零位検出器３１０と、狭帯域増幅器９００と、バッファ３２０と、レンジ抵抗器３３０とを備える。ケーブル５３０、零位検出器３１０、狭帯域増幅器９００、バッファ３２０、レンジ抵抗器３３０、および、ケーブル５４０は、負帰還ループ８１０を形成している。
【００３５】
零位検出器３１０は、レンジ抵抗器３３０に流れる電流と被測定物１００に流れる電流とを平衡させて、ケーブル５３０を介して零位検出器３１０の入力端子に流れ込む電流を零にするような信号を狭帯域増幅器９００へ出力する。レンジ抵抗器３３０に流れる電流と被測定物１００に流れる電流とが平衡する時、Ｌｏｗ端子の電圧は仮想接地される。
【００３６】
ここで、図４を参照する。図４は、狭帯域増幅器９００の内部構成を示す図である。狭帯域増幅器９００は、位相検波器９１０と、フィルタ９２０およびフィルタ９３０と、ベクトル変調器９４０とを備え、零位検出器３１０の出力信号を増幅してバッファ３２０へ出力する。また、狭帯域増幅器９００は、クロック源９６０と、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４を備える。
【００３７】
クロック源９６０は、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４にクロック信号ＣＬＫを供給する。クロック源が発生するクロック信号ＣＬＫは、矩形波信号である。クロック源が発生するクロック信号ＣＬＫは、信号源９５１などを動作させる事ができるものであれば矩形波信号に限定されず、例えば、正弦波信号であっても良い。なお、クロック信号ＣＬＫを同期伝送するために、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４のそれぞれとクロック源９６０との間を接続するクロック信号線は、電気的線路長とインピーダンスが等しくなるように設計されている。また、クロック信号ＣＬＫを同期伝送するために、クロック源９６０、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４は、接続されるクロック信号線とインピーダンスが整合するように設計されている事が望ましい。さらに、クロック信号を同期伝送するために、クロック信号ＣＬＫは、受信端においてシュミットトリガ回路などにより波形整形されている事が望ましい。これらの技術は、クロック信号ＣＬＫの周波数が高くなるにつれて同期効果を顕著に奏する。
【００３８】
信号源９５１および信号源９５３は、クロック信号ＣＬＫに応答して正弦波信号を出力する。また、信号源９５２および信号源９５４は、クロック信号ＣＬＫに応答して余弦波信号を出力する信号源である。信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４は、同一のダイレクト・ディジタル・シンセサイザーであって、出力する信号の周波数および位相がコンピュータ装置１０００により個別に制御される。信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４は、コンピュータ装置１０００の制御があってから、所定の待ち時間経過した時に、実際に出力信号の周波数や位相が変化する。信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４の出力信号は、測定信号と同一の周波数を有する。また、信号源９５１の出力信号と信号源９５２の出力信号、および、信号源９５３の出力信号と信号源９５４の出力信号は、それぞれ互いに直交する。なお、信号源９５１および信号源９５３が余弦波信号を出力し、信号源９５２および信号源９５４が正弦波信号を出力するようにしても良い。また、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４の出力信号は、正弦波信号や余弦波信号に限定されず、例えば、矩形波信号であっても良い。さらに、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４は、コンピュータ装置１０００によりディジタル制御が可能な数値制御発振器で有れば良い。
【００３９】
位相検波器９１０は、混合器９１１および混合器９１２とを備える。混合器９１１は、信号源９５１の出力信号が入力される。また、混合器９１２は、信号源９５２の出力信号が入力される。信号源９５１の出力信号と信号源９５２の出力信号は、測定信号と同一の周波数を有し、互いに直交する。従って、混合器９１１と混合器９１２は、零位検出器３１０の出力信号を同相成分と直交成分とに直交分解して、フィルタ９２０およびフィルタ９３０へ出力する。
【００４０】
フィルタ９２０は、積分器であって、混合器９１１の出力信号を積分する。また、フィルタ９３０は、積分器であって、混合器９１２の出力信号を積分する。
【００４１】
ベクトル変調器９４０は、混合器９４１および混合器９４２と、加算器９４３とを備える。混合器９４１は、信号源９５３の出力信号が入力される。また、混合器９４２は、信号源９５４の出力信号が入力される。信号源９５３の出力信号と信号源９５４の出力信号は、測定信号と同一の周波数を有し、互いに直交する。混合器９４１は、フィルタ９２０の出力信号を信号源９５３から出力される信号で変調し出力する。混合器９４２は、フィルタ９３０の出力信号を信号源９５４から出力される信号で変調し出力する。混合器９４１から出力される電圧信号と混合器９４２から出力される電圧信号は、加算器９４３により加算され、バッファ３２０へ出力される。
【００４２】
再び、図３を参照する。ベクトル電圧計４００は、バッファ５５０の出力信号Ｅｄｕｔおよびバッファ５６０の出力信号Ｅｒｒをそれぞれ測定する。コンピュータ装置１０００は、測定された信号Ｅｄｕｔと信号Ｅｒｒとのベクトル比を計算し、さらに、計算したベクトル比とレンジ抵抗器３３０の抵抗値とから被測定物１００のインピーダンスを算出する。図示しないが、レンジ抵抗器３３０は、抵抗値の異なる複数の抵抗器から構成されており、測定しようとする被測定物１００のインピーダンスに応じて、それらの抵抗器が適宜選択される。これにより、インピーダンス測定装置２０は、広範囲のインピーダンス値を測定することができる。
【００４３】
さて、被測定物１００のインピーダンスを複数の周波数で測定する場合、インピーダンス測定装置２０は、信号源２００、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４の出力信号の周波数を変化させる。信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４の出力信号の周波数を変化させる時、コンピュータ装置１０００は、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４のそれぞれの出力信号の変化時期が全て同期するよう、それぞれの所定の待ち時間分だけ同期させようとする時期より前に、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４のそれぞれを制御する。
【００４４】
また、インピーダンス測定装置２０は、負帰還ループ８１０を安定動作させるために、負帰還ループ８１０の一巡移相が１８０°になるように信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４を制御する。従って、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４の出力信号は、周波数が変化する時、位相も変化する場合がある。この場合、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４の出力信号の周波数と位相は同時に変化することが理想的である。出力信号の周波数と位相を同時に変化するよう制御できない場合には、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４は、少なくとも出力信号の周波数が同時に変化するように制御される。位相検波器９１０に供給される信号の周波数とベクトル変調器９４０に供給される信号の周波数が異なる場合、負帰還ループ８１０が発振する。負帰還ループ８１０の発振は、電流電圧変換器８００の出力信号の収束時間を長引かせる。従って、高速測定には、負帰還ループ８１０の発振を抑制することが重要であり、上記のように、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４の出力信号の周波数を同時に変化するように制御している。ここで、負帰還ループ８１０の発振とは、フィルタ９２０またはフィルタ９３０の出力信号が発振することを意味する。従って、負帰還ループ８１０が安定していれば、フィルタ９２０またはフィルタ９３０の出力信号も安定している。コンピュータ装置１０００の制御があってから実際に期待する周波数に変化するまでの期間に、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４のいずれかが期待しない信号を出力する場合には、負帰還ループ８１０は不安定な状態になる。負帰還ループ８１０が不安定な状態になれば、電流電圧変換器８００の出力信号の収束時間は長引く。負帰還ループ８１０が不安定な状態になることを抑制するためには、少なくとも期待しない信号が出力される期間は、位相検波器９１０に供給する信号もしくはベクトル変調器９４０に供給する信号または両信号を零または直流信号となるように制御すると良い。供給信号を零または直流信号とするには、零または直流信号が出力可能な信号源、または、供給信号と零または直流信号とを切り替えるスイッチを備え、その信号源またはスイッチをコンピュータ装置１０００が適宜制御するようにすれば良い。
【００４５】
さらに、インピーダンス測定装置２０は、負帰還ループ８１０の一巡移相を調整するために、信号源９５１と信号源９５２のみを制御する。もちろん、インピーダンス測定装置２０は、信号源９５３の出力信号と信号源９５４の出力信号とが互いに直交するように、信号源９５３と信号源９５４を制御する。しかし、負帰還ループ８１０の一巡移相は、信号源９５１と信号源９５２の制御により調整される。これにより、信号源９５３および信号源９５４は、出力信号の位相の細かな調整が必要なくなり、ノイズ特性や歪特性が優れた信号源を選択する事ができる。ベクトル電圧計４００の測定結果は、信号源９５３および信号源９５４の出力信号の特性に左右されるので、信号源９５３および信号源９５４をノイズ特性や歪特性が優れた信号源とする事はインピーダンス測定装置２０にとって有利な選択である。一方、信号源９５３および信号源９５４は、出力信号に含まれるノイズや出力信号の歪成分を後続のフィルタ９２０およびフィルタ９３０により取り除くようにすれば、位相調整精度が高い信号源を選択できるようになる。
【００４６】
ここで、上記の制御規則に従った信号源９５１と信号源９５３の出力信号を図５に例示する。本例では、信号源９５１と信号源９５３の出力信号の周波数をｆ１からｆ２に変更し、両信号の位相差をφ１からφ２に変更する。信号源９５１と信号源９５３とは異なる信号源である。信号源９５１と信号源９５３とは、同一クロック信号に応答して動作する。信号源９５１は、出力信号の位相を細かく調整可能な信号源である。また、信号源９５１は、コンピュータ装置１０００の制御があってから所定の待ち時間（Ｌクロック）が経過した時に、出力信号の周波数と位相が変化する。信号源９５３は、出力信号のノイズ特性や歪特性が信号源９５１よりも優れた信号源である。また、信号源９５３は、内部処理の都合上、コンピュータ装置１０００の制御があってから実際に期待する周波数や位相に変化するまでの間に、一旦、零または直流信号を出力する。図中では、コンピュータ装置１０００の制御があってからＭクロック後に出力信号が零（０）となり、さらにＮクロック後に実際に期待する周波数ｆ２に変化している。これにより、信号源９５１と信号源９５３の出力信号の周波数は実際に期待する値ｆ２に変化し、両信号の位相差も期待する値φ２に変化する。図中の制御信号は、事前に各信号源に設定された周波数や位相を実際に反映させるための信号である。このような場合、インピーダンス測定装置２０は、信号源９５１と信号源９５３の出力信号の周波数が同時に変化するように、信号源９５１と信号源９５３を制御すると良い。信号源９５２と信号源９５４の場合も上述の例と同様である。上記の例のように、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４の信号変化時における所定の待ち時間がクロック信号の周期により決定されるようにすれば、インピーダンス測定装置２０は、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４を同期動作させることが容易になる。この事は、信号源９５１、信号源９５２、信号源９５３および信号源９５４が同一であるとないとを問わず、変わりない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の狭帯域増幅器は、適当に制御される４つの信号源を備えることにより、位相シフト回路および位相トラッキング回路に起因する収束時間の問題が解消され、出力信号の収束時間が短縮され、負帰還ループの一巡位相の誤差が小さくなったので、結果として、高速かつ高精度な増幅動作が可能となる。このような狭帯域増幅器を備える本発明のインピーダンス測定装置は、高速かつ高精度に測定することができる。また、本発明の狭帯域増幅器およびインピーダンス測定装置は、位相シフト回路や位相トラッキング回路を備える必要がなくなるので、構成を簡素化でき、位相シフト回路や位相トラッキング回路の温度特性に起因する測定誤差を低減できる。さらに、本発明の狭帯域増幅器およびインピーダンス測定装置は、位相シフト回路などのアナログ回路を備える必要がなくなるので、高度な集積化が可能になり、構成の簡素化との相乗効果により回路規模が極めて小さくなる。またさらに、本発明の狭帯域増幅器およびインピーダンス測定装置は、負帰還ループの一巡移相を位相検波器に信号を供給する信号源の制御により調整するので、信号源の選択の自由度が広がり、優れた信号源を使用することができる。また、従来の位相シフト回路や位相トラッキング回路は、アナログ部品で構成されるため、位相変化量に依り位相検波器やベクトル変調器に供給する信号レベルが変化した。一方、本発明の狭帯域増幅器において、数値制御発振器は、出力信号の位相を調整しても出力信号レベルが変わることはない。このような狭帯域増幅器を備えるインピーダンス測定装置は、広い範囲のインピーダンス値を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術によるインピーダンス測定装置の内部構成を示す図である。
【図２】従来技術によるインピーダンス測定装置に具備される狭帯域増幅器の内部構成を示す図である。
【図３】本発明のインピーダンス測定装置の内部構成を示す図である。
【図４】本発明のインピーダンス測定装置に具備される狭帯域増幅器の内部構成を示す図である。
【図５】信号源９５１および信号源９５３の出力信号を示す図である。
【符号の説明】
２０    インピーダンス測定装置
１００  被測定物
２００  信号源
３１０  零位検出器
３２０，５５０，５６０  バッファ
３３０  レンジ抵抗器
４００  ベクトル電圧計
５１０，５２０，５３０，５４０  ケーブル
８００  電流電圧変換器
９００  狭帯域増幅器
９１０  位相検波器
９１１，９１２，９４１，９４２  混合器
９２０，９３０  フィルタ
９４０  ベクトル変調器
９４３  加算器
９５１，９５２，９５３，９５４  信号源
９６０  クロック源
１０００  コンピュータ装置
【図１】
2004317345.tif 000003
【図２】
2004317345.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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