CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2010/10/13 CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 東京工業大学大学院理工学研究科 電子物理工学専攻 菅原　光俊、盛　健次、角川　佳弘 、松澤　昭 2013/1/21 CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21 東京工業大学大学院理工学研究科

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2010/10/13 目次 1. 容量TEG設計の背景 2. 従来のCBCM法 3. 提案する回路とﾚｲｱｳﾄ 4. 実測結果 5. その他のﾘﾌｧﾚﾝｽ CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21 東京工業大学大学院理工学研究科

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 今般､下記2種の容量のｷｬﾗｸﾀﾗｲｼﾞﾝｸﾞが必要 配線間櫛形容量(MOM容量)の詳細(DAC,ADCの高精度設計のため) MOSﾄﾗﾝｼﾞｽﾀのｹﾞｰﾄ容量の再評価(新ﾓﾃﾞﾙ化のため) ﾏﾄﾘｸｽ状にたくさん容量を作り、少ないﾋﾟﾝで正しく評価するための工夫が必要 CBCM法採用 100種類以上の容量を測ってみたい 1fF以下の分解能で測りたい 被測定容量自体の浮遊容量を分離して求めたい 非線形容量測定に100mV振幅で測りたい CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

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Charge Based Bapacitance Measurement 基本技術のCBCM法 被測定容量をまず放電 次にVDDまで充電する｡VDDからQ=Cx・VDDの電荷が注入される。 これを1秒間にf回繰り返すと、充電電流Iは I=Q/1秒=Cx・VDD・f ∴Cx=I/(VDD・f) 容量無し(No Cap)の 　ﾚﾌﾟﾘｶを作り、浮遊容量を相殺する 貫通電流防止。 J.C.Chen,et al: “An On-Chip, Attofarad Interconnect Charge-Based Capacitance Measurement (CBCM) Technique, IEDM 1996 次に充電 被測定容量 Cx ﾚﾌﾟﾘｶ まず放電 Break before make CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 利点 電流波形に依らず､その積分値=総電荷のみ必要 放電後､充電後には電流が流れないので､ｹﾙﾋﾞﾝ接続不要 測定系の浮遊容量はｷｬﾝｾﾙできる 1fF程度まで測れる 欠点 端子数が多い ｲﾝﾊﾞｰﾀ構成で､VDD>>VTが必要。100mVでは測れない 対策 ﾏﾄﾘｸｽ状に並べ、被測定容量のみをCVCM法で測る。 非測定容量にはﾊﾟﾙｽを加えない 回路工夫で100mVで動作させる CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 提案する回路とﾚｲｱｳﾄ CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 提案するユニット回路 充放電は 上下とも3.3V Nchｽｲｯﾁ。ｹﾞｰﾄは3.3Vﾄﾞﾗｲﾌﾞ 両端電位VDD　=0~2.5Vで､ｽｲｯﾁのon/off可 Vc=0.1~2V A ck xsel ysel Vsub=-1~2V sub Vcom=-1~2V com GND (x+1)sel delay VDD P1 P2 Cx Vc VDD=3.3V ﾚﾌﾟﾘｶ 座標xsel,yselの交点のﾕﾆｯﾄのみ､ｸﾛｯｸをｱｸﾃｨﾍﾞｰﾄ 貫通電流を避けるBreak before makeのためのﾛｼﾞｯｸ挿入 容量の他端は 任意ﾊﾞｲｱｽを掛けるなら、共通のcom端子へ 他端がsubstrateの容量のみsub端子へ。 VDD及びGND,com,sub間は出来るだけ容量を付加 CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 ユニット回路のレイアウト 50μm□の被測定容量+ﾚﾌﾟﾘｶ用ｴﾘｱ 逆L字型 上辺にﾛｼﾞｯｸとｽｲｯﾁを配置 層ごとにVDD, GND,com,subを割り当て P1 P2 10μm ここに被測定容量と ﾚﾌﾟﾘｶの両方を置く 50μm 5μm 50μm CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 容量アレーの形状 1列ごとにﾕﾆｯﾄを対称に配置 最大50μm×100μmの「被測定容量+ﾚﾌﾟﾘｶ」のｴﾘｱが可能 4つの独立したｱﾄﾞﾚｽをもつxselで制御 10um CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 容量アレーの形状 ﾕﾆｯﾄを20行×20列配置 CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 容量アレーの形状 ﾊﾟｯﾄﾞ・ﾘﾝｸﾞを付けて、四方へ引き出している。 ﾀﾞｲｻｲｽﾞは2mm□ CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 被測定容量の浮遊容量の分離法の提案 Vc=0.1~2V A ck xsel ysel Vsub=-1~2V sub Vcom=-1~2V com GND (x+1)sel delay VDD P1 P2 Cx Vc Cz Cy VDD=3.3V MOMの場合､　被測定容量Cxの両端に浮遊容量Cy,Czが付く 2ﾕﾆｯﾄを使い図のように接続 非ｾﾚｸﾄのﾕﾆｯﾄは、GND側のｽｲｯﾁがｵﾝ (ﾚﾌﾟﾘｶはこの隣に置き､測定系の浮遊容量を相殺) まず左のxsel,yselを選択 Cx + Cy を測定 次に右の(x+1)sel,yselを選択 Cx + Cz を測定 次に左右xsel,(x+1)sel,yselを選択 Cy + Cz を測定(Cxの両端は同電位で無視) 連立方程式を解きCx,Cy,Czを求める CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 被測定容量ｴﾘｱの使い方の例 50μm×100μmｴﾘｱに、4ｱﾄﾞﾚｽ付の4容量計測点がある ﾚﾌﾟﾘｶを含め、任意に割り当て可能 Meas Meas wires Meas Meas replica1 com floating capacitors 1Vpp adr1 adr2 adr3 adr4 x DUT1 DUT2 DUT3 adr9 adr10 adr11 adr12 adr7 adr8 DUT4 DUT5 replica2 replica3 sub adr17 adr18 adr19 adr20 adr15 adr16 DUT6 replica5 0.1Vpp replica4 DUT7 CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 実測結果 CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 実測結果: MOM容量とﾌｨﾝｶﾞ本数 T社90nm標準CMOSﾌﾟﾛｾｽで試作 結論 0.001fF=1aFの分解能があることが確かめられた CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 実測結果: 単位MOM容量のばらつき 100個の単位MOM容量(ｼｰﾙﾄﾞ無)の実測値の分布とﾍﾟﾘｸﾞﾗﾑ 配線層間容量(MIM　容量)のσよりやや大　きいが、設計でﾏﾈｰｼﾞ出来るﾚﾍﾞﾙ 単位MOM容量 n=100 平均=6.327fF σ=0.032fF CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 実測結果: MOM容量の長さ依存性 右図の各種容量を試作 ﾌｨﾝｶﾞ長5umの配線層櫛形横方向単位容量(単位MOM容量)1個(約5fF) ﾌｨﾝｶﾞ長を0と2.5umも ｼｰﾙﾄﾞ(右図の灰色)有無 結論(浮遊容量分離後) 多少のｵﾌｾｯﾄはあるが､MOMのﾌｨﾝｶﾞ長と容量は1次式の関係にあることが実証された ｼｰﾙﾄﾞ無しだと約1fFのﾌﾘﾝｼﾞ容量がある 5um 2.5um CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 その他のリファレンス CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 被測定容量へ100mV振幅印加技術 2002年に、上下Pch MOSｽｲｯﾁを使って、 Vcap-Vo=100mVを実現した例。(V1,V2はVoより負) 2008年に上下Nch MOSｽｲｯﾁを使った例もあった B.Sell, et al: “Charge-Based Capacitance Measurements (CBCM) on MOS Devices ” IEEE Tran. Devices & Materials Reliability, Vol 2, No 1, 2002 ﾚﾌﾟﾘｶ T.Sutory, et al: “C-V CHARACTERIZATION OF NONLINEAR CAPACITORS USING CBCM METHOD” International Conference Mixed Design, 21-23, 2007 ﾚﾌﾟﾘｶ CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 容量マトリクス切替技術1 x,y,z座標で選択された容量のみｸﾛｯｸを供給 ﾘｰｸ対策は ﾊﾞﾝｸ切替用にPchｽｲｯﾁを2個 直列挿入 VDをVDDよりやや下げる ｲﾝﾊﾞｰﾀ型ｽｲｯﾁを採用 ｸﾛｯｸ・ﾉｲｽﾞ対策 なお我々は、 逆にVDD側をまとめてﾒｯｼｭ構造とし、引出ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽを下げ、測定周波数を高め、かつVDD側の容量を大きくし電流平均化対応 ﾘｰｸは､ﾚﾌﾟﾘｶ分を差し引き､相殺 ｸﾛｯｸﾉｲｽﾞは､秒ｵｰﾀﾞの平均で対応 S.Ohkawa, et al: “Analysis and Characterization of Device Variations in an LSI Chip Using an Integrated Device Matrix Array” IEEE Tran Semiconductor Manufacturing, Vol 17, No 2, 2004 CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 容量マトリクス切替技術2 ｹﾙﾋﾞﾝ接続を採用 ｲﾝﾊﾞｰﾀ型ｽｲｯﾁのため､複雑な電源系で､小振幅を実現 なお、我々は、 放電後、充電後には電流が流れないので、 ｹﾙﾋﾞﾝ接続は不要と結論づけた。 両ｻｲﾄﾞNchｽｲｯﾁで、簡単な電源系を実現 K.Tsuji, et al: “Measurement of MOSFET C-V Curve Variation Using CBCM Method” IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures Conference, P81-P84, 2009 ﾚﾌﾟﾘｶ CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21

CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 複数ch動作同時動作で容量測定 B.Froment, et al: “Ultra Low capacitance measurements in multilevel metallization CMOS by using a built-in Electron　-meter” 14thInternationa Electron Device Meeting, 37.2, 1999 配線間浮遊容量測定のため､複数の信号源によるCBCMと､連立方程式での解法 我々は、被測定容量の浮遊容量を分離する際に、n=2に相当する処理をしているとも言える CBCM法を用い、0.001fF分解能、浮遊容量分離型、400個の容量TEGマトリクス・テスト・ストラクチャの提案 2013/1/21