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JP5925634B2 - 半導体の欠陥評価方法 - Google Patents

半導体の欠陥評価方法 Download PDF

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Description

本発明はワイドギャップ半導体において、CPM測定装置を用いた半導体の欠陥評価方法に関する。
従来、液晶テレビに代表される表示装置には非晶質シリコンを用いたトランジスタが用いられて来たが、シリコン半導体に代わる材料として酸化物半導体が注目されている。例えば、アクティブマトリクス型の表示装置におけるトランジスタのチャネル領域として、In、GaおよびZnを含む非晶質酸化物を用い、該非晶質酸化物の電子キャリア濃度が1×1018cm−3未満としたものが開示されている(特許文献1参照)。
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタにはいくつかの問題がある。その一つは特性の不安定性であり、可視光および紫外光を照射することでしきい値電圧が変化することが指摘されている(非特許文献1参照。)。また、トランジスタの信頼性の面では、バイアス−熱ストレス試験によって特性が変化してしまうという問題が指摘されている(非特許文献2参照。)。
特開2006−165528号公報
P. Barquinha, A. Pimentel, A. Marques, L. Pereira, R. Martins, E. Fortunato、「Effect of UV and visible light radiation on the electrical performances of transparent TFTs based on amorphous indium zinc oxide」、Journal of Non−Crystalline Solids 352 (2006) 1756−1760 Kwang−Hee Lee, Ji Sim Jung, Kyoung Seok Son, Joon Seok Park, Tae Sang Kim, Rino Choi, Jae Kyeong Jeong, Jang−Yeon Kwon, Bonwon Koo, and Sangyun Lee、「The effect of moisture on the photon−enhanced negative bias thermal instability in Ga−In−Zn−O thin film transistors」、APPLIED PHYSICS LETTERS 95, (2009) 232106
半導体の欠陥評価方法の一つとして、一定光電流測定法(CPM:Constant Photocurrent Method)が知られている。
CPM測定は、試料に設けられた第1の電極および第2の電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射光量から吸光係数を導出することを各波長にて行うものである。CPM測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー(波長より換算)における吸光係数が増加する。この吸光係数の増加分に定数を掛けることにより、試料の欠陥密度を導出することができる。
酸化物半導体は、バンドギャップの大きい、ワイドギャップ半導体の一つである。これまで、ワイドギャップ半導体の欠陥密度を、CPM測定によって精度高く評価することは困難であった。
そこで、ワイドギャップ半導体においても、欠陥密度をCPM測定によって精度高く評価することを可能とする。
ワイドギャップ半導体のバンドギャップの波長(λEg)以下、所定の波長範囲以上において、CPM測定で得られた照射光量から導出した吸収係数と、別途測定したワイドギャップ半導体のλEg以下、所定の波長範囲以上における吸収係数とのフィッティング値F(x)を0.0001以上1以下、好ましくは0.0001以上0.1以下となるようにg(hν)を変更していく。
フィッティング値F(x)は数式(1)で定義する。
数式(1)において、f(hν)は、別途測定したワイドギャップ半導体のλEg以下、所定の波長範囲以上における吸収係数である。また、g(hν)は、CPM測定で導出したワイドギャップ半導体のλEg以下、所定の波長範囲以上における照射光量を試料の形状および光学的特性で規格化した規格化照射光量に任意数を乗じたものである。
具体的には、試料の形状とは実効的に光の照射を受ける面積に相当し、光学的特性とは試料の透過率に相当する。
前述の所定の波長は、λEgに30nm以上100nm以下を引いた値とする。例えばλEg−50nmとする。
また、フィッティング値F(x)の算出は、λEg以下、所定の波長以上において3点以上10点以下、例えば5点の波長を用いて行う。
g(hν)は、CPM測定で得られた規格化照射光量に任意数を乗じて得られる。なお、規格化照射光量を規格化照射光量から導出されるフォトン数と読み替えても構わない。このとき、λEg以下、所定の波長以上において、別途測定した吸収係数とのフィッティング値F(x)が0.0001以上1以下、好ましくは0.0001以上0.1以下となるよう規格化照射光量に任意数を乗じる。
以上のように、フィッティング値F(x)を上述の範囲とすることで、ワイドギャップ半導体の欠陥密度を精度高く評価することができる。具体的には、1×1015個/cm以下、好ましくは1×1014個/cm以下の欠陥密度を評価することが可能となる。
ここで、ワイドギャップ半導体とは、バンドギャップが2.2eV以上6.0eV以下、2.5eV以上5.0eV以下または2.8eV以上4.0eV以下の半導体をいう。
半導体としては、例えば、酸化物半導体、有機半導体または化合物半導体(酸化物半導体を除く)などが挙げられる。
ワイドギャップ半導体においても、欠陥密度を精度高く評価することが可能となる。
本発明の一態様である測定方法を説明するフロー図。 本発明の一態様であるCPM測定装置の模式図。 酸化物半導体膜のCPM測定から導出した吸収係数を示す図。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
電圧は、ある電位と、基準の電位(例えばグラウンド電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧、電位、電位差を、各々、電位、電圧、電圧差と言い換えることが可能である。
本明細書においては、「接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在している場合だけのこともある。
なお、第1、第2として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
(実施の形態1)
まず、CPM測定装置について図2を用いて説明する。
図2は、CPM測定装置の模式図である。簡単のため、光の経路を矢印で、配線などを実線で示す。ランプ201から照射された光がモノクロメータ202、フィルタ203およびビームスプリッタ204を介して試料205に入射する。なお、フィルタ203が設けられない場合やフィルタ203が複数枚設けられる場合もある。ビームスプリッタ204では、光を透過および反射させ、透過光を試料205へ、反射光をフォトダイオード210へ、それぞれ入射させる。ただし、必ずしも透過光が試料205へ、反射光がフォトダイオード210へ入射するわけではなく、逆にしても構わない。
ランプ201として、例えばキセノンランプ、水銀ランプおよびハロゲンランプなどを用いればよい。なお、ランプ201として、前述のランプを組み合わせて用いてもよい。好ましくはキセノンランプを用いる。
モノクロメータ202は、広範囲の波長の光から狭い範囲の波長のみを取り出すことができれば何を用いても構わない。
フィルタ203は、減光(ND:Neutral Density)フィルタ、ウェッジフィルタおよびカットフィルタから選ばれた一種以上を用いればよい。カットフィルタとは、特定の範囲の波長を通し、他の波長を減衰させる機能を有する光学フィルタをいう。また、それぞれのフィルタを複数種用いてもよい。こうすることで、照射光量または/および照射波長の制御性を高めることができる。
フォトダイオード210によって照射された光を電流に変えた後、ロックインアンプ209によって電流を計測し、計算機208によって照射光量を見積もることができる。
試料205は、ワイドギャップ半導体、第1の電極および第2の電極が設けられている。第1の電極および第2の電極は直流電源206に抵抗を介して接続され、抵抗と並列してロックインアンプ207によって光電流値を計測することができる。なお、得られた光電流値は、計算機208を介して、フィルタ203にフィードバックされ、光電流値が高すぎる場合、フィルタ203の透過率を下げ、照射光量を低減させる。また、光電流値が低すぎる場合は、フィルタ203の透過率を上げ、照射光量を増加させる。
なお、ロックインアンプ207およびロックインアンプ209は、入力された信号のうち、特定の周波数の信号を増幅して検出し、出力する機能を有する。そのため、ノイズなどの影響が低減され、高感度に信号を検出することが可能となる。
試料205に設けられた第1の電極および第2の電極は、Al、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ag、Ta、W、PtおよびAu、それらの窒化物、酸化物ならびに合金から一以上選択し、単層でまたは積層で用いればよい。または、Si、Ti、Ni、Cu、Zn、Ga、InおよびSnから選ばれた複数種の材料を含む透明導電膜を用いてもよい。好ましくは、ワイドギャップ半導体との界面に絶縁膜を形成しない材料を選択する。
第1の電極および第2の電極は、同一層かつ同一材料とすると試料の作製が簡便となり好ましい。
なお、第1の電極および第2の電極は、矩形または櫛歯状の形状とすればよい。このほか、第1の電極および第2の電極の形状は、適宜変形して形成することができる。
試料205に設けられるワイドギャップ半導体は、酸化物半導体膜(In−Ga−Zn−O系材料など)、有機化合物、シリコン系化合物(炭化シリコンなど)、炭素系化合物(ダイアモンドなど)などとすればよい。
次に、CPM測定方法を図1を用いて説明する。
図1はCPM測定方法のフロー図である。ステップS101で測定開始し、ステップS102で測定条件(波長範囲、チョッパー周波数、定電流値)を任意に決定する。波長範囲、定電流値は、CPM測定の対象となるワイドギャップ半導体の種類によって適宜選択する必要がある。波長範囲はワイドギャップ半導体のバンドギャップなどから決定する。例えば、バンドギャップが2.8eV以上4.0eV以下のワイドギャップ半導体であれば、波長範囲は200nm以上1200nm以下とすればよい。チョッパー周波数は、光照射および遮光の切り替え速度に対応する。チョッパー周波数は、ワイドギャップ半導体の光応答性から選択すればよい。CPM測定においては、光照射によるチャージアップが問題となることがある。その場合、チョッパー周波数を低くすることで光照射によるチャージアップの影響を低減することができる。定電流値は予備測定によって前もって決定しておく。
定電流値の決定は、測定を予定している波長範囲から任意の波長を数点選択して行う。波長は、測定を予定している波長範囲において、偏りなく選択すると好ましい。次に、試料205の第1の電極および第2の電極間に電圧を印加し、装置の最大照射光量近傍にて選択した各波長おける光電流値を測定する。得られた光電流値のうち、もっとも小さかった値よりも5%から30%程度小さい電流値を定電流値に定める。
次に、ステップS103にて、試料205の第1の電極および第2の電極間に電圧を印加する。第1の電極および第2の電極間の電圧は例えば0.1V以上50V以下とする。
次に、ステップS104にて初期の照射光量を決定する。初期の照射光量は、例えば、装置の最大照射光量とすればよい。
次に、ステップS105では、チョッパーによって点滅させた光を試料205へ照射する。この点滅の周期はチョッパー周波数によって選択でき、ロックインアンプ207を用いることでチョッパー周波数と同様の周波数を持つ微弱な光電流値を検出することが可能となる。
ステップS105で検出された光電流値が、ステップS102で決定した任意の光電流値の一定範囲内(例えば、プラスマイナス10%以内)となっているかをステップS106にて判断する。検出された光電流値が、任意に決定した光電流値の一定範囲外(例えば、プラスマイナス10%外)のとき、ステップS107にて照射光量を変更する。なお、ステップS106で判断する光電流値の範囲は、狭めるとCPM測定の精度が高まり、広げるとCPM測定の精度が下がる。ただし、ステップS106で判断する光電流値の範囲が狭いほど、光電流値の制御に時間が掛かり、CPM測定の時間が長くなってしまう。
照射光量の変更には、NDフィルタまたは/およびウェッジフィルタなどを用いればよい。
ステップS107にて照射光量を変更した場合、再びステップS105に戻り、光電流値を検出する。検出された光電流値がステップS102で決定した任意の光電流値のプラスマイナス10%以内となっているかをステップS106にて判断する。検出された光電流値が、任意に決定した光電流値のプラスマイナス10%外のとき、ステップS107にて照射光量を変更する。これを、ステップS102で決定した光電流値のプラスマイナス10%以内となるまで繰り返し行う。
ステップS106にて、検出された光電流値が、ステップS102で決定した任意の光電流値のプラスマイナス10%以内と判断された場合、ステップS108に移り、任意の波長範囲の測定が全て行われているか判断する。任意の波長範囲の測定が全て行われていないと判断された場合、ステップS109にて照射光の波長を変更し、ステップS105に戻す。
なお、照射光の波長に応じてカットフィルタを設けると好ましい。なお、ステップS109にて照射光の波長を変更するのに伴い、最適な波長範囲を有するカットフィルタへの変更ステップを追加してもよい。カットフィルタを最適な波長範囲を有するカットフィルタに変更することによって、迷光の影響を低減でき、CPM測定を精度高く行うことが可能となる。
ステップS105〜ステップS109を繰り返し、ステップS108にて波長範囲の測定が全て行われていると判断されると、ステップS110に移り、CPM測定を終了する。
以上がCPM測定方法の一例である。
こうして得られた波長ごとの照射光量を試料の形状および光学的特性によって規格化した規格化照射光量とする。規格化照射光量に任意数を乗じ、概略ワイドギャップ半導体のλEg以下の範囲において、別途測定した波長ごとの吸収係数とフィッティングすることで吸収係数として扱うことが可能となる。
なお、波長ごとの吸収係数は、分光エリプソメトリー、または分光光度計による透過率および反射率などの測定から導出すればよい。
CPM測定から得られる吸収係数は、電流値の測定から導出しているため、フォトン数の測定が困難となるほどの微量な光の吸収を評価することが可能となる。そのため、CPM測定は、分光エリプソメトリー、分光光度計などと比較し、ワイドギャップ半導体のλEg以下の範囲において、吸収係数を精度高く導出することができる。
従って、ワイドギャップ半導体のバンドギャップ内における低密度の欠陥準位についても、精度高く評価することができる。
なお、CPM測定で得られる値は定電流値となるときの照射光量として記録される。そのため、規格化照射光量としてから吸収係数を導出することになる。具体的には、試料への照射面積、試料の透過率を用いて算出すればよい。
一般的には、CPM測定で得られた規格化照射光量に任意数を乗じたものを、別途測定された吸収係数と適切な範囲でフィッティングを行うことで吸収係数を導出している。その際に、CPM測定から導出した吸収係数と、別途測定された吸収係数とが、ワイドギャップ半導体のλEg以下の範囲において、1点、2点程度一致しているのみの場合や、ごく僅かなエネルギー範囲においてのみ一致しているのみの場合では、CPM測定から導出した吸収係数は、実際の吸収係数を表しているとは言い難く、当然ながら評価される欠陥密度も精度も低いものとなる。
そこで、ワイドギャップ半導体のλEg以下、所定の波長以上におけるCPM測定で得られた規格化照射光量に任意数を乗じたもの(g(hν))と、別途測定したワイドギャップ半導体のλEg以下、所定の波長以上における吸収係数f(hν)との、数式(1)におけるフィッティング値F(x)を0.0001以上1以下、好ましくは0.0001以上0.1以下となるようにg(hν)を変更していく。なお、数式(1)については前述の説明を参酌する。
なお、前述の所定の波長以上は、λEgから30nm以上100nm以下を引いた値とする。例えばλEg−50nmとする。
また、フィッティング値の算出は、λEg以下、所定の波長以上において3点以上10点以下、例えば5点の波長を用いて行う。
g(hν)は、CPM測定で得られた規格化照射光量に任意数を乗じて得られる。このとき、λEg以下、所定の波長以上において、別途測定した吸収係数とのフィッティング値F(x)が0.0001以上1以下、好ましくは0.0001以上0.1以下となるよう規格化照射光量に任意数を乗じる。
以上のように、フィッティング値を上述の範囲とすることで、ワイドギャップ半導体の欠陥密度を精度高く評価することができる。具体的には、1×1015個/cm以下、好ましくは1×1014個/cm以下の欠陥密度を評価することが可能となる。
本実施の形態は、適宜他の実施例などと組み合わせて用いることができる。
本実施例では、ワイドギャップ半導体である酸化物半導体の吸収係数をCPM測定から導出する方法について説明する。
測定する試料は、ガラス基板上に酸化シリコン膜を300nmの厚さで成膜し、酸化シリコン膜上に酸化物半導体膜を200nmの厚さで成膜し、酸化物半導体膜上に一対のタングステン電極を100nmの厚さで形成し、酸化物半導体膜および一対のタングステン電極を覆って酸化アルミニウム膜を100nmの厚さで成膜した後、酸化アルミニウム膜の一部をエッチングし、一対のタングステン電極を露出させることで作製した。
ここで、酸化物半導体膜として、In−Ga−Zn−O膜を用いた。
CPM測定は、図1に示すフローに従って行った。なお、測定範囲は200nm〜1200nmである。
次に、酸化物半導体膜のλEg以下、所定の波長以上において、分光光度計から導出した吸収係数と、CPM測定で得られた波長ごとの規格化照射光量と、が概略一致するよう規格化照射光量に任意数を乗じた。
次に、数式(1)を用いて、酸化物半導体膜のλEg以下、所定の波長以上において、分光光度計から導出した吸収係数f(hν)と、CPM測定で得られた規格化照射光量に任意数を乗じたg(hν)と、がフィッティング値F(x)が0.0001以上1以下、好ましくは0.0001以上0.1以下となるまで、任意数を変更した。
こうして、F(x)が0.088となったところで、CPM測定で導出した吸収係数と定めた。結果を図3に示す。なお、図3では、波長をエネルギーに換算した値を横軸に示す。
図3に示すとおり、λEg以下、所定の波長以上(バンドギャップ以上のエネルギー範囲)で、分光光度計から導出した吸収係数(破線)と、CPM測定から導出した吸収係数(実線)と、がよくフィッティングしていることがわかる。
そのため、本実施例におけるCPM測定から導出した吸収係数から、精度高く酸化物半導体膜の欠陥密度を評価できることがわかる。
S101 ステップ
S102 ステップ
S103 ステップ
S104 ステップ
S105 ステップ
S106 ステップ
S107 ステップ
S108 ステップ
S109 ステップ
S110 ステップ
201 ランプ
202 モノクロメータ
203 フィルタ
204 ビームスプリッタ
205 試料
206 直流電源
207 ロックインアンプ
208 計算機
209 ロックインアンプ
210 フォトダイオード

Claims (4)

  1. バンドギャップが2.2eV以上6.0eV以下の半導体上の一対の電極を有する試料に対し、前記一対の電極間に電圧を印加するステップと
    前記半導体に周期的に任意の波長の光を照射して、前記一対の電極間を流れる光電流値を検出するステップと
    前記光電流値が定電流値になるように照射光量を変えるステップと
    前記任意の波長および前記照射光量を記録するステップと
    記バンドギャップの波長より50nm短い波長以上前記半導体のバンドギャップの波長以下の波長範囲における前記照射光量を前記試料に対して規格化して、規格化照射光量とするステップと
    記波長範囲における前記半導体の吸収係数を、分光エリプソメトリーまたは分光光度計による透過率および反射率の測定から導出するステップと、有し、
    下記数式(1)に示す、前記規格化照射光量と前記吸収係数とのフィッティング値F(x)が0.0001以上1以下を満たすよう、前記規格化照射光量に任意数を乗じることを特徴とする半導体の欠陥評価方法。

    (ただし、λEgは前記半導体のバンドギャップ波長を示し、f(hν)は前記吸収係数を示し、g(hν)は前記規格化照射光量に前記任意数を乗じたものを示す。)
  2. 請求項1において、
    前記光電流値が前記定電流値から一定範囲内であるときは、前記任意の波長および前記照射光量を記録し、かつ前記任意の波長を変更し、
    前記光電流値が前記定電流値から一定範囲外であるときは、前記任意の波長の光の前記照射光量を変更し、
    あらかじめ定めた波長範囲において、前記任意の波長の光の波長および前記照射光量を記録することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
  3. 請求項1または請求項2において、
    前記半導体が、酸化物半導体であることを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
  4. 請求項1または請求項2において、
    前記半導体が、有機半導体または化合物半導体であることを特徴とする半導体の欠陥評価方法。

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