JP6008332B2

JP6008332B2 - プローブカード及びノイズ測定装置

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Publication number: JP6008332B2
Application number: JP2013537501A
Authority: JP
Inventors: 健治大毛利; 隆蓮沼; 蓮沼　　隆
Original assignee: University of Tsukuba NUC
Current assignee: University of Tsukuba NUC
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-10-01
Also published as: TW201333477A; JPWO2013051515A1; WO2013051515A1; TWI560450B

Description

本発明は、プローブカード及びノイズ測定装置に関し、特にＭＯＳ型電界効果トランジスタのノイズを測定する場合に好適なものである。

ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下、「ＭＯＳＦＥＴ」という）の微細化に伴い、特性の揺らぎが顕在化して問題となっている。揺らぎは、しきい値電圧ばらつき等の静特性のばらつきと、雑音に代表される時間的な（動特性の）揺らぎに分けることが出来る。雑音の特性は、一般に周波数スペクトルとして評価される。

ＭＯＳＦＥＴの低周波帯域の雑音特性は、１／ｆ雑音、フリッカー雑音とも言われ、周波数に対して１／ｆで減少する特性を示す。１〜１０^３Ｈｚの低周波ノイズについてはこまで多くの論文が報告されている（例えば、非特許文献１〜３）。

図６は市販の機器（Agilent社製、B1530A）を用いてノイズを測定した結果である。１００はＭＯＳＦＥＴに接続しない場合の測定系のノイズ強度、１０１はＭＯＳＦＥＴに接続したときのノイズ強度である。本図より、１ＭＨｚ以下の領域では測定系のノイズに対してＭＯＳＦＥＴのノイズが大きく、その評価が可能であるが、１ＭＨｚを超えると測定系のノイズとＭＯＳＦＥＴのノイズが同程度になり、高周波数での測定が出来ないことがわかる。他の市販機器を用いても数ｋＨｚまでの雑音特性測定が現実的である。

現在の先端ＳＲＡＭは５ｎｓ以下で書き換えが行われており、その速さは周波数帯域では２００ＭＨｚ以上に相当する。ＳＲＡＭの書き込み／読み込みエラーが問題となっているが、そのエラーの直接的な原因やプロセス条件との相関性を検証するためには、ＭＯＳＦＥＴの雑音測定をＳＲＡＭの動作周波数帯域である１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの帯域で行う必要がある。

K. K. Hung et al.,IEEE TED 37 (1990) 654. F. N. Hooge IEEE TED41 (1994) 1926. E. Simoen et al.,Solid-State Electronics 43 (1999) 865.

しかしながら従来のノイズ測定装置では、ＳＲＡＭの動作周波数帯域である１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの帯域でノイズ測定を行うことが出来ないという問題があった。

そこで本発明は、上記した問題点に鑑み、数ＭＨｚ以上の高周波数帯域においてノイズを測定することができるプローブカード及びノイズ測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、ＭＯＳ型電界効果トランジスタに当接するプローブを有し、前記ＭＯＳ型電界効果トランジスタのノイズを測定するプローブカードに、前記ＭＯＳ型電界効果トランジスタの出力信号を増幅する増幅回路が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、プローブカードに増幅回路を搭載し、ＭＯＳ型電界効果トランジスタと増幅回路との距離を短くした。これにより、本発明は、位相のずれ等の信号伝達のロスを抑制できるので、高周波数帯域においてノイズを測定することができる。

第１実施形態に係るノイズ測定装置の全体構成を示すブロック図である。第１実施形態に係るプローブカードの構成を示す図であり、図２Ａは平面図、図２Ｂは図２ＡにおけるＡ−Ａ部分断面図である。第１実施形態に係るプローブカードの構成を示す図であり、カバーを外した状態における底面図である。第１実施形態に係るプローブカードの構成を示す回路図である。第１実施形態に係るノイズ測定装置を用いた測定結果を示すグラフであり、図５ＡはＭＯＳＦＥＴのノイズを測定した結果、図５Ｂは図５Ａの測定結果から、「Noise floor」を引いて周波数あたりのノイズ強度に変換した結果を示すグラフである。従来技術における測定例を示すグラフである。第２実施形態に係るプローブカードの写真であり、図７Ａは斜視図、図７Ｂはカバーを外した状態における底面図である。第２実施形態に係るプローブカードの構成を示す回路図である。第２実施形態に係るノイズ測定装置を用いた測定結果を示すグラフである。

２：ノイズ測定装置
６Ａ：プローブカード
１４：ＤＵＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）
３２：第１のシールド
３４：第２のシールド
３８：ゲート用プローブ（プローブ）
４０：ドレイン用プローブ（プローブ）
４２：ソース用プローブ（プローブ）
４４：基板用プローブ（プローブ）
５６：増幅回路

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（１）第１実施形態
（全体構成）
図１に示すノイズ測定装置２は、安定化電源４と、当該安定化電源４と電気的に接続されたプローブカード６Ａと、プローブカード６Ａから出力される出力信号を受信してノイズを測定する測定器１０とを備える。プローブカード６Ａは複数（本図では４本）のプローブを有するプローブ群８が設けられている。プローブ群８は、ゲート用プローブ３８、ドレイン用プローブ４０、ソース用プローブ４２、基板用プローブ４４を有する。当該プローブ群８はノイズ測定時に先端がウェハ１２に形成されたＤＵＴ１４に当接する。これにより、プローブカード６ＡはＤＵＴ１４と測定器１０とを電気的に接続する。ＤＵＴ１４は被測定デバイス（Device Under Test)となるＭＯＳＦＥＴである。

ノイズ測定装置２は、安定化電源４から供給される直流電圧をプローブ群８を通じてＤＵＴ１４に印加し、当該ＤＵＴ１４から出力される出力信号をプローブ群８を介して測定器１０へ出力することにより、測定器１０においてＤＵＴ１４のノイズを測定する。

プローブカード６Ａは、図２に示すように、プローブ群８、プローブ群８と電気的に接続された第１の基板１６及び第２の基板１８Ａ、取付部１５、第１の基板１６及び第２の基板１８Ａに電気的に接続されたケーブル群２０を備える。プローブカード６Ａの一端にプローブ群８が保持部３７によって保持されており、他端側に形成された挿通部１７からケーブル群２０が外部へ引き出されている。第１の基板１６と第２の基板１８Ａは積層されている。

ケーブル群２０は、複数のケーブル、本図では７本（第１〜第７のケーブル２１〜２７）で構成されており、一端は第１の基板１６又は第２の基板１８Ａに電気的に接続され、他端はそれぞれにコネクタ３０が設けられている。ケーブル群２０は同軸ケーブルが好適に用いられる。第１の基板１６及び第２の基板１８Ａの表面は、カバー３６で覆われている。

図３に示すように、第２の基板１８Ａは、プローブ群８が設けられた一端と挿通部１７が設けられた他端との間であって、第１の基板１６の略中央に配置されている。第２の基板１８Ａの両側にはそれぞれ第１のケーブル２１と第７のケーブル２７が配置されている。すなわち、第１のケーブル２１は挿通部１７から一端に向かって第２の基板１８Ａの一側に配置されている。また、第７のケーブル２７は挿通部１７から一端に向かって第２の基板１８Ａの他側に配置されている。

第２〜第６のケーブル２２〜２６は挿通部１７の略中央から導入され互いに略平行に配置されている。第２〜第５のケーブル２２〜２５は第２の基板１８Ａに接続されている。第６のケーブル２６は、図示しない配線で、ソース用プローブ４２に接続されている。

プローブカード６Ａは、第１の基板１６の外縁に第１のシールド３２が設けられ、当該第１のシールド３２内に第１の基板１６及び第２の基板１８Ａが収容されている。さらに、第２の基板１８Ａの外縁には第２のシールド３４が設けられ、当該第２のシールド３４内に第２の基板１８Ａが収容されている。これにより、第２の基板１８Ａは、第１のシールド３２及び第２のシールド３４によって遮蔽された空間に収容される。

図４に示すように、ＤＵＴ１４は、ゲート、ドレイン、ソース、基板にそれぞれ電気的に接続されたゲートパッド４６、ドレインパッド４８、ソースパッド５０、基板パッド５２が設けられている。ゲートパッド４６にはゲート用プローブ３８、ドレインパッド４８にはドレイン用プローブ４０、ソースパッド５０にはソース用プローブ４２、基板パッド５２には基板用プローブ４４がそれぞれ当接され得る。ゲート用プローブ３８は、第１の基板１６に設けられた第１のフィルタ回路５８を通じて第１のケーブル２１に接続されている。ドレイン用プローブ４０は、第２の基板１８Ａに設けられた増幅回路５６Ａに接続されている。本実施形態の特徴的構成は、後述する増幅回路を有する第２の基板１８Ａがプローブカード６Ａに設けられている点である。

増幅回路５６Ａは、アンプ５７と、１対のコンデンサ５９，６１と、フィードバック抵抗６２とを有する。コンデンサ５９，６１は、アンプ５７の入力側及び出力側に直列に設けられている。フィードバック抵抗６２は、当該アンプ５７に並列に設けられている。アンプ５７は、入力にドレイン用プローブ４０が接続されており、出力に第４のケーブル２４が接続されている。また、アンプ５７の電源端子に第５のケーブル２５が接続されている。さらに、アンプ５７の入力には、バイアス回路５４が接続されている。バイアス回路５４は、第２及び第３のケーブル２２，２３に接続されている。本実施形態の場合、増幅回路５６Ａに設けられるフィードバック抵抗６２と、バイアス回路５４に設けられるプルアップ抵抗（図示しない）は、異なる値の抵抗が用いられる。

ソース用プローブ４２は第６のケーブル２６を介して、接地されている。基板用プローブ４４は、第１の基板１６に設けられた第２のフィルタ回路６０を通じて第７のケーブル２７に接続されている。第４のケーブル２４は、コネクタ３０及び同軸ケーブルを介して測定器１０に接続されている。第１，第２，第６，第７のケーブル２１，２２，２６，２７は、コネクタ３０及び同軸ケーブル（図示しない）を介して安定化電源４に接続されている。第３のケーブル２３は、電圧計（図示しない）に接続されており、プルアップ抵抗に係る電圧を除いたドレインに印加される正味の電圧値を計測する。第５のケーブル２５はアンプ５７を駆動するための安定化電源（図示しない）に接続されている。

（作用及び効果）
以上の構成において、ノイズ測定装置２は、まず、プローブ群８を各パッド４６，４８，５０，５２に当接させる。すなわち、ゲート用プローブ３８をゲートパッド４６に、ドレイン用プローブ４０をドレインパッド４８に、ソース用プローブ４２をソースパッド５０に、基板用プローブ４４を基板パッド５２にそれぞれ当接させる。なお、プローブをパッドに当接する際は、図示しない顕微鏡を用いて位置を確認しながら行う。

次いで、ゲート用プローブ３８及びドレインパッド４８を通じてＤＵＴ１４のゲート及びドレインへ安定化電源４から供給される電圧を印加する。これにより、ＤＵＴ１４は閾値電圧に応じた導通状態となる。そうすると、ＤＵＴ１４はソース・ドレイン間に電流が流れる。この電流量には揺らぎが発生する。この揺らぎを生じた電流を電圧に変換し、増幅回路５６Ａにより高周波成分のみを増幅させた出力信号を、ノイズとして測定器１０により測定する。

本実施形態に係るノイズ測定装置２は、プローブカード６Ａに増幅回路５６Ａを搭載し、ＤＵＴ１４のドレインパッド４８とアンプ５７との距離を短くした。これにより、ノイズ測定装置２は、位相のずれ等の信号伝達のロスを抑制できるので、高周波数帯域においてノイズを測定することができる。

因みに、従来のノイズ測定器は、ＭＯＳＦＥＴから信号増幅／検出器までの距離が１５ｃｍ〜６０ｃｍと長いため位相のずれ等が生じる。

上記のように構成されたプローブカード６Ａを用いてＭＯＳＦＥＴのノイズ測定を行った結果を図５に示す。なお、プローブカード６Ａは、ドレインパッド４８からアンプ５７までの距離が10mm程度になるように形成した。ＭＯＳＦＥＴは、ゲート長（Ｌ）/幅（Ｗ）が、１／２．５μｍのｎ−ＭＯＳＦＥＴを使用した。ゲートＳｉＯ_２膜の厚さは３ｎｍである。ゲートに印加する電圧は、閾値電圧に対し、１．０（本図中７１），０．８（本図中７２），０．６（本図中７３），０．４（本図中７４），０．２（本図中７５）Ｖの５種類で測定した。測定した結果を本図Ａに示す。また、本図Ａ中「Noise floor」は、通電していないＤＵＴ１４にプローブ群８を接続させた場合のノイズを測定した結果である。また、本図Ａの測定結果から、「Noise floor」引いて周波数あたりのノイズ強度に変換した結果を本図Ｂに示す。本図から、測定系のノイズフロアとノイズ強度が重ならないことから、本実施形態に係るプローブカード６Ａを用いることにより、４０ＭＨｚの高い周波数でのノイズが正常に得られることが確認された。本実施形態に係るプローブカード６Ａでは、アンプの性能を向上させたり、実装形態を改良したりすることによって、数百ＭＨｚまでのＭＯＳＦＥＴのノイズ特性が測定可能と考えられる。

（２）第２実施形態
次に、第２実施形態に係るプローブカードについて図７〜図９を参照して説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。図７に示すプローブカード６Ｂは、第２の基板１８Ｂの構成が上記第１実施形態と異なる。

図８に示すように、第２の基板１８Ｂは、増幅回路５６Ｂを有する。増幅回路５６Ｂは、アンプ５７と、１対のコンデンサ５９，６１と、フィードバック抵抗６２とを有する。本実施形態の場合、増幅回路５６Ｂは、単一のＩＣ（Integrated Circuit）で構成され、４個のトランジスタが配置されている。このように増幅回路５６ＢをＩＣ化することにより、プローブカード６Ｂは、より高周波のノイズ特性を測定することができる。

図９は本実施形態に係るプローブカード６Ｂを用いてＤＵＴ１４のノイズ測定を行った結果を示す。なお、増幅回路５６ＢはＩＢＭ 0.13μm、８ＨＰＳｉＧｅＢｉＣＭＯＳＰｒｏｃｅｓｓを用いて作製した。

ＤＵＴ１４は、ゲート長（Ｌ）が８５ｎｍの１２インチウェーハ上に形成されたＭＯＳＦＥＴとした。当該ＭＯＳＦＥＴにプローブ群８を接続させてノイズを測定した。ゲートＳｉＯ_２膜の厚さは3nmである。ゲートに印加する電圧は、閾値電圧に対し、０．２（本図中８１），０．４（本図中８２），０．６（本図中８３）Ｖの３種類で測定した。本図中「Noise floor」は、通電していないＤＵＴ１４にプローブ群８を接続させた場合のノイズを測定した結果である。本図から、本実施形態に係るプローブカード６Ｂを用いることにより、８００ＭＨｚのより高い周波数でのノイズが正常に得られることが確認された。
本実施形態に係るプローブカード６Ｂは、例えば、オシロスコープの代わりにスペクトラムアナライザを使用することにより、超高速時間領域における電流を監視したり、ＳＲＡＭ(Static Random Access Memory)セル、メモリ装置（ＲＲＡＭ（登録商標）（Resistive Random Access Memory：抵抗変化メモリ）フィラメント形成）やＮＡＮＤ型フラッシュメモリの転送だけでなく、信頼性試験のための超高速の監視の切り替えなど様々な現象を監視するのに利用することができる。

（３）変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。上記実施形態では、ドレイン電流の揺らぎを電圧に変換してノイズを測定する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、電圧に変換せず電流から直接ノイズを測定してもよいし、電圧及び電流の両方で測定することとしてもよい。

Claims

ＭＯＳ型電界効果トランジスタに当接するプローブを有し、前記ＭＯＳ型電界効果トランジスタのノイズを測定するプローブカードにおいて、
フィルタ回路が設けられた第１の基板と、
前記第１の基板に積層され、前記ＭＯＳ型電界効果トランジスタの出力信号を増幅する増幅回路が設けられた第２の基板とを有し、
前記第１の基板の外縁に設けられた第１のシールド内に前記第１の基板及び前記第２の基板が設けられ、
前記第２の基板の外縁に設けられた第２のシールド内に前記第２の基板が設けられており、
前記第２の基板は、前記第１のシールド及び前記第２のシールド内に収容される
ことを特徴とするプローブカード。
前記第１の基板及び前記第２の基板に電気的に接続されたケーブル群を備え、
一端に前記プローブが保持部によって保持されており、他端側に形成された挿通部から前記ケーブル群が外部へ引き出されている
ことを特徴とする請求項１記載のプローブカード。
前記増幅回路がＩＣ化されていることを特徴とする請求項１記載のプローブカード。
ＭＯＳ型電界効果トランジスタに当接するプローブを有し、前記ＭＯＳ型電界効果トランジスタのノイズを測定するプローブカードを備えるノイズ測定装置において、
前記プローブカードは、
フィルタ回路が設けられた第１の基板と、
前記第１の基板に積層され、前記ＭＯＳ型電界効果トランジスタの出力信号を増幅する増幅回路が設けられた第２の基板とを有し、
前記第１の基板の外縁に設けられた第１のシールド内に前記第１の基板及び前記第２の基板が設けられ、
前記第２の基板の外縁に設けられた第２のシールド内に前記第２の基板が設けられており、
前記第２の基板は、前記第１のシールド及び前記第２のシールド内に収容される
ことを特徴とするノイズ測定装置。
前記第１の基板及び前記第２の基板に電気的に接続されたケーブル群を備え、
前記プローブカードは、一端に前記プローブが保持部によって保持されており、他端側に形成された挿通部から前記ケーブル群が外部へ引き出されている
ことを特徴とする請求項４記載のノイズ測定装置。
前記増幅回路がＩＣ化されていることを特徴とする請求項４記載のノイズ測定装置。